Чем определяется положение рабочей точки биполярного транзистора

9

3. Определение положения рабочей точки.

Рабочая точка есть точка С, расположенная на нагрузочной линии, характеризующаяся значениями I_С и U_С, которые определяют напряжение и ток коллектора в статическом режиме работы усилителя (в отсутствии входного сигнала). Положение рабочей точки определяется тем, кто рассчитывает усилитель, исходя из следующих соображений:

1. Если мы хотим получить на выходе максимальное выходное напряжение U_вых, то положение рабочей точки С выбирается в середине рабочего участка нагрузочной линии. При таком положении точки С она оказывается расположенной в середине интервала напряжения DU_K, а так как изменение U_K соответствует изменению выходного напряжения, то в DU_K укладывается полный выходной сигнал, и соответствуетU_ампл. выходного сигнала.

2. Во всех остальных случаях рабочая точка С смещается в направлении точки В. При этом выходной сигнал уменьшается. Смещение точки С в направлении точки В обуславливает минимальное потребление электроэнергии в статическом режиме работы.

Пусть положение точки С выбирается из условия получения максимального выходного сигнала (в середине рабочей области нагрузочной линии). Определяем для С значения I_KС и U_KС (Рис. 8), эти значения определяют статический режим работы усилителя. Таким образом, мы при выполнении 1, 2 и 3 этапов определили R_Н, U_KC, I_KC, DI_K, DU_K.

4. Перенос рабочей точки с на семейство входных характеристик.

Так как нагрузочная линия пересекает выходные характеристики, а каждая выходная характеристика определяется для конкретного тока базы, то каждая из точек пересечения соответствует определенному значению тока базы. Это позволяет проградуировать нагрузочную линию в значениях тока базы и рассматривать её как ось тока базы

Введя ось тока базы, мы можем определить значение I_б, соответствующее точке С.

Определим значение I_бС.

Перейдем к рассмотрению семейства входных характеристик (Рис. 9).

Осуществим перенос рабочей точки С на семейство входных характеристик. Для этого на оси тока базы отметим значение тока базы, соответствующее I_бС. Проведем через точку, соответствующую I_бС, прямую, параллельную оси U_бэ.

Эта прямая пересечет семейство входных характеристик. Каждая входная характеристика определялась для конкретного значения U_К, следовательно точки пересечения прямой линии и входных характеристик будут соответствовать конкретным значениям U_к, что позволяет совместить прямую с осью напряжений на коллекторе. На этой проградуированной оси отметим точку, соответствующую U_кС. Эта точка и будет точкой С. Перенесем таким же образом точки А и В на входные характеристики и построим по ним нагрузочную линию (Рис. 10). Она не обязательно будет прямой линией. Следует не забывать, что транзистор — нелинейный прибор.

Определим для точки С напряжениеU_бэС.

5. Расчет делителя на входе усилителя.

Будем исходить из допущения, что

Тогда общее сопротивление R делителя определится:

, током базы можно пренебречь.

R₁=R-R₂

6. Моделирование работы усилителя.

Проведем моделирование работы усилителя на основе биполярного транзистора.

Будем предполагать, что рассматривается схема усилителя, рассмотренная перед этим. Нам даны семейства входных и выходных характеристик для биполярного транзистора, используемого в схеме усилителя. Входной сигнал описывается соотношением:

Будем полагать, что входной сигнал представляет собой идеальную синусоиду.

Пусть амплитудное значение равно 1 или 10, тогда U_вых»sinj, а синусоиду построить достаточно легко, воспользовавшись табличными значениями sinj.

Обратимся к семейству входных характеристик. На семействе входных характеристик построена нагрузочная линия АСВ. Проведем через точку С прямую, перпендикулярную к оси U_бэ, и продолжим её вниз. Построенная линия будет представлять собой ось времени t, на которой мы построим нашу синусоиду.

Полный период синусоиды состоит из положительного и отрицательного полупериодов и соответствует или 360 0 . Разобьем каждый полупериод на участки относительно оси t, равные 15 0 , и спроецируем точки синусоиды, соответствующие этим значениям, на нагрузочную линию.

Построим дополнительную ось t | , проводя через точку С линию, параллельную оси U_бэ. На этой оси за осью I_б выделим участки, соответствующие 15 0 периода входного сигнала. Они должны равными интервалам 15 0 на оси t. Проведем через каждую точку линии, перпендикулярные оси t | . После этого через точки, лежащие на нагрузочной линии (точки проецирования), проведем линии, параллельные оси t | , до пересечения с вспомогательными линиями, построенными к оси t | . По точкам пересечения построим синусоиду. Построенная синусоида может отличаться от синусоиды входного сигнала, так как транзистор все же нелинейный прибор и об этом нельзя забывать. Построенная синусоида показывает, как изменяется ток базы при изменении входного сигнала (Рис. 11).

На втором этапе моделирования входной сигнал (синусоиду тока базы) нужно перенести на семейство выходных характеристик. Для этого проделаем некоторую предварительную работу.

Воспользуемся тем, что нагрузочная прямая может быть представлена осью тока базы. Градуировка оси I_б достаточно проста. Каждая кривая I_б=f(U_б) соответствует конкретному значению I_б, и точка пересечения с линией нагрузки соответствует этому значению I_б.

Проведем через точку С ось t || , перпендикулярную к оси I_б и перенесем на неё синусоиду тока базы с семейства входных характеристик. При переносе следует не забывать, что мы переносим не её геометрический образ, а значения токов базы.

Строим вспомогательную ось t ||| , проходящую через точку С, параллельную оси U_К, и проецируем на неё построенную синусоиду, используя прямую нагрузки как вспомогательную ось. Вся процедура моделирования показана на рисунках 11 и 12.

Заочники пользуются данными методическими указаниями при выполнении контрольной работы №1. По таблицам строятся семейства входных и выходных характеристик. Определяются значения h₁₁иh₂₁. Значение К_u соответствует двум последним цифрам номера зачетки. Расчет проводится в соответствии с указаниями, включая моделирование работы УНЧ.

Простейшие способы установки рабочей точки в схеме с общим эмиттером (ОЭ)

На рис. 3.3 приведена упрощенная схема включения биполярного транзистора \(n\)-\(p\)-\(n\)-типа с ОЭ, а на рис. 3.4 — семейства типичных статических характеристик этой схемы.

Рис. 3.3. Упрощенная схема включения биполярного транзистора n-p-n-типа с ОЭ

Рис. 3.4. Статические характеристики схемы с ОЭ

Внимательное рассмотрение этих характеристик позволяет сделать ряд полезных заключений о работе транзистора в анализируемой схеме. Естественно, рассматривать следует те участки характеристик, которые соответствуют активному режиму работы транзистора.

Во-первых, из входных характеристик (рис. 3.4,а) видно, что при достижении током базы \(_0\) определенного уровня он практически перестает влиять на напряжение \(>_0\), а вот незначительное изменение этого напряжения может приводить к существенным колебаниям тока \(_0\). Выходные характеристики (рис. 3.4,б) и характеристики передачи (рис. 3.4,в) позволяют сделать следующие заключения. Ток базы в активном режиме оказывает большое влияние на ток коллектора \(_0\) (естественно, и на ток эмиттера \(_0\), поскольку \(I_Э \approx I_К\)), а тот одновременно незначительно зависит от колебаний напряжения \(>_0\).

Итоговый вывод следующий: при включении по схеме с ОЭ на положение рабочей точки биполярного транзистора (т.е. на ток коллектора \(_0\)), находящегося в режиме линейного усиления (активный режим), наибольшее влияние оказывает ток базы \(_0\), который, в свою очередь, может сильно колебаться под воздействием изменений напряжения \(>_0\). Токи коллектора \(_0\) и эмиттера \(_0\) практически полностью определяются током базы транзистора. Напряжение \(U_<<КЭ>_0>\) не оказывает существенного влияния на другие электрические показатели каскада и должно выбираться только из соображений обеспечения нахождения транзистора в области линейного усиления и непревышения предельных электрических режимов на электродах транзистора.

На практике получили распространение два способа обеспечения заданного положения рабочей точки по постоянному току: схема с фиксированным током базы (рис. 3.5) и схема эмиттерно-базовой стабилизации (рис. 3.6).

Рис. 3.5. Схема с фиксированным током базы

Рис. 3.6. Схема эмиттерно-базовой стабилизации

В первой схеме стабильность всех показателей каскада по постоянному току базируется на поддержании устойчивого значения тока базы транзистора \(_0\). Достигается это созданием безальтернативной цепи протекания постоянного тока через резистор \(R_Б\) и эмиттерный переход транзистора \(VT1\). Поскольку сопротивление эмиттерного перехода мало, то ток \(_0\) целиком определяется напряжением питания \(U_П\) и значением базового сопротивления \(R_Б\):

\(_0 \approx \cfrac < >\Large \Rightarrow \normalsize < >R_Б = \cfrac<_0> \).

Стабильность тока базы в рассматриваемой схеме приводит к стабильности тока коллектора, поскольку

где \(\beta_<ст>\) — статический коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ.

Но данная формула также демонстрирует и основной недостаток схемы с фиксированным током базы (рис. 3.5).

Дело в том, что при производстве биполярных транзисторов возникает большой разброс в возможных значениях коэффициента \(\beta_<СТ>\), т.е. для разных экземпляров приборов необходимо устанавливать разные токи базы \(_0\), чтобы обеспечить требуемое значение тока коллектора \(_0\) (заметим, что в выборе этого параметра практически недопустимы никакие вольности, он определяет множество важнейших характеристик каскада, например, таких, как коэффициент усиления, линейность усиления, потребляемая мощность и т.п.). Таким образом, конкретная величина сопротивления \(R_Б\) будет определяться теми характеристиками, которые присущи именно конкретному экземпляру примененного в каскаде транзистора, а не всем приборам данной серии. Это крайне неудобно при серийном производстве, поэтому схема с фиксированным током базы не находит широкого применения, гораздо больше распространена схема эмиттерно-базовой стабилизации (рис. 3.6) и различные ее доработки.

Как следует из названия, в этой схеме положение исходной рабочей точки каскада стабилизируется за счет поддержания неизменного значения напряжения на переходе эмиттер—база транзистора. Простейший способ обеспечения данного режима состоит в применении подключенного к базе транзистора делителя напряжения на двух резисторах \(R1\), \(R2\), ток через который \(_0\) значительно превышает все возможные значения тока базы \(_0\) (это гарантирует, что ток базы транзистора не будет оказывать сколь-либо существенного влияния на напряжение в средней точке делителя). Стабильное напряжение \(>_0\) на эмиттерном переходе автоматически стабилизирует ток коллектора \(_0\) транзистора. Действительно, ведь

\( >_0 = _0 r_Б + _0 r_Э = _0 \left[ r_Б + (\beta_ <СТ>+ 1) r_Э \right] \approx _0 \beta_ <СТ>r_Э = _ <0>r_Э\)

Поскольку такой физический параметр транзистора, как сопротивление эмиттерной области \(r_Э\), остается достаточно стабильным при массовом производстве, то и отпадает необходимость подбирать элементы делителя напряжения под каждый конкретный прибор — достаточно лишь один раз произвести расчеты, учитывая типономинал применяемых транзисторов и требуемое значение тока коллектора (эмиттера). Таким образом, схема эмиттерно-базовой стабилизации оказывается гораздо более удобной при массовом производстве и поэтому используется гораздо чаще (у нее есть и другие достоинства, сделавшие ее столь популярной).

Параметры биполярного транзистора

Все описанное выше касалось работы транзистора при постоянных напряжениях и токах его электродов. При работе транзисторов в уси­лительных схемах важную роль играют переменные сигналы с малыми амплитудами. Свойства транзистора в этом случае определяются так называемыми малосигнальными параметрами.

На практике наибольшее применение получили малосигнальные h-параметры (читается: аш-параметры). Их называют также гибридны­ми, или смешанными, из-за того, что одни из них имеют размерность проводимости, другие — сопротивления, а третьи — вообще без­размерные.

Всего h- параметров четыре: h11 (аш-один-один), h12 (аш-один-два), h21 (аш-два-один) и h22 (аш-два-два) и определяются они следующими выражениями:

при Uвх = const

Запись const является сокращением слова constanta, то есть посто­янная величина. В данном случае это означает, что при определении параметра h11 приращения входного напряжения и входного тока выбираются при неизменном (постоянном) значении выходного напряжения Uвых. Параметр h11 характеризует входное сопротивление биполярного транзистора и измеряется в омах. Более кратко выражение для определения параметра h11 записывают в виде:

при Uвых = const

Параметры h12, h21 и h22 определяются следующими выражениями:

_ — коэффициент обратной связи по на-

Iвх = const пряжению, безразмерная величина;

— коэффициент прямой передачи по

Uвых = const току, безразмерная величина;

— выходная проводимость, измеряется

Iвх = const в сименсах (См).

Знак означает небольшое изменение напряжения U или тока I относительно их значений в статическом режиме.

Все h-параметры можно определить по статическим характеристи­кам. При этом параметры h11 и h12 определяются по входным, a h21 и h22 — по выходным характеристикам. Необходимо только иметь в виду, что значения h -параметров зависят от схемы включения транзистора. Для указания схемы включения к цифровым индексам h -параметров до­бавляется буквенный индекс: б — если транзистор включен по схеме ОБ, или э — если транзистор включен по схеме ОЭ. Кроме того, приращения входных и выходных токов и напряжений нужно заменить приращениями напряжений и токов соответствующих электродов транзистора с учетом конкретной схемы включения (рис. 9).

Значения h -параметров зависят от режима работы транзистора, т. е. от

напряжений и токов его электродов. Режим работы транзистора опре-

Рис. 10. Определение статических h-параметров транзистора по его стати­ческим характеристикам деляется на характеристиках положением рабочей точки, которую будем обозначать в дальнейшем буквой А. Если указано положение рабочей точки А на семействе статических входных характеристик транзистора, включенного по схеме ОЭ (рис. 10, а), параметры h11э _э и h12э определяются следующим образом:

Параметры h21э и h22э определяются в рабочей точке А по выходным характеристикам (рис. 10, б) в соответствии с формулами:

Аналогично рассчитываются h -параметры для схемы ОБ.

При расчете параметров h12 и h21 надо токи и напряжения подстав­лять в формулы в основных единицах измерения.

Параметр h21б называют коэффициентом передачи тока в схеме ОБ, a h21э — коэффициентом передачи тока в схе­ме ОЭ. В отличие от статических коэффициентов передачи h21Б и h21Е, рассчитываемых как отношение выходного тока к входному в схемах ОБ и ОЭ, параметры h21б и h21э определяются как отношения изменений вы­ходных токов к вызвавшим их изменениям входных токов. Иными сло­вами, параметры h21б и h21э характеризуют усилительные свойства тран­зистора по току для переменных сигналов.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Это важно знать:

Фискальная политика государства Макроэкономическое регулирование экономики включает в себя две составляющие: 1.
Типовые задачи с решениями. № 1. Определить выпуск и цену, максимизирующие прибыль и выручку монополиста, а также размер максимальной прибыли № 1. Определить выпуск и цену, максимизирующие прибыль и выручку монополиста, а также размер максимальной прибыли, если функция общих.
Дошкольная педагогика как наука: предмет, объект, методы исследования, основные понятия План ответа: 1. Дошкольная педагогика, определение 2. Объект, предмет дошкольной педагогики 3. Основные понятия дошкольной.
Классификация психодиагностических методик Психологическая диагностика (главным образом, на Западе) в насто&shy.
Высшие разовые и суточные дозы ядовитых и сильнодействующих лекарственных средств Лекарственное средство Список ВРД ВСД Адонизид Б 40капель 120 капель Амидопирин Б 0.

Выбор рабочей точки биполярного транзистора и ознакомление с режимами усиления переменного напряжения классов A, B, AB и D

На рисунке 7.4 изображены простейшая схема транзисторного усилителя с общим эмиттером и поясняющая диаграмма. Резистор R_К является сопротивлением нагрузки, на резисторах R₁ и R₂ выполнен делитель напряжения, создающий постоянный ток в цепи база — эмиттер. Он поддерживает транзистор в открытом состоянии при отсутствии входного сигнала, благодаря чему через сопротивление R_К протекает постоянный ток. При этом напряжение на транзисторе U_КЭ(I_К) = U_ПИТ — R_КI_К. Точки пересечения этой прямой с вольтамперными характеристиками I_К(U_КЭ) позволяют определить напряжение и ток в транзисторе при любом токе базы. В зависимости от начального положения точки покоя (при отсутствии входного сигнала) различают несколько классов усиления.

В класса А точка покоя выбирается в примерно в середине активной зоны от I_{К МАКС} до I_{К ММИН}, в которой характеристики транзистора близки к линейным (точка А на поясняюще диаграмме). В этом случае при подаче на базу переменного сигнала (например, синусоидального) в токе базы появляется переменная составляющая, что вызывает соответствующие изменения тока I_К и напряжения U_КЭ. Рабочая точка при этом перемещается по прямой линии U_ПИТ — R_КI_К между зонами насыщения (I_{К МАКС)} и отсечки (I_{К МИН})_. Если входной сигнал не превышает допустимую величину, то происходит пропорциональное усиление всего сигнала. При превышении допустимого уровня наступает ограничение выходного сигнала на уровнях I_{К МАКС} и I_{К МИН} по току и на уровнях U_{КЭ МИН} и U_{КЭ МАКС} по напряжению.

В классе АВ точка покоя смещена в сторону зоны отсечки, поэтому часть синусоидального сигнала (меньше полупериода) при усилении «обрезается».

В классе В усиливается точно половина синусоидального сигнала. Для этого точка покоя должна выбираться на границе зоны отсечки (точка В, D). В действительности её выбирают несколько выше, чтобы избежать искажений, вызванных существенной нелинейностью начального участка входной характеристики транзистора.

В классе D транзистор работает в ключевом режиме. Для этого точка покоя выбирается также как и в классе В на границе зоны отсечки, но на вход подаётся большой сигнал, чтобы транзистор быстро переходил в режим насыщения. Ещё лучше в этом режиме на вход подавать сигнал прямоугольной формы. Тогда отпадает необходимость в его большой амплитуде. Становится ненужной и цепь, задающая начальное смещение (делитель из резисторов R₁ и R₂), так как при отсутствии входного сигнала транзистор должен быть надёжно закрыт.

Экспериментально ознакомиться различными классами усиления. В классах А и В подобрать оптимально точку покоя и определить максимальную амплитуду неискажённого выходного сигнала и допустимую амплитуду входного сигнала. В классе D определить минимальную амплитуду прямоугольного входного напряжения, при которой транзистор надёжно переходит в режим насыщения.

Порядок выполнения экспериментов

Собрать цепь согласно рисунку 7.6 и 7.7. В ней постоянный ток базы регулируется потенциометром 1 кОм и ограничивается постоянным сопротивлением тоже 1 кОм. Последовательно с источником переменного сигнала включен конденсатор 1 мкФ для предотвращения протекания через источник постоянного тока и токоограничивающее сопротивление 1 кОм. Диод включён для защиты эмиттерного перехода от обратного напряжения, а сопротивление 10 Ом для стабилизации характеристик транзистора. Измерение входного и выходного напряжений осуществляется осциллографом, а токов — двумя мультиметрами в режиме миллиамперметров.

Включите осциллограф для наблюдения по двум каналам одновременно (канал I — 0,5 В/дел., канал II — 5 В/дел). Включите мультиметры для измерения постоянных токов (пределы измерения: ток базы — 2 мА, ток коллектора — 200 мА). Включите блок генераторов напряжений и установите частоту синусоидального напряжения 1 кГц, а амплитуду сначала равной нулю. Настройте осциллограф, установите и запомните положение линий нулевого сигнала.

Изменяя напряжение смещения на базе поворотом ручки потенциометра вправо и влево, наблюдайте по осциллографу за изменением напряжения на коллекторе, а по мультиметрам за изменением токов базы и коллектора. Установите напряжение покоя U_{КЭ 0} примерно в середине диапазона его изменения.

Подаёте на вход усилителя синусоидальное напряжение и, регулируя его амплитуду, наблюдайте за изменением выходного сигнала. Уточните положение точки покоя так, чтобы вершины выходного сигнала начинали уплощаться одновременно.

Установить на входе максимальный сигнал, соответствующий неискажённому напряжению на выходе, и запишите в таблице 7.2 токи базы и коллектора и напряжение, амплитуды входного и выходного напряжений, перерисовать осциллограммы.

Регулируя смещение в сторону зоны отсечки (закрывания транзистора), добейтесь, чтобы усиливалась точно половина периода синусоиды. Увеличить входное напряжения до максимального значения, при котором выходной сигнал не искажается, подкорректировать ещё раз смещение и записать в таблицу 7.2 параметры режима усиления в классе В.

Примечание. I_{Б 0}, I_{К 0} и U_{КЭ 0} измерять при отключённом входном сигнале!