Рабочие точки

Характеристики транзистора, включенного по схеме об

Через базу происходит исключительно диффузионное перемещение электронов, поскольку там нет действия электрического поля. У транзистора же есть только три вывода, поэтому для реализации четырехполюсника приходится один из выводов подключать как ко входу, так и к выходу усилителя.
Положительный тип заряда, или дырки, образуются на месте высвобожденного электрона. Напряжение источника питания и нагрузка должны оставаться неизменными при обоих измерениях.
Заключение Полупроводниковые элементы используются в схемах преобразования электрических сигналов. Несмотря на то что переходные слои основаны на одном принципе, транзистор является несимметричным устройством.
Активный режим транзистора — это нормальный режим работы транзистора.
При этом параметры транзистора тут вообще никакой роли не играют. Во — первых усиление каскада зависит от конкретного экземпляра транзистора: заменил транзистор при ремонте, — подбирай заново смещение, выводи на рабочую точку.
Если ток базы падает, то ток коллектора также будет снижаться — человек подкорректирует его посредством реостата.
Работу усилителя хорошо видно на временных диаграммах. Рисунок 2.
Как работает транзистор? Режим ТТЛ логика / Усиление. Анимационный обучающий 2d ролик. / Урок 1

Как работает транзистор? Режим ТТЛ логика / Усиление. Анимационный обучающий 2d ролик. / Урок 1Как работает транзистор? Режим ТТЛ логика / Усиление. Анимационный обучающий 2d ролик. / Урок 1

Важные рекомендации

Необходимо помнить, что:

  • При снятии опалубки можно приниматься за установку иных строительных элементов;
  • Завершающий этап — снятие опорных балок, вышек, туров;
  • Работы по демонтажу ведутся сверху вниз. Основное направление – горизонтальное. На углах основания смесь застывает быстрее;
  • Демонтировать стоечные элементы, щиты необходимо с максимальной аккуратностью – иначе, есть риск повредить слой. Приводит к невозможности повторного использования;
  • Элементы предварительно требуется смазать составом, который помогает уменьшить схватываемость. Опалубка убирается быстрее.

https://youtube.com/watch?v=1FmWV43Ev_0

Расчет двухтактного усилителя

Так как нам нужен повторитель эмиттерный для усиления по мощности, то исходными данными, чтобы сделать расчет эмиттерного повторителя, будут: сопротивление нагрузки (РН), мощность нагрузки (ПН). Чтобы уменьшить рассогласованность выходного и входного сигнала, напряжение питания должно быть выше на 5 В от амплитуды выходного напряжения.

Формулы для расчета усилительного каскада:

  • Выходное напряжение: УВЫХ = корень квадратный (2ПНРН).
  • Напряжение источника питания: УВХ = УЕ + 5.
  • Выходной ток: ИЕ = УЕН.
  • Мощность, забираемая у источника питания: П++ П= 2/Пи × УЕН × УК.
  • Наибольшая рассеиваемая мощность на каждом из транзисторов: П1= П2= УК2/Пи2РН.

Расчет входного тока базы Ib

Теперь посчитаем ток базы Ib. Поскольку мы имеем дело с переменным напряжением, нужно посчитать два значения тока – при максимальном напряжении (Vmax) и минимальном (Vmin). Назовем эти значения тока соответственно – Ibmax и Ibmin.

Также, для того чтобы посчитать ток базы, необходимо знать напряжение база-эмиттер VBE. Между базой и эмиттером располагается один PN-переход. Получается, что ток базы «встречает» на своем пути полупроводниковый диод. Напряжение, при котором полупроводниковый диод начинает проводить – около 0.6V. Не будем вдаваться в подробности вольт-амперных характеристик диода, и для простоты расчетов возьмем приближенную модель, согласно которой напряжение на проводящем ток диоде всегда 0.6V. Значит, напряжение между базой и эмиттером VBE = 0.6V. А поскольку эмиттер подключен к земле (VE = 0), то напряжение от базы до земли тоже 0.6V (VB = 0.6V).

Посчитаем Ibmax и Ibmin с помощью закона Ома:

Принцип действия комплементарной схемы

Когда входное питание отсутствует, оба транзистора выключены, в связи с отсутствием напряжения на эмиттерных переходах. При прохождении полуволны положительной полярности, происходит открытие п-р-п – транзистора, аналогично, прохождение отрицательной полуволны вызывает открытие р-п-р – транзистора.

Мощный эмиттерный повторитель имеет расчет КПД (К = Пи/4 х УВЫХК), где Увых – амплитуда выходного сигнала; УК – напряжение на коллекторном переходе.

Из формулы видно, что К возрастает при увеличении амплитуды УВЫХ и становится максимальным, при УВЫХ = УК (К = Пи/4 = 0,785).

Отсюда видно, что эмиттерный повторитель на комплементарной схеме обладает значительно более высоким КПД, чем обычный повторитель.

Свойством этой схемы являются большие (переходные) нелинейные искажения. Они проявляют себя в большей степени, чем меньше входное напряжение (УВХ).

Устройство

Биполярный транзистор состоит из трёх полупроводниковых слоёв с чередующимся типом примесной проводимости: эмиттера (обозначается «Э», англ. E), базы («Б», англ. B) и коллектора («К», англ. C). В зависимости от порядка чередования слоёв различают n-p-n (эмиттер — n-полупроводник, база — p-полупроводник, коллектор — n-полупроводник) и p-n-p транзисторы. К каждому из слоёв подключены проводящие невыпрямляющие контакты.

Обозначение биполярных транзисторов на схемах и их структура. Направление стрелки показывает направление тока через эмиттерный переход, и служит для идентификации n-p-n и p-n-p транзисторов. Наличие окружности символизирует транзистор в индивидуальном корпусе, отсутствие — транзистор в составе микросхемы.

С точки зрения типов проводимостей эмиттерный и коллекторный слои не различимы, но при изготовлении они существенно различаются степенью легирования для улучшения электрических параметров прибора. Коллекторный слой легируется слабо, что повышает допустимое коллекторное напряжение. Эмиттерный слой — сильно легированный: величина пробойного обратного напряжения эмиттерного перехода не критична, так как обычно в электронных схемах транзисторы работают с прямосмещённым эмиттерным переходом. Кроме того, сильное легирование эмиттерного слоя обеспечивает лучшую инжекцию неосновных носителей в базовый слой, что увеличивает коэффициент передачи по току в схемах с общей базой. Слой базы легируется слабо, так как располагается между эмиттерным и коллекторным слоями и должен иметь большое электрическое сопротивление.

Упрощенная схема поперечного разреза планарного биполярного n-p-n транзистора

Общая площадь перехода база-эмиттер выполняется значительно меньше площади перехода коллектор-база, что увеличивает вероятность захвата неосновных носителей из базового слоя и улучшает коэффициент передачи. Так как в рабочем режиме переход коллектор-база обычно включён с обратным смещением, в нём выделяется основная доля тепла, рассеиваемого прибором, и повышение его площади способствует лучшему охлаждению кристалла. Поэтому на практике биполярный транзистор общего применения является несимметричным устройством (то есть инверсное включение, когда меняют местами эмиттер и коллектор, нецелесообразно).

Для повышения частотных параметров (быстродействия) толщину базового слоя делают меньше, так как этим, в том числе, определяется время «пролёта» (диффузии в бездрейфовых приборах) неосновных носителей. Но при снижении толщины базы снижается предельное коллекторное напряжение, поэтому толщину базового слоя выбирают исходя из разумного компромисса.

В первых транзисторах в качестве полупроводникового материала использовался металлический германий. Полупроводниковые приборы на его основе имеют ряд недостатков, и в настоящее время биполярные транзисторы изготавливают в основном из монокристаллического кремния и монокристаллического арсенида галлия. Благодаря очень высокой подвижности носителей в арсениде галлия приборы на его основе обладают высоким быстродействием и используются в сверхбыстродействующих логических схемах и в схемах СВЧ-усилителей.

1.10. Работа транзистора на высоких частотах

На
частотные свойства транзистора оказывают
влияния емкости СЭ
и СК, а
также инерционные процессы диффузионного
движения носителей в базе.

В
общем случае СЭ
и СК
включают как барьерные емкости переходов,
так и диффузионные. Поэтому их величины
зависят от режима работы транзисторы
и выбора рабочей точки. Вследствие
шунтирующего действия СЭ
снижается инжекция носителей в базу,
т.е. качество эмиттера ухудшается, а ток
инжекции отстает по фазе от тока эмиттера.

Большое
значение имеют процессы в базе. Рассмотрим
процесс инжектирования в базу короткого
импульса тока, который можно рассматривать
как компактный пакет носителей заряда
(рис. 18, 19).

Рис. 18

Вследствие
конечного времени диффузии пакет
носителей достигнет коллектора не
мгновенно, а через некоторое время τ.

Вследствие
разброса скоростей отдельных носителей
заряда границы пакета у коллектора
размываются – импульс тока коллектора
получается колоколообразным.

Если
время τ сравнимо с периодом входных
колебаний, то распределение концентраций
носителей в базе будет отличаться от
линейного, градиент концентрации
снижается, что ведет к падению коэффициентов
α и β.

При
отключении тока эмиттера ток коллектора
спадает постепенно, т.к. носители заряда,
накопившиеся в базе, покидают базу не
мгновенно, а в течение времени рассасывания
tp.
За это время неосновные носители уходят
из базы через оба перехода, а также
рекомбинируют в базе.

Рис. 19

Итак,
вследствие инерционности процессов
переноса тока в транзисторе наблюдается
сдвиг по фазе между токами электродов.
Поэтому коэффициенты α = h21Б
и β = h21Э
являются комплексными функциями частоты,
т.е.

,
где
;
,

где
h21О– коэффициент
передачи тока на низкой частоте. Эта
зависимость представлена на рис. 20.

Рис. 20

Частота
ωh21называется
предельной частотой коэффициента
передачи тока. На этой частоте
уменьшается враз.

В
справочниках приводится также граничная
частота передачи тока базы в схеме ОЭ
— ωгрЭ,
при которой h21Э≈ 1, а также
максимальная частота генерации ωгmax,
при которой коэффициент усиления сигнала
по мощности
падает до 1. При этом транзистор уже не
способен работать в схемах генераторов
сигналов.

Величины
ωh21,
ωгр,
ωгmax
описывают частотные свойства транзисторов
и называются высокочастотными параметрами
транзистора. Их значения в современных
высокочастотных транзисторах составляют
сотни Мгц.

Отличительные особенности

Повторитель эмиттерный обладает интересной особенностью – ток коллектора имеет зависимость только от нагрузочного сопротивления и входного напряжения, а параметры транзистора существенной роли не играют. Такие схемы считают имеющими 100-процентную обратную связью по напряжению. Можно не бояться спалить транзистор, подавая на базу питание без ограничивающего резистора.

Работа эмиттерного повторителя основана на высоком входном сопротивлении, что позволяет подключать к нему источник сигнала с большим комплексным сопротивлением (например, звукосниматель в радио). Усилитель мощности

Очень часто повторитель эммитерный используется в качестве усилителя мощности в выходных каскадах усилителей. Основной задачей таких узлов является передача определенной мощности на нагрузку. Наиболее важный параметр, который ставится в расчетах усилителя по мощности – это коэффициент усиления мощности, искажение передачи сигнала и КПД (его увеличение необходимо в связи с потреблением большей части мощности источника питания выходным усилителем). Усиление по напряжению не является основным параметром и обычно приближается к единице.

Бывает несколько способов работы такого усилительного каскада, в зависимости от нахождения рабочей точки на графике характеристик и, соответственно, с различным КПД и характеристиками выходного сигнала.

Положение — рабочая точка — транзистор

Положение рабочей точки транзистора в отсутствие входного сигнала ( точки покоя) определяется в каждом конкретном случае по-разному. Если необходимо усиливать сигнал, который изменяется как в положительную, так и отрицательную сторону, целесообразно выбрать точку покоя посередине активной области ( точка Л), тогда возможно изменение выходного напряжения примерно от режима отсечки до режима насыщения. В реальных транзисторах искажения возникают при меньших амплитудах, что связано с неравномерностью расположения кривых на семействе ВАХ, но сейчас мы будем этим пренебрегать.

Положение рабочей точки транзистора определяется цепями смещения. При изменении температуры окружающей среды от 20 до 80 С ток / kQ большинства германиевых транзисторов увеличивается примерно в 30 — 100 раз.

Температурная нестабильность положения рабочих точек транзисторов Г7 — Tw не вызывает дрейфа выходного напряжения усилителя, так как из-за наличия разделительного конденсатора С5 транзисторы не связаны гальванически с выходными зажимами решающего усилителя.

Наиболее общим методом АРУ является управление положением рабочей точки транзистора. Усиление можно уменьшить, понижая эмит-терный ток или эмиттерное напряжение; последнее находит меньшее применение, однако при уменьшении усиления необходимо очень низкое коллекторное напряжение, в результате повышается коллекторная емкость и понижается частота отсечки. При изменении смещения рабочей точки входное и выходное полные сопротивления существенно изменяются; в то же время усиление по мощности при условии согласования по входу и выходу остается неизменным. Поэтому управление усилением достигается прежде всего за счет рассогласования. Каскады АРУ должны рассчитываться на оптимальную чувствительность для условия минимального сигнала АРУ, когда требуется максимальное усиление.

Схема двухкаскадного дифференциального усилителя.

Температурные изменения тока коллектора транзистора Гэ не влияют на положение рабочих точек транзисторов TI и Т2 благодаря стабилизации с помощью транзистора Ts. Изменение уровня Входного сигнала не оказывает влияния на регулировку компенсации, поскольку каскад на транзисторе Гд при фиксированной температуре является источником тока.

При разработке широкополосных импульсных усилителей, особенно мало-шумящих, необходимо оптимальным образом выбирать положение рабочей точки транзистора с учетом обеспечения минимума шумов и максимума коэффициента усиления.

Схема эмиттерной температурной стабилизации.

Делитель i — R2 служит для подачи на базу постоянного напряжения, обеспечивающего выбранное положение рабочей точки транзистора.

К элементам, предназначенным для создания режима каскада по постоянному току, относятся: делитель R, R2, определяющий напряжение смещения транзистора, и цепочка R3Ca, стабилизирующая положение рабочей точки транзистора.

Чтобы уменьшить зависимость коэффициента усиления от изменения напряжения источника питания, на базу транзистора с его коллектора через сопротивление R2t подается напряжение отрицательной обратной связи. Изменением величины этого сопротивления при регулировке усилителя выбирается положение рабочей точки транзистора. Применение отрицательной обратной связи по току способствует повышению температурной стабильности.

Методы задания рабочей точки.

Большая стабильность режима достигается при использовании отрицательной обратной связи. В схеме, изображенной на рис. 4, б, сопротивление, задающее ток в базовой цепи, связано с коллекторной нагрузкой, что стабилизирует положение рабочей точки транзистора.

Принцип их работы рассмотрим на примере однокаскадного транзисторного усилителя, схема которого приведена на рис. 53, а. Схема каскада состоит из транзистора Т, входного и выходного конденсаторов С1 и С2, резисторов Rl, R2, R3, обеспечивающих температурную стабилизацию положения рабочей точки транзистора, сопротивления коллекторной нагрузки RK и конденсатора СЗ, закорачивающего переменную составляющую тока в эмиттерной цепи. Входной управляющий сигнал подается через конденсатор С1 в базовую цепь усилительного каскада.

Активная нагрузка резонансного контура увеличивает полосу пропускания и одновременно снижает возможность самовозбуждения. Это достигается ценой уменьшения усиления, при этом исключается необходимость нейтрализации. Кроме того, активная нагрузка уменьшает изменения полосы пропускания, связанные с изменениями температуры и положения рабочей точки транзистора.

2.2.5 Порядок расчета цепи смещения

Расчет элементов цепи смещения на рис. 2.2.1 проводится в следующем порядке. Исходными данными для расчета являются положение рабочей точки  .

  1. Напряжение питания  выбирается из соотношения:

    .

    Окончательное значение  определяют, учитывая имеющиеся источники питания.

  2. Затем определяют напряжение на резисторе обратной связи
  3. Поскольку , сопротивление резистора  определим по формуле

    .

  4. Максимальный ток базы

    .

  5. Ток делителя напряжения  —  (полагаем, что база отключена от делителя)

    .

  6. Суммарное сопротивление делителя

    .

  7. Напряжение на резисторе  равно сумме напряжения на резисторе в цепи эмиттера и напряжения эмиттерного перехода:

    .

    Для кремниевых транзисторов напряжение  принимают равным 0.6 – 0.7 В.

  8. Сопротивления резисторов  и :

    ;  .

Изложенная процедура расчета является приближенной и базируется на трех ключевых моментах. Во-первых, напряжение питания в 3-5 раз превышает напряжение коллектор-эмиттер. Во-вторых, напряжение на резисторе в цепи эмиттера примерно равно напряжению коллектор-эмиттер. И, наконец, ток резистора  должен в 10-100 раз превышать ток базы. В дальнейшем номиналы элементов уточняются по результатам моделирования спроектированной цепи.

2.2.8 Рекомендуемая литература

  1. Гусев, В. Г. Электроника и микропроцессорная техника: учеб. для вузов / В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. – 3-е изд. перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 2004. – 790 с.
  2. Быстров, Ю. А. Электронные цепи и микросхемотехника: учеб. Ю. А. Быстров, И. Г. Мироненко. – М.: Высш. шк., 2002. – 384 с.: ил.
  3. Степаненко, И. П. Основы микроэлектроники: учеб. пособие для вузов / И.П. Степаненко. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2003. – 488 с.: ил.
  4. Хоровиц, П. Искусство схемотехники / П. Хоровиц, У. Хилл: пер. с англ. – 6-е изд. – М.: Мир, 2003. – 704 с., ил.
  5. Довгун, В. П. Электротехника и электроника: учеб. Пособие: в 2-х ч. Ч. 2 / В. П. Довгун. – Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. – 252 с.

Стабилизация положения рабочей точки

Основные свойства усилительного каскада
определяются положением начальной
рабочей точки, которое задаёт ток покоя
выходной цепи каскада. Поэтому при
изменении температуры
,
замене транзистора положение начальной
рабочей точки не должно изменяться.
Если же активным элементом является
биполярный транзистор, то изменение
температурыили замена активного элемента могут
повлиять на значение коэффициента
усиления и значение теплового обратного
тока. Для обеспечении стабильности
параметров усилительного каскада при
изменении температурыв режиме А используют схемы стабилизации
положения рабочих точек.

2.2.1 Цепи смещения биполярных транзисторов

Параметры биполярных транзисторов  зависят от многих факторов (температуры, напряжения питания и т. д.). Вследствие этого изменяется положение рабочей точки транзистора. Пассивная цепь, в которую включается транзистор, должна свести к минимуму влияние разброса параметров и обеспечить стабильное положение рабочей точки на участке передаточной характеристики, соответствующей режиму усиления.
Основное назначение резистивной цепи смещения – стабилизация тока эмиттера. Ее необходимо выбрать таким образом, чтобы минимизировать влияние  изменений коэффициента  усиления тока базы  на величину . В этом случае стабильным будет и ток коллектора, посколькуIк = (0.98–0.995)Iэ, а также напряжение .

Рассмотрим цепи смещения биполярных транзисторов, используемые на практике.

4.1. Эмиттерная стабилизация (для схемы с фиксированным напряжением)

Стабилизация осуществляется введением
в схему последовательной отрицательной
обратной связи (ООС) по постоянному
току. Для этого в схему усилительного
каскада (рис. 7) в цепь эмиттера добавлен
резистор RЭ
(рис. 8). Обратная связь представляет
собой процесс подачи выходного напряжения
усилительного каскада на его вход. Это
напряжение называют напряжением обратной
связи UОС.
При отрицательной обратной связи,
напряжение обратной связи UОС
подается на вход усилителя в
противофазе к входному сигналу.
Результирующий входной сигнал уменьшается,
что в свою очередь приводит к уменьшению
выходного сигнала. Это равносильно
уменьшению коэффициента усиления
каскада. Для оценки величины обратной
связи используется коэффициент обратной
связи β, который изменяется в пределах
от 0 до − 1. Знак минус означает отрицательную
обратную связь. Для положительной
обратной связи β лежит в пределах от 0
до +1. Коэффициент β показывает, какая
часть выходного напряжения подается с
выхода на вход усилителя и определяется
выражением β = UОС/UВЫХ.

В схеме эмиттерной стабилизации
напряжение ООС (UООС)
снимается с резистораRЭ.
Напряжение смещения, приложенное к
эмиттерному переходу транзистора VT1
определяется выражением,
где RЭIОЭ=UООС.
С увеличением окружающей температуры
изменится ток покоя коллектора (за счет
обратного тока в первую очередь), и,
следовательно, ток покоя эмиттераIОЭ.

Рис. 8

В этом случае рабочая точка на
характеристике должна подняться вверх,
но этого не происходит, т.к. с увеличением
IОЭ
увеличивается и падение напряжения
наRЭ(UООС),
следовательно, уменьшаетсяUБЭ,
что компенсирует рост тока через эмиттер,
т.е. начальная рабочая точка останется
на месте, происходит стабилизация
положения рабочей точки.

Для исключения влияния отрицательной
обратной связи по переменному току на
коэффициент усиления, параллельно
резистору RЭ
включен конденсатор СЭ,
который шунтирует точку эмиттера VT1.
КонденсаторCЭобеспечивает короткое замыкание
переменной составляющей напряжения
UЭ=UООCна общую шину. При отсутствии СЭ
переменная составляющая эмиттерного
токаiЭ,
определяемая входным
сигналом, создаёт на эмиттерном
резисторе падение напряженияUЭ=RЭ
iЭ,
что снижает результирующее входное
напряжение, которое определяется
выражениемUБЭ
=UВХ
−RЭ
iЭ.
Следовательно, уменьшается выходное
напряжение каскада и его коэффициент
усиления. Чтобы переменная составляющая
на всех частотах усиливаемого напряжения
не проходила через резистор, ёмкость
конденсатора СЭ
должна быть большой, при этом
ёмкостное сопротивление конденсатора
должно удовлетворять соотношению.

4.2. Коллекторная стабилизация (для
схемы с фиксированным током
)

В схеме усилительного каскада резистор
смещения RБотсоединяется от шины питания и
подключается непосредственно к коллектору
транзистораVT1 (рис. 9). Если по каким либо
причинам произойдет увеличение тока
коллектора, то рабочая точка на выходных
характеристиках должна перемещаться
по нагрузочной линии вверх. Это вызовет
возрастание падения напряжения на
резисторе RК,
что приведет к уменьшению напряжения
UКЭ и
соответственно к уменьшению UКБ.
Следовательно, уменьшится ток базы IОБ,
который определяется выражением:

IОБ=
.

А при уменьшении
тока базы рабочая точка не будет
перемещаться вверх, она останется на
своем прежнем месте. Т.е. происходит
стабилизация положения рабочей точки.
В схеме усилительного каскада (рис.
9) с помощью RБреализована параллельная отрицательная
обратная связь по постоянному току.
Часть выходного

Рис. 9

напряжения
через резистор смещения RБпоступает на вход каскада (базу
транзистораVT1) в противофазе с входным
напряжением сигнала. Такая стабилизация
рабочей точки получила название
коллекторной.

Действие ООС можно рассмотреть по
другому выражению, связывающему
постоянные составляющие токов IОКи IОБ..

Т.к. напряжение
UБЭ
мало, то можно допуститьRБ
IОБЕК −RК(IОБ+IОК),
откуда следует, что с повышением
температуры и, следовательно, с увеличением
тока коллектораIОК
уменьшается
произведениеRБIОБ,
т.е. уменьшается ток базыIОБ.
Исходя из соотношения IОК
≈ βIОБ,
где β коэффициент усиления транзистора
включенного по схеме ОЭ, следует, что
ток коллектораIОК
также будет уменьшаться. Рабочая
точка транзистора остается в расчетном
месте, т.е. происходит стабилизация
рабочей точки.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий