3.2 Arbeitspunkteinstellung

3 Der Bipolartransistor
3.2
3.2. Arbeitspunkteinstellung
28
Arbeitspunkteinstellung
Wiederholung: Der Arbeitspunkt
• legt die Großsignalgrößen IB, 0 , UBE, 0 , IC, 0 und UCE, 0 sowie die
• Kleinsignalgrößen rBE , S und gEA fest.
• bestimmt maximal möglichen Aussteuerbereich
• soll für große Aussteueramplituden in die Mitte des Aussteuerbereiches (UCE, min . . . U0 )
gelegt werden
Weiters soll der Arbeitspunkt einer Transistorschaltung möglichst stabil sein!
Für uns ist es an dieser Stelle ausreichend zu fordern, dass der Kollektorstrom im Arbeitspunkt (IC, 0 )
• sich zufolge schwankender äußerer Einflüsse (z.B. Temperaturschwankungen) nicht
ändert
• und möglichst unabhängig von Parameterstreuungen des Transistors einzustellen
ist.
Temperaturabhängigkeit der Transistorkennlinie
Die Parameter IS und UT in der Transistorgleichung
IC = IS (e
UBE
UT
− 1)
(3.1)
sind temperaturabhängig. Es gilt:
IS = IS0 e
WG
BT
−k
und
UT =
kB T
e
(3.5)
wobei WG = 1.1 eV in Silizium, kB = 1.38 · 10−23 J/K und e = 1.602 · 10−19 C.
Diese Temperaturabhängigkeit bewirkt, dass sich die Transferkennlinie Glg. 3.1 und die
Eingangskennlinie IB = IC (UBE )/B um ca. 2 mV/K hin zu niedrigeren Spannungen verschieben. Der Einfluss der Temperatur auf die Transferkennlinie und ein Ersatzschaltbild
eines temperaturabhängigen Transistors, der durch die Hintereinanderschaltung eines temperaturunbhängigen Transistors und einer temperaturabhängigen Spannungsquelle modelliert wird, sind in Abb. 3.4 dargestellt.
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3.2. Arbeitspunkteinstellung
Transistor auf Temperatur
29
Transistor auf
Bezugstemperatur
Abbildung 3.4: Temperaturabhängigkeit des Transistors
Streuung der Großssignalverstärkung
Bei Transistoren vom selben Typ kann die Stromverstärkung B in großen Bereichen
schwanken. (Üblicherweise Schwankungen im Bereich von Bist /Bnom = −30% . . . + 50%).
Zusätzlich ist B i.A. nicht konstant, sondern z.B. auch IC und temperaturabhängig. Die
Auswirkung dieser Bauteilstreuung auf den möglichen Basisstrombereich bei gegebener
Transferkennlinie sowie der daraus resultierende Streubereich in der Stromsteuerkennlinie
sind in Abb. 3.5 dargestellt.
Abbildung 3.5: Streuung der Großsignalverstärkung B
Spannungs- und Stromeinstellung
Die Temperaturabhängigkeit der Transistorkennlinien und die Streuung der Großsignalverstärkung werfen gewissermaßen Schwierigkeiten auf, wenn man fordert, dass der Kollektorstrom im AP bei sich ändernder Temperatur konstant bleibt und sich unabhängig
von der tatsächlichen Großsingalverstärkung und fixer Beschaltung des Transistors auf
einen vorgegebenen Wert IC, 0 soll einstellt. (Bei Großserienproduktion z.B. kann allein aus
Kostengründen nicht jede Transistorschaltung entsprechend des tatsächlichen Bist nachkalibriert werden.)
Die Auswirkung der Temperaturabhängigkeit der Transistorkennlinien und der Streuung
3 Der Bipolartransistor
3.2. Arbeitspunkteinstellung
30
der Großsignalverstärkung auf den Arbeitspunkt soll nun für zwei verschiedene Möglichkeiten der AP-Einstellung (Spannungs- und Stromeinstellung) diskutiert werden.
Spannungseinstellung
Stromeinstellung
- starke Temperaturabhängigkeit
+ keine Abhängigkeit
von B-Streuungen
+ keine Temperaturabhängigkeit
- starke Abhängigkeit
von B-Streuungen
Basis-Spannungsteiler und Basis-Vorwiderstand
Der zusätzliche schaltungstechnische Aufwand zur Realisierung der Basisspannungsquelle
bzw. der Basisstromquelle kann durch einen Basis-Spannungsteiler bzw. Basis-Vorwiderstand
eliminiert werden.
Im Folgenden zeichnen wir die Spannungsquelle zur Versorgung U0 nicht mehr explizit ein
sondern zeichnen an den Punkten in der Schaltung, die auf Potential U0 liegen einen Pfeil
ein. Die Punkte, die auf Bezugspotential 0 liegen werden mit einem waagrechten Strich
eingezeichnet.
Um den Arbeitspunkt (UBE, 0 , IB, 0 , IC, 0 ) grafisch zu ermitteln müssen Lastgeraden in die
Transfer bzw. in die Eingangskennlinie eingezeichnet werden. (Es wird dabei angenommen,
dass UCE, 0 > UCE, min .)
3 Der Bipolartransistor
3.2. Arbeitspunkteinstellung
Basis-Spannungsteiler
31
Basis-Vorwiderstand
Beide Schaltungen können in folgende
Ersatzschaltung übergeführt werden.
Funktionen der Arbeitsgeraden
Die Arbeitsgeraden werden für die jeweilige Schaltung in die Transfer- bzw. in die Eingangskennlinie eingezeichent:
+ geringe Abhängigkeit
von B-Streuungen
+ kaum Temperaturabhängigkeit
- starke Temperaturabhängigkeit
- starke Abhängigkeit
von B-Streuungen
3 Der Bipolartransistor
3.2. Arbeitspunkteinstellung
32
Strom- und Spannungsgegenkopplung → Regelung des AP
Stromgegenkopplung
Spannungsgegenkopplung
Durch eine Ersatzspannungsquelle anstatt des
Basisspannungsteilers erhält man:
Die Arbeitsgeraden werden wieder für die jeweilige Schaltung in die Transfer- bzw. in die Eingangskennlinie eingezeichent:
Flache AG zf.
+ geringe Temperaturabhängigkeit
+ geringe Abhängigkeit
von B-Streuungen
In beiden Fällen schön zu sehen:
Regelung von IC
(Kompensierung von
B-Streuung)
Durch die Gegenkopplung
stellt sich für zu große B
ein kleinerer IB ein und
umgekehrt.
+ kaum Temperaturabhängigkeit
+ geringe Abhängigkeit
von B-Streuungen
3 Der Bipolartransistor
3.2. Arbeitspunkteinstellung
33
Aufgabe 13 Arbeitspunkteinstellung für den Bipolartransistor BC 546 B
In diesem Beispiel sollen anhand des Bipolartransistors BC 546 B (siehe Datenblatt in
Anhang B auf Seite 46) die soeben beschriebenen Varianten der Arbeitspunkteinstellung
dimensioniert werden. In diesem Beispiel soll mit den Größen aus dem Datenblatt gerechnet werden. Kennlinien, die nicht im Datenblatt enthalten sind wurden mit einem CAD
Programm für den BC 546 B aufgenommen.
• In den folgenden Beispielen soll IC, 0 = 10 mA eingestellt werden.
• Wenn nötig, nehmen Sie (in Analogie zum Datenblatt) UCE, 0 = 5 V an.
• Überlegen Sie, für welche Fälle die Annahme UBE, 0 ≈ 0.7 V zulässig ist und wenden
Sie diese Annahme in den jeweiligen Fällen an.
a) Spannungs- und Stromeinstellung
(a) Zeichnen Sie die Schaltungen zur Spannungs- und Stromeinstellung
(b) Welche Spannung UBE,0 bzw. welchen Strom IB,0 müssen Sie (nominell) einprägen, um einen Strom IC, 0 = 10 mA einzustellen? - Welcher Großsignalverstärkung entspricht das?
(c) Bestimmen Sie jeweils die Ströme IC, 0, min und IC, 0, max grafisch
(d) Welche Vor- und Nachteile haben diese Schaltungen und welche Probleme können bei dieser Art der Arbeitspunkteinstellung auftreten?
100
VCE = 5V
20 °C
50 °C
90
80
60
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0
50
40
1
30
20
10
0.1
0.0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
VBE[V], BASE-­EMITTER VOLTAGE
1.2
0
50
100
150
200
IC /mA
70
10
IC /mA
IC[mA], COLLECTOR CURRENT
100
10
250
300
IB /µA
20
350
IB /µA
30 40
400
50
450
60
500
3 Der Bipolartransistor
3.2. Arbeitspunkteinstellung
40
40
50°C
30
IC /mA
IC /mA
10
20
10
0
50
100
IB /µA
150
0
200
40
0.5
0.6
0.7
UBE /V
40
50°C
30
0.8
0.9
20°C
IC /mA
IC /mA
30
20
10
0
20°C
30
20
0
34
20
10
0
50
100
IB /µA
150
200
0
0.5
0.6
0.7
UBE /V
0.8
0.9
b) Basis-Spannungsteiler und Basis-Vorwiderstand
(a) Zeichnen Sie die Schaltungen für mit Basisspannungsteiler und Basisvorwiderstand
(b) Für welche Schaltung ist die Annahme UBE,0 ≈ 0.7 V zulässig? Warum (nicht)?
(c) Dimensionieren Sie die Widerstände R1 , R2 und R. Nehmen sie für den BassisSpannungsteiler I2 = 100IB . Welche Vorteile und Nachteile hat dies z.B. gegenüber der Annahme I2 = 10IB ?
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3.2. Arbeitspunkteinstellung
35
(d) Bestimmen Sie jeweils die Ströme IC, 0, min und IC, 0, max grafisch
(e) Welche Vor- und Nachteile haben diese Schaltungen und welche Probleme können bei dieser Art der Arbeitspunkteinstellung auftreten?
40
50°C
40
20°C
30
IC /mA
IC /mA
20
10
10
0.6
0.7
UBE/V
0.8
0
0.5
0.9
150
150
IB /µA
200
IB /µA
200
100
50
0
0.5
20°C
30
20
0
0.5
50°C
0.6
0.7
UBE/V
0.8
0.9
100
50
0.6
0.7
UBE/V
0.8
0.9
0
0.5
0.6
0.7
UBE/V
0.8
0.9
c) Strom- und Spannungsgegenkopplung
(a) Zeichnen Sie die Schaltungen für Strom- und Spannungsgegenkopplung
(b) Für welche Schaltung ist die Annahme UBE,0 ≈ 0.7 V zulässig? Warum (nicht)?
(c) Dimensionieren Sie die Widerstände R1 , R2 und RE (Annahme URE = 1 V)
sowie R und RC . Nehmen sie für den Bassis-Spannungsteiler I2 = 100IB . Welche
Vorteile und Nachteile hat dies z.B. gegenüber der Annahme I2 = 10IB ?
3 Der Bipolartransistor
3.2. Arbeitspunkteinstellung
36
(d) Bestimmen Sie jeweils die Ströme IC, 0, min und IC, 0, max grafisch
50°C
20
20°C
15
15
10
10
IC /mA
IC /mA
20
5
0.6
0.7
UBE /V
0.8
0
0.9
60
60
50
50
40
40
30
30
IB /µA
IB /µA
20°C
5
0
0.5
20
20
10
10
0
50°C
0.5
0.6
0.7
UBE /V
0.8
0.9
0.5
0
0.5
0.6
0.6
0.7
UBE /V
0.7
UBE /V
0.8
0.8
0.9
0.9