Elektronikawzad10

W.OąŻyttaki ELEKTRONIKA W ZADANIACH

Część I - Obliczanie punktów pracy piTyrapiów półprzewodnikowych

Powiedzmy jeszcze wyraźnie, żc nic zajmujemy się w tym zadaniu wartością wzmocnienia napięciowego naszego wzmacniacza, tzn. nie chcemy (na razie, tym będziemy się interesować w zadaniach nt. analizy małosygnałowej w przygotowywanym drugim tomie zbioru) wiedzieć przy jakim napięciu wejściowym pojawia się rozpatrywany sygnał wyjściowy.

Przy przyjętych założeniach upraszczających sygnał wyjściowy jest zniekształcany tylko w wyniku wchodzenia tranzystora w stan nasycenia lub stan odcięcia. Korzystne jest więc przyjęcie punktu pracy tranzystora P w taki sposób, aby określające go napięcie Uce(P) odpowiadało połowie zakresu zmienności napięcia Uce dla stanu aktywnego tranzystora. Gdyby możliwe było przyjęcie Ucfj = 0 odpowiadałoby to przyjęciu napięcia w punkcie pracy Uce(P) = Vi Ecc. Wobec tego, że Uce* « Ecc często tak właśnie formułujemy odpowiedź. Ponieważ w zadaniu przyjmujemy jednak bardziej ostrożnie Uces- IV, to przy napięciu zasilającym Ecc = 10 V i wobec przyjęcia Iceo = 0 mamy zakres zmienności napięcia Uęr dla stanu aktywnego od 1 V do 10 V. W tym 9-woltowym zakresie musi zmieścić się podwójna amplituda maksymalnego nieznickształconego napięcia wyjściowego. Amplituda ta jest zatem równa 4,5 V, a napięcie Uce(P) przy którym jej osiągnięcie jest możliwe to środek zakresu zmienności napięcia dla stanu aktywnego tranzystora, czyli 5,5 V. Jeśli przyjmiemy, żc w punkcie pracy Ic= 3 mA (co odpowiada pełnemu wykorzystaniu obszaru podanych charakterystyk), to otrzymujemy:

IcRc = Ecc-Uce(P)

= 10 V - 5,5 V = 4,5 V czyli:

Rc = 4,5 V / 3 mA = 1,5 kfl a prosta obciążenia na rysunku 1.4.3 jest określona przez punkty A (10 V: 0 mA) i B (1 V;fimA).

Na rysunku 1.4.3 pokazano też mechanizm powstawania zniekształceń, jeśli dla wybranej wartości rezystancji Rc = 1,5 kfl przyjęlibyśmy jednak:

- spoczynkowy prąd bazy mniejszy od optymalnej wartości równej 30 pA (np. Ir = 20 pA, wyznaczający punkt pracy M na tej samej prostej obciążenia, dla którego napięcie Uce(M) = 7,0V). W wyniku wchodzenia tranzystora w stan odcięcia dla zbyt dużych ujemnych wartości chwilowych u**

(gdy wartość chwilowa prądu bazy spada do zera) obcinane są górne (dodatnie) połówki sygnału wyjściowego, gdyż napięcie na kolektorze nie może przekroczyć wartości Ecc= 10 V odpowiadającej całkowitemu zatkaniu tranzystora. Przykładowy przebieg pokazany linią punktową pozwala nam powiedzieć, żc przy wybraniu punktu pracy M maksymalna niezniekształcona amplituda sygnału wyjściowego wynosi:

E_cc - Uce(M) = 10 V - 7,0 V = 3.0 V;

- spoczynkowy prąd bazy większy od optymalnej wartości (np. 7* = 50pA wyznaczający punkt pracy N na tej samej prostej obciążenia, któremu odpowiada napięcie Uce(N) = 2,5V). Zniekształcenia objawiające się obcięciem dolnych (ujemnych) połówek sygnału wyjściowego (jeśli ich amplituda jest większa niż Ucf.(N)- (Ja* = 2,5 V - 1,0 V = 1,5 V) są wywołane wchodzeniem tranzystora w stan nasycenia dla zbyt dużych dodatnich wartości chwilowych u*_r. Można jeszcze wspomnieć, że tego typu zniekształcenia są mniej wyraźne niż na granicy stanu odcięcia, gdyż dla wyższych wartości prądu bazy punkt pracy nie pozostaje na prostej obciążenia w położeniu B, a jeszcze nieco przesuwa się (prąd Ic nieco rośnie ze wzrostem głębokości nasycenia tranzystora).

Oczywiście, przy mniejszych amplitudach sygnału wyjściowego (dla przykładowych punktów M i N przy amplitudach nie przekraczających odpowiednio 3,0 V i 1,5 V) sygnał nie jest zniekształcany, tzn. zachowuje kształt sygnału wejściowego.

Pozostaje jeszcze wyznaczenie wartości Rh odpowiadającej prądowi I_B = 30 pA w punkcie pracy P. Na podstawie Ii-go prawa Kirchhoffa piszemy:

Rb Ib + Ube= Ecc

Podstawiając Ube = 0.6 V + rj, • Ig mamy:

Rb ■ Ir+ 0.6 V + ry ■ Ig = Ecc    (E4.I)

Rn + r_h= (E_CC-0,6 V)/I_B    (1.4.2)

czyli Rb + n> - (10 V - 0,6 V)/ 30 pA = 313 kO.

Rezystancja dynamiczna złącza r*= 100 jak widać prawie nie wpływa na całkowitą rezystancję w obwodzie polaryzacji bazy. W praktycznym rozwiązaniu przy zastosowaniu rezystorów o tolerancji 10% w roli rezystancji Ru mógłby wystąpić stały rezystor o wartości nominalnej 270 k£2 połączony szeregowo ze zmiennym rezystorem o wartości nominalnej 82 k£2. Jeśli chcielibyśmy uwzględnić jeszcze pewien rozrzut charakterystyk tranzystorów i wahania napięcia zasilającego mogłaby okazać się celowa zmiana proporcji w kierunku zwiększenia udziału części zmiennej rezystancji.

Dla pełnego obrazu policzmy jeszcze wartość liczbową napięcia Ube w punkcie pracy (przy braku sygnału wejściowego):

U_BE = 0 6 V + r_b - J_B = 600 mV + 100 fl • 30 pA = 603 mV

Wartość prądu /c = 3mA wybrano powyżej arbitralnie. Równie dobrze warunki zadania spełnia punkt np. pracy PI odpowiadający prądowi lc = 6 mA, dla którego optymalna wartość Rc= 0.75 kH, a dla zapewnienia prądu //i = 60pA należałoby wtedy zastosować R_B = 157 kil W praktyce o wyborze prądu lę (a zatem wartości Rc) decyduje pożądana w'artość wzmocnienia napięciowego wzmacniacza (wzmocnienie to jest proporcjonalne do zastosowanej wartości Rc - patrz zadania w trzeciej części zbioru), a w przypadku wzmacniaczy mocy także moc strat w elementach układu.

Czytelnikowi pozostawia się do przemyślenia w jaki sposób na dobór elementów Rb i Rc zapewniających maksymalną niezniekształconą amplitudę napięcia wyjściowego (przy zachowaniu lc= 3 mA) wpłynęłaby zmiana napięcia zasilania Ecc z 10 V na np. 15 V lub 8 V.