Рабочий режим биполярного транзистора

    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  Рис.3. P_Kmax на поле выходных характеристик транзистора 

  При увеличении температуры окружающей среды P_Кmax уменьшается (ухудшен отвод тепла).

  Максимально-допустимое коллекторное напряжение U_Kmax (вертикальная прямая на рис.4) ограничивается опасностью пробоя коллекторного перехода и не должно превышать 0,5 - 0,9 от величины пробивного напряжения. В высокочастотных транзисторах , база которых имеет небольшую толщину  W_Б, ограничивается U_Kmax возможностью "прокола" базы, то есть смыканием двух переходов, когда транзистор перестает усиливать.

    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    
 

  Рис.4. Рабочая область транзистора  на поле выходных характеристик 

  Максимально-допустимые токи коллектора I_Kmax или I_Эmax (горизонтальная линия на рис.4) ограничиваются рядом обстоятельств.

  При увеличении плотности тока, идущего  сквозь базу, возрастает рекомбинация носителей в базе, в результате чего падает коэффициент усиления по току, как следствие, уменьшается коэффициент усиления по мощности. При этом возрастают также искажения, что подтверждает рис.5. До точки 4 передаточная характеристика линейна, то есть одинаковым приращениям ∆I_Э соответствуют одинаковые же приращения ∆I_K , выше точки 4 из-за нелинейности передаточной характеристики (она уплощается) тем же приращениям ∆I_Э соответствуют уже разные (меньшие) приращения  ∆I_K , что приводит к искажению формы выходного сигнала и уменьшению коэффициента усиления по току. 

    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис.5. Характеристика прямой передачи транзистора, включенного по схеме с общей базой

  Увеличение I_Kmax может быть обеспечено путем увеличения эмиттера и соответственно коллектора, а также увеличением проводимости эмиттера. 

  Допустимые  значения токов I_Kmax и I_Эmax убывают при увеличении температуры.

  Снизу рабочая область ограничена характеристикой неуправляемого коллекторного тока I_K0 (рис.4), в схеме с общим эмиттером - характеристикой сквозного коллекторного тока I_K0Э при I_Б=0.

  Слева рабочая область ограничена областью круто восходящих участков выходных характеристик, соответствующих режиму насыщения (область 5 на рис.4). В схеме с общей базой ось ординат (I_K) отделяет режим насыщения (крутые участки характеристик) от активного режима (пологие участки); в схеме с общим эмиттером крутые участки, соответствующие режиму насыщения, находятся правее оси ординат (I_K). 

  II. Построение линий нагрузки (нагрузочных характеристик) 

  Характеристики  транзистора при наличии нагрузки называются нагрузочными характеристиками. Они имеют иной вид, чем статические характеристики, т.к. в данном режиме напряжение на коллекторе не остается постоянным, а зависит от тока коллектора. Имея статические характеристики транзистора и зная сопротивление нагрузки, можно построить его нагрузочные характеристики. Рассмотрим этот вопрос применительно к схеме с общей базой.

  Для коллекторной (выходной) цепи можно записать на основании закона Кирхгофа: 

  

  или

  

. 

  Это соотношение определяет связь между  током и напряжением коллектора при наличии нагрузки и представляет собой выходную нагрузочную характеристику транзистора.

  Это выражение в координатах выходных характеристик I_K=f(U_KБ) является уравнением прямой линии с отрицательным угловым коэффициентом. Ее легко построить, вычислив отрезки, отсекаемые этой прямой на осях координат: при I_K=0 U_KБ=E_K (точка ε) и при U_KБ=0, I_K=E_K/R_K (точка F на рис.6). Проведя через точки 0, E_K/R_K и E_K, 0 прямую, получим выходную нагрузочную характеристику.

    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  Рис.6. Выходная нагрузочная характеристика транзистора 

  В практике часто бывают заданы рабочая  точка (например, А на рис.7) и напряжение Е_K. Тогда линию нагрузки строят по этим двум точкам, а необходимое значение R_K вычисляют делением Е_K на ток, определяемый отрезком оси ординат , который отсекается линией нагрузки (отрезок 0 F на рис.7). 
 
 
 
 
 

    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  Рис.7. Семейство линий нагрузки при  различных величинах нагрузки 

  Если  заданы рабочая точка А ( U_K0, I_K(0) ) и сопротивление нагрузки R , то необходимое напряжение источника Е_к получится путем сложения U_K0 с произведением I_K(0)*R  (точка ε на рис.7).

   Семейство линий нагрузки при  различных R в заданной точке А имеет вид пучка прямых, проходящих через эту точку (рис.7). Чем больше R, тем положе идет линия нагрузки. Предельными случаями являются прямая, параллельная оси ординат (при R =0), и прямая, параллельная оси абсцисс при разомкнутой выходной цепи (R= ∞ ).

    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    
 
 

  Рис.8. Линии нагрузки при различных  величинах Е_к и одном и том же сопротивлении нагрузки R  
 
 

  При R , близких к 0, или R → ∞ построить линии нагрузки по точкам пересечения с осями координат затруднительно, т.к. углы наклона этих линий нагрузки близки к 90 ⁰  и к 0, то есть линии нагрузки должны идти почти параллельно либо оси ординат, либо оси абсцисс. В этих случаях строят эти линии нагрузки путем параллельного переноса линий нагрузки, соответствующих меньшим Е_K. Пример такого построения показан на рис.8. Необходимо построить линию нагрузки 2 для Е_K^// и малом R , при которых линия нагрузки идет почти вертикально и на оси ординат невозможно отложить большой отрезок, соответствующий току Е_K^/// R . Возьмем Е_K^/ на порядок меньше Е_K", R остается неизменным. Для Е_K^/ и R строим (как обычно) новую линию нагрузки 1, отложив по оси абсцисс отрезок, равный Е_K^/, а по оси ординат отрезок, равный Е_K^//R. Затем осуществляем параллельный перенос, например, от точки F (или любой другой точки на линии нагрузки 1) отрезок, равный εε^/ = E^//_K - E^/_K по горизонтали. Через полученную таким образом точку (на рис.8 точка F ) и точку, соответствующую U_K= E^//_K, I_K=0 проводим линию 2 - это и есть линия нагрузки для Е_K^// и R . 

  Входная нагрузочная характеристика транзистора  связывает входное напряжение U_Э с входным током I_Э в рабочем режиме. Эту характеристику можно получить путем переноса на семейство входных статических характеристик точек (I_Э, U_К ) с выходной нагрузочной характеристики. 
 

    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  Рис.9. Построение входной нагрузочной  характеристики транзистора 

  Выходная  нагрузочная характеристика - геометрическое место точек, определяющих I_K=f(U_K) в рабочем режиме при заданных элементах внешней цепи: E_K=const, R_K=const, то есть при заданных E_K и R_K рабочая точка должна находиться на линии нагрузки. Где конкретно? Это зависит от режима работы входной цепи, от I_Э. Точки пересечения линии нагрузки со статическими характеристиками I_K=f(U_K) / I_Э=const определяют коллекторный ток и коллекторное напряжение транзистора при заданных I_Э, E_K и R_K. Например, точке L  на выходных характеристиках соответствует I_Э^/, I_K^/  (почти равный I_Э^/) и U_K^///= E_K- I_K^/*R_K . Если увеличим I_Э (I_Э^///>I_Э^//>I_Э^/), то рабочая точка по линии нагрузки пойдет вверх (в D или N), возрастет I_K (I_K^///>I_K^//>I_K^/) , возрастет падение напряжения на нагрузке U_R=I_K*R_K , а напряжение между коллектором и базой U_K уменьшится (U_K^/<U_K^//<U_K^///) . Это изменение U_K создает так называемую реакцию выходной цепи: с ростом U_Э, I_Э, I_K напряжение U_KБ падает, вследствие чего оно должно противодействовать увеличению выходного тока I_K . Но поскольку ток I_K в схеме с общей базой практически очень мало зависит от напряжения U_KБ (выходные характеристики идут почти параллельно оси абсцисс), эта реакция весьма незначительна. В схеме с общим эмиттером реакция выходной цепи заметнее, т.к. выходные характеристики I_K=f(U_КЭ)|_IБ=const имеют больший наклон к оси коллекторных напряжений U_KЭ (рис.10). 
 
 
 
 

    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  Рис.10. Линия нагрузки на выходных характеристиках транзистора по схеме с общим эмиттером 

  Таким образом, построив линию нагрузки и  отметив точки пересечения ее со статическими характеристиками I_K=f(U_K)/ I_Э=const : 

  L(I_Э^/, U_K^///), D(I_Э^//, U_K^//), N(I_Э^///, U_K^/), 

    можем перенести эти точки на семейство входных статических характеристик I_Э=f(U_Э) - точки L^/, D^/, N^/. Соединяя эти точки плавной кривой, получим нагрузочную входную характеристику (рис.9). Однако у многих транзисторов входные статические характеристики в активном режиме идут узким веером (особенно в схеме с общим эмиттером), что свидетельствует о слабой обратной связи. Поэтому точное построение нагрузочной характеристики затруднительно и нецелесообразно, т.к. входная нагрузочная характеристика практически совпадает со статическими. Поэтому для транзисторов в справочниках и паспортах приводится обычно одна входная характеристика, соответствующая номинальному значению  U_КБ, которую принимают в качестве входной нагрузочной характеристики. 

  III. Определение исходной рабочей точки и рабочего участка 

  По  построенным нагрузочным характеристикам  можно произвести расчет режима усиления: выбрать область неискаженного усиления, определить напряжение и ток смещения (E_Э, I_Э(0)), допустимую амплитуду сигнала (u_Эm), входную Р_вх  и выходную Р_вых мощности, коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности (K_i , K_u , K_p).

  Для получения неискаженного усиления необходимо использовать линейные участки  характеристик.

  В транзисторах искажения возникают  не только за счет нелинейности выходных характеристик (связь между током коллектора I_K и током эмиттера I_Э достаточно линейна), но в значительной мере за счет нелинейности входных характеристик.

  Выбор области неискаженного усиления целесообразно начинать с входных  характеристик, выделив на них участок, который с достаточной точностью можно считать линейным (рис.11). Исходную рабочую точку А^/ выберем посередине этого участка, для чего во входной цепи транзистора с помощью батареи смещения Е_Э (рис.1)должен быть создан ток смещения I_Э^//= I_Э(0) . Перенесем эту точку не семейство выходных характеристик транзистора (рис.12) - точка А (точка пересечения линии нагрузки с той статистической характеристикой, которая соответствует входному току I_Э^//= I_Э(0)).