Что такое рабочая точка транзистора

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.

3. Определение положения рабочей точки.

Рабочая точка есть точка С, расположенная на нагрузочной линии, характеризующаяся значениями I_С и U_С, которые определяют напряжение и ток коллектора в статическом режиме работы усилителя (в отсутствии входного сигнала). Положение рабочей точки определяется тем, кто рассчитывает усилитель, исходя из следующих соображений:

1. Если мы хотим получить на выходе максимальное выходное напряжение U_вых, то положение рабочей точки С выбирается в середине рабочего участка нагрузочной линии. При таком положении точки С она оказывается расположенной в середине интервала напряжения DU_K, а так как изменение U_K соответствует изменению выходного напряжения, то в DU_K укладывается полный выходной сигнал, и соответствуетU_ампл. выходного сигнала.

2. Во всех остальных случаях рабочая точка С смещается в направлении точки В. При этом выходной сигнал уменьшается. Смещение точки С в направлении точки В обуславливает минимальное потребление электроэнергии в статическом режиме работы.

Пусть положение точки С выбирается из условия получения максимального выходного сигнала (в середине рабочей области нагрузочной линии). Определяем для С значения I_KС и U_KС (Рис. 8), эти значения определяют статический режим работы усилителя. Таким образом, мы при выполнении 1, 2 и 3 этапов определили R_Н, U_KC, I_KC, DI_K, DU_K.

4. Перенос рабочей точки с на семейство входных характеристик.

Так как нагрузочная линия пересекает выходные характеристики, а каждая выходная характеристика определяется для конкретного тока базы, то каждая из точек пересечения соответствует определенному значению тока базы. Это позволяет проградуировать нагрузочную линию в значениях тока базы и рассматривать её как ось тока базы

Введя ось тока базы, мы можем определить значение I_б, соответствующее точке С.

Определим значение I_бС.

Перейдем к рассмотрению семейства входных характеристик (Рис. 9).

Осуществим перенос рабочей точки С на семейство входных характеристик. Для этого на оси тока базы отметим значение тока базы, соответствующее I_бС. Проведем через точку, соответствующую I_бС, прямую, параллельную оси U_бэ.

Эта прямая пересечет семейство входных характеристик. Каждая входная характеристика определялась для конкретного значения U_К, следовательно точки пересечения прямой линии и входных характеристик будут соответствовать конкретным значениям U_к, что позволяет совместить прямую с осью напряжений на коллекторе. На этой проградуированной оси отметим точку, соответствующую U_кС. Эта точка и будет точкой С. Перенесем таким же образом точки А и В на входные характеристики и построим по ним нагрузочную линию (Рис. 10). Она не обязательно будет прямой линией. Следует не забывать, что транзистор — нелинейный прибор.

Определим для точки С напряжениеU_бэС.

5. Расчет делителя на входе усилителя.

Будем исходить из допущения, что

Тогда общее сопротивление R делителя определится:

, током базы можно пренебречь.

R₁=R-R₂

6. Моделирование работы усилителя.

Проведем моделирование работы усилителя на основе биполярного транзистора.

Будем предполагать, что рассматривается схема усилителя, рассмотренная перед этим. Нам даны семейства входных и выходных характеристик для биполярного транзистора, используемого в схеме усилителя. Входной сигнал описывается соотношением:

Будем полагать, что входной сигнал представляет собой идеальную синусоиду.

Пусть амплитудное значение равно 1 или 10, тогда U_вых»sinj, а синусоиду построить достаточно легко, воспользовавшись табличными значениями sinj.

Обратимся к семейству входных характеристик. На семействе входных характеристик построена нагрузочная линия АСВ. Проведем через точку С прямую, перпендикулярную к оси U_бэ, и продолжим её вниз. Построенная линия будет представлять собой ось времени t, на которой мы построим нашу синусоиду.

Полный период синусоиды состоит из положительного и отрицательного полупериодов и соответствует или 360 0 . Разобьем каждый полупериод на участки относительно оси t, равные 15 0 , и спроецируем точки синусоиды, соответствующие этим значениям, на нагрузочную линию.

Построим дополнительную ось t | , проводя через точку С линию, параллельную оси U_бэ. На этой оси за осью I_б выделим участки, соответствующие 15 0 периода входного сигнала. Они должны равными интервалам 15 0 на оси t. Проведем через каждую точку линии, перпендикулярные оси t | . После этого через точки, лежащие на нагрузочной линии (точки проецирования), проведем линии, параллельные оси t | , до пересечения с вспомогательными линиями, построенными к оси t | . По точкам пересечения построим синусоиду. Построенная синусоида может отличаться от синусоиды входного сигнала, так как транзистор все же нелинейный прибор и об этом нельзя забывать. Построенная синусоида показывает, как изменяется ток базы при изменении входного сигнала (Рис. 11).

На втором этапе моделирования входной сигнал (синусоиду тока базы) нужно перенести на семейство выходных характеристик. Для этого проделаем некоторую предварительную работу.

Воспользуемся тем, что нагрузочная прямая может быть представлена осью тока базы. Градуировка оси I_б достаточно проста. Каждая кривая I_б=f(U_б) соответствует конкретному значению I_б, и точка пересечения с линией нагрузки соответствует этому значению I_б.

Проведем через точку С ось t || , перпендикулярную к оси I_б и перенесем на неё синусоиду тока базы с семейства входных характеристик. При переносе следует не забывать, что мы переносим не её геометрический образ, а значения токов базы.

Строим вспомогательную ось t ||| , проходящую через точку С, параллельную оси U_К, и проецируем на неё построенную синусоиду, используя прямую нагрузки как вспомогательную ось. Вся процедура моделирования показана на рисунках 11 и 12.

Заочники пользуются данными методическими указаниями при выполнении контрольной работы №1. По таблицам строятся семейства входных и выходных характеристик. Определяются значения h₁₁иh₂₁. Значение К_u соответствует двум последним цифрам номера зачетки. Расчет проводится в соответствии с указаниями, включая моделирование работы УНЧ.

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.

8.4.2 Выбор рабочей точки и графический анализ

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

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

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

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

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

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

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

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

© Андреевская Т.М., РЭ, МГИЭМ, 2004