Laboratorium układów elektronicznych
Ćwiczenie numer 1
Zasilanie i stabilizacja punktu pracy
tranzystorów bipolarnych i unipolarnych
Zagadnienia do przygotowania
• Układy zasilania tranzystorów bipolarnych
• Wpływ temperatury na podstawowe parametry tranzystora
bipolarnego
• Współczynniki stabilizacji prądu kolektora
• Układ lustra prądowego
• Zasilanie tranzystorów unipolarnych
• Zasilanie dwubramkowych tranzystorów MOSFET
Literatura
[1]. Guziński A., Liniowe elektroniczne układy analogowe,
WNT, Warszawa 1993.
[2]. Kuta S., Elementy i układy elektroniczne, cz.I. AGH
UWND, Kraków 2000.
[3]. Nosal Z., Baranowski J., Układy elektroniczne cz.I. Układy
analogowe liniowe. WNT, Warszawa 1998.
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska
Laboratorium układów elektronicznych
Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych
2
1. Układy zasilania tranzystorów bipolarnych
Ogólny układ zasilania tranzystora bipolarnego n-p-n pokazano na rys. 1, a jego
równoważny schemat zastępczy dla prądu stałego na rys. 2. Wartości rezystorów i napięć
zasilających dwubateryjny układ zastępczy z rys. 2 określają poniższe wzory:
Rys.1. Schemat ogólnego układu zasilania tranzystora bipolarnego n-p-n.
6
2
1
2
1
3
R
R
R
R
R
R
R
B
+
+
+
=
1.1
6
2
1
6
2
4
R
R
R
R
R
R
R
E
+
+
+
=
1.2
6
2
1
6
1
5
R
R
R
R
R
R
R
C
+
+
+
=
1.3
B
C
BB
E
R
R
R
R
R
E
R
R
R
R
E
6
2
1
6
1
6
2
1
2
+
+
+
+
+
+
=
1.4
B
C
CC
E
R
R
R
R
E
R
R
R
R
R
E
6
2
1
6
6
2
1
2
1
+
+
+
+
+
+
=
1.5
Znając wartości elementów dwubateryjnego układu zastępczego z rys. 2, prąd
kolektora I
C
można obliczyć ze wzoru (1.6),
U
CE
R
5
U
BE
I
E
R
4
R
2
E
B
R
3
R
1
R
6
E
C
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska
Laboratorium układów elektronicznych
Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych
3
Rys. 2. Dwubateryjny układ zasilania tranzystora bipolarnego.
E
B
CB
E
B
BE
BB
C
R
R
I
R
R
U
E
I
)
1
(
)
)(
1
(
)
(
0
0
0
0
+
+
+
+
+
−
=
β
β
β
1.6
gdzie: β
0
- stałoprądowy współczynnik wzmocnienia prądowego
I
CB0
- prąd zerowy tranzystora gdy I
E
= 0 (w tranzystorach germanowych
jest to prąd nasycenia I
S
złącza baza – kolektor, a w tranzystorach
krzemowych jest to prąd generacji termicznej I
g
złącza baza –
kolektor).
a napięcie kolektor emiter U
CE
ze wzoru (1.7):
E
E
C
C
CC
CE
I
R
I
R
E
U
−
−
=
1.7
Prąd emitera I
E
I
E
= I
B
+ I
C
wynosi:
0
0
0
0
0
1
1
CB
C
E
I
I
I
+
−
+
=
β
β
β
β
1.8
Uwzględniając zależności (1.7) i (1.8) napięcie kolektor emiter U
CE
wyniesie:
+
+
−
+
+
=
E
C
C
CB
E
CC
CE
R
R
I
I
R
E
U
0
0
0
0
0
1
1
β
β
β
β
1.9
I
C
R
C
R
B
I
B
U
CE
E
CC
U
BE
I
E
E
BB
R
E
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska
Laboratorium układów elektronicznych
Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych
4
Jak wynika ze wzoru (1.6), przy stałym napięciu zasilania prąd kolektora jest funkcją
trzech parametrów tranzystora bipolarnego: U
BE
, β
0
, I
CB0
:
)
,
,
(
0
0
CB
BE
C
I
U
f
I
β
=
1.10
Zmiany punktu pracy tranzystora mogą być spowodowane wpływem temperatury,
starzeniem się rezystorów lub rozrzutem produkcyjnym parametrów tranzystora.
Różniczka zupełna funkcji (1.10) wynosi:
0
0
0
0
CB
CB
C
C
BE
BE
C
C
dI
I
I
d
I
dU
U
I
dI
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
=
β
β
1.11
Zastępując różniczkę zupełną skończonymi przyrostami, otrzymamy:
0
0
CB
i
BE
u
C
I
S
S
U
S
I
∆
+
∆
+
∆
=
∆
β
β
1.12
gdzie:
BE
C
U
U
I
S
∂
∂
=
,
0
β
β
∂
∂
=
C
I
S
,
0
CB
C
I
I
I
S
∂
∂
=
.
Pochodne cząstkowe prądu kolektora I
C
nazywane są współczynnikami stabilizacji prądu
kolektora. Im współczynniki stabilizacji S
U
,, S
β,
S
I
są mniejsze tym lepsza jest
stabilizacja prądu kolektora I
C
(zmiany
C
I
∆
są mniejsze). Dla układu dwubateryjnego z
rys. 2 współczynniki te wynoszą:
E
B
u
R
R
S
)
1
(
0
0
+
+
−
=
β
β
1.13
E
B
E
B
i
R
R
R
R
S
)
1
(
)
)(
1
(
0
0
+
+
+
+
=
β
β
1.14
W krzemowych tranzystorach prąd zerowy I
CB0
jest bardzo mały i możemy go
pominąć we wzorach (1.6), (1.8) i (1.9) otrzymamy wówczas:
B
B
BE
BB
C
R
R
U
E
I
)(
1
(
)
(
0
0
+
+
−
≅
β
β
1.15
+
+
−
≅
E
C
C
CC
CE
R
R
I
E
U
0
0
1
β
β
1.16
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska
Laboratorium układów elektronicznych
Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych
5
Obliczając pochodną cząstkową
0
β
∂
∂
C
I
zależności (1.15) otrzymamy współczynnik
stabilizacji prądu kolektora S
β
:
E
B
E
B
C
R
R
R
R
I
S
)
1
(
0
0
+
+
+
≅
β
β
β
1.17
W praktyce inżynierskiej stosuje się prostsze układy zasilania niż układ pokazany
na rys. 1. Tranzystory bipolarne zasilane są najczęściej z jednej baterii. Układy te
pokazano na rysunkach 3 ÷ 8. Układ z rysunku 3 możemy potraktować jako układ
dwubateryjny z rysunku 2, w którym E
BB
= E
C
, R
B
= R
1
,
R
E
= 0, stąd podstawiając te
dane do wzoru (1.6) otrzymujemy wzór (1.18) na prąd kolektora Ic.
1
1
0
0
0
)
1
(
)
(
R
R
I
U
E
I
CB
BE
C
C
+
+
−
=
β
β
1.18
Rys. 3. Układ zasilania stałym prądem bazy.
Jak widać z powyższego wzoru prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do
stałoprądowego współczynnika wzmocnienia prądowego β
0
,
co może znacznie zmieniać
punkt pracy tranzystora. Układ ten jest szczególnie wrażliwy na zmiany β
0
tranzystora
.
Rezystor R1 w tym układzie polaryzacji jest rzędu megaomów. Tak duże rezystory nie są
realizowalne w układach monolitycznych.
Układ zasilania ze sprzężeniem kolektorowym pokazano na rys. 4. Napięciowe
sprzężenia zwrotne przez rezystor R
F
stabilizuje napięcie U
CE
. Wzrost tego napięcia
R
1
R
C
E
C
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska
Laboratorium układów elektronicznych
Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych
6
powoduje zwiększenie prądu bazy I
B
, wzrośnie więc prąd kolektora I
C,
co spowoduje
zmniejszenie napięcia kolektor emiter Uce. Dla układu z rysunku 4 możemy napisać :
BE
B
F
B
C
C
C
U
I
R
I
I
R
E
+
+
+
=
)
(
1.19
0
0
0
)
1
(
CB
B
C
I
I
I
+
+
=
β
β
1.20
Eliminując z układu równań (1.19), (1.20) prąd bazy I
B
,
otrzymamy wzór (1.21) na prąd
kolektora I
C
w układzie z rys.4.
Rys. 4. Układ zasilania ze sprzężeniem kolektorowym.
C
F
CB
C
F
BE
C
C
R
R
I
R
R
U
E
I
)
1
(
)
)(
1
(
)
(
0
0
0
0
+
+
+
+
+
−
=
β
β
β
1.21
Układ z rysunku 5 możemy traktować jako układ dwubateryjny, w którym E
BB
= E
C
,
R
B
= R
1
, stąd podstawiając te dane do wzoru (1.6) otrzymujemy wzór (1.22) na prąd
kolektora Ic.
E
CB
E
BE
C
C
R
R
I
R
R
U
E
I
)
1
(
)
)(
1
(
)
(
0
1
0
1
0
0
+
+
+
+
+
−
=
β
β
β
1.22
R
F
R
C
E
C
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska
Laboratorium układów elektronicznych
Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych
7
Rys. 5. Układ zasilania stały prądem bazy i ze sprzężeniem emiterowym.
W układzie polaryzacji tranzystora z rys. 5 sprzężenie zwrotne prądowe poprzez
rezystor R
E
stabilizuje prąd emitera I
E
. Wzrost prądu emitera zmniejszy napięcie U
BE
,
zmaleje prąd bazy i zmniejszy prąd emitera.
Układ polaryzacji tranzystora z rys. 6 nie jest objęty sprzężeniem zwrotnym i ma
podobne właściwości jak układ z rysunku 3. Jest on szczególnie wrażliwy na zmiany
stałoprądowego współczynnika wzmocnienia prądowego β
0.
Prąd kolektora obliczamy ze
wzoru (1.23):
Rys. 6. Potencjometryczny układ zasilania bez sprzężenia emiterowego.
R
C
E
C
R
1
R
E
R
C
E
C
R
1
R
2
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska
Laboratorium układów elektronicznych
Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych
8
B
CB
B
BE
BB
C
R
I
R
U
E
I
0
0
0
)
1
(
)
(
+
+
−
=
β
β
1.23
gdzie:
2
1
2
1
R
R
R
R
R
B
+
=
, a
C
BB
E
R
R
R
E
2
1
2
+
=
.
Potencjometryczny układ zasilania z rys. 7 ze sprzężeniem emiterowym
stabilizuje prąd emitera i jest najczęściej stosowany w układach dyskretnych.
Rys. 7. Potencjometryczny układ zasilania ze sprzężeniem emiterowym.
Prąd kolektora określa wzór (1.24):
E
B
CB
E
B
BE
BB
C
R
R
I
R
R
U
E
I
)
1
(
)
)(
1
(
)
(
0
0
0
0
+
+
+
+
+
−
=
β
β
β
1.24
gdzie:
2
1
2
1
R
R
R
R
R
B
+
=
, a
C
BB
E
R
R
R
E
2
1
2
+
=
Układ potencjometryczny ze sprzężeniem emiterowym i kolektorowym pokazano
na rys. 8. Prąd kolektora układu z rys. 8 można obliczyć ze wzoru (1.6) zastępując ten
układ równoważnym układem dwubateryjnym, obliczając wartości rezystorów: R
B
, R
E
, R
C
,
oraz wartości napięć zasilających E
BB
, E
CC
i podstawiając je do wzoru (1.6).
C
c
F
BB
E
R
R
R
R
E
+
+
=
2
2
C
c
F
F
CC
E
R
R
R
R
R
E
+
+
+
=
2
2
R
C
E
C
R
1
R
2
R
E
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska
Laboratorium układów elektronicznych
Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych
9
c
F
F
B
R
R
R
R
R
R
+
+
=
2
2
c
F
c
e
E
R
R
R
R
R
R
R
+
+
+
=
2
2
c
F
c
F
C
R
R
R
R
R
R
+
+
=
2
Rys. 8. Potencjometryczny układ zasilania ze sprzężeniem emiterowym i kolektorowym.
W układach scalonych unika się stosowania rezystorów ze względu na rozrzuty
produkcyjne wartości rezystancji, ponadto zakres wartości rezystancji wytwarzanych
ograniczony jest do kilkudziesięciu kiloomów. Dlatego rezystory zastępuje się źródłami
prądowymi. Rezystory pracujące jako obciążenia zastępuje się tranzystorami będącymi
obciążeniami dynamicznymi.
Na rys. 9a pokazano układ lustra prądowego wykorzystywanego bardzo często do
zasilania tranzystorów w układach scalonych.
Jeżeli tranzystory są identyczne to dla tego układu można napisać:
BE
B
C
C
U
R
I
I
E
+
+
=
1
)
2
(
1.25
oraz:
)
0
0
0
)
1
(
CB
B
C
I
I
I
+
+
=
β
β
1.26
Rozwiązując układ równań (1.25), (1.26) otrzymamy:
1
0
0
1
0
0
)
2
(
)
1
(
2
)
(
R
I
R
U
E
I
CB
BE
C
C
+
+
+
−
=
β
β
β
1.27
R
c
E
C
R
F
R
2
R
e
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska
Laboratorium układów elektronicznych
Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych
10
Gdy wymagane są małe prądy źródła i mała wrażliwość źródła prądowego na zmiany
napięcia zasilającego stosuje się w układach scalonych stałoprądowe źródło Widlara z
rys.9b. Prąd tego źródła wynosi [1]:
2
1
2
1
2
ln
ln
C
C
E
T
C
C
E
T
C
I
R
E
R
U
I
I
R
U
I
≈
=
1.28
Rys. 9. Źródła stałoprądowe: a – lustro prądowe, b – źródło Widlara.
Współczynniki stabilizacji prądu kolektora dla lustra prądowego wynoszą:
1
1
0
0
1
)
2
(
R
R
S
u
−
≈
+
−
=
β
β
1.29
2
)
2
(
)
1
(
2
0
0
≈
+
+
=
β
β
i
S
1.30
2
2
2
2
0
0
+
≈
+
≅
β
β
β
C
R
I
I
S
1.31
2. Układy zasilania tranzystorów unipolarnych
2.1. Wstęp
Zasadnicze różnice układów zasilania występują między tranzystorami MOSFET
pracującymi z kanałem wzbogacanym a tranzystorami JFET i MOSFET pracującymi ze
zubożaniem. Projektowanie takich układów zasilania przedstawiono w pracy [1].
a) E
C
b) E
C
R
1
R
C
R
1
R
C
I
C
2I
B
I
C
I
C1
I
C2
I
B1
+I
B2
T1 T
2
T1 T2
I
B
I
B
I
B1
I
B2
U
BE
U
BE
R
E
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska
Laboratorium układów elektronicznych
Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych
11
2.2. Układy zasilania tranzystorów MOSFET z kanałem wzbogacanym
Rys. 10. Układy zasilania tranzystorów MOSFET z kanałem n wzbogacanym.
Układy zasilania tranzystorów MOSFET z kanałem wzbogacanym n i p pokazano
na rysunkach 10 i 11. Tranzystory te pracujące w zakresie nasycenia (pentodowym),
wtedy gdy napięcie dren źródło U
DS
jest większe od różnicy napięć bramka źródło i
napięcia progowego U
T
tj. U
DS
> U
GS
– U
T
posiadają jednakowe znaki napięć U
DS
i U
GS
,
zatem mogą być zasilane z jednej baterii. Napięcia U
DS.
i U
GS
są dodatnie w
tranzystorach z kanałem n i ujemne w tranzystorach z kanałem p. Tranzystory MOSFET
charakteryzują się dużym rozrzutem produkcyjnym parametrów i dlatego zasila się je
układami potencjometrycznymi z rezystorem źródłowym R
S
. Układy zasilania podobne są
do układów zasilania tranzystorów bipolarnych. Układy z rysunków 10 i 11 można
zastąpić układem dwubateryjnym w którym: E
DD
= U
DD
,
:
2
1
2
1
R
R
R
R
R
GG
+
=
,
DD
GG
U
R
R
R
E
2
1
2
+
=
.
Punkt pracy tych tranzystorów dla I
G
= 0 opisany jest układem dwóch równań:
R
1
R
D
R
1
R
D
U
DS.
R
3
U
DS
U
GS
U
GS
R
2
R
2
R
S
R
S
+U
DD
+U
DD
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska
Laboratorium układów elektronicznych
Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych
12
D
S
GS
GG
I
R
U
E
+
=
1.32
D
S
D
DS
DD
I
R
R
U
U
)
(
+
+
=
1.33
stąd punkt pracy określają wzory (1.32) i (1.33):
S
GS
GG
D
R
U
E
I
−
=
1.32
+
−
−
=
+
−
=
1
)
(
)
(
S
D
GS
GG
DD
D
S
D
DD
DS
R
R
U
E
U
I
R
R
U
U
1.33
gdzie:
DD
GG
U
R
R
R
E
2
1
2
+
=
.
Rys. 11. Układy zasilania tranzystorów MOSFET z kanałem p wzbogacanym.
3. Układy zasilania tranzystorów JFET i MOSFET z kanałem zubażanym
W tranzystorach JFET i MOSFET z kanałem zubażanym napięcia U
DS
i U
GS
mają
różne znaki, zatem mogą być zasilane układami dwubateryjnymi (rys.12) lub układami z
automatycznym minusem (tranzystory JFET i MOSFET z kanałami n ) rys. 13 lub z
automatycznym plusem (tranzystory JFET i MOSFET z kanałami p) rys. 14, czy też
-U
DD
-U
DD
R
1
R
D
R
1
R
D
U
DS.
U
DS.
U
GS.
U
GS.
R
2
R
S
R
2
R
S
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska
Laboratorium układów elektronicznych
Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych
13
układami potencjometrycznymi z rezystorem źródłowym jak pokazano na rysunku 15. W
układach dwubateryjnych z rys. 12, zgodnie z zaznaczonymi kierunkami napięć U
GS
,
U
DS
i
prądu drenu I
D
punkt pracy opisują dwa równania:
D
S
GS
GG
I
R
U
E
−
=
1.34
D
S
D
DS
DD
I
R
R
U
E
)
(
+
+
=
1.35
Rys. 12. Dwubateryjne układy zasilania tranzystorów JFET i MOSFET z kanałem zubażanym.
W układach z rys. 13 (automatyczny minus) i rys. 14 (automatyczny plus) zgodnie
z zaznaczonymi kierunkami napięć punkt pracy tranzystora opisują równania (1.34) i
(1.35) jeżeli uwzględnimy fakt, że E
GG
= 0, otrzymamy wówczas:
D
S
GS
I
R
U
=
1.36
D
S
D
DS
DD
I
R
R
U
E
)
(
+
+
=
1.37
I
D
R
D
I
D
R
D
R
G
R
G
U
DS
U
DS
E
GG
E
DD
E
GG
E
DD
U
GS
U
GS
R
S
R
S
kanał n
kanał p
I
D
R
D
I
D
R
D
R
G
R
G
U
DS.
U
DS.
E
DD
E
GG
U
GS
E
GG
U
GS
E
DD
R
S
R
S
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska
Laboratorium układów elektronicznych
Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych
14
Przy dużych rozrzutach produkcyjnych parametrów tranzystorów JFET i MOSFET stosuje
się zmodyfikowany układ potencjometryczny z rys. 15. Rezystor R3 zwiększa jedynie
rezystancje wejściową układu, nie wpływa na punkt pracy tranzystora.
Rys 13. Układy zasilania tranzystorów JFET i MOSFET z automatycznym minusem.
Rys 14. Układy zasilania tranzystorów JFET i MOSFET z automatycznym plusem.
U
DD
U
DD
R
D
R
D
U
DS.
U
DS.
U
GS.
U
GS.
R
G
R
S
R
G
R
S
- U
DD
- U
DD
R
D
R
D
U
DS.
U
DS.
U
GS.
U
GS.
R
G
R
S
R
G
R
S
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska
Laboratorium układów elektronicznych
Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych
15
W praktyce najczęściej stosowane są układy polaryzacji tranzystorów z ujemnym
sprzężeniem zwrotnym dla prądu stałego:
- układ z ze stałym prądem bazy i ze sprzężeniem emiterowym,
-.układ potencjometryczny ze sprzężeniem emiterowym (źródłowym w
tranzystorach unipolarnych ),
- układ ze sprzężeniem kolektorowym
Rys 15. Układ potencjometryczny zmodyfikowany do zasilania tranzystorów JFET i MOSFET
z kanałem zubażanym.
4. Wzmacniacz w układzie wspólnego źródła
Chcąc obliczyć parametry wzmacniacza należy tranzystor JFET zastąpić liniowym
modelem małosygnałowym. Model ten pokazano na rys.16.
R
1
R
D
R
1
R
D
R
3
I
D
R
3
I
D
U
DS
U
DS
E
D
E
D
U
GS
U
GS
R
2
R
S
R
S
R
1
R
D
R
1
R
D
I
D
I
D
R
3
R
3
U
DS.
U
DS.
E
D
E
D
U
GS
U
GS
R
2
R
2
R
S
R
S
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska
Laboratorium układów elektronicznych
Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych
16
Rys. 16. Model liniowy tranzystora JFET dla małych sygnałów
Macierz admitancyjna [y] tego modelu po uziemieniu źródła podano poniżej.
4.1
W zakresie średnich częstotliwości otrzymamy następująca macierz [y]:
4.2
ponieważ kondensatory C
gs
, C
gd
, C
ds
są bardzo małe i można je pominąć.
Schemat wzmacniacza na tranzystorze BF 245B z rysunku 20 w zakresie AC2
pokazano na rysunku 17, na którym tranzystor JFET zamieniono trójnikiem o macierzy
admitancyjnej [y] podanej wzorem (4.2).
Rys. 17. Wzmacniacz w zakresie średnich częstotliwości jako czwórnik aktywny
Macierz admitancyjna [Y] czwórnika oznaczonego na tym rysunku linią przerywaną jest
następująca:
+
+
−
−
+
=
)
(
)
(
]
[
gd
ds
ds
gd
m
gd
gd
gs
C
C
j
g
C
j
g
C
j
C
C
j
y
ω
ω
ω
ω
=
ds
m
g
g
y
0
0
]
[
G
C
gd
D
C
gs
g
m
U
gs
~ C
ds
g
ds
G D
R
gen
R3 100 k
[y]
U
1
S R
D
U
2
R
L
10 k
E
g
~
R1 R2
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska
Laboratorium układów elektronicznych
Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych
17
4.3
Znając macierz [Y] czwórnika możemy obliczyć wzmocnienie K
U
ze wzoru (4.4)
4.4
Ponieważ rezystancja wyjściowa tranzystora R
ds.
jest na ogół dużo większa od
równoległego połączenia rezystancji R
D
i rezystancji obciążenia R
L
, która jest na stałe
wlutowana w makiecie pomiarowej wzmacniacza i wynosi 10 k
Ω
. Wzmocnienie
wzmacniacza możemy obliczyć ze wzoru (4.5). Transkonduktancję g
m
tranzystora BF
245B należy wyznaczyć z charakterystyki przejściowej w punkcie pracy tranzystora.
4.5
Impedancję wejściową można obliczyć ze wzoru (4.5)
4.5
W zakresie AC2 Y
12
= 0, a Y
11
= 1/R
G
, stąd rezystancja wejściowa wzmacniacza wyniesie:
4.6
Podobnie rezystancja wyjściowa wzmacniacza wyniesie:
4.7
Wzmocnienie skuteczne wzmacniacza w zakresie średnich częstotliwości jest równe:
4.8
Tak więc, jeżeli rezystancja wewnętrzna generatora sterującego wzmacniacz jest dużo
mniejsza od 100 k
Ω
to wzmocnienia K
U
i K
USK
będą prawie równe.
2
1
2
1
100k
:
1
0
1
]
[
R
R
R
R
R
gdzie
R
g
g
R
Y
G
D
ds
m
G
+
+
Ω
=
+
=
)
(
1
1
22
21
1
2
L
D
ds
m
L
D
ds
m
L
U
R
R
R
g
R
R
g
g
Y
Y
Y
U
U
K
−
=
+
+
−
=
+
−
=
=
)
(
L
D
m
U
R
R
g
K
−
≅
L
WE
WE
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Z
+
−
=
=
22
21
12
11
1
1
2
1
2
1
100
R
R
R
R
k
R
R
G
WE
+
+
Ω
=
=
D
D
ds
g
WY
WY
R
R
R
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Z
≈
=
=
+
−
=
=
)
(
1
1
1
22
11
21
12
22
U
gen
WE
WE
g
USK
K
R
R
R
E
U
K
+
=
=
2
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska
Laboratorium układów elektronicznych
Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych
18
5.Przebieg ćwiczenia
1. Ustawić napięcie zasilania makiety min. 15V
2. Zmierzyć woltomierzem cyfrowym napięcia na bazach, kolektorach i emiterach
tranzystorów (T1÷T4) względem masy i wyznaczyć punkty pracy (U
CEQ
, I
CQ
)
tranzystorów (T1÷T4) w temperaturze otoczenia.
3. Włączyć grzanie układu scalonego i po upływie około 3 min zmierzyć ponownie
woltomierzem cyfrowym napięcia na bazach, kolektorach i emiterach
tranzystorów (T1÷T4) względem masy.
4. Wyznaczyć na podstawie pomiarów określić zmiany punktu pracy (∆U
CEQ
, ∆I
CQ
)
spowodowane wzrostem temperatury oraz zmiany ∆U
BE
tranzystora T1.
5. Przyrost temperatury podłoża układu scalonego oszacować ze wzoru
K
mV
U
T
BE
/
2
−
∆
=
∆
.
6. Przyjmując β
0
= 110 obliczyć na podstawie danych ze schematu elektrycznego
współczynniki stabilizacji prądu kolektora S
U,
S
i
,
S
β
oraz obliczyć ∆I
CQ
na
podstawie wzoru: ∆I
CQ
= S
U
∆U
BE,
+
S
β
∆β
0
+ S
i
∆I
CB0.
Składnik sumy S
i
∆I
CB0
pominąć.
6. Zmontować zaprojektowany układ zasilania tranzystora JFET zgodnie z własnym
projektem zmierzyć woltomierzem cyfrowym napięcie U
DS
(dren – źródło) oraz
napięcie zasilania i wyznaczyć punkt pracy tranzystora.
7. Zmierzyć wzmocnienie napięciowe K
U
oraz częstotliwość dolną i górną
wzmacniacza z tranzystorem BF245.
8. Obliczyć wzmocnienie napięciowe K
U
.
9. Dla wzmacniacza z tranzystorem dwubramkowym zmierzyć zależność K
U
= f(U
G2
)
przy częstotliwości generatora f = 100 kHz.
Kolejność wykonywania ćwiczenia uzgodnić z prowadzącym.
5. Zadanie projektowe
Zaprojektować potencjometryczny zmodyfikowany układ zasilania tranzystora BF 245B o
następujących parametrach:
napięcie zasilana: E
D
= 15 V,
punkt pracy tranzystora : I
DQ
= 1, 2, 3, 4, 5 mA ∆I
DQ
= ± 10% I
D
U
DSQ
= 5, 6, 7, 8V
Parametry tranzystora BF 245B
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska
Laboratorium układów elektronicznych
Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych
19
6 mA ≤ I
DSS
≤ 15 mA
1,9 V ≤ -U
P
≤ 4,3 V
5.1 Przykład obliczenia układu zasilania tranzystora BF245B
Równanie opisujące charakterystykę przejściową tranzystora JFET przedstawia
wzór (1.38):
2
1
−
=
P
GS
DSS
D
U
U
I
I
1.38
Stąd można obliczyć napięcie U
GS
jeżeli znane są wartości I
D,
I
DSS
i U
P
−
=
DSS
D
P
GS
I
I
U
U
1
1.39
Z rys.16 mamy:
−
=
max
2
max
2
1
DSS
D
P
GS
I
I
U
U
1.40
−
=
min
1
min
1
1
DSS
D
P
GS
I
I
U
U
1.41
Wstawiając dane tranzystora BF245B i dane z zadania projektowego I
DQ
= 1 mA,
∆I
DQ
= ± 10% I
DQ
oraz U
DSQ
= 5V do wzorów (1.41) i (1.41) mamy:
V
mA
mA
V
I
I
U
U
DSS
D
P
GS
173
,
3
16
1
,
1
1
3
,
4
1
max
2
max
2
−
=
−
−
=
−
=
1.42
V
mA
mA
V
I
I
U
U
DSS
D
P
GS
164
,
1
6
9
,
0
1
9
,
1
1
min
2
min
1
−
=
−
−
=
−
=
1.43
Rezystor R
S
w gałęzi źródła obliczymy ze wzoru:
Ω
=
−
+
−
=
−
−
=
k
mA
mA
V
V
I
I
U
U
R
D
D
Gs
GS
S
045
,
10
9
,
0
1
,
1
164
,
1
173
,
3
1
2
1
2
1.44
Przyjmujemy rezystor z szeregu E24 większy od obliczonego R
S
= 11k
Ω
.
Spadek napięcia na rezystorze R
S
wyniesie U
Rs
= 1mA
×
11k
Ω
= 11V
Jeżeli do 11V dodamy U
DSQ
= 5V to otrzymamy 16V tj. więcej niż napięcie zasilania na
płytce makiety, które wynosi 15V, zatem dla tych danych projektowych nie da się
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska
Laboratorium układów elektronicznych
Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych
20
zrealizować układu zasilającego z rysunku 19. Aby projekt był realizowalny należy
zwiększyć napięcie zasilania o spadek napięcia na rezystorze R
D
lub wybrać inne dane
do projektu np. I
DQ
= 1 mA, ∆I
DQ
= ± 20% I
DQ
oraz U
DSQ
=
6V.
Rys.18. Ilustracja sposobu doboru rezystora źródłowego R
S
przy rozrzucie produkcyjnym parametrów
tranzystora JFET w układzie potencjometrycznym zmodyfikowanym z rys 15.
Mamy wówczas:
V
mA
mA
V
I
I
U
U
DSS
D
P
GS
122
,
3
16
2
,
1
1
3
,
4
1
max
2
max
2
−
=
−
=
−
=
1.45
V
mA
mA
V
I
I
U
U
DSS
D
P
GS
206
,
1
6
8
,
0
1
9
,
1
1
min
2
min
1
−
=
−
=
−
=
1.46
Ω
=
−
+
−
=
−
−
=
k
mA
mA
V
I
I
U
U
R
D
D
Gs
GS
S
79
,
4
8
,
0
2
,
1
206
,
1
122
,
3
1
2
1
2
1.47
Przyjmujemy rezystor z szeregu E24 większy od obliczonego R
S
= 5,1k
Ω
Rezystor R
D
będzie równy:
Ω
=
⋅
−
−
=
−
−
=
k
mA
k
mA
V
V
I
R
I
U
E
R
DQ
S
DQ
DSQ
D
D
9
,
3
1
1
,
5
1
6
15
1.41
I
D
I
DSSmax
S
R
1
−
I
DSSmin
I
D2
I
D1
U
pmax
U
pmin
U
GS2
U
GS1
E
GG
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska
Laboratorium układów elektronicznych
Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych
21
Pomijając prąd bramki I
G
≈
0 możemy obliczyć rezystory R
1
i R
2
.
Należy skorzystać z oczywistych zależności:
V
V
V
U
U
U
U
U
U
E
GS
GS
RS
GSQ
RS
R
GG
936
,
2
2
206
,
1
122
,
3
1
,
5
2
1
2
2
=
−
−
+
=
+
+
=
+
=
=
1.48
oraz:
2
1
2
1
2
2
1
R
R
E
E
R
R
R
U
D
R
+
=
+
=
1.49
Stąd:
109
,
4
1
936
,
2
15
1
2
2
1
=
−
=
−
=
V
V
U
E
R
R
R
D
1.50
Przyjmując np. R
1
=.110k
Ω otrzymujemy = 26,771kΩ ≈ 27k z szeregu E24.
Schemat makiety pomiarowej z tranzystorami bipolarnymi pokazano na rys. 19.
Dwa układy scalone UL 1111 (LM 3086) zawierają po pięć tranzystorów. Jeden z
tranzystorów w układzie wtórnika emiterowego służy do podgrzewania podłoża układu
scalonego. Pozostałe cztery tranzystory z każdego układu scalonego wykorzystano do
budowy różnych układów zasilania tranzystorów. Punkty pracy tranzystorów w
temperaturze pokojowej we wszystkich układach są podobne I
CQ
≈ 1mA, U
CEQ
≈ 4,5 V.
Wszystkie tranzystory zasilane są napięciem stabilizowanym 12V, a statyczna prosta
pracy jest taka sama we wszystkich układach polaryzacji.
Makieta pomiarowa z tranzystorami unipolarnymi (rys. 20) zawiera dwa
wzmacniacze w konfiguracji wspólnego źródła, jeden na tranzystorze BF 245 a drugi na
tranzystorze dwubramkowym BF 961. Elementy układu polaryzacji tranzystora BF 245
rezystory R
1
, R
2
, R
D
, R
S
należy obliczyć w ramach zadania projektowego i zamontować w
makiecie. Pozostałe elementy wzmacniaczy są na płytce drukowanej makiety
Wzmacniacz na tranzystorze dwubramkowym BF 961 możemy traktować jako
kaskodowe połączenie OS – OG dwóch tranzystorów MOS, ponieważ bramka górnego
tranzystora jest zwarta do masy przez kondensator 47 nF. Wzrost napięcia U
GS2
na
drugiej bramce zwiększa napięcie na dolnym tranzystorze i wzmocnienie K
u
wzmacniacza rośnie (zwiększa się
|
y
21s
|
).
Rys. 19. Schemat makiety pomiarowej z tranzystorami bipolarnymi
grzanie
2,33M 7,5k 7,5k 100k 7,5k 51k 5,1k 4,7k
430k
T3 T4 T5
+12V +15V
T1 T2 6,8k 7812
6,8k 20k 2,4k 240
U
BE
11k 7,5k 1.8k 7,5k grzanie
4,7k
T4
T5
T1 T2 +12V +15V
T3 7812
U
BE
6,8k 240
47
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska
Laboratorium układów elektronicznych
Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych
23
Rys. 20. Schemat makiety pomiarowej z tranzystorami unipolarnymi
R
D
R
1
C
F
10µF
100k
BF 245B +15V +18V
R
2
R
3
100µ 7815
1µF R
S
10k
20k
1k
10k 2,7k
47n
47n
BF 961
+12V +15V
4,7n 7812
10k
100k 360 680n
