(схема с эмиттерной стабилизацией)
Известно немало схем цепей питания и стабилизации биполярных транзисторов. Одной из распространённых схем цепей питания является схема с эмиттерной стабилизацией ( рис.1.3 ). Эта схема относится к классу схем с автоматическим смещением. Они отличаются от схем с фиксированным смещением тем, что в них при изменении тока коллектора ток базы (или напряжение на базе) автоматически регулируется так, чтобы поддерживать заданный режим.
Вследствие внешнего сходства расположения резисторов с буквой H (аш), в зарубежной литературе эта структура известна, как схема с H-смещением.
Рис. 1.3 Схема цепи питания с эмиттерной стабилизацией
В исходном (статическом) режиме в схеме текут от плюса источника питания + ЕК к его минусу следующие постоянные токи:
ток покоя коллектора IОК – через резистор RК, через транзистор от коллектора к эмиттеру;
ток покоя базы IОБ – через резистор RБ1, переход база-эмиттер к эмиттеру.
Вытекая из эмиттера эти два тока, образуют эмиттерный ток IОЭ=IОК+IОБ. Кроме этих токов в схеме протекает постоянный ток через
последовательно соединённые резисторы RБ1 и RБ2. Этот ток принято называть током делителя IД. Так как питание транзистора осуществляется от одного источника питания ЕК, напряжение на базу транзистора подается с делителя напряжения на резисторах RБ1 и RБ2, а именно с резистора RБ2.
Ток эмиттера IОЭ, протекающий через резистор RЭ, создаёт на нём падение напряжения UЭ=IОЭ·RЭ.
Ток делителя создаёт на сопротивлении RБ2 падение напряжения URБ2=IД·RБ2. Это напряжение соответствует напряжению между базой и общим проводом UБ. В результате напряжение смещения база-эмиттер UОБ=UБ – UЭ=IД·RБ2–IОЭ·RЭ.
Необходимое напряжение смещения UОБ получают за счёт выбора соответствующих элементов делителя и сопротивления резистора RЭ. Обычно выбором RБ1 и RБ2 устанавливают ток делителя IД>>IОБ. Ток IД=(5…10)IОБ даёт право считать напряжение на базе транзистора фиксированным UБ=IД·RБ2=const.
Динамика процесса стабилизации в рассматриваемой схеме заключается в следующем.
Если под действием какого-либо дестабилизирующего фактора увеличивается ток коллектора IОК↑, то он вызывает рост эмиттерного тока IОЭ↑,
· · · это приводит к увеличению падения напряжения на резисторе RЭ.
UЭ↑=IОЭ↑·RЭ,
· · · увеличение напряжения на эмиттере UЭ↑ до U'Э =UЭ+∆UЭ при
неизменном напряжении UБ приводит к уменьшению смещения
между базой и эмиттером UОБ ↓ = UБ U'Э =UБ–UЭ↑.
· · · уменьшение смещения на базе UОБ↓ вызывает уменьшение
базового тока IОБ↓,
· · · уменьшение базового тока IОБ↓ приводит к уменьшению тока
коллектора IОК↓.
Краткая запись такого процесса: IОК↓→IОЭ↓→ UЭ↓→UБЭ↑→IОБ↑→IОК↑.
Здесь наблюдаются два воздействия на ток коллектора: прямое, от дестабилизирующих факторов, и обратное - по цепи ОС. Обратите внимание на направления стрелок при IОК. Происходит автоматическая стабилизация тока покоя коллектора IОК.
Высокая стабильность достигается при глубокой ОС. Для этого следует строить звено базового делителя с меньшим номинальным значением сопротивлений RБ1 и RБ2, а в эмиттерной цепи использовать сопротивления RЭ с большими номинальными значениями. К сожалению, сопротивления базового делителя нельзя задавать слишком маленькой величины, так как это приведёт к уменьшению коэффициента усиления, входного сопротивления, и увеличению потребляемой мощности, а RЭ нельзя выбирать слишком большой величины, так как на нём теряется часть напряжения источника питания. Известна рекомендация [4]
RБ=RЭ · h21/10, (1.1)
где RБ - параллельное соединение RБ1 и RБ2.
Для анализа стабилизирующих свойств схемы (рис.1.3) вспомним теорему об эквивалентном генераторе. Заменим принципиальную схему эквивалентной, показанной на рис.1.4. В соответствии с теоремой Тевенина [6]
ЕБ=ЕК·RБ2/(RБ1 + RБ2), (1.2)
RБ=RБ1·RБ2/ (RБ1 + RБ2).
Рис.1.4 Схема с эмиттерной стабилизацией, преобразованная по Тевенину.
Для схемы, приведённой на рис.1.4., можно написать равенство
ЕБ=IОБ·RБ + UБЭ + IОЭ·RЭ.
При нормальной температуре в известном соотношении ίК= ίБ · h21 + IКЭО [7] можно пренебречь обратным током эмиттера IКЭО. Тогда ток покоя коллектора IОК=h21·IОБ.
Выражая ток эмиттера через ток базы IОЭ= IОБ(1+h21), получаем
IОБ=(EБ – UБЭ)/[RБ+(1+h21)·RЭ], (1.3)
IОК=h21(EБ – UБЭ)/[RБ +(1+h21)RЭ]. (1.4)
Расчет сопротивлений цепей питания
Этот расчёт производится в следующем порядке:
1. Выбираем напряжение источника питания ЕК и сопротивление коллекторной нагрузки RК.
2. Задаёмся напряжениями на эмиттере и коллекторе.
Напряжение на эмиттере обычно составляет 10–20% от ЕК. Напряжение на коллекторе обычно выбирается равным ЕК/2 или немного больше (например среднее значение между EК и UЭ). Падение напряжения на R Э должно быть больше возможных изменений напряжения U БЭ, но не настолько большим, чтобы заметно уменьшить амплитуду выходного сигнала. Для напряжения на коллекторе имеет место условие U Э < U К< Е К, в то время как при отсутствии R Э U К < Е К.
3. Исходя из заданных значений, определяем RЭ.
4. Выбираем типовое значение h21 транзистора.
5. Используя соотношение (1.2), определяем RБ и ЕБ.
6. Преобразовав выражения для RБ и ЕБ получаем RБ1 =RБ·ЕК/ЕБ,
RБ2=RБ*RБ1/(RБ1–RБ).
Возможен другой способ расчета сопротивлений базового делителя. Вместо п.5 и п.6 выбираем ток делителя IД=(5…10)* IОБ, ГДЕ ТОК БАЗЫ
IОБ=IОК/h21, напряжение базы UБ=UЭ+UБЭ, СОПРОТИВДЕНИЯ ДЕЛИТЕЛЯ РАВНЫ:
RБ1=(EП-UБ)/(IД+IОБ), RБ2=UБ/IД.
Номинальные значения сопротивлений резисторов, выпускаемых промышленностью, стандартизованы в соответствии с табл. 1.
Они выбираются из определенных рядов чисел. Чаще других используются ряды Е 6, Е 12, Е 24. Цифры после буквы Е указывают число номинальных значений в каждом десятичном интервале. Приведенные в рядах числа могут быть продолжены путем умножения или деления этих чисел на 10 в степени n, где n - целое число. Ряды номинальных значений имеют допуск ± 20% (Е 6), ±10% (Е 12), ±5% (Е 24).
Табл.1
E 6 | E 12 | E 24 | E 6 | E 12 | E 24 | E 6 | E 12 | E 24 |
1,0 1,5 | 1,0 1,2 1,5 1,8 | 1,0 1,1 1,2 1,3 1,5 1,6 1,8 2,0 | 2,2 3,3 | 2,2 2,4 2,7 3,3 3,9 | 2,2 2,4 2,7 3,0 3,3 3,6 3,9 4,3 | 4,7 6,8 | 4,7 5,6 6,8 8,2 | 4,7 5,1 5,6 6,2 6,8 7,5 8,2 9,1 |
ПРИМЕР 1.1 Рассчитать схему с автоматическим смещением рис.1.3
Дано: ЕК=12В, RК=2кОм, а h21=150
Решение: Сначала выбираем значение UК. Допустим что, UК=9В. Тогда падение напряжения на RК равно URK = ЕК – UК=12В– 9В=3В.
Теперь проведём расчёт тока покоя коллектора:
IОК=URК/RК=3В/2кОм=1,5мА.
Ток покоя эмиттера:
IОЭ= IОК ·(1+h21)/h21=1,5мА(101/100)=1,515мА.
Ток покоя базы:
IОБ=IОК/h21=1,5мА/150=10мкА.
Выбрав напряжение эмиттера UЭ=1,7В, определяем напряжение покоя коллектор–эмиттер UКэ=UК–UЭ==9В–1,7В=7,3В и сопротивление
RЭ=UЭ/IОЭ= 1,7В/1,515мА=1,12кОм.
Согласно рекомендациям (1.2)
RБ=RЭh21/10=1,12кОм · 150/10=16,8кОм
ЕБ=UЭ + UБЭ + IОБRБ=1,7В + 0,7В + 10мкА · 16,8кОм = 2,568В,
RБ1= RБЕК/ЕБ = 16,8кОм 12В/2,568В = 56кОм,
RБ2 = RБ/ (1–ЕБ/ЕК) = 16,8кОм/ (1–2,568В/12В) = 13,2кОм.
Точка покоя в плоскости входных статических характеристик iБ=f(uБ) определена. Её координаты UБЭ= 0,7В, IОБ =10мкА.
В плоскости выходных статических характеристик iк=f(uк)
точка покоя имеет координаты UКЭ=7,3В, IОК=1,5мА.
ПРИМЕР 1.2 Рассчитать схему с эмиттерной стабилизацией (рис. 1.3) на заданную точку покоя
Дано:(UКЭ=6В, IОК=2мА) при EК=12В, h21=150
Решение:Выбираем напряжение эмиттера
UЭ=0,2EК=0,2·12=2,4В, тогда
напряжение UК=UЭ+UКЭ=2,4+6=8,4В,
напряжение URК=EК – UК=12–8,4=3,6В.
Сопротивления RК=URК/IОК=3,6В/2мА=1,8 кОм,
RЭ=UЭ/IОЭ≈UЭ/IОК≈2,4В/2мА=1,2кОм.
Рассчитываем сопротивления базового делителя:
RБ=RЭ·h21/10=1,2кОм·150/10=18кОм,
IОБ=IОК/h21=2мА/150=13мкА,
ЕБ=UЭ+UБЭ+IОБRБ=2,4В+0,7В+13мкА·18кОм=3,34В,
RБ1=RБ·EК/EБ=18кОм·12В/3,34=64,67кОм,
RБ2=RБ*RБ1/(RБ1–RБ)=18кОм*64,67/(64,67–18)=24,97кОм.
Для реализации схемы рис 1.3 значения сопротивлений выбраны из табл.1: RЭ=1.2 кОм, RК=1,8 кОм, RБ1=62 кОм, RБ2=24 кОм.
ПРИМЕР 1.3Рассчитать базовый делитель другим способом
Дано: Результаты расчетов примера 1.2.
Решение: Выбираем ток делителя IД=10*IОБ, ГДЕ ТОК БАЗЫ IОБ=IОК/h21=2/150=0,013 мА, а ток IД=10*0,013=0,13 мА.
UБ = UЭ+UБЭ =2,4+0,7=3,1В
RБ2=UБ/IД=3,1/0,13=23,84 кОм,
RБ1=(EК-UБ)/(IД+IОБ)=
(12-3,1)/(0,13+0,013)=60,95 кОм
Табличные значения резисторов RБ1 и RБ2 совпадают с примером 1.2.
Проверка расчета сопротивлений цепей питания с помощью компьютера
v Для проверки правильности рассчитанных сопротивлений схемы рекомендуем использовать программу “Fastmean”.
Fastmean –это программа анализа схем, основанная на моделировании электрических цепей. С ее помощью можно из введенных в программу элементов “собирать “ на экране исследуемую схему по постоянному токуабилизацией() , а также выполнить анализ во временной и частотных областях. Имеется возможность многократного выполнения анализа при изменении параметров элементов схемы (приложение 1).
Пользование программой можно разбить на 3 этапа:
1. Выбор модели активных элементов (диода, транзистора, операционного усилителя);
2. Создание эквивалентной схемы и набор модели на экране;
3. Проведение расчета нужного параметра (ток, напряжение, АЧХ, ФЧХ, ПХ).
Проведем на компьютере анализ примера 1.2 с целью проверки реализации заданной точки покоя (UКЭ=6В, IОК=2мА) при ЕК=12В, h21=150 и рассчитанных ранее значениях сопротивлений.
Так как схема содержит биполярный транзистор и расчет идет на постоянном токе, то удобнее заменить транзистор источником тока, управляемым током (ИТУТ), как показано на рис.1.5, а.
Рис. 1.5,а Эквивалентная модель биполярного транзистора
для постоянного тока.
Параметр h21Э-статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером (ОЭ). В дальнейшем, для удобства h21Э заменим на h21.
Параметр h21 приводится в справочниках на транзисторы.
Он характеризует усилительные возможности транзистора на переменном токе в области низких частот. Коэффициент усиления на постоянном токе
H21 ≈ h21.
H11- входное сопротивление по постоянному току, H11=UБЭ/IОБ.
Рис. 1.5,б показывает различия между входным сопротивлением биполярного
транзистора постоянному току H11 и входным сопротивлением переменному
току h11, определяемому касательной к входной характеристике в точке
покоя А.
Рис. 1.5,б Определение входных сопротивлений биполярного транзистора
ПРИМЕР 1.4 Вычислить параметры эквивалентной модели биполярного транзистора для постоянного тока.
Дано: Транзистор КТ-355А с коэффициентами
усиления тока h21 = 80…300. Ток базы из
примера 1.2 IОБ=13мкА
Решение: Параметры h21 характеризуют
усиление переменного тока, однако, их
значения практически не отличаются от
усиления на постоянном токе. Принимаем
среднее значение h21 = 150.
Напряжение смещения в кремниевых
транзисторах принято считать UБЭ = 0,7В,
откуда H11=UБЭ/ IОБ =0,7В/13мкА=53,85 кОм
Эквивалентная схема биполярного транзистора представлена на рис. 1.6
Рис.1.6 Эквивалентная схема биполярного транзистора к Примеру 1.4
Для начала расчета необходимо вызвать программу Fastmean, собрать эквивалентную схему и придать элементам заданные или расчетные значения. После этого проверить соединения во всех узлах и пронумеровать их кнопкой “номера узлов’’, при этом базисный узел не нумеруется.
Вследствие несовпадения направления постоянного коллекторного
тока в реальном транзисторе и в компьютерной модели, коэффициенту передачи тока h21 необходимо присвоить знак минус (например
h21= – 150А/А).
Эквивалентная схема каскада примера 1.2, собранная на мониторе, представлена на рис.1.7
Рис.1.7 Полученная на мониторе эквивалентная схема каскада примера 1.2
Расчет постоянных токов и напряжений происходит при нажатии кнопки “переходный процесс “, расположенной на линейке управления вверху экрана. Интересующие токи и напряжения задаются в строчках
“Выражения по оси Y”.
Ток задается в элементе, через который он протекает, а напряжение - в узлах или на элементе. Например:
1 t I(R4)
2 t U(4)-U(5)
3 t U(R4)
Результаты расчетов представлены на рис.1.8
t,с
Рис.1.8 Результаты расчетов примера 1.2.
Так как единицы измерений токов и напряжений разные и не масштабированы, необходимо нажать кнопку “ показать линейку”,
В результате чего появится окно с расчетными значениями токов и напряжений. Полученный результат подтверждает правильность расчета сопротивлений для реализации точки покоя примера 1.2 (UКЭ=6В, IОК=2мА).
Построение нагрузочных линий постоянному току.
На входных статических характеристиках нагрузочная линия строится по уравнению, полученному на основе закона Кирхгофа для базовой цепи (рис.1.4) ЕБ = IБ ·[RБ+ (1 + h21)·RЭ] + UБЭ.
Представленное в виде
,
оно позволяет понять, что эта зависимость соответствует прямой линии вида y=ах+в. Для построения нагрузочной линии рекомендуется использовать два режима [8]: режим холостого хода IБ=0 и режим короткого замыкания UБЭ=0
При IБ=0 UБЭ=ЕБ, и координаты крайней правой точки Х на нагрузочной линии (рис. 1,а) принимают значения (ЕБ; 0)
При UБЭ=0 IБ(Y)=EБ/[RБ+(1+h21)·RЭ], тогда координаты крайней левой
точки Y на нагрузочной линии (0; IБ(Y)).
ПРИМЕР 1.5 Построить нагрузочную линию на входных статических характеристиках и указать на ней точку покоя
Дано: Результаты расчетов в примерах 1.2 и 1.3
Решение: Координаты крайней правой точки
нагрузочной линии Х (3,34В; 0мкА). В примере 1.2
EБ=3,34В. Исходя из рис.1.7 уточняем значение
сопротивления RБ= RБ1*RБ2/(RБ1 + RБ2)=
62*24/(62+24)=17.3 кОм. При напряжении на
базе UБЭ = 0 получаем ток IБ(Y)=EБ/[RБ+(1+h21)·RЭ]=
=3,34В/[17.3кОм+(1+150)·1,2кОм]=16,8мкА.
Координаты точки Y (0В; 16,8мкА).
|
Рис.1.9 Нагрузочная линия на входных статических характеристиках.
Рисунок 1.9 иллюстрирует построение нагрузочной линии в плоскости входных статических характеристик. Точка пересечения нагрузочной прямой с входной характеристикой транзистора при заданном UКЭ определяет ток базы и напряжение между базой и эмиттером что соответствует координатам точки покоя А (0,7В; 13мкА), полученным в примерах 1.2 и 1.3
Особенностью входных статических характеристик является то, что ток базы ί Б слабо зависит от напряжения U КЭ. Это приводит к тому что семейство кривых ί Б =ƒ(U Б) при U КЭ≠ 0 на практике сливается и превращается в одну линию [8]. В справочниках обычно приводят две кривые: при U КЭ =0 и при U КЭ≠ 0 (чаще всего это 5B). Естественно, для расчета усилительного каскада используется только одна из них, а именно при U КЭ≠ 0 (рис. 1.1,а).
ПРИМЕР 1.6Повторить пример1.5 для транзисторов с h21=80 и h21=300.
Дано: Результаты расчетов в примерах 1.2 и 1.3
Решение:
1. h21=80
При UБ=0 IБ(Y) = 3,34В/[17.3кОм+(1+80)1,2кОм]=29мкА
Координаты точки Y (0В; 29мкА), координаты точки Х (3,34 В; 0мкА)
Определяем ток покоя базы IОБ=(EБ – UБЭ)/[RБ+RЭ·(1+h21)]=
(3,34–0,7)В/[17.3кОм+(1+80)·1,2кОм]=23мкА.
Это даёт координаты точки покоя А1 (0,7В; 23мкА).
2. h21=300
Координаты точки Y (0В; 8,8мкА), координаты точки Х (3,34В; 0мкА)
Координаты точки покоя А2 (0,7В; 6,97мкА).
На рис.1.10 изображены нагрузочные линии, построенные по данным примеров 1. 6 и 1.5. Штрих - пунктирная линия повторяет нагрузочную линию из рис.1.9
|
|
Рис.1.10 Нагрузочные линии на входных статических характеристиках при различных h21
В плоскости выходных статических характеристик (рис.1.1б) нагрузочная линия строится по уравнению, полученному на базе закона Кирхгофа для выходной цепи, ЕК=IоК·RК+UКЭ+IоЭ·RЭ. Можно показать, что это уравнение также соответствует прямой линии вида y=ах+в. Для определения крайних точек нагрузочной прямой запишем его в виде:
IоК= –UКэ/[RК+RЭ·(1+h21)/h21] + EК/[RК+RЭ·(1+h21)/h21].
Координаты точки X (рис.1.1а)определяются при IК=0, тогда точка Х получает координаты (ЕК; 0). Координаты левой крайней точки Y определяются при UКЭ=0, и они равны (0; IК(Y)), где
IК(Y)= ЕК/[RК + RЭ·(1+h21)/h21].
ПРИМЕР 1.7 Построить нагрузочную линию в плоскости выходных статических характеристик и указать на ней точку покоя
Дано: Результаты расчетов в примерах 1.2 и 1.3
Решение:Решение: Координаты точки Х (12В; 0мА).
Координаты точки Y
(0В, IК(Y)=12В/[1,8кОм+1,2кОм ·151/150] =3,989мА).
По данным примера1.2 координаты точки покоя А
(UОК=6В; IОК=2мА).
Рисунок 1.11 иллюстрирует результаты расчётов по примеру 1.7
|
|
|
|
Рис.1.11 Нагрузочная линия в плоскости выходных статических характеристик.
ПРИМЕР1.8 Определить координаты точек покоя при h21=80 и h21=300.
Дано: Условия примера 1.7
Решение:
1. h21=80
Координаты точки Х (12В; 0мА), координаты точки Y (0В; 3,989мА), так как (1+h21)/h21≈1.
Координаты крайних точек нагрузочной линии практически совпадают с данными примера 1. 7. Ток коллектора можно определять по выражению IК(Y)≈EК/(RК+Rэ).
Координаты точки покоя связаны с током покоя базы IОБ1=23мкА из примера1. 6.
IОК1=IОБ1·h211=23мкА ·80=1,84мА,
IОЭ1=(1+h211)IОК1/h211=(1+80) · 1,84мА/80=1,86мА,
UКЭ=ЕК – [RК ·IОК1 + IОЭ1Rэ]=12В – [1.8кОм ·1,84мА + 1,86мА ·1,2кОм]=6,45В.
Точка покоя А1 имеет координаты (6,45В; 1,84мА).
2. h21=300
Нагрузочная линия совпадает с другими. Определяем координаты точки покоя:
IОК2=IОБ2 · h212=6,97мкА ·300=2,09мА.
При большом h21 IОК ≈ IОЭ, тогда
UКЭ2 ≈ ЕК – IОК2 ·(RК + RЭ)= 12В – 2,09мА (1.8кОм + 1,2кОм) ≈ 5,7В.
Точка покоя А2 имеет координаты (5,7 В; 2,09мА).
На рис.1.12 изображены нагрузочные линии в плоскости выходных статических характеристик с точками покоя при различных h21 из примеров 1.6-- 1.8.
Рис.1.12 Нагрузочная линия и точки покоя по данным примеров 1.6 –1. 8.
Рисунки 1.10 и 1.12 являются наглядной иллюстрацией автоматического смещения. Видно, почему при большом изменении параметра транзисторов h21 ток покоя коллектора Iок меняется лишь на несколько процентов. В примере двукратное изменение h21 вызывает изменение тока покоя менее 10%. Из рис. 1.10 видно, что увеличение h21 вызывает уменьшение тока базы, и это существенно препятствует пропорциональному h21 увеличению тока покоя коллектора. Одновременно с этим изменением тока базы изменяется и напряжение база-эмиттер, которое задаётся пересечением нагрузочной прямой с нелинейной статической характеристикой. В примерах расчётов это не было учтено и смещение везде было принято UБЭ=0,7В.
Нет никакой гарантии, что полученный в расчётах ток покоя I ОБ, будет соответствовать на входной характеристике транзистора именно смещению в 0,7В. Корректнее было бы учитывать связь тока базы и напряжения на базе транзистора, используя формулу Эберса-Молла. Однако в этом случае не только усложняется математика, но, главное, требуется ещё не менее трёх параметров транзистора и зависимость h 21 от тока базы. Получить необходимую информацию довольно трудно. Точность расчётов при этом возрастёт незначительно (если Вы не являетесь разработчиком интегральных микросхем). По этой причине можно считать используемую методику приемлемой в инженерной практике и учебном процессе. Правильность выбора U БЭ и h 21 легко проверить экспериментально.