Динамическая нагрузочная прямая

Если в коллекторную цепь усилительного каскада через разделительный конденсатор подключить нагрузку R_н (рис. 6.1, б), то на ней будет выделяться переменный усиленный сигнал в чистом виде.

В этом случае сопротивление коллекторной цепи для переменного тока будет носить комплексный характер и определяться элементами R_к, С_р, R_н. Однако ёмкость разделительного конденсатора всегда подбирается такой, что его сопротивление для переменного тока оказывается ничтожно малым. При этом сопротивление коллекторной цепи для переменного тока оказывается активным и равным

(6.2)

Сопротивление R_н будет определять наклон динамической нагрузочной прямой, которая связывает мгновенные значения тока коллектора с мгновенным значениями напряжения коллектора при работе усилительной схемы. Как и статическая нагрузочная прямая, динамическая нагрузочная прямая проходит через точку покоя с координатами (I_к0; U_кэ0), но с большим наклоном (R_н < R_к). Вторую точку, определяющую положение этой характеристики, можно найти на основании дифференциального уравнения коллекторной цепи при сопротивлении нагрузки, равной R_н:

или

(6.3)

Уравнения (6.3) называются уравнениями динамической нагрузочной прямой (ДНП). Задавая приращения и откладывая его вниз от точки покоя, находим приращение что определяет вторую точку динамической нагрузочной прямой с координатами (I_к=0; U_кэ=Е_к’), которая лежит на оси U_кэ левее значения Е_к (рис. 6.2, б).

Следует заметить, что если сопротивление нагрузки выходной (коллекторной) цепи для постоянного и переменного тока одинаковы, то динамическая нагрузочная прямая совпадает со статической нагрузочной прямой. Такая ситуация может иметь место, если R_н очень велико, тогда согласно выражению (6.2) будет наблюдаться равенство R_н = R_к .

Рабочий участок нагрузочных характеристик располагается в активной (усилительной) области I статических коллекторных характеристик (рис. 6.2, б). В этой области изменения тока базы вызывают примерно прямо пропорциональные изменения тока коллектора.

Слева рабочий участок нагрузочных характеристик ограничивается областью насыщения II, в которой увеличение тока базы при наличии нагрузки не вызывает заметных изменений тока коллектора. В этой области U_кэ остаётся положительным, но напряжение коллекторного перехода U_кп= U_кб становится отрицательным, что и определяет режим насыщения транзистора, когда оба перехода включены в прямом направлении.

Крупный масштаб выходных характеристик не позволяет на данном рисунке (рис. 6.2, б) выделить область отсечки III, которая определяется обратным током коллектора I_кбо. Поэтому характеристики, снятые при I_б = - I_кбо , а также при I_б = 0 сливаются с осью абсцисс.

Схемы питания транзисторов

В простейших усилительных схемах на рис. 6.2 батареи Е_б и Е_к предназначены для того, чтобы обеспечить работу транзистора в активном (усилительном) режиме. Иметь два источника питания не всегда удобно, поэтому на практике, как правило, используется один общий источник питания Е_к .

Для нормальной работы транзистора необходимо, чтобы между эмиттером и базой было постоянное напряжение в десятые доли вольта (напряжение смещения базы). Источник Е_к в схеме с ОЭ, вообще говоря, позволяет получить некоторое смещение на базе транзистора: ток эмиттера, проходя через участок Э-Б, создаёт на нём небольшое падение напряжения, открывающее эмиттерный переход. Однако, оно оказывается недостаточным, и режим работы транзистора оказывается ненормальным: точка покоя О’ при этом оказывается на нелинейном участке входной нагрузочной характеристики (рис. 6.2, а). Это может явиться причиной появления нелинейных искажений в выходном переменном сигнале. Чтобы такое не произошло, необходимо подать дополнительное напряжение на базу транзистора, обеспечив положение точки покоя на линейном участке входной нагрузочной характеристики (точка О).

Существует несколько разновидностей схем, осуществляющих подачу смещения на базу транзистора от источника Е_к . На рис. 6.5 приведены три наиболее используемые.

а)

Eк

Рис. 6.5. Схемы усилителей с питанием транзистора от одного источника.

Схема на рис. 6.5,а реализует самый простой и экономичный способ подачи смещения на базу транзистора через гасящий резистор R_б. Ток базы I_б, проходя через этот резистор, создаёт на нём значительное падение напряжения, а на базе остаётся совсем незначительная часть напряжения Е_к.

(6.4)

Из уравнения (6.4) нетрудно рассчитать величину сопротивления R_б, если известно, какое именно напряжение следует подать на базу транзистора

(6.5)

Все значения в правой части равенства (6.5) определяются по статической нагрузочной прямой транзистора.

В схеме на рис. 6.5, б смещение на базу транзистора задаётся с помощью делителя R₁R₂. Через сопротивление R₁ протекает суммарный ток (I_дел + I_бо) и создаёт на нём большое падение напряжения. Небольшая же часть U_бэо падает на резисторе R₂, подключенном параллельно базовой цепи транзистора:

(6.6)

Определив по СНП транзистора значения Е_к, I_бо, U_бэо, можно рассчитать значение сопротивлений базового делителя R₁R₂:

(6.7)

Ток делителя из соображений экономичности должен удовлетворять неравенству . Для практических расчётов его выбирают I_дел = (210)I_бо

Достоинством рассматриваемых схем (рис. 6.5, а,б) является то, что они сравнительно просто реализуют подачу смещения на базу транзистора от источника Е_к. Однако, у обеих схем имеется существенный недостаток: они отличаются плохой температурной стабильностью. Дело в том, что с увеличением температуры растёт тепловой ток коллектора I_кбо, а следовательно и I_к. В результате выходные статические характеристики транзистора смещаются в область больших токов, а вместе с ними смещается и рабочая точка, то есть нарушается выбранный режим работы транзистора по постоянному току (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Влияние температуры на статические характеристики транзистора и положение рабочей точки.

Для стабилизации режима транзистора по постоянному току в схемы вводят дополнительные стабилизирующие элементы, которые обеспечивают постоянство режима работы при увеличении температуры или смене транзистора.

Схема, приведённая на рис. 6.5,в называется схемой с эмиттерной температурной стабилизацией. В ней в качестве стабилизирующего элемента выступает резистор R_э в цепи эмиттера транзистора. Падение напряжения на R_э действует навстречу напряжению . Поэтому напряжение на базе транзистора в этой схеме будет равно разности напряжений

где .

(6.8)

Теперь при увеличении температуры увеличившийся ток I_кбо вызовет увеличение тока коллектора I_к , а тот в свою очередь – увеличение тока эмиттера. Падение напряжения в этом случае увеличится, а напряжение U_бэо – уменьшится. Уменьшение U_бэо приведёт к уменьшению базового тока, в результате чего коллекторный ток вернётся к исходному состоянию, а следовательно положение рабочей точки останется стабильным.

При включении R_э в эмиттерную цепь необходимо помнить о том, что напряжение Е_к при этом следует увеличивать на величину падения напряжения на R_э :

(6.9)

Из соображений экономичности падение напряжения обычно выбирают незначительным:

(6.10)

Ток делителя тоже задаётся небольшим I_дел = (210)I_бо

Используя все эти условия, нетрудно рассчитать элементы схемы с эмиттерной температурной стабилизацией режима транзистора по постоянному току:

(6.11) (6.12) (6.13)

где

По переменной составляющей резистор R_э всегда шунтируется конденсатором большой ёмкости С_э. В противном случае переменный сигнал, выделяющийся на R_э , действуя встречно сигналу на базе транзистора, приведёт к существенному уменьшению коэффициента усиления по напряжению усилительного каскада на транзисторе.