Рабочая точка транзистора это

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_sinleft(<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.

КАК ПРАВИЛЬНО УСТАНОВИТЬ РАБОЧУЮ ТОЧКУ ТРАНЗИСТОРА

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.

Транзистор в роли усилителя

Для того, чтобы конкретно понять, как усиливает транзистор, рассмотрим схе­му, данную на рис. 22.2а, в которой в коллекторную цепь включено нагрузоч­ное сопротивление R = 2 кОм. На од­ном числовом примере покажем, что мощность (напряжение и ток) переменной составляющей на нагрузке больше, чем мощность на выходе.

Сначала рассмотрим схему, данную на рис. 22.2а. Здесь база транзистора соединена с эмиттером (IБ = 0), благо­даря чему при отсутствии сигнала транзистор закрыт и. (Для про­стоты пренебрегаем ничтожно малым токомIКЭК). Сопротивление коллек­тор-эмиттер любого закрытого тран­зистора велико, примерно 0,1- 1 Мом. МОм. Благодаря этому почти все напряжение батареи действует меж­ду коллектором и эмиттером (В), ), а падение напряжения на резисторе почти равно нулю().

Если теперь от источника переменного тока Е1 (рис. 22. 2б) подадим на вход напряжение 0,5 В, то оно вызовет сравнительно малый базовый ток IБ = 10 мкА.

Рабочая точка транзистора

Для того, чтобы транзистор выполнял роль усилителя, он должен быть по­ставлен в соответствующий режим по постоянному току и тогда можно по­дать на него входной сигнал. Основные величины, характеризующие режим постояного тока, следующие:

1.Напряжение управляющего пере­хода в режиме покоя. Называется еще базовым смещением и обозначается U ЭБп (здесь и далее „п“ озна­чает покой).

2. Базовый ток покоя IБп. Очевидно, он зависит от выбранного смещения базы U ЭБп и обе эти величины опреде­ляют т. н. рабочую точку транзистора на его входной характеристике (рис. 22.4).

  1. Коллекторный ток покояIКп. Как мы уже знаем, его величина в раз больше начального тока базы.
  2. Коллекторное напряжение покоя UКЭп. Оно не должно быть меньше 0,8-1 В, т.к. рис. при очень малых напряжениях базовый ток не управляет коллекторным током, т.е. транзистор перестает быть усилителем. Обе последние величины и определяют рабочую точку на выходных характеристиках транзистора (рис.22.5 а).

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 Iк0 и напряжения Uкэ0. Току Iк0 соответствуют определенные значения Iб0 и Uбэ0. Параметры Iк0, Iб0 и Uбэ0 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 Ек и конкретном значении Rб 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 Uбэ0, теплового тока коллекторного перехода I т.п. (Iк0 = Iб0 h21э + I т.п. , где (h21э — статический коэффициент усиления по току транзистора в схеме с общим эмиттером)и самого h21э. 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 Iд, протекающий через R2 невелик (Iд = (5 ÷10) Iб0 для каскадов предварительного усиления, Iд = (1 ÷ 5) Iб0 – для мощных оконечных каскадов). Это позволяет записать

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Усилитель на биполярном транзисторе

fon3

Сразу определимся, что обозначает термин «усилитель». Вот как это трактует Wikipedia: «Термин усилитель в своём первичном (основном) значении относится к преобразованию (увеличению, усилению) одной из характеристик исходного входного сигнала (будь то механическое движение, колебания звуковых частот, давление жидкости или поток света), при этом вид сигнала остаётся неизменным».
В нашем случае речь идет о том, что транзистор будет усилителем тогда, когда мощность сигнала, полученная на его выходе, больше мощности сигнала, поданной на его вход и при этом вид сигнала остается прежним.
При помощи транзисторов можно конструировать различные виды усилителей, но на практике наиболее чаще применяют линейные усилители, или усилители класса А. В них переменный выходной сигнал многократно увеличенный по мощности должен иметь ту же форму, что и входной, т.е. существует линейная зависимость.

Обычно в исcледовательских работах на вход усилителя на биполярном транзисторе подают синусоидальные колебания. Но звуковой (акустический) сигнал речи, музыки имеет более сложную форму в отличии от синусоидального. Можно ли простым синусоидальным сигналом протестировать реальный звуковой сигнал?
Можно, потому что самый сложный звуковой сигнал, согласно теореме Фурье, состоит из суммы большого числа других синусоидальных колебаний, представляющих собой частотный спектр. Если за основную частоту взять сигнал с частотой равной f1=440Гц, то в акустическом сигнале будут присутствовать, так называемые, вторая гармоника 2f1 с частотой вдвое большей основной частоты равной 2f1=880Гц, третья гармоника которая больше втрое больше основной частоты и равна 3f1=1320ГЦ и т.д. А тональность звука будет зависеть не только от частоты гармоник, а еще и от величин амплитуд отдельных гармоник.
Теоретически число гармоник может быть бесконечно велико, но практика показывает, что с увеличением порядкового номера гармоник их амплитуда уменьшается. Поэтому достаточно учесть только первые 5-7 гармоник, а остальными можно пренебречь из-за их незначительных амплитуд.
Так что, если усилитель хорошо усиливает несколько определенных частот спектра (включая самую низкую и самую высокую), то, очевидно, он хорошо усиливает и самое сложное колебание.

mikrofon

Но в усилителе на биполярном транзисторе во время работы на различных участках схемы действуют одновременно не только переменные но и постоянные напряжения. В результате в цепях протекают одновременно постоянный и переменный токи, или, как говорят, постоянная и переменная составляющие тока . И для того, чтобы разобраться, как появляются и чем отличаются эти токи, нужно определиться из чего состоит звуковой сигнал и как он преобразовывается в электрический сигнал.
Это сделаем на примере работы схемы с угольным микрофоном ( рис.1 ), где рассмотрим как преобразовывается акустический звук в электрический ток. В схеме присутствуют микрофон М , источник питания GB , сопротивление R , нагрузочное сопротивление Rн и разделительный конденсатор С .
Угольный микрофон представляет собой корпус в виде капсулы в котором к металлической мембране 1 прикреплен подвижный электрод 2 , а напротив — неподвижный электрод 6 . Между ними находится графитовый порошок 5 , который имеет свойство при изменении своей плотности изменять электрическое сопротивление.
По схеме в цепь микрофона последовательно включен гальванический элемент GB . Когда на микрофон не подается звук в микрофоной цепи протекает постоянный ток. При подаче звука мембрана микрофона колеблется, нажимая подвижным электродом то сильнее, то слабее на графитовые зерна, в зависимости от величины звукового давления. От этого меняется плотность порошка, а значит меняется и его сопротивление между электродами. Значит при большой величине звука мембрана уплотняет порошок и его сопротивление уменьшается, что приводит к увеличению тока через микрофон , а при малом звуке сопротивление увеличивается и ток на нагрузке уменьшается. В результате ток в цепи изменяется так же, как и колебания звука.
Следовательно, сам микрофон не является источником напряжения звуковой частоты, а только преобразовывает постоянное напряжение источника питания в электрический звуковой сигнал, величина усиления которого зависит от величины тока GB . А теперь эти электрические процессы рассмотрим на графиках ( рис.2 ).

При отсутствии звука в цепи микрофон М — сопротивление R — источник GB протекает постоянный микрофонный ток Iмо ( постоянная составляющая ) и на сопротивлении R образуется падение напряжения по постоянному току UR , а конденсатор С не пропускает постоянное напряжение. Поэтому на выходе нет напряжения.
При появлении звука в этой же цепи протекает уже ток, состоящий из постоянной составляющей тока Iмm и переменной составляющей тока с амплитудой URm . Переменная составляющая тока проходит через конденсатор и появляется на выходе. Ее амплитуда будет зависит от величины реактивного сопротивления конденсатора Xc и нагрузочного сопротивления Rн .
Из всего этого можно сделать следующие выводы:
— при отсутствии сигнала в цепях схемы присутствует только постоянная составляющая тока, создаваемая источником питания;
— при наличии сигнала в цепях существуют одновременно постоянная и переменная составляющие тока, при этом в один полупериод они имеют одно направление (потенциал) и суммируются, а в другой — противоположного направления и вычитаются.

А теперь,чтобы понять, как работает усилитель на биполярном транзисторе, рассмотрим уже конкретную схему на n-p-n транзиcторе КТ206А, в которой в коллекторную цепь включено нагрузочное сопротивление R= 2 кОм. И на этом примере покажем, что мощность (напряжение и ток) переменной составляющей тока на нагрузке больше, чем мощность на входе транзистора.
Сначала рассмотрим схему на рис.3 , где база транзистора соединена с эмиттером.
В этом случае транзистор закрыт и коллекторный ток Iк ≈ 0, т. к. сопротивление коллекторно — эмиттерного перехода велико (от 0,1 до 1МОм). Поэтому почти все напряжение источника тока GB2 падает на этом переходе (Uкэ ≈ 9В), а на резисторе падение напряжения почти равно нулю (UR ≈ 0).
При подаче на базу транзистора напряжение смещения 0,5 В от источника GB1 ( рис.4 ) появится небольшой базовый ток Iб = 10 μА, величину которого определяем по входной характеристике транзистора.
Данный транзистор имеет коэффициент усиления β = 100, поэтому коллекторный ток будет равен
Iк = β·Iб = 100·10 = 1000 μА = 1 mA.
Этот ток будет образовывать на сопротивлении R падение напряжения
UR = Iк·R =1·10ˉ³·2·10³ = 2 B,
а напряжение между коллектором и эмиттером будет равно разности между напряжением батареи GB2 и падением напряжения на сопротивлении UR : Uкэ = 9 — 2 = 7 B.
Теперь на вход усилителя на биполярном транзисторе от генератора Г подадим синусоидальный сигнал с амплитудой Uг = 20 mB и рассмотрим какой будет выходной сигнал при положительном и отрицательном полупериодах.

При положительном полупериоде ( рис.5 ) напряжение сигнала генератора (переменная составляющая тока) будет суммироваться с напряжением источника тока UGB1 (постоянная составляющая тока) и на входе будет действовать уже сумма напряжений:
Uбэ = UGB1+Uг =0,5+0,02 = 0,52 В.
Из входной характеристики транзистора находим базовый ток уже по напряжению смещения в 0,52. Он увеличится до Iб = 14 μА, а коллекторный ток будет
Iк = β·Iб = 100·14 = 1400μА = 1,4 mA,
который создаст падение напряжение на сопротивлении:
UR = Iк·R = 1,4·10ˉ³·2·10³ = 2,8 B,
а напряжение коллектор — эмиттер будет равен
Uкэ = UGB2 — UR =9 -2,8 =6,2 B.

При отрицательном полупериоде ( рис.6 ) напряжение генератора будет вычитаться из напряжения источника тока GB1 и на входе транзистора будет напряжение равное
Uбэ = UGB1 — Uг =0,5 — 0,02 = 0,48 В.
Из входной характеристики при таком значении Uбэ базовый ток равен Iб = 6 μА, значить коллекторный ток будет
Iк = β·Iб = 100·6 = 600 μА = 0,6 mA. Падение напряжение на R:
UR = Iк·R = 0,6·10ˉ³·2·10³ = 1,2 B,
а напряжение на к-э переходе:
Uкэ = UGB2 — UR = 9 — 1,2 = 7,8 B. Если сравнить оба состояния ( рис.5,6 ) при подаче сигнала с генератора и с состоянием без входного сигнала ( рис.4 ) можно сделать следующие выводы :
1. При отсутствии сигнала (состояние покоя) на базе транзистора напряжение равно 0,5 В и базовый ток — 10 μА.
Коллекторный ток равен 1 mA, падение напряжение (постоянная составляющая) на нагрузочном сопротивлении равно 2 В, а напряжение на коллекторе -7 В.
2. При подаче входного сигнала амплитуда переменной составляющей базового тока будет равна увеличению базового тока Iб сиг — Iб пок = 14 — 10 = 4 μА, а амплитуда переменного коллекторного тока равна увеличению этого тока Iк сиг — Iк пок = 1,4 — 1 = 0,4 mA.
Следовательно коэффициент усиления транзистора по току, включенный как в данной схеме, равен:
Кi = Iвых/Iвх = 0,4·10ˉ³/0,004·10ˉ³ = 100.
3. При подаче сигнала на усилитель на нагрузочном сопротивлении напряжение увеличивается, по сравнению с напряжением в состоянии покоя, на URсиг — URпок = 2,8 — 2 = 0,8 В.
Это и будет величиной амплитуды выходного сигнала усилителя на биполярном транзисторе. А так как входной сигнал от генератора имеет амплитуду 20 mB, то коэффициент усиления по напряжению будет
Кu = Uвых/Uвх = 0,8/20·10ˉ³ = 40.
Теперь можно определить коэффициент усиления по мощности:
Кр = Кu· Кi = 40·100 = 4000.

Рабочая точка транзистора

Чтобы транзистор работал как усилитель для него выбираются такие параметры по постоянному току, которые обеспечивали бы нормальный режим усиления при подаче входного сигнала.
Перечислим эти необходимые параметры:
1. Напряжение смещения на базе транзистора в режиме покоя называемое Uэбп или Uбэп .
2. Базовый ток покоя Iбп . Он зависит от напряжения смещения Uбэп и они определяют рабочую точку транзистора на его входной характеристике ( рис.7,8 ).
3. Коллекторный ток покоя Iкп , который в β раз больше базового тока покоя.
4. Коллекторное напряжение покоя Uкэп не должно быть меньше 0,8 — 1 В, т.к. при очень малых коллекторных напряжениях базовый ток не управляет коллекторным током, потому что в этом интервале характеристики сливаются в одну линию. На рис.9 этот интервал равен Uо ст .
5. Коллекторные напряжение Uкэп и ток Iкп покоя определяют рабочую точку транзистора на его выходных характеристиках ( рис.9 ).

Если выбрана определенная рабочая точка, то все эти параметры не могут быть произвольными, а связаны между собой и характеризуют только эту рабочую точку транзистора. Это наглядно видно на рис.10 на котором отражены входные, выходные характеристики и характеристика прямой передачи по току, которая представляет собой связь между входным и выходным токами транзистора ( см. «Статические характеристики прямой передачи по току»).
Масштабы величин любых двух соседних характеристик должны быть одинаковы.
На выходных характеристиках изображена рабочая точка транзистора А , с параметрами Iкп = 1 mA и Uкэп = -4,5 В.
Проектируем эту точку на остальные характеристики.
Получается, что чтобы иметь Iкп = 1 mA, надо чтобы ток Iбп = 20 μА был при напряжении смещения Uэбп = 0,15 В.

Одной из важных задач при проектировании транзисторных схем является правильный выбор рабочей точки транзистора.
При подаче определенного напряжения смещения мы этим определяем рабочую точку на входной характеристике, а значит, тем самым определяется базовый и коллекторный токи покоя.
Но когда на вход подается переменное напряжение сигнала ( рис.11 ) напряжение смещения становится то больше, то меньше в зависимости от формы сигнала и рабочая точка А колеблется в интервале между точками 1 и 2 .
Это приводит к колебанию базового, и, соответственно, коллекторного токов. Появляется на входе и выходе переменные составляющие токов с амплитудами Iбm и Iкm . И здесь важно определить величину напряжения смещения в зависимости от амплитуды входного сигнала.
На рис.12 показано как при малом напряжении смещения из двух синусоидальных сигналов с разными по величине амплитудами без искажений усилится только слабый сигнал, а сильный сигнал «обрежется».
А на рис.13 выбрана рабочая точка транзистора Б с бОльшим напряжением смещения и все сигналы усилились без искажений.
Кажется, что из этого можно сделать вывод, что лучше выбрать рабочую точку с большим напряжением смещения, чем морочить голову рассчитывая рабочие точки для каждого каскада в зависимости от величины амплитуды входного сигнала.
Но это так кажется. При выборе бОльшего базового тока входное сопротивление транзистора, которое равно отношению малого изменения напряжения на базе ∆Uб к вызываемому им изменению тока базы ∆Iб ( Rвх = ∆Uб/∆Iб ), уменьшается и возрастает нагрузка по переменному току предыдущего каскада,что приводит к уменьшению его усиления.
На рис.8 приведен пример, как изменяется входное сопротивление от выбора рабочей точки. Точка В находится в начале входной характеристики транзистора с небольшой крутизной. Выберем интервал напряжения на базе от 0,4 до 0,5 вольт. Тогда изменение базового тока будет от 5 до 13 μА. Рассчитаем входное сопротивление:
∆Uб = 0,5-0,4 = 0,1 В; ∆Iб = 13-5 = 8 μА;
Rвх = 0,1/0,008·10ˉ³ = 12,5·10³ Ом = 12,5 кОм.
В точке Б крутизна характеристики больше и в интервале базового напряжения ∆Uб = 0,65-0,55 = 0,1 В будет следующие приращение тока
∆Iб = 68-23 = 45 μА.
Тогда входное сопротивление равно:
Rвх = 0,1/045·10ˉ³ = 2,2·10³ Ом = 2,2 кОм.
В качестве примера бралась входная характеристика маломощного транзистора и поэтому сопротивления хоть и отличаются, но величина их довольно большая.
В транзисторах средней и большой мощности коллекторные напряжения и базовые токи побольше, а входные сопротивления, соответственно, поменьше. Они будут в пределах десятков — сотен Ом, которые могут уже существенно увеличивать нагрузку предыдущего каскада, что может привести к искажению его выходного сигнала.

Выбор рабочей точки транзистора находится в тесной зависимости от амплитуды усиливаемого сигнала.
Например, рабочая точка А ( рис.14 ) выбрана правильно для малого сигнала.
Рабочая точка Б подходит для большого сигнала, а для малого сигнала этот режим не экономичен, т.к. транзистор из-за повышенного базового тока покоя и, соответственно повышенного начального коллекторного тока, будет потреблять больше энергии источника тока.

Транзистор может использоваться не только как линейный усилитель, но и в качестве нелинейного усилителя у которого выходной сигнал отличается от входного.
Поэтому различают несколько классов усиления. Практически этого добиваются путем выбора рабочей точки.

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий