![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
- •4. Литература
- •15. Разевиг, в.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesignLab 8.0 / в.Д. Разевиг. – м.: Солон–р, 2000. – 706 с.
- •Теоретический раздел Лекции
- •Тема1. Определение и классификация электронных приборов
- •Тема 2. Физические явления полупроводниковой электроники
- •2.1.3. Температурные свойства p-n-перехода
- •2.1.4. Частотные и импульсные свойства p-n-перехода
- •2.1.5. Переход металлполупроводник
- •Тема 3 Полупроводниковые диоды
- •Тема 4. Биполярные транзисторы
- •2.3. Системы параметров z,y,h.
- •В системе z–параметров напряжения на входе и выходе четырехполюсника зависят от токов ;
- •В этом случае сами параметры можно записать как:
- •3. Работа биполярного транзистора с нагрузкой
- •Тема 5. Полевые транзисторы
- •5. 1 Инженерные модели полевых транзисторов
- •5.1.1. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом
- •3.2.2. Полевой моп-транзистор с изолированным затвором
- •Тема 6. Переключающие приборы
- •6.2. Триодные тиристоры
- •6.3. Симметричные тиристоры (симисторы)
- •Тема 7. Элементы интегральных микросхем
- •7.1. Пассивные элементы интегральных микросхем
- •Тема 8. Компоненты оптоэлектроники
- •8.2. Характеристики светодиодов
- •8.3. Основные параметры светодиодов
- •8.4. Полупроводниковые приемники излучения
- •8.5. Фоторезисторы
- •8.6. Характеристики фоторезистора
- •5.7. Параметры фоторезистора
- •5.8. Фотодиоды
- •5.9. Характеристики и параметры фотодиода
- •5.10. Фотоэлементы
- •5.11. Фототранзисторы
- •5.12. Основные характеристики и параметры фототранзисторов
- •5.13. Фототиристоры
- •5.14. Оптопары
- •Тема 10 аналоговые устройства
- •Тема 11. Цепи питания транзисторов в режиме покоя
- •Тема12 . Усилительные каскады
- •12.1. Усилительный каскад с общим эмиттером
- •12.2. Усилительный каскад по схеме с общей базой
- •12.3 . Усилительный каскад с общим коллектором
- •12.4. Усилительные каскады на полевых транзисторах
- •12.5. Усилители большой мощности
- •Тема 13. Обратные связи в усилителях и генераторах
- •Тема 14. Усилители постоянного тока
- •14.1. Дифференциальные усилители
- •Тема 15.Операционные усилители
- •15.3. Неинвертирующий усилитель на оу
- •3.4.5. Параметры операционных усилителей
- •Тема 16. Электронные ключи
- •16.1. Электронный ключ на биполярном транзисторе
- •16.3. Быстродействующие ключи на биполярном транзисторе
- •16.4. Ключи на полевых транзисторах
- •Тема 17 цифровые логические устройства
- •Тема 18. Триггеры
- •Тема19. Мультивибраторы
- •8.5.1. Симметричный транзисторный мультивибратор
- •Тема 20. Анализ электронных схем на эвм
- •20.1. Математические модели полупроводниковых диодов
- •20.2. Нелинейная модель полупроводникового диода
- •1.3. Алгоритм определения параметров нелинейной модели диода
- •20.3. Математические модели биполярных транзисторов
- •3.2. Модель Эберса – Молла
- •3.3. Малосигнальная физическая т-образная эквивалентная схема
- •3.5. Модель Гуммеля – Пуна
- •3.6. Частотные свойства бт
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 (0,60,7) 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 напряженияR1,
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 резистореRЭ
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
,
инагрузочной
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 частотойf:
,
(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 нанагрузочной
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.