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