диоды и транзисторы, рабочая точка

[goldov]

Здравствуйте,

 

1) извините, что отвлекся от темы.

2) я разобрался с работой диода - в терминах схемотехники (а не физики твердого тела, пока) - познакомился с p-n переходом, его выпрямляющими свойствами, нелинейной зависимостью I(U) (тока от напряжения), в интернете также нашел сайт объясняющий работу диодного моста (с 4-мя и с 6-ью диодами). а также немного запрыгнул в цифровую электронику - познакомился с работой простых логических схем И, ИЛИ на основе использования диода(ов).

с диодом вроде бы понятно.

3) с теорией биполярного транзистора (проникновение-инжекция электронов и дырок в системе эмиттер-база-коллектор) в настоящее время знакомлюсь по книге И.П.Степанова.

4) также немного забежал вперед - хотел познакомиться с темой "Выбор рабочей точки" - однако пока не понял эту тему: что такое рабочая точка ? зачем и для какой цели она нужна в схемотехнике ? пока не нашел в Интернете (может быть не то искал или просто не обратил внимания) примеров использования рабочей точки для анализа простых схем с использованием биполярного транзистора - то есть как например понятие "рабочая точка" служит для анализа и проектировки радиосхем использующихся для усиления гармонического сигнала (например в схеме с общим эмиттером) ?

5) может быть кто-нибудь на Форуме сможет порекомендовать книгу (или книги) для того чтобы понять что такое "рабочая точка", зачем и каким образом она используется в схемотехнике.

 

Спасибо.

 

[Реклама]

Реклама: ООО ТД Промэлектроника, ИНН: 6659197470, Тел: 8 (800) 1000-321

[Dr. West]

Если не копать  глубоко: транзистор имеет нелинейную характеристику, особенно в начале, поэтому его немного приоткрывают, подавая небольшой постоянный ток в базу, чтобы усиление сигнала происходило без искажений. Это и есть рабочая точка.

[Реклама]

20% скидка на весь каталог электронных компонентов в ТМ Электроникс!

Акция "Лето ближе - цены ниже", успей сделать выгодные покупки!

Плюс весь апрель действует скидка 10% по промокоду APREL24 + 15% кэшбэк и бесплатная доставка!

Перейти на страницу акции

Реклама: ООО ТМ ЭЛЕКТРОНИКС, ИНН: 7806548420, info@tmelectronics.ru, +7(812)4094849

[Vslz]

Я бы немного по-другому сказал: рабочая точка биполярного транзистора - это точка на графике его выходной характеристики, характеризующаяся током и напряжением (оси X и Y). При работе транзистора в усилительном режиме, его рабочая точка перемещается по графику в некотором диапазоне напряжений и токов. Стараются выбрать рабочие ток и напряжение (рабочую точку) в середине линейного участка характеристики - чтобы минимизировать нелинейные искажения.

[Реклама]

Выбираем схему BMS для корректной работы литий-железофосфатных (LiFePO4) аккумуляторов

 Обязательным условием долгой и стабильной работы Li-FePO4-аккумуляторов, в том числе и производства EVE Energy, является применение специализированных BMS-микросхем. Литий-железофосфатные АКБ отличаются такими характеристиками, как высокая многократность циклов заряда-разряда, безопасность, возможность быстрой зарядки, устойчивость к буферному режиму работы и приемлемая стоимость. Но для этих АКБ, также как и для других, очень важен контроль процесса заряда и разряда, а специализированных микросхем для этого вида аккумуляторов не так много. Инженеры КОМПЭЛ подготовили список имеющихся микросхем и возможных решений от разных производителей. Подробнее>>

Реклама: АО КОМПЭЛ, ИНН: 7713005406, ОГРН: 1027700032161

[Гар]

Для высокочастотных транзисторов рабочую точку выбирают по наименьшему уровню шумов.

[goldov]

> "... рабочая точка биполярного транзистора - это точка на графике его выходной характеристики ..."

теперь мне становится понятным, что такое "рабочая точка" - насколько я понял - "чтобы усиление сигнала происходило без искажений" - то есть входной гармонический сигнал (или сумма гармоник - ряд Фурье) остается тоже гармоническим сигналом с той же фазой (или фазо-частотной характеристикой) omega*t + phi0, то есть и omega-частота и начальная фаза сохраняются при усилении малого-слабого входного сигнала в активном режиме транзистора. правильно ли я понимаю суть дела - что такое "рабочая точка" ?

Изменено 27 октября, 2017 пользователем goldov

[Гар]

Сделай дома опыт. Возьми транзистор, лампочку накаливания и батарейку. Собери схему, как показано на рисунке. С помощью переменного резистора найди рабочую точку. Лампа не горит - транзистор закрыт, лампа горит в полный накал - транзистор открыт. Лампа горит в пол накала - это и есть рабочая точка.

[goldov]

Подскажите пожалуйста, какой софт (компьютерную программу) можно использовать для рисования радио-схем и записи (экспорта) рисунка в jpeg или png формат. это нужно мне для обсуждения и демонстрации схем на Форуме, чтобы яснее излагать свои мысли-идеи.

у меня на компьютере стоит Windows 7 (64-bit, x64). Corel Draw нет. вместо Adobe Photoshop использую Gimp.

я пробовал загрузить из Интернета и установить Electronics Workbench, но он не работает корректно - во время рисования на экране получаются черные полосы.

 

итак, что такое "рабочая точка" транзистора (для примера-наглядности используем схему с ОЭ) и как она выбирается (точнее подбирается) -

 

1) это фактически (то есть, имеющее место на самом деле, то есть в реальности) постоянные (!) ток и напряжение на коллекторе относительно эмиттера (в данном случае - земли), при отсутствии входного сигнала, изменяющегося во времени (на входе действуют только постоянные ток и напряжение) - это и есть определение "рабочей точки",

2) для определения данной "рабочей точки" (для разных радио-схем она может быть разная, в общем случае) рисуют выходные характеристики транзистора, I_k(U_ke), то есть зависимость тока коллектора от напряжения, полагая, что ток базы постоянен, то есть I_b = const (эти характеристики транзистора нужно выводить аналитически (или численно - в общем случае) используя физику твердого тела и твердотельную электронику), - это микроскопический подход,

3) затем на том же графике (пункт 2)) рисуют график тока коллектора от напряжения на коллекторе относительно эмиттера, I_k (U_ke), исходя уже из радио-схемы (набора резисторов и источников питания), - это макроскопический подход,

4) точка пересечения двух графиков (пункты 2) и 3)) и дает (задает или определяет) так называемую "рабочую точку" транзистора для данной-определенной (!) схемы подключения биполярного транзистора,

5) фактический (то есть который имеет место на самом деле для данной радио-схемы) ток базы определяют похожим образом - точка пересечения двух графиков: а) вычисленного с учетом микроскопического (в общем случае квантовой) подхода - I_b(U_be), и б) вычисленного (или выведенного) аналитически исходя из параметров макроскопической радио-схемы, которые определят работу данного-определенного биполярного транзистора,

6) далее, ... параметры радио-схемы (резисторы и источник(и) питания-напряжения) подбирают таким образом, чтобы "рабочая точка" оказалась (находилась) на линейном участке в плоскости I_k(U_ke) (в случае схемы с ОЭ). понятие "линейный участок" еще также называют "участком насыщения", хотя на самом деле (и в книгах это не объясняется почему-то) - в пределах этого участка ток коллектора I_k растет линейно (хотя и слабо) с ростом напряжения U_ke, а не (!) постоянен, как это рисуется на соответствующих графиках в книгах-учебниках по твердотельной радиоэлектронике.

P.S.: при дальнейшем увеличении тока коллектора (то есть роста напряжения U_ke) в транзисторе происходит необратимый нелинейный лавинообразный пробой - ток коллектора резко возрастает и транзистор выходит из строя, то есть сгорает.

7) "рабочую точку", задают (подбирают) на середине (!) линейного участка графика I_k(U_ke) (для данной схемы с ОЭ), для того чтобы в дальнейшем при подачи слабого (малая амплитуда) входного сигнала (который в общем случае представим (разлагаем) в виде ряда Фурье) данная "рабочая точка" "путешествовала-передвигалась" на плоскости I_k(U_ke) в пределах линейных участков графиков I_k(U_ke), характеризующих транзистор и вычисленных исходя из микроскопического подхода, при различных токов базы (да-да, ток базы будет меняться при подачи входного сигнала (точнее входного напряжения)). "путешествие-передвижение" "рабочей точки" в пределах линейного участка графиков I_k(U_ke, I_b) необходимо для того, чтобы усиленный (по амплитуде) выходной сигнал не исказился по отношению к малому (усиливаемому) входному сигналу - это означает, что если "рабочая точка" попадет в нелинейные участки графиков I_k(U_ke, Ib), то в транзисторе будут происходить нелинейные микроскопические процессы, и это приведет к искажению усиливающегося выходного сигнала (напряжения), то есть фазово-частотные характеристики входного и выходного сигналов (напряжений) будут разными.  

 

P.S.: в учебниках почему-то пункты 1)-7) не объясняются, и это создает трудности для понимания (у новичков и студентов радиотехнических специальностей) понятия-термина "рабочая точка" биполярного транзистора, для чего она нужна и каким образом она подбирается-выбирается.

[Dr. West]

"Де факто" стандартным средством рисования схем является sPlan. Легкий, простой в освоении, символы имеют привычное начертание, в отличии от большинства CAD пакетов. Прога платная, но это не проблема для тех кто умеет пользоваться торрентами.

п6. Немного неверно. Режим насыщения - это когда транзистор открыт на полную и дальше ему открываться некуда, увеличение тока базы уже не приводит к росту тока коллектора. Он теперь зависит только от источника питания и сопротивления нагрузки. Вот здесь понятно изложено.

[Vslz]

Есть ощущение, @goldov , что у вас академические знания . В общем то, все верно.

Еще один важный момент, который нужно понимать в отношении состояния насыщения биполярного транзистора. При насыщении базовая область насыщается избыточными носителями заряда, но быстро их не изгнать. Примерно так же, как в обычном p-n диоде происходит накопление неосновных носителей при прохождении прямого тока. На примере диода этот эффект более - менее понятен: если снять прямой ток, то избыточные заряды не исчезают мгновенно, а существуют ещё сотни-тысячи наносекунд. Если за это время напряжение на диоде успеет смениться на обратное, то "болтающиеся" в базе диода ННЗ, не успевшие рекомбинировать, создадут бросок обратного тока. Это называется током восстановления обратного сопротивления. В биполярном транзисторе медленно рекомбинирующие ННЗ после снятия тока базы, будут поддерживать ток коллектора ещё несколько микросекунд. Это вредный фактор, ухудшающий коммутационные характеристики транзистора,  с ним борются разными методами. В общем случае они сводятся к ускорению рекомбинации накопленного заряда или недопущению попадания транзистора в глубокое насыщение. 

Изменено 28 октября, 2017 пользователем Vslz

[goldov]

Уважаемые @Dr. West и @Vslz,

 

1) спасибо за профессиональные консультации.

2) посмотрел web-сайт sPlan - очень хороший программный пакет для новичков - жалко, что платный, попытаюсь использовать торренты.

3) есть ощущение, что у @Vslz имеется доступ  к коду (компьютерной программе) для моделирования диодов и транзисторов - в принципе ... в принципе ... уравнения должны быть одинаковыми (точнее похожими) на случай лазерно-произведенной плазмы - по-крайней мере численный алгоритм одинаков - это в случае реальной трехмерной (3-dimensional) конструкции. на разработке таких кодов можно получить д.ф.-.м.н. и Академика РАН - это в России, а на Западе - основать свой бизнес (Ltd или GmbH), ну и конечно встать в такой ряд хай-тековских (high tech) компаний как Intel, IBM и Apple - но это (разработку трехмерных кодов) нужно делать самому (!) для большего понимания проблемы и полного контроля получающихся результатов. из своего опыта могу сказать, что в таких делах нельзя (!) просить аспирантов разрабатывать такие коды - потому что в случае использования аспирантов теряется контроль качества компьютерного продукта - аспирант (это еще очень-очень молодой человек - неопытный), нужно также с полным пониманием работать со специализированной литературой (научные профессиональные журналы) на английском языке, и также иметь доступ к книгам и научным профессиональным журналам начиная с XVIII века (старая специализированная литература - на французском, английском и немецком языках) до настоящего времени по различным областям науки и техники, ибо радиоэлектроника (полупроводниковые приборы) это не только классический электромагнетизм, а охватывает многие предметы науки и техники (математика, физика, численные алгоритмы, эксперименты, химия, материалы и т.д.).

 

P.S.: к сожалению в Вузах на радиотехнических специальностях не объясняется, что диоды и транзисторы (биполярные и полевые) являются на самом деле сложными полупроводниковыми приборами с очень богатой физикой.

Изменено 28 октября, 2017 пользователем goldov

[goldov]

Уважаемый @Vslz,

 

> В общем случае они сводятся к ускорению рекомбинации накопленного заряда или ...

 

если Вы владеете информацией (если же, конечно), то можете ли Вы подсказать за счет чего происходит ускорение рекомбинации накопленного заряда ? за счет добавления каких-либо новых примесных атомов в кристаллическую решетку Si или Ge ? либо за счет градиентного распределения примесей в базе транзистора ? или же за счет других факторов ?

почему я спрашиваю - ведь ускорение, или замедление, - вообще говоря скорость (точнее вероятность) рекомбинации определяется волновыми функциями и набором квантовых чисел (да и внешних факторов - например фотоны внешнего лазерного излучения или гамма-радиации (фотонов)) рассматриваемой (моделируемой) кристаллической ячейки, выделенной в решетке всех-различных атомов-ионов, и граничными условиями математической модели кристаллической ячейки. как определяются граничные условия задачи (точнее для определенного реального эксперимента) - это уже делается методом проб и ошибок.

 

Спасибо.