Λύσεις ερωτήσεων κεφ. 1 (σελ. 26) – ΑΝΑΛΟΓΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Γ΄ ΕΠΑΛ
Λύσεις ερωτήσεων κεφ. 1
Πλήρεις λύσεις και των έξι ερωτήσεων του κεφαλαίου 1 — ο όρος «πόλωση», κύκλωμα σταθερής πόλωσης CE, κύκλωμα ανεξάρτητο του β0, χάραξη ευθείας φόρτου, προσδιορισμός του σημείου ηρεμίας Q και η σχέση του με την παραμόρφωση.
1-1 — Ο όρος «πόλωση»
Ερώτηση: ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ: 1-1. Τι εννοούμε με τον όρο “πόλωση”; Πώς επιτυγχάνεται γενικά αυτή;
Απάντηση:
-
Ο ορισμός (σελ. 8): με τον όρο «πόλωση» (bias) εννοούμε την κατάλληλη συνεχή (dc) τάση (ή τάσεις) που πρέπει να εφαρμόσουμε στο κύκλωμα ενός ηλεκτρονικού στοιχείου, άρα και ενός τρανζίστορ, ώστε να εξασφαλίσουμε την ομαλή λειτουργία του στο συνεχές, αλλά και στην περίπτωση που θα εφαρμόζαμε και εναλλασσόμενο σήμα στην είσοδο του κυκλώματος.
Πώς επιτυγχάνεται (σελ. 8): η συνεχής αυτή τάση (ή τάσεις) πόλωσης καθορίζει και την τιμή των αντιστάσεων μέσω των οποίων επιτυγχάνεται η κατάλληλη πόλωση, εφόσον είναι γνωστά τα ρεύματα. Στην πράξη όμως εργαζόμαστε συνήθως αντίστροφα. Μας δίνονται δηλαδή οι τάσεις των πηγών και οι διαθέσιμες αντιστάσεις και επιζητούμε να βρούμε τα ρεύματα στο κύκλωμα πόλωσης, καθώς και τις τάσεις που επικρατούν ή πρέπει να επικρατούν στις επαφές (διόδους) του τρανζίστορ.
Δηλαδή, πρακτικά, η πόλωση επιτυγχάνεται με | # | Στοιχείο | |---|---| | 1 | μια πηγή συνεχούς τάσης — η VCC | | 2 | αντιστάσεις που κατανέμουν την τάση αυτή στις επαφές — RB (ή RB1, RB2), RC, RE |
Τα βασικά σχήματα πόλωσης του κεφαλαίου | Κύκλωμα | Πώς επιτυγχάνεται | |---|---| | σταθερής πόλωσης CE (Σχ. 1.1, σελ. 8) | μία RB από την VCC στη βάση και μία RC στον συλλέκτη | | με διαιρέτη τάσης (Σχ. 1.7, σελ. 17) | RB1, RB2 σχηματίζουν διαιρέτη που δίνει σταθερή VB, με RE στον εκπομπό | | CE με αντίσταση RE (Σχ. 1.9, σελ. 19) | RB στη βάση και RE στον εκπομπό |
Ο σκοπός: το σημείο ηρεμίας Q (σελ. 8, 11): επιθυμούμε να υπολογίσουμε την τάση που απαιτείται για τη σωστή λειτουργία, καθώς και το σημείο ηρεμίας Q, γύρω από το οποίο πραγματοποιείται η λειτουργία· η τομή της ευθείας φόρτου με τη χαρακτηριστική που αντιστοιχεί στο ρεύμα βάσης, καθορίζει το σημείο ηρεμίας Q.
Οι σχέσεις που υλοποιούν την πόλωση στο CE (σελ. 9-10)
IB = (VCC − VBE)/RB ≅ VCC/RB (1.2.2), (1.2.3) IC ≅ β0·IB (1.2.4) VCE = VCC − IC·RC (1.2.6)
Σύνοψη: (ενδεικτική) Με τον όρο πόλωση, ή bias, εννοούμε την κατάλληλη συνεχή τάση, ή τάσεις, που πρέπει να εφαρμόσουμε στο κύκλωμα ενός ηλεκτρονικού στοιχείου, άρα και ενός τρανζίστορ, ώστε να εξασφαλίσουμε την ομαλή λειτουργία του στο συνεχές, αλλά και στην περίπτωση που θα εφαρμόζαμε εναλλασσόμενο σήμα στην είσοδο του κυκλώματος. Η συνεχής αυτή τάση πόλωσης καθορίζει και την τιμή των αντιστάσεων μέσω των οποίων επιτυγχάνεται η κατάλληλη πόλωση, εφόσον είναι γνωστά τα ρεύματα. Στην πράξη όμως εργαζόμαστε συνήθως αντίστροφα: μας δίνονται οι τάσεις των πηγών και οι διαθέσιμες αντιστάσεις και επιζητούμε να βρούμε τα ρεύματα στο κύκλωμα πόλωσης, καθώς και τις τάσεις που επικρατούν ή πρέπει να επικρατούν στις επαφές, δηλαδή στις διόδους του τρανζίστορ. Πρακτικά λοιπόν η πόλωση επιτυγχάνεται με μια πηγή συνεχούς τάσης, την VCC, και με κατάλληλες αντιστάσεις που κατανέμουν την τάση αυτή, δηλαδή την RB ή τον διαιρέτη RB1 και RB2 στη βάση, την RC στον συλλέκτη και ενδεχομένως την RE στον εκπομπό, με σκοπό τον καθορισμό του σημείου ηρεμίας Q γύρω από το οποίο πραγματοποιείται η λειτουργία.
Κριτήρια αξιολόγησης:
1-2 — Κύκλωμα σταθερής πόλωσης CE
Ερώτηση: 1-2. Να σχεδιάσετε ένα κύκλωμα σταθερής πόλωσης CE.
Απάντηση:
-
Το ζητούμενο είναι το κύκλωμα του Σχ. 1.1 (σελ. 8): «Κύκλωμα σταθερής πόλωσης σε συνδεσμολογία CE».
Το σχέδιο (τρανζίστορ NPN)
+VCC ┌──────────┴──────────┐ │ │ ┌┴┐ RB ┌┴┐ RC │ │ │ │ └┬┘ └┬┘ │ IB IC ↓ │ │ ├───── έξοδος (VCE) │ ┌────────┐ │ └──────┤ B C ├─────┘ │ NPN │ VBE │ E │ └────┬───┘ │ IE ───┴─── ΓΗΤα στοιχεία του κυκλώματος | Στοιχείο | Ρόλος | |---|---| | VCC | η πηγή συνεχούς τάσης τροφοδοσίας | | RB | από την VCC στη βάση — καθορίζει το σταθερό ρεύμα ΙΒ (εξ ου και «σταθερή πόλωση») | | RC | από την VCC στον συλλέκτη — αντίσταση φόρτου, καθορίζει την VCE | | εκπομπός | γειωμένος — γι' αυτό η συνδεσμολογία λέγεται κοινού εκπομπού (CE) |
Γιατί λέγεται CE (σελ. 8): στη συνδεσμολογία κοινού-εκπομπού (CE), ο εκπομπός είναι κοινός στο κύκλωμα εισόδου και εξόδου. Η ισχύς και για PNP (σελ. 8): το τρανζίστορ είναι τύπου ΝΡΝ αλλά η ανάλυση που ακολουθεί ισχύει και για ΡΝΡ, αρκεί να αντιστρέψουμε τις πολικότητες των τάσεων και τη φορά των ρευμάτων.
Οι εξισώσεις που το περιγράφουν (σελ. 9-10)
Είσοδος (ΝΤΚ): VCC − IB·RB − VBE = 0 (1.2.1) IB = (VCC − VBE)/RB ≅ VCC/RB (1.2.2), (1.2.3) Έξοδος: IC ≅ β0·IB (1.2.4) VCC − IC·RC − VCE = 0 (1.2.5) VCE = VCC − IC·RC (1.2.6)Το αριθμητικό παράδειγμα 1-1 (σελ. 15-16, με VCC = 12 V, RB = 250 KΩ, RC = 2,1 KΩ, β0 = 50):
α) IB = VCC/RB = 12/250 = 48 μΑ β) IC = β0·IB = 50 × 48 μΑ = 2.4 mA γ) VCE = VCC − IC·RC = 12 − 2.4 × 2.1 = 12 − 5 = 7 VΤο μειονέκτημά του (σελ. 13): υπάρχουν όμως δυσκολίες στο να διατηρείται η πόλωση σταθερή, π.χ. να παραμείνει αμετάβλητο το σημείο ηρεμίας Q. Αυτό οφείλεται στο ότι το IC μεταβάλλεται με τη θερμοκρασία — και επιπλέον το IC εξαρτάται άμεσα από το β0, που διαφέρει από τρανζίστορ σε τρανζίστορ.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Το κύκλωμα σταθερής πόλωσης σε συνδεσμολογία κοινού εκπομπού αποτελείται από ένα τρανζίστορ, συνήθως τύπου NPN, με τον εκπομπό γειωμένο, ώστε να είναι κοινός στο κύκλωμα εισόδου και εξόδου. Από τη θετική πηγή τροφοδοσίας VCC ξεκινούν δύο κλάδοι: ο πρώτος, μέσω της αντίστασης RB, καταλήγει στη βάση και καθορίζει το σταθερό ρεύμα βάσης ΙΒ, από όπου προκύπτει και η ονομασία σταθερή πόλωση· ο δεύτερος, μέσω της αντίστασης φόρτου RC, καταλήγει στον συλλέκτη, από τον οποίο λαμβάνεται και η έξοδος. Η ανάλυση ισχύει και για τρανζίστορ PNP, αρκεί να αντιστραφούν οι πολικότητες των τάσεων και η φορά των ρευμάτων. Το κύκλωμα περιγράφεται από τις σχέσεις: ρεύμα βάσης ίσον VCC μείον VBE διά RB, προσεγγιστικά VCC διά RB· ρεύμα συλλέκτη ίσον β0 επί ΙΒ· και τάση συλλέκτη-εκπομπού ίσον VCC μείον IC επί RC. Το βασικό του μειονέκτημα είναι ότι το σημείο ηρεμίας δεν παραμένει σταθερό, γιατί το ρεύμα συλλέκτη εξαρτάται άμεσα από το β0 και μεταβάλλεται με τη θερμοκρασία.
Κριτήρια αξιολόγησης:
1-3 — Κύκλωμα πόλωσης ανεξάρτητο του β0
Ερώτηση: 1-3. Να σχεδιάσετε ένα κύκλωμα πόλωσης ανεξάρτητο του β0 του τρανζίστορ.
Απάντηση:
-
Το ζητούμενο είναι το κύκλωμα του Σχ. 1.7 (σελ. 17): «Κύκλωμα πόλωσης ανεξάρτητο του β0 (συνδεσμολογίας CE)» — το γνωστό κύκλωμα με διαιρέτη τάσης.
Το σχέδιο
+VCC ┌─────────────┴─────────────┐ │ │ ┌┴┐ RB1 ┌┴┐ RC │ │ ↓ I1 │ │ └┬┘ └┬┘ C1 │ VB │ IC ↓ Ui ──┤├─────┼──────┐ ├────┤├──── U0 │ │ ┌────────┐ │ C2 ┌┴┐ └──┤ B C ├────────┘ │ │ RB2 │ NPN │ └┬┘ ↓ I2 │ E │ │ └────┬───┘ │ │ IE │ ┌┴┐ RE ┌───┤├──┐ Ce │ │ ├─────────┤ │ │ └┬┘ └───────┘ └──────────────┴──────────────────┘ ───┬─── ΓΗΤα στοιχεία | Στοιχείο | Ρόλος (σελ. 18) | |---|---| | RB1, RB2 | σχηματίζουν διαιρέτη τάσης — η τάση της βάσης VB ρυθμίζεται από την RB2 | | RE | το ρεύμα συλλέκτη IC ρυθμίζεται από την RE | | RC | η τάση συλλέκτη-εκπομπού ρυθμίζεται από την RC | | Ce | αποτελεί ενεργό μέρος του κυκλώματος μόνο όταν το κύκλωμα εργάζεται ως ενισχυτής… Ωστόσο, η παρουσία του δεν μεταβάλλει τις συνθήκες πόλωσης |
Οι εξισώσεις (σελ. 17-18)
VB = RB2/(RB1 + RB2) · VCC (1.3.1) VE = IE·RE = VB − VBE (1.3.2) IE = VE/RE = (VB − VBE)/RE (1.3.3) IC ≅ IE (επειδή IB ≅ 0) (1.3.4) VRc = IC·RC (1.3.5) VC = VCC − IC·RC (1.3.6) VCE = VC − VE (1.3.7) Vce ≅ VCC − IC(RC + RE) (1.3.8)Γιατί είναι ανεξάρτητο του β0 (σελ. 18): 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 VBE ≅ 0.3 V (Ge) και VBE ≅ 0.7 V (Si).
Γιατί χρειάζεται (σελ. 16-17): το β0 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· τρανζίστορ με τον ίδιο αριθμό καταχώρησης μπορεί να έχουν β0 από 125-300 στην ίδια θερμοκρασία.
Το αριθμητικό παράδειγμα 1-2 (σελ. 18-19, VCC = 22 V, RB1 = 40 KΩ, RB2 = 4 KΩ, RC = 10 KΩ, RE = 1,5 KΩ, τρανζίστορ Si):
α) VB = 4/(40 + 4) · 22 = 2 V β) VE = VB − VBE = 2 − 0.7 = 1.3 V γ) IE ≅ IC = VE/RE = 1.3/1.5 ≅ 0.87 mA δ) VC = VCC − IC·RC = 22 − 0.87 × 10 = 13.3 V ε) VCE = VC − VE = 13.3 − 1.3 = 12 VΗ ονομασία (σελ. 18): το κύκλωμα που περιγράψαμε λέγεται και κύκλωμα πόλωσης με διαιρέτη τάσης είναι και το πιο συνηθισμένο στις πρακτικές εφαρμογές.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Το ζητούμενο κύκλωμα είναι η πόλωση με διαιρέτη τάσης. Δύο αντιστάσεις, η RB1 και η RB2, συνδέονται σε σειρά μεταξύ της VCC και της γης και σχηματίζουν διαιρέτη τάσης, του οποίου το μεσαίο σημείο τροφοδοτεί τη βάση με σταθερή τάση VB· ο συλλέκτης συνδέεται στην VCC μέσω της RC και ο εκπομπός γειώνεται μέσω της αντίστασης RE, παράλληλα στην οποία τοποθετείται ο πυκνωτής Ce. Οι σχέσεις που το περιγράφουν είναι: VB ίσον RB2 προς το άθροισμα RB1 συν RB2 επί VCC· VE ίσον VB μείον VBE· IE ίσον VE διά RE, με IC περίπου ίσο με IE αφού το ΙΒ είναι πρακτικά μηδέν· VC ίσον VCC μείον IC επί RC· και τέλος VCE ίσον VC μείον VE. Σε όλη αυτή την ανάλυση δεν χρησιμοποιείται πουθενά το β0, και γι' αυτό το κύκλωμα είναι στην πράξη ανεξάρτητο τόσο του β0 όσο και των μεταβολών της θερμοκρασίας: η τάση βάσης καθορίζεται μόνο από τις RB1, RB2 και VCC, ενώ η τάση εκπομπού παραμένει σταθερή, αφού VB πολύ μεγαλύτερη της VBE. Πρακτικά, η VB ρυθμίζεται από την RB2, το IC από την RE και η VCE από την RC.
Κριτήρια αξιολόγησης:
1-4 — Χάραξη ευθείας φόρτου
Ερώτηση: 1-4. Να θεωρήσετε ως γνωστά, όσα μεγέθη σας χρειάζονται και να χαράξετε μια ευθεία φόρτου πάνω στις χαρακτηριστικές συλλέκτη ενός τυπικού τρανζίστορ.
Απάντηση:
-
Τα μεγέθη που χρειάζονται: η τάση τροφοδοσίας VCC και η αντίσταση συλλέκτη RC. Θεωρούμε, όπως και το βιβλίο στο Σχ. 1.10 (σελ. 20-21): VCC = 20 V και RC = 2 kΩ.
Η εξίσωση (σελ. 11): από την Εξ. (1.2.6), λύνοντας ως προς IC:
IC = −VCE/RC + VCC/RC (1.2.7)Η εξίσωση αυτή, σε διάγραμμα με άξονες VCE → x και IC → y, είναι γραμμική σχέση της μορφής y = mx + λ και συνεπώς παριστάνει μια ευθεία γραμμή. Η ευθεία αυτή ονομάζεται ευθεία φόρτου στο συνεχές (dc ευθεία φόρτου) — με κλίση m = −1/RC.
Τα δύο σημεία (σελ. 11): σαν τέτοια σημεία λαμβάνουμε συνήθως τα σημεία τομής της με τους άξονες | Σημείο | Συνθήκη | Τιμή για VCC = 20 V, RC = 2 kΩ | |---|---|---| | Α (στον άξονα VCE) | IC = 0 και VCE = VCC | VCE = 20 V | | Β (στον άξονα IC) | VCE = 0 άρα IC = VCC/RC | IC = 20/2 = 10 mA |
Η χάραξη
IC (mA) 10 ┤●B (VCE=0, IC=VCC/RC=10 mA) │╲ 8 ┤ ╲ ──── IB = 50 μA │ ╲ ──── IB = 40 μA 6 ┤ ╲ ──── IB = 30 μA │ ╲ ● Q ──── IB = 20 μA 4 ┤ ╲ ──── IB = 10 μA │ ╲ ευθεία φόρτου 2 ┤ ╲ ──── IB = 0 │ ╲ 0 └─────────●A───────────────────► VCE (V) 0 5 10 15 20 = VCCΤο βήμα προς βήμα | # | Ενέργεια | |---|---| | 1 | σχεδιάζουμε τους άξονες VCE (οριζόντιος) και IC (κατακόρυφος) και τις χαρακτηριστικές εξόδου του τρανζίστορ για διάφορες τιμές του ΙΒ | | 2 | σημειώνουμε το σημείο Α: (VCE = VCC, IC = 0) | | 3 | σημειώνουμε το σημείο Β: (VCE = 0, IC = VCC/RC) | | 4 | ενώνουμε τα Α και Β — αυτή είναι η ευθεία φόρτου στο συνεχές |
Εναλλακτικά (σελ. 11): πρέπει να προσδιορίσουμε δυο σημεία της ή ένα σημείο και την κλίση της, που είναι ίση με m = −1/RC.
Η επαλήθευση από το βιβλίο (Παράδειγμα, σελ. 25-26, με VCC = 15 V, RC = 3 kΩ): το ένα έχει συντεταγμένες: IC = 0, VCE = VCC = 15 V· και το άλλο, VCE = 0, IC = VCC/RC = 15/3 = 5 mA. Η ευθεία που ενώνει τα σημεία αυτά… αποτελεί την ευθεία φόρτου στο συνεχές, για το κύκλωμα που δόθηκε.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Για τη χάραξη της ευθείας φόρτου θεωρούμε γνωστά την τάση τροφοδοσίας VCC και την αντίσταση συλλέκτη RC — έστω, όπως στο βιβλίο, VCC ίση με είκοσι βολτ και RC ίση με δύο κιλοόμ. Λύνοντας τη σχέση VCE ίσον VCC μείον IC επί RC ως προς το ρεύμα συλλέκτη, παίρνουμε IC ίσον μείον VCE διά RC συν VCC διά RC, η οποία σε διάγραμμα με άξονες την VCE στον οριζόντιο και το IC στον κατακόρυφο είναι γραμμική σχέση της μορφής ψ ίσον μ επί χι συν λάμδα, και συνεπώς παριστάνει ευθεία γραμμή με κλίση μείον ένα διά RC. Για τη χάραξή της αρκεί να προσδιορίσουμε δύο σημεία της, και ως τέτοια λαμβάνουμε συνήθως τα σημεία τομής της με τους άξονες. Για το πρώτο σημείο θέτουμε IC ίσο με μηδέν, οπότε VCE ίσο με VCC, δηλαδή είκοσι βολτ. Για το δεύτερο θέτουμε VCE ίσο με μηδέν, οπότε IC ίσο με VCC διά RC, δηλαδή δέκα χιλιοστοαμπέρ. Ενώνοντας τα δύο αυτά σημεία πάνω στο διάγραμμα των χαρακτηριστικών εξόδου του τρανζίστορ, χαράσσουμε την ευθεία φόρτου στο συνεχές.
Κριτήρια αξιολόγησης:
1-5 — Προσδιορισμός του σημείου ηρεμίας Q
Ερώτηση: 1-5. Με βάση την προηγούμενη ερώτηση, να προσδιορίσετε το κατάλληλο σημείο ηρεμίας Q για τη σωστή λειτουργία του τρανζίστορ.
Απάντηση:
-
Ο ορισμός του Q (σελ. 21): το σημείο ηρεμίας Q… ορίζεται ως το κεντρικό σημείο γύρω από το οποίο επιτελείται η λειτουργία του ενισχυτή. Πώς βρίσκεται (σελ. 11): για την εύρεση του Q απαιτείται η γνώση της τιμής του ΙΒ. Η τιμή του δίνεται από την Εξ.(1.2.3)… Η τομή της ευθείας φόρτου με τη χαρακτηριστική που αντιστοιχεί στο ρεύμα βάσης, καθορίζει το σημείο ηρεμίας Q.
Το κριτήριο του «κατάλληλου» Q (σελ. 21): 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: IB ≅ VCC/RB ≅ 30 μΑ.
Η διαδικασία, με τα δεδομένα της προηγούμενης ερώτησης (VCC = 20 V, RC = 2 kΩ) | # | Βήμα | Υπολογισμός | |---|---|---| | 1 | βρίσκουμε τα άκρα της ευθείας φόρτου | VCE = VCC = 20 V και IC = VCC/RC = 10 mA | | 2 | ζητάμε το μέσο της | VCEQ ≅ VCC/2 = 10 V και ICQ ≅ VCC/(2RC) = 5 mA | | 3 | βρίσκουμε ποια χαρακτηριστική ΙΒ περνά από εκεί | από IC ≅ β0·ΙΒ → ΙΒQ = ICQ/β0· στο βιβλίο ΙΒ = 30 μΑ | | 4 | επιλέγουμε την RB που δίνει αυτό το ΙΒ | RB ≅ VCC/IB = 20/30 μΑ ≅ 667 kΩ | | 5 | το Q είναι η τομή της ευθείας φόρτου με τη χαρακτηριστική ΙΒ = 30 μΑ | |
IC (mA) 10 ┤● │╲ 8 ┤ ╲ ──── IB = 50 μA │ ╲ ──── IB = 40 μA 6 ┤ ╲ ──── IB = 30 μA │ ╲●Q ← ICQ ≅ 5 mA 4 ┤ ╲ ──── IB = 20 μA │ ╲ 2 ┤ ╲ ──── IB = 10 μA │ ╲ 0 └────────┴●─────────────────► VCE (V) 0 5 10 15 20 VCEQ ≅ 10 VΟι δύο περιορισμοί που δεν πρέπει να παραβιαστούν | Περιορισμός | Σχέση (σελ. 12) | |---|---| | να μην πλησιάζει τον κόρο | VCE > 0,5 V, οπότε και lC < lCS = VCC/RC (1.2.10) | | να μην πλησιάζει την αποκοπή | το ΙΒ να μην τείνει στο μηδέν — το ρεύμα αποκοπής θα είναι κατ' απόλυτη τιμή ίσο με το ICO (σελ. 13) |
Ο συμβολισμός (σελ. 21): η 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.
Γιατί το μέσο (σελ. 22): 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 — δηλαδή έχουμε το μέγιστο δυνατό συμμετρικό εύρος σήματος χωρίς ψαλιδισμό.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Το σημείο ηρεμίας Q ορίζεται ως το κεντρικό σημείο γύρω από το οποίο επιτελείται η λειτουργία του ενισχυτή, και βρίσκεται ως η τομή της ευθείας φόρτου με τη χαρακτηριστική καμπύλη που αντιστοιχεί στο ρεύμα βάσης ΙΒ. Για να έχουμε άριστες συνθήκες λειτουργίας, το Q πρέπει να βρίσκεται στο μέσο περίπου της ευθείας φόρτου, οπότε πρέπει να επιλέξουμε κατάλληλα την RB. Με τα δεδομένα της προηγούμενης ερώτησης, δηλαδή VCC είκοσι βολτ και RC δύο κιλοόμ, η ευθεία φόρτου εκτείνεται από τα είκοσι βολτ στον άξονα της VCE έως τα δέκα χιλιοστοαμπέρ στον άξονα του IC, οπότε το μέσο της αντιστοιχεί σε τάση ηρεμίας VCEQ περίπου δέκα βολτ και ρεύμα ηρεμίας ICQ περίπου πέντε χιλιοστοαμπέρ· η χαρακτηριστική που περνά από εκεί αντιστοιχεί, σύμφωνα με το βιβλίο, σε ρεύμα βάσης τριάντα μικροαμπέρ, το οποίο επιτυγχάνεται επιλέγοντας την RB από τη σχέση ΙΒ ίσον VCC διά RB. Η επιλογή αυτή εξασφαλίζει το μέγιστο δυνατό συμμετρικό εύρος σήματος, αφού οι διακυμάνσεις της VCE δεν θα υπερβαίνουν ούτε την VCC ούτε την τάση κόρου, ενώ πρέπει πάντοτε να τηρείται και ο περιορισμός VCE μεγαλύτερη από μισό βολτ.
Κριτήρια αξιολόγησης:
1-6 — Το σημείο Q και η παραμόρφωση
Ερώτηση: 1-6. Να εξηγήσετε τον τρόπο με τον οποίο η θέση του σημείου ηρεμίας Q σχετίζεται με την παραμόρφωση.
Απάντηση:
-
Τι είναι η παραμόρφωση (σελ. 20): στην πράξη, η παραμόρφωση σημαίνει τη μη πιστή απόδοση της κυματομορφής του σήματος εισόδου στην έξοδο μιας βαθμίδας, π.χ ενός ενισχυτή. Η βασική απαίτηση (σελ. 21): 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.
Οι τρεις περιπτώσεις | Θέση του Q | Τι συμβαίνει | |---|---| | στο μέσο της ευθείας φόρτου | 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 IC γύρω από το σταθερό ICQ δε θα υπερβαίνουν την ελάχιστη τιμή IC ≅ 0 και τη μεγίστη τιμή IC ≅ VCC/RC… η τάση εξόδου θα αποτελεί πιστή απόδοση του σήματος της τάσης εισόδου. Επομένως, το σήμα της τάσης εξόδου θα είναι απαλλαγμένο παραμόρφωσης (σελ. 22) | | κοντά στην αποκοπή (Σχ. 1.11, σελ. 22-23) | 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 | | κοντά στον κόρο (Σχ. 1.12, σελ. 23) | κάθε τάση μικρότερη της VCE = VCES ≅ 0 θα αποκόπτεται (ψαλιδίζεται). Επομένως, σε όλη τη χρονική αυτή διάρκεια… 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 |
Η γραφική εικόνα
ΚΑΛΟ Q (μέσο) Q ΚΟΝΤΑ ΣΤΗΝ ΑΠΟΚΟΠΗ Q ΚΟΝΤΑ ΣΤΟΝ ΚΟΡΟ ╭─╮ ╭─╮ ╭─╮ ╭─╮ ▔▔▔ ▔▔▔ ψαλιδισμός ╭╯ ╰──╯ ╰─ ╯ ╰──╯ ╰─ ╰─╮ ╭─╯ πλήρες ημίτονο ▁▁▁▁ ψαλιδισμός ╰──╯Ο δεύτερος λόγος παραμόρφωσης — το μεγάλο IC (σελ. 12): στην περίπτωση που το κύκλωμα εργάζεται ως ενισχυτής, όταν το IC είναι πολύ μεγάλο, δεν έχουμε πιστή αναπαραγωγή του σήματος εισόδου στην έξοδο. Δηλαδή, έχουμε παραμόρφωση του σήματος στην έξοδο. Αυτό οφείλεται κυρίως στο ότι το κύκλωμα εργάζεται στα μη γραμμικά τμήματα των χαρακτηριστικών καμπυλών. Ο ποσοτικός κανόνας (σελ. 12): για τη βέλτιστη λοιπόν λειτουργία, δηλ. για να έχουμε γραμμική περιοχή, θα πρέπει να ισχύει με προσέγγιση: VCE > 0,5 V, οπότε και lC < lCS = VCC/RC (1.2.10).
Η σύνδεση με τη θερμοκρασία (σελ. 15, 22): το Q μπορεί να μετακινηθεί προς τα κάτω λόγω μεταβολής των αρχικών συνθηκών πόλωσης, και όντως το σημείο ηρεμίας Q μετατοπίσθηκε πάνω στην ευθεία φόρτου προς μεγαλύτερες τιμές του IC και μάλιστα στους 100° C βρίσκεται κοντά στην περιοχή κόρου — γι' αυτό ακριβώς χρειάζεται η θερμική σταθεροποίηση και το κύκλωμα με διαιρέτη τάσης.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Η παραμόρφωση σημαίνει τη μη πιστή απόδοση της κυματομορφής του σήματος εισόδου στην έξοδο μιας βαθμίδας, και για να αποφευχθεί πρέπει οι αρχικές συνθήκες πόλωσης να διατηρούνται σχεδόν αμετάβλητες καθ' όλη τη διάρκεια λειτουργίας. Όταν το σημείο ηρεμίας Q έχει επιλεγεί στο μέσο περίπου της ευθείας φόρτου και το σήμα εισόδου είναι μικρό, οι διακυμάνσεις της VCE δεν υπερβαίνουν ούτε τη μέγιστη τιμή, δηλαδή την VCC, ούτε την ελάχιστη, δηλαδή την τάση κόρου, και αντίστοιχα οι διακυμάνσεις του IC μένουν μεταξύ του μηδενός και του VCC διά RC· έτσι η τάση εξόδου αποτελεί πιστή απόδοση του σήματος εισόδου και είναι απαλλαγμένη παραμόρφωσης. Αν όμως το Q τοποθετηθεί κοντά στην περιοχή αποκοπής, τότε για σήματα μεγάλου πλάτους κάθε στιγμιαία τιμή της VCE μεγαλύτερη της VCC ψαλιδίζεται και το ρεύμα εξόδου διατηρείται περίπου μηδέν. Αντίστροφα, αν το Q τοποθετηθεί κοντά στην περιοχή κόρου, κάθε τάση μικρότερη της τάσης κόρου ψαλιδίζεται και το ρεύμα εξόδου ψαλιδίζεται στη στάθμη VCC διά RC. Για γραμμική λειτουργία πρέπει επομένως να ισχύει προσεγγιστικά VCE μεγαλύτερη από μισό βολτ και IC μικρότερο του ρεύματος κόρου.
Κριτήρια αξιολόγησης:
