Рабочая точка — CoderLessons.com

Когда рисуется линия, соединяющая точки насыщения и обрезания, такую ​​линию можно назвать линией загрузки . Эта линия, проведенная над кривой выходной характеристики, вступает в контакт в точке, называемой рабочей точкой .

Эта рабочая точка также называется точкой покоя или просто Q-точкой . Таких точек пересечения может быть много, но точка Q выбирается таким образом, что независимо от размаха сигнала переменного тока транзистор остается в активной области.

На следующем графике показано, как представить рабочую точку.

Рабочая точка не должна быть нарушена, поскольку она должна оставаться стабильной для достижения точного усиления. Следовательно, точка покоя или Q-точка – это значение, при котором достигается верное усиление .

Верное Усиление

Процесс увеличения силы сигнала называется усилением . Это усиление, когда оно выполняется без потерь в компонентах сигнала, называется точным усилением .

Достоверное усиление – это процесс получения полных порций входного сигнала за счет увеличения уровня сигнала. Это делается, когда на его вход подается сигнал переменного тока.

На приведенном выше графике входной сигнал полностью усиливается и воспроизводится без потерь. Это можно понимать как верное усиление .

Рабочая точка выбрана таким образом, чтобы она находилась в активной области и помогала воспроизводить полный сигнал без потерь.

Если рабочая точка считается вблизи точки насыщения, то усиление будет таким же, как при.

Если рабочая точка считается близкой к точке среза, то усиление будет таким же, как при.

Следовательно, расположение рабочей точки является важным фактором для достижения точного усиления. Но для того, чтобы транзистор функционировал должным образом в качестве усилителя, его входная схема (т. Е. Соединение база-эмиттер) остается смещенной в прямом направлении, а его выходная цепь (т. е. соединение коллектор-база) остается смещенной в обратном направлении.

Таким образом, усиленный сигнал содержит ту же информацию, что и во входном сигнале, тогда как мощность сигнала увеличивается.

Ключевые факторы для верного усиления

Чтобы обеспечить точное усиление, должны быть выполнены следующие основные условия.

• Собственный нулевой ток коллектора
• Минимальное правильное напряжение базы-эмиттера (V _BE ) в любой момент.
• Минимальное правильное напряжение коллектор-эмиттер (V _CE ) в любой момент.

Выполнение этих условий гарантирует, что транзистор работает над активной областью, имеющей прямое смещение входа и обратное смещение выхода.

Собственный ток коллектора нулевого сигнала

Чтобы понять это, давайте рассмотрим схему NPN-транзистора, как показано на рисунке ниже. Соединение база-эмиттер смещено вперед, а соединение коллектор-эмиттер смещено обратно. Когда сигнал подается на вход, переход база-эмиттер NPN-транзистора смещается вперед для положительного полупериода входа и, следовательно, он появляется на выходе.

Для отрицательного полупериода тот же самый переход становится обратным смещением, и, следовательно, цепь не проводит. Это приводит к неверному усилению, как показано на рисунке ниже.

Давайте теперь введем аккумулятор V _BB в базовую цепь. Величина этого напряжения должна быть такой, чтобы переход база-эмиттер транзистора оставался в прямом смещении даже для отрицательного полупериода входного сигнала. Когда входной сигнал не подается, в цепи течет постоянный ток из-за V _BB . Это известно как нулевой ток коллектора сигнала I _C.

Во время положительного полупериода входа, соединение база-эмиттер более смещено вперед, и, следовательно, ток коллектора увеличивается. Во время отрицательного полупериода входа входное соединение меньше смещено вперед и, следовательно, ток коллектора уменьшается. Следовательно, оба выходных цикла появляются на выходе и, следовательно, точные результаты усиления , как показано на рисунке ниже.

Следовательно, для точного усиления должен протекать ток коллектора нулевого сигнала. Значение нулевого тока коллектора сигнала должно быть, по крайней мере, равно максимальному току коллектора только из-за сигнала.

Правильный минимум V

_BE в любой момент

Минимальное напряжение базы-эмиттера V _BE должно быть больше, чем напряжение включения для прямого смещения соединения. Минимальное напряжение, необходимое для проводимости кремниевого транзистора, составляет 0,7 В, а для германиевого транзистора – 0,5 В. Если напряжение V _BE базового эмиттера больше этого напряжения, потенциальный барьер преодолевается, и, следовательно, ток базы и токи коллектора резко возрастают.

Следовательно, если V _BE падает для любой части входного сигнала, эта часть будет усилена в меньшей степени из-за результирующего малого тока коллектора, что приводит к неверному усилению.

Правильный минимум V

_CE в любой момент

Чтобы добиться точного усиления, напряжение эмиттера коллектора V _CE не должно опускаться ниже напряжения включения, которое называется напряжением на колене . Если V _CE меньше напряжения колена, основание коллектора коллектора не будет правильно смещено в обратном направлении. Тогда коллектор не сможет притягивать электроны, испускаемые эмиттером, и они будут течь к основанию, что увеличивает базовый ток. Таким образом, значение β падает.

Следовательно, если значение V _CE падает для какой-либо части входного сигнала, эта часть будет умножена в меньшей степени, что приведет к неверному усилению. Таким образом, если V _CE больше, чем V _KNEE, соединение коллектор-база правильно смещено обратно, и значение β остается постоянным, что приводит к точному усилению.

18.5. Рабочая точка. Принцип работы усилителя

Принцип работы усилителя рассмотрим на примере усилительного каскада (см. рис. 18.8, а). В отсутствие усиливаемого сигнала при подаче на эмиттерный и коллекторный переходы напряжения смещения в цепях транзистора проходят постоянные токиво. входной цепи ив …. выходной, а на входных и выходных зажимах (нуль в индексах величин означает, что рассматривается режим по постоянному току) устанавливаются соответственно напряженияравное напряжению смещения на эмиттерном переходе, иопределяемое э. д. с. источника питанияи сопротивлением резисторав соответствии с уравнением (18.23).

Как было сказано ранее, эти значения токов и напряжений опреде­ляют положение точки на статических характеристиках, которую назы­вают начальной рабочей точкой.

Если на вход усилителя подается сигнал, например синусоидальной формы [графикu_с =f(t) на рис. 18.10, а], то он алгебраически суммируется с постоянным напряжением смещения на эмиттерном переходе и рабочая точка А перемещается между точками В и С.

В отрицательные полупериоды напряжение сигнала складывается с отрицательным напряжением смещения, напряжение смещения базы увеличивается, в результате чего увеличивается ток базы и коллекторный ток и рабочая точка плавно перемещается из положения А и А’ соответственно в положение С и С’.

В положительные полупериоды напряжение сигнала, складываясь с отрицательным напряжением сме­щения, снижает напряжение смещения базы, поэтому токи базы и кол­лектора уменьшаются, а рабочая точка плавно перемещается в поло­жение В и В’. На выходной характеристике соответственно С» и В». Токи иизменяются в фазе с изменениями мгновенного зна­чения суммарного напряженияВ цепи источник э. д. с. сме­щения — коллекторный переход проходит пульсирующий ток, состоя­щий из постояннойи переменнойсоставляющих тока такой же формы, как и входной сигнал. Переменная составляющая тока создаст на резисторепадение напряжения, амплитуда которогоравна амплитуде выходного сигналаПри этом напряжение на резисторе изменяется синфазно, а выходное напряжение находится в противофазе с напряжением сигнала (рис. 18.10, в). При большом сопротивленииамплитуда выходного сигналаU _выхm значительно больше амплитуды напряжения сигнала U_cm (напряжение сигнала порядка десятка милли­вольт, ток — десятка микроампер, а выходное напряжение порядка нескольких вольт, ток — нескольких миллиампер). Таким образом, в при­боре происходит усиление как напряжения, так и тока сигнала, а сле­довательно, и мощности.

К, п. д. усилителя равен отношению мощности сигнала на выходе к мощности, потребляемой активным элементом от источника питанияВ рассмотренном случае

где — соответственно амплитуды коллекторных напряжения и тока.

Так как мощность, потребляемая усилителем,то к. п. д. усилителя

(18.24)

причем, поскольку к. п. д. усилителя (по схеме с ОЭ) меньше 50%.

В реальных схемах усилителей содержится кроме резистораеще ряд пассивных элементов.

Для того чтобы форма переменной составляющей тока на выходе усилителя совпадала с формой подаваемого на вход сигнала, зависи­мость между ними должна быть линейной. Поскольку транзистор явля­ется нелинейным элементом, возможно искажение сигнала. Наличие или отсутствие искажения зависит как от амплитуды сигнала, так и от выбора положения начальной рабочей точки на нагрузочной линии. Выбор положения начальной рабочей точки влияет также на к. п. д. усилителя. В момент, когда сигнал отсутствует, вся энергия источников питания идет только на нагрев p-n-переходов, т. е. тратится бесполезно. Если начальная рабочая точка лежит на середине прямолинейного участка, а амплитуда сигнала такова, что рабочая точка, перемещаясь, не выходит за пределы прямолинейного участка входной характеристи­ки, то искажения сигнала не происходит. К. п. д. в этом случае меньше 50%

В зависимости от положения начальной рабочей точки на характе­ристиках активных элементов и амплитуды усиливаемого сигнала раз­личают три основных режима работы усилительного каскада: А, В и С.

Режимы работы активных элементов часто называют классами уси­ления. Количественно режимы усиления для синусоидального сигнала характеризуют углом отсечки θ — половиной той части периода, в те­чение которой через выходную цепь активного элемента проходит ток. Угол отсечки выражают в градусах или радианах.

Режим А. В этом режиме начальная рабочая точка А находится примерно в середине линейной части проходной характеристики I_k = f(U_Б) , а амплитуда сигнала такова, что, как видно из рис. 18.11, ток в выходной цепи протекает в течение всего периода сигнала. Угол отсечки θ равен 180°. (Отметим, что характеристики даны для усилителя с транзистором типа p-n-р по схеме с ОЭ.)

Транзистор работает в активном режиме. Рабочая точка А, переме­щаясь по нагрузочной линии, не выходит за пределы точек 1 и 2 на нагрузочной линии (см. рис. 18.10, в, точка А). При работе ниже точки 2 транзистор переходит из активного режима в режим отсечки, а при работе выше точки 1 — в режим насыщения. Из-за большого тока покоя к. п. д. в этом режиме низкий, менее 50 %. Это основной недостаток рассматриваемого режима. В режиме А активный элемент рабо­тает почти без искажений, а форма выходного сигнала соответствует форме входного. Режим А используют в основном в каскадах пред­варительного усиления.

Режим В. Начальная рабочая точка А лежит в начале проходной характеристики (рис. 18.12). Ток коллектора проходит через активный элемент лишь в тече­ние отрицательного (для транзистора типа р-n-р) полупериода входного напряжения, во время же другого полупериода тока нет, т. е. активный элемент «заперт», рабочая точка А находится ниже точки 2 на нагрузочной ли­нии — в области отсеч­ки (см. рис. 18.10, в, точка А). Угол отсечки θ составляет 90°. К. п. д. каскада, работающего в режиме В, значи­тельно выше, чем для режима А, поскольку ток покоя мал.

В режиме В усилитель имеет высокий к. п. д. (до 80 %), однако усиливается только один полупериод входного сигнала. Кроме того, сигнал сильно искажается.

Для усиления сигнала в течение всего периода используют двух­тактные схемы, когда одно плечо схемы работает в положительный полупериод, а другое — в отрицательный. В режиме В (так как к. п. д. высок) работают каскады мощного усиления (выходная мощность от 10 Вт и более).

Режим С. В режиме С начальная рабочая точка А располагается правее начальной точки проходной характеристики (рис. 18.13). Угол θ менее 90°. В отсутствие сигнала ток через активный элемент не про­ходит — элемент полностью «заперт». При подаче сигнала ток коллек­тора проходит в течение времени, меньшем отрицательного полупе­риода напряжения входного сигнала, причем искажение сигнала боль­шее, чем в режиме В. К. п. д. каскада, работающего в режиме С, выше, чем в режиме В, так как ток покоя отсутствует. Режим С применяют в мощных резонансных усилителях.

Режим D. Иначе этот режим называют ключевым. Активный элемент в этом режиме работы усилителя находится либо в состоянии отсечки, либо в состоянии насыщения. В первом случае ток через активный элемент равен нулю, во втором — равно нулю падение напряжения между выходными зажимами. К. п. д. в этом режиме выше, чем в ре­жиме С (он близок к единице), потери энергии малы. Этот режим используют только для усиления прямоугольных сигналов.

Исследование рабочей точки постоянного тока

: транзистор BJT | Блог Advanced PCB Design

Баланс между работой и личной жизнью имеет разное значение для разных людей. Что касается меня, я буду поглощен работой в будние дни, не делая никакого полноценного отдыха между ними. Единственным исключением является воскресенье, когда я провожу весь день, приклеенный к Netflix, играм или любым другим стоящим дома занятиям.

Меня давно критикуют за неуравновешенный образ жизни. Этого нельзя отрицать, но, по крайней мере, у меня есть хорошее представление о том, как я действую между работой и отдыхом. Кроме того, я очень интересовался тем, как работают транзисторы BJT, поскольку они имеют очень динамичную характеристику. Другими словами, понимание рабочей точки постоянного тока является обязательным, если вы работаете с транзисторами.

Что такое рабочая точка постоянного тока

Транзистор BJT, возможно, является одним из самых интересных базовых электронных компонентов. Технически это комбинация двух PN-переходов или диодов, собранных в одном корпусе. Транзистор функционирует как переключатель тока, где наличие тока базы активирует переход коллектор-эмиттер (CE) для прохождения тока коллектора.

Есть несколько интересных параметров при разработке транзистора BJT, одним из которых является рабочая точка постоянного тока. Рабочая точка постоянного тока, также известная как точка покоя или точка Q, относится к состоянию транзистора, когда на компонент не подается входной ток.

На графике рабочая точка постоянного тока представляет собой пересечение линии тока базы и линии нагрузки постоянного тока. Это означает, что вам нужно построить линию нагрузки постоянного тока, чтобы определить рабочую точку постоянного тока транзистора. Процесс прост, так как отношение между Ic и Vce определяется как

Vcc = Vce + IcRc

базовый резистор (Rb). Решение уравнения для Vce =0 и Ic =0 даст вам значение по обеим осям. Поскольку уравнение является линейным, соединение линии между обоими значениями даст линию нагрузки постоянного тока. Для известного I _b , рабочая точка постоянного тока может быть определена на графике.

Рабочая точка постоянного тока и смещение транзистора

К этому моменту вы хорошо поняли, что такое рабочая точка постоянного тока. Однако, что более важно, важно понимать влияние рабочей точки постоянного тока на смещение транзистора. Транзистор работает в активной области, в области отсечки и насыщения, где его поведение изменяется соответствующим образом.

В зависимости от того, для чего предназначен транзистор, вам нужно поддерживать рабочую точку постоянного тока в определенном диапазоне. Например, если вы строите усилитель класса А, вам нужно, чтобы рабочая точка постоянного тока находилась в середине активной области. Если он находится вблизи насыщения или отсечки, это приведет к обрезанию или искажению входного сигнала переменного тока.

В то же время существуют определенные типы усилителей, которые предназначены для работы в области отсечки или насыщения. Усилитель класса B, который усиливает только положительную половину входного сигнала и удаляет отрицательную часть, имеет рабочую точку постоянного тока, установленную в области отсечки.

Важность анализа рабочей точки постоянного тока

Возможно, следующее предположение, которое у вас возникнет, будет состоять в том, что смещение транзистора — это кусок пирога. В конце концов, что может пойти не так с настройкой рабочей точки транзистора по постоянному току? Суровая правда заключается в том, что установка пары резисторов — это еще не конец задачи.

В зависимости от конфигурации некоторые цепи смещения ненадежны. Схема смещения с фиксированной базой, которая точно показана на приведенной выше диаграмме, проста в исполнении, но имеет тенденцию быть нестабильной при активной работе. Кроме того, рабочая точка постоянного тока может колебаться из-за различных температур.

Небольшое улучшение достигается с помощью следующей схемы, в которой транзистор настроен на смещение обратной связи коллектора. Отрицательная обратная связь, создаваемая через Rb, гарантирует, что рабочая точка постоянного тока всегда остается в активной области.

Лучшая стабильность достигается за счет смещения делителя напряжения, как показано на схеме ниже. Эта конфигурация гарантирует, что рабочая точка постоянного тока полностью независима от значения β и не зависит от внешних элементов схемы. Значение β здесь представляет собой коэффициент усиления по постоянному току и представляет соотношение между большими токами и малыми токами смещения.

Существует множество факторов, которые могут повлиять на рабочую точку транзистора по постоянному току. Ручное построение возможных переменных и результатов будет утомительным и, вероятно, не самым мудрым вариантом. Вместо этого лучше получить инструменты компоновки и анализа от Cadence. Целесообразно использовать инструмент SPICE, который работает вместе с программным обеспечением для проектирования печатных плат, таким как PSpice Simulator.

Если вы хотите узнать больше о том, как у Cadence есть решение для вас, обратитесь к нам и нашей команде экспертов.

Решения Cadence PCB — это комплексный инструмент для проектирования от начала до конца, позволяющий быстро и эффективно создавать продукты. Cadence позволяет пользователям точно сократить циклы проектирования и передать их в производство с помощью современного отраслевого стандарта IPC-2581.

Подпишитесь на Linkedin Посетите вебсайт Больше контента от Cadence PCB Solutions

УЧИТЬ БОЛЬШЕ

аналог — Что такое Q-точка транзистора?

спросил 9 лет, 9 месяцев назад

Изменено 4 года, 10 месяцев назад

Просмотрено 97 тысяч раз

\$\начало группы\$

Что такое Q-точка транзистора?

Зачем это нужно?

Как установить Q-точку транзистора?

Пожалуйста, объясните, мне трудно понять эту концепцию.

• аналог

\$\конечная группа\$

1

\$\начало группы\$

Точкой покоя (спокойствия) являются значения напряжений и токов цепи при отсутствии сигнала .

Из Википедии:

Рабочая точка устройства, также известная как точка смещения, в состоянии покоя точка, или Q-точка, представляет собой установившееся напряжение или ток в указанный вывод активного устройства (транзистор или электронная лампа) без подачи входного сигнала.

Выбор точки Q зависит от области применения и является важной частью процесса проектирования. Желаемая точка Q является входом в расчетные уравнения смещения постоянного тока для схемы.

\$\конечная группа\$

1

\$\начало группы\$

Q означает рабочую точку покоя, и, говоря простым языком, это когда коллектор транзистора (в конфигурации класса A) смещен так, что при отсутствии входного сигнала выходное напряжение находится на среднем уровне.