4. Задание рабочей точки биполярного транзистора (бт) в схеме с фиксированным током базы. Основные расчетные соотношения.

Схема с фиксированным током базы.

Режим по постоянному току задается с помощью резисторов Rб, Rк и источника питания Uип (рис. 3.7). Уравнение для входной цепи согласно второму закону Кирхгофа имеет вид

где UБЭ≈(0,6…0,8) В (напряжение на открытом эмиттерном переходе кремниевого БТ), т.е. UБЭ << UИП, поэтому ток в цепи базы IБ≈UИП/RБ не зависит от параметров транзистора, а определяется параметрами входной цепи. Для выходной цепи уравнение по второму закону Кирхгофа имеет вид

С учетом связи IК≈h21Э IБ видно, что внешние элементы, задавая ток покоя базы IБ, тем самым определяют ток покоя коллектора IК.

Рассмотрим принцип работы усилителя на примере простейшей схемы (рис. 3.7). Усиливаемый сигнал U вх подается на базу транзистора через конденсатор C1 большой емкости. Выходной сигнал через конденсатор C2 большой емкости подается на нагрузку с сопротивлением Rн , которой может служить следующий усилительный каскад. На рис.3.8, а представлено семейство выходных ВАХ транзистора, на котором показано положение рабочей точки, соответствующей активному режиму работы БТ. Она лежит на пересечении характеристики, соответствующей току базы IБ=IБО≈ Uип/ RБ, и нагрузочной прямой, которая задается уравнением Iк=( Uип-Uкэ)/Rк . Данная прямая

строится по двум точкам, одна из которых лежит на оси абсцисс (Uкэ=Uип ),

а другая – на оси ординат (Iк=Uип/Rк). Точка А определяет постоянные составляющие коллекторного тока Iко и напряжения Uкэо . На семействе входных характеристик (рис.3.8, б) соответствующая рабочая точка находится на

пересечении прямой IБ= IБО и характеристики, соответствующей напряжению Uкэ= Uкэо.

Пусть на входе действует переменное гармоническое напряжение с низкой частотой и малой амплитудой U вх m. Тогда рабочая точка будет перемещаться вдоль отрезка ВАС, лежащего на одной входной характеристике (рис. 3.8, б), поскольку положение входных характеристик в активном режиме слабо зависит от напряжения Uкэ . На семействе выходных характеристик (рис. 3.8, а) при отсутствии резистора нагрузки рабочая точка будет перемещаться по отрезку нагрузочной прямой, ограниченному точками В и С, которые лежат на характеристиках, соответствующих

Поскольку амплитуды входных и выходных токов и напряжений усилителя связаны соотношениями и

то коэффициент усиления по напряжению

а коэффициент усиления по мощности

Недостатком рассмотренного способа задания рабочей точки является сильное влияние изменения температуры, параметров транзистора, напряжения питания на положение рабочей точки. При увеличении температуры растет величина h21Э, что приводит к увеличению IК, и точка покоя смещается в сторону режима насыщения. Использование в этой схеме транзисторов с параметрами, отличными от принятых при расчете, также приводит к сильному изменению положения рабочей точки. Для температурной стабилизации рабочей точки транзисторов усилительных каскадов используется отрицательная обратная связь по постоянному току или напряжению.

5. Усилительные каскады на пт с общим истоком.

а) с управляющим p-n-переходом

б) со встроенным каналом

О сновными элементами являются: источник питания Uип, транзистор и резистор Rc. Полярность напряжения источника питания определяется типом канала транзистора (для n-типа положительна, для p-типа отрицательно).

Резистор Rз осуществляет гальваническую связь затвора с общей шиной, т.е. обеспечивает в режиме покоя равенство потенциалов затвора и общей шины УК. Поэтому потенциал затвора ниже потенциала истока на величину падения напряжения на Rи от протекания постоянной составляющей тока Iио. В связи с этим напряжение Uзио отрицательное. Источник сигнала подключается ко входу УК через Cp1, а нагрузка через Cp2 к истоку транзистора. Цепочка Rи-Cи обеспечивает стабильное отрицательное напряжение Uзио для режима покоя. Конденсатор Cи устраняет отрицательную обратную связь по переменному току и его сопротивление на самое низкой частоте усиливаемого напряжения должно быть во много раз меньше Rи.

Требуемую величину Rи для заданного тока покоя Iсо определяют с помощью сток-затворной ВАХ транзистора. Рабочая точка в режиме покоя обычно выбирается на середине линейного участка сток-затворной характеристики, что обеспечивает минимальные нелинейные искажения.

С помощью Rи осуществляется стабилизация режима покоя за счёт того, что Rи создаёт последовательную отрицательную обратную связь по постоянному току. Кроме того, при воздействии входного сигнала возникает и отрицательная ОС, которая устраняет Cи. Часто при расчёте Rи принимает относительно большое значение, что приводит к большому значению модуля отрицательного напряжения на затворе. Для обеспечения необходимого режима покоя используют делитель напряжения в цепи затвора (рис б).

Для расчёта параметром представим схему (рис а) эквивалентной.

На средних частотах сопротивление каскада с ОИ однозначно определяется величиной Rз и обычно лежит в пределах нескольких Мом. Выходное сопротивление каскада определяется сопротивлением параллельно соединённых Rl и Rс:

При переходе в область высоких частот необходимо учитывать входную и выходную ёмкости каскада. При этом Rвых<<Rвх, что является важным преимуществом УК на ПТ. Зная, что ток стока является функцией Ic=f(Uзи,Uси), найдём изменение тока стока:

Используя выражения для основных параметров ПТ Запишем:

Подставим вместо конечных приращений 𝛥Ic, 𝛥Uвх и 𝛥Uси=-IcRc (знак минус указывает на инвертирование входного сигнала, получим уравнение:

Решим которое относительно Iс, найдём:

Коэффициент усиления по напряжению для средних частот будет равен:

Для получения максимального коэффициента усиления в диапазоне средних частот необходимо обеспечить работу каскада на высокоомную нагрузку и включить в цепи стока резистор Rc с большим сопротивлением.