E - Politechnika Wrocławska
Transkrypt
E - Politechnika Wrocławska
Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Układy zasilania tranzystorów Wrocław 2010 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Punkt pracy tranzystora Tranzystor bipolarny IC IB IBQ Q UBEQ ICQ CQ UBE Q UCEQ UCE 1 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Punkt pracy tranzystora Tranzystor unipolarny ID IDSS Q UGS IDQ Q UGSQ Up UDSQ UDS Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Dopuszczalny obszar pracy (safe operating conditions SOA) Tranzystor bipolarny Zniekształcenia nieliniowe związane z maleniem β dla dużych prądów Pmax IC IC max zniekształcenia przy wchodzeniu w nasycenie przebicie napięciowe IC min UCE UCE min UCE max stan odcięcia zniekształcenia nieliniowe 2 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Dopuszczalny obszar pracy (safe operating conditions SOA) Tranzystor unipolarny ID zniekształcenia związane z różnym nachyleniem ch-yk wyj. ID max Pmax napięcie kalana rozgraniczające obszar liniowy od nasycenia przebicie napięciowe ID min UDS max UDS stan odcięcia zniekształcenia nieliniowe Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Dobór punktu pracy Tranzystor bipolarny Od doboru punktu pracy zależą prawie wszystkie parametry projektowanego układu. Optymalny dobór p.p. jest kompromisem pomiędzy wymaganiami stawianymi układowi: ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ wielkość wzmocnienia ograniczenia mocy wydzielanej w tranzystorach (stabilność temperaturowa) poziomy napięć i prądów wyjściowych układu ograniczenia częstotliwościowe (pasmo pracy) zniekształcenia nieliniowe poziom szumów poziom impedancji wejściowej i wyjściowej warunki zasilania – stabilizowane, niestabilizowane, bateryjne 3 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Dobór punktu pracy ze względu na zastosowania Tranzystor bipolarny Zastosowanie ICQ UCEQ Stopnie wejściowe wzmacniaczy m.cz. o małym poziomie szumów (20 – 200) µA (1 – 5) V Stopnie pośrednie wzmacniaczy małych sygnałów (m.cz. I w.cz.) (0,2 – 2) mA (3 – 10) V Stopnie wejściowe wzmacniaczy operacyjnych (1 – 10) µA (0,7 – 5) V Wzmacniacze szerokopasmowe (5 – 50) mA (5 – 10) V Wzmacniacze akustyczne średniej mocy (0,1 – 1) A (5 – 12) V Wzmacniacze akustyczne dużej mocy (2 – 10) A (20 – 100) V Stopień odchylania poziomego w tv (3 – 6) A (800 – 1100) V Nadajniki w zakresie KF i UKF (5 – 30) A (30 – 60) V Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Dobór punktu pracy ze względu na zastosowania Tranzystor unipolarny IDQ UDSQ Wzmacniacze m.cz. małosygnałowe Zastosowanie (0,3 – 5) mA (5 – 15) V Stopnie wejściowe wzmacniaczy operacyjnych (0,3 – 5) mA (1 – 10) V Wzmacniacze w.cz. (kilka – kilkaset MHz) (2 – 15) mA (5 – 15) V Wzmacniacze mikrofalowe (8 – 15) mA (2 – 3) V Wzmacniacze mocy m.cz. (2 – 10) A (20 – 100) V Przetwornice napięcia dużej mocy (2 – 20) A (30 – 500) V 4 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Statyczna i dynamiczna prosta pracy Tranzystor bipolarny Prosta pracy to linia na charakterystyce wyj. po której przemiesza się p.p. gdy zmieniają się jego warunki wysterowania. + EC IC RB RC C2 I C = I CQ + ic C1 UCE Uwy RL Uwe RE U CE = U CEQ + u ce CE Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Statyczna i dynamiczna prosta pracy Tranzystor bipolarny Statyczna prosta pracy dla prądu stałego + EC RB RC I CQ (RC + RE ) + U CEQ = EC ICQ UCEQ UBEQ I EQ ≈ I CQ RE I CQ = U CEQ EC − RC + RE RC + RE 5 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Statyczna i dynamiczna prosta pracy Tranzystor bipolarny IC prosta statyczna: nachylenie –1/(RC+RE) EC RC + RE ICQ Q UCEQ EC UCE Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Statyczna i dynamiczna prosta pracy Tranzystor bipolarny Dynamiczna prosta pracy dla prądu zmiennego iC uCE RC II RL RB IC = − iC (RC RL ) = uCE U CEQ U CE + I CQ + RC RL RC RL 6 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Statyczna i dynamiczna prosta pracy Tranzystor bipolarny prosta dynamiczna: nachylenie –1/(RCIIRL) IC EC RC + RE prosta statyczna: nachylenie –1/(RC+RE) ICQ Q UCEQ UCE EC Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Stabilność punktu pracy Tranzystor bipolarny IC EC RC + RE Q1 ∆I C ICQ Q Q2 UCEQ EC UCE ∆U CE 7 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Stabilność punktu pracy Tranzystor bipolarny IC IC IWYm+ Q ICQ IWYm- UCEQ UCEsat UCE UCE EC UWYm + t UWYmIWYm+ = IWYmUWYm+ = UWYm- t Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Stabilność punktu pracy Tranzystor bipolarny IC IC IWYm+ Q1 ICQ1 IWYm- UCEsat UCEQ1 EC UWYm+ UCE UCE t UWYmIWYm+ < IWYmUWYm+ > UWYm- t 8 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Stabilność punktu pracy Tranzystor bipolarny IC IC IWYm+ Q2 ICQ2 IWYmUCEQ2 UCEsat UCE UCE EC UWYm+ t UWYmIWYm+ > IWYmUWYm+ < UWYm- t Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Stabilność punktu pracy Tranzystor bipolarny Zmiana temperatury ma wpływ bezpośrednio na 3 parametry tranzystora β 0 (T ) = β 0 (T0 )[1 + γ (∆T )] ; γ = 0,05 U BE (T ) = U BE (T0 ) − c(∆T ) ; c = 2 ,3 I CB0 (T ) = I CB0 (T0 )e b (∆T ) ; b= 1 0 C mV 0 C 1 14 0 C Wielkości te decydują o wartości ICQ I CQ = f (β 0 , U BE , I CB0 ) 9 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Stabilność punktu pracy Tranzystor bipolarny + EC IC ICQ RC RB IBQ C2 UCEQ C1 RB UCE Uwy Uwe RE UBEQ RE + – CE RC IEQ EB=EC + – EC Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Stabilność punktu pracy Tranzystor bipolarny ICQ IBQ B UBEQ RB + EB – C I βIBQ E IEQ RE (β+1)ICB0 II RC + E – C 10 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Stabilność punktu pracy Tranzystor bipolarny Dla oczka wejściowego (I) możemy zapisać EB = IBQ RB + UBEQ + IEQRE = UBEQ + ICQRE + IBQ(RB + RE) Wykorzystując zależność I BQ = I CQ − (β 0 + 1) I CB 0 β0 otrzymujemy: I CQ = (E B − U BEQ ) β 0 + (RB + RE )(β o + 1) I CB 0 RB + (β 0 + 1) RE Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Stabilność punktu pracy Tranzystor bipolarny Dla oczka wyjściowego (II) możemy zapisać EC = ICQ RC + UCEQ + IEQ RE = UCEQ + ICQ (RC + RE) + IBQ RE Przekształcając otrzymujemy: β +1 β +1 U CEQ = EC − I CQ RC + 0 RE + RE 0 I CB 0 β β 0 0 11 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Układy zasilania tranzystorów układ ze stałym prądem bazy Tranzystor bipolarny + EC RC RB IB = IC EC − U BE EC ≈ = const RB RB IB UCE P.p. opisany jest równaniami: UBE IC = β0 EC − U BE E + (β 0 + 1)I CB 0 ≈ β 0 C RB RB U CE = EC − I C RC - konieczność stosowania dużych wartości RB - duże wartości współczynników stabilizacji (mało stabilny p.p.) Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Układy zasilania tranzystorów układ ze stałym prądem emitera Tranzystor bipolarny + EC RC + _ IC UBE IE EE − U BE E E ≈ = const RE RE P.p. opisany jest równaniami: UCE RB IE = + _ RE - EE IC = β 0 E E − U BE E − U BE E E + I CB 0 ≈ E ≈ β0 +1 RE RE RE β + 1 β0 + 1 U CE = EC + E E − I C RC + 0 RE + I CB 0 RE ≈ β0 β0 ≈ EC + E E − I C (RC + RE ) lepsza stabilizacja p.p. (wartości współczynników stabilizacji mniejsze) 12 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Układy zasilania tranzystorów układ ze sprzężeniem kolektorowym Tranzystor bipolarny + EC P.p. opisany jest równaniami: RC IC = IC RB IB β 0 (EC − U BE ) + I CB 0 (β 0 + 1)(RC + RB ) RB + (β 0 + 1)RC β +1 U CE = EC − I C + 0 I CB 0 RC β0 UCE UBE RB pełni rolę sprzężenia zwrotnego N-S. Sprzężenie jest tym silniejsze im wartość RB jest mniejsza. Stabilizacja p.p. zależy od RC co powoduje, że układ jest trudny w realizacji Rola sprzężenia w układzie: gdy zmaleje IC to zmaleje URC co pociąga za sobą wzrost UCE wzrost UCE powoduje wzrost URB co pociąga za sobą wzrost IB wzrost IB powoduje wzrost IC co zwrotnie zwiększa URC wzrost URC zmniejsza UCE stabilizując jego zmiany w rezultacie wzrost UCE będzie mniejszy niż w układzie bez sprzężenia Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Układy zasilania tranzystorów układ potencjometryczny ze sprzężeniem emiterowym Tranzystor bipolarny + EC + EC R1 IC IB UBE tw. Thevenina IC IB RB = R1 R2 UCE R2 RC RC IE RE U BB = EC UCE R2 R = EC B R1 + R2 R1 RB UBE IE RE + UBB 13 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Układy zasilania tranzystorów układ potencjometryczny ze sprzężeniem emiterowym Tranzystor bipolarny + EC RC IC IB UCE RB UBE IE RE P.p. opisany jest równaniami: IC = β 0 (U BB − U BE ) + I CB 0 (β 0 + 1)(RE + RB ) RB + (β 0 + 1)RE β +1 β +1 U CE = EC + 0 I CB 0 RE − I C RC + 0 RE β0 β0 RE pełni rolę sprzężenia zwrotnego P-S stabilizując IE. + UBB Rola sprzężenia w układzie: gdy zmaleje IE to zmaleje URE co pociąga za sobą wzrost UBE wzrost UBE powoduje wzrost IB co zwrotnie zwiększy IE w rezultacie IC zmaleje mniej niż w układzie bez sprzężenia Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Układy zasilania tranzystorów Tranzystor bipolarny Najlepsze własności stabilizacyjne ma układ z dwoma źródłami zasilania. Moc pobierana z dwóch źródeł jest z reguły mniejsza niż w przypadku układu z jednym źródłem. Wadą tych układów jest konieczność stosowania dwóch źródeł zasilania. Dobre efekty daje zastosowanie układu ze SZ (kolektorowym, emiterowym i z obydwoma na raz). Ze względów stabilizacyjnych układ ze stałym prądem bazy ma najgorsze właściwości. Układ ze stałym prądem emitera charakteryzuje się najkorzystniejszymi właściwościami stabilizacyjnymi. 14 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Układy zasilania tranzystorów układ z dwoma źródłami zasilania Tranzystor unipolarny U GS = − EG − I D RS +ED E D = U DS + I D (RS + RD ) RD ID RS stanowi sprzężenie podobnie jak RE w bipolarnym. IG UDS UGS Wadą tego układu jest konieczność stosowania dwóch źródeł zasilania. ID RG RS -EG Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Układy zasilania tranzystorów układ z automatyczną polaryzacją bramki Tranzystor unipolarny +ED RD U GS = − I D RS ID UDS UGS ID E D = U DS + I D (RS + RD ) RG RS 15 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Układy zasilania tranzystorów układ potencjometryczny Tranzystor unipolarny +ED RD R1 U GS = R2 E D − I D RS R1 + R2 ID IG UDS R3 R2 UGS E D = U DS + I D (RS + RD ) ID RS 16