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:

где

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-транзиетор. 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.

Вопросы

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?