Работна точка на биполярния транзистор

Глава VI

Работна точка на биполярния транзистор
6.1. Постоянни промишлени съставки на токове и напрежения

В електрическите вериги действат постоянни и променливи напрежения Това е показано на фиг. 6.1а.

Фиг. 6.1

Когато през микрофона се издава звук съпротивлението на микрофона се изменя. Напрежението през резистора също се изменя. и през него протича и променлив ток. Кондензатора не пропуска правия ток а само променливия. Съпротивлението на кондензатора за променлив ток е:

Пример:

Да се намери съпротивлението на кондензатор С = 20 mF при честота f = 1000 Hz.

Ако честотата беше 10 кHz съпротивлението на кондензатора щеше да бъде 0.8W.

Токът който тече в електрическата верига може да е сложен, едновременно постоянен и променлив. Ако сложим кондензатор или дросел можем да разделим тези токове.

Фиг. 6.2
6.2. Посока на токовете и полярност на напреженията в електронните схеми

В тази книга за улеснение ще се използваме следните правила:

1. Както при схеми с двата типа транзистори напреженията ще измерваме спрямо общия проводник, който в повечето случаи е свързан с шасито и металните части на апаратурата;

2. За положителна посока на тока ще приемаме условно една предварително избрана посока. валидна както за входната, така и за изходната верига. Ако посоката на реалните токове съвпада с условно избраната - те са с положителна посока, ако не съвпада - те са с отрицателна посока.

Фиг. 6.3

На фиг. 6.3а е дадена верига, в която протича постоянен ток. Спрямо шасито точка а е с положителна полярност, а точка б с отрицателна. В резистор токът протича от точка с по-висок към точка с по-нисък потенциал

На фиг. 6.3 б е показана верига но тук токът протича противоположно. Спрямо шасито точка а е с отрицателен потенциал

На фиг. 6.3 г и д протича променливи ток. За простота е начертан само единия полупериод.

Фиг. 6.4

На фиг. 6.4 са показани последователно свързани източници на променлив и постоянен ток. Резултатния ток във веригата ту нараства ту намаля, но е винаги положителен.

6.3. Физически смисъл на понятието работна точка

Транзистора трябва да бъде поставен в подходящ постояннотоков режим на работа. Този ток се нарича още работна точка.

Фиг. 6.5

На фиг. 6.5 а е показана схема, при която на входа на транзистора действува определено синосиодално напрежение, подавано чрез трансформаторна връзка. Ще приемем, че когато базовия ток е нула, колекторния ток също е нула.

Когато на входа на NPN транзистор не действа синусоидално напрежение, транзисторът е запушен и очевидно в изхода няма сигнал. (фиг. 6.5 а и в). Във веригата база - емитер ще протече положителен ток, който ще създаде в колекторната верига b пъти по-голям колекторен ток с отрицателна посока. В резистора R ще се образува отрицателен пад на напрежение, много кратно по-голям от входното, което ще се подаде на кондензатора. Когато на входа действа отрицателна полувълна тя няма да създаде базов ток.

Фиг. 6.6

При PNP транзистора при липса на сигнал на входа транзистора също е запушен. Когато на входа се подаде отрицателна полувълна в базовата верига ще протече отрицателен базов ток, който ще създаде в колекторната верига b пъти по-голямо колекторен ток. Схемата на фиг. 6.5 се намира в усилвателен режим клас В.

За да бъде транзистора в усилвателен режим А ако във веригата на базата се подаде предварително входно напрежение например 0.3 - 0.7 V (фиг. 6.7). При липса на сигнал в колекторната верига ще протича ток на покой.

Фиг. 6.7

Схемата ОЕ дефазира сигнала на 1800

Фиг. 6.8

На фиг. 6.8 е показана схема на свързване ОБ в усилвателен режим клас А. Тази схема не дефазира сигнала

6.4. Избор на работна точка на транзистора

Фиг. 6.9

Големината на базовото преднапрежение в усилвателен режим при силициевите транзистори най-често е в границите от 0.4 до 0.8 V, а при германиевите 0.1 до 0.4 V. Точната стойност зависи от конкретната схема.

фиг. 6.10

Входно съпротивление по променлив ток.

Фиг. 6.11

Избора на работна точка силно влияе върху входното съпротивлението на танзистора по променлив ток. От входната характеристика можем да намерим съпротивлението по променлив ток, отнасящо се за дадена работна точка. Това съпротивление се нарича диференциално или динамично. При наличието на сигнал работната точка непрекъснато се движи между точки 1 и 2. Това означава, че входното съпротивление в точка 1 е различно от съпротивлението в точка 2.

Фиг. 6.12

При малък колекторен ток входното съпротивление на транзистора е по-голямо

Фиг. 6.13

Стръмност на транзистора.

Показва колко ще се промени изходният от спрямо входното напрежение с единица. Стръмността се участва при различни изчислително формули. Зависи от избраната работна точка. Вижда се на фиг. 6.14 а

Фиг. 6.14

Нелинейни изкривявания.

На фиг. 6.15а работната точка А е избрана твърде наляво, т.е. базовото преднапрежение е относително малко и базовия ток в покой е малък. При това положение входното съпротивление по променлив ток е значително, но стръмността е малко. Ако при тази работна точка се подават сигнали за усилване със значителна амплитуда, ще се появят големи нелинейни изкривявания.

Фиг. 6.15

На фиг. 6.15 б работната точка Б е избрана твърде надясно т.е. базовото напрежение е твърде голямо. В този случай входното съпротивление по променлив ток е малко, а стръмността е голяма. От същата фигура се вижда, че при тази работна точка не се получават нелинейни изкривявания. при сигнал с доста голяма амплитуда, но при слаби сигнали този режим е неикономичен.

6.5. Коефициент на температурна нестабилност

Температурата влияе почти върху всички параметри на биполярните транзистори. За практиката най-голямо значение имат следните три:

1. Температурните изменения на обратния колекторен ток DI_CBO = I_CBO(t)-I_CBO(25);

2. Температурното отместване на входната характеристика DU _BE = U_BE(t) - U_BE(25);

3. Температурното изменение на коефициента b, което може да се определи от Db = b(t) = b (25) = (b(25)Dt) / k, където константата k има стойност 50 при силициеви и 40 при германиеви транзистори.

При увеличаване на температурата, колекторния ток на покой нараства, а това води до нестабилност на работната точка.

Фиг. 6.16

Температурната стабилност на работната точка се характеризира с коефициента за температурна нестабилност SH;

където: DI_C - изменението на колекторния ток на покой при изменение на температурата;

R_E R_B - резултатните съпротивления, включени в емитерната и базовата верига в обобщената схема, дадена на фиг. 6.26 б.;

b - коефициент на усилване по ток на употребения транзистор.

При определяне температурната стабилност на различните транзисторни схеми е удобно да се използва следната формула:

6.6 Нестабилизирани схеми за осигуряване на работната точка.

Фиг. 6.17

Стойността на съпротивление R1 може а се определи по формулата:

За колекторния ток при покой можем да запишем:

Пример 6.2

Нека в схемата на фиг. 6.17 Е = 6V R₁ = 300kW. Да се намери колекторния ток на покой, ако първо се включи силициев транзстор с b = 100 и ICBO = 10 nA a след това силициев с b = 100 и ICBO = 100 mA

И в двата примерa през R1 ще протече базов ток:

който ще създаде управляем колекторен ток

При силициевия транзистор неуправляемия компонент ще бъде

и резултатния колекторен ток на покой ще бъде

Същата нестабилност има и схемата дадена на фиг. 6.18а

Фиг. 6.18

Смисъла на звездичката е, че R1 трябва да се подбере опитно.

Фиг. 6.19

Напрежението на транзистора е равно на пада на напрежение върху R2. т.е.

В случая на показан на фиг. 6.19 R2 не трябва да бъде много малко, тъй като това би довело до малко входно съпротивление по променлив ток на цялото стъпало. Обикновено токът през делителя се избира по:

Фиг. 6.20

Малкото число в скобите се избира, когато не се изисква голяма температурна стабилност (тогава делителят ще бъде по-високоомен и усилването ще бъде по-голямо).

За изчисляването на R1 R₂ се използва:

6.7. Стабилизирани схеми за осигуряване на работната точка.

Схема с паралелна ООВ (отрицателна обратна връзка).

Фиг. 6.21

Ако по някаква причина колекторния ток на покой се увеличи, падът на напрежение върху колектор RC ще нарасне Базовия ток ще намалее.

Ако за даден колекторен ток на покой е известен коефициентът b на транзистора, съпротивление на базовия транзистор може да се намери по:

При силициеви транзистори тази формула е точна, докато при германиевите дава малко отклонение.

Пример 6.3: Да се определи съпротивление на базовия транзистор за схема 6.21 ако Е = 4.5 V, RC = 2kW, I_Cn = 1mA, b = 50.

Предимството на тази схема е използването на един транзистор за осигуряване на преднапрежение. Освен това тука се получава и компенсация на разликите в параметрите на транзисторите. Недостатъка е намален коефициент на усилване.

Коефициентът на нестабилност е:

Пример 6.4: Да се определи коефициентът на нестабилност на схемата от фиг. 6.11:R1 = 125kW, RC = 2kW ,b = 50

Схема с последователна ООВ.

Фиг. 6.22

На схема 6.22 се осъществява с RE, а преднапрежението на базата се осигурява от R1 и R2. Преднапрежението на транзистора е разликата между падовете на напрежение върху R2 и RE, т.е.

За да се избегне ООВ на усилваните сигнали много често се прибягва до тази схема.

За изчисляване на елементите може да се използват следни формули:

Капцитетът на СЕ зависи от честотата на усилваните сигнали.

При използване на (6.14) преднапрежението UBE се вземе средно 0.6V за силициеви транзистори и 0.2V за германиеви.Когато е по-важна стабилността на схемата, а не нейната икономичност, токът през делителят може да се избере по-голям.

Пример 6.5: Да се изчислят стойностите на R1, R₂ , R_E за схемата от фиг. 6.22а ако транзисторът е силициев и има b = 80, R_C = 2 kW ; I_Cn = 1 mA, E = 45 V. Избираме UCE = 2V. Понеже транзисторът е силициев, UBE = 0.6V. След това заместваме в (6.14):

Схема с така изчислените елементи е показана на фиг. 6.23 а.

Пример 6.6: Да се намери коефициентът на температурна нестабилност на схемата от фиг. 6.23 а при данните от пример 6.5

За по-лесно използваме (6.13). Предварително изчисляваме величините

Получената стабилност не е много добра. Основната причина е сравнително малкото RE, а еквивалентното съпротивление в базата е голямо. Стойността на RE може да бъде увеличена до 1.5 кW ако се запази колекторния ток 1 mA, при това напрежението колектор-емитер ще намалее на 1 V, което е допустимо. Трябва да се заменят R1 и R2. Това е направено на фиг. 6.23б. Коефициента SH е 2.8.

Схема с комбинирана ООВ.

Фиг. 6.24

6.8 Осигуряване на работната точка при схема ОБ и ОК.

Схема Об.

Фиг. 6.25

На фиг. 6.25 е показана схема за осигуряване базов ток на покой IBn.Тънките линии показват емитерния ток на покой.

При оразмеряване на схемата от фиг. 6.25 може да се използва:

Където ¦_H е усилваната честота.

Схема ОК (емитерен повторител).

Има голямо входно и малко изходно съпротивление. Използва се за съгласуване между отделните стъпала.

Фиг. 6.26

За изчисляване на схемата може да се използва:

6.9. Компенсационни схеми за температурно стабилизиране на работната точка

Генератор на ток и генератор на напрежение.

Фиг. 6.27

Показан е на 6.27. В зависимост от отношението между стойностите на Ri и R тук са възможни два крайни случая

1. Ri >> R. Тук вътрешното съпротивление на генератора е много по-голямо от товарното съпротивление и при движение на плъзгача напрежението върху R се променя, но токът във веригата практически оставя същия, защото неговата стойност се определя от Ri, което е високоомно. В такъв случай е прието да се казва, че променливия резистор R се захранва от генератор на ток.

2. Ri << R. Тук вътрешното съпротивление на генератора е много по-малко от товара и при движение на плъзгача (фиг. 6.27б) токът във веригата се променя, защото неговата стойност зависи изключително от R. Обаче напрежението UR практически остава постоянно

Стабилизиране на работната точка с термистори.

Фиг. 6.28

На фиг. 6.26 са показани температурните характеристики на съветските термистори ММТ-1 и КМТ-4

Фиг. 6.29

Стабилизиране на работната точка с полупроводникови диоди.

Фиг. 6.30

На фиг. 6.30 е показана схема на температурна компенсация с полупроводников диод, включен в права посока спрямо захранването.. При увеличаване на температурата съпротивление на диода за постоянен ток намалява, поради което намалява напрежението UBE. По такъв начин се намазва базовия ток на покой.

Като недостатък на схемата може да се посочи малкото съпротивление на диода за променлив ток, което шунтира входа на транзистора.

Използването на диод за стабилизиране на работната точка се използва най-често в крайни стъпала клас АВ.

6.10. Други схеми за осигуряване на работната точка

Фиг. 6.31

На фиг. 6.31 са показани две схеми, в които необходимото базово преднапрежение се получава от емитера на съседния транзистор. При протичане на колекторен ток в емитерния резистор се създава пад на напрежение, т.е. плюсът е към емитера. Усилвания сигнал не изменя пада върху емитерния резистор.

Предимствата на тези схеми е намалената консумация на постоянен ток.

Глава VII

Малосигнални параметри на танзистора и еквивалентни схеми при ниски честоти
7.1. Малосигнални параметри
Фиг. 7.1

Това са величини, които характеризиран свойствата на транзистора придадена работна точка, т.е. при осигурен постояннотоков режим.

Всички малосигнални параметри се отнасят само за променливите съставки

7.2. Физически параметри на биполярни транзистори

Съпротивление на базата rb (или rbb).

Представлява омическото съпротивление на базата и се обуславя от материала и размерите и. Може да се намери по:

където rB - специфичното съпротивление на полупроводника (50 - 500W);

w - широчината на базата.

Втората съставка rb'' се нарича дифузно съпротивление. Намира се по:

където re - диференциалното съпротивление на емитерния преход (100 - 1500W)

Фиг. 7.2