Как строить рабочую точку транзистора

Простейшие способы установки рабочей точки в схеме с общим истоком (ОИ)

Схемы включения с общим истоком (ОИ) полевого транзистора с управляющим переходом и МДП-транзистора с индуцированным каналом показаны на рис. 2-2.2. Статические характеристики такого включения для полевого транзистора с управляющим \(p\)-\(n\)-переходом даны на рис. 2-2.3, а на рис. 2-2.4, 2-2.5 представлены статические характеристики для МДП-транзисторов с индуцированным или встроенным каналом.

Рис. 2-2.2. Упрощенные схемы включения \(n\)-канальных полевых транзисторов с общим истоком

Рис. 2-2.3. Статические характеристики \(n\)-канального полевого транзистора с управляющим \(p\)-\(n\)-переходом в схеме с общим истоком:
(а) характеристики передачи, (б) выходные характеристики, (в) входная характеристика, (г) характеристики обратной связи

Рис. 2-2.4. Статические характеристики \(n\)-канального МДП-транзистора с индуцированным каналом в схеме с общим истоком:
(а) характеристики передачи, (б) выходные характеристики

Рис. 2-2.5. Статические характеристики \(n\)-канального МДП-транзистора со встроенным каналом в схеме с общим истоком:
(а) характеристики передачи, (б) выходные характеристики

При рассмотрении статических характеристик биполярных транзисторов мы пользовались системой т.н. гибридных или \(H\)-характеристик, эквивалентной системе \(H\)-параметров линейных четырехполюсников. Для полевых транзисторов более удобным оказалось применение системы \(Y\)-характеристик, в которой в качестве независимых переменных выступают входное и выходное напряжения, а в качестве определяемых функций — входной и выходной токи. На рис. 2-2.3 представлены все семейства статических характеристик полевого транзистора с управляющим \(p\)-\(n\)-переходом, однако на практике для анализа схем на полевых транзисторах обычно достаточно характеристик передачи и выходных характеристик, поэтому в дальнейшем мы не будем включать в рисунки входные характеристики и характеристики обратной связи (при желании читатель может сам отстроить их графики по двум представленным семействам).

Внимательное рассмотрение представленных на рис. 2-2.3, 2-2.4, 2-2.5 характеристик показывает следующее. В области насыщения ток стока \(_0\), а соответственно и ток истока \(_0\), слабо зависят от напряжения сток—исток \(>_0\) и сильно — от напряжения затвор—исток \(>_0\). Т.е., стабилизируя напряжение \(>_0\), можно поддерживать неизменное положение исходной рабочей точки всего каскада. Рассмотрим схему, представленную на рис. 2-2.6.

Рис. 2-2.6. Комбинированная схема задания исходной рабочей точки каскада на полевом транзисторе с управляющим \(p\)-\(n\)-переходом и каналом \(n\)-типа

Основным соотношением, на базе которого осуществляется анализ на постоянном токе для этой схемы является:

Сам анализ удобно провести графически на передаточной характеристике каскада (рис. 2-2.7).

Рис. 2-2.7. Графический анализ схемы с рис. 2-2.6

Приводимые на рис. 2-2.7 построения предполагают, что в истоковой цепи включен линейный резистор \(R_И\) с вольт-амперной характеристикой, изображаемой прямой 2, а на затвор транзистора с помощью делителя напряжения \(R1\), \(R2\) подан потенциал \(_0\). Точка пересечения графика передаточной характеристики каскада (1) с вольт-амперной характеристикой резистора \(R_И\) (2) определяет положение исходной рабочей точки транзистора, т.е. значение тока \(_0 \approx _0\), и разность потенциалов \(>_0\). В ряде случаев для расчета \(>_0\) и \(_0\) можно пользоваться упрощенными формулами:

\(>\) — напряжение отсечки транзистора.

Параметры делителя напряжения выбираются так, чтобы \(_0 \gg _0\).

При применении МДП-транзисторов схема цепей смещения остается неизменной (рис. 2-2.8). Изменяются лишь параметры элементов с учетом того, что полярность напряжения \(>_0\) в МДП-транзисторах может иметь противоположное направление по сравнению с полевыми транзисторами с управляющим переходом.

Рис. 2-2.8. Комбинированная схема задания исходной рабочей точки каскада на МДП-транзисторе с каналом \(p\)-типа

Существует еще одно более простое схемное решение, позволяющее задавать рабочую точку каскадов на полевых транзисторах. Это так называемая схема истокового автосмещения (рис. 2-2.9).

Рис. 2-2.9. Схема истокового автосмещения для полевого транзистора с управляющим \(p\)-\(n\)-переходом и каналом \(n\)-типа

В данной схеме делитель напряжения заменен одним резистором в цепи протекания тока затвора \(_0\). Значение этого тока достаточно стабильно, ведь обратносмещенный управляющий \(p\)-\(n\)-переход транзистора работает как стабилизатор тока, т.е. ток \(_0\) практически не зависит от возможных колебаний напряжения \(>_0\). Поскольку величина тока затвора \(_0\) полевого транзистора очень мала, то значение сопротивления \(R_З\) можно выбирать достаточно высоким. Необходимо лишь следить за тем, чтобы напряжение на управляющем \(p\)-\(n\)-переходе \(>_0\) оставалось отрицательным. Это достигается, когда величина \(R_З\) не превышает величину входного сопротивления каскада \(R_\) (обычно \(R_З \le 1 МОм\)).

Схема с истоковым автосмещением оказывается крайне чувствительной к любым внешним воздействиям, прикладываемым к затвору транзистора. Это обусловило ее широкое применение в первую очередь в каскадах предварительного усиления, где требуется повышенная чувствительность и низкое энергопотребление.

Использование схемы с высокоомным резистором в цепи протекания тока затвора возможно и с МДП-транзисторами (напомним, что для этих приборов постоянный ток затвора обусловлен фактически только паразитными утечками). Но здесь необходимо иметь в виду, что установка рабочей точки каскада вблизи значения \(>_0 = 0\) может оказаться неудачной для многих случаев использования МДП-транзисторов. Однако иногда для МДП-транзисторов со встроенным каналом именно \(>_0 = 0\) отвечает наилучшему режиму усиления.

В качестве примера использования обоих описанных выше схем смещения на рис. 2-2.10 представлен усилительный каскад на двухзатворном МДП-транзисторе.

Рис. 2-2.10. Высокочастотный усилительный каскад на двухзатворном МДП-транзисторе со встроенным каналом \(n\)-типа

3.2. Построение нагрузочной линии

В усилительном каскаде выходные зажимы транзистора, сопротивление нагрузки и источник питания составляют последовательную цепь, в которой протекает определенный ток. За счет этого тока обеспечивается определенное падение потенциалов Uкэи Uн, где Uн- напряжение, которое падает на нагрузочном элементе. Тогда для ИРТ можно записать следующее выражение

Построение нагрузочной прямой (кривой) с целью выбора ИРТ для транзистора предполагает решение графическим методом уравнения (3.1). На рис. 3.3 приведена электрическая схема усилительного каскада с линейной нагрузкой Rн, ВАХ которой представлена приведена на рис. 3.4,б. Допустим, чтоRн= 1 кОм. Для графического решения выражения (3.1) перенесем ВАХ резистора (рис. 3.4,а) на ВАХ транзистора, где для ВАХ резистора за точку отсчета принимаем величину напряжения источника питания Еп. Точки пересечения ВАХ резистора и ВАХ транзистора определяют точки дляIк0и Uкэ0. По этим точкам в соответствии сIбвыбирают необходимыеIк0и Uкэ0при условии не превышения током коллектораIкмаксимального допустимого значения. Появление сигнального приращенияIбприводит к появлению новой точки пересечения ВАХ резистора и ВАХ транзистора, соответственно появляются и сигнальные приращенияIкиUкэ.

Аналоговый сигнал Iб(t) изменяется плавно и вызывает изменение положения ИРТ, следовательно, процесс усиления можно трактовать как процесс управления ходом выходной ВАХ транзистора, приводящий к изменению положения РТ и появлению сигнальных составляющих тока и напряжения на выходе усилительного каскада.

Если в качестве нагрузки используется нелинейный двухполюсник, то процесс построения нагрузочной линии соответствует тому же процессу, что и при линейной нагрузке, а именно идет решение соотношения (3.1) (Рис.3.5).

Таким образом, для определения положения ИРТ в соответствии с (3.1) на плоскости выходных ВАХ транзистора необходимо построить график ВАХ нагрузочного элемента совместив начало его координат с точкой (Uкэ= Еп,Iк=0) и изменив направление оси напряжении этого графика на противоположное. Точка пересечения графика, построенного таким образом, с графиком текущей выходной ВАХ транзистора и определяет положение ИРТ.

3.3. Нагрузочная характеристика и траектория движения рабочей точки

В процессе подачи входных воздействий на вход усилительного прибора происходит изменение токов и напряжений в каскаде усилителя. Соответственно РТ также не стоит на месте. Рабочая точка, в зависимости от вида нагрузочного элемента усилительного прибора, движется по плоскости выходных ВАХ транзистора, определяя траекторию движения РТ. Здесь следует отметить, что линия на плоскости выходных ВАХ транзистора, по которой движется РТ в процессе воздействия сигналов на вход усилительного прибора, называется нагрузочной линией или нагрузочной характеристикой.

Если в качестве нагрузки используется постоянный резистор, то при изменении токов в схеме,токи, протекающие через этот резистор, и напряжения, падающие на нем при данных токах, прямо-пропорциональны, а нагрузочная характеристика представляет собой прямую линию. На рис. 3.6,а приведен пример подобного каскада.

При сигнальном воздействии на вход усилительного прибора происходит изменение и выходного тока Iк0Iк0 относительно тока коллектора в рабочей точкеIк0. При этомIк0преобразуетсяiвых. Выходной ток участвует в формировании выходного напряженияUвых. При этом в формированииUвыхучаствует не толькоRн, но и другие цепи и элементы. Так, с целью передачи с выхода N-го усилительного каскада переменной составляющей сигнала на вход N + 1 — каскада, включают разделительный конденсатор Ср(Рис. 3.6,6), который не влияет на работу каскадов усиления по постоянному току, но пропускает переменную составляющую сигнала. Величину емкости конденсатора выбирают достаточно большой, соответственно с реактивным сопротивлением этого конденсатора можно не считаться и при анализе каскадов усилителя по переменному току эту емкость заменить простой закороткой (Рис. 3.6,в).

Как известно, при подготовке электрической схемы к ее анализу на постоянном токе, из схемы исключаются все конденсаторы. При анализе же схемы на переменном токе все разделительные и блокировочные конденсаторы закорачиваются (заменяются накоротко замкнутыми цепями). Все источники постоянного напряжения заземляются, так как на внешних зажимах этих источников отсутствуют сигнальные напряжения. Тогда схема (рис. 3.6,б) при ее анализе на переменном токе приводится к виду (рис. 3.6,в). Соответственно выходной сигнальный ток iвыхпротекает через параллельно включенные нагрузочный резисторRни входное сопротивление последующего каскадаRвхN+1. ВАХ этого соединения представляет собой эквивалентное сопротивление нагрузкиRэкв, которое определяет характер преобразования сигнального токаiвыхв сигнальное напряжениеUвых. Тогда ее можно рассматривать как нагрузочную характеристику транзистора на переменном токе. В общем случае под нагрузочной характеристикой на переменном токе понимается ВАХ цепи, представляющей собой полное сопротивление, включенное между выходной клеммой транзистора и точкой нулевого потенциала.

Так как обычно нагрузочную характеристику на переменном токе рассматривают только при резистивном характере нагрузки, соответственно график этой характеристики в отличие от траектории РТ имеет вид не замкнутого контура, а сплошной линии.

На рис. 3.6,б приведена схема усилителя, в которой сопротивление нагрузки на постоянном токе Rнбольше сопротивления нагрузки на переменном токеZн(Rн_>Zн). Это характерно для чисто резистивных нагрузок. На рис. 3.7,а приведена принципиальная схема, в которойRн_>Zн.На рис. 3.7,б приведены графические построения применительно к этой схеме.

В этой схеме на постоянном токе сопротивление первичной обмотки трансформатора близко к нулю. Соответственно, нагрузочная прямая перпендикулярна оси Uкэи опирается на точку Еп. Точка пересечения этой прямой с ВАХ транзистора определяет начальный базовый ток, которому соответствует ИРТ иIк0. Нагрузочная же прямая на переменном токе для этого каскада определяется сопротивлениемZн, которое выражается в виде:

где: 1,2 —число витков первичной и вторичной обмоток трансформатора соответственно;тр— КПД трансформатора;Rн— сопротивление нагрузки, подключенное ко вторичной обмотке трансформатора.

В схеме, в которой сопротивление нагрузки подключается к транзистору через трансформатор, напряжение между коллектором и эмиттером может превышать напряжение источника питания (рис. 3.7,б). Выбирая транзистор для усилительного каскада, это необходимо учитывать, т.е. транзистор должен обладать достаточным .

При комплексной нагрузке (рис. 3.8,а), например, при резистивно-емкостном ее характере между сигнальными изменениями тока и напряжения наблюдаются фазовые сдвиги. В результате этого РТ на плоскости ВАХ транзистора перемещается не по линии, а по контуру (Рис. 3.8,б).

Для этого случая Rни Снсоединены параллельно. При воздействии сигнала в виде прямоугольного импульса на базу транзистора происходит резкое изменение базового токаIб. Его полярность такая, что он вызывает резкое увеличение коллекторного тока транзистора. В момент действия импульса базового тока РТ из точкиапочти мгновенно перемещается в точкуб, а затем по участкубв, перемещается существенно медленнее, и преодолевает этот участок за время установления фронта выходного импульса. Участоквг РТ проходит также достаточно быстро. Участок жегаРТ проходит за время спада фронта импульса, где постоянная времени нарастания и спада фронтов импульса равна:=RнСн. При этом величинаRнопределяет положение точек а ибна траектории движения РТ (нагрузочная характеристика).

Проведенное рассмотрение перемещения РТ показывает, что при комплексной нагрузке, РТ может существенно отклоняться от нагрузочной характеристики. Это в ряде случаев может приводить к ее выходу за пределы области безопасной работы транзистора и перегрузке выходной цепи:

— по току (емкостной характер нагрузки) (рис. 3.8,а);

— по напряжению (индуктивный и индуктивно-емкостной характеры нагрузки) (рис. 3.7).

С целью защиты транзисторов от пробоя в их выходную цепь часто включают диоды, стабилитроны, варисторы, которые препятствуют, например, резкому росту напряжения и соответственно исключают пробой транзистора.

3.4. Критерии выбора положение исходной рабочей точки

Исходная рабочая точка (ИРТ) однозначно определяет режим работы каскада на постоянном токе. Ее положение для биполярного транзистора задается током коллектора Iк0и разностью потенциаловUкэ0, а для полевого транзистора током стокаIc0и разностью потенциаловUси0. В этом случае, когда в схеме заданы величины ЕпиRн, положение ИРТ на постоянном токе определяетсяIк0иIc0,aвторая координата может быть однозначно определена согласно соотношений:

Uкэ0= Еп–Iк0*Rн;Uси0 = Еп–Iс0*Rн.

При известных Еп,RниUкэ0(Uси0) можно определить ток коллектора (стока) транзистора в ИРТ:

Iк0= (Еп–Uкэ0)/Rн;Ic0= (Еп–Uси0)/Rн;

Однако при выборе Iк0(Ic0) иUкэ0(Uси0) необходимо учитывать обстоятельства, связанные с усилением малых или больших сигналов. В каскадах усиления малых сигналов сигнальные измененияIвыхвыходного токаiвыхсоставляет лишь его небольшую часть. В этом случае величиныIк0иIc0выбирают, исходя из следующих противоречивых требований:

— малое потребление тока и мощности;

— высокая стабильность и определенности режимов работы каскада на постоянном токе.

Увеличение Iк0иIc0позволяет улучшить усилительные свойства каскадов, за счет снижения величин сопротивлений нагрузки и соответствия уменьшения постоянных времени выходных узлов усилительных каскадов. При увеличенииIк0иIc0снижается влияние дестабилизирующих факторов на работу каскадов усилителей на постоянном токе. Соответственно можно улучшить стабильность и определенность параметров усилительного каскада. С этой точки зрения считается, что для биполярного транзистора при выборе положения РТ должно выполняться условие:

где: I0к — неуправляемый ток обратно смещенногор-n-перехода;— номинальное значение коэффициента усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером.

Однако при увеличении тока коллектора биполярного транзистора или тока стока полевого транзистора возрастает потребляемая мощность и мощность, выделяемая на транзисторе в виде тепла (Pt), так как:

Pt =Iк0*Uкэ0;Pt =Iс0*Uси0.

Обычно, если к усилителям малых сигналов не предъявляются специальные требования, то Iк0иIc0выбираются в диапазоне 0,5 . 5 мА. В маломощных усилителях эти токи могут достигать величии десятков мкА и менее.

Пример.ПустьI0к==100. Определить величину минимального допустимого тока коллектора транзистора (Iк0).

Решение. Для решения задачи используем следующее выражениеIк0 >>I0к*, тогда ток коллектора в рабочей точке должен отвечать неравенствуIк0 >>Таким образом,Iк0должен быть большемкА.

Увеличение разности потенциалов Uкэ0, например, за счет увеличения Еп, позволяет улучшить частотные свойства усилительного каскада, поскольку в этом случае снижаются величины паразитных емкостей. В частности, снижается емкость обратно смещенного р-n-перехода коллектор-база (сток-затвор) транзистора. В случае использования транзисторов в составе интегральных схем (ИС), снижается величина паразитной емкости коллектор-подложка (сток-подложка) транзистора.

Однако увеличение Uкэ0(Uси0) приводит к приближению их кUк max(Uси max), что способствует росту вероятности выхода транзисторов из строя из-за электрического пробоя в их структуре. Кроме этого увеличениеUкэ0(Uси0) приводит к росту мощности, потребляемой каскадом. Как следствие этого приходится выбирать более мощные транзисторы при желании улучшить частотные свойства усилительного каскада за счет увеличения величины напряжения источника питания. Однако у мощных транзисторов усилительные и некоторые другие параметры, как правило, хуже. Кроме этого приходится решать конструктивно-технологические задачи по обеспечению требуемого теплового режима усилителя, увеличивать габаритные и стоимостные параметры изделия.

При малых напряжениях Uкэ0(Uси0) ИРТ приближается к линии насыщения (линия 1, рис. 3.1, рис. 3.2), но из-за этого происходит рост нелинейных искажений. Для исключения этого рекомендуется выбирать величиныUкэ0 иUси0не ниже напряжений, определяемых соотношениями:

где: Um.max — наибольшее из возможных сигнальных изменений напряжения на выходе усилительного каскада. НапряжениеUнач. maxдолжно соответствовать наибольшему значению выходного тока (Рис.3.9,а).

При усилении сигналов большой интенсивности часто необходимо обеспечить получение на выходе усилительного каскада предельных сигнальных значений изменений тока и напряжения, соизмеримых с Iвых.maxиUвых.max. В этих условиях выбор положения ИРТ осуществляется с учетом полярности и формы сигнала. Если сигнал двунаправленный (синусоидальный), то ИРТ располагается в середине усилительной области таким образом, чтобы выполнялись соотношения:

При этом появляется возможность получить выходной ток и напряжение предельных амплитуд (рис. 3.9,а):

При усилении однополярных сигналов ИРТ располагается в одном из крайних возможных значениях тока усилительной области ВАХ (Рис. 3.9,6). Для ИРТ1 имеем , а для ИРТ2 имеем. При таких положениях ИРТ достигаются максимальные амплитуды импульсного сигнала:Выбор ИРТ1 или ИРТ2 зависит от выбора полярности сигнала и типа проводимости транзистора. При этом выбор полярности сигнала и типа проводимости транзисторов производят, исходя из стремления получить минимальный ток в режиме покоя.

При выборе положения ИРТ следует также руководствоваться необходимостью обеспечения безотказной работы усилительных схем. Для этого необходимо стремиться к тому, чтобы РТ, и в первую очередь ИРТ, не выходила за границы области безопасной работы, т.е. должны выполняться условия:

Таким образом, для обеспечения безопасной работы усилительных элементов необходимо, чтобы ИРТ находилась внутри незаштрихованной области (рис. рис. 3.1, 3.2, 3.9). При выборе положения ИРТ необходимо также учитывать, что достигает наибольшего значения при(при).

10.2. Задание рабочей точки в транзисторном каскаде

В этом разделе рассматриваются различные способы задания рабочей точки транзисторного каскада с общим эмиттером.

Цель 1. Построение нагрузочной линии транзисторного каскада.

2. Задание рабочей точки транзисторного каскада

3. Исследование параметров рабочей точки транзистора.

4. Исследование условий для перевода транзистора в режим насыщения и отсечки.

5. Определение статического коэффициента передачи транзистора по экспериментальным данным.

Краткие сведения из теории 1. Задание тока базы с помощью одного резистора. Схема транзисторного каскада с общим эмиттером представлена на рис. 10.5. Режим, в котором работает каскад, можно определить, построив его нагрузочную линию на выходной характеристике транзистора. Данный способ позволяет описать поведение транзистора в режимах насыщения, усиления и отсечки. Режим насыщения определяется следующим условием: ток коллектора не управляется током базы:

IKH — ток коллектора насыщения, определяется сопротивлением RK в цепи коллектора и напряжением источника питания ЕК:

Этот режим характеризуется низким падением напряжения коллектор-эмиттер (порядка 0.1 В). Для перевода транзистора в этот режим необходимо в базу транзистора подать ток, больший чем ток насыщения базы Iвн:

Ток насыщения базы задается с помощью резистора Rвн с сопротивлением, равным:

где UБЗО — пороговое напряжение перехода база-эмиттер. Для кремниевых транзисторов Uвзо= 0.7 В. В режиме усиления ток коллектора меньше тока 1кн и описывается уравнением нагрузочной прямой:

Рабочая точка в статическом режиме задается током базы и напряжением на коллекторе. Она определяется точкой пересечения нагрузочной прямой и выходной характеристики транзистора. Базовый ток транзистора определяется как ток через сопротивление в цепи базы Ев (см.рис. 20.5):

Ток коллектора вычисляется по формуле:

Напряжение’коллектор-эмиттер определяется из уравнения нагрузочной прямой:

В режиме отсечки ток коллектора равен нулю и не создает на резисторе Rк падения напряжения. Следовательно, напряжение Uкэ максимально и равно напряжению источника питания Ек. Ток коллектора с учетом тепловых токов определяется из следующего выражения:

где Iкэо, IKBO — обратные токи переходов коллектор-эмиттер и коллектор-база соответственно. Коэффициент нестабильности тока коллектора (S) из-за влияния тепловых токов в схеме определяется как:

Как следует из этого выражения, при рассматриваемом способе задания тока базы коэффициент нестабильности зависит от статического коэффициента передачи, который для транзисторов одного и того же типа может сильно различаться. 2. Задание тока базы с помощью делителя напряжения. NPN-транзистор. Схема задания тока базы NPN транзистора с помощью делителя напряжения в каскаде с общим эмиттером представлена на рис. 10.6. Аналогично пункту 1, рассмотрим режимы насыщения, усиления и отсечки. Ток коллектора в режиме насыщения описывается следующим выражением:

Независимо от сопротивления резисторов R1 и R2 делителя напряжения ток насыщения базы определяется из выражения:

а напряжение Uб на базе равно:

Это же напряжение задается делителем напряжения. Зная Ек и Uб, можно определить отношение сопротивлений плеч делителя:

Суммарное сопротивление делителя обычно выбирается так, чтобы ток, протекающий через него был примерно в 10 раз меньше тока коллектора. Составив систему уравнений и решив её, можно найти сопротивления R1 и R2 плеч делителя, которые обеспечивают ток базы, необходимый для перевода транзистора в режим насыщения. Аналогичным образом каскад рассчитывается и в усилительном режиме, но с учетом следующих выражений. Ток коллектора в усилительном режиме описывается уравнением нагрузочной прямой:

где Uэ = IэRэ, Iэ — ток эмиттера.

Ток базы определяется из выражения:

Ток коллектора связан с током эмиттера следующим выражением:

и Напряжение на базе транзистора равно:

Далее рассчитываются сопротивления R1 и R2 делителя напряжения. Суммарное сопротивление делителя должно обеспечивать больший по сравнению с током базы ток делителя (обычно ток делителя берут в 10 раз меньше тока коллектора). Рабочая точка определяется пересечением нагрузочной прямой и выходной характеристики транзистора. При известных значениях сопротивлений R1 и R2 ток базы транзистора равен:

где Uб — напряжение на базе транзистора. Если BRэ >> R2, то:

Ток эмиттера определяется по падению напряжения на сопротивлении Rэ в цепи эмиттера и вычисляется как разность потенциалов

Значение напряжения коллектор-эмиттер Uкэ вычисляется по закону Кирхгофа: Uкэ = Eк-IкRк-IэRэ.

Коэффициент нестабильности тока коллектора (S) из-за влияния тепловых токов в схеме при условии, что Uэ > UБЭО определяется как:

Как следует из этого выражения, при данном способе задания тока базы коэффициент нестабильности определяется элементами схемы и практически не зависит от характеристик транзистора, что улучшает стабильность рабочей точки. PNP-транзиcтор. Схема задания тока базы с помощью делителя напряжения в каскаде с общим эмиттером на PNP-транзисторе представлена на рис. 10.7. Для данной схемы справедливы выражения, приведенные в предыдущем пункте для схемы с NPN-транзистором, со следующей поправкой: полярность напряжений и направления токов нужно поменять на обратные.

3. Задание тока базы с помощью дополнительного источника в цепи эмиттера. Схема задания тока базы с помощью дополнительного источника в цепи эмиттера в каскаде с общим эмиттером на NPN-тран-зисторе представлена на рис. 10.8. Ток коллектора в режиме насыщения равен:

Ток коллектора в усилительном режиме описывается уравнением нагрузочной прямой:

Напряжение на базе транзистора UB определяется из следующего выражения: UБ = IэRэ -Eэ +UБЭО

Это же напряжение равно падению напряжения на резисторе Ев: UБ=-IБ-RБ. Ток эмиттера вычисляется по падению напряжения на сопротивлении Rэ:

UБ имеет отрицательное значение.

Ток коллектора связан с током эмиттера следующим выражением: IK =Iэ-IБ=Iэ.

Значение напряжения коллектор-эмиттер вычисляется из закона Кирхгоффа для напряжений:

Коэффициент нестабильности тока коллектора (S) определяется как:

Рассматриваемая схема характеризуется таким же коэффициентом нестабильности, как и предыдущая. 4. Задание тока базы с помощью резистора в цепи база-коллектор. Схема задания тока базы с помощью резистора в цепи база-коллектор в каскаде с общим эмиттером представлена на рис. 10.9. Ток коллектора в усилительном режиме описывается уравнением:

Рабочая точка определяется точкой пересечения нагрузочной прямой и выходной характеристики транзистора. Ток базы определяется из выражения:

Как видно из выражения, ток базы зависит от напряжения коллектор-эмиттер, что делает схему менее чувствительной к разбросу значений статического коэффициента передачи устанавливаемых в нее транзисторов. Ток коллектора в схеме определяется по формуле:

Значение напряжения коллектор-эмиттер вычисляется по закону Кирхгофа для напряжений:

Коэффициент нестабильности тока коллектора (S) из-за влияния тепловых токов в схеме с резистором в цепи база-коллектор определяется как:

Как следует из выражения, коэффициент нестабильности этой схемы несколько выше, чем у схем с сопротивлением Rэ в цепи эмиттера.

Статический коэффициент передачи тока BDC определяется отношением тока коллектора к току базы:

Порядок проведения экспериментов

Эксперимент 1. Исследование параметров рабочей точки при задании тока базы с помощью одного резистора. а). Открыть файл с10_005 со схемой, изображенной на рис. 10.10. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора, напряжения коллектор-эмиттер и напряжения база-эмиттер в раздел «Результаты экспериментов».

б). Для схемы на рис. 10.10 по формулам из раздела «Краткие сведения из теории» вычислить базовый ток, напряжение коллектор-эмиттер. Ток коллектора вычислить, используя значение тока базы, полученное в п. а) и значение Bос, посчитанное в эксперименте 1 предыдущего раздела. Результаты записать в раздел «Результаты экспериментов». Сравните их с экспериментальными данными.

в). В разделе «Результаты экспериментов» построить нагрузочную прямую по постоянному току на выходной характеристике транзистора 2N3904, полученной в эксперименте 3 предыдущего раздела. Используя значения токов и напряжений, полученные в пункте а), определить рабочую точку (Q) на нагрузочной линии и отметить её положение на графике.

г). Двойным щелчком на изображении транзистора открыть диалоговое окно выбора модели транзистора. Строка с наименованием транзистора 2N3904 будет подсвечена. Чтобы редактировать параметры модели транзистора, нажмите Edit. Измените коэффициент передачи по току (PF) до 100, потом нажмите Accept. Нажмите Accept еще раз, чтобы вернуться к схеме. Изменение коэффициента B позволяет убедиться, что замена транзисторов приводит к изменению тока коллектора. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер в раздел «Результаты экспериментов».

д). По новым значениям напряжения коллектор-эмиттер и тока коллектора определить новую рабочую точку на нагрузочной прямой, построенной в п. с). Отметить ее положение на графике в разделе «Результаты экспериментов».

е). Восстановите прежнее значение коэффициента передачи по постоянному току (PF) транзистора 2N3904 (204).

ж). Подсчитать сопротивление Rв, необходимое для перевода транзистора в режим насыщения. Подставить в схему значение сопротивления Rв, чуть меньше подсчитанного. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер в раздел «Результаты экспериментов».

з). Уменьшить значение RB на более значительную величину и снова активизировать схему. Если транзистор находится в режиме насыщения, то изменение тока коллектора очень мало даже при очень большом изменении тока базы.

Эксперимент 2. Исследование параметров рабочей точки при задании тока базы с помощью делителя напряжения (NPN-транзистор). а). Открыть файл с10_006 со схемой, изображенной на рис. 10.11. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора, тока эмиттера, напряжения коллектор-эмиттер и напряжения на базе в раздел «Результаты экспериментов». Вычислить коэффициент передачи Bос. Результат записать в раздел «Результаты экспериментов».

б). Для схемы рис. 10.11 по формулам из раздела «Краткие сведения из теории» вычислить значение напряжения в точке UБ. Вычислить ток эмиттера и рассчитать ток коллектора по полученному значению тока эмиттера (Uвэо = 0.7В), вычислить значение напряжения коллектор-эмиттер по полученным ранее току коллектора и току эмиттера. Результаты записать в раздел «Результаты экспериментов».

в). В разделе «Результаты экспериментов*’ построить нагрузочную прямую по постоянному току на выходной характеристике транзистора 2N3904 из эксперимента 3 предыдущего раздела. Используя значения токов и напряжений, полученных в пункте а), определить рабочую точку (Q) и отметить её положение на графике.

г). Двойным щелчком на изображении транзистора открыть диалоговое окно выбора модели транзистора. Строка с наименованием транзистора 2N3904 будет подсвечена. Чтобы редактиро-‘ вать параметры модели транзистора, нажмите Edit. Измените коэффициент передачи по тoкy (PF) до 100, потом нажмите Accept. Нажмите Accept еще раз, чтобы вернуться к схеме. Изменение коэффициента B позволяет убедиться, что замена транзисторов приводит к изменению тока коллектора. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер в раздел «Результаты экспериментов».

д). По новым значениям напряжения база-эмиттер и тока коллектора определить положение рабочей точки на нагрузочной прямой, построенной в пункте в) и отметить её положение на графике.

е). Восстановите прежнее значение коэффициента передачи по постоянному току (BF) транзистора 2N3904 (204). ж). Провести изменения параметров цепи базы, необходимые для перевода транзистора в режим насыщения. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора, напряжения на базе и напряжения коллектор-эмиттер в раздел «Результаты экспериментов».

Эксперимент 3. Задание тока базы с помощью делителя напряжения (PNP-тран-зистор). а). Открыть файл с10_007 со схемой, изображенной на рис. 10.12. Включить схему. Записать результаты измерении для тока базы, тока коллектора, тока эмиттера, напряжения коллектор-эмиттер и напряжения на базе в раздел «Результаты экспериментов». Вычислить статический коэффициент передачи Bое. Результат записать в раздел «Результаты экспериментов».

б). Для схемы рис. 10.12 по формулам из раздела «Краткие сведения из теории» вычислить значение напряжения в точке UB. Вычислить ток эмиттера и рассчитать ток коллектора по полученному значению тока эмиттера (UБЭО =0.7 В), вычислить значение напряжения коллектор-эмиттер по полученным ранее току коллектора и току эмиттера. Результаты записать в раздел «Результаты экспериментов». Сравнить их с экспериментальными данными.

в). Двойным щелчком на изображении транзистора открыть диалоговое окно выбора модели транзистора. Строка с наименованием транзистора 2N3906 будет подсвечена. Чтобы редактировать параметры модели транзистора, нажмите Edit. Измените коэффициент передачи по току (PF) со 180 до 100, потом нажмите Accept. Нажмите Accept еще раз, чтобы вернуться к схеме. Изменение коэффициента B позволяет убедиться, что замена транзисторов приводит к изменению тока коллектора. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер в раздел «Результаты экспериментов».

г). Восстановите прежнее значение коэффициента передачи по постоянному току (BF) транзистора 2N3906 (180).

Эксперимент 4. Исследование параметров рабочей точки при задании тока базы с помощью дополнительного источника в цепи эмиттера.

а). Открыть файл с10_008 со схемой, изображенной на рис. 10.13. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора, тока эмиттера, напряжения коллектор-эмиттер и напряжения на базе в раздел «Результаты экспериментов». Вычислить статический коэффициент передачи Bпс. Результат записать в раздел «Результаты экспериментов».

б). Для схемы на рис. 10.13 по формулам из раздела «Краткие сведения из теории» вычислить напряжение в точке UБ по измеренному ранее значению тока базы, рассчитать ток эмиттера и вычислить ток коллектора по величине тока эмиттера (UБЭО = 0-7 В). Вычислить значение напряжения коллектор-эмиттер по полученным значениям тока эмиттера и тока коллектора. Результаты записать в раздел «Результаты экспериментов».

в). В разделе «Результаты экспериментов» для схемы рис. 10.13 построить нагрузочную прямую на выходной характеристике транзистора 2N3904 из эксперимента 3 предыдущего раздела. По результатам, полученным в предыдущем пункте, определите рабочую точку (Q) и отметить её положение на графике.

г). Двойным щелчком на изображении транзистора открыть диалоговое окно выбора модели транзистора. Строка с наименованием транзистора 2N3904 будет подсвечена. Чтобы редактировать параметры модели транзистора, нажмите Edit. Измените коэффициент передачи по току (PF) с 200 до 100, потом нажмите Accept. Нажмите Accept еще раз, чтобы вернуться к схеме. Изменение коэффициента B позволяет убедиться, что замена транзисторов приводит к изменению тока коллектора. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер в раздел «Результаты экспериментов».

д). По новым значениям напряжения база-эмиттер и тока коллектора определить положение рабочей точки на нагрузочной прямой, построенной в пункте в), и отметить её положение на графике.

е). Восстановите прежнее значение коэффициента передачи по постоянному току (BF) транзистора 2N3904 (204).

Эксперимент 5. Исследование параметров рабочей точки при задании тока базы с помощью резистора в цепи база-коллектор. а). Открыть файл с10_009 со схемой, изображенной на рис. 10.14. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора, тока эмиттера и напряжения коллектор-эмиттер в раздел «Результаты экспериментов». Вычислить статический коэффициент передачи BDC. Результат записать в раздел «Результаты экспериментов».

б). По формулам из раздела «Краткие сведения из теории» вычислить ток коллектора, используя значение PBDC, вычисленное ранее. Uвэо = 0.7 В. По полученному току коллектора вычислить значение напряжения коллектор-эмиттер. Результаты записать в раздел «Результаты экспериментов».

в). В разделе «Результаты экспериментов» для схемы рис. 10.14 построить нагрузочную прямую на выходной характеристике транзистора 2N3904. По результатам, полученным в предыдущем пункте, определить рабочую точку (Q) и отметить её положение на графике.

г). Двойным щелчком на изображении транзистора открыть диалоговое окно выбора модели транзистора. Строка с наименованием транзистора 2N3904 будет подсвечена. Чтобы редактиро вать параметры модели транзистора, нажмите Edit. Измените коэффициент передачи по току (PF) с 200 до 100, потом нажмите Accept. Нажмите Accept еще раз, чтобы вернуться к схеме. Изменение коэффициента B позволяет убедиться, что замена транзисторов приводит к изменению тока коллектора. Включить схему. Записать результаты измерении для тока базы, тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер в раздел «Результаты экспериментов».

д). По новым значениям напряжения коллектор-эмиттер и тока коллектора определить положение рабочей точки на нагрузочной прямой, построенной в пункте в), и отметить её положение на графике.

е). Восстановите прежнее значение коэффициента передачи по постоянному току (BF) транзистора 2N3904 (204). Результаты экспериментов Эксперимент 1. Исследование параметров рабочей точки при задании тока базы с помощью одного резистора.

в), г), д). Определение рабочей точки каскада.

Отметьте на графике положение рабочей точки до и после изменения коэффициента передачи транзистора по постоянному току.

Эксперимент 2. Исследование параметров рабочей точки при задании тока базы с помощью делителя напряжения (NPN-транзистор).

в), г), д). Определение рабочей точки каскада.

Отметьте на графике положение рабочей точки до и после изменения коэффициента передачи транзистора по постоянному току.

Эксперимент 3. Задание тока базы с помощью делителя напряжения (PNP-транзистор).

Эксперимент 4. Исследование параметров рабочей точки при задании тока базы с помощью дополнительного источника в цепи эмиттера.

в), г), д). Определение рабочей точки каскада. Отметьте на графике положение рабочей точки до и после изменения коэффициента передачи транзистора по постоянному току.

Эксперимент 5. Исследование параметров рабочей точки при задании тока базы с помощью резистора в цепи база-коллектор.

в), г), д). Определение рабочей точки каскада.

Отметьте на графике положение рабочей точки до и после изменения коэффициента передачи транзистора по постоянному току.

1. Как сильно отличаются расчетные и экспериментальные данные?

2. Изменяется ли положение рабочей точки при изменении статического коэффициента передачи тока?

3. Какое условие необходимо выполнить, чтобы перевести транзистор в режим отсечки?

4. На сколько различаются напряжения на коллекторе в схемах рис. 10.10 и 10.117

5. Чему равно напряжение коллектор-эмиттер в режиме насыщения?

6. Какая связь между током коллектора и током эмиттера?

7. В чем преимущество схемы со смещением в цепи базы над схемой со смещением в цепи эмиттера?

8. В чем преимущество схемы с делителем напряжения в цепи базы над схемой со смещением в цепи эмиттера?

9. Какую роль играет сопротивление Rэ в цепи эмиттера для стабильности работы схемы? В чем она заключается?

10.Какая из всех описанных выше схем обладает большей стабильностью?

Знаете ли Вы, что, как не тужатся релятивисты, CMB (космическое микроволновое излучение) — прямое доказательство существования эфира, системы абсолютного отсчета в космосе, и, следовательно, опровержение Пуанкаре-эйнштейновского релятивизма, утверждающего, что все ИСО равноправны, а эфира нет. Это фоновое излучение пространства имеет свою абсолютную систему отсчета, а значит никакого релятивизма быть не может. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

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 \(U__0>\) 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 \(\beta_\) — 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 \(\beta_\), 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

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

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).