Лабораторная работа №1

Расчет режима транзисторного каскада по постоянному току

1. Способы подачи смещения на транзисторный каскад.

Для обеспечения рабочего режима биполярного транзистора необходимо подать напряжение смещения между базой и эмиттером, которое составляет 0,2-0,3 В для германиевых и 0,4-0,6 В для кремниевых транзисторов. Существует два способа подачи смещения от общего источника питания: а) смещение фиксированным током базы (рис.1а), б) смещение фиксированным напряжением база-эмиттер(рис.1б).

а	б

Рис.1. Способы подачи смещения для биполярного транзистора.

Для рис.1а необходимое значение резистора вычисляется следующим образом:

R_б = (E_к - U_бэп)/I_бп  E_к/I_бп (1)

где E_к - напряжение источника питания, U _бэп - напряжние база-эмиттер в точке покоя, I_бп - ток базы покоя.

Коллекторный ток покоя равен:

I_кп =  I_бп + (1 + ) I _кбо, (2)

где - коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ,

I_кбо - обратный ток коллектора в схеме с ОБ.

Здесь считаем, что - и I_кбо зависят от температуры.

Переходя к пpиpащениям для термозависимых параметров получим:

I_к = I _кбо + I_бп+ I _кбо (3)

Упростим это выражение:

I_к = I_кп / + I_кбо, (4)

где I _кп - ток покоя транзистора при заданном токе базы.

Известно, что I _кбо в сильной степени зависит от температуры:

I_кбо = I_{кбо нач} е^t/10, (5)

здесь I_{кбо нач} - начальное значение обратного тока коллектора,

t - изменение температуры.

При колебаниях температуры изменения тока коллектоpа могут быть значительными, что может привести к смещению рабочей точки.

При другом способе подачи начального смещения на транзистор применяется резисторный делитель напряжения (рис.1а), так называемый способ подачи смещения с помощью делителя.

Напряжение смещения на базе транзистора равно:

U_см = Е_кR_б2 / (R_б1 + R_б2) (6)

Необходимое смещение U_см равно напряжению U_бэп в точке покоя транзистора.

Приведенные выше способы подачи смещения на транзистор не устраняют температурную зависимость тока коллектора в точке покоя. Под воздействием изменения температуры будет изменяться неуправляемая часть коллекторного тока I_кбо (обратный ток коллектора), что приведет к изменению тока покоя транзистора, а значит к смещению рабочей точки. Величина изменения результирующего тока коллектора зависит от способа подачи смещения на транзистор.

Температурную зависимость режима транзистора по постоянному току принято оценивать коэффициентом температурной нестабильности:

S = I_кп/ I_кбо, (7)

где I_кбо – изменение обратного тока коллектора при изменении температуры транзистора,

I_кп- изменение тока покоя коллектора транзистора за счет I_к.

Чем меньше коэффициент нестабильности каскада, тем меньше влияние изменения I_кбо на величину коллекторного тока.

Оценим коэффициент температурной нестабильности для каскада с фиксированным током базы (рис.1а). Обратный ток коллектора I_кбо, протекающий через транзистор втекает и в базу транзистора, т.е. является температурнозависимой частью тока базы. Кроме этого тока протекает ток покоя базы I_бп, определяемый резистором R_б. Поэтому с учетом этих двух составляющих тока базы ток коллектора запишется в следующем виде:

I_кп = I_кбо(1+) + I_бп (8)

В этом выражении принято различать неуправляемую составляющую тока коллектора I_кбо(1+), которая зависит только от температуры и управляемую часть тока коллектора, которая зависит от втекающего(вытекающего) в транзистор тока базы покоя. Считая I_бп=соnst, получим:

I_кп = I _кбо(1 + ) (9)

Отсюда:

S = I_кп/I_кбо = 1 + (10)

т.е. коэффициент нестабильности каскада велик (порядка 50-200). Это означает, что в данной схеме изменение I_кбо за счет температуры входят в ток покоя транзистора увеличенными в 50-200 раз. Например, если увеличение обратного тока коллектора составляет 10 мкА при изменении температуры на 1С⁰, то при увеличении температуры на 20С⁰, неуправляемая часть коллекторного тока составит порядка 2-8 мА. Это приведет к тому, что рабочая точка транзистора сместится, причем весьма существенно.

2. Температурная стабилизация в схеме с фиксированным током базы.

В случае, когда не требуется очень высокая температурная стабильность рабочей точки, можно воспользоваться следующей схемой стабилизации рабочего режима:

Рис. 2. Температурная стабилизация при смещении фиксированным током базы

Здесь стабилизация осуществляется за счет отрицательной обратной связи (ООС) по напряжению. Пусть под действием дестабилизирующего фактора ток покоя коллектора увеличился, как следствие этого возрастает ток коллектора (I_кп=ΔI_кбо(1+) + I_бп) и уменьшается напряжение коллектор-эмиттер (U_кэп=Е_к – I_кпR_к) что приводит к снижению тока базы I_б=(U_кэп- U_бэп)/R_б, а с уменьшением тока базы падает и ток коллектора I_к= I_б. Таким образом, увеличение неуправляемой части коллекторного ((+1)I_кбо) компенсируется уменьшением управляемой части тока коллектора – рабочая точка транзистора на выходной характеристике не меняется.

Значение резистора R_б можно определить как:

R_б = (E_к-I_кпR_к)/R_б (11)

Коллекторный ток покоя равен:

I_кп = ((E_к-I_кпR_к)/R_б) + ( +1)I _кбо (12)

или

I_кп(R_б+R_к) = E_к /R_б - I_бR_к /R_б + +1)I _кбо /R_б (13)

Переходя к приращениям за счет изменения температуры, получим:

I_кп = R_б( +1)I _кбо /(R_б+R_к) (14)

Тогда:

S = I_к/I _кбо =R_б( +1)/(R_б+R_к) =

= ( +1)/(1+R_к /R_б)   /(1+R_к /R_б)  R_б/R_к (15)

3. Температурная стабилизация в схеме с фиксированным напряжением база-эмиттер.

Для улучшения температурной стабилизации тока покоя транзистора используется схема, приведенная на рис.3.

Рис. 3. Температурная стабилизация при подаче смещения с помощью делителя.

Стабилизация коллекторного тока в этой схеме осуществляется следующим образом. Если под действием какого-либо дестабилизирующего фактора увеличится ток коллектора, то он вызывает рост эммитерного тока, что приведет к увеличению падения напряжения на резисторе R_э. Это напряжение вызывает уменьшение напряжения U_бэ, что ведет к уменьшению тока базы, а значит управляемой части тока коллектора. Таким способом и осуществляется поддержание коллекторного тока на одном уровне.

Коэффициент нестабильности для данной схемы можно оценить следующим образом:

S R_б/R_э, (16)

где R_б – параллельное соединение резисторов R_б1 , R _б2.

4. Расчет режима транзистора в схеме с ОЭ по постоянному току с фиксированным напряжением база-эмиттер и температурной стабилизацией.

Рис.4. Входная (а), выходная (б) характеристики биполярного транзистора.

Порядок расчета режима транзистора по его рабочей точке.

1. По выходным характеристикам, предложенного преподавателем транзистора (рис.4б), определите положение рабочей точки А. Координаты точки А должны удовлетворят следующим условиям: U_кп Е_к/2 и I_кп  I_кмах/2.

2. Через рабочую точку А и точку Е_к=12 В на ВАХ транзистора проведите нагрузочную прямую (рис.4б).

3. Задавшись напряжением на эмиттерном резисторе U_Rэ=(0,1-0,3)E_кэ можно определить R_э.

4. Задавшись током делителя I_д=(5-10)I_б, можно определить цепи смещения транзистора по следующим очевидным соотношениям:

U_Rб2=U_бэ+U_Rэ, U_Rб1=E_к- U_Rб2, R_б2= U_Rб2/ I_д , R_б1= (E_к-U_Rб1)/(I_д+I_Б)

Ток базы определяется положением рабочей точки А на выходной характеристике транзистора (рис.4а).

Сопротивление R_б1 определяется по формуле:

+R_б2.

5. Используя формулу (6) можно оценить коэффициент температурной нестабильности S, который должен находиться в пределах 4-8. Если значение S не удовлетворяет данным значениям необходимо пересчитать цепь смещения рабочего режима транзистора при других значениях R_э и тока делителя

6. Определив максимальный ток, отсекаемый нагрузочной прямой I_max = E_к/(R_к+R_э), найдите значения резистора R_к

Задания к работе:

1. По вольтамперным характеристикам транзистора рассчитать его режим по постоянному току с фиксированным смещением на базу с температурной стабилизацией (рис.3).

2. Собрать схему на макетной плате, определить с помощью вольтметра, полученный режим транзистора по постоянному току и сравнить с расчетами.

3. В случае необходимости подбором резисторов R_б1 и R_б2 добиться желаемого режима транзистора.

Контрольные вопросы:

1. Какие существуют способы подачи смещения на биполярный транзистор?

2. Объясните возникновение температурной нестабильности режима транзисторного каскада и способы его уменьшения.

3. Как происходит температурная стабилизация в при подаче смещения фиксированным током базы и с помощью делителя напряжения?

4. Из каких соображений выбирается рабочая точка транзистора?

5. Как изменить положение рабочей точки транзистора?