Введение
Для нормальной работы биполярного транзистора необходимо подключить напряжение питания \(E_п\) и при отсутствии входного сигнала установить на его электродах определенные токи и напряжения. Такой режим работы транзистора называется статическим (режимом по постоянному току, или режимом покоя).
Способы обеспечения статического режима работы транзистора
Для обеспечения статического режима работы транзистора используются три основных способа:
- с помощью автономного источника питания;
- с помощью делителя напряжения;
- с помощью отрицательных обратных связей.
Обеспечение статического режима работы транзистора с помощью автономного источника питания
На рис. 1 приведена схема усилителя на биполярном транзисторе \(n\)-\(p\)-\(n\)-типа, включенного по схеме с общим эмиттером, в котором статический режим работы обеспечивается с помощью автономного источника питания.
Главная особенность этой схемы заключается в использовании отдельного источника питания (\(E_{см}\)), включенного во входной контур биполярного транзистора, для обеспечения статического режима работы транзистора.
Достоинства и недостатки
Достоинство данного способа — возможность изменяя величину \(E_{см}\) обеспечить любой режим работы транзистора:
- режим отсечки (НЗС);
- активный режим (ЛР);
- режим насыщения (НОС).
Недостаток данного способа — обеспечение режима работы требует наличия дополнительного источника питания. Поэтому он находит ограниченное применение, как в аналоговой, так и цифровой схемотехнике.
По этой причине рассмотрим более подробно второй и третий способы.
Обеспечение статического режима работы транзистора с помощью делителя напряжения
Особенность данного способа заключается в том, что для обеспечения статического режима работы транзистора используется только один источник питания \(E_п\). Существует две схемы, реализующие данный способ, — с фиксацией напряжения на базе (рис. 2, \(а\)) и с фиксацией тока базы (рис. 2, \(б\)).
\(а\) — с фиксацией напряжения на базе; \(б\) — с фиксацией тока базы
Схема с фиксацией напряжения на базе транзистора
Определить ток и падение напряжения на транзисторе (а тем самым определить режим работы) можно аналитическим и графоаналитическим методами. Последний метод широко распространен в электронике в связи с тем, что позволяет проводить расчеты с помощью характеристик электронного прибора, которые приведены в справочной литературе.
Методика определения режима работы
Для этой схемы включает в себя следующие пункты:
1. Определение напряжения на базе транзистора
Для определения режима работы транзистора необходимо определить напряжение на базе транзистора \(U_{бэ}\). Для электрической схемы, представленной на рис. 2, \(а\), справедливо следующее соотношение:
2. Определение тока базы
По найденному значению напряжения \(U_{бэ}\), используя статическую входную характеристику, определяют величину тока базы \(I_б\) (рис. 3).
3. Построение нагрузочной прямой и определение тока коллектора
Для нахождения тока коллектора \(I_к\) на семействе выходных характеристик биполярного транзистора (рис. 4) построим график уравнения отрезка прямой \(I_к = (E_п - U_{кэ})/R_н\) по двум точкам:
- при \(I_к = 0\), \(U_{кэ} = E_п\) — первая точка графика;
- при \(U_{кэ} = 0\), \(I_к = E_п/R_н\) — вторая точка графика.
Точка пересечения построенной линии (линии нагрузки) с характеристикой, соответствующей току покоя базы, покажет значение тока и напряжения на коллекторе транзистора в статическом режиме.
4. Определение режима работы
Таким образом, режим работы транзистора при заданной величине сопротивления резистора \(R_н\) определяется током базы \(I_б\), который в свою очередь зависит от величины сопротивления резисторов \(R_1\) и \(R_2\).
Если ток базы \(I_б > I_{бн}\), то транзистор находится в режиме насыщения (точка Б, рис. 4), если \(I_{бн} > I_б > I_{кбо}\) — в линейном режиме (например точка А, рис. 4).
Пример 1
Используя входную и выходную ВАХ биполярного транзистора (рис. 5), определить напряжение на коллекторе (\(U_{кэ}\)) биполярного транзистора в электрической схеме на рис. 6 и режим работы биполярного транзистора в исходном состоянии, если величина сопротивления резисторов \(R_1\) составляет 30 кОм, и \(R_2\) составляет 1,8 кОм, \(R_к\) составляет 720 Ом.
\(а\) — входная характеристика; \(б\) — выходные характеристики
Решение
1. Определение напряжения на базе транзистора \(U_{бэ}\):
2. Определение тока базы \(I_б\):
По найденному значению напряжения \(U_{бэ}\), используя статическую входную характеристику, определяем величину тока базы \(I_б = 0.2 \, \text{мА}\) (рис. 5, \(а\)).
3. Построение нагрузочной прямой:
На семействе выходных характеристик биполярного транзистора (рис. 5, \(б\)) построим график уравнения отрезка прямой \(I_к = (E_п - U_{кэ})/R_н\):
- при \(I_к = 0\); \(U_{кэ} = E_п = 10 \, \text{В}\) — первая точка графика;
- при \(U_{кэ} = 0\); \(I_к = E_п/R_к = 14 \, \text{мА}\) — вторая точка графика.
4. Определение координат рабочей точки:
Точка пересечения построенной линии (линии нагрузки) с характеристикой, соответствующей току покоя базы \(I_б = 0.2 \, \text{мА}\), имеет координаты \(I_к = 4.0 \, \text{мА}\), \(U_{кэ} = 7 \, \text{В}\) (рис. 5, \(б\)). Режим работы линейный.
Схема с фиксацией тока базы
Методика определения режима работы для этой схемы включает в себя следующие пункты:
1. Составление уравнений Кирхгофа
Для определения режима работы транзистора необходимо определить ток базы и построить нагрузочную прямую, для чего запишем уравнения Кирхгофа для его входного и выходного контуров:
2. Решение системы уравнений графоаналитическим методом
Для чего первоначально определяется ток базы покоя \(I_б\).
При \(E_п \gg U_{бэ} > 0\) напряжение между базой и эмиттером для кремниевых биполярных транзисторов можно приближенно считать равным 0,7–0,8 В. Подставляя последнее соотношение в предыдущую систему уравнений и проведя несложные алгебраические преобразования, получим:
При известных значениях \(E_п\) и \(R_1\) ток базы однозначно определяется из первого уравнения.
3. Построение нагрузочной прямой
Для нахождения тока коллектора \(I_к\) на выходной характеристике биполярного транзистора (рис. 7, \(б\)) построим график уравнения \(I_к = (E_п - U_{кэ})/R_н\):
- при \(I_к = 0\), \(U_{кэ} = E_п\) — первая точка графика;
- при \(U_{кэ} = 0\), \(I_к = E_п/R_н\) — вторая точка графика.
Точка пересечения построенной линии (линии нагрузки) с характеристикой, соответствующей току покоя базы, покажет точное значение тока и напряжения на коллекторе в статическом режиме.
\(а\) — входная характеристика; \(б\) — выходные характеристики
Таким образом, при \(E_п > 0\) режим работы транзистора определяется током базы и, следовательно, \(E_п\) и \(R_б\). Если ток базы \(I_б > I_{бн}\), то транзистор находится в режиме насыщения (точка Б на рис. 7, \(б\)), если \(I_{бн} > I_б > I_{кбо}\) — в линейном режиме (например точка А на рис. 7, \(б\)), а если \(I_б < I_{кбо}\) — в режиме отсечки. Однако из-за большого разброса \(I_{кбо}\) и его температурной нестабильности данная схема для обеспечения режима отсечки не применяется.
Если \(E_п\) сравнимо с напряжением \(U_{бэ}\), то ток базы можно найти графоаналитическим методом, построив нагрузочную прямую на входной ВАХ транзистора и определив \(U_{бэ}\) и \(I_б\) (рис. 7, \(а\)).
Проведенный анализ показывает, что рассмотренная электрическая схема позволяет реализовать любой режим работы транзистора:
- режим отсечки (НЗС);
- активный режим (ЛР);
- режим насыщения (НОС).
Пример 2
Используя входную и выходную ВАХ биполярного транзистора (рис. 8), определить ток \(I_к\) и напряжение на коллекторе (\(U_{кэ}\)) биполярного транзистора в электрической схеме на рис. 9 и режим работы биполярного транзистора в исходном состоянии.
Решение
1. Составление уравнений Кирхгофа
Для определения режима работы транзистора запишем уравнения Кирхгофа для его входного и выходного контуров:
2. Решение системы уравнений графоаналитическим методом
Для чего первоначально определяется ток базы покоя \(I_б\):
Для нахождения тока коллектора \(I_к\) на выходной характеристике биполярного транзистора (рис. 8, \(б\)) построим график уравнения \(I_к = (E_п - U_{кэ})/R_н\):
- при \(I_к = 0\); \(U_{кэ} = E_п = 10 \, \text{В}\) — первая точка графика;
- при \(U_{кэ} = 0\); \(I_к = E_п/R_к = 14 \, \text{мА}\) — вторая точка графика.
Точка пересечения построенной линии (нагрузочной линии) с характеристикой, соответствующей току базы \(I_б = 0.2 \, \text{мА}\), имеет координаты \(I_к = 4.0 \, \text{мА}\), \(U_{кэ} = 7 \, \text{В}\). Режим работы линейный.
