MIKROMOCOWY STABILIZOWANY UKŁAD POLARYZACJI TRANZYSTORA BIPOLARNEGO

Transkrypt

1 MKROMOOWY STABLZOWANY KŁAD OLARYZAJ TRANZYSTORA BOLARNO Jan Winiewski nstytut nformatyki i lektroniki, niwersytet Zielonogórski Zielona óra, ul odgórna 50 jwisniewski@iieuzzgorapl STRSZZN W pracy przedstawiono zaproponowany przez autora nieliniowy układ automatycznej polaryzacji (self biasing circuit) tranzystora bipolarnego z zastosowaniem złczowego tranzystora polowego (J FT), jako mikromocowego stabilizatora napicia bazy, w układzie polaryzacji z wymuszeniem prdu emitera Dowiedziono teoretycznie i sprawdzono drog pomiarów, e układ polaryzacji zapewnia stabilizacj prdu kolektora zarówno przy produkcyjnych rozrzutach wzmocnienia prdowego ( ) tranzystora bipolarnego, jak te od zmian napicia zasilania Ze ródła napicia zasilania pobierany jest najmniejszy moliwy prd stały, równy jedynie prdowi bazy, niezbdny do ustalenia wymaganego spoczynkowego prdu kolektora Stosowanie układu polaryzacji o ekstremalnie wysokiej ekonomii zasilania jest szczególnie korzystne w układach elektronicznych o zasilaniu bateryjnym kłady polaryzacji słu do wymuszania w tranzystorach prdów i napi zgodnych z wybranym punktem pracy, okrelonym przez spoczynkowy prd kolektora oraz napicie midzy kolektorem i emiterem kłady te powinny równie zapewnia moliwie du, mało zalen od parametrów tranzystora, stało punktu pracy Zagadnienie stałoci i stabilizacji punktu pracy tranzystora bipolarnego zostało szczegółowo rozpatrzone w literaturze specjalistycznej [ 5 i 8 ] Najlepszymi właciwociami, pod wzgldem stabilizacji punktu pracy, cechuj si układy polaryzacji wymuszajce moliwie stały prd emitera rd kolektora posiada bowiem warto zblion do prdu emitera, pomniejszon tylko o mał warto prdu bazy Wynika std, e w tym przypadku, prd kolektora wykazuje mał czuło wzgldem wzmocnienia prdowego (okrelonego stosunkiem prdu kolektora i prdu bazy) wykazujcego, wród tranzystorów tego samego typu, produkcyjny rozrzut wartoci nawet jak 0: Obecnie, do polaryzacji tranzystorów bipolarnych we wzmacniaczach budowanych z uyciem elementów dyskretnych, najczciej stosuje si liniowy układ polaryzacji automatycznej z rezystancyjnym dzielnikiem napicia w obwodzie bazy i rezystorem emiterowym (zwanym te układem potencjometrycznym ze sprzeniem emiterowym (z angself biasing circuit) [ ] echuje si on znacznym poborem mocy 3

2 ze ródła napicia zasilania, gdy przy załoonej małej wraliwoci prdu kolektora wzgldem zmian, prd dzielnika napicia moe przyjmowa warto porównywaln z wartoci prdu kolektora [, 3, 5, 9, 0] Równie nisk ekonomi zasilania cechuj si znane nieliniowe układy stabilizacji punktu pracy tranzystora bipolarnego zawierajce takie elementy nieliniowe jak: termistory, diody warstwowe, diody stabilizacyjne i tranzystory bipolarne[3] Na rys przedstawiono zaproponowany przez autora schemat ideowy nieliniowego układu polaryzacji automatycznej z jednym ródłem napicia zasilania B i zastosowaniu w obwodzie bazy złczowego tranzystora polowego J-FT ( Q ), zamiast stosowanego dotychczas rezystancyjnego dzielnika napicia Tranzystor Q (element nieliniowy) spełnia, przy prdzie stałym, funkcj mikromocowego stabilizatora napicia, którego dodatni potencjał ródła (S) podawany jest wprost na baz (B) krzemowego tranzystora bipolarnego Q, typu npn, polaryzujc jego złcze baza emiter w kierunku przewodzenia Wymuszony na rezystorze emiterowym spadek napicia jest pomniejszony wzgldem napicia ródła o napicie progowe (ok 0,6V) złcza baza emiter tranzystora Q Wynika std, e przy tak wymuszonym spadku napicia na rezystorze emiterowym, prd emitera (a tym samym i prd kolektora ) jest jedynie zasadniczo zaleny (odwrotnie proporcjonalnie) od wartoci rezystancji obwodu emitera R Wynikowy prd bazy B, przy załoeniu prdu upływu bramki 0, jest równy prdowi drenu D tranzystora Q Wynika std, e ze ródła napicia zasilania jest pobierany najmniejszy moliwy prd stały wymagany do polaryzacji tranzystora bipolarnego Q D D S S B R 6kΩ Q B547 B R 6V 4 B +5V u we Q BF 45B 0 R, 5kΩ S u 3 R 3kΩ 6V R 3V u wy Rys Schemat ideowy wzmacniacza napicia przemiennego w układzie wspólnego emitera z nieliniowym mikromocowym stabilizowanym układem polaryzacji 3

3 rd drenu D złczowego tranzystora polowego w pentodowym obszarze pracy (tzn dla DS 5V) nie zaley od napicia dren-ródło i wyraa si wzorem [3, 6, 7, 8]: D = S () gdzie: prd nasycenia drenu (najwiksza warto prdu drenu okrelana przy S = 0), napicie odcicia prdu drenu (taka ujemna warto S, przy której D = 0) Transkonduktancj okrela zaleno: g m tranzystora polowego, wyznaczon na podstawie równania (), Wyznaczone z równania () napicie wyraa równanie: dd g = m D d = () S S, po uwzgldnieniu relacji równoci prdów: D = S = B =, (3) S = (4) Z równania tego wynika, e napicie S moe przyjmowa warto zblion do napicia odcicia prdu drenu jeli tranzystor Q cechuje si du wartoci prdu nasycenia, za tranzystor Q pracuje z małym prdem i cechuje si du wartoci wzmocnienia prdowego Jeli przyj do oceny tego napicia parametry zastosowanego tranzystor typu BF45B: = 0mA i = 3,6V, oraz załoon warto prdu kolektora tranzystora Q : = ma przy = 50, to z powyszego równania otrzymuje si: S = 0,955 = 3,439V Wynika std, e napicia: S i róni si zaledwie o ok 4,5% Wychodzc z równania bilansu napi dla obwodu bazy: oraz przyjmujc, e: S R = 0 (5) S, (6) + =, (7) 33

4 otrzymuje si proste wyraenie okrelajce przyblion warto prdu kolektora : + (8) R + Wielkoci:, i charakteryzuj si produkcyjnym rozrzutem wartoci oraz zale od temperatury [,, 3, 6] Warto napicia, równego w przyblieniu ok 0,6V, jest znacznie mniejsza ni warto napicia na rezystorze emiterowym, co sprawia, e temperaturowy dryft tego napicia (ok,3mv/deg) wywiera mały wpływ na prd kolektora Zmierzony za przez autora temperaturowy dryft napicia odcicia prdu drenu przyjmuje wartoci mniejsze ni,8 mv/deg Wynika std, e jeeli zakres temperatur pracy układu jest niewielki, to znaczco duy wpływ na warto prdu kolektora wywiera jedynie produkcyjny rozrzut rzy załoeniu, e napicie tranzystora bipolarnego posiada w przyblieniu stał warto równ ok 0,6V i zastosowaniu rezystora emiterowego R o wartoci równej 3,0k, z równania (8) otrzymuje si, e zmiana w granicach realnych wartoci (dla tranzystorów tego samego typu) powoduje zmian prdu kolektora w zakresie od 0,980mA do 0,999mA Dokładna warto prdu kolektora moe by wyznaczona jedynie przy uwzgldnieniu rzeczywistych, wynikowych, wartoci napi: S i zalenych od prdu kolektora Wychodzc z równa: (3), (4), (5), i (7) oraz uwzgldniajc dodatkowo, e [, 7]: kt ln q, (9) S gdzie: S prd zaporowy złcza emiter baza tranzystora bipolarnego w temperaturze T[K], k =, [J/K] stała Boltzmanna, q =, [] ładunek elementarny, T temperatura w stopniach Kelwina, otrzymuje si, dla obwodu bazy, równowane równanie bilansu napi: ( ) kt + + ln R = 0 (0) q S Numeryczne rozwizanie powyszego równania pozwala wyznacza dokładn warto prdu kolektora dla dowolnej wartoci wzmocnienia prdowego Na rys zilustrowano wyniki oblicze prdu w zalenoci od otrzymane na podstawie rozwizania powyszej uwikłanej funkcji prdu kolektora, przy załoeniu, e: T = 93,5K (tj 0 O ) i S = 48fA (co, przy prdzie emitera równym ok ma, odpowiada = 0,6V) 34

5 ma Rys harakterystyka prdu kolektora: = f ( ) Wielkoprzyrostow czuło wzgldn prdu kolektora, dla dowolnie duych zmian, okrela definicyjne równanie: def W S = () Dla przyjmujcego wartoci z zakresu (co odnosi si do tranzystorów tego samego typu nie selekcjonowanych na grupy w zalenoci od wartoci ) wyznaczona metod rónicow czuło W S przyjmuje warto równ ok 3,3 0 3 Oznacza to, e wzgldna zmiana o 900% powoduje wzgldn zmian prdu kolektora tylko o ok 6,% Z obliczonych, na podstawie równa (8) i (0), wartoci prdu kolektora, wynika, e otrzymane wyniki wykazuj rónice mniejsze ni 6%, co potwierdza przydatno prostego równania (8) do wyznaczania przyblionej wartoci prdu kolektora rzy prdzie przemiennym parametry dynamiczne układu polaryzacji zdeterminowane s parametrami dzielnika napicia stanowicego szeregowe połczenie kondensatora i rezystora bramkowego R oraz transkonduktancj g m (równanie ()), tranzystora polowego Napicie na kondensatorze jest opónione wzgldem napicia wejciowego (granicznie o 90 stopni), co sprawia, e impedancja midzy drenem i ródłem Z ds, reaktancyjnego tranzystora polowego, przy uwzgldnieniu jego małosygnałowej transkonduktancji g m, posiada charakter indukcyjny i wyraa si zalenoci: 35

6 Zds = ( + jπ fr ), () gdzie: f czstotliwo pracy układu, j = operator liczby urojonej Ze wzgldu na podane moliwie małe dynamiczne obcienie wejcia wzmacniacza przez układ polaryzacji, podane jest, aby moduł impedancji Z ds przyjmował, przy najniszej czstotliwoci pracy f d, warto o rzd wiksz od rezystancji R, co mona wyrazi jako: Z ds 0R (3) Ze wzgldu na zwierajce działanie kondensatora dla prdu przemiennego, impedancja wyjciowa układu polaryzacji jest w przyblieniu równa rezystancji R i moe przyjmowa teoretycznie dowolnie due wartoci Wychodzc z warunku (3) i uwzgldnieniajc równanie () otrzymuje si wyraenie okrelajce wymagan warto pojemnoci blokujcej : 400 (4) π fd R Z powodu istnienia pojemnoci rozproszonych przez bramk tranzystora polowego mog przenika sygnały zakłócajce do obwodu wejciowego wzmacniacza Aby ograniczy szkodliwe oddziaływanie sygnałów zakłócajcych na prac układu, podane jest, aby impedancja widziana od strony bramki tranzystora polowego przyjmowała moliwie małe wartoci rzy małej czstotliwoci pracy układu staje si ona równa rezystancji R Z tego wzgldu naley przyjmowa warto R, co najwyej, o rzd wiksz od rezystancji wejciowej samego wzmacniacza Dla załoonych wartoci: R =,5k (przyjto, e rezystancji ta posiada warto dziesiciokrotnie wiksz od rezystancji wejciowej samego wzmacniacza), = 50, = ma i f d = 30Hz, z zalenoci (4) otrzymuje si: 4,7µF Stosowany w układzie polaryzacji kondensator blokujcy zapobiega równie przesterowaniu tranzystora Q czci wejciowego napicia przemiennego u we, jakie moe si odkłada midzy ródłem i bramk Amplituda tego napicia, ze wzgldu na moliwo odcinania prdu drenu, nie moe przekracza rónicy napi równaniem: S i, okrelonej S = (5) 36

7 Dla ustalonego prdu kolektora S 6 mv Zjawisko odcinania prdu drenu nie wystpi we wzmacniaczu pracujcym w układzie wspólnego emitera (z załczonym kondensatorem blokujcym ), w którym amplituda napicia wejciowego wymagana do pełnego wysterowania wzmacniacza, nie przekracza na ogół wartoci rzdu kilkunastu kilkudziesiciu miliwoltów Zjawisko to moe natomiast wystpi w układach wzmacniaczy napiciowych z nie blokowanym rezystorem R (tzn =,0mA, przy =50, rónica ta wynosi: ( ) 3 = 0 ) i wtórnikach napiciowych (wspólny kolektor), gdzie napicie wejciowe moe przyjmowa wartoci rzdu kilku woltów Z tego wzgldu naley dy, aby najwiksza amplituda napicia przemiennego (rys ) odkładanego na kondensatorze ampl,,max (a tym samym midzy bramk () i ródłem (S)), przy najniszej czstotliwoci pracy f d, przyjmowała warto o rzd mniejsz od rónicy napi Dla tak okrelonego napicia, ampl,max, ampl,max S i, co mona wyrazi, jako: (6) 0, po uwzgldnieniu wpływu reaktancji kondensatora blokujcego na wspomniany podział napicia wejciowego, otrzymuje si wyraenie okrelajce jego wymagan warto: we, ampl,max 00 (7) π fdr Dla omawianego układu (rys ), przy załoeniu, e: f d = 30Hz i we, ampl,max R =,5k, = 50, = ma, =5mV, z powyszej zalenoci otrzymuje si: 9,8 µf Jako ostateczn warto pojemnoci naley przyj pojemno o wikszej wartoci, tzn 4,7 µf, wyznaczon ze wzoru (4) rzedstawiony w pracy nieliniowy układ polaryzacji cechuje si ekstremalnie małym prdem pobieranym ze ródła napicia zasilania, równym jedynie wymaganej wartoci prdu bazy ( B = ) niezbdnej do ustalenia spoczynkowego prdu kolektora Tym samym straty mocy zasilania, wynikajce z poboru mocy przez układ polaryzacji, zostały zredukowane do najniszego moliwego poziomu Moc tracona w układzie polaryzacji (moc tracona jedynie w tranzystorze polowym), przy =50, jest ok 70 razy mniejsza od sumy mocy traconych w pozostałych elementach układu Z tego wzgldu stosowanie układu jest szczególnie korzystne w układach elektronicznych o zasilaniu bateryjnym onadto proponowany układ polaryzacji cechuje si małymi wzgldnymi zmianami prdu kolektora zarówno przy produkcyjnych rozrzutach wzmocnienia prdowego ( ) tranzystora bipolarnego, jak te od zmian napicia zasilania i temperatury Zmierzona przez autora 37

8 wzgldna zmiana prdu kolektora powodowana zmian napicia zasilania w zakresie 0V 0V wynosi ok, 0 3 /V, za wzgldna zmiana prdu kolektora powodowana zmian temperatury w zakresie 0 O 50 O wynosi ok, 0 3 /deg, co odpowiada, przy prdzie =ma, jego bezwzgldnej zmianie równej ok, µa/v i ok, µa/deg rzy prdzie przemiennym układ polaryzacji spełnia funkcj filtru zaporowego dla szumów i zakłóce generowanych przez ródło napicia zasilania, uniemoliwiajc przenikanie tych sygnałów do wejcia wzmacniacza O zaletach układu stanowi równie jego prosta budowa oraz niska cena LTRATRA [] A Filipkowski: kłady elektroniczne analogowe i cyfrowe, WNT, Warszawa 993, ss5-8 [] W olde: Wzmacniacze tranzystorowe, WNT, Warszawa 975, ss 33 i [3] A uziski: Liniowe elektroniczne układy analogowe, WNT, Warszawa 99, ss [4] Horowitz, W Hill: Sztuka elektroniki, Tom, WKŁ, Warsaawa 995, ss [5] Microwave Transistor Bias onsiderations, Hewlett ackard Application Note 944, Aug, 980 [6] Z Korzec, T Kacprzak: Tranzystory polowe złczowe, WNT, Warszawa 984, ss 3 i [7] W Marciniak: rzyrzdy półprzewodnikowe i układy scalone, WNT, Warszawa 984, ss [8] J Millman, h Halkias: kłady scalone analogowe i cyfrowe, WNT, Warszawa 976, ss74-98 [9] J awłowski: odstawowe układy elektroniczne (wzmacniacze i generatory), WKŁ, Warszawa 980, ss77-05 [0] K Richter: Design D Stability nto Your Transistor ircuits, Microwaves, Dec 973, pp40-46 [] S Seely: kłady elektroniczne, WNT, Warszawa 97, ss34-4 [] A Ward, B Ward: A omparision of Various Bipolar Transistor Biasing ircuits, 38