На рисунке представлен простейший усилительный каскад на биполярном транзисторе, включенном в схеме с общим эмиттером (ОЭ). При отсутствии источника смещения Есм=0 и входного сигнала (Евх=0) транзистор будет закрыт, а входной ток близок к нулю. При подаче на вход сигнала положительной полярности транзистор открывается и через резистор Rк потечет ток коллектора, а напряжение на коллекторе уменьшится.
Для обеспечения работы усилительного каскада при переменном двуполярном сигнале (например, синусоидальном) в его выходной цепи должны быть созданы постоянные составляющие тока и напряжения.
Связь между постоянными и переменными составляющими должна быть такой, чтобы амплитудные значения переменных составляющих не превышали постоянных составляющих. Если эти условия не будут выполняться, ток Iк выходной цепи на отдельных интервалах времени будет оставаться неизменным (определяемым либо током утечки, либо нагрузкой), что приведет к искажению формы выходного сигнала.
Работа каскада при различных значениях напряжения смещения иллюстрируется моделью LTspice.
Источник входного сигнала формирует напряжение синусоидальной формы с потенциальным смещением. На графиках приведены временные диаграммы входного и выходного напряжений при различных значениях постоянной составляющей во входном сигнале U0 равных 1В (зеленый график), 3,5В (синий график) и 7В (красный график). При напряжении смещения 1В на некоторых интервалах времени транзистор переходит в режим отсечки, а при 7В — в режим насыщения. Характерно, что увеличение входного напряжения способствует увеличению токов транзистора и, соответственно, уменьшению выходного напряжения. При усилении переменного сигнала это обстоятельство обуславливает изменение фазы выходного сигнала на 180 градусов по отношению к входному.
Механизм взаимодействия электрических параметров каскада наглядно иллюстрируется графо-аналитическим методом анализа с использованием трех семейств характеристик.
В первом квадранте приведены выходные характеристики -зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при фиксированных токах базы. Во втором квадранте — переходная характеристика для режима с нагрузкой — зависимость тока коллектора от тока базы при заданных Ек и Rк. В третьем квадранте расположена входная характеристика — зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер для активного режима работы транзистора.
На семействе выходных характеристик построена нагрузочная прямая для заданных Ек и Rк. Рабочая точка покоя П, расположенная на нагрузочной прямой определяет значения параметров режима покоя U_{КЭ}^П и I_К^П .
Проекция тока коллектора покоя на переходную характеристику позволяет определить ток базы покоя I_Б^П .
Проекция тока базы покоя на входную характеристику определяет входное напряжение транзистора U_{БЭ}^П .
Через точку покоя на входной характеристике проходит прямая с наклоном, определяемым базовым резистором R_Б . Пересечение этой прямой с осью входного напряжения определяет значение напряжения смещения.
Изменения входного напряжения в соответствии с входной характеристикой приводят к изменениям входного тока, который в свою очередь в соответствии с переходной характеристикой вызывает изменения выходного тока. При изменении выходного тока рабочая точка перемещается по нагрузочной прямой на семействе выходных характеристик и обуславливает формирование изменений выходного напряжения. Графоаналитический метод позволяет спроецировать рабочую точку на все характеристики транзистора получая мгновенные значения всех электрических координат.
Для полевых транзисторов графоаналитический расчет производится с использованием двух семейств характеристик — переходных и выходных.