Tranzistor

Vhodna karakteristika bipolarnega tranzistorja (BJT) podaja odvisnost vhodnega toka IB od priključene napetosti UBE pri konstantni izhodni napetosti UCE. Karakteristika je podobna karakteristiki diode v prevodni smeri, le da je tok IB dosti manjši.

Za graf vhodne karakteristike nastavimo Simulate > Analyses and simulation > DC Sweep > Analysis parameters:

Source 1:

   Source: vube

   Start value: 0 V

   Stop value: 1 V

   Increment: 0.01 V

Output > Selected variables for analysis: I(Q1[IB])

Izhodna karakteristika bipolarnega tranzistorja (BJT) podaja odvisnost izhodnega toka IC od priključene napetosti UCE pri konstantnem baznem toku IB. Ker je kolektorski tok odvisen predvsem od baznega toka, je v diagramu vrisanih več karakteristik, vsaka velja za določeno vrednost baznega toka.

Za graf izhodne karakteristike nastavimo Simulate > Analyses and simulation > DC Sweep > Analysis parameters:

Source 1:

   Source: vuce

   Start value: 0 V

   Stop value: 6 V

   Increment: 0.1 V

Source 2:

   Source: IB

   Start value: 0.001 A

   Stop value: 0.008 A

   Increment: 0.001 A

Output > Selected variables for analysis: I(Q1[IC])

Zaradi sprememb napetosti UCE se kolektorski tok Ic veča le v zelo majhni meri. Pri dovolj majhni napetosti UCE kolektorski tok Ic naglo upade. To se zgodi, ko je napetost UCE manjša od napetosti UBE. Napetosti UCE, pri kateri začne kolektorski tok strmo upadati, pravimo napetost nasičenja UCEsat.

Izhodno karakteristiko, dobljeno v okolju Multisim lahko primerjamo s podatki proizvajalca, ki so v obliki .pdf dokumenta priloženi spodaj v prilogi.

Breme, delovna točka in delovna premica

Uporabili bomo tranzistor BC547 v vezavi s skupnim emitorjem. Poglejmo najprej izhodno karakteristiko tranzistorja BC547 (kataloški podatki so spodaj v prilogi).

Za graf izhodne karakteristike nastavimo Simulate > Analyses and simulation > DC Sweep > Analysis parameters:

Source 1:

   Source: vuce

   Start value: 0 V

   Stop value: 20 V

   Increment: 1 V

Source 2:

   Source: I1

   Start value: 0 A

   Stop value: 0.0006 A

   Increment: 0.0001 A

Output > Selected variables for analysis: I(Q2[IC])

Na izhod tranzistorja BC547 priključimo breme. Če želimo frekvenčno neodvisno breme, priključimo ohmski upor RC. Lega delovne točke določa, kakšen kolektorski tok (IC) bo tekel skozi tranzistor in kakšna bo napetost med kolektorjem in emitorjem (UCE). Delovna točka mora ležati v linearnem aktivnem delu izhodne karakteristike tranzistorja. Izbira lege je odvisna od tega, kolikšen kolektorski tok in kakšno kolektorsko napetost želimo oziroma, kakšna napetost naj bo na bremenu ojačevalnika, katerega del je tranzistor. 

Predpogoj, da bo skozi tranzistor tekel kolektorski tok je, da je spoj baza-emitor prevodno polariziran. Z baznim uporom RB omejimo bazni tok tranzistorja, ni pa to nujno. Omenjena upora bosta skupaj s tranzistorjem že tvorila preprosto enostopenjsko ojačevalno vezje.

Ko na izhod tranzistorja priključimo upor RC, kolektorski tok tranzistorja ustvari na njem padec napetosti:

Delovno premico narišemo tako, da izračunamo točki, v katerih seka x in y os:

Če spremenimo upornost bremena, se v karakteristiki spremeni naklon delovne premice.

Delovna točka je tista točka na delovni premici, ki določa razmere, ko na tranzistor ni priključen nikakršen vhodni signal. Delovna točka nam podaja velikost kolektorskega toka IC in napetosti med kolektorjem in emitorjem UCE, ko tranzistor "miruje". Ker se delovna točka s spremembo temperature premika po delovni premici, jo moramo stabilizirati z ustreznim vezjem.

Nastavitev delovne točke je odvisna predvsem od tipa ojačevalnika. Če želimo, da bo signal na izhodu čim manj popačen, bomo nastavili delovno točko na sredino delovne premice.

Nastavitev delovne točke z baznim uporom:

Uporabili bomo tranzistor 2N2222A. Z baznim uporom RB najenostavneje nastavimo delovno točko.

Skozi bazni upor RB steče bazni tok, ki povzroči kolektorski tok IC. Napetost kolena tranzistorja 2N2222A znaša 0,7 V, tokovno ojačanje β pa znaša 220 (podatek za ta tranzistor v Multisim). Če je delovna točka na sredini delovne premice velja:

S pomočjo kolektorskega toka IC in tokovnega ojačanja β dobimo bazni tok in izračunamo vrednost baznega upora RB:

Izračunajmo točki, v katerih delovna premica seka x in y os:

Za graf izhodne karakteristike tranzistorja 2N2222A v okolju Multisim sestavimo vezje, ki ga prikazuje slika 12 ter nastavimo Simulate > Analyses and simulation > DC Sweep > Analysis parameters:

Source 1:

   Source: vuce

   Start value: 0 V

   Stop value: 20 V

   Increment: 0.5 V

Source 2:

   Source: I1

   Start value: 0 A

   Stop value: 0.0002 A

   Increment: 0.00004 A

Output > Selected variables for analysis: I(Q2[IC])

Ob upoštevanju izračunanih (tudi izmerjenih) podatkov, lahko v polje izhodne karakteristike tranzistorja 2N2222A vrišemo delovno premico in delovno točko D.

Nastavitev delovne točke z delilnikom napetosti:

Delilnik napetosti predstavljata upora R1 in R2. Izbrana sta tako, da je prečni tok Ip skozi upora mnogo večji od baznega toka IB. Sprememba baznega toka ne vpliva v tolikšni meri na razporeditev padcev napetosti na uporih. Napetost med bazo in emitorjem UBE ostane pri različnih vrednostih baznega toka enaka.

Najprej izračunamo bazni tok IB za delovno točko D v sredini delovne premice:

Prečni tok Ip, ki teče skozi upora R1 in R2 naj bo 10-krat večji od baznega toka IB:

Padec napetosti na uporu R2 je enak napetosti med bazo in emitorjem tranzistorja 2N2222A:

Tok skozi upor R1 je enak vsoti prečnega toka Ip in baznega toka IB. Upoštevamo še drugi Kirchhoffov zakon:

Izmerimo vrednosti tokov in napetosti v okolju Multisim:

Ob upoštevanju izračunanih (tudi izmerjenih) podatkov, lahko v polje izhodne karakteristike tranzistorja 2N2222A vrišemo delovno premico in delovno točko D.

Stabilizacija delovne točke

Zaradi segrevanja tranzistorja se položaj delovne točke med obratovanjem spreminja. Z večanjem temperature se povečuje tok nasičenja ICE0, kar ima za posledico, da se delovna točka pomika navzgor po delovni premici proti področju nasičenja. Za stabilizacijo delovne točke bomo uporabili emitorski upor RE.

Zaradi povečanja temperature se poveča tudi tok skozi emitorski upor RE. To povzroči večji padec napetosti na emitorskem uporu URE. Zaradi povečanega padca napetosti URE, se zmanjša padec napetosti med bazo in emitorjem tranzistorja UBE. Posledica je manjši bazni tok IB in s tem manjši kolektorski tok IC. Običajno dimenzioniramo emitorski upor tako, da je na njem padec napetosti 10 % vrednosti napetosti Ucc.

Izračunajmo vrednosti uporov v vezju (Slika 17), da bo delovna točka na sredini delovne premice, če je:

IC = 10 mA

UCC = 16 V

β = 220

Uporom v vezju v okolju Multisim določimo izračunane vrednosti in izvedimo meritve:

Z uporom RE se je znatno povečala vhodna upornost, znižalo pa napetostno ojačanje. Zaradi tega vežemo vzporedno z emitorskim uporom RE kondenzator CE, ki zniža skupno impedanco za izmenične signale med emitorjem in maso. Izmenični signali kondenzatorja CE ne čutijo.

Primerjava napetosti UCE v odisnosti od temperature brez stabilizacije in s stabilizacijo delovna točke

Brez stabilizacije delovne točke:

Najprej za vezje iz slike 15 (Nastavitev delovne točke z delilnikom napetosti) poglejmo, kako se spreminja napetost UCE v odvisnosti od temperature:

S kurzorjem miške se postavimo na povezavo med kolektorjem in kolektorskim uporom RC ter pritisnemo na desno tipko miške. V priročnem meniju izberemo Properties. Pod jezičkom Net name v okence Preferred net name: vpišemo UCE in potrdimo izbiro Show net name. Izbrani povezavi smo dali ime, ki bo prikazano v načrtu vezja. Lahko izbiramo tudi barvo povezave. Če bomo v simulaciji izbrali spremenljivko UCE, Multisim izmeri napetost med to povezavo in maso, ki ima privzeto ime 0 in je ni priporočljivo spreminjati. Potrdimo s pritiskom na gumb OK.

Nato določimo parametre za simulacijo:

Simulate > Analyses and simulation > Temperature Sweep pod jezičkom Analysis parameters v okencu Points to sweep določimo:

Start: 25 °C

Stop: 60 °C

Number of points: 36

Increment: 1 °C

V okencu More Options pod Analysis ti sweep izberemo DC Operating Point.

Pod jezičkom Output dodamo spremenljivko V(uce) in zaženemo simulacijo s pritiskom na gumb Run.

Iz grafa vidimo, da je pri temperaturi 25 °C napetost med emitorjem in kolektorjem UCE 8,7 V, pri temperaturi 60 °C pa napetost UCE pade na vrednost 4,8 V. Napetost UCE se je zmanjšala za 3,9 V. Delovna točka se je za to vrednost pomaknila po delovni premici navzgor proti področju nasičenja.

Stabilizacija delovne točke z emitorskim uporom:

Poglejmo sedaj analizo vezja iz slike 17. Če hočemo ugotoviti spreminjanje napetosti UCE, moramo označiti obe povezavi. Povezavo med kolektorskim uporom in kolektorjem označimo z UC, povezavo med emitorjem in emitorskim uporom pa označimo z UE. Napetost med emitorjem in kolektorjem je:

Uce = UC - UE

V oknu pod jezičkom Output za spremenljivko dodamo enačbo Add expression > V(uc) - V(Ue). Z zagonom simulacije se izriše graf, kot ga prikazuje slika 20.

Iz grafa vidimo, da je pri temperaturi 25 °C napetost med emitorjem in kolektorjem UCE 8,1 V, pri temperaturi 60 °C pa napetost UCE pade na vrednost 7,8 V. Napetost UCE se je zmanjšala za 0,3 V. Delovna točka se je za to vrednost pomaknila po delovni premici navzgor proti področju nasičenja, kar je dosti manj, kot pri vezju brez stabilizacije delovne točke.

Tranzistor kot ojačevalnik izmeničnega signala

Cilj ojačevalnega vezja je ojačiti majhne spremembe vhodne napetosti v relativno večje. Uporabili bomo tranzistor 2N2222A v orientaciji s skupnim emitorjem, kjer smo že nastavili enosmerne razmere za postavitev delovne točke na sredino delovne premice (razred A). Delovno točko smo stabilizirali z emitorskim uporom RE, kondenzator CE pa služi za znižanje impedance med emitorjem in maso. Kondenzatorja C1 in C2 preprečujeta odtok enosmernega baznega in kolektorskega toka skozi generator in breme. Na izhodu ojačevalnika imamo priključen bremenski upor Rb.

Ker smo do sedaj v okolju Multisim uporabljali simbole elementov po standardu ANSI, sedaj prikažimo simbole elementov po standardu IEC. To storimo tako, da v menijski vrstici izberemo Option > Global Options, izberemo jeziček Components in pod Symbol standard izberemo IEC 60617 ter potrdimo s pritiskom na gumb OK.

Na vezje ojačevalnika izmeničnega signala priključimo osciloskop ter kanal A povežimo z vhodom, kanal B pa z izhodom vezja. Zaženemo simulacijo in uredimo potrebna časovna in napetostna območja osciloskopa. Če izhodno povezavo v priročnem meniju označimo z modro barvo, vhodno pa z rdečo, bosta v takšnih barvah prikazana tudi signala na osciloskopu.

S pomočjo markerja (kurzorja) smo pri maksimalni vhodni napetosti 7.03 mV dobili izhodno napetost -945,045 mV.

Napetostno ojačanje:

Na vezje priključimo še Bodejev prikazovalnik (Bode Plotter), IN (input) na vhod in OUT (output) na izhod ojačevalnika. Na y osi je podano ojačanje v  dB, na x osi pa frekvenca v logaritmičnem merilu. Krivulja je v srednjem delu linearna. Frekvenčni obseg ojačevalnika omejujeta spodnja (fsp) in zgornja frekvenca (fzg). Zmanjšanje ojačanja pri spodnji in zgornji mejni frekvenci povzročajo medelektrodne kapacitivnosti ter vezni in emitorski kondenzator. Mejni frekvenci sta tisti, ko ojačanje pade za 3 dB.

Spodnja frekvenčna meja ojačevalnika fsp = 143 Hz.

Zgornja frekvenčna meja ojačevalnika fzg = 124 MHz.