И. Хабловски - Электроника в вопросах и ответах
Рассеиваемая в транзисторе мощность (мощность потерь) определяется как произведение тока на напряжение коллектора (стока) в рабочей точке: Р = Iк·Uк. Выделение мощности в транзисторе вызывает увеличение его температуры, что приводит к изменению параметров, а в случае превышения допустимых границ может вызвать порчу транзистора.
Примерный вид характеристик транзистора с указанием ограничений при выборе рабочей точки представлен на рис. 4.27.
Рис. 4.27. Выходные характеристики полевого транзистора с областью выбора на них рабочей точки:
1 — допустимая область работы; 2 — ограничение из-за нелинейности; 3 — ограничение из-за максимальной мощности потерь Рпот = Iс·Uси; 4 — ограниченно по напряжению из-за пробоя
Как влияет температура на свойства транзистора и положение рабочей точки?
Температура транзистора значительно сильнее влияет на параметры биполярных транзисторов, чем полевых. В разной степени изменению подвержена все параметры. Особенно заметен рост коэффициента h21э при увеличении температуры, а также рост обратных токов, например ток Iкбо для кремниевых транзисторов удваивается при повышении температуры на 6 °C.
Полевой транзистор обладает меньшей зависимостью от температуры, однако четко прослеживается убывание тока Iс при увеличении температуры.
Примерный вид характеристик биполярного транзистора для разных температур представлен на рис. 4.28.
Рис. 4.28. Характеристики биполярного транзистора при 25 и 105 °C
Зависимость параметров транзистора от температуры, а следовательно, изменение токов вызывают меньшие или большие изменения положения рабочей точки. Может случиться, что под влиянием температуры рабочая точка сместится так, что появятся сильные искажения или будет превышена максимальная мощность потерь.
Для предотвращения подобных явлений часто прибегают к использованию схем стабилизации рабочей точки.
Что такое схемы питания транзисторов?
Это схемы, обеспечивающие соответствующие постоянные напряжения на электродах транзистора, т. е. устанавливающие заранее выбранную рабочую точку, называемую статической или в состоянии покоя. Схемы питания содержат источники напряжений и цепи, через которые эти напряжения подводятся к транзистору, например цепи резистивных делителей напряжения.
Подача напряжений через делители позволяет: обеспечить на электроде транзистора требуемое напряжение при использовании источника с постоянным напряжением питания, питать все электроды данного транзистора или схемы, состоящей из ряда транзисторов, от одного общего источника, обеспечить подбор сопротивления источника, «видимого» со стороны транзистора. Обычно источник питающего напряжения имеет малое внутреннее сопротивление, которое, будучи подключено ко входу транзистора, нагружает дополнительно источник управляющего сигнала. Для предотвращения этих нежелательных явлений между источником и электродами транзистора используют резисторы.
Какие самые простые схемы питания транзисторов?
Проще всего обеспечить установку рабочей точки транзистора, т. е. подать на его электроды смещение, если соединить соответствующие электроды с источником напряжения посредством отдельных резисторов (рис. 4.29).
Рис. 4.29. Простейшие схемы питания транзистора, включенного по схеме с ОБ (а) и ОЭ (б)
Для схемы ОБ (рис. 4.29, а) для входной цепи имеем
Eэ — Iэ·Rэ — Uэб = 0
Из этой зависимости при заданном Еэ и определенном (для выбранной рабочей точки) токе Iэ можно определить сопротивление резистора Rэ, необходимое для смещения перехода эмиттер — база, соответствующее рабочей точке. Для кремниевых транзисторов можно принять Uэб = 0,7 В.
Для схемы ОЭ (рис. 4.29, б) для входной цепи имеем следующую зависимость:
Eб — Iб·Rб — Uбэ = 0
Для определения сопротивления резистора Rб ток Iб определяют из характеристик транзистора для заданной рабочей точки либо из следующих соотношений:
Iб = Iк/h21э; Iб = Iэ/1 + h21э
Можно использовать более простое решение, показанное рис. 4.30, для которого достаточно одного источника питания.
Рис. 4.30. Схема питания транзистора с ОЭ при использовании одного источника
Для схемы ОБ (рис. 4.29, а) имеём:
Eк — Iк·Rк — Uкб = 0
для схемы ОЭ (рис. 4.29, б)
Eк — Iк·Rк — Uкэ = 0
Какие существуют схемы питания транзисторов с делителем напряжения?
Часто совместно с источником напряжения питания используется делитель из резисторов, обеспечивающий большую свободу при проектировании всей схемы смещения транзистора. Пример подачи смещения на МОП транзистор показан на рис. 4.31.
Рис. 4.31. Схема питания для полевого МОП транзистора с использованием делителя напряжения
Резисторы R1 и R2 делителя в этом случае выбираются таким образом, чтобы получить требуемое Uзи, определяемое формулой
Эту же самую схему смещения можно применить также в случае биполярного транзистора, однако на практике при этом добавляются одновременно схемы стабилизации рабочей точки.
Что такое схемы стабилизации рабочей точки?
Это схемы, уменьшающие влияние изменений тока Iкбо коэффициента h21э на ток коллектора Iк. Например, изменение тока Iкбо вызывает изменение полного тока, протекающего в цепи коллектора, и в результате происходит смещение рабочей точки транзистора, это в свою очередь влечет за собой изменение входного и выходного сопротивлений, изменение ширины полосы, нелинейных искажений, мощности потерь в транзисторе.
Изменение значений Iкбо и h21э наблюдается под влиянием температуры транзистора, которая зависит как от температуры окружающей среды, так и от электрической мощности, выделяемой в транзисторе.
Схемы стабилизации обычно соединены со схемами питания транзистора, образуя чаще всего общую схему питания и стабилизации. Рассматриваемые до сих пор схемы питания не обеспечивали стабилизации рабочей точки транзистора. Эффективность стабилизации подсчитывают с помощью коэффициентов стабилизации Sст, определяемых обычно как отношение приращения тока или стабилизированного напряжения к приращению тока Iкбо или коэффициента h21э, вызванного ростом температуры, например
Sст = ΔIк/ΔIкбо
Для простой схемы питания (без стабилизации) с учетом того, что Iк = h21эIб + (h21э + 1)·Iкбо имеем Sст = h21э + 1, т. е. Sст составляет десятки единиц, тогда как при идеальной стабилизации Sст = 1.
На основе рассмотрения многих схем можно показать, что на практике стабилизация чаще всего сводится к поддержанию постоянных значений тока Iк и напряжения Uкэ.
Дополнительный выигрыш от использования большинства схем, стабилизирующих рабочую точку транзистора, является уменьшение влияния разброса параметров, имеющего место для отдельных экземпляров транзисторов одного типа, на работу транзисторной схемы.
Чем характеризуется схема питания со стабилизацией в цепи эмиттера?
На рис. 4.32 представлена схема питания со стабилизацией в виде резистора, включенного в цепь эмиттера. В схеме без резистора рост тока вызывает увеличение тока в цепи коллектора и увеличение падения напряжения на резисторе, находящемся в цепи базы, что вызывает более положительное смещение перехода и дальнейший рост токов эмиттера и коллектора. Введение резистора в цепь эмиттера препятствует росту токов, поскольку мгновенный рост тока вызывает увеличение падения напряжения на этом резисторе, а следовательно, увеличение напряжения, смещающего переход в непроводящем направлении. Это в свою очередь ведет к уменьшению роста тока и, следовательно, к его стабилизации на некотором, почти постоянном уровне.
