2.4 Построение динамической переходной характеристики

для режима постоянного тока

Пользуясь графиками входной характеристики и нагрузочной прямой найдем геометрическое решение уравнения I_К = f(I_Б) в динамическом режиме, представляющее собой переходную динамическую характеристику (см. лабораторную работу “Исследование биполярного транзистора”).

Переходная динамическая характеристика строится в левом верхнем квадранте графическим методом. Для этого ординаты точек пересечения нагрузочной прямой со статическими выходными характеристиками проецируются во второй квадрант, где пересекаются с проекциями соответствующих им токов базы. По полученным точкам строится динамическая переходная характеристики для режима постоянного тока I_К = f (I_Б).

При I_Б = 0 ток коллектора очень мал и обусловлен движением только “тепловых” неосновных носителей через переход коллектор-база и представляет собой ток насыщения неосновных носителей коллекторного перехода I_К = I_КS (транзистор находится на границе режима отсечки). Переходная характеристика имеет протяженный линейный участок и лишь при приближении к режиму насыщения транзистора становится нелинейной. При дальнейшем увеличении тока базы I_Б ток коллектора асимптотически стремится к своему наибольшему значению I_К = Е_К / (R_К+R_Э).

2.5 Выбор положения начальной рабочей точки р

для режима постоянного тока в цепи коллектора

Положение начальной рабочей точки (точки покоя при U_ВХ=0) на всех характеристиках задается напряжением смещения U_БЭ и определяет способность транзистора влиять на форму сигнала в процессе усиления. Наименьшее искажение формы сигнала достигается в транзисторном каскаде, работающем в классе А.

Начальная рабочая точка Р для такого усилительного каскада должна располагаться на участке входной характеристики, наиболее близком к линейному (в пределах двойной амплитуды входного сигнала), соответствующем наиболее линейному участку переходной характеристики. Только в этом случае между изменениями входного сигнала U_БЭ и выходного тока I_К (а, следовательно, и выходного напряжения U_КЭ, см. формулу (3)) будет иметь место линейная зависимость.

После выбора положения начальной рабочей точки Р на входной и переходной динамической характеристиках она переносится на нагрузочную прямую. Именно в этой точке необходимо снять с графиков и привести числовые значения параметров, характеризующих начальную рабочую точку (точку покоя при отсутствии входного сигнала): U_БЭо; I_Бо; I_Ко; U_КЭо.

2.6 Построение нагрузочной прямой для режима переменного тока.

В режиме переменного тока на вход усилительного каскада подается входной синусоидальный сигнал заданной амплитуды (U_ВХ  0) и частоты.

Этому режиму работы соответствует уже другая нагрузочная прямая, при построении которой принимается во внимание шунтирование (т.е. параллельное включение) резистора температурной стабилизации R_Э малым емкостным сопротивлением конденсатора С_Э на частоте входного сигнала.

Примечание: Назначение элементов R_Э и С_Э становится понятным при изучении темы “Цепи смещения и температурной стабилизации транзистора”. Тогда же устанавливается их соотношение в режиме усиления входного сигнала: емкостное сопротивление конденсатора С_Э на частоте f входного сигнала Х_С = 1 /  f C = 1 / 2 f C должно быть значительно меньше величины R_Э.

Для простоты будем считать, что на заданной в РГР частоте емкостное сопротивление Х_С конденсатора С_Э равно нулю и он полностью закорачивает резистор R_Э. Тогда эмиттер транзистора на частоте входного сигнала оказывается замкнутым на общий провод (землю) и баланс напряжений коллекторной цепи изменится по сравнению с выражением (3).

Примечание: Поскольку эти изменения проявляются только на переменной составляющей сигнала, перепишем уравнение (1) с учетом наличия этой составляющей:

Е_К = U_Rк + U_КЭ + U_Rэ = (I_Ko + i_К~)R_K + U _КЭ + I_Ko R_Э

Отсюда

U _КЭ = Е_К  I_KoR_K  i_К~R_K  I_KoR_Э (5)

Сгруппируем слагаемые и введём новые обозначения

U _КЭ = (Е_К  I_KoR_Э)  (I_Ko + i_К~)R_K (6)

Е_К U_Rк = I_K R_K

Окончательно получим:

U _КЭ = Е_К  I_K R_K

(7)

где I _К = I_Ko + i_К.

Уравнению (7) соответствует схема, приведенная на рисунке 3.

Р исунок 3 – К построению нагрузочной прямой для переменной составляющей _~u_ВХ при наличии элементов R_Э и С_Э

Разрешив уравнение (7) относительно тока I_К, получим:

(8)

Мы видим, что выражение (8) по форме совпадает с выражением (4), которое лежало в основе построения нагрузочной прямой для постоянного тока в цепи коллектора. Поэтому, рассуждая аналогично найдем значение максимального тока коллектора I_К = Е′_К /R_К (при U_КЭ = 0) для переменной составляющей. Отложив на оси I_К полученное новое значение максимального тока коллектора (точка С), через эту точку и выбранную ранее начальную рабочую точку (точку покоя Р), проводится нагрузочная прямая для режима переменного тока коллектора. Все дальнейшие рассуждения и построения, характеризующие работу усилительного каскада, должны выполняться с использованием этой нагрузочной прямой.