PEE Moduł 14

Z Studia Informatyczne
Przejdź do nawigacjiPrzejdź do wyszukiwania
PEE M14 Slajd1.png
Podstawowe topologie połączeń elementów półprzewodnikowych: punkt pracy, stany pracy


PEE M14 Slajd2.png
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 .

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



PEE M14 Slajd3.png
'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.

PEE M14 Slajd4.png
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

przy zwarciu,

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).


PEE M14 Slajd5.png
Przy połączeniu równoległym suma prądów jest stała i równa I.

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


PEE M14 Slajd6.png
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

przy zwarciu, przy rozwarciu. Punkt przecięcia prostej obciążenia z charakterystyką elementu nieliniowego wyznacza punkt pracy Q tego elementu oraz punkt pracy części liniowej obwodu.


PEE M14 Slajd7.png
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.


PEE M14 Slajd8.png
Na slajdzie 8 przedstawiono zmianę położenia prostej obciążenia przy zasilaniu układu rezystor-dioda ze źródła napięcia przemiennego:

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 i


PEE M14 Slajd9.png
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 . Istnieje pewna minimalna wartość rezystancji , przekroczenie której spowoduje, że punktu pracy przesunie się powyżej krzywej dopuszczalnej mocy strat i stabilistor ulegnie uszkodzeniu.

PEE M14 Slajd10.png
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 lub Parser nie mógł rozpoznać (Błąd konwersji. Serwer („https://wazniak.mimuw.edu.pl/api/rest_”) zgłosił: „Cannot get mml. TeX parse error: Double subscripts: use braces to clarify”): {\displaystyle P_{t}_{o}_{t}\,} , która uwzględnia zjawisko powielania lawinowego nośników w złączu kolektorowym występujące przy dużych napięciach kolektor-emiter, wartością maksymalną prądu kolektora Parser nie mógł rozpoznać (Błąd konwersji. Serwer („https://wazniak.mimuw.edu.pl/api/rest_”) zgłosił: „Cannot get mml. TeX parse error: Double subscripts: use braces to clarify”): {\displaystyle I_{C}_{m}_{a}_{x}\,} , minimalnym prądem kolektora, który dla jest równy prądowi zerowemu Parser nie mógł rozpoznać (Błąd konwersji. Serwer („https://wazniak.mimuw.edu.pl/api/rest_”) zgłosił: „Cannot get mml. TeX parse error: Double subscripts: use braces to clarify”): {\displaystyle I_{C}_{E}_{0}\,} oraz napięciem maksymalnym Parser nie mógł rozpoznać (Błąd konwersji. Serwer („https://wazniak.mimuw.edu.pl/api/rest_”) zgłosił: „Cannot get mml. TeX parse error: Double subscripts: use braces to clarify”): {\displaystyle U_{C}_{E}_{m}_{a}_{x}\,} . Minimalny prąd kolektora oraz napięcie maksymalne mogą być różne w zależności od sposobu sterownia tranzystora


PEE M14 Slajd11.png
Na slajdzie 11 przedstawiono charakterystyki wyjściowe tranzystora przy różnych wariantach strategii sterowania. Największą wartość napięcia kolektor-emiter Parser nie mógł rozpoznać (Błąd konwersji. Serwer („https://wazniak.mimuw.edu.pl/api/rest_”) zgłosił: „Cannot get mml. TeX parse error: Double subscripts: use braces to clarify”): {\displaystyle U_{C}_{E}_{V}\,} , zbliżoną do wartości Parser nie mógł rozpoznać (Błąd konwersji. Serwer („https://wazniak.mimuw.edu.pl/api/rest_”) zgłosił: „Cannot get mml. TeX parse error: Double subscripts: use braces to clarify”): {\displaystyle U_{C}_{E}_{0}\,} przy odłączonym emiterze można uzyskać, gdy baza jest wysterowana względem emitera ujemnym napięciem.

PEE M14 Slajd12.png
Warianty sterowania

PEE M14 Slajd13.png
W zależności od wartości rezystancji Parser nie mógł rozpoznać (Błąd konwersji. Serwer („https://wazniak.mimuw.edu.pl/api/rest_”) zgłosił: „Cannot get mml. TeX parse error: Double subscripts: use braces to clarify”): {\displaystyle R_{B}_{E}\,} dołączonej równolegle do złącza baza-emiter minimalny prąd kolektora będzie zmieniał się jak na wykresie przedstawionym na slajdzie 13. Prąd Parser nie mógł rozpoznać (Błąd konwersji. Serwer („https://wazniak.mimuw.edu.pl/api/rest_”) zgłosił: „Cannot get mml. TeX parse error: Double subscripts: use braces to clarify”): {\displaystyle I_{C}_{S}\,} odpowiada stanowi, gdy i Parser nie mógł rozpoznać (Błąd konwersji. Serwer („https://wazniak.mimuw.edu.pl/api/rest_”) zgłosił: „Cannot get mml. TeX parse error: Double subscripts: use braces to clarify”): {\displaystyle R_{B}_{E}=0\,\Omega } (przypadek przedstawiony na slajdzie 12, rys. e).

PEE M14 Slajd14.png
Punkt pracy tranzystora bipolarnego

Punkt pracy tranzystora można jednoznacznie określić w polu charakterystyk wyjściowych, jeżeli znane są Parser nie mógł rozpoznać (Błąd konwersji. Serwer („https://wazniak.mimuw.edu.pl/api/rest_”) zgłosił: „Cannot get mml. TeX parse error: Double subscripts: use braces to clarify”): {\displaystyle I_{B}_{Q},\,I_{C}_{Q},\,U_{C}_{E}_{Q}\,} oraz rezystancje i napięcia źródeł zasilania . W rzeczywistości postępujemy na ogół inaczej: przyjmujemy parametry tranzystora w punkcie pracy i dla zadanych napięć źródeł zasilania dobieramy odpowiednie wartości rezystancji .


PEE M14 Slajd15.png
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

Parser nie mógł rozpoznać (Błąd konwersji. Serwer („https://wazniak.mimuw.edu.pl/api/rest_”) zgłosił: „Cannot get mml. TeX parse error: Double subscripts: use braces to clarify”): {\displaystyle \displaystyle E_{C}-I_{C}_{z}\cdot R_{C}+I_{E}_{z}\cdot R_{E}} gdzie Parser nie mógł rozpoznać (Błąd konwersji. Serwer („https://wazniak.mimuw.edu.pl/api/rest_”) zgłosił: „Cannot get mml. TeX parse error: Double subscripts: use braces to clarify”): {\displaystyle I_{C}_{z}=\alpha _{0}\cdot I_{E}_{z}\,}

Zatem

Parser nie mógł rozpoznać (Błąd konwersji. Serwer („https://wazniak.mimuw.edu.pl/api/rest_”) zgłosił: „Cannot get mml. TeX parse error: Double subscripts: use braces to clarify”): {\displaystyle \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

Parser nie mógł rozpoznać (Błąd konwersji. Serwer („https://wazniak.mimuw.edu.pl/api/rest_”) zgłosił: „Cannot get mml. TeX parse error: Double subscripts: use braces to clarify”): {\displaystyle U_{r}=U_{C}_{E}_{r}=E_{C}}

Punkt przecięcia tak wyznaczonej prostej (prostej obciążenia) z charakterystyką tranzystora odpowiadającą prądowi który w tym wypadku będzie również stanowił prąd IBQ wyznaczy współrzędne punktu pracy Parser nie mógł rozpoznać (Błąd konwersji. Serwer („https://wazniak.mimuw.edu.pl/api/rest_”) zgłosił: „Cannot get mml. TeX parse error: Double subscripts: use braces to clarify”): {\displaystyle I_{C}_{Q}} oraz Parser nie mógł rozpoznać (Błąd konwersji. Serwer („https://wazniak.mimuw.edu.pl/api/rest_”) zgłosił: „Cannot get mml. TeX parse error: Double subscripts: use braces to clarify”): {\displaystyle U_{C}_{E}_{Q}} tranzystora.


PEE M14 Slajd16.png
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 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 na slajdzie15). W tym stanie tranzystor praktycznie nie przewodzi, prąd kolektora jest pomijalnie mały (np. równy Parser nie mógł rozpoznać (Błąd konwersji. Serwer („https://wazniak.mimuw.edu.pl/api/rest_”) zgłosił: „Cannot get mml. TeX parse error: Double subscripts: use braces to clarify”): {\displaystyle 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 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 Parser nie mógł rozpoznać (Błąd konwersji. Serwer („https://wazniak.mimuw.edu.pl/api/rest_”) zgłosił: „Cannot get mml. TeX parse error: Double subscripts: use braces to clarify”): {\displaystyle U_{C}_{E}_{s}\approx 0,2\,V} ).

PEE M14 Slajd17.png
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 na slajdzie 15. Jeżeli punkt pracy leży na charakterystyce w punkcie mówimy, że wzmacniacz pracuje w klasie B. Jeżeli punkt pracy Parser nie mógł rozpoznać (Błąd konwersji. Serwer („https://wazniak.mimuw.edu.pl/api/rest_”) zgłosił: „Cannot get mml. TeX parse error: Double subscripts: use braces to clarify”): {\displaystyle Q_{A}_{B}} leży pomiędzy punktami 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


PEE M14 Slajd18.png
Współrzędne punktu pracy tranzystora bipolarnego Parser nie mógł rozpoznać (błąd składni): {\displaystyle I_C_Q\} i Parser nie mógł rozpoznać (Błąd konwersji. Serwer („https://wazniak.mimuw.edu.pl/api/rest_”) zgłosił: „Cannot get mml. TeX parse error: Double subscripts: use braces to clarify”): {\displaystyle U_{C}_{E}_{Q}} zależą od parametrów obwodu zewnętrznego dołączonego do tranzystora (napięcie zasilania Parser nie mógł rozpoznać (Błąd konwersji. Serwer („https://wazniak.mimuw.edu.pl/api/rest_”) zgłosił: „Cannot get mml. TeX parse error: Double subscripts: use braces to clarify”): {\displaystyle U_{C}_{C}} , rezystory ) oraz od parametrów tranzystora. Przyjmuje się, z pośród wielu parametrów tranzystora trzy z nich: napięcie Parser nie mógł rozpoznać (Błąd konwersji. Serwer („https://wazniak.mimuw.edu.pl/api/rest_”) zgłosił: „Cannot get mml. TeX parse error: Double subscripts: use braces to clarify”): {\displaystyle U_{B}_{E}\,} , prąd , współczynnik wzmocnienia prądowego lub , są potrzebna do jednoznacznego określenia punktu pracy tranzystora.

Obwód przedstawiony na slajdzie 18 można opisać układem równań

Przekształcając ten układ obliczamy współrzędne punktu pracy


PEE M14 Slajd19.png
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:


PEE M14 Slajd20.png
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



PEE M14 Slajd21.png
Poszczególne pochodne cząstkowe nazywamy współczynnikami stabilizacji

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 a nie .


PEE M14 Slajd22.png
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.


PEE M14 Slajd23.png
Istotnymi parametrami tych obwodów są

impedancja wejściowa,

impedancja wyjściowa,

wzmocnienie napięciowe.

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

Jeżeli, jak to często ma miejsce, prąd 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).


PEE M14 Slajd24.png
Przy wyznaczaniu tych parametrów stosuje się małosygnałowy model tranzystora bipolarnego opisany równaniami macierzy hybrydowej z parametrami w postaci uniwersalnej.


PEE M14 Slajd25.png
Dla układu wspólnego emitera WE można zapisać

Warunek oznacza, że przyrosty napięć na rezystorze kolektorowym i tranzystorze kompensują się. Wynika to z faktu, że napięcie zasilania jest stałe tzn. nie zmienia się w czasie


PEE M14 Slajd26.png
Przy obliczaniu wzmocnienia napięciowego i rezystancji wejściowej zakładamy, że wzmacniacz jest nieobciążony co oznacza, że , a zatem oraz

Można zatem napisać

Rugując z tego układu równań prąd wzmocnienie napięciowe jest opisane zależnością

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

Przy obliczaniu rezystancji wyjściowej należy wzmacniacz obciążyć, a zatem

Można zatem napisać

Rugując z tego układu równań napięcie rezystancja wyjściowa jest opisane zależnością

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


PEE M14 Slajd27.png
Dla układu wspólnego kolektora WK, często nazywanego także wtórnikiem emiterowym można zapisać


PEE M14 Slajd28.png
Wzmocnienie napięciowe tego układu jest bliskie, ale zawsze mniejsze od jedności

Rezystancja wejściowa jest równa

a rezystancja wyjściowa


PEE M14 Slajd29.png
Dla układu wspólnej bazy WB można zapisać:


PEE M14 Slajd30.png
Odpowiednie parametry wzmacniacza opisane są zależnościami
  • wzmocnienie napięciowe

  • rezystancja wejściowa

Parser nie mógł rozpoznać (błąd składni): {\displaystyle \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


PEE M14 Slajd31.png
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 , wartością maksymalną prądu drenu , oraz napięciem maksymalnym .

PEE M14 Slajd32.png
Punkt pracy tranzystora unipolarnego

Punkt pracy tranzystora można jednoznacznie określić w polu charakterystyk wyjściowych, jeżeli znane są . 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

Zatem przy zwarciu D i S można napisać

Przy rozwarciu

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


PEE M14 Slajd33.png
W zależności od położenia punktu pracy w polu charakterystyk tranzystora wyróżnia się:
  • stan aktywny, kiedy punkt pracy leży wewnątrz obszaru dopuszczalnej pracy (np. punkt 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 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 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.

PEE M14 Slajd34.png
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 na slajdzie 32.

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

Jeżeli punkt pracy leży pomiędzy punktami i 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.


PEE M14 Slajd35.png
Współrzędne punktu pracy tranzystora unipolarnego i zależą od parametrów obwodu zewnętrznego dołączonego do tranzystora (napięcie zasilania , rezystory , ) 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:

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

Prąd jest równy prądowi drenu w wybranym punkcie pracy dla . Ponieważ prąd bramki w tranzystorze unipolarnym praktycznie nie płynie to nawet kiedy rezystancja będzie bardzo wielka (np. rzędu ) spadek napięcia na niej także będzie równy .

Otrzymamy zatem następujące zależności

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.


PEE M14 Slajd36.png
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:

impedancja wejściowa,

impedancja wyjściowa,

wzmocnienie napięciowe.


PEE M14 Slajd37.png
Przy wyznaczaniu tych parametrów można wykorzystać małosygnałowy model tranzystora unipolarnego opisany równaniami macierzy admitancyjnej

z parametrami w postaci uniwersalnej.


PEE M14 Slajd38.png
W układzie wspólnego źródła, który jest odpowiednikiem układu wspólnego emitera dla tranzystorów bipolarnych, można zapisać:

Podstawiając możemy obliczyć wzmocnienie napięciowe i rezystancję wejściową układu WS

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

Jeżeli jest to uwzględniając warunek można napisać

Przekształcając to równanie wyznacza się rezystancję wyjściową układu wspólnego źródła WS

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.


PEE M14 Slajd39.png
Dla układu wspólnego drenu WD, postępując podobnie jak dla układu wspólnego źródła można napisać

Przyjmując można napisać

Po przekształceniu tej zależności wzmocnienie napięciowe układu wspólnego źródła jest równe

Warto zauważyć, że ma zawsze wartość mniejszą od 1.

Rezystancja wejściowa po uwzględnieniu zależności jest równa

Przy założeniu, że i rezystancja wyjściowa jest równa


PEE M14 Slajd40.png
Dla układu wspólnej bramki WG zależności na wzmocnienie napięciowe, rezystancję wejściową i wyjściową są podobne do tych jakie uzyskano dla układu wspólnej bazy.

Parser nie mógł rozpoznać (błąd składni): {\displaystyle \displaystyle r_{WE}=\frac{r_{GS}}{\displaystyle 1+k_U\cdot \frac{r_{GS}}{R_D}}}\cong \frac{R_D}{k_U}}

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