Что такое рабочая точка транзистора
Перейти к содержимому

Что такое рабочая точка транзистора

  • автор:

8.4.2 Выбор рабочей точки и графический анализ

В отличие от аналогичного резистивного каскада режим работы транзистора по постоянному и переменному токам здесь определяется различными сопротивлениями в выходной цепи. Режим постоянного тока (рабочая точка) определяются сопротивлением и сопротивлением контура по постоянному току, т.е. сопротивлением rк . Линия нагрузки по постоянному току (ЛН=) определяется выражением

На рис.2 показано построение ЛН= на выходные ВАХ транзистора. Пунктиром показана линия нагрузки для резистивного каскада с сопротивлением в коллекторной цепи, равным . Обычно rк достаточно мало, по крайней мере rк к . Поэтому ЛН= для резонансного каскада в данной области ВАХ идет почти вертикально.

Если сопротивление контура на резонансной частоте выбрать равным , то рабочую точку транзистора в резонансном каскаде можно выбрать так:

Для переменных токов и напряжений мгновенные значения на частоте сигнала, равной резонансной частоте контура, будут связаны соотношением

определяющим линию нагрузки ЛН~ на заданной частоте. На рис.2 ЛН~ проходит через рабочую точку. Ее наклон определяется величиной сопротивления контура на частоте входного сигнала. Ясно, что на резонансной частоте отклонение от вертикали ЛН~ будет максимальным, т.к. сопротивление контура на резонансной частоте самое большое. Если частота сигнала будет изменяться вправо или влево от резонансной, то в соответствии с изменением частоты модуль сопротивления контура будет уменьшаться:

ЛН~ будет поворачиваться вокруг рабочей точки, в пределе ( w = 0 и w = ) совмещаясь с ЛН=. Таким образом, при изменении частоты сигнала амплитуда выходного сигнала уменьшается от максимальной на резонансной частоте до нуля.

Для ориентировочного определения коэффициента передачи каскада на резонансной частоте, можно использовать ДПХ, построенную для

В резонансном каскаде амплитуда выходного напряжения может достигать величины , в то время, как в резистивном каскаде /2.

© Андреевская Т.М., РЭ, МГИЭМ, 2004

Построение рабочей точки усилителя и методы её стабилизации

Рабочая точка усилителя. Рабочей точкой считаются ток и напряжение на выходе транзистора при отсутствии входного сигнала.

Рабочая точка определяется по статическим входной и выходной характеристикам транзистора. Построение рабочей точки показано на рис. 4.5 на примере статических характеристик транзистора с ОЭ.

Для определения положения рабочей точки на входной характеристике /б =./ (?4э) начало линейного участка характеристики обозначим /б min. Этому значению на выходной характеристике соответствует zK min- Построим на выходных характеристиках нагрузочную прямую в режимах короткого замыкания и холостого хода. В режиме короткого

замыкания (С4э = 0) /к = , где Uu напряжение питания. На ри-

сункс 4.5 этому значению соответствует точка «1». В режиме холостого хода (4=0) UK3 =Un. На рисунке 4.5 это значение показано точкой «2». Через точки «1» и «2» проводим нагрузочную прямую. Точка пересечения нагрузочной прямой и линии ON, показывающей границу

Статические входная (а) и выходная (о) характеристики транзистора с ОЭ

Рис. 4.5. Статические входная (а) и выходная (о) характеристики транзистора с ОЭ

режимов раооты транзистора насыщения и активного, соответствует г ктах и ‘бтах • Ток коллектора покоя iKn, определяется следующим образом:

На нагрузочной прямой этому значению тока соответствует рабочая точка а. Для рабочей точки показано напряжение коллектор-эммитер покоя (КЭП) (7КЭП . На входную характеристику перенесем с рис. 4.5, б значения /бп , /6тах , обозначим рабочую точку а и напряжение смещения база-эмиттер покоя (БЭП) t/вэп, которое определяет режим работы транзистора. Положение рабочей точки а в середине нагрузочной прямой соответствует классу усиления (режиму работы усилителя) А.

Стабилизация рабочей точки усилителя. Воздействие внешних дестабилизирующих факторов влияет на ток покоя транзистора в усилительном каскаде и изменяет режим работы усилителя. Основными дестабилизирующими факторами являются: нестабильность напряжения питания, изменения температуры окружающей среды и сопротивления нагрузки.

Для стабилизации рабочей точки усилителя применяются три основных метода: термокомпенсации, термостабилизации и параметрической стабилизации.

В методе тсрмокомпснсации в усилительном каскаде, например, с ОЭ в цепь база-эмиттер ставится компенсационный элемент -диод (ИО) или термистор (рис. 4.6).

Схема усилительного каскада с ОЭ, реализующая метол термокомиеисации

Рис. 4.6. Схема усилительного каскада с ОЭ, реализующая метол термокомиеисации

Принцип термокомпенсации заключается в том, что при воздействии температуры окружающей среды температурные изменения напряжения на диоде VD компенсируют температурные изменения напряжения перехода база-эмиттер. В результате выходной ток транзистора остается стабильным. Резистор Ясм вместе с диодом VD образуют делитель напряжения, который служит для задания рабочей точки транзистора.

Метод термостабилизации усилителя по схеме с ОЭ основан на применении отрицательной обратной связи при воздействии на усилитель температуры окружающей среды. К методам термостабилизации относятся методы коллекторной и эмиттерной стабилизации. Например, реализация метода эмиттерой стабилизации показана в схеме на рис. 4.7.

На схеме (рис. 4.7) введены следующие обозначения: Ес -источник входного сигнала; Rm внутреннее сопротивление источника входного сигнала; R, — сопротивление эмиттерного перехода; С, -шунтирующий конденсатор большой ёмкости. Сигнал отрицательной обратной связи поступает на базу транзистора, уменьшая при этом коэффициент усиления, что позволяет стабилизировать параметры каскада, расширить частотную полосу пропускания, увеличить входное сопротивление, уменьшить искажения усилителя.

Применение метода эмиттерной стабилизации в усилительном каскаде с ОЭ

Рис. 4.7. Применение метода эмиттерной стабилизации в усилительном каскаде с ОЭ

В методе параметрической стабилизации в цепь база-эмиттер вводится дополнительный транзистор, осуществляющий, например, коллекторную стабилизацию при действии параллельной отрицательной обратной связи по напряжению. При этом стабилизируется ток коллектора покоя транзистора, на базе которого выполнен усилитель.

3. Определение положения рабочей точки.

Рабочая точка есть точка С, расположенная на нагрузочной линии, характеризующаяся значениями IС и UС, которые определяют напряжение и ток коллектора в статическом режиме работы усилителя (в отсутствии входного сигнала). Положение рабочей точки определяется тем, кто рассчитывает усилитель, исходя из следующих соображений: 1. Если мы хотим получить на выходе максимальное выходное напряжение Uвых, то положение рабочей точки С выбирается в середине рабочего участка нагрузочной линии. При таком положении точки С она оказывается расположенной в середине интервала напряжения DUK, а так как изменение UK соответствует изменению выходного напряжения, то в DUK укладывается полный выходной сигнал, и соответствуетUампл. выходного сигнала. 2. Во всех остальных случаях рабочая точка С смещается в направлении точки В. При этом выходной сигнал уменьшается. Смещение точки С в направлении точки В обуславливает минимальное потребление электроэнергии в статическом режиме работы. Пусть положение точки С выбирается из условия получения максимального выходного сигнала (в середине рабочей области нагрузочной линии). Определяем для С значения IKС и UKС (Рис. 8), эти значения определяют статический режим работы усилителя. Таким образом, мы при выполнении 1, 2 и 3 этапов определили RН, UKC, IKC, DIK, DUK. Рис. 8

4. Перенос рабочей точки с на семейство входных характеристик.

Так как нагрузочная линия пересекает выходные характеристики, а каждая выходная характеристика определяется для конкретного тока базы, то каждая из точек пересечения соответствует определенному значению тока базы. Это позволяет проградуировать нагрузочную линию в значениях тока базы и рассматривать её как ось тока базы Введя ось тока базы, мы можем определить значение Iб, соответствующее точке С. Определим значение IбС. Перейдем к рассмотрению семейства входных характеристик (Рис. 9). Осуществим перенос рабочей точки С на семейство входных характеристик. Для этого на оси тока базы отметим значение тока базы, соответствующее IбС. Проведем через точку, соответствующую IбС, прямую, параллельную оси Uбэ. Рис. 9 Эта прямая пересечет семейство входных характеристик. Каждая входная характеристика определялась для конкретного значения UК, следовательно точки пересечения прямой линии и входных характеристик будут соответствовать конкретным значениям Uк, что позволяет совместить прямую с осью напряжений на коллекторе. На этой проградуированной оси отметим точку, соответствующую UкС. Эта точка и будет точкой С. Перенесем таким же образом точки А и В на входные характеристики и построим по ним нагрузочную линию (Рис. 10). Она не обязательно будет прямой линией. Следует не забывать, что транзистор — нелинейный прибор. Рис. 10 Определим для точки С напряжениеUбэС.

5. Расчет делителя на входе усилителя.

Будем исходить из допущения, что Iдел>>Iбmax>IбС Тогда общее сопротивление R делителя определится: , током базы можно пренебречь. R1=R-R2

6. Моделирование работы усилителя.

Проведем моделирование работы усилителя на основе биполярного транзистора. Будем предполагать, что рассматривается схема усилителя, рассмотренная перед этим. Нам даны семейства входных и выходных характеристик для биполярного транзистора, используемого в схеме усилителя. Входной сигнал описывается соотношением: Uвых=U0sin wt Будем полагать, что входной сигнал представляет собой идеальную синусоиду. Пусть амплитудное значение равно 1 или 10, тогда Uвых»sinj, а синусоиду построить достаточно легко, воспользовавшись табличными значениями sinj. Обратимся к семейству входных характеристик. На семействе входных характеристик построена нагрузочная линия АСВ. Проведем через точку С прямую, перпендикулярную к оси Uбэ, и продолжим её вниз. Построенная линия будет представлять собой ось времени t, на которой мы построим нашу синусоиду. Полный период синусоиды состоит из положительного и отрицательного полупериодов и соответствует или 360 0 . Разобьем каждый полупериод на участки относительно оси t, равные 15 0 , и спроецируем точки синусоиды, соответствующие этим значениям, на нагрузочную линию. Построим дополнительную ось t | , проводя через точку С линию, параллельную оси Uбэ. На этой оси за осью Iб выделим участки, соответствующие 15 0 периода входного сигнала. Они должны равными интервалам 15 0 на оси t. Проведем через каждую точку линии, перпендикулярные оси t | . После этого через точки, лежащие на нагрузочной линии (точки проецирования), проведем линии, параллельные оси t | , до пересечения с вспомогательными линиями, построенными к оси t | . По точкам пересечения построим синусоиду. Построенная синусоида может отличаться от синусоиды входного сигнала, так как транзистор все же нелинейный прибор и об этом нельзя забывать. Построенная синусоида показывает, как изменяется ток базы при изменении входного сигнала (Рис. 11). Рис. 11 На втором этапе моделирования входной сигнал (синусоиду тока базы) нужно перенести на семейство выходных характеристик. Для этого проделаем некоторую предварительную работу. Воспользуемся тем, что нагрузочная прямая может быть представлена осью тока базы. Градуировка оси Iб достаточно проста. Каждая кривая Iб=f(Uб) соответствует конкретному значению Iб, и точка пересечения с линией нагрузки соответствует этому значению Iб. Проведем через точку С ось t || , перпендикулярную к оси Iб и перенесем на неё синусоиду тока базы с семейства входных характеристик. При переносе следует не забывать, что мы переносим не её геометрический образ, а значения токов базы. Строим вспомогательную ось t ||| , проходящую через точку С, параллельную оси UК, и проецируем на неё построенную синусоиду, используя прямую нагрузки как вспомогательную ось. Вся процедура моделирования показана на рисунках 11 и 12. Рис. 12 Заочники. Заочники пользуются данными методическими указаниями при выполнении контрольной работы №1. По таблицам строятся семейства входных и выходных характеристик. Определяются значения h11иh21. Значение Кu соответствует двум последним цифрам номера зачетки. Расчет проводится в соответствии с указаниями, включая моделирование работы УНЧ.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Положение рабочей точки транзистора в отсутствие входного сигнала ( точки покоя) определяется в каждом конкретном случае по-разному. Если необходимо усиливать сигнал, который изменяется как в положительную, так и отрицательную сторону, целесообразно выбрать точку покоя посередине активной области ( точка Л), тогда возможно изменение выходного напряжения примерно от режима отсечки до режима насыщения. В реальных транзисторах искажения возникают при меньших амплитудах, что связано с неравномерностью расположения кривых на семействе ВАХ, но сейчас мы будем этим пренебрегать. [1]

Положение рабочей точки транзистора определяется цепями смещения. При изменении температуры окружающей среды от 20 до 80 С ток / kQ большинства германиевых транзисторов увеличивается примерно в 30 — 100 раз. [2]

Температурная нестабильность положения рабочих точек транзисторов Г7 — Tw не вызывает дрейфа выходного напряжения усилителя, так как из-за наличия разделительного конденсатора С5 транзисторы не связаны гальванически с выходными зажимами решающего усилителя. [3]

Наиболее общим методом АРУ является управление положением рабочей точки транзистора . Усиление можно уменьшить, понижая эмит-терный ток или эмиттерное напряжение; последнее находит меньшее применение, однако при уменьшении усиления необходимо очень низкое коллекторное напряжение, в результате повышается коллекторная емкость и понижается частота отсечки. При изменении смещения рабочей точки входное и выходное полные сопротивления существенно изменяются; в то же время усиление по мощности при условии согласования по входу и выходу остается неизменным. Поэтому управление усилением достигается прежде всего за счет рассогласования. Каскады АРУ должны рассчитываться на оптимальную чувствительность для условия минимального сигнала АРУ, когда требуется максимальное усиление. [4]

Температурные изменения тока коллектора транзистора Гэ не влияют на положение рабочих точек транзисторов TI и Т2 благодаря стабилизации с помощью транзистора Ts. Изменение уровня Входного сигнала не оказывает влияния на регулировку компенсации, поскольку каскад на транзисторе Гд при фиксированной температуре является источником тока. [6]

При разработке широкополосных импульсных усилителей, особенно мало-шумящих, необходимо оптимальным образом выбирать положение рабочей точки транзистора с учетом обеспечения минимума шумов и максимума коэффициента усиления. [7]

Делитель i — R2 служит для подачи на базу постоянного напряжения, обеспечивающего выбранное положение рабочей точки транзистора . [9]

К элементам, предназначенным для создания режима каскада по постоянному току, относятся: делитель R, R2, определяющий напряжение смещения транзистора, и цепочка R3Ca, стабилизирующая положение рабочей точки транзистора . [10]

Чтобы уменьшить зависимость коэффициента усиления от изменения напряжения источника питания, на базу транзистора с его коллектора через сопротивление R2t подается напряжение отрицательной обратной связи. Изменением величины этого сопротивления при регулировке усилителя выбирается положение рабочей точки транзистора . Применение отрицательной обратной связи по току способствует повышению температурной стабильности. [11]

Большая стабильность режима достигается при использовании отрицательной обратной связи. В схеме, изображенной на рис. 4, б, сопротивление, задающее ток в базовой цепи, связано с коллекторной нагрузкой, что стабилизирует положение рабочей точки транзистора . [13]

Принцип их работы рассмотрим на примере однокаскадного транзисторного усилителя, схема которого приведена на рис. 53, а. Схема каскада состоит из транзистора Т, входного и выходного конденсаторов С1 и С2, резисторов Rl, R2, R3, обеспечивающих температурную стабилизацию положения рабочей точки транзистора , сопротивления коллекторной нагрузки RK и конденсатора СЗ, закорачивающего переменную составляющую тока в эмиттерной цепи. Входной управляющий сигнал подается через конденсатор С1 в базовую цепь усилительного каскада. [14]

Активная нагрузка резонансного контура увеличивает полосу пропускания и одновременно снижает возможность самовозбуждения. Это достигается ценой уменьшения усиления, при этом исключается необходимость нейтрализации. Кроме того, активная нагрузка уменьшает изменения полосы пропускания, связанные с изменениями температуры и положения рабочей точки транзистора . [15]

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *