Выбор и установка рабочей точки транзистора

⇐ ПредыдущаяСтр 9 из 24Следующая ⇒

При расчетах электронных устройств возникает необходимость правильно выбрать рабочую точку транзистора в режиме покоя, когда входной сигнал отсутствует.

Рассмотрим выбор точки покоя усилительного каскада на транзисторе, включенном по схеме с ОЭ. Выбор точки покоя сводится к выбору тока коллектора Iкп и напряжения U_КЭп в режиме покоя. На семействах выходных и входных характеристик, показанных на рис. 4.16, эти точки обозначены буквой П. Через эту точку на выходных характеристиках проходят линии нагрузки: статическая (по постоянному току) и динамическая (по переменному току). Входная нагрузочная характеристика по постоянному и переменному току практически совпадает со статической входной характеристикой при U_КЭ < U_КБнас ≈ - 0, 5В для транзисторов p-n-p типа, где U_КЭ > U_КБ нас - напряжения насыщения транзистора. В справочниках обычно приводится входная характеристика при U_КЭ = 5В.

Рис. 4.16. Определение режима покоя усилителя на транзисторе с ОЭ (рисунок выполнен авторами)

В усилителях напряжения точка покоя выбирается исходя из заданных значений амплитуды напряжения на коллекторе U_Кm и связанной с ней амплитудой тока коллектора I_km = U_km/R_H, где R_H - сопротивление нагрузки переменному току. Чтобы исключить возможность попадания рабочей точки в область насыщения и область отсечки (из-за чего появляются значительные нелинейные искажения выходного сигнала), координаты точки покоя должны удовлетворять следующим условиям:

|U_КЭП| ≥ U_km + U_КЭмин,

I_КП ≥ I_км / k_з,

где U_КЭ мин - напряжение на коллекторе, соответствующее началу прямолинейного участка выходных статических характеристик (рис.4.16, а); k_З - коэффициент запаса.

Для транзисторов малой мощности рекомендуется брать U_КЭмин = 1В, а для мощных транзисторов U_КЭмин = 2В. Коэффициент запаса k не должен превышать 0, 7-0, 95, так как иначе могут возникнуть значительные нелинейные искажения. В случае же выбора k_З < 0, 7 ухудшается КПД каскада.

Кроме того, положение точки покоя должно удовлетворять условиям:

|U_КЭП|+ U_km < |U_КЭмакс| и |U_КЭП| I_КП < |P_Кмакс|,

то есть точка покоя должна, лежать левее вертикали UКЭ макс и ниже гиперболы Р_Кмакс, где U_КЭ макс и Р_Кмакс - максимально допустимые напряжения и мощность.

В случае малого сигнала, когда выбор точки покоя не критичен, следует учитывать зависимость параметров транзистора от режима, то есть задаваться таким током I_КП и напряжением U_КЭП при которых коэффициент передачи тока h_21э, а также предельная частота f_h21э имеют максимальные значения.

При малых токах коллектора (менее 0, 6 - 0, 8 мА) проходная характеристика транзистора становится существенно нелинейной и возникают нелинейные искажения. Поэтому желательно, чтобы мгновенные значения тока коллектора не были меньше I_Кмин = 0, 6 - 0, 8мА. В этом случае ток I_КП следует определять по формуле

I_КП ≥ I_km + I_Кмин.

В усилителях мощности напряжение на коллекторе выбирается согласно условию:

|U_кэп|= (|U_{КЭ макс} |- |U_{КЭ мин}|)/2 + |U_{КЭ мин}|= U_{КЭ макс} + U_{КЭ мин}

Ток покоя I_КП в усилителе мощности, в режиме А, должен удовлетворять условию:

I_кп = P_к/|U_КЭП|,

при выполнении которого рассеиваемая на коллекторе мощность не превышает заданного значения Рк.

После определения значений тока I_кп и напряжения U_КЭП на семействе выходных характеристик отмечают точку покоя П (рис.4.16, а), по которой находят ток базы в режиме покоя I_бп. Если точка П не совпадает с приведенной на графике выходной характеристикой, применяют метод интерполяции, используя две ближайшие к точке П характеристики. Токи I_КП и I_БП в сумме составляют ток эмиттера I_эп = I_кп + I_бп. Т.к обычно I_кп > > I_БП, то I_ЭП ≈ I_кп.

На выходной характеристике точку П отмечают в соответствии с найденным значением тока I_БП и определяют напряжение U_КЭП (рис.4.16, б).

Требуемые значения токов I_кп, I_БП, напряжений U_КЭП, U_БЭП обеспечивают с помощью источников питания и резисторов, создавая соответствующее смещение на базе транзистора (Петрович В. П., 2008).

Влияние температуры на работу биполярного транзистора. Термокомпенсация

Одной особенностью транзисторов, которую следует учитывать при проектировании схем, является зависимость параметров транзистора от температуры. Определяющее влияние на параметры транзистора имеет температура перехода, включенного в обратном направлении. Повышение нагрева перехода связано как с температурой окружающей среды, так и с мощностью рассеивания на переходе и с условиями отвода тепла от него. В зависимости от типа транзистора и от материала, из которого он изготовлен, можно указать предельную температуру, при которой транзистор теряет работоспособность.

Влияние температуры

Влияние температуры на работу биполярного транзистора обусловлено тремя физическими факторами: уменьшением потенциальных барьеров в переходах, увеличением тепловых токов переходов и увеличением коэффициентов передачи токов с ростом температуры. Уменьшение потенциального барьера φ _К с ростом температуры приводит к усилению инжекции, в результате чего увеличивается входной ток транзистора. На рис. 4.17 приведены входные характеристики транзистора в схеме с общей базой, полученные при различных температурах (входные характеристики в схеме ОЭ при различных температурах выглядят аналогично и отличаются лишь масштабом по оси токов так как i_К > > i_Б). Как видно из рисунка 4.17, увеличение входного тока с ростом температуры эквивалентно смещению характеристики в сторону меньших входных напряжений. Это смещение описывается температурным коэффициентом напряжения

ε = Δ u/Δ t,

который составляет для кремниевых транзисторов ε = - 3 мВ/град.

Рис.4.17. Влияние изменения температуры на входные характеристики транзистора (рисунок выполнен авторами)

Увеличение тепловых токов переходов с ростом температуры описывается приводимыми в справочниках температурными зависимостями токов I_КБ0, I_ЭБ0. Типовые зависимости токов I_КБ0 и I_ЭБ0 от температуры приведены на рис. 4.18.

Рис.4.18. Типовые зависимости токов I_КБ0 и I_ЭБ0 от температуры для кремниевого маломощного транзистора (рисунок выполнен авторами)

Рис.4.19. Типичные температурные зависимости α и β (рисунок выполнен авторами)

Использование логарифмического масштаба по оси ординат позволило представить экспоненциальную зависимость токов от температуры в линейном виде. Как видно из рисунка 4.18, в рабочем интервале температур транзистора (-60 °С...+ 80 º C) токи I_КБ0 и I_ЭБ0 могут изменяться на 1...2 порядка. Отмеченный рост тепловых токов заметно сказывается на выходных характеристиках лишь германиевых транзисторов, что связано с относительно большой величиной самих тепловых токов. В кремниевых транзисторах тепловые токи очень малы, поэтому их изменение с температурой не оказывает заметного влияния на характеристики. На рис. 4.19 приведены типичные температурные зависимости коэффициентов α и β , нормированных к значениям, полученным при комнатной температуре ( t = 20 º C). Из рисунка видно, что если изменение α с температурой выражено очень слабо (в рабочем интервале температур оно не превышает нескольких процентов), то изменение β может достигать нескольких сотен процентов.

Рис.4.20. Выходные характеристики транзистора при разных температурах: а - схема ОБ; б - схема ОЭ (рисунок выполнен авторами)

Сказанное выше иллюстрируют приведенные на рис. 4.20 выходные характеристики транзистора в схемах ОБ и ОЭ, полученные при различных температурах. Как видно из рисунка, увеличение температуры приводит к смещению (дрейфу) характеристик в сторону более высоких токов коллектора. При этом в схеме ОБ при фиксированном токе эмиттера Δ i_К= Δ α ·i_Э температурный дрейф характеристик выражен довольно слабо, что объясняется слабой температурной зависимостью коэффициента передачи тока эмиттера α (см. рис 4.19). У характеристик для схемы ОЭ, снимаемых при i_Б =const, в связи с сильной температурной зависимостью коэффициента передачи тока базы β температурный дрейф очень велик - изменение тока коллектора Δ i_К= Δ β i_Б может достигать несколько десятков и даже сотен процентов. Температурная нестабильность характеристик транзистора в схеме ОЭ требует специальных мер по стабилизации рабочей точки. Рассмотрим поподробнее, какими способами это осуществляется (Бочаров Е.И., 2010).

Основные схемы смещения

Для правильной работы транзистора на переход Б-Э должно быть подано смещение в прямом направлении, а на переход Б-К - в обратном направлении. В реальных схемах оба этих напряжения смещения могут быть обеспечены с помощью одного источника тока. Т.к. наиболее часто применяются схемы с общим эмиттером, то будем рассматривать их. Для схем с ОБ и ОК применимы те же принципы.

На рис.4.21 представлена схема усилителя с ОЭ и одним источником питания

Рис.4.21. Схема усилителя с ОЭ и одним источником питания (рисунок выполнен авторами)

Один источник обеспечивает подачу правильного напряжения смещения для переходов Б-Э и Б-К. Резистор R_Б управляет величиной тока базы. Ток базы, текущий через R_Б, создает на нем падение напряжения, составляющего большую часть напряжения источника питания. Меньшая часть этого напряжения падает на переходе Б-Э, обеспечивая правильное прямое смещение. Таким образом, мы видим, что одним источником питания обеспечивается необходимые напряжения прямого (Б-Э) и обратного (К-Б) смещения.

Входной сигнал подключается между базой и эмиттером (или между выводом входа и землей) значение входного сигнала либо складывается с напряжением смещения либо вычитается из него. Это служит причиной изменения коллекторного тока, а значит и изменение падения напряжения на RК. Выходной сигнал снимается между выходом коллектора и землей.

Схема смещения, изображенная на рис.4.21, называется схемой смещения с фиксированным током базы. Еще одна простая схема смещения приведена рис 4.22.

Рис.4.22. Схема смещения с делителем напряжения в цепи базы (рисунок выполнен авторами)

В таком виде эти схемы применяются редко, т.к. не позволяют уменьшить влияние изменения обратного тока коллектора, связанного с изменением температуры, на ток коллектора транзистора I_K, а также влияния технологического разброса коэффициента усиления транзистора на коэффициент усиления усилителя. То есть при использовании этих схем появляется температурная нестабильность. Поэтому для уменьшения влияния этих факторов в схеме транзисторного усилителя используют отрицательную обратную связь (Бочаров Е.И., 2010).

⇐ Предыдущая 4 5 6 7 8910 11 12 13 Следующая ⇒