PEE Moduł 14

From Studia Informatyczne

Enlarge
Podstawowe topologie połączeń elementów półprzewodnikowych: punkt pracy, stany pracy


Enlarge
Wprowadzenie

Mając do dyspozycji charakterystyki elementu nieliniowego można wykonać graficzną analizę obwodu zawierającego ten element. Przy połączeniu szeregowym przedstawionym na slajdzie suma napięć na elementach jest stała i równa się E\,.

E=I_QR+U_Q

Prąd I_Q\, oraz napięcie U_Q określają współrzędne punktu pracy elementu nieliniowego na jego charakterystyce prądowo-napięciowej.



Enlarge
'Konstrukcja graficzna umożliwiająca wyznaczenie punktu pracy na charakterystyce jest następująca: umownie dzielimy obwód na dwie części: liniową zawierającą elementy liniowe tzn. źródło napięcia E i rezystor R oraz nieliniową zawierającą tylko element nieliniowy (np. warystor), a następnie wykonujemy zwarcie i rozwarcie zacisków A i B.

Enlarge
W układzie współrzędnych kartezjańskich I = f(U) rysujemy charakterystykę prądowo-napięciową elementu nieliniowego oraz charakterystykę części liniowej obwodu. Ponieważ charakterystyki elementów części liniowej są liniami prostymi to także wypadkowa charakterystyka prądowo-napięciowa tej części obwodu jest także prostą. Aby ją narysować wystarczy wyznaczyć dwa punkty tej charakterystyki. Pierwszy przy zwarciu, a drugi przy rozwarciu zacisków A i B obwodu przedstawionego na slajdzie 3. Odpowiadające tym stanom punkty mają współrzędne

\displaystyle I_z=\frac{E}{R},\, U_z = 0 V przy zwarciu,

\displaystyle I_r = 0\, A,\, U_r = E przy rozwarciu.

Punkt przecięcia prostej z charakterystyką elementu nieliniowego wyznacza punkt pracy Q tego elementu oraz obwodu liniowego. Często prostą, która jest obrazem charakterystyki części liniowej obwodu nazywamy prostą obciążenia elementu nieliniowego (np. diody lub tranzystora).


Enlarge
Przy połączeniu równoległym suma prądów jest stała i równa I.

\displaystyle I=\frac{U_Q}{R}+I_Q

Podobnie jak przy połączeniu szeregowym prąd IQ oraz napięcie UQ określają współrzędne punktu pracy elementu nieliniowego.


Enlarge
Konstrukcją graficzna umożliwiająca wyznaczeniu punktu pracy elementu nieliniowego jest identyczna jak w przypadku połączenia szeregowego. Zwierając

i rozwierając zaciski A i B obwodu otrzymujemy współrzędne prostej obciążenia

\displaystyle I_z = I,\, U_z = 0\, V przy zwarciu, I_r = 0\, A,\, U_r = I\cdot R przy rozwarciu. Punkt przecięcia prostej obciążenia z charakterystyką elementu nieliniowego wyznacza punkt pracy Q tego elementu oraz punkt pracy części liniowej obwodu.


Enlarge
Układy diodowe

Diody sygnałowe i mocy, diody elektroluminescencyjne zawsze muszą być połączone szeregowo z rezystorem ograniczającym przepływający przez nie prąd. Wartość tego rezystora musi być tak dobrana, aby nie zostały przekroczone wartości graniczne prądu przewodzenia i mocy strat określonej diody.


Enlarge
Na slajdzie 8 przedstawiono zmianę położenia prostej obciążenia przy zasilaniu układu rezystor-dioda ze źródła napięcia przemiennego:

\displaystyle u(\omega t)=\sqrt{2}\cdot U\cdot sin\omega t

Przy takim sterowaniu dioda pracuje w dwóch stanach: stanie przewodzenia i stanie zaporowy. Punkt pracy przesuwa się po charakterystyce prądowo-napięciowej pomiędzy dwoma skrajnymi położeniami Q_1\, i Q_2\,


Enlarge
Dla stabilistora (diody Zenera i diody lawinowej) obszarem roboczym jest najczęściej stan, w którym występuje polaryzacja zaporowa i przyrząd pracuje jak stabilizator napięcia (slajd 9). Z tego powodu, każdy stabilistor podobnie jak diody sygnałowe musi być dołączony do źródła zasilania przez rezystor. Rezystor musi ograniczyć wartość prądu w stabilistorze tak, aby nie została przekroczona graniczna wartość mocy strat. Na slajdzie przedstawiono zmianę położenia punktu pracy stabilistora pracującego w układzie parametrycznego stabilizatora napięcia przy zmianach wartości rezystancji szeregowej R\,. Istnieje pewna minimalna wartość rezystancji R_{min}\,, przekroczenie której spowoduje, że punktu pracy przesunie się powyżej krzywej dopuszczalnej mocy strat P_{tot}\, i stabilistor ulegnie uszkodzeniu.

Enlarge
Układy tranzystorowe.

Obszar dopuszczalnej pracy tranzystora bipolarnego tzn. obszar w którym może znaleźć się punkt pracy tranzystora bez ryzyka jego szkodzenia można przedstawić posługując się charakterystykami wyjściowymi tranzystora. Obszar ten jest ograniczony krzywą mocy strat P_C\, lub P_t_o_t\,, która uwzględnia zjawisko powielania lawinowego nośników w złączu kolektorowym występujące przy dużych napięciach kolektor-emiter, wartością maksymalną prądu kolektora I_C_m_a_x\, , minimalnym prądem kolektora, który dla I_B = 0\, A\, jest równy prądowi zerowemu I_C_E_0\, oraz napięciem maksymalnym U_C_E_m_a_x\,. Minimalny prąd kolektora oraz napięcie maksymalne mogą być różne w zależności od sposobu sterownia tranzystora


Enlarge
Na slajdzie 11 przedstawiono charakterystyki wyjściowe tranzystora przy różnych wariantach strategii sterowania. Największą wartość napięcia kolektor-emiter U_C_E_V\,, zbliżoną do wartości U_C_E_0\, przy odłączonym emiterze można uzyskać, gdy baza jest wysterowana względem emitera ujemnym napięciem.

Enlarge
Warianty sterowania

Enlarge
W zależności od wartości rezystancji R_B_E\, dołączonej równolegle do złącza baza-emiter minimalny prąd kolektora będzie zmieniał się jak na wykresie przedstawionym na slajdzie 13. Prąd I_C_S\, odpowiada stanowi, gdy I_B < 0\, A i R_B_E = 0\, \Omega (przypadek przedstawiony na slajdzie 12, rys. e).

Enlarge
Punkt pracy tranzystora bipolarnego

Punkt pracy tranzystora można jednoznacznie określić w polu charakterystyk wyjściowych, jeżeli znane są I_B_Q,\, I_C_Q,\, U_C_E_Q\, oraz rezystancje R_B,\, R_C,\, R_E\, i napięcia źródeł zasilania E_B,\, E_C\,. W rzeczywistości postępujemy na ogół inaczej: przyjmujemy parametry tranzystora w punkcie pracy i dla zadanych napięć źródeł zasilania dobieramy odpowiednie wartości rezystancji R_B,\, R_C,\, R_E\,.


Enlarge
Postępując podobnie jak w układach z diodami możemy oddzielić część liniową obwodu od części nieliniowej. Część nieliniowa (tranzystor) ma znaną charakterystykę prądowo-napieciową. Charakterystyka części liniowej obwodu jest liniowa. Dwa punktu tej charakterystyki określamy zwierając i rozwierając elektrody

C i E tranzystora. Przy zwarciu można napisać

\displaystyle E_C-I_C_z\cdot R_C+I_E_z\cdot R_E gdzie I_C_z = \alpha_0\cdot I_E_z\,

Zatem

\displaystyle I_z=I_C_z=\frac{E_C}{\displaystyle R_C+\frac{R_E}{\alpha_0}}U_z = U_C_E_z = 0\, V

Przy rozwarciu

I_r = 0\, A,

U_r = U_C_E_r = E_C

Punkt przecięcia tak wyznaczonej prostej (prostej obciążenia) z charakterystyką tranzystora odpowiadającą prądowi I_B który w tym wypadku będzie również stanowił prąd IBQ wyznaczy współrzędne punktu pracy I_C_Q oraz U_C_E_Q tranzystora.


Enlarge
W zależności od położenia punktu pracy w polu charakterystyk tranzystora wyróżnia się:
  • stan przewodzenia aktywnego, kiedy punkt pracy leży wewnątrz obszaru dopuszczalnej pracy (np. punkt Q_1\, na slajdzie 15). W tym stanie prąd kolektora i napięcie kolektor-emiter mają stosunkowo duże wartości.
  • stan odcięcia prądowego, kiedy punkt pracy znajduje się na najniżej położonej charakterystyce (np. punkt Q_2\, na slajdzie15). W tym stanie tranzystor praktycznie nie przewodzi, prąd kolektora jest pomijalnie mały (np. równy I_C_E_0), a napięcie kolektor-emiter jest porównywalne lub równe napięciu zasilania.
  • stan nasycenia prądowego, kiedy punkt pracy leży w obszarze nasycenia (na tzw. prostej nasycenia, np. punkt Q_3\, na slajdzie 15). W tym stanie tranzystor zachowuje się jak zamknięty łącznik, prąd kolektora jest duży, a napięcie kolektor-emiter jest praktycznie równe 0 V (pomijamy w tym wypadku napięcie nasycenia tranzystora U_C_E_s\approx 0,2\, V).

Enlarge
W zależności od położenia punktu pracy na prostej obciążenia wyróżnia się tzw. klasy pracy wzmacniacza ( w tym wypadku wzmacniaczem jest tranzystor).

Jeżeli punkt pracy leży w środku prostej obciążenia mówimy, że wzmacniacz pracuje w klasie A, punkt Q_A na slajdzie 15. Jeżeli punkt pracy leży na charakterystyce w punkcie Q_B mówimy, że wzmacniacz pracuje w klasie B. Jeżeli punkt pracy Q_A_B leży pomiędzy punktami Q_A i Q_B mówimy, że wzmacniacz pracuje w klasie AB. W praktyce stosuje się także inne klasy pracy wzmacniacza np. klasy C, D, E. W klasie D tranzystor pracuje impulsowo tzn. cyklicznie, zgodnie z zadaną funkcją sterowania, jest przełączany ze stanu odcięcia prądowego do stanu nasycenia i odwrotnie. W tego typu pracy stan przełączenia (przejście przez stan aktywny) powinien trwać jak najkrócej. Klasa D jest powszechnie stosowana w urządzeniach energoelektronicznych i wzmacniaczach moc małej częstotliwości


Enlarge
Współrzędne punktu pracy tranzystora bipolarnego I_C_Q\ i U_C_E_Q zależą od parametrów obwodu zewnętrznego dołączonego do tranzystora (napięcie zasilania U_C_C, rezystory R_C,\, R_E,\, R_B\,) oraz od parametrów tranzystora. Przyjmuje się, z pośród wielu parametrów tranzystora trzy z nich: napięcie U_B_E\,, prąd I_{CB0}\,, współczynnik wzmocnienia prądowego \alpha_0 lub \beta_0 , są potrzebna do jednoznacznego określenia punktu pracy tranzystora.

Obwód przedstawiony na slajdzie 18 można opisać układem równań

\displaystyle E_B=I_{BQ}\cdot R_B+I_{EQ}\cdot R_E+U_{BEQ}

\displaystyle E_C=I_{CQ}\cdot R_C+I_{EQ}\cdot R_E+U_{CEQ}

\displaystyle I_{EQ}=I_{CQ}+I_{BQ}

\displaystyle I_{CQ}=\beta_{0Q}\cdot I_{BQ}+(1+\beta _{0Q})\cdot I_{CB0Q}

Przekształcając ten układ obliczamy współrzędne punktu pracy

\displaystyle I_{CQ}=\frac{\displaystyle \beta_{0Q}(E_B-U_{BEQ})+(\beta_{0Q}+1)I_{CB0Q}(R_B+R_E)}{\displaystyle R_B+(1+\beta_{0Q})R_E}

\displaystyle U_{CEQ}=E_C-I_{CQ}\bigg[R_C+\frac{\displaystyle (\beta_{0Q}+1)R_E}{\displaystyle \beta_{0Q}}\bigg]+\frac{\beta _{0Q}+1}{\beta_{0Q}}I_{CB0Q}R_E


Enlarge
Istnieje wiele układów linowych i nieliniowych umożliwiających polaryzację elektrod

i ustawianie punktu pracy tranzystora bipolarnego. Na slajdzie 19 przedstawiono najbardziej popularne układy liniowe. Każdy z tych obwodów można sprowadzić, stosując twierdzenie Thevenina, do postaci ogólnej przedstawionej na slajdzie 18. Np. Zastępcze parametry obwodu zasilania dla układu z potencjometrycznym zasilaniem bazy i sprzężeniem w emiterze są odpowiednio równe:

\displaystyle E_B\frac{R_2}{R_1+R_2}\cdot U_{CC}

\displaystyle E_C=U_{CC}

\displaystyle R_C=R_3

\displaystyle R_E=R_4

\displaystyle R_B=\frac{R_1\cdot R_2}{R_1+R_2}


Enlarge
Stabilizacja termiczna punktu pracy tranzystora bipolarnego

Istotnym zagadnieniem w przypadku zasilania tranzystorów bipolarnych jest stabilizacja termiczna punktu pracy umożliwiająca zmniejszenie wpływu zmian parametrów tranzystora pod wpływem temperatury, na położenie punktu pracy. Przyjmując, że zmianie ulegają parametry tranzystora równanie stabilizacji punktu pracy ma następującą postać

\displaystyle dI_{CQ}=\frac{\delta I_{CQ}}{\delta I_{CB0}}dI_{CB0}+\frac{\delta I_{CQ}}{\delta U_{BE}}dU_{BE}+\frac{\delta I_{CQ}}{\delta \beta_0}d\beta_0



Enlarge
Poszczególne pochodne cząstkowe nazywamy współczynnikami stabilizacji

\displaystyle S_i=\frac{dI_{CQ}}{dI_{CB0}}\bigg|_{\begin{matrix} U_{BE}=const \\ \beta_0=const \end{matrix}}

\displaystyle S_u=\frac{dI_{CQ}}{dU_{BE}}\bigg|_{\begin{matrix} I_{CB0}=const \\ \beta_0=const \end{matrix}}

\displaystyle S_{\beta}=\frac{dI_{CQ}}{d\beta_0}\bigg|_{\begin{matrix} U_{BE}=const \\ I_{CB0}=const \end{matrix}}

Zagadnienia związane ze stabilizacją termiczną punktu pracy dotyczą wyłącznie składowych stałych prądów i napięć polaryzujących tranzystor bipolarny. A zatem na wartość współczynników stabilizacji nie wpływają wartości parametrów małosygnałowych (dynamicznych). Dla tranzystorów krzemowych istotniejszy jest współczynnik S_u\, a nie S_i\,.


Enlarge
Podstawowe topologie wzmacniaczy z tranzystorem bipolarnym

Z punktu widzenia składowej przemiennej kiedy tranzystor bipolarny pełni rolę wzmacniacza można wyróżnić trzy podstawowe topologie obwodów: wspólny emiter WE, wspólny kolektor WK, wspólna baza WB.


Enlarge
Istotnymi parametrami tych obwodów są

\displaystyle r_{WE}=\frac{u_1}{i_1}\bigg|_{i_2=0} impedancja wejściowa,

\displaystyle r_{WY}=\frac{u_2}{i_2}\bigg|_{u_1=0} impedancja wyjściowa,

\displaystyle k_{U}=\frac{u_2}{u_1}\bigg|_{i_2=0} wzmocnienie napięciowe.

Znak minus w definicji rezystancji wyjściowej wynika z przyjęcia, przeciwnego niż to jest przyjęte w teorii czwórników, zwrotu prądu i_2\,

Jeżeli, jak to często ma miejsce, prąd i_2\, wypływa ze wzmacniacza to w definicji rezystancji wyjściowej należy dopisać znak minus (w tym wypadku przyjęty kierunek prądu jest przeciwny do tego, który przyjęto w teorii czwórników).


Enlarge
Przy wyznaczaniu tych parametrów stosuje się małosygnałowy model tranzystora bipolarnego opisany równaniami macierzy hybrydowej h\, z parametrami w postaci uniwersalnej.

\displaystyle u_{BE}=i_B\cdot r_{BE}+u_{CE}\cdot k_f

\displaystyle i_C=i_B\cdot \beta +u_{CE}\cdot \frac{1}{r_{CE}}


Enlarge
Dla układu wspólnego emitera WE można zapisać

\displaystyle i_1=i_B

\displaystyle i_2+i_C=i_R

\displaystyle i_R\cdot R_C+u_2=0

\displaystyle u_2=u_{CE}

\displaystyle u_1=u_{BE}

Warunek \displaystyle i_R\cdot R_C + u_2 = 0 oznacza, że przyrosty napięć na rezystorze kolektorowym i tranzystorze kompensują się. Wynika to z faktu, że napięcie zasilania U_{CC}\, jest stałe tzn. nie zmienia się w czasie


Enlarge
Przy obliczaniu wzmocnienia napięciowego i rezystancji wejściowej zakładamy, że wzmacniacz jest nieobciążony co oznacza, że \displaystyle i_2 = 0, a zatem \displaystyle i_C = i_R oraz \displaystyle i_C=-\frac {u_2}{R_C}

Można zatem napisać

\displaystyle u_1=i_1\cdot r_{BE}+u_2\cdot k_f

\displaystyle -\frac{u_2}{R_C}=i_1\cdot \beta +u_2\cdot \frac{1}{r_{CE}}

Rugując z tego układu równań prąd i_1\, wzmocnienie napięciowe jest opisane zależnością

\displaystyle k_U=\frac{u_2}{u_1}\bigg|_{i_2=0} =\frac{\displaystyle -\frac{\beta}{r_{BE}}}{\displaystyle \frac{1}{R_C}+\frac{1}{r_{CE}}-\frac{k_f\cdot \beta}{r_{BE}}}\cong \frac{-\beta\cdot R_C}{r_{BE}}\bigg|_{\begin{matrix} r_{CE}\to \infty \\ k_f=0  \end{matrix}}

Znak minus we wzorze oznacza, że układ odwraca fazę sygnału (przesuwa sygnał wyjściowy w fazie względem sygnału wejściowego o kąt \pi. Rugując z układu równań napięcie u_2 rezystancja wejściowej jest dana wzorem

\displaystyle r_{WE}=\frac{u_1}{i_1}\bigg|_{i_2=0} =\frac{\displaystyle r_{BE}\cdot \left(\frac{1}{R_C}+\frac{1}{r_{CE}}\right)-\beta\cdot k_f}{\displaystyle \frac{1}{R_C}+\frac{1}{r_{CE}}}\cong r_{BE}\bigg|_{k_f=0}

Przy obliczaniu rezystancji wyjściowej należy wzmacniacz obciążyć, a zatem

\displaystyle i_C=i_R-i_2=-\frac{u_2}{R_C}-i_2

Można zatem napisać

\displaystyle 0=i_1\cdot r_{BE}+u_2\cdot k_f

\displaystyle -\frac{u_2}{R_C}-i_2=i_1\cdot \beta +u_2\cdot \frac{1}{r_{CE}}

Rugując z tego układu równań napięcie u_2\, rezystancja wyjściowa jest opisane zależnością

\displaystyle r_{WY}=\frac{-u_2}{i_2}\bigg|_{u_1=0} =\frac{1}{\displaystyle \frac{1}{R_C}+\frac{1}{r_{CE}}-\frac{\beta\cdot k_f}{r_{BE}}}= R_C \bigg|_{\begin{matrix} r_{CE}\to \infty \\ k_f=0  \end{matrix}}

Podobnie jak dla układu WE postępujemy przy wyznaczaniu podstawowych parametrów wzmacniacza w układach wspólnego kolektora i wspólnej bazy


Enlarge
Dla układu wspólnego kolektora WK, często nazywanego także wtórnikiem emiterowym można zapisać

\displaystyle i_1=i_B

\displaystyle u_1=u_{BE}+u_2

\displaystyle u_2+u_{CE}=0

\displaystyle i_E=i_1+i_C=i_R+i_2

\displaystyle i_R=\frac{u_2}{R_E}


Enlarge
Wzmocnienie napięciowe tego układu jest bliskie, ale zawsze mniejsze od jedności

\displaystyle k_U=\frac{u_2}{i_1}\bigg|_{i_2=0} =\frac{1}{\displaystyle 1+\frac{R_{BE}}{\beta +1}\left(\frac{1}{R_E}+\frac{1}{r_{CE}}\right)-k_f}\cong\frac{1}{1+\displaystyle \frac{r_{BE}}{\beta +1}}\bigg|_{\begin{matrix} r_{CE}\to\infty \\ k_f=0\end{matrix}}\approx 1\frac{V}{V}

Rezystancja wejściowa jest równa

\displaystyle r_{WE}=\frac{u_1}{i_1}\bigg|_{i_2=0}= r_{BE}+\frac{(1-k_f)\cdot (1+\beta)}{\displaystyle \frac{1}{R_E}+\frac{1}{r_{CE}}}\cong r_{BE}+(1+\beta)\cdot R_E\bigg|_{\begin{matrix} r_{CE}\to \infty \\ k_f=0  \end{matrix}}\approx\beta\cdot R_E

a rezystancja wyjściowa

\displaystyle r_{WY}=\frac{-u_2}{i_2}\bigg|_{u_1=0}=\frac{1}{\displaystyle \frac{1}{R_E}+\frac{1}{r_{CE}}+\frac{(1-k_f)\cdot (1+\beta)}{r_{BE}}}\cong \frac{1}{\displaystyle \frac{1}{R_E}+\frac{1+\beta}{r_{BE}}}\bigg|_{\begin{matrix} r_{CE}\to \infty \\ k_f=0  \end{matrix}}\approx\frac{r_{BE}}{\beta}


Enlarge
Dla układu wspólnej bazy WB można zapisać:

\displaystyle i_1=-i_E

\displaystyle u_1=-u_{BE}

\displaystyle u_2-u_1=u_{CE}

\displaystyle i_R=i_C+i_2

\displaystyle i_R\cdot R_C+u_2=0

\displaystyle i_E=i_C+i_B


Enlarge
Odpowiednie parametry wzmacniacza opisane są zależnościami
  • wzmocnienie napięciowe

\displaystyle k_U=\frac{\displaystyle\frac{\beta}{r_{BE}}(1-k_f)+\frac{1}{r_{CE}}}{\displaystyle \frac{1}{R_C}+\frac{1}{r_{CE}}-\frac{\beta\cdot k_f}{r_{BE}}}\cong \frac{\beta\cdot R_C}{r_{BE}} \bigg|_{\begin{matrix} r_{CE}\to \infty \\ k_f=0  \end{matrix}}

  • rezystancja wejściowa

\displaystyle r_{WE}=\frac{u_1}{i_1}\bigg|_{i_2=0} =\frac{\displaystyle r_{BE}\cdot \left(\frac{1}{R_C}+\frac{1}{r_{CE}}\right)-\beta\cdot k_f}{\displaystyle \frac{1}{r_{CE}}\left(\frac{r_{BE}}{R_C}+1\right)+\frac{(\beta+1)\cdot (1-k_f)}{r_{BE}}}}\cong \frac{r_{BE}}{\beta +1}\bigg|_{\begin{matrix} r_{CE}\to \infty \\ k_f=0  \end{matrix}}

  • rezystancja wyjściowa

\displaystyle r_{WY} =\frac{1}{\displaystyle \frac{1}{R_C}+\frac{1}{r_{CE}}-\frac{k_f \cdot \beta }{r_{BE}}}\cong R_C \bigg|_{\begin{matrix} r_{CE}\to \infty \\ k_f=0  \end{matrix}}


Enlarge
Obszar dopuszczalnej pracy tranzystora unipolarnego tzn. obszar w którym może znaleźć się punkt pracy tranzystora bez ryzyka jego szkodzenia można, podobnie jak dla tranzystorów bipolarnych, można przedstawić posługując się charakterystykami wyjściowymi tranzystora. Obszar ten jest ograniczony krzywą mocy strat P_{tot}\,, wartością maksymalną prądu drenu I_{Dmax}\, , oraz napięciem maksymalnym U_{DSmax}\,.

Enlarge
Punkt pracy tranzystora unipolarnego

Punkt pracy tranzystora można jednoznacznie określić w polu charakterystyk wyjściowych, jeżeli znane są U_{GSQ},\, I_{DQ},\, U_{DSQ}\,. Załóżmy, że dane są charakterystyki wyjściowe tranzystora pracującego w układzie wzmacniacza przedstawionego na slajdzie 32. Postępując podobnie jak w układach z tranzystorami bipolarnymi możemy oddzielić część liniową obwodu od części nieliniowej. Część nieliniowa (tranzystor) ma znaną charakterystykę prądowo-napięciową. Charakterystyka części liniowej obwodu jest liniowa. Dwa punktu tej charakterystyki określamy zwierając i rozwierając elektrody D i S tranzystora.

Ponieważ \displaystyle E_D=I_{Dz}\cdot (R_D+R_S)

Zatem przy zwarciu D i S można napisać

\displaystyle I_z=I_{Dz}=\frac{E_D}{R_D+R_S}

\displaystyle U_z=U_{DSz}=0\, V

Przy rozwarciu

\displaystyle I_r=0\,A,\, U_r=E_D

Punkt przecięcia tak wyznaczonej prostej (tzw. prostej obciążenia) z charakterystyką tranzystora odpowiadającą napięciu U_{GS}\,, które w tym wypadku będzie również równe napięciu U_{GSQ}\, wyznaczy współrzędne punktu pracy </math>I_{DQ}\,</math> oraz U_{DSQ}\, wyznaczy współrzędne punktu pracy I_{DQ}\, oraz U_{DSQ}\,.


Enlarge
W zależności od położenia punktu pracy w polu charakterystyk tranzystora wyróżnia się:
  • stan aktywny, kiedy punkt pracy leży wewnątrz obszaru dopuszczalnej pracy (np. punkt Q_1\, na slajdzie 32). W tym stanie tranzystor jest wzmacniaczem, prąd drenu i napięcie dren-źródło mają stosunkowo duże wartości.
  • stan wyłączenia, kiedy punkt pracy jest położony najniżej na prostej obciążenia (punkt Q_2\, na slajdzie 32). W tym stanie tranzystor praktycznie nie przewodzi, prąd drenu jest pomijalnie mały, a napięcie dren-źródło jest porównywalne lub równe napięciu zasilania.
  • stan załączenia, kiedy punkt pracy leży w obszarze pracy triodowej (np. punkt Q_3\, na slajdzie 32). W tym stanie tranzystor zachowuje się jak zamknięty łącznik, o stosunkowo małej rezystancji, prąd drenu jest duży, a napięcie dren-źródło jest małe.

Enlarge
Podobnie jak w wypadku tranzystorów bipolarnych w zależności od położenia punktu pracy na prostej obciążenia wyróżnia się tzw. klasy pracy układu.

Jeżeli punkt pracy leży w środku prostej obciążenia mówimy, że wzmacniacz pracuje w klasie A, punkt Q_A\, na slajdzie 32.

Jeżeli punkt pracy leży na charakterystyce w punkcie Q_B\, mówimy, że wzmacniacz pracuje w klasie B.

Jeżeli punkt pracy Q_{AB}\, leży pomiędzy punktami Q_A\, i Q_B\, mówimy, że wzmacniacz pracuje w klasie AB.

W praktyce stosuje się także inne klasy pracy wzmacniacza np. klasy C, D, E.

W klasie D tranzystor pracuje impulsowo tzn. cyklicznie, zgodnie z zadaną funkcją sterowania, jest przełączany ze stanu wyłączenia do stanu załączenia i odwrotnie. W tego typu pracy stan przełączenia (przejście przez stan aktywny) powinien trwać jak najkrócej. Klasa D jest powszechnie stosowana w urządzeniach energoelektronicznych i wzmacniaczach moc małej częstotliwości.


Enlarge
Współrzędne punktu pracy tranzystora unipolarnego I_{DQ}\, i U_{DSQ}\, zależą od parametrów obwodu zewnętrznego dołączonego do tranzystora (napięcie zasilania U_{CC}\,, rezystory R_D\,, R_S\,) oraz od parametrów tranzystora.

Dla tranzystorów unipolarnych zagadnienie polaryzacji i stabilizacji punktu pracy jest znacznie prostsze niż w wypadku tranzystorów bipolarnych ponieważ charakterystyki w mniejszym stopniu są zależne od temperatury, a ponieważ współczynniki termiczne są ujemne to niekorzystne skutki tych zjawisk często kompensują się. Ponadto w tranzystorze unipolarnym praktycznie nie płynie prąd bramki. W zasadzie istnieją dwa układy zasilania tranzystorów unipolarnych. Pierwszy potencjometryczny stosowany w wypadku tranzystorów normalnie wyłączonych i drugi z tzw. automatyczna polaryzacją bramki stosowany do tranzystorów normalnie załączonych.

W układzie zasilania potencjometrycznym napięcie polaryzujące bramkę ma tę samą polaryzację co napięcie zasilania i ma wartość:

\displaystyle U_{GSQ}=\frac{R_2}{R_1+R_2}U_{CC}

Dla układu z automatyczna polaryzacją bramki napięcie bramka-źródło ustalające punkt pracy ma przeciwną polaryzację niż napięcie zasilania. Dla tego obwodu można napisać

\displaystyle U_G=U_{GSQ}+U_S

\displaystyle U_S=I_{DSQ}\cdot R_S

Prąd I_{DSQ}\, jest równy prądowi drenu w wybranym punkcie pracy dla U_{GS} = U_{GSQ}. Ponieważ prąd bramki w tranzystorze unipolarnym praktycznie nie płynie (I_G = 0\, A) to nawet kiedy rezystancja R_G\, będzie bardzo wielka (np. rzędu 1\, M\Omega\,) spadek napięcia na niej także będzie równy U_G = 0\, V.

Otrzymamy zatem następujące zależności

\displaystyle 0=U_{GSQ}+U_S

\displaystyle U_{GSQ}=-U_S=-I_{DSQ}\cdot R_S

Dobierając odpowiednia wartość rezystora RS możemy jednoznacznie ustalić punkt pracy tranzystora bez stosowania dodatkowego ujemnego źródła zasilania.

Pomimo tego, że tranzystory unipolarne wykazują właściwości samostabilizacji także i w tym wypadku uzasadnione jest stosowanie środków do stabilizacji punktu pracy, ponieważ wraz ze zmniejszaniem się prądu drenu maleje współczynnik S (nachylenie charakterystyki bramkowej), od którego zależy wzmocnienie napięciowe układu. Stabilizacja powinna, także przeciwdziałać skutkom rozrzutu parametrów poszczególnych egzemplarzy tranzystorów i skutkom wahań napięcia zasilającego.

Ze względu na silnie nieliniowe charakterystyki tranzystorów unipolarnych wiele z nich nadaje się wyłącznie do wzmacniania małych sygnałów.


Enlarge
Podstawowe topologie wzmacniaczy z tranzystorami unipolarnymi

Z punktu widzenia składowej przemiennej kiedy tranzystor unipolarny pełni rolę wzmacniacza można wyróżnić trzy podstawowe topologie obwodów: wspólne źródło WS, wspólny dren WD oraz wspólna bramka WG.

Istotnymi parametrami tych obwodów są podobnie jak w układach z tranzystorami bipolarnymi:

\displaystyle r_{WE}=\frac{u_1}{i_1}\bigg|_{i_2=0} impedancja wejściowa,

\displaystyle r_{WY}=\frac{u_2}{i_2}\bigg|_{u_1=0} impedancja wyjściowa,

\displaystyle k_{U}=\frac{u_2}{u_1}\bigg|_{i_2=0} wzmocnienie napięciowe.


Enlarge
Przy wyznaczaniu tych parametrów można wykorzystać małosygnałowy model tranzystora unipolarnego opisany równaniami macierzy admitancyjnej y\,

z parametrami w postaci uniwersalnej.

\displaystyle i_G=\frac{u_{GS}}{r_{GS}},\, r_{DS}\to \infty ,\, i_G\to 0

\displaystyle i_D=u_{GS}\cdot S+u_{DS}\cdot \frac{1}{r_{DS}}


Enlarge
W układzie wspólnego źródła, który jest odpowiednikiem układu wspólnego emitera dla tranzystorów bipolarnych, można zapisać:

\displaystyle u_1=u_{GS}

\displaystyle u_2=u_{DS}

\displaystyle i_1=i_G\to 0\, A

\displaystyle i_R=i_D+i_2

\displaystyle i_R\cdot R_D+u_2=0

Podstawiając \displaystyle i_2 = 0 możemy obliczyć wzmocnienie napięciowe i rezystancję wejściową układu WS

\displaystyle k_U=\frac{u_2}{u_1}\bigg|_{i_2=0}= \frac{-S}{\displaystyle \frac{1}{R_D}+\frac{1}{r_{DS}}}

\displaystyle r_{WE}=\frac{u_1}{i_1}\bigg|_{i_2=0}= r_{GS}

Znak minus we wzorze na wzmocnienie napięciowe oznacza odwrócenie fazy sygnału wyjściowego w stosunku do sygnału wejściowego.

Jeżeli jest i_2\neq 0 to uwzględniając warunek u_1 = 0 można napisać

\displaystyle \frac{-u_2}{R_D}-i_2=0\cdot S+\frac{u_2}{r_{DS}}

Przekształcając to równanie wyznacza się rezystancję wyjściową układu wspólnego źródła WS

\displaystyle r_{WY}=\frac{-u_2}{i_2}\bigg|_{u_1=0}= \frac{1}{\displaystyle \frac{1}{R_D}+\frac{1}{r_{DS}}}

Uzyskane wzory są podobne do zależności opisujących układ wspólnego emitera. Podobne analogie występują w wypadku układów wspólnego drenu (wtórnik źródłowy) i wspólnego kolektora oraz wspólnej bramki i wspólnej bazy.


Enlarge
Dla układu wspólnego drenu WD, postępując podobnie jak dla układu wspólnego źródła można napisać

\displaystyle i_1=i_G

\displaystyle i_D=i_R+i_2

\displaystyle u_1-u_2=u_{GS}

\displaystyle u_2+u_{DS}=0

\displaystyle i_R\cdot R_S=u_2

Przyjmując i_2 = 0 można napisać

\displaystyle \frac{u_2}{R_S}=S\cdot (u_1-u_2)-\frac{u_2}{r_{DS}}

Po przekształceniu tej zależności wzmocnienie napięciowe k_U\, układu wspólnego źródła jest równe

\displaystyle k_U=\frac{\displaystyle S}{\displaystyle S+\frac{1}{R_S}+\frac{1}{r_{DS}}}\cong 1\frac{V}{V}

Warto zauważyć, że k_U\, ma zawsze wartość mniejszą od 1.

Rezystancja wejściowa po uwzględnieniu zależności \displaystyle u_1-u_2=i_1\cdot r_{GS} jest równa

\displaystyle r_{WE}=\frac{r_{GS}}{1-k_U}\to \infty

Przy założeniu, że i_2\neq 0 i u_1 = 0 rezystancja wyjściowa jest równa

\displaystyle r_{WY}=\frac{1}{\displaystyle \frac{1}{R_S}+\frac{1}{r_{DS}}}


Enlarge
Dla układu wspólnej bramki WG zależności na wzmocnienie napięciowe, rezystancję wejściową i wyjściową są podobne do tych jakie uzyskano dla układu wspólnej bazy.

\displaystyle k_U=\frac{S}{\displaystyle \frac{1}{r_{DS}}+\frac{1}{R_S}}

\displaystyle r_{WE}=\frac{r_{GS}}{\displaystyle 1+k_U\cdot \frac{r_{GS}}{R_D}}}\cong \frac{R_D}{k_U}

\displaystyle r_{WY}=\frac{1}{\displaystyle \frac{1}{R_S}+\frac{1}{r_{DS}}}

Cecha charakterystyczną jest znaczne zmniejszenie rezystancja wejściowej wzmacniacza.


Bibliografia

  1. Kaźmierkowski M. P., Matysik J. T.: Wprowadzenie do elektroniki i energoelektroniki, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2005
  2. Baranowski J., Nosal Z.: Układy elektroniczne cz. I. Układy analogowe liniowe, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1998