1.3 Κύκλωμα πόλωσης CE ανεξάρτητο του β0
Όπως είδαμε στα προηγούμενα, το ρεύμα ,Ic, καθώς και οι συνθήκες πόλωσης γενικά μεταβάλλονται, όταν μεταβληθεί η θερμοκρασία, επειδή μεταβάλλονται κυρίως τα ,CO, VBE και βo. Με τη σύγχρονη όμως τεχνική κατασκευής των τρανζίστορ έχει επιτευχθεί, ώστε η παράμετρος ,CO, να είναι μηδαμινή. Με τον τρόπο αυτό, ακόμα και σε υψηλότερες θερμοκρασίες (~ 1000 C), μπορεί να θεωρηθεί ότι το ,CO έχει ελάχιστη επίδραση στις αρχικές συνθήκες πόλωσης. Εξάλλου, όπως ήδη είπαμε, η τάση πόλωσης VBE μπορεί να καταστεί ανεξάρτητη από τη θερμοκρασία, αν ο εκπομπός γειωθεί μέσω της αντίστασης εκπομπού RE. Επομένως το βo είναι το μέγεθος εκείνο το οποίο ουσιαστικά μεταβάλλει τις συνθήκες πόλωσης, όταν μεταβληθεί η τιμή του. Το βo όπως είναι γνωστό, αυξάνει μαζί με τη θερμοκρασία, αλλά ακόμα και για τρανζίστορ που έχουν καταχωρηθεί με τον ίδιο αριθμό στους καταλόγους μπορεί να είναι αρκετά διαφορετικό. (Έχει παρατηρηθεί ότι τρανζίστορ με τον ίδιο αριθμό κατα-
Σχήμα 1.7. Κύκλωμα πόλωσης ανεξάρτητο του β0 (συνδεσμολογίας CE)
χώρησης μπορεί να έχουν β0 από 125-300 στην ίδια θερμοκρασία.
Ιδιαίτερα μάλιστα για τρανζίστορ πυριτίου, το β0 παρουσιάζει με τη θερμοκρασία μεγαλύτερες μεταβολές από ότι στα τρανζίστορ γερμανίου. Για να περιοριστεί η επίδραση του β0 στις συνθήκες πόλωσης, όταν μεταβάλλεται η θερμοκρασία η αντικαθίσταται το τρανζίστορ η χρησιμοποιούμε το κύκλωμα του Σχ.1.7. Οι αντιστάσεις RB1 και RB2 σχηματίζουν διαιρέτη τάσης και επομένως η
τάση VB δίνεται από τη σχέση:
Αν τώρα η VE παριστάνει την τάση στα άκρα της RE και η VBE την τάση μεταξύ βάσης-εκπομπού, θα έχουμε:
Το ρεύμα IE υπολογίζεται από την τάση αυτή, ως εξής:
Επειδή δε ΙΒ~= 0, έπεται ότι
Η τάση VRc στα άκρα της RC θα είναι :
Η τάση μεταξύ συλλέκτη-γείωσης θα είναι:
Η τάση VCE μεταξύ συλλέκτη-εκπομπού θα είναι:
Σε όλη την προηγούμενη ανάλυση δε χρησιμοποιήθηκε πουθενά το β0. Συνεπώς, αυτό το κύκλωμα πόλωσης είναι στην πράξη ανεξάρτητο του β0 του τρανζίστορ καθώς και των μεταβολών της θερμοκρασίας, οι οποίες δεν επηρεάζουν ούτε τη VB ούτε τη VE. Πράγματι, όπως είδαμε, η τάση της βάσης VB καθορίζεται μόνο από τις RB1, RB2 και από την τάση της πηγής VCC. Επίσης, η τάση εκπομπού VE είναι σταθερή, επειδή και η VB είναι σταθερή και περίπου ίση με αυτή, καθόσον VB>>VBE, με VBEs0.3 V (Ge) και VBE~= 0.7 V (Si).
Η αντίσταση RE καθορίζει τις τιμές των ρευμάτων IE και IC. Τέλος, η αντίσταση RC καθορίζει την τάση του συλλέκτη VC και συνεπώς την τάση πόλωσης συλλέκτη-εκπομπού VCE.
Η τάση της βάσης VB ρυθμίζεται από την RB2, το ρεύμα συλλέκτη IC από την RE και η τάση συλλέκτη-εκπομπού από την RC. Μεταβολή οποιουδήποτε άλλου στοιχείου του κυκλώματος, θα έχει μικρή επίδραση στις αρχικές συνθήκες πόλωσης. O πυκνωτής CE αποτελεί ενεργό μέρος του κυκλώματος μόνο όταν το κύκλωμα εργάζεται ως ενισχυτής, δηλαδή με εναλλασσόμενο σήμα στην είσοδο. Ωστόσο, η παρουσία του δεν μεταβάλλει τις συνθήκες πόλωσης.
Το κύκλωμα που περιγράψαμε λέγεται και κύκλωμα πόλωσης με διαιρέτη τάσης είναι και το πιο συνηθισμένο στις πρακτικές εφαρμογές.
Παράδειγμα 1-2
Να υπολογίσετε τις τάσεις και τα ρεύματα πόλωσης στο κύκλωμα του Σχ.1.8, αν το τρανζίστορ είναι πυριτίου.
Σχήμα 1.8. Κύκλωμα πόλωσης CE με διαιρέτη τάσης
Λύση
Από τις Εξ. (1.3.1) έως (1.3.8) λαμβάνουμε κατά σειρά:
1.3.1 Πόλωση CE με Αντίσταση RE
Εκτός από τα προηγούμενα, ένα άλλο κύκλωμα πόλωσης σε συνδεσμολογία CE, που χρησιμοποιείται συχνά, είναι το κύκλωμα CE με αντίσταση RE στον εκπομπό, Σχ.1.9.
Σχήμα 1.9. Κυκλωμα πόλωσης CE με αντίσταση RE
Αποδεικνύεται, ότι το ρεύμα βάσης δίνεται από τη σχέση:
20
όπου έχουμε κάνει την παραδοχή VBE<
το ρεύμα ΙΒ προκύπτει πρακτικά ανεξάρτητο της VBE.
1.4 Επίδραση της πόλωσης στην παραμόρφωση
Στην πράξη, η παραμόρφωση σημαίνει τη μη πιστή απόδοση της κυματομορφής του σήματος εισόδου στην έξοδο μιας βαθμίδας, π.χ ενός ενισχυτή. Με τον όρο "σήμα" εννοούμε κάθε μεταβαλλόμενη (βασικά, εναλλασσόμενη) τάση, την οποία εφαρμόζουμε στην είσοδο ενός ενισχυτή ή τη λαμβάνουμε στην έξοδό του. Υπάρχουν διάφοροι λόγοι για τους
Σχήμα 1.10. Ευθεία φόρτου και σημείο ηρεμίας Q στις χαρακτηριστικές εξόδου ενός BJT
οποίους το σήμα εισόδου δεν αποδίδεται πιστά στην έξοδο. Ένας από τους κυριότερους λόγους αφορά τη μη εξασφάλιση των κατάλληλων συνθηκών πόλωσης. Για να είμαστε βέβαιοι ότι το σήμα δεν θα υποστεί παραμόρφωση, πρέπει οι αρχικές συνθήκες πόλωσης να διατηρούνται σχεδόν αμετάβλητες καθόλη τη διάρκεια της λειτουργίας του ενισχυτή.
Για τη μελέτη της παραμόρφωσης, σε σχέση με την πόλωση, ξεκινάμε με τη μαθηματική έκφραση της ευθείας φόρτου σε συνδεσμολογία CE, που δίνεται από την Εξ. (1.2.7).
Αν τώρα θεωρήσουμε ότι τα μεγέθη VCC και RC είναι γνωστά, π.χ. VCC=20 V και RC=2 kΩ, τότε η ευθεία φόρτου χαράσσεται στο διάγραμμα των χαρακτηριστικών ενός τυπικού τρανζίστορ όπως φαίνεται στο Σχ.1.10.
Όπως είδαμε και στην παράγραφο 1.2.3, για να βρούμε το σημείο ηρεμίας Q, το οποίο ορίζεται ως το κεντρικό σημείο γύρω από το οποίο επιτελείται η λειτουργία του ενισχυτή, πρέπει να υπολογίσουμε το ρεύμα πόλωσης της βάσης ΙΒ. Το ρεύμα αυτό βρίσκεται από την Εξ.(1.2.3). Αν λοιπόν, για να έχουμε άριστες συνθήκες λειτουργίας, θέλουμε το σημείο ηρεμίας Q να βρίσκεται στο μέσο περίπου της ευθείας φόρτου, πρέπει να επιλέξουμε την RB,
έτσι ώστε:
Η τομή της δεδομένης ευθείας φόρτου με τη χαρακτηριστική που αντιστοιχεί σε ΙΒ=30 μΑ προσδιορίζει το σημείο ηρεμίας Q. H τάση VCE που αντιστοιχεί στο σημείο ηρεμίας λέγεται και τάση ηρεμίας συλλέκτη- εκπομπού και συμβολίζεται συχνά με το VCEQ. Ομοίως, το ρεύμα ηρεμίας του συλλέκτη συμβολίζεται ICQ, όπως φαίνεται στο Σχ.1.10.
Αν τώρα στην είσοδο του ενισχυτή, συγκεκριμένα του ενισχυτή του Σχ.1.6, εφαρμόσουμε ένα σήμα, τότε η στιγμιαία τάση VCE θα μεταβάλλεται γύρω από την τάση ηρεμίας VCEQ. Με τη μεταβολή όμως της VCE, θα μεταβάλλεται και το στιγμιαίο ρεύμα συλλέκτη IC γύρω από τη σταθερή
τιμή του ICQ.
Εφόσον το σημείο Q έχει επιλεγεί στο μέσο περίπου της ευθείας φόρτου και το σήμα εισόδου είναι μικρό, οι διακυμάνσεις της VCE δε θα υπερβαίνουν τη μέγιστη τιμή της, δηλ. την τάση VCC, ούτε και την ελάχιστη, δηλ. τη VCE=VCES~=0. Έτσι, και οι αντίστοιχες διακυμάνσεις του γύρω από
το σταθερό ICQ δε θα υπερβαίνουν την ελάχιστη τιμή IC~=0 και τη μέγιστη τιμή IC~=VCC/RC. Σε κάθε χρονική στιγμή η τάση εξόδου, δηλαδή η τάση στα άκρα της RC, εκφράζεται από το γινόμενο του στιγμιαίου ρεύματος IC επί την αντίσταση RC. Τότε με τις προϋποθέσεις που μόλις αναφέραμε, η τάση εξόδου θα αποτελεί πιστή απόδοση του σήματος της τάσης εισόδου. Επομένως, το σήμα της τάσης εξόδου θα είναι απαλλαγμένο παραμόρφωσης.
Αν όμως το σημείο ηρεμίας Q τοποθετηθεί στα χαμηλά της ευθείας φόρτου (μικρές τιμές του ΙΒ) ή μετακινηθεί προς τα κάτω λόγω μεταβολής των αρχικών συνθηκών πόλωσης, τότε, σήματα μεγάλου πλάτους στην είσοδο ενδέχεται να εμφανίζονται παραμορφωμένα στην έξοδο.
Για την καλύτερη κατανόηση του θέματος, θεωρούμε τη γραφική μέθοδο που απεικονίζει το Σχ.1.11.
Σχήμα 1.11. Επίδραση του σημείου ηρεμίας Q στην παραμόρφωση του σημάτος εισόδου.To Q βρίσκεται κοντά στην περιοχή αποκοπής.
Όπως δείχνει το σχήμα, το σημείο ηρεμίας Q έχει αρχικά τοποθετηθεί κοντά στην περιοχή αποκοπής. Αν το σήμα εισόδου έχει μεγάλο πλάτος, τότε η τάση VCE καθίσταται περίπου ίση με την τάση της πηγής VCC, ή και μεγαλύτερη αυτής, οπότε και το ρεύμα εξόδου IC θα γίνεται περίπου μηδέν. Επομένως, κάθε στιγμιαία τιμή της τάσης VCE μεγαλύτερη της VCC θα αποκόπτεται (ψαλιδίζεται). Έτσι, και το αντίστοιχο ρεύμα εξόδου IC σε όλη αυτή τη χρονική περίοδο, διατηρεί σταθερά τιμή περίπου μηδέν. Η πλήρης ημιτονοειδής καμπύλη στο επάνω μέρος του Σχ.1.11, παριστάνει τις διακυμάνσεις του ρεύματος της βάσης ΙΒ γύρω από το σημείο ηρεμίας, δηλαδή γύρω από την τιμή IBQ.
Αν τώρα θεωρήσουμε, ότι το Q έχει τοποθετηθεί κοντά στην περιοχή κόρου (μεγάλες τιμές του ΙΒ), τότε, όπως φαίνεται στο γραφικό διάγραμμα του Σχ.1.12, κάθε τάση μικρότερη της VCE=VCES~=0 θα αποκόπτεται (ψαλιδίζεται).
Επομένως, σε όλη τη χρονική αυτή διάρκεια κατά την οποία η VCE θα έπαιρνε τιμές μικρότερες της τιμής περίπου μηδέν, το ρεύμα εξόδου IC διατηρείται σταθερά ίσο προς τη μέγιστη τιμή IC~=VCC/RC. Δηλαδή, το ρεύμα εξόδου
έχει υποστεί ψαλιδισμό στη στάθμη IC~= VCC/RC.
Σχήμα 1.12. Επίδραση της θέσης του σημείου ηρεμίας Q στην παραμόρφωση του σήματος εισόδου. Το σημείο ηρεμίας βρίσκεται κοντά στην περιοχή κόρου
Με την παραπάνω ανάλυση είδαμε ότι η τοποθέτηση του σημείου ηρεμίας Q έχει μεγάλη σημασία για την παραμόρφωση, την οποία υφίσταται το σήμα εισόδου. Ωστόσο, ακόμη κι αν το Q τοποθετηθεί σωστά (δηλ.περίπου στο μέσο της ευθείας φόρτου), πρέπει και το πλάτος του σήματος εισόδου να είναι επαρκώς μικρό, ώστε η VCE να μην υπερβαίνει τις ακρότατες τιμές της VCE~=0 και VCE~=VCC. Το Σχ.1.12 δείχνει τη γραφική μέθοδο απεικόνισης της παραμόρφωσης του σήματος, όταν το Q βρίσκεται στη σωστή θέση, αλλά το πλάτος του σήματος εισόδου είναι πολυ μεγάλο.
Σχήμα 1.13. Παραμόρφωση του σήματος εισόδου λόγω υπερδιέγερσης. Σωστή τοποθέτηση του σημείου Q, αλλά με μεγάλο σήμα εισόδου
Παράδειγμα 1-3
Δίνεται το κυκλωμα του Σχ.1.14 και οι χαρακτηριστικές συλλέκτη του
τρανζίστορ, Σχ. 1.15. Να υπολογίσετε:
α) Την ευθεία φόρτου στο συνεχές (dc) και το σημείο ηρεμίας Q.
β) Τα μεγέθη VCE, IC, ICRC και ΙΕ που αντιστοιχούν στο σημείο ηρεμίας Q
(γραφική μέθοδος).
Σχήμα 1.14. Πρακτικό κύκλωμα σταθερής πόλωσης CΕ
Σχήμα 1.15. Χαρακτηριστικές συλλέκτη του ΒJΤ του Σχ. 1.14
Λύση
Για να χαράξουμε την ευθεία φόρτου, πρέπει να προσδιορίσουμε δυο τουλάχιστον σημεία της. Το ένα έχει συντεταγμένες:
IC= 0, VCE = VCC= 15 V
και το άλλο,
VcE=0, Ic=Vcc/RC =15/3=5mA
Η ευθεία που ενώνει τα σημεία αυτά φαίνεται στο Σχ.1.14 και αποτελεί την ευθεία φόρτου στο συνεχές, για το κυκλωμα που δόθηκε.
Για να καθορισθεί το σημείο ηρεμίας Q, πρέπει να υπολογισθεί το ρευμα βάσης IB.
Η τομή της ευθείας φόρτου με τη χαρακτηριστική που αντιστοιχεί σε IB=150μΑ ορίζει το σημείο ηρεμίας Q.
Από το σχήμα αυτό, βρίσκουμε γραφικά τα ζητούμενα μεγέθη που αντιστοιχούν στο σημείο Q.
