4.4. Нагрузочные характеристики и оптимизация выбора рабочей точки по постоянному току

При работе активного элемента токи и напряжения на его зажимах изменяются, и рабочая точка перемещается по статическим характеристикам. Линия, по которой движется рабочая точка на выходной характеристике, называется нагрузочной характеристикой.

Нагрузочные характеристики позволяют графически проиллюстрировать работу усилительного каскада. Нагрузочные характеристики или выходные динамические характеристики (ДХ) – это прямые линии, которые в координатах выходной ток и выходное напряжение соответствуют уравнениям, выражающим зависимость между значениями токов и напряжений на нагрузке каскада по постоянному и переменному току.

Проиллюстрируем работу транзистора с помощью упрощенной схемы каскада по схеме ОЭ (рис. 4.8).

Рис.4.8. Схема включения биполярного транзистора с ОЭ

Для схемы на рис. 4.8 справедливы следующие соотношения между токами и напряжениями:

,	(4.13)
,	(4.14)

здесь – напряжение источника питания, – напряжение смещения, – сопротивление коллектора является нагрузкой транзистора.

При увеличении напряжения на базе происходит увеличение тока базы и транзистор дополнительно открывается. Это приводит к увеличению тока коллектора и падению большего напряжения на сопротивлении . Таким образом, напряжение коллектор-эмиттер снижается. Увеличение и снижение соответствует движению рабочей точки влево вверх на выходных характеристиках (рис. 4.5): .

При уменьшении напряжения на базе происходит уменьшение тока базы и транзистор частично закрывается. Это приводит к уменьшению тока коллектора и уменьшению напряжения на сопротивлении . Таким образом, напряжение коллектор-эмиттер увеличивается. Уменьшение и увеличение соответствует движению рабочей точки вправо вниз на выходных характеристиках (рис. 4.5): .

Нагрузочная прямая по постоянному току характеризует работу усилителя на постоянном токе (рис. 4.9).

Построение нагрузочной прямой по постоянному току:

• на оси абсцисс откладываем напряжение питания – ,

• проводим прямую через рабочую точку и точку на оси абсцисс с координатой ,

• на оси ординат координата пересечения с нагрузочной прямой по постоянному току будет .

Рис.4.9. Нагрузочные прямые по постоянному ( ) и переменному ( ) токам

В режиме покоя напряжение составляет сотни мВ (обычно 0,5…0,8 В для кремниевых транзисторов). При подаче на вход положительной полуволны синусоидального сигнала будет возрастать ток базы и транзистор будет дополнительно открываться. Это приведет к увеличению тока коллектора . В результате напряжение на сопротивлении нагрузки возрастет, а напряжение коллектор-эмиттер уменьшится, т.е. произойдет формирование отрицательной полуволны выходного напряжения.

При подаче на вход отрицательной полуволны синусоидального сигнала будет уменьшаться ток базы и транзистор будет частично закрывается. Это приведет к уменьшению тока коллектора . В результате падение напряжения на сопротивлении нагрузки уменьшится, а напряжение коллектор-эмиттер увеличится, т.е. произойдет формирование положительной полуволны выходного напряжения.

Таким образом, каскад с ОЭ осуществляет инверсию фазы входного сигнала на .

При подаче на вход переменного сигнала ток коллектора будет колебаться около исходной рабочей точки.

Нагрузочная прямая по переменному току характеризует работу усилительного каскада в режиме усиления сигнала переменного тока и проводится следующим образом:

• откладывается точка, соответствующая пересечению максимума амплитуды выходного сигнала, отложенной от нормали к рабочей точке – , и статической характеристики, соответствующей минимальному току базы;

• эта точка соединяется с рабочей точкой транзистора,

• полученная прямая пересечёт ось абсцисс в точке – .

Рис.4.10. Усилительный каскад по схеме с ОЭ

Нагрузка рассматриваемого каскада (рис. 4.10) по постоянному и переменному току различны, поскольку по переменному току шину земли и шину питания можно считать короткозамкнутыми. Соответственно сопротивление коллекторной нагрузки по переменному току будет определяться следующим образом: .

Из схемы усилительного каскада по схеме с ОЭ (рис. 4.10) видно, что дополнительный запас по усилению обеспечивается выбором сопротивления эмиттера , которое по постоянному току будет увеличивать общее сопротивление в цепи коллектор-эмиттер – , и тем самым увеличит разницу между нагрузочными прямыми. По переменному току ёмкость эмиттера будет шунтировать сопротивление эмиттера .

Разница между точками пересечения оси абсцисс нагрузочными прямыми по переменному и постоянному токам называется запас усилителя по усилению – ( если гармонический сигнал). При правильном проектировании усилителя запас по усилению необходимо ограничивать величиной не более 4-5 В.

При усилении гармонического сигнала следует выбирать рабочую точку в середине линейной части статических характеристик (р.т.1 на рис.4.11). Для усиления импульсных сигналов можно выбирать рабочую точку на границе линейной области или даже в нелинейной области (р.т.2 и р.т.3 на рис.4.11), поскольку в этом случае можно получить наибольший размах выходного напряжения и, следовательно, наибольшее значение КПД. Однако усилитель становиться узкоспециализированным – усилитель однополярных импульсных сигналов и при этом требуется обеспечение высокой стабильности рабочей точки.

Рис.4.11. Выбор рабочей точки при различных видах сигнала

При уменьшении амплитуды входного сигнала, что имеет место в каскадах предварительного усиления, нагрузочная прямая по переменному току будет более вертикальной. Следовательно, использование мощного транзистора для усиления слабого сигнала приведет к уменьшению эффективности его работы, т.е. снижению КПД.

При анализе усилительных каскадов часто используют сквозную (проходную) динамическую характеристику (рис. 4.12), которая представляет собой зависимость выходного эффекта от входного воздействия .

Рис.4.12. Сквозная (проходная) характеристика

Сквозная характеристика показывает, как изменение входного воздействия сказывается на выходном токе каскада.