Circuite de polarizare

Circuite de polarizare

Circuitul de polarizare este un circuit electric de c.c., care permite fixarea punctului static de functionare al tranzistorului bipolar ín regiunea activa normala a caracteristicilor statice si care contribuie la mentinerea acestuia. Aceasta problema este importanta ín practica, deoarece caracteristicile statice, ca si parametrii statici ai tranzistorului, au o mare dispersie de

fabricatie si, ín plus, depind puternic de temperatura.

Fig. 1. Zona permisa pentru plasarea p.s.f. ín RAN

Pentru toate circuitele cu tranzistoare bipolare, p.s.f. al dispozitivului trebuie sa se gaseasca ín interiorul ariei de functionare in siguranta (AFS). Ín aplicatii de tipul amplificatoarelor liniare, al stabilizatoarelor liniare de tensiune continua sau al surselor de curent, p.s.f. al tranzistorului bipolar va fi plasat íntotdeauna ín regiunea activa normala. Zona permisa pentru plasarea p.s.f. ín regiunea activa normala (RAN), inclusa ín regiunea definita ca arie de functionare in siguranta, va fi delimitata de curba si de caracteristica (fig. 1).

P.s.f. al tranzistorului bipolar trebuie mentinut íntr-o pozitie aproape fixa, ín pofida dispersiei caracteristicilor statice si a parametrilor statici ai tranzistorului bipolar, ca si a variatiilor acestora cu temperatura. Prin urmare, circuitul de polarizare trebuie sa asigure pozitia impusa a p.s.f. si, ín acelasi timp, stabilizarea p.s.f., functie care permite exercitarea unui control asupra parametrilor dinamici si asupra puterii disipate de tranzistor.

Stabilizarea p.s.f. ín raport cu conditiile de functionare este asigurata ín:

- circuitele liniare de polarizare, prin utilizarea unei reactii negative ín c.c., dupa curentul de iesire al tranzistorului sau dupa tensiunea de iesire a acestuia;

- circuitele neliniare de polarizare, prin alimentarea tranzistorului la curent constant.

Ín vederea compararii diferitelor circuite de polarizare, din punctul de vedere al stabilizarii p.s.f., se studiaza sensibilitatea marimilor electrice, care caracterizeaza p.s.f. De regula, se analizeaza modificarea curentului si a tensiunii de iesire ( si , pentru conexiunea EC, si , pentru conexiunea BC, si , pentru conexiunea CC), provocata de variatiile principalilor parametri statici ai tranzistorului bipolar si ale altor elemente de circuit. Curentul de colector al unui tranzistor bipolar ín regim activ normal, cu p.s.f. Q fixat cu ajutorul unui circuit de polarizare, depinde atät de parametrii statici ai tranzistorului bipolar, cät si de elementele de circuit (tensiuni continue de alimentare, rezistente), fiind o functie de forma

(1)

Ín cele ce urmeaza, vor fi analizate cäteva dintre cele mai utilizate circuite de polarizare, cum ar fi: circuitele cu rezistenta ín emitor, circuitul cu rezistenta íntre colector si baza, circuitele de polarizare cu surse de curent. Din punctul de vedere al stabilizarii p.s.f., valorile factorilor de sensibilitate ai curentului de colector reprezinta principalul criteriu de comparare al acestor circuite.

1.1. Circuite de polarizare, cu rezistenta ín emitor

Se considera configuratia circuitului de amplificare, realizat cu un tranzistor ín conexiune EC, din fig. 2a. Circuitul de polarizare, constituit din elementele de circuit si si sursa de tensiune continua (fig. 2b), trebuie sa asigure un p.s.f. corespunzator regimului activ normal al tranzistorului bipolar si stabilizarea acestuia. Configuratia cu rezistenta ín emitor este denumita si circuit cu autopolarizare, íntrucät tensiunile de polarizare ale celor doua jonctiuni se stabilesc prin intermediul curentului de emitor al tranzistorului bipolar.

Marimile electrice ( ) ce caracterizeaza p.s.f. Q al tranzistorului bipolar, fixat ín regiunea activa normala a caracteristicilor statice de iesire, satisfac ecuatiile:

(2)

(3)

(4)

(5)

Utilizänd o singura sursa de tensiune continua, circuitul asigura polarizarea corecta a celor doua jonctiuni ale tranzistorului (tensiunile si si de valori impuse), precum si mentinerea p.s.f. íntr-o vecinatate mica a pozitiei initiale. Se presupune ca (curent de iesire, ín conexiunea EC) a suferit o variatie, dintr-o cauza oarecare. Daca aceasta variatie este ín sensul cresterii curentului de colector, va creste si curentul de emitor si, respectiv, caderea de tensiune de la bornele rezistentei . Din ecuatia (2), rezulta ca tensiunea baza-emitor si curentul de baza (marimi de intrare, ín conexiunea EC) trebuie sa scada, íntrucät tensiunea este constanta. Scaderea marimilor de intrare conduce la scaderea curentului de colector, päna la valoarea avuta ínainte de aparitia perturbatiei. Ín concluzie, acest circuit stabilizeaza functionarea tranzistorului bipolar ín regim static si acest lucru se datoreaza reactiei negative dupa curentul de colector (curent de iesire), introdusa prin rezistenta din emitor. Dupa cum poate fi observat din fig. 2c, rezistenta apartine

circuitelor de intrare si de iesire ale tranzistorului bipolar ín conexiune EC.

Fig. 2. Circuit de amplificare, realizat cu TB ín conexiune EC: a. schema de principiu; b. circuitul de polarizare, cu rezistenta ín emitor; c. circuitul de reactie

Pentru efectuarea unei analize cantitative a stabilizarii p.s.f., trebuie calculati factorii de sensibilitate ai curentului de colector: si . Rezolvänd ecuatia (2) ín raport cu si introducänd, apoi, solutia ín (4), se obtine expresia generala a curentului , corespunzatoare functionarii tranzistorului bipolar ín regim activ normal si configuratiei circuitului de polarizare din fig. 2b, de forma

(6)

S-a obtinut, astfel, curentul de colector al tranzistorului bipolar ín regim activ normal, ín functie de parametrii statici ai tranzistorului si de elementele circuitului de polarizare. Din (6), se observa ca este o functie liniara de parametrii statici si , fapt ce permite calculul direct al factorilor de sensibilitate si , ca derivate partiale ale functiei

(7)

(8)

Pentru calculul factorului , va fi folosita relatia de definitie (29), adica

(9)

Admitänd ca tranzistorul bipolar are un factor static de amplificare foarte mare, , expresia curentului de colector devine

(10)

cu

(11)

Ín conditiile definitiei (9), tensiunea este constanta.

Se considera, acum, doua valori ale factorului static de amplificare ín curent (pentru doua temperaturi diferite sau pentru doua tranzistoare diferite), si, respectiv, , carora le corespund curentii de colector si, respectiv,

(12)

(13)

Cu acestea, cel de-al treilea factor de sensibilitate al curentului de colector se obtine ca

(14)

Daca sunt cunoscute variatiile curentului rezidual , tensiunii si factorului , poate fi estimata variatia curentului de colector, respectiv a tensiunii colector-emitor:

(15)

(16)

Pentru reducerea sensibilitatii p.s.f. la variatia temperaturii si la dispersia de fabricatie, este necesar ca, prin proiectarea circuitului de polarizare, factorii de sensibilitate ai curentului de colector sa aiba valori cät mai reduse. Se considera ca circuitul asigura o stabilizare satisfacatoare a p.s.f., daca , iar

Daca tranzistorul bipolar are un factor static de amplificare foarte mare, , si, ín plus, , expresia (6) a curentului de colector se reduce la

(17)

Ín aceste conditii, a devenit independent de factorul , iar factorii de sensibilitate sunt:

(18)

(19)

(20)

Aceste expresii reduse ale factorilor si evidentiaza directiile ín care s-ar putea actiona pentru reducerea sensibilitatii curentului de colector, ín cazul acestei configuratii de circuit de polarizare si anume:

- alegerea unui tranzistor cu cät mai mare posibil;

- utilizarea unei rezistente de valoare cät mai mica;

- folosirea unei rezistente de valoare cät mai mare, ceea ce este echivalent cu accentuarea reactiei negative.

Cu toate acestea, rezistentele si nu pot fi alese doar dupa aceste criterii, íntrucät valoarea rezistentei asigura , iar rezistenta este limitata superior de tensiunea disponibila pentru alimentarea circuitului si de performantele amplificatorului. De regula, caderea de tensiune la bornele rezistentei nu depaseste

O varianta a acestui tip de circuit de polarizare este aceea prezentata ín fig. 3b. Circuitul de polarizare este constituit din elementele de circuit si . Fata de configuratia precedenta, ín acest circuit liniar de polarizare, potentialul bazei tranzistorului este fixat prin divizorul rezistiv de tensiune ( ). Mecanismul de stabilizare a p.s.f. se bazeaza pe reactia negativa dupa curentul de colector, introdusa de rezistenta ínseriata cu emitorul tranzistorului bipolar.

Fig. Circuit de amplificare, realizat cu TB ín conexiune EC: a. schema de principiu; b. circuitul de polarizare, cu rezistenta ín emitor si divizor rezistiv ín baza; c. circuit echivalent

Dupa aplicarea teoremei lui Thévenin retelei electrice de la stänga punctelor A si B, se obtine circuitul echivalent din fig. 3c, unde

(21)

si

(22)

Pe acest circuit, pot fi scrise urmatoarele ecuatii íntre curentii si tensiunile tranzistorului bipolar ín regim activ normal:

(23)

(24)

(25)

(26)

Din (23), curentul de baza rezulta de forma

(27)

Dupa introducerea expresiei (27) ín (26), se obtine expresia generala a curentului , corespunzatoare regimului activ normal al tranzistorului bipolar si configuratiei circuitului de polarizare din fig. 3b,

(28)

Urmänd procedura aplicata circuitului de polarizare din fig. 2b, se obtin expresiile celor trei factori de sensibilitate ai curentului de colector:

(29)

(30)

(31)

Cunoscänd variatiile si , provocate de modificarea temperaturii si/sau de dispersia de fabricatie, si folosind relatiile (15) si (16), pot fi estimate variatiile curentului de colector si tensiunii colector-emitor.

Presupunänd cazul unui tranzistor bipolar cu un factor static de amplificare foarte mare () si admitänd ca este índeplinita si conditia , curentul de colector devine independent de factorul , avänd expresia redusa

(32)

Ín aceste conditii, factorii de sensibilitate vor fi de forma:

(33)

(34)

(35)

Comparänd expresiile factorilor de sensibilitate ai curentului de colector, obtinute pentru cele doua configuratii ale circuitului de polarizare, cu rezistenta ín emitor, se constata ca acestea se deosebesc doar prin rezistenta din circuitul bazei. Ín cazul configuratiei cu divizor rezistiv ín baza, rezistenta echivalenta are valori mai mici sau mult mai mici decät rezistenta , ceea ce poate conduce la scaderea substantiala a valorii factorului de sensibilitate ín raport cu . Curentul se alege astfel íncät sa fie asigurata functionarea divizorului de tensiune ín gol: . Ín regim dinamic, amplificatorul din fig. 3a va prezenta o rezistenta de intrare mai mica decät aceea a amplificatorului din fig. 2a.

Circuitele de polarizare, cu rezistenta ín emitor, prezentate pentru tranzistor ín conexiune EC, sunt utilizate si pentru fixarea si stabilizarea p.s.f. al tranzistorului bipolar ín celelalte doua conexiuni. Ín fig. 4a, 5a si 6a, sunt prezentate schemele de principiu ale unor amplificatoare de semnal mic, realizate cu tranzistor ín conexiune BC, respectiv CC. Pentru conexiunea CC, sunt date ambele variante ale circuitului de polarizare. Simpla inspectie vizuala a acestor circuite de polarizare arata ca mecanismul de stabilizare a p.s.f. este acelasi, iar pentru cei trei factori de sensibilitate ( si ), vor fi regasite expresiile deduse ín cazul ín care acelasi circuit a fost folosit pentru tranzistorul bipolar ín conexiune EC.

Pentru circuitul de polarizare din fig. 4b, pe circuitul echivalent desenat ín fig. 4c, pot fi scrise ecuatiile:

(36)

(37)

(38)

(39)

Se regaseste expresia (28) a curentului de colector, din care se deduc expresiile factorilor de sensibilitate: (29) ¸ (31), respectiv (33) ¸

Fig. 4. Circuit de amplificare, realizat cu TB ín conexiune BC: a. schema de principiu; b. circuitul de polarizare, cu rezistenta ín emitor si divizor rezistiv ín baza; c. circuit echivalent

De asemenea, pentru circuitul de polarizare din fig. 5b, pe circuitul echivalent desenat ín fig. 5c, pot fi scrise ecuatiile:

(40)

(41)

(42)

(43)

Din nou, pentru curentul de colector, este regasita expresia (28), din care se obtin expresiile factorilor de sensibilitate: (29) ¸ (31), respectiv (33) ¸

Fig. Circuit de amplificare, realizat cu TB ín conexiune CC: a. schema de principiu; b. circuitul de polarizare, cu rezistenta ín emitor si divizor rezistiv ín baza; c. circuit echivalent

Fig. 6. Circuit de amplificare, realizat cu TB ín conexiune CC: a. schema de principiu; 

b. circuitul de polarizare, cu rezistenta ín emitor

Pentru circuitul de polarizare din fig. 6b, pot fi scrise ecuatiile:

(44)

(45)

(46)

(47)

Pentru curentul de colector, este regasita expresia (6), din care se obtin expresiile factorilor de sensibilitate: (7), (8), (14), respectiv (18) ¸