تحلیل خط بار ترانزیستور

تحلیل خط بار ترانزیستور، در جلسات پیش از این، درمورد نواحی مختلف عملکرد ترانزیستور مطالبی را آموختیم. و گفتیم که در میان نواحی چهارگانه، ترانزیستور در ناحیه‌ی فعال یا همان خطی، عملکرد بهتری دارد. خروجی‌های ترانزیستور نیز ولتاژ یا جریان کلکتور هستند.

مشخصه خروجی ترانزیستور

اگر خروجی یک ترانزیستور را تحت نظر بگیریم، براساس مقادیر مختلف ورودی، منحنی I-V خروجی شکلی شبیه نمودار زیر خواهد داشت.

می‌بینیم که این نمودار، مشخصه‌ی جریان خروجی ترانزیستور را بر حسب ولتاژ خروجی، به ازای مقادیر مختلفی از I_B  به تصویر کشیده است. مقادیر مختلف I_B را به این منظور اعمال می‌کنیم که تاثیر آن را در مشخصه‌ی خروجی بررسی کنیم.

نقطه کار  ترانزیستور

اگر حداکثر مقدار ممکن برای I_C  را در نظر بگیریم، مطابق نمودار، این نقطه که همان نقطه‌ی اشباع ترانزیستور خواهد بود، بر محور Yها واقع است. هم‌چنین نقطه‌ای که ولتاژ کلکتور- امیتر (V_CE) به حداکثر مقدار ممکن خود می‌رسد نیز، همان نقطه‌ی قطع ترانزیستور و بر محور Xها واقع است.

اگر این دو نقطه‌را به هم وصل کنیم، خطی حاصل می‌شود که آن را خط بار ترانزیستور می‌نامیم. علت این نام‌گذاری این است که نقاط واقع بر این خط، وضعیت خروجی تحت بار را نشان می‌دهند.

حال اگر خط بار ترانزیستور را با منحنی مشخصه I-V برخورد دهیم، یکدیگر را در نقطه‌ای قطع می‌کنند که به آن نقطه‌کار ترانزیستور گفته می‌شود.

نقطه‌کار یا نقطه‌ ایستایی یا به اختصار نقطه Q. لازم به ذکر است که گاهی ممکن است چند نقطه‌ی برخورد وجود داشته باشد که در این صورت نقطه‌ای به عنوان نقطه کار انتخاب می‌شود که صرف نظر از سویینگ های سیگنال AC ، ترانزیستور همچنان در ناحیه‌ی فعال باقی بماند.

خط بار را به منظور بدست آوردن نقطه‌ی Q می‌کشیم. چرا که یک ترانزیستور زمانی که در ناحیه فعال خود باشد، تقویت کننده خوبی خواهد بود و زمانی که در ناحیه‌ی فعال، در نقطه‌ی کار Q خود قرار داده شود، تقویت ‌‌کنندگی‌های پایداری را برای ما انجام خواهد داد. لذا نقطه‌ی کار از نظر کاربردهای عملی نقطه‌ی بسیار پراهمیتی است.

تقویت‌کنندگی پایدار فرآیندی است که در آن تمام قطعات سیگنال ورودی، از طریق افزایش قدرت سیگنال در خروجی قابل دستیابی است. این اتفاق زمانی رخ می‌دهد که سیگنال ورودی اعمال شده AC باشد.

خط بار DC

خط بار ترانزیستور در زمانی که ترانزیستور بایاس DC دارد و هیچ‌گونه سیگنالی به ورودی آن اعمال نشده است، خط بار DC گفته می‌شود. در این وضعیت تقویت‌کنندگی وجود ندارد چرا که سیگنالی برای تقویت شدن در ورودی نیست. در این حالت مدار ترانزیستور به شکل زیر خواهد بود.

در این مدار، مقدار ولتاژ کلکتور- امیتر در هر زمان از رابطه زیر بدست می‌آید:

از آن‌جا که V_CC و R_C مقادیر ثابتی هستند، معادله بالا یک معادله درجه اول خواهد بود که نمودار آن به صورت یک خط مستقیم بر روی نمودار خروجی قابل ترسیم است. به این نمودار خط بار DC می‌گوییم.

برای بدست آوردن این خط بار، دو نقطه ابتدایی و انتهایی آن؛ یعنی نقاط A و B باید مشخص باشند.

بدست آوردن نقطه A

زمانی که V_CE = 0  باشد، جریان کلکتور ماکسیم است و از رابطه V_CC/R_C بدست می‌آید.

به این ترتیب نقطه A را که بر محور جریان کلکتور قرار دارد می‌توانیم محاسبه کنیم . (OA = V_CC/R_C).

بدست آوردن نقطه B

زمانی که I_C = 0  باشد،  ولتاژ کلکتور- امیتر ماکسیم است و با  V_CC برابر خواهد بود.

به این ترتیب نقطه B را که بر محور ولتاژ کلکتور- امیتر قرار دارد می‌توانیم محاسبه کنیم . (OB = V_CC).

به این ترتیب در این جلسه  آموختیم که چگونه با کمک نقاط قطع و اشباع،  و مفهوم خط بار، خط بار DC ترانزیستور را رسم کنیم. همان‌طور که گفتیم ، اهمیت نقطه‌ی کار زمانی بیشتر مشخص می‌شود که به ترانزیستور سیگنال ورودی اعمال کنیم که در مباحث مربوط به امپلی فایر‌ها به آن‌ها خواهیم پرداخت.

منبع:  میکرودیزاینرالکترونیک