Понятие рабочей точки (РТ)
Анализ работы любого усилительного устройства удобно начинать с изучения его вольт-амперных характеристик. Основной характеристикой, используемой при таком анализе, является выходная характеристика, представляющая собой зависимость выходного тока от выходного напряжения:
Рис. 3.1. Семейство выходных характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ
На рис. 3.1 приведено семейство выходных характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ. В них в качестве выходного тока выступает ток коллектора \(I_К\), а в качестве выходного напряжения — напряжение между коллектором и эмиттером \(U_\). Заметим, что приблизительно так же будут выглядеть и выходные характеристики при включении с ОБ и ОК (рис. 3.12,б), а также выходные характеристики схем с полевыми транзисторами. Разница будет лишь в названиях электродов транзистора, выступающих в качестве выходных.
Очевидно, что при работе усилительного прибора величины входного напряжения и тока не остаются неизменными, а претерпевают некоторые колебания по закону изменения усиливаемого сигнала в определенном, задаваемом внешними цепями, диапазоне значений. При этом в каждый момент времени на семействе выходных характеристик можно указать единственную точку, соответствующую текущему состоянию усилительного прибора.
Если рассмотреть и другие характеристики усилителя (характеристики управления, входные характеристики, характеристики передачи), то окажется, что и на них эта точка всегда однозначно определена, если известны токи и напряжения на входных и выходных электродах.
Точка на плоскости выходных (или других) характеристик усилительного прибора, связывающая текущие значения напряжений и токов в нем, называется рабочей точкой. Заметим, что даже при отсутствии входного полезного сигнала усилительный каскад продолжает находиться в некотором вполне конкретном состоянии, которому соответствует некоторая вполне конкретная рабочая точка, ее обычно называют исходной рабочей точкой или рабочей точкой по постоянному току, если речь идет о транзисторном усилителе, предназначенном для усиления малых по амплитуде переменных токов и напряжений.
В дальнейшем все постоянные составляющие токов и напряжений на электродах усилительного прибора будем отмечать дополнительным индексом «0», а их переменные составляющие — дополнительным индексом «~» в соответствии с описанными в разделе 2.3 правилами. Т.е., например, значение коллекторного тока транзистора, соответствующее исходной рабочей точке (рабочей точке по постоянному току), будет обозначаться \(I_\), при этом полный ток коллектора в каждый момент времени будет равен \(I_К = I_ + I_>\), где в случае гармонического входного воздействия \(I_> = I_\sin\left(<\omega t + \varphi>\right)\).
Взаимосвязь изменений выходного тока и напряжения и изменений входного сигнала должна быть не только причинно-следственной, но и по возможности линейной. Только при линейной (пропорциональной) функциональной зависимости возможно неискаженное воспроизведение усиливаемого сигнала на выходе каскада при работе на линейную резистивную нагрузку. Косвенным признаком возможности неискажающей работы усилительного прибора является эквидистантность (равномерная плотность) графиков выходных характеристик, представленных на рис. 3.1. Очевидно, что условие эквидистантности выполняется лишь в ограниченной области значений токов и напряжений. Область выходных характеристик усилительного прибора, где указанное условие выполняется с приемлемой для практики точностью, называется усилительной областью (областью линейного усиления). На выходных характеристиках биполярных транзисторов (рис. 3.1) эта область ограничивается с одной стороны так называемой линией насыщения (переход за эту линию означает переход транзистора в режим насыщения), а с другой — линией отсечки (переход в режим отсечки). При выходе рабочей точки транзистора за указанные пределы не только нарушается пропорциональная зависимость изменений выходного сигнала от изменений входного сигнала, но вообще прекращается управляющее воздействие входного сигнала на выходной ток и напряжение, т.е. транзистор полностью теряет усилительную функцию. Считается, что транзистор работает в усилительном режиме (класс усиления А), если в процессе усиления рабочая точка не соприкасается с линиями насыщения и отсечки.
Напряжения и токи, а также внешние по отношению к усилительному прибору электрические цепи, обеспечивающие заданное положение рабочей точки по постоянному току, называются соответственно напряжениями, токами и цепями смещения. Напряжения и токи смещения также часто называют начальными.
10.4. Расчет и исследование параметров рабочей точки в транзисторных каскадах
Методические указания Транзистор характеризуется двумя семействами вольт-амперных характеристик (ВАХ): входных и выходных ВАХ. Семейство входных ВАХ представляет собой зависимость тока Iв от напряжения Uвэ при различных значениях напряжения Uкэ:
(10.1)
Семейство выходных ВАХ представляет собой зависимость тока коллектора Iк от напряжения на коллекторе Uкэ при различных значениях тока базы IБ.:
(10.2)
Существует несколько методов расчета параметров рабочей точки. Ниже изложены некоторые из них. Графоаналитический метод Этот метод основан на непосредственном использовании ВАХ транзистора, представленных в графическом виде. Рассмотрим схему транзисторного каскада с ОЭ, представленную на рис. 10.19. Для тока базы, можно записать следующие уравнения:
Решение системы в графическом виде представлено на рис. 10.20. Оно представляет собой точку пересечения кривых 1 и 2. Кривая 1 представляет собой входную ВАХ транзистора (уравнение 10.4) при условии, что напряжение Uкэ достаточно велико и его влиянием можно пренебречь. Кривая 2 является нагрузочной линией и описывается уравнением 10.3. Она отсекает на оси токов отрезок, численно равный току Ев/Rв, а на оси напряжений — отрезок, численно равный напряжению EБ. Координаты точки пересечения — ток I*в и напряжение U* вэ — являются искомыми входными током и напряжением транзистора. Для выходной цепи транзистора, т.е. для цепи коллектора, можно записать следующие уравнения:
Уравнение (10.6) описывает выходную ВАХ транзистора для найденного тока базы I*Б. На puc, 10.21 показано семейство выходных ВАХ транзистора для различных значений тока базы. Из этого семейства необходимо выделить ту ВАХ, ток базы которой наиболее близок к полученной величине 1*в. Может оказаться, что токи базы семейства ВАХ существенно отличаются от величины I*в. В этом случае необходимо выбрать две ветви ВАХ (для одной ток базы меньше, а для другой больше I*Б) и методом интерполяции построить ВАХ для заданного значения I*в. Уравнение (10.5) является уравнением нагрузочной прямой, которая показана в виде наклонной линии на. рис. 10.21. Выходная ВАХ и нагрузочная прямая пересекаются в точке С, которая является решением системы уравнений (10.5), (10.6) в графическом виде. Координаты точки С, т. е. ток I*к и напряжение U*кэ, являются, соответственно, искомыми выходными током и напряжением транзистора.
Аналитический метод При использовании этого метода решение систем уравнений (10.3, 10.4) и (10.5, 10.6) требуется найти в аналитическом виде. Поскольку уравнения (10.4) и (10.6) являются нелинейными, невозможно получить аналитическое решение в явном виде. Один из способов решения таких систем заключается в линеаризации нелинейных уравнений. На рис. 10.22 показана входная ВАХ транзистора (кривая 1). Предлагается аппроксимировать её прямой линией (прямая 2). Уравнение для такой аппроксимации имеет вид: Uкэ=UБзо+rвхIБ (10.7) где UБЭО — пороговое напряжение входной цепи, rBX — дифференциальное входное сопротивление транзистора для рабочей области его входной характеристики. В ряде случаев в полученном выражении (10.7) первое слагаемое значительно превышает второе. Поэтому с достаточной для практики точностью это выражение можно упростить: UБЭ=UБЭО. (10.8) На рис. 10.22 такое приближение отражается прямой 3.
На рис. 10.23 показана выходная ВАХ транзистора (кривая 1). Предлагается аппроксимировать эту ВАХ прямой линией. Уравнение для такой аппроксимации имеет вид:
(10.9)
где Р — статический коэффициент передачи тока в схеме ОЭ, IKO тепловой ток коллектора, Rвых — дифференциальное выходное сопротивление.
В выражении (10.9) первое слагаемое показывает, что ток коллектора пропорционален току базы. Второе слагаемое представляет собой обратный ток коллектора, который существует даже при 1в=0. Слагаемое Uкэ/Квых характеризует наклон ВАХ. В большинстве случаев в полученном выражении (10.9) первое слагаемое значительно превышает второе и третье. Поэтому с достаточной для практики точностью это выражение можно упростить:
(10.10)
Последнее выражение позволяет явно выразить ток эмиттера через ток базы:
(10.11)
Выражения (10.8), (10.10) являются удобными аппроксимациями нелинейных ВАХ транзистора, которые можно использовать для решения конкретных задач. Рассмотрим схему, изображенную на рис. 10.26. Ранее эта схема была рассчитана графоаналитическим способом. Используя выражение (10.7), можно определить ток базы в виде:
(10.12)
С помощью выражения (10.10) можно найти напряжение на коллекторе транзистора:
(10.13)
Метод эквивалентных схем. Этот метод основан на замене транзистора его эквивалентной схемой (другое название -схема замещения). Для получения эквивалентной схемы можно воспользоваться аналитическими выражениями для входной и выходной ВАХ транзистора. Линеаризованная входная ВАХ транзистора описывается выражением (10.7). В соответствии с этим выражением входная цепь транзистора представляется последовательно соединенными источником напряжения Uвэо и сопротивлением rвх (рис. 10.24). Линеаризованная выходная характеристика транзистора описывается выражением (10.9). Согласно этому выражению эквивалентная схема (рис. 10.24) выходной цепи транзистора представляется параллельно соединенными источниками тока BIБ и Iко и сопротивлением rвых. На рис. 10.24 представлена эквивалентная схема транзистора, составленная с учетом вышесказанного. Она пригодна для расчета как постоянных, так и переменных составляющих токов и напряжений. Однако для каждой из этих составляющих целесообразно представить эквивалентную схему в упрощенном виде. Расчет переменных составляющих будет рассмотрен в следующем разделе. Для постоянных составляющих, как было указано выше, можно использовать упрощенное выражение (10.10). В соответствии с этим выражением эквивалентная схема транзистора существенно упрощается (рис. 10.25>. Для расчета постоянных составляющих транзистор следует заменять его упрощенной схемой (рис. 10.25). Если принять во внимание выражение (10.8), схема еще более упростится -rБХ можно будет исключить. В условиях задач характеристики транзисторов могут быть представлены как в графическом виде, так и в линеаризованном. При решении задач в первом случае используется графоаналитический метод, во втором — аналитический метод или метод эквивалентных схем. Используются следующие параметры транзистора: UБЭО ~ пороговое напряжение входной цепи, BDC — статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером, rБХ — дифференциальное входное сопротивление транзистора. Поскольку каждый из режимов работы транзистора характеризуется своими параметрами и имеет свою эквивалентную схему, то для расчета электронных схем необходимо, прежде всего, выяснить, в каком режиме работает транзистор. Существует три режима работы транзистора: усилительный режим, режим насыщения’и режим отсечки. Они описываются следующими выражениями: !• UBX < U1 - режим отсечки, 2. U1 < UBX < U2 - усилительный режим, 3. UBX >U2 — режим насыщения, где U1 — напряжение Uвэ, при котором транзистор переходит в усилительный режим, U2 — напряжение UБЭ, при котором транзистор переходит в режим насыщения. В рассматриваемых задачах транзистор работает в усилительном режиме. Эквивалентная схема транзистора в усилительном режиме приведена на. рис. 10.25.
Рассмотрим границы существования усилительного режима работы транзистора в схеме, представленной на рис. 10.26а. На рис. 10.266 для этой схемы показано построение графика зависимости выходного напряжения Пвых от входного напряжения UBX-Пока входное напряжение UBX остается меньше порогового напряжения Usao, транзистор находится в режиме отсечки. Эмиттер-ньш переход транзистора закрыт, ток базы 1в и ток коллектора 1ц равны нулю (в цепи кол-
лектора и в цепи базы текут тепловые токи, значения которых пренебрежимо малы). На резисторе RK отсутствует падение напряжения, выходное напряжение Uвыx равно напряжению источника питания Ек. Как только возрастающее входное напряжение превысит величину UБЭО транзистор переходит в усилительный режим работы. Следовательно, нижняя граница существования усилительного режима определяется просто: U,=UБЭО. (10.14) Работа схемы в усилительном режиме описывается следующими выражениями:
Ток коллектора не может превысить величину тока насыщения: Iкн=Eк/Rк (10.18) При этом насыщающий ток базы определяется выражением:
(10.19)
Эта величина тока определяет верхнюю границу существования усилительного режима работы транзистора: U2=IБНRБUБЭО. (10.20) При дальнейшем увеличении входного напряжения наступает режим насыщения. В этом режиме ток базы продолжает возрастать, а ток коллектора и выходное напряжение не изменяются. Для построения графической зависимости выходного напряжения от входного (см. нижнюю диаграмму на рис. 10.26) достаточно определить граничные значения входных напряжений U1, U2 и соответствующие этим значениям величины выходного напряжения. После этого левее границы U1 и правее границы U2 провести горизонтальные линии (линия отсечки и линия насыщения), а сами граничные точки соединить наклонной линией (линия усилительного режима). После теоретического расчета схемы усилителя Вам предлагается проверить его правильность с помощью программы Electronics Workbench.
При проверке следует помнить, что длярасчета использовались упрощенные эквивалентные схемы, в которых реальный транзистор заменен его моделью. В условиях задач также заданы идеализированные характеристики транзистора и линеаризованные зависимости. Поэтому не следует ожидать 100% совпадения с правильным ответом. т. к. в представленных задачах модель транзистора реальна, хотя и несколько идеализирована для некоторых задач. В связи с вышесказанным, при моделировании задач могут возникать определенные проблемы. В условиях задач заданы линеаризованные зависимости выходных величин от входных. В реальности же дело обстоит несколько иначе (см, рис. 10.27). Рассмотрим аналитический метод решения задач на примере схемы рис. 10.28. Дано: Ек= 6 V, 1=2.5 mA, R=2 к0м, Ев = 6 к0м, Uвэо=1В, BDC=20, RK = 400 Ом. Найти: Напряжение Uкэ. Преобразуем источник тока с сопротивлением R в источник напряжения с внутренним сопротивлением R по закону Ома. В результате преобразования получим схему, изображенную на рис. 10.29. Заменяя транзистор эквивалентной схемой рис. 10.25, получим:
Отсюда находим ток базы Iв:
Напряжение определяется по второму закону Кирхгофа:
где ток коллектора
1 -линеаризованная зависимость выходного напряжения от входного, 2 —реальная зависимость выходного напряжения от входного.
Задачи для самостоятельного исследования Задание рабочей точки, транзисторного каскада На. рис. 10.30 и рис. 10.31 представлены схемы транзисторного каскада с общим эмиттером. Нужно определить один из параметров транзистора: коэффициент передачи тока базы BDC2 или входное сопротивление Rвх3- В каждом варианте дана зависимость выходного сигнала от входного воздействия. На вход подается либо входное напряжение UBX (Uin), либо входной ток IBX (Iin) Выходным сигналом может быть: напряжение нагрузки UH, ток нагрузки Iн, ток коллектора 1к, ток источника питания In. Все приведенные характеристики охватывают три режима работы транзистора: режим отсечки, усилительный режим и режим насыщения. В этом режиме справедливы выражения (10.13), (10.14), (10.15), полученные выше. Там же показано, что входная цепь заменяется последовательной цепочкой UБЭО — RBX (см. рис. 10.24, 10.25). Схемы, поясняющие условия задач, в которых входное сопротивление транзистора пренебрежимо мало
В дальнейшем в тексте задач параметр BDC обозначается просто р. В этом задании рассчитываются постоянные составляющие токов и напряжений. Динамическое входное сопротивление, определяемое изменением разности потенциалов на базе транзистора, равно нулю, поэтому полное входное сопротивление определяется омическим сопротивлением базы и может быть смоделировано с помощью резистора RBX последовательно подключенного к базе транзистора.
Рекомендации по выполнению работы:
1. Создайте при помощи Electronics Workbench одну из схем, изображенных на рис. 20.30 и 10.31, согласно условию задачи. Схемы представляют два случая: входное сопротивление транзистора пренебрежимо мало и входное сопротивление транзистора сопоставимо по величине с сопротивлением резисторов на входе схемы. Подставьте в схему заданные и рассчитанные значения номиналов элементов. Выберите указанный в условии задачи тип транзистора.
В библиотеках версии 4.0 Electronics Workbench нет транзисторов, типы которых указаны в условиях задач, поэтому, чтобы внести их в библиотеку, проделайте следующее: С дискеты, прилагающейся к книге, скопируйте файл ех10_1.т05 в подкаталог Models директории, в которой установлен Electronics Workbench 4.0. После этого имя файла библиотеки будет появляться в окне Models при выборе типа транзистора. В этой библиотеке вы найдете нужные транзисторы. 1.1. Для редактирования характеристик транзистора откройте окно свойств транзистора. Это можно проделать, дважды щелкнув на его изображении, или выбрав пункт Component Properties из меню Circuit. В открывшемся окне будет подсвечен транзистор, установленный в схеме. Для редактирования характеристик нажмите кнопку Edit. Статический коэффициент передачи тока устанавливается в строке Forward current gain coefficient (BF), пороговое напряжение Uвэо устанавливается в строке В-Е junction potential (0Е). Затем нажмите Accept для сохранения установленных параметров и Accept для возврата к схеме. 1.2. Для моделирования входного сопротивления транзистора используется резистор, последовательно подключенный к его базе. 1.3. Значком » отмечены данные, не использующиеся для расчетов, но нужные для моделирования задачи. 2. Включите схему. Подключите приборы. ‘Подсчитайте статический коэффициент передачи транзистора. Сравните с расчетным значением.
Задача 10.1.1. Дано:
Транзисторы ZTX327, Q2N2222A, 2N2923. Найти: р.
Задача 10.1.2. Дано:
Транзистор 2N3393. Найти: B.
Задача 10.1.3. Дано:
Транзисторы ZTX327, Q2N2222A. Найти: Rвх.
Задача 10.1.4. Дано:
Транзисторы ZTX327, Т502. Найти: B.
Задача 10.1.5. Дано:
Транзисторы ZTX327, Q2N2222A. Т502. Найти:B.
Задача 10.1.6. Дано:
Транзистор Q2N2222A. Найти: Rвх.
Задача 10.1.7. Дано:
Транзисторы Q2N2222A, 2N3393. Найти:B.
Задача 10.1.8. Дано:
Транзисторы 2N3393 Найти: B.
Знаете ли Вы, что релятивистское объяснение феномену CMB (космическому микроволновому излучению) придумал человек выдающейся фантазии Иосиф Шкловский (помните книжку миллионного тиража «Вселенная, жизнь, разум»?). Он выдвинул совершенно абсурдную идею, заключавшуюся в том, что это есть «реликтовое» излучение, оставшееся после «Большого Взрыва», то есть от момента «рождения» Вселенной. Хотя из простой логики следует, что Вселенная есть всё, а значит, у нее нет ни начала, ни конца. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.
10.2. Задание рабочей точки в транзисторном каскаде
В этом разделе рассматриваются различные способы задания рабочей точки транзисторного каскада с общим эмиттером.
Цель 1. Построение нагрузочной линии транзисторного каскада.
2. Задание рабочей точки транзисторного каскада
3. Исследование параметров рабочей точки транзистора.
4. Исследование условий для перевода транзистора в режим насыщения и отсечки.
5. Определение статического коэффициента передачи транзистора по экспериментальным данным.
Краткие сведения из теории 1. Задание тока базы с помощью одного резистора. Схема транзисторного каскада с общим эмиттером представлена на рис. 10.5. Режим, в котором работает каскад, можно определить, построив его нагрузочную линию на выходной характеристике транзистора. Данный способ позволяет описать поведение транзистора в режимах насыщения, усиления и отсечки. Режим насыщения определяется следующим условием: ток коллектора не управляется током базы:
IKH — ток коллектора насыщения, определяется сопротивлением RK в цепи коллектора и напряжением источника питания ЕК:
Этот режим характеризуется низким падением напряжения коллектор-эмиттер (порядка 0.1 В). Для перевода транзистора в этот режим необходимо в базу транзистора подать ток, больший чем ток насыщения базы Iвн:
Ток насыщения базы задается с помощью резистора Rвн с сопротивлением, равным:
где UБЗО — пороговое напряжение перехода база-эмиттер. Для кремниевых транзисторов Uвзо= 0.7 В. В режиме усиления ток коллектора меньше тока 1кн и описывается уравнением нагрузочной прямой:
Рабочая точка в статическом режиме задается током базы и напряжением на коллекторе. Она определяется точкой пересечения нагрузочной прямой и выходной характеристики транзистора. Базовый ток транзистора определяется как ток через сопротивление в цепи базы Ев (см.рис. 20.5):
Ток коллектора вычисляется по формуле:
Напряжение’коллектор-эмиттер определяется из уравнения нагрузочной прямой:
В режиме отсечки ток коллектора равен нулю и не создает на резисторе Rк падения напряжения. Следовательно, напряжение Uкэ максимально и равно напряжению источника питания Ек. Ток коллектора с учетом тепловых токов определяется из следующего выражения:
где Iкэо, IKBO — обратные токи переходов коллектор-эмиттер и коллектор-база соответственно. Коэффициент нестабильности тока коллектора (S) из-за влияния тепловых токов в схеме определяется как:
Как следует из этого выражения, при рассматриваемом способе задания тока базы коэффициент нестабильности зависит от статического коэффициента передачи, который для транзисторов одного и того же типа может сильно различаться. 2. Задание тока базы с помощью делителя напряжения. NPN-транзистор. Схема задания тока базы NPN транзистора с помощью делителя напряжения в каскаде с общим эмиттером представлена на рис. 10.6. Аналогично пункту 1, рассмотрим режимы насыщения, усиления и отсечки. Ток коллектора в режиме насыщения описывается следующим выражением:
Независимо от сопротивления резисторов R1 и R2 делителя напряжения ток насыщения базы определяется из выражения:
а напряжение Uб на базе равно:
Это же напряжение задается делителем напряжения. Зная Ек и Uб, можно определить отношение сопротивлений плеч делителя:
Суммарное сопротивление делителя обычно выбирается так, чтобы ток, протекающий через него был примерно в 10 раз меньше тока коллектора. Составив систему уравнений и решив её, можно найти сопротивления R1 и R2 плеч делителя, которые обеспечивают ток базы, необходимый для перевода транзистора в режим насыщения. Аналогичным образом каскад рассчитывается и в усилительном режиме, но с учетом следующих выражений. Ток коллектора в усилительном режиме описывается уравнением нагрузочной прямой:
где Uэ = IэRэ, Iэ — ток эмиттера.
Ток базы определяется из выражения:
Ток коллектора связан с током эмиттера следующим выражением:
и Напряжение на базе транзистора равно:
Далее рассчитываются сопротивления R1 и R2 делителя напряжения. Суммарное сопротивление делителя должно обеспечивать больший по сравнению с током базы ток делителя (обычно ток делителя берут в 10 раз меньше тока коллектора). Рабочая точка определяется пересечением нагрузочной прямой и выходной характеристики транзистора. При известных значениях сопротивлений R1 и R2 ток базы транзистора равен:
где Uб — напряжение на базе транзистора. Если BRэ >> R2, то:
Ток эмиттера определяется по падению напряжения на сопротивлении Rэ в цепи эмиттера и вычисляется как разность потенциалов
Значение напряжения коллектор-эмиттер Uкэ вычисляется по закону Кирхгофа: Uкэ = Eк-IкRк-IэRэ.
Коэффициент нестабильности тока коллектора (S) из-за влияния тепловых токов в схеме при условии, что Uэ > UБЭО определяется как:
Как следует из этого выражения, при данном способе задания тока базы коэффициент нестабильности определяется элементами схемы и практически не зависит от характеристик транзистора, что улучшает стабильность рабочей точки. PNP-транзиcтор. Схема задания тока базы с помощью делителя напряжения в каскаде с общим эмиттером на PNP-транзисторе представлена на рис. 10.7. Для данной схемы справедливы выражения, приведенные в предыдущем пункте для схемы с NPN-транзистором, со следующей поправкой: полярность напряжений и направления токов нужно поменять на обратные.
3. Задание тока базы с помощью дополнительного источника в цепи эмиттера. Схема задания тока базы с помощью дополнительного источника в цепи эмиттера в каскаде с общим эмиттером на NPN-тран-зисторе представлена на рис. 10.8. Ток коллектора в режиме насыщения равен:
Ток коллектора в усилительном режиме описывается уравнением нагрузочной прямой:
Напряжение на базе транзистора UB определяется из следующего выражения: UБ = IэRэ -Eэ +UБЭО
Это же напряжение равно падению напряжения на резисторе Ев: UБ=-IБ-RБ. Ток эмиттера вычисляется по падению напряжения на сопротивлении Rэ:
UБ имеет отрицательное значение.
Ток коллектора связан с током эмиттера следующим выражением: IK =Iэ-IБ=Iэ.
Значение напряжения коллектор-эмиттер вычисляется из закона Кирхгоффа для напряжений:
Коэффициент нестабильности тока коллектора (S) определяется как:
Рассматриваемая схема характеризуется таким же коэффициентом нестабильности, как и предыдущая. 4. Задание тока базы с помощью резистора в цепи база-коллектор. Схема задания тока базы с помощью резистора в цепи база-коллектор в каскаде с общим эмиттером представлена на рис. 10.9. Ток коллектора в усилительном режиме описывается уравнением:
Рабочая точка определяется точкой пересечения нагрузочной прямой и выходной характеристики транзистора. Ток базы определяется из выражения:
Как видно из выражения, ток базы зависит от напряжения коллектор-эмиттер, что делает схему менее чувствительной к разбросу значений статического коэффициента передачи устанавливаемых в нее транзисторов. Ток коллектора в схеме определяется по формуле:
Значение напряжения коллектор-эмиттер вычисляется по закону Кирхгофа для напряжений:
Коэффициент нестабильности тока коллектора (S) из-за влияния тепловых токов в схеме с резистором в цепи база-коллектор определяется как:
Как следует из выражения, коэффициент нестабильности этой схемы несколько выше, чем у схем с сопротивлением Rэ в цепи эмиттера.
Статический коэффициент передачи тока BDC определяется отношением тока коллектора к току базы:
Порядок проведения экспериментов
Эксперимент 1. Исследование параметров рабочей точки при задании тока базы с помощью одного резистора. а). Открыть файл с10_005 со схемой, изображенной на рис. 10.10. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора, напряжения коллектор-эмиттер и напряжения база-эмиттер в раздел «Результаты экспериментов».
б). Для схемы на рис. 10.10 по формулам из раздела «Краткие сведения из теории» вычислить базовый ток, напряжение коллектор-эмиттер. Ток коллектора вычислить, используя значение тока базы, полученное в п. а) и значение Bос, посчитанное в эксперименте 1 предыдущего раздела. Результаты записать в раздел «Результаты экспериментов». Сравните их с экспериментальными данными.
в). В разделе «Результаты экспериментов» построить нагрузочную прямую по постоянному току на выходной характеристике транзистора 2N3904, полученной в эксперименте 3 предыдущего раздела. Используя значения токов и напряжений, полученные в пункте а), определить рабочую точку (Q) на нагрузочной линии и отметить её положение на графике.
г). Двойным щелчком на изображении транзистора открыть диалоговое окно выбора модели транзистора. Строка с наименованием транзистора 2N3904 будет подсвечена. Чтобы редактировать параметры модели транзистора, нажмите Edit. Измените коэффициент передачи по току (PF) до 100, потом нажмите Accept. Нажмите Accept еще раз, чтобы вернуться к схеме. Изменение коэффициента B позволяет убедиться, что замена транзисторов приводит к изменению тока коллектора. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер в раздел «Результаты экспериментов».
д). По новым значениям напряжения коллектор-эмиттер и тока коллектора определить новую рабочую точку на нагрузочной прямой, построенной в п. с). Отметить ее положение на графике в разделе «Результаты экспериментов».
е). Восстановите прежнее значение коэффициента передачи по постоянному току (PF) транзистора 2N3904 (204).
ж). Подсчитать сопротивление Rв, необходимое для перевода транзистора в режим насыщения. Подставить в схему значение сопротивления Rв, чуть меньше подсчитанного. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер в раздел «Результаты экспериментов».
з). Уменьшить значение RB на более значительную величину и снова активизировать схему. Если транзистор находится в режиме насыщения, то изменение тока коллектора очень мало даже при очень большом изменении тока базы.
Эксперимент 2. Исследование параметров рабочей точки при задании тока базы с помощью делителя напряжения (NPN-транзистор). а). Открыть файл с10_006 со схемой, изображенной на рис. 10.11. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора, тока эмиттера, напряжения коллектор-эмиттер и напряжения на базе в раздел «Результаты экспериментов». Вычислить коэффициент передачи Bос. Результат записать в раздел «Результаты экспериментов».
б). Для схемы рис. 10.11 по формулам из раздела «Краткие сведения из теории» вычислить значение напряжения в точке UБ. Вычислить ток эмиттера и рассчитать ток коллектора по полученному значению тока эмиттера (Uвэо = 0.7В), вычислить значение напряжения коллектор-эмиттер по полученным ранее току коллектора и току эмиттера. Результаты записать в раздел «Результаты экспериментов».
в). В разделе «Результаты экспериментов*’ построить нагрузочную прямую по постоянному току на выходной характеристике транзистора 2N3904 из эксперимента 3 предыдущего раздела. Используя значения токов и напряжений, полученных в пункте а), определить рабочую точку (Q) и отметить её положение на графике.
г). Двойным щелчком на изображении транзистора открыть диалоговое окно выбора модели транзистора. Строка с наименованием транзистора 2N3904 будет подсвечена. Чтобы редактиро-‘ вать параметры модели транзистора, нажмите Edit. Измените коэффициент передачи по тoкy (PF) до 100, потом нажмите Accept. Нажмите Accept еще раз, чтобы вернуться к схеме. Изменение коэффициента B позволяет убедиться, что замена транзисторов приводит к изменению тока коллектора. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер в раздел «Результаты экспериментов».
д). По новым значениям напряжения база-эмиттер и тока коллектора определить положение рабочей точки на нагрузочной прямой, построенной в пункте в) и отметить её положение на графике.
е). Восстановите прежнее значение коэффициента передачи по постоянному току (BF) транзистора 2N3904 (204). ж). Провести изменения параметров цепи базы, необходимые для перевода транзистора в режим насыщения. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора, напряжения на базе и напряжения коллектор-эмиттер в раздел «Результаты экспериментов».
Эксперимент 3. Задание тока базы с помощью делителя напряжения (PNP-тран-зистор). а). Открыть файл с10_007 со схемой, изображенной на рис. 10.12. Включить схему. Записать результаты измерении для тока базы, тока коллектора, тока эмиттера, напряжения коллектор-эмиттер и напряжения на базе в раздел «Результаты экспериментов». Вычислить статический коэффициент передачи Bое. Результат записать в раздел «Результаты экспериментов».
б). Для схемы рис. 10.12 по формулам из раздела «Краткие сведения из теории» вычислить значение напряжения в точке UB. Вычислить ток эмиттера и рассчитать ток коллектора по полученному значению тока эмиттера (UБЭО =0.7 В), вычислить значение напряжения коллектор-эмиттер по полученным ранее току коллектора и току эмиттера. Результаты записать в раздел «Результаты экспериментов». Сравнить их с экспериментальными данными.
в). Двойным щелчком на изображении транзистора открыть диалоговое окно выбора модели транзистора. Строка с наименованием транзистора 2N3906 будет подсвечена. Чтобы редактировать параметры модели транзистора, нажмите Edit. Измените коэффициент передачи по току (PF) со 180 до 100, потом нажмите Accept. Нажмите Accept еще раз, чтобы вернуться к схеме. Изменение коэффициента B позволяет убедиться, что замена транзисторов приводит к изменению тока коллектора. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер в раздел «Результаты экспериментов».
г). Восстановите прежнее значение коэффициента передачи по постоянному току (BF) транзистора 2N3906 (180).
Эксперимент 4. Исследование параметров рабочей точки при задании тока базы с помощью дополнительного источника в цепи эмиттера.
а). Открыть файл с10_008 со схемой, изображенной на рис. 10.13. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора, тока эмиттера, напряжения коллектор-эмиттер и напряжения на базе в раздел «Результаты экспериментов». Вычислить статический коэффициент передачи Bпс. Результат записать в раздел «Результаты экспериментов».
б). Для схемы на рис. 10.13 по формулам из раздела «Краткие сведения из теории» вычислить напряжение в точке UБ по измеренному ранее значению тока базы, рассчитать ток эмиттера и вычислить ток коллектора по величине тока эмиттера (UБЭО = 0-7 В). Вычислить значение напряжения коллектор-эмиттер по полученным значениям тока эмиттера и тока коллектора. Результаты записать в раздел «Результаты экспериментов».
в). В разделе «Результаты экспериментов» для схемы рис. 10.13 построить нагрузочную прямую на выходной характеристике транзистора 2N3904 из эксперимента 3 предыдущего раздела. По результатам, полученным в предыдущем пункте, определите рабочую точку (Q) и отметить её положение на графике.
г). Двойным щелчком на изображении транзистора открыть диалоговое окно выбора модели транзистора. Строка с наименованием транзистора 2N3904 будет подсвечена. Чтобы редактировать параметры модели транзистора, нажмите Edit. Измените коэффициент передачи по току (PF) с 200 до 100, потом нажмите Accept. Нажмите Accept еще раз, чтобы вернуться к схеме. Изменение коэффициента B позволяет убедиться, что замена транзисторов приводит к изменению тока коллектора. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер в раздел «Результаты экспериментов».
д). По новым значениям напряжения база-эмиттер и тока коллектора определить положение рабочей точки на нагрузочной прямой, построенной в пункте в), и отметить её положение на графике.
е). Восстановите прежнее значение коэффициента передачи по постоянному току (BF) транзистора 2N3904 (204).
Эксперимент 5. Исследование параметров рабочей точки при задании тока базы с помощью резистора в цепи база-коллектор. а). Открыть файл с10_009 со схемой, изображенной на рис. 10.14. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора, тока эмиттера и напряжения коллектор-эмиттер в раздел «Результаты экспериментов». Вычислить статический коэффициент передачи BDC. Результат записать в раздел «Результаты экспериментов».
б). По формулам из раздела «Краткие сведения из теории» вычислить ток коллектора, используя значение PBDC, вычисленное ранее. Uвэо = 0.7 В. По полученному току коллектора вычислить значение напряжения коллектор-эмиттер. Результаты записать в раздел «Результаты экспериментов».
в). В разделе «Результаты экспериментов» для схемы рис. 10.14 построить нагрузочную прямую на выходной характеристике транзистора 2N3904. По результатам, полученным в предыдущем пункте, определить рабочую точку (Q) и отметить её положение на графике.
г). Двойным щелчком на изображении транзистора открыть диалоговое окно выбора модели транзистора. Строка с наименованием транзистора 2N3904 будет подсвечена. Чтобы редактиро вать параметры модели транзистора, нажмите Edit. Измените коэффициент передачи по току (PF) с 200 до 100, потом нажмите Accept. Нажмите Accept еще раз, чтобы вернуться к схеме. Изменение коэффициента B позволяет убедиться, что замена транзисторов приводит к изменению тока коллектора. Включить схему. Записать результаты измерении для тока базы, тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер в раздел «Результаты экспериментов».
д). По новым значениям напряжения коллектор-эмиттер и тока коллектора определить положение рабочей точки на нагрузочной прямой, построенной в пункте в), и отметить её положение на графике.
е). Восстановите прежнее значение коэффициента передачи по постоянному току (BF) транзистора 2N3904 (204). Результаты экспериментов Эксперимент 1. Исследование параметров рабочей точки при задании тока базы с помощью одного резистора.
в), г), д). Определение рабочей точки каскада.
Отметьте на графике положение рабочей точки до и после изменения коэффициента передачи транзистора по постоянному току.
Эксперимент 2. Исследование параметров рабочей точки при задании тока базы с помощью делителя напряжения (NPN-транзистор).
в), г), д). Определение рабочей точки каскада.
Отметьте на графике положение рабочей точки до и после изменения коэффициента передачи транзистора по постоянному току.
Эксперимент 3. Задание тока базы с помощью делителя напряжения (PNP-транзистор).
Эксперимент 4. Исследование параметров рабочей точки при задании тока базы с помощью дополнительного источника в цепи эмиттера.
в), г), д). Определение рабочей точки каскада. Отметьте на графике положение рабочей точки до и после изменения коэффициента передачи транзистора по постоянному току.
Эксперимент 5. Исследование параметров рабочей точки при задании тока базы с помощью резистора в цепи база-коллектор.
в), г), д). Определение рабочей точки каскада.
Отметьте на графике положение рабочей точки до и после изменения коэффициента передачи транзистора по постоянному току.
1. Как сильно отличаются расчетные и экспериментальные данные?
2. Изменяется ли положение рабочей точки при изменении статического коэффициента передачи тока?
3. Какое условие необходимо выполнить, чтобы перевести транзистор в режим отсечки?
4. На сколько различаются напряжения на коллекторе в схемах рис. 10.10 и 10.117
5. Чему равно напряжение коллектор-эмиттер в режиме насыщения?
6. Какая связь между током коллектора и током эмиттера?
7. В чем преимущество схемы со смещением в цепи базы над схемой со смещением в цепи эмиттера?
8. В чем преимущество схемы с делителем напряжения в цепи базы над схемой со смещением в цепи эмиттера?
9. Какую роль играет сопротивление Rэ в цепи эмиттера для стабильности работы схемы? В чем она заключается?
10.Какая из всех описанных выше схем обладает большей стабильностью?
Знаете ли Вы, что только в 1990-х доплеровские измерения радиотелескопами показали скорость Маринова для CMB (космического микроволнового излучения), которую он открыл в 1974. Естественно, о Маринове никто не хотел вспоминать. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.
Практическая работа на тему: «Изучение работы транзистора»
Обратная связь: адрес электронной почты gerkaeva 84@ mail . ru . Фото ваших конспектов высылайте по указанному адресу или в личное сообщение в «ВКонтакте».
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА «Изучение работы транзистора».
Цель работы : Ознакомиться с режимами работы транзистора, научиться определять основные характеристики транзистора по его входным и выходным характеристикам.
Теоретическая часть.
Транзистор — это полупроводниковый преобразовательный прибор, имеющий не менее трёх выводов и способный усиливать мощность.
Основой биполярного транзистора является кристалл полупроводника p-типа или n-типа проводимости, который также как и вывод от него называется базой.
Область, имеющая бóльшую площадь p-n перехода, и вывод от неё называют коллектором.
Область, имеющая меньшую площадь p-n перехода, и вывод от неё называют эмиттером.
p-n переход между коллектором и базой называют коллекторным переходом, а между эмиттером и базой – эмиттерным переходом.
Направление стрелки в транзисторе показывает направление протекающего тока.
Динамический режим работы транзистора.
Динамическим режимом работы транзистора называется такой режим, при котором в выходной цепи стоит нагрузочный резистор, за счёт которого изменение входного тока или напряжения будет вызывать изменение выходного напряжения.
Резистор Rк – это коллекторная нагрузка для транзистора, включённого по схеме с ОЭ, обеспечивающая динамический режим работы.
Уравнение динамического режима работы транзистора: Uкэ = Eк — Iк ∙ Rк
Уравнение динамического режима является уравнением выходной динамической характеристики. Так как это уравнение линейное, выходная динамическая характеристика представляет собой прямую линию и строится на выходных статических характеристиках.
Две точки для построения прямой находятся из начальных условий.
Iк при Uкэ=0 называется током коллектора насыщения.
Выходная динамическая характеристика получила название
Точка пересечения нагрузочной прямой с одной из ветвей выходной статической характеристикой для заданного тока базы называется рабочей точкой транзистора. Рабочая точка позволяет определять токи и напряжения, реально существующие в схеме.
Режимы работы транзистора
1. Режим отсечки — это режим, при котором оба перехода транзистора закрыты (и эмиттерный и
· Ток базы в этом случае равен нулю.
· Ток коллектора будет равен обратному току.
· Уравнение динамического режима будет иметь вид: Uкэ = Eк — Iкбо ∙ Rк
· Произведение Iкбо ∙ Rк будет равно нулю. Значит, Uкэ → Eк.
2. Режим насыщения – это режим, когда оба перехода – и эмиттерный, и коллекторный открыты.
· В транзисторе происходит свободный переход носителей зарядов
· Ток базы будет максимальный : Iб = max
· Ток коллектора будет равен току коллектора насыщения Iк ≈ Iк.н.;
· Уравнение динамического режима будет иметь вид: Uкэ = Eк – Iк.н ∙ Rн
· Произведение Iк.н ∙ Rн будет стремиться к Eк. Значит, Uкэ → 0.
3. Линейный режим – это режим, при котором эмиттерный переход открыт, а коллекторный закрыт.
Ключевым режимом работы транзистора называется такой режим, при котором рабочая точка транзистора скачкообразно переходит из режима отсечки в режим насыщения и наоборот, минуя линейный режим.
Расчет основных характеристик транзистора.
· Входное сопротивление транзистора переменному току.
· Мощность рассеивания на коллекторе.
Практическая работа
1. Решите задачи.
2. Сделайте вывод о проделанной работе.
Для транзистора КТ312А обратный ток коллектора Iк = 10 мкА при напряжении Uк = 15 В.
Определите обратное сопротивление коллекторного перехода постоянному току.
Для транзистора обратный ток коллектора Iк = 15 мкА при напряжении Uк = 20 В.
Определите обратное сопротивление коллекторного перехода постоянному току.
Контрольные вопросы.
1. Что такое транзистор?
2. Какой режим работы транзистора называется динамическим?
3. Что такое рабочая точка?
4. Какие параметры транзистора можно определить, зная рабочую точку на его характеристике?
5. Перечислите режимы работы транзистора.
Скачано с www.znanio.ru
Дата: 11 мая 2020г. Лекция по дисциплине: «Электротехника и электроника»
Точка пересечения нагрузочной прямой с одной из ветвей выходной статической характеристикой для заданного тока базы называется рабочей точкой транзистора
Определите обратное сопротивление коллекторного перехода постоянному току
Материалы на данной страницы взяты из открытых истончиков либо размещены пользователем в соответствии с договором-офертой сайта. Вы можете сообщить о нарушении.