Лекции.Орг


Поиск:




Установка рабочей точки биполярного транзистора

Данный материал из методички

Завьялов С.А. Схемотехника усилительных устройств на биполярных транзисторах. Методические указания к практическим занятиям и самостоятельным работам. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2006.-44 с.

УСТАНОВКА РАБОЧЕЙ ТОЧКИ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Существует два основных способа установки рабочей точки БТ по постоян­ному току, представленных на рис 2. Это схема с фиксированным напряжением на базе и схема с фиксированным током базы.

Рабочая точка БТ форми­руется одновременно в системе координат входных и выход­ных ВАХ, и для обоих случаев установки рабочей точки IК и UКЭ являются величинами, ко­торые задаются значениями UБЭ, IБ. Разница состоит лишь в выборе управляющей величины: в схеме с фиксацией напряжения на базе выбирается внешнее напряжение смещения ЕСМ, равное значению UБЭ, при котором в соответствии с входной ВАХ БТ ток через база-эмиттерный переход БТ IБ будет равен IК, в схеме с фиксацией тока базы ток источника тока IИТ сразу выбирается равным IБ =IK, тем самым автоматически, опять же в соответствии с входной ВАХ, обеспечивая установку необходимого UБЭ. Оба способа установки рабочей точки по постоянному току являются практически идентичными, так как IБ, с соответ­ствующим ему значением UБЭ, или, наоборот, UБЭ, с соответствующим ему зна­чением IБ, это одна точка на входной ВАХ БТ, но при этом оба способа смеще­ния Б-Э перехода весьма различно влияют на свойства каскадов усиления по пе­ременному току и особенно на их термостабиль­ность. Однако на практике в ряде ограниченных случаев, например в узком температурном диапа­зоне, применение их вполне допустимо.

Разновидности схем установки рабочей точки с фиксированным напряжением на базе представ­лены на рис. 2.3, 2.4. На схемах клеммами «вх», «вых» обозначены места для подключения к ис­точнику сигнала и к нагрузке.

Для схемы на рис. 2.3 источник базового сме­щения ЕCM (как правило, напряжение ЕCM мень­ше, чем напряжение UП) отделен от базового пе­рехода БТ VT1 сопротивлением R1, которое служит для развязки источника сигнала по переменному току от низкоомного сопротивления источника смещения и задания величины постоянного тока ба­зы IБ VT1 в его рабочей точке. Недостаток схемы формирования напряжения базового смещения на рис. 2.3 - в наличии дополнительного источника на­пряжения ЕCM.

В схеме на рис. 2.4 роль дополнительного источ­ника смещения выполняет источник питания UП, с помощью которого и делителя напряжения R1, R2 к базе транзистора прикладывается необходимое для открывания перехода Б-Э напряжение.

Схема на рис. 2.5 устанавливает рабочую точку транзистора VT1 с помощью стабильного базового тока. Идеальный источник тока в схеме на рис. 2 заменен в схеме на рис. 2.5 высокоомным сопротивле­нием R1, подключенным к источнику питания UП. Напряжение UБЭ по сравне­нию с напряжением питания UП мало, следовательно, ток базы задается сопро­тивлением R1 в соответствии с законом Ома 1Б ≈ UП / R1. Так как базовый ток IБ мал, то сопротивление R1 достаточно велико, что соответствует свойству идеаль­ного источника тока - обладать высоким внутренним сопротивлением.

Сравнение схем подачи базового смещения со стабилизацией напряжения на базе и схемы подачи стабильного тока базы показывает, что сопротивление R1 в схеме на рис. 2.5 много меньше шунтирует источ­ник сигнала по переменному току, чем сопротивление R1 в схеме на рис. 2.3 или сопротивление делителя напряжения R1, R2 в схеме на рис. 2.4. Отрицательным свойством малого шунтирующего действия резистора R1 на переход Б-Э в схеме на рис. 2.5, по сравнению со схемами на рис. 2.3, 2.4, является слабое рассасывание зарядов из базы транзистора при резких фронтах входного сигнала, в результате чего переход транзистора из открытого состояния в закрытое происходит медленно.

Все схемы формирования базового смещения транзистора в силу разброса свойств БТ, таких как зависимость прямого падения напряжения на переходе Б-Э от температуры для схем на рис. 2.3, 2.4, зависимость коэффициента усиления по току БТ от температуры в схеме на рис. 2.5, техноло­гического разброса коэффициента усиления по току БТ, достаточно требователь­ны к точному выбору значения сопротивления R1, которое часто во всех рассмот­ренных схемах делают регулируемым или подстроечным.

Устранение влияния дестабилизирующих факторов на режим работы БТ по постоянному току достигают использованием цепей отрицательной обратной свя­зи (ООС). Упрощенно принцип обратной связи состоит в том, что часть полезного сигнала с выхода схемы поступает обратно на ее вход, причем для отрицательной обратной связи характерно уменьшение (компенсация) входного сигнала под воз­действием выходного сигнала, поэтому она и на­зывается отрицательной. С точки зрения стабили­зации рабочей точки БТ принцип ООС следует по­нимать так, что доля выходного напряжения или тока (а для БТ выходной цепью является цепь кол­лектор-эмиттер, и, следовательно, выходным сиг­налом должны являться параметры выходной цепи - ток коллектора или эмиттера, или напряжения на коллекторе или эмиттере БТ) должна поступать обратно во входную, базовую цепь БТ и воздейст­вовать на напряжение или ток в базовой цепи противофазно дестабилизирующим факторам с целью уменьшения их влияния на режим БТ по постоян­ному току.

Наиболее распространена схема установки ра­бочей точки БТ с ООС по току (рис. 2.6). Другое ее название - схема с фиксированным напряжением на базе и эмиттерной стабилизацией. Она является универсальной схемой установки рабочей точки БТ для любого варианта включения транзистора по переменному току.

Напряжение (рис. 2.6) на базе UБ транзистора VT1 зафиксировано делителем напряжения Rl, R2. Ток эмиттера IЭ=IК+IБ ≈IК в соответствии с законом Ома вызывает падение напряжения UR4 на эмиттерном сопротивлении R4. Любое из­менение IБ или UБЭ под действием дестабилизирующих факторов вызывает со­ответствующее изменение IЭ и, следовательно, изменение падения напряжения UR4. Так как напряжение перехода UБЭ=UБ-UR4 в соответствии с законом Кирхгофа, a UБ = const зафиксировано, то изменение падения напряжения UR4 на эмиттерном сопротивлении R4 обязательно приведет к изменению напряжения UБЭ, причем противофазно изменению напряжения на R4. Например, в случаедаже незначительного увеличения IБ произойдет значительное увеличение IЭ в силу усилительных свойств БТ и, следовательно, напряжение UБЭ на Б-Э пере­ходе уменьшится, что в свою очередь скомпенсирует увеличение IБ, осуществив, таким образом стабилизацию рабочей точки транзистора VT1.

Схема на рис. 2.7 иллюстрирует метод установки рабочей точки с использо­ванием ООС по напряжению. Цель подключения сопротивления R1, задающего IБ, к коллектору VT1, получить независимость режима работы БТ по постоянному току от свойств самого БТ (технологического разброса коэффициента переда­чи по току), а также устранение влияния на БТ дестабилизирующих факторов в виде изменения напряжения питания или температуры. Стабилизирующее дейст­вие ООС основано на компенсации возможного изменения IБ с помощью выход­ного напряжения UKЭ, меняющего противофазно IБ. В случае увеличения (уменьшения) IБ ток коллектора IK VT1 увеличивается (уменьшается), напряже­ние UKЭ = UП - IК · R2 уменьшается (увеличивается) и, следовательно, ток базы IБ =UKЭ/R1 уменьшается (увеличивается).

Общий подход к расчету режима БТ по постоянному току для схем (рис. 2.3...2.7), работающих в активном (линейном) режиме примерно одинаков, хотя имеются различия, относящиеся к выбору элементов стабили­зации рабочей точки БТ в базовой цепи транзистора.

Порядок расчета элементов схемы для установки рабочей точки БТ, работающего в линейном режиме (рис. 2.3...рис. 2.7), следую­щий.

1. Опре­деляем тип транзистора

Для предва­рительных усилителей, работающих, как правило, в слаботочном режиме, если нет каких-либо специфических требований, например повышенного напряжения питания, низкоомного сопротивления нагрузки, большой амплитуды переменной составляющей тока или напряжения на выходе усилителя, следует выбирать тран­зистор, относящийся к классу маломощных, наиболее дешевых, с предельной по­стоянной рассеиваемой мощностью коллектора БТ до (100...250) мВт (в домашнем задании тип транзистора задан в ТЗ табл. 2.1).

Учёт частотных свойств БТ осуществляется обычно на этапе расчета свойств усилительного каскада по переменному току, предварительный выбор транзисто­ра (низкочастотный, высокочастотный или сверхвысокочастотный) может быть осуществлен по планируемому частотному диапазону усилительного устройства. Однако следует знать, что использование более высокочастотных типов транзи­сторов в низкочастотных цепях нежелательно, так как они дороги, склонны к са­мовозбуждению и обладают меньшими эксплуатационными запасами.

2. Задаем постоянный ток коллектора IК БТ

Так как в апаратуре БТ может быть использован в широком диапазоне токов и напряжений, то ограничением на их выбор служат значения предельно допус­тимых режимов, превышение которых в условиях эксплуатации не допускается независимо от длительности импульсов напряжения или тока. Поэтому при при­менении БТ необходимо обеспечить их защиту от мгновенных изменений токов и напряжений, возникающих при переходных процессах, мгновенных изменениях питающих напряжений. Не допускается также работа БТ в совмещенных предель­ных режимах (например, по напряжению и току). Для повышения надежности БТ при эксплуатации следует выбирать рабочие режимы БТ (IK,UKЭ, постоянную рассеиваемую мощность коллектора) меньше, чем их предельно допустимые ве­личины в (1,2... 1,4) раза. При запасе в (1,6...2) раза надежность работы транзи­стора высока и практически не зависит от режима его работы. Существует несколько критериев выбора IК.

• Наиболее прост способ, не требующий оптимизации режима работы БТ под
определенные свойства. Задаем IК, равный приведенному в справочниках [1,2]
типовому режиму измерения параметров БТ, например справочный IК,
соответствующий режиму измерения статического коэффициента передачи тока
или режиму измерения модуля коэффициента передачи тока на высокой частоте.

• В случае необходимости, чтобы транзистор имел максимальный коэффициент передачи тока h21Э (например, если требуется получить максимальное входное сопротивление усилителя по переменному току) следует воспользоваться типовой справочной зависимостью h21Э от тока IК или IЭ (рис. 2.1). Ток коллектора выбирается равным значению при максимальной величине h21Э.

• Для расширения полосы пропускания усилителя в области высших частот в случае его широкополостного применения необходимо воспользоваться справочной зависимостью граничной частоты БТ от тока коллектора. Ток коллектора выбирается соответствующим максимальному значению граничной частоты БТ.

• При построении малошумящих входных усилителей основой для выбора
тока коллектора является справочная зависимость коэффициента шума БТ от тока
коллектора. Ток коллектора следует выбирать по минимуму коэффициента шума.

• Во всех случаях, если известна амплитуда переменной составляющей тока на выходе усилительного каскада (например, по ТЗ или величине выходной мощности на заданной нагрузке), то значение постоянной составляющей тока коллектора IK должно быть не меньше, чем амплитудное значение переменной составляющей тока в нагрузке.

Уменьшать ток коллектора БТ ниже значений, указанных в критериях вы­бора, нецелесообразно, если нет особых требований по минимизации потребления схемы усилителя, или, если не выбран тип БТ, специально разработанный для работы с малыми токами. При малых рабочих токах у обычного БТ снижается устой­чивость работы в диапазоне температур и появляется нестабильность параметров усиления во времени.

3. Задаем постоянное напряжение UKЭ БТ

• Критерием выбора UКЭ является такое положение рабочей точки А БТ на семействе выходных ВАХ, при котором возможно получение максимальной амплитуда переменной составляющей на выходе усилительного каскада.

Так как возможное изменение по­ложения точки А при ее движении под действием входного сигнала по нагру­зочной прямой ВС на графиках выход­ных ВАХ (рис. 2.2) ограничено с одной стороны потенциалом земли - точкой В (режим насыщения), а с другой стороны - потенциалом источника питания UП -точкой С (режим отсечки), то целесооб­разно выбирать для исходного положе­ния рабочей точки напряжение UKЭ, равное приблизительно половине напряжения питания UП.

Обеспечить UКЭ≈UП /2 следует выбором величины сопротивления RK в коллекторной цепи транзистора. Так как БТ в линейном режиме является источ­ником тока, то значение UКЭ на переходе К-Э должно устанавливаться принуди­тельно, в частности для схем на рис. 2.3, 2.4, 2.5, 2.7 падением напряжения URK на коллекторном сопротивлении RK. В соответствии с законом Кирхгофа UКЭ+URK=UП. Следовательно, UКЭ=UП -IK·RK, отсюда RK ≈UП /2IK (рис. 2.3, 2.4, 2.5, 2.7)

Для схемы на рис. 2.6 закон Кирхгофа для коллекторной цепи записывается как UR4+UKЭ+UR3=UП, где UR4 - падение напряжения на эмиттерном сопротивлении, UR3 - падение напряжения на коллекторном сопротивлении. Для рабо­ты цепи ООС и термостабилизации режима по постоянному току минимальное падение напряжения на эмиттерном резисторе устанавливается UR4=(0,1…0,2)UП [3].

Определяем по закону Ома для участка цепи величину RЭ, считая IЭ=IK+IБ≈IK:

RЭ=R4=UR4/IK (рис. 2.6).

С увеличением RЭ увеличивается термостабильность схемы. Но чем больше UR4, тем меньшая доля напряжения источника питания будет приходиться на пе­реход К-Э: UKЭ=UП-UR3-UR4, тем возможно меньший размах переменной составляющей может быть получен на выходе схемы. Максимальный размах пе­ременной составляющей возможен при UКЭ =UR3, то есть при равномерном рас­пределении напряжения между переходом К-Э и коллекторным сопротивлением R3. Отсюда следует, что

RK=R3=(UП-UR4)/2IK (рис. 2.6)

4. Определяем в рабочей точке постоянный ток базы IБ БТ

• По положению рабочей точки на семействе выходных ВАХ (рис. 2.2). Ток
базы, например, для варианта установки рабочей точки А на рис. 2.2 должен
равняться значению тока соответствующих ветвей ВАХ, на которых находится
точка А - IБЗ или IБ4, или, что, для конкретного примера точнее: (IБ3+IБ4)/2 их усредненному значению.

• По заданному в рабочей точке току коллектора

IБ=IK / h­21Э,

В справочниках [7, 8] приводятся, как правило, или типовые (усредненные) зависимости параметров БТ, или значения параметров одного и того же БТ в не­котором интервале, ограниченном минимальным или максимальным значением. Поэтому коэффициент передачи тока БТ h21Э определяется как

• типовое справочное h21Э,

• среднегеометрическое значение интервала ,

• графически по справочной зависимости h21Э от тока коллектора для
выбранного типа транзистора при заданном IК (рис. 2.1).

5. Задаем в рабочей точке постоянное напряжение UБЭ БТ

• Наиболее простой и часто используемый способ, считать для кремниевых БТ, работающих в линейном режиме

UБЭ =(0,6…0,7) В,

для германиевых БТ

UБЭ =(0,2…0,3) В.

• Другой, более точный способ - определение UБЭ графически по семейству
входных ВАХ выбранного типа БТ. Значение IБ в рабочей точке наносится на ось
IБ входной ВАХ и затем через график зависимости IБ = f( UБЭ) при заданном
UКЭ проецируется на ось UБЭ, где и находится значение UБЭ в рабочей точке.



<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Знакомство с панелью инструментов. | В результате прохождения учебной практики
Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2017-01-28; Мы поможем в написании ваших работ!; просмотров: 4433 | Нарушение авторских прав


Поиск на сайте:

Лучшие изречения:

Неосмысленная жизнь не стоит того, чтобы жить. © Сократ
==> читать все изречения...

768 - | 677 -


© 2015-2024 lektsii.org - Контакты - Последнее добавление

Ген: 0.011 с.