Способы фиксации рабочей точки

Методы задания рабочего режима (рабочей точки) активного элемента и его стабилизация.

В предыдущей схеме рабочая точка БТ задавалась двумя источниками ЭДС. Применять два источника напряжения не целесообразно т.к. это отдельные устройства и требуют дополнительных затрат. Для создания рабочей точки транзистора обычно используют источник Ек, а рабочую точку на базе задают с помощью резисторов путем задания необходимого тока базы или напряжения база-эмиттер. Рассмотрим основные схемы.

1) Схема с фиксированным током базы I_б.рт..

В этой схеме рабочая точка задается током базы I_б.рт..

Его величина задается сопротивлением резистора R_б. Его величина выбирается из соотношения

а величина резистора Rк выбирается из соотношения

Преимущество схемы: простота схемы.

Недостаток: рабочая точка, т.е. U_{кэ рт} сильно зависит от температуры окружающей среды и параметров конкретного транзистора.

2.) Схема с резистивным делителем в цепи базы.

В этой схеме — R₁, R₂ – резистивный делитель цепи базы, с его помощью задается необходимая величина U_{бэ рт}. (Он делит напряжение Е_к и получает необходимое напряжение на базе).

3.) Схема с эмиттерной стабилизацией рабочей точки.

R_Э – сопротивление эмиттерной цепи, с его помощью создается отрицательная обратная связь, которая стабилизирует положение рабочей точки. Схема работает так. С возрастанием температуры окружающей реды I_К.РТ возрастает, это приводит к тому, что U_КЭ.РТ уменьшается. Так происходило бы, если бы не было R_Э, а с R_Э происходит так. С возрастанием температуры I_К.РТ возрастает (U_К.РТ должно бы уменьшаться, но) I_Э.РТ»I_К.РТ, при этом U_RЭ возрастает, а U_БЭ.РТ=(U_Б1-U_RЭ) уменьшается, уменьшение этого напряжения эквивалентно уменьшению I_Б.РТ, что приводит к тому, что I_k0 уменьшается, а Uкэ остается постоянным, т. е. U_КЭ.РТ = const.

4.) Схема с коллекторной стабилизацией рабочей точки.

В этой схеме рабочая точка задается током в цепи базы который возникает за счет обратной связи. Благодаря ему происходит стабилизация выходного напряжения при изменении температуры окружающей среды.

Источник

Понятие рабочей точки. Основные способы подачи смещения во входные цепи транзисторов

Для нормальной работы усилительного каскада необходимо выбрать и задать для транзистора в усилительном каскаде определенный режим работы по постоянному току, который определяется значениями постоянного тока I_к0 и напряжения U_кэ0. Току I_к0 соответствуют определенные значения I_б0 и U_бэ0. Параметры I_к0, I_б0 и U_бэ0 задают на вольт-амперных характеристиках транзистора точку, которая называется рабочей точкой или точкой покоя.

В транзисторах резисторных каскадов предварительного усиления между входными электродами (базой — эмиттером (коллектором) или затвором -истоком (стоком)) подают небольшое постоянное напряжение – напряжение смещения. Его величина составляет для германиевых транзисторов (0,1 ¸ 0,5) В, для кремниевых – (0,2 ¸ 1,0) В.

В приведенной ранее на рис.1 схеме усилительного каскада используются два источника постоянного напряжения, это неудобно с конструктивной точки зрения. Более практичны схемы с одним источником питания. Напряжение смещения обычно подается от того же источника, от которого питается и выходная цепь транзистора. Существуют два основных способа подачи смещения: фиксированным током и фиксированным напряжением.

Подача смещения фиксированным током базы

Простейшая схема усилителя с ОЭ, называемая схемой с фиксированным током базы (рис.3а), содержит всего три пассивных элемента: , , .

С резистора снимается усиленное выходное напряжение, резистор служит для создания смещения на базе транзистора (для создания необходимого напряжения между базой и эмиттером), а конденсатор (разделительный) вводят в схему для предотвращения падения постоянного напряжения из внешних цепей на базу транзистора. В отсутствии сигнала:

В связи с тем, что ток базы очень резко возрастает, при увеличении напряжения в любом транзисторе (рис.3б), можно принять, что для германиевых транзисторов , для кремниевых , а для арсенидгаллиевых .

На практике вместо выражения (1) часто пользуются более простым соотношением:

т.е, при фиксированном напряжении питания Е_к и конкретном значении R_б ток базы имеет фиксированное значение.

Работа реальной схемы с фиксированным током базы оказывается неудовлетворительной из-за нестабильного положения рабочей точки транзистора. Главными причинами, влияющими на положение рабочей точки, являются изменения температуры окружающей среды, вызывающее изменения напряжения U_бэ0, теплового тока коллекторного перехода I_т.п. (I_к0 = I_б0 h_21э + I_т.п., где (h_21э — статический коэффициент усиления по току транзистора в схеме с общим эмиттером)и самого h_21э. При изменении температуры от -40 до +40 0 С напряжение коллектора и коллекторный ток изменяются примерно в 1,4…1,5 раза. Лучшую стабильность рабочей точки обеспечивает схема подачи смещения фиксированным напряжением база-эмиттер.

Подача смещения фиксированным напряжением база-эмиттер

Напряжение смещение подается через делитель R1 – R2 (рис. 4).

R2 выбирается по величине гораздо меньшим, чем входное сопротивление транзистора, так что ток I_д, протекающий через R2 невелик (I_д = (5 ÷10) I_б0 для каскадов предварительного усиления, I_д = (1 ÷ 5) I_б0 – для мощных оконечных каскадов). Это позволяет записать

Источник

Рабочая точка

Когда рисуется линия, соединяющая точки насыщения и обрезания, такую ​​линию можно назвать линией загрузки . Эта линия, проведенная над кривой выходной характеристики, вступает в контакт в точке, называемой рабочей точкой .

Эта рабочая точка также называется точкой покоя или просто Q-точкой . Таких точек пересечения может быть много, но точка Q выбирается таким образом, что независимо от размаха сигнала переменного тока транзистор остается в активной области.

На следующем графике показано, как представить рабочую точку.

Рабочая точка не должна быть нарушена, поскольку она должна оставаться стабильной для достижения точного усиления. Следовательно, точка покоя или Q-точка — это значение, при котором достигается верное усиление .

Верное Усиление

Процесс увеличения силы сигнала называется усилением . Это усиление, когда оно выполняется без потерь в компонентах сигнала, называется точным усилением .

Достоверное усиление — это процесс получения полных порций входного сигнала за счет увеличения уровня сигнала. Это делается, когда на его вход подается сигнал переменного тока.

На приведенном выше графике входной сигнал полностью усиливается и воспроизводится без потерь. Это можно понимать как верное усиление .

Рабочая точка выбрана таким образом, чтобы она находилась в активной области и помогала воспроизводить полный сигнал без потерь.

Если рабочая точка считается вблизи точки насыщения, то усиление будет таким же, как при.

Если рабочая точка считается близкой к точке среза, то усиление будет таким же, как при.

Следовательно, расположение рабочей точки является важным фактором для достижения точного усиления. Но для того, чтобы транзистор функционировал должным образом в качестве усилителя, его входная схема (т. Е. Соединение база-эмиттер) остается смещенной в прямом направлении, а его выходная цепь (т.е. соединение коллектор-база) остается смещенной в обратном направлении.

Таким образом, усиленный сигнал содержит ту же информацию, что и во входном сигнале, тогда как мощность сигнала увеличивается.

Ключевые факторы для верного усиления

Чтобы обеспечить точное усиление, должны быть выполнены следующие основные условия.

• Собственный нулевой ток коллектора
• Минимальное правильное напряжение базы-эмиттера (V _BE ) в любой момент.
• Минимальное правильное напряжение коллектор-эмиттер (V _CE ) в любой момент.

Выполнение этих условий гарантирует, что транзистор работает над активной областью, имеющей прямое смещение входа и обратное смещение выхода.

Собственный ток коллектора нулевого сигнала

Чтобы понять это, давайте рассмотрим схему NPN-транзистора, как показано на рисунке ниже. Соединение база-эмиттер смещено вперед, а соединение коллектор-эмиттер смещено обратно. Когда сигнал подается на вход, переход база-эмиттер NPN-транзистора смещается вперед для положительного полупериода входа и, следовательно, он появляется на выходе.

Для отрицательного полупериода тот же самый переход становится обратным смещением, и, следовательно, цепь не проводит. Это приводит к неверному усилению, как показано на рисунке ниже.

Давайте теперь введем аккумулятор V _BB в базовую цепь. Величина этого напряжения должна быть такой, чтобы переход база-эмиттер транзистора оставался в прямом смещении даже для отрицательного полупериода входного сигнала. Когда входной сигнал не подается, в цепи течет постоянный ток из-за V _BB . Это известно как нулевой ток коллектора сигнала I _C.

Во время положительного полупериода входа, соединение база-эмиттер более смещено вперед, и, следовательно, ток коллектора увеличивается. Во время отрицательного полупериода входа входное соединение меньше смещено вперед и, следовательно, ток коллектора уменьшается. Следовательно, оба выходных цикла появляются на выходе и, следовательно, точные результаты усиления , как показано на рисунке ниже.

Следовательно, для точного усиления должен протекать ток коллектора нулевого сигнала. Значение нулевого тока коллектора сигнала должно быть, по крайней мере, равно максимальному току коллектора только из-за сигнала.

Правильный минимум V _BE в любой момент

Минимальное напряжение базы-эмиттера V _BE должно быть больше, чем напряжение включения для прямого смещения соединения. Минимальное напряжение, необходимое для проводимости кремниевого транзистора, составляет 0,7 В, а для германиевого транзистора — 0,5 В. Если напряжение V _BE базового эмиттера больше этого напряжения, потенциальный барьер преодолевается, и, следовательно, ток базы и токи коллектора резко возрастают.

Следовательно, если V _BE падает для любой части входного сигнала, эта часть будет усилена в меньшей степени из-за результирующего малого тока коллектора, что приводит к неверному усилению.

Правильный минимум V _CE в любой момент

Чтобы добиться точного усиления, напряжение эмиттера коллектора V _CE не должно опускаться ниже напряжения включения, которое называется напряжением на колене . Если V _CE меньше напряжения колена, основание коллектора коллектора не будет правильно смещено в обратном направлении. Тогда коллектор не сможет притягивать электроны, испускаемые эмиттером, и они будут течь к основанию, что увеличивает базовый ток. Таким образом, значение β падает.

Следовательно, если значение V _CE падает для какой-либо части входного сигнала, эта часть будет умножена в меньшей степени, что приведет к неверному усилению. Таким образом, если V _CE больше, чем V _KNEE, соединение коллектор-база правильно смещено обратно, и значение β остается постоянным, что приводит к точному усилению.

Источник