Тема 4. Біполярні транзистори

Лекція 4/6. Схеми живлення та стабілізації режиму роботи БТ.

Робота транзистора на високих частотах.

1. Схеми живлення та стабiлiзацiї режиму роботи

бiполярних транзисторiв

В каскадах з транзисторами використовують звичайно живлення вiд одного джерела - джерела вихiдного кола, яке в подальшому (як i в попереднiх схемах) позначається Е_к. Для нормального режиму роботи транзистора необхiдно, щоб мiж емiтером i базою була постiйна напруга в десятi частки вольта (змiщення бази).

С трум емiтера, який протiкає по дiлянцi емiтер-база, утворює на нiй деяке падiння напруги, але його не досить, i режим роботи транзистора без додаткового змiщення виявляється ненормальним (струми занадто малi). Необхiдно подати деяку напругу змiщення вiд джерела живлення колекторного кола Е_к. Це виконують за допомогою резистора або дiльника. На рис. приведена типова схема подачi змiщення на базу.

В даному каскадi зі СЕ постiйний струм бази I_бо проходить через резистор R, на якому гаситься майже вся напруга Е_к (iндекс "0", як i ранiше, позначає, що вхiдний сигнал на схему ще не подається). Невелика частка напруги падає на дiлянцi база-емiтер i являється змiщенням бази

U_ебо= Е_к – I_бо R.. (3.26)

З цього виразу легко визначити величину опору резистора R:

. (3.27)

Звичайно U_бе << Е_к, тому

. (3.28)

Оскiльки струм бази I_бо не залежить вiд параметрiв транзистора, то таке змiщення називають змiщенням за допомогою фiксованого струму бази. Але в данiй схемi важко забезпечити заданий режим спокою при замiнi транзистора з нормальним промисловим вiдхиленням параметра без змiни опору резистора R. Так, наприклад, транзистор ГТ311Ж може мати коефiцiєнт пiдсилення по струму в межах вiд 50 до 200. А для рiзних же коефiцiєнтiв пiдсилення треба подавати рiзнi базовi струми змiщення. Якщо ж струм бази I_бо не залежить вiд властивостей транзистора (про що свiдчить формула 3.28), то при замiнi транзистора струм колектора

може змiнюватися в чотири рази i початкова робоча точка може опинитися або в областi насичення, або на межi режиму вiдсiчки. Другий недолiк цієї схеми заключається в тому, що в нiй не враховується вплив змiни температури на параметри транзистора. Дійсно, значення струму I_кбо приблизно подвоюється при збiльшеннi температури на 10^о. Це приводить до зростання струму колектора. Тому схема з змiщенням за допомогою фiксованого струму бази використовується рiдко.

На рис. показана подача напруги змiщення за допомогою дiльника R₁ R₂ в каскадi з СЕ.

В цiй схемi значна частина напруги Ек падає на резисторi R₁, а невелика частина, яка являється напругою змiщення U_бео, падає на резисторi R₂, який пiдключається паралельно входу транзистора. Опiр резисторiв R₁ i R₂ можна легко визначити по формулам

(3.29)

де I_д - струм самого дiльника.

Спосiб подачi напруги змiщення за допомогою дiльника використовується досить часто, але вiн менш економiчний, тому що джерело повинне створювати додатковий струм I_д, який марно грiє резистори R₁ i R₂.

Крiм того, в розглянутiй схемi резистор R₂ дуже помiтно зменшує вхiдний опiр каскада, тому що пiдключається паралельно входу транзистора.

Щоб одержати бiльш стабiльну напругу змiщення, необхiдно збiльшити струм дiльника I_д. Тодi розподiл напруг на резисторах дiльника буде мало залежати вiд струму бази, який протiкає через один з резисторiв дiльника. Але для економії енергії джерела Е_к струм I_д встановлюють лише в 3...5 разiв бiльший, нiж I_бо. Роздiлювальний конденсатор С_р в схемах служить для подачi на вхiд транзистора перемінної напруги, яку необхiдно пiдсилити. Щоб втрата цієї напруги на конденсаторi С_р була малою, його ємносний опiр для самої низької частоти повинен бути достатньо незначним.

Ємнiсть цього конденсатора на низьких частотах повинна дорiвнювати одиницям i навiть десяткам мiкрофарад. Саме тому для роздiлювальних конденсаторiв вибирають малогабаритнi електролiтичнi конденсатори.

В схемах на рис. 3.14 та 3.15 роздiлювальний конденсатор запобiгає попаданню на вхiд транзистора постiйної напруги, якщо вона iснує в джерелi коливань. Крiм того, в цих схемах у вiдсутнiсть С_р i незначному внутрiшньому опорi джерела коливань база i емiтер були б короткозамкненими по постiйнiй напрузi i тодi U_бе була б близькою до 0. Ємнiсть С_р розраховується за умови, що опiр на самiй низькiй частотi повинен бути в багато разiв меншим вхiдного опору транзистора:

. (3.30)

Тодi втрата вхідної напруги на конденсаторi С_р буде малою.

Практично достатньо такої умови:

. (3.31)

Звiдси одержимо

. (3.32)

Якщо виразити С_р в мiкрофарадах, то одержимо формулу для її розрахунку C_р:

. (3.33)

В цих формулах i найнижчi частоти.

Для схеми з дiльником замiсть R_вх транзистора в формулу (3.33) необхiдно пiдставляти опiр R_вх’, який еквiвалентний паралельно включеним R_вх i R₂, тобто

. (3.34)

По формулi (3.33) аналогiчно можна розрахувати ємнiсть конденсатора C, який шунтує джерело живлення Е_к:

. (3.35)

Тодi вся вихiдна напруга практично буде видiлятися на навантаженнi R_к i втрата цiєї напруги на дiлянцi Е_к буде незначною.

Iстотним недолiком транзисторiв є значна залежнiсть їх характеристик i параметрiв вiд змiни температури. Пiдвищення температури приводить до збiльшення струмiв i режим роботи транзисторiв порушується. Для боротьби з цим неприємним явищем служать рiзнi методи стабілізації. У схему вводять стабiлiзуючi елементи, якi забезпечують вiдносну сталiсть режиму при змiнi температури або замiнi транзистора. Проте необхiдно мати на увазi, що цi схеми стабiлiзують лише положення робочої точки, але не усувають вплив температури на властивостi транзистора i на процеси, якi в ньому вiдбуваються. Саме тому змiна температури все ж приводить до змiни параметрiв транзисторiв. Таким чином, стабiлiзацiя режиму лише частково усуває пiслядiю шкiдливого впливу температури.

Н а рис. показана одна з найбiльш поширених найпростiших схем стабiлiзацiї режиму каскада з СЕ, який бiльше iнших схем схильний до впливу температури . В так званiй схемi колекторної стабiлiзацiї резистор R, який забезпечує необхiдне змiщення на базi, пiдключається не до джерела Е_к, як в схемi на рис. , а до колектора.

Якщо вiд розiгрiву або замiни транзистора струм I_к зростає, то збiльшується падiння напруги на R_к, а напруга U_ке вiдповiдно зменшиться. Але тодi зменшиться i напруга U_бе, що приводить до зменшення струму I_к. Таким чином, одночасно вiдбуваються протилежнi змiни цього струму i в результатi вiн залишається майже постiйним.

Розглянута схема являється найпростiшою i економiчною, але дає хорошу стабiлiзацiю лише в тому випадку, якщо на резисторi навантаження падає не менше половини напруги джерела Е_к. Крiм того, в данiй схемi вiдбувається деяке зниження пiдсилення внаслiдок того, що частина пiдсиленоє напруги передається через резистор R на вхiд пiдсилювача з фазою, яка протилежна фазi пiдсилюваної напруги, тобто виникає негативний зворотний зв'язок.

Бiльш складною i менш економiчною являється схема емiтерної стабілізації, яка показана на рис.

Вона вимагає джерела Е_к з бiльш високою напругою, але по своїм стабiлiзуючим властивостям значно перевищує попередню схему. Резистори R₁ i R₂ створюють дiльник напруги для одержання напруги змiщення на базi, а резистор R_е у виводi емiтера являється стабiлiзуючим. Падiння напруги на цьому резисторi дiє назустрiч напрузi i тому напруга змiщення бази . Резистор R₃ створює негативний зворотний зв'язок по постiйному струму. Якщо пiд впливом температури струми в транзисторi збiльшуються, то вiд пiдвищення струму I_ео збiльшується напруга i вiдповiдно зменшується напруга змiщення на базi U_бео, а це приводить до зменшення струмiв.

В результатi такої змiни струми в протилежнi сторони змiнюються незначно i режим являється бiльш стабiльним.

Щоб резистор R₃ не створював негативний зворотний зв'язок по перемiнному струму, вiн шунтується конденсатором досить великої ємностi.

О пiр цього конденсатора на самiй низькiй частотi повинен бути в багато разiв меншим опору резистора R₃. Конденсатором С₃ служить електролiтичний конденсатор, ємнiстю в десятки мiкрофарад (в каскадах пiдсилення низької частоти). Емiтерна стабiлiзацiя працює добре незалежно вiд опору навантаження R_к, причому тим краще, чим бiльший струм дiльника I_д i опiр резистора R₃. Але оскiльки напруга є частиною Е_к, то надмiрне збiльшення R₃ приводить до необхiдностi значного пiдвищення Е_к, що невигiдно. Якщо знехтувати напругою U_бе порiвняно з iншими напругами, визначення опорiв резисторiв для схеми емiтерноє стабiлiзацiї здiйснюють по таким приблизним формулам:

. (3.36)

При цьому падiння напруги на резисторi R₃ складає звичайно =(0,1....0,25)Е_к, а струм дiльника вибирають в (3...5) разiв бiльшим струму I_бо. Обидвi схеми стабiлiзацiї можна об'єднати в одну i тодi стабiлiзацiя буде ще краща (схема колекторно-емiтерної стабiлiзацiї на рис.).

В багатьох випадках висока стабiльнiсть пiдсилення не потрiбна i тому стабiлiзацiя при цьому не обов'язкова. Живлення вiд одного джерела i стабiлiзацiя режиму можуть застосовуватися також при включеннi транзистора по схемам СБ i СК.