Главная страница Случайная страница Разделы сайта АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Тема 11. Цепи питания транзисторов в режиме покоя
Существуют различные способы задания режима работы по постоянному току. Схема с фиксированным током базы. Режим по постоянному току задается с помощью резисторов RБ, RК и источника питания UИП (рис. 11.1).
Рис.11.1. Схему можно описать системой уравнений для токов и напряжений во входной и выходной цепи: , ( 11.1) . ( 11.2) где UБЭ» (0, 6¼ 0, 7) В (напряжение на открытом эмиттерном переходе кремниевого БТ), т.е. UБЭ < < UИП, поэтому ток в цепи базы IБ» UИП/RБ не зависит от параметров транзистора, а определяется параметрами входной цепи. Для полного описания схемы необходимо добавить уравнение связи между токами IК и IБ. IК = h21Э IБ + IКБО; (11. 3) Изменяя внешние элементы схемы (RБ и RК) можно задавать токи покоя базы IБ и коллектора IК. Принимая в качестве исходных данных паарметры транзистора и рекомендованный в справочнике режим работы (IК, UК), можно рассчитать величину сопротивлений RБ и RК. Недостатком рассмотренного способа задания рабочей точки является сильное влияние изменения температуры, параметров транзистора, напряжения питания на положение рабочей точки. При увеличении температуры растет величина h21Э, что приводит к увеличению IК, и точка покоя смещается в сторону режима насыщения. Использование в этой схеме транзисторов с параметрами, отличными от принятых при расчете, также приводит к сильному изменению положения рабочей точки. Для температурной стабилизации рабочей точки транзисторов усилительных каскадов используется отрицательная обратная связь по постоянному току или напряжению. Схема с коллекторной стабилизацией. На рис. 11.2. представлена схема с коллекторной стабилизацией, в которой резистор RБ подключается к коллектору транзистора с напряжением UКЭ, тогда ( 11.4)
Рис 11.2.. Схема усилителя с коллекторной с табилизацией
При повышении температуры коллекторный ток увеличивается, следовательно, коллекторное напряжение UКЭ уменьшается, а значит, уменьшается ток базы IБ, что приводит к уменьшению коллекторного тока IК. Эти два фактора частично компенсируют друг друга, поэтому рабочая точка стремится вернуться в исходное положение. Схема с эмиттерной стабилизацией. Наиболее эффективной является схема с эмиттерной стабилизацией рабочей точки (рис. 11.3.). В этой схеме повышение температуры за счет температурных свойств транзистора приводит к увеличению тока IК, что вызывает уменьшение напряжения на коллекторе UК и увеличение эмиттерного тока IЭ = IК + IБ. В результате увеличивается падение напряжения на резисторе RЭ. Поскольку потенциал базы транзистора зафиксирован делителем напряжения R1, R2, то напряжение между базой и эмиттером UБЭ уменьшается, ( 11.5)
Рис 11.4. Схема усилителя с эмиттерной стабилизацией режима работы БТ
что приведет к уменьшению тока базы IБ, а значит и коллекторного тока IК. Происходит частичная взаимная компенсация этих двух факторов, влияющих на рабочую точку транзистора, поэтому ее положение практически не изменяется. Наличие резистора RЭ – резистора обратной связи – при отсутствии конденсатора CЭ не только стабилизирует рабочую точку, но и изменяет работу каскада по переменному току. Для схемы изменяющийся входной сигнал также является дестабилизирующим фактором. Переменная составляющая эмиттерного тока с амплитудой создает на резисторе RЭ падение напряжения, которое уменьшает амплитуду переменной составляющей напряжения.Для устранении этого нежелательного эффекта параллельно RЭ включают СЭ. Емкостное сопротивление много меньше RЭ в рабочем диапазоне частот, поэтому образования отрицательной обратно связи для переменного сигнала не происходит и полностью реализуются усилительные свойства транзистора. Для схемы с фиксированным током базы, в которой ток базы зависит только от и , на рис.11.6 показаны графические построения на семействах входных и выходных характеристик БТ с ОЭ, которые поясняют процесс усиления электрического сигнала с помощью БТ. Положение рабочей точки А на семействе выходных характеристик (рис. 11.6, а) определяется точкой пересечения выходной характеристики, соответствующей току базы , и нагрузочной прямой по постоянному току, график которой в системе координат описывается уравнением , (11.6) полученным из (6.2). Нагрузочная прямая по постоянному току строится по точкам пересечения с осями координат: при , ; при , . Рис.11.6
Таким образом, нагрузочная прямая – геометрическое место рабочих точек активного элемента при конкретных значениях напряжения источника питания и сопротивления резистора . Тангенс угла наклона ее к оси абсцисс обратно пропорционален сопротивлению резистора : . Положение рабочей точки А на семействе входных характеристик (рис. 6.2, б) определяется постоянным током базы и напряжением .
При действии на входе усилителя переменного напряжения, изменяющегося по гармоническому закону с малой амплитудой и низкой частотой f: , (11.7) ток базы будет также изменяться по гармоническому закону. Причем мгновенные значения тока базы будут соответствовать точкам, лежащим на отрезке ВС одной и той же входной характеристики. Это обусловлено тем, что в активном режиме положение входных характеристик слабо зависит от напряжения . Изменение базового тока БТ приводит к изменению тока коллектора, а значит, согласно (6.2) — к изменению напряжения . При отсутствии резистора () мгновенные значения и будут соответствовать точкам отрезка ВС нагрузочной прямой по постоянному току. Крайние точки отрезка определяются пересечением с выходными характеристиками, соответствующими токам базы ; , где — амплитуда тока базы. Чтобы не происходило искажения формы сигнала, отрезок ВС должен соответствовать активному режиму работы БТ. Входное и выходное напряжения усилителя изменяются в противофазе. Увеличению входного напряжения соответствует уменьшение выходного и наоборот. Усилительный каскад на БТ с ОЭ изменяет фазу входного сигнала на . Для получения максимального значения амплитуды выходного неискаженного сигнала рекомендуется задавать напряжение коллектор-эмиттер в точке покоя равным половине напряжения питания . В этом случае практически будет равно половине напряжения питания . Если к выходу усилителя подключена нагрузка с конечным значением сопротивления , то мгновенные значения коллекторного тока и напряжения будут соответствовать точкам отрезка В'С', лежащего на нагрузочной прямой по переменному току (см. рис. 6.2, а), которая проводится через рабочую точку А. Тангенс угла наклона ее к оси абсцисс обратно пропорционален сопротивлению параллельно включенных резисторов и : , где , поскольку для переменного тока эти резисторы включены параллельно. График нагрузочной прямой по переменному току описывается выражением (11.8) и может быть построен по точкам пересечения с осями координат: при , ; при , . Таким образом, при подключении нагрузки уменьшается максимальное значение амплитуды выходного напряжения за счет уменьшения верхней полуволны (см. рис. 6.2, а). Амплитуда выходного напряжения связана с амплитудой коллекторного тока соотношением . (11.9) Поскольку обычно выполняется неравенство , то для амплитуды входного напряжения можно записать . (11.10) Тогда коэффициент усиления по напряжению определяется выражением . (11.11) Поскольку мощность, потребляемую базовой цепью транзистора, можно представить выражением , (11.12) а мощность, отдаваемую в нагрузку, выражением , (11.13) то коэффициент усиления по мощности можно представить в виде . (11.14) Таким образом, входной сигнал малой мощности управляет выходным сопротивлением БТ, за счет чего происходит преобразование энергии источника питания в выходной переменный сигнал большой мощности . При расчете усилителя необходимо помнить, что углы наклона нагрузочных прямых по постоянному и переменному току не должны отличаться более чем на 20 %, иначе сильно уменьшится максимальное значение амплитуды выходного сигнала, что резко снизит коэффициент полезного действия (КПД) усилителя: , где . (11.15) Поэтому соотношение между сопротивлением нагрузки и сопротивлением резистора рекомендуется выбирать согласно выражению . (11.16) В этом случае амплитуда коллекторного тока будет составлять . (11.17) Обычно исходными данными при расчете усилителя является выходная мощность и сопротивление нагрузки , тогда амплитуда тока в нагрузке определяется выражением . (11.18) Зная ее, можно определить требуемый режим покоя БТ и его максимально допустимые параметры: амплитуду коллекторного тока согласно (6.17); постоянный ток коллектора ; допустимый ток коллектора ; амплитуду выходного напряжения (коллектор — эмиттер) постоянную составляющую напряжения коллектор — эмиттер ; напряжение источника питания ; допустимое напряжение коллектор — эмиттер . Транзистор выбирают из выполнения условий, что рассчитанные допустимые значения напряжения и не превышают соответствующих максимально допустимых параметров: , . При выборе режима покоя, расчете амплитудных значений коллекторного тока и выходного напряжения необходимо учитывать их возможное изменение при работе усилителя в широком диапазоне температур, что обусловлено влиянием изменения температуры на параметры БТ и в конечном итоге — на его ВАХ.
|