4.4. Режим работы транзистора по постоянному току–

Режим покоя определяется величиной токов базы, коллектора и напряжениями на базе и коллекторе при отсутствии входного сигнала. Для определения положения рабочей точки транзистора в усилителе по схеме рис. 4.4, найдем зависимость напряжения на коллекторе Uк от величины тока коллектора, используя закон Ома:

(4.5)

Это выражение представляет собой уравнение прямой линии и называется нагрузочной прямой по постоянному току. Для проведения электрического расчета схемы нагрузочная прямая строится на выходных характеристиках транзистора. Как известно, прямая линия строится по двум точкам: вначале полагают, что Uк = 0 и находят Iк. Затем полагают, что Iк = 0 и находят Uк = Е. На выходных характеристиках рис. 4.5,а нагрузочная прямая по постоянному току обозначена точками а и б.

Рис. 4.5. – Выбор рабочей точки на статических характеристиках транзистора по методу нагрузочной прямой

Наклон нагрузочной прямой зависит от сопротивления (Rк+Rэ). При меньшем сопротивления нагрузочная прямая идет более круто. В динамическом режиме, несмотря на изменение экввалентного сопротивления нагрузки, рабочая точка должна находиться на нагрузочной прямой по постоянному току.

Эквивалентное сопротивление для переменного тока значительно меньше, чем для постоянного тока (равного Rк+Rэ). Во-первых, это связано с тем, что сопротивление Rэ по переменному току зашунтировано большой по величине емкостью Сэ, поэтому сопротивление цепочки Rэ || Сэ переменному току близко к нулю. Во-вторых, как будет показано ниже, по переменному току параллельно сопротивлению Rк подключается сопротивление rкэ транзистора, поскольку сопротивление источника питания для переменного тока равно нулю. Таким образом, эквивалентное сопротивление коллекторной цепи транзистора для переменного тока равно:

(4.6)

Поскольку Rэкв << (Rк+Rэ), то нагрузочная прямая по переменному току, которую называют выходной динамической характеристикой, идет значительно круче нагрузочной прямой по постоянному току и должна пересекать нагузочную прямую по постоянному току. На рис. 4.5,а выходная динамическая характеристика обозначена точками в и г.

Для уменьшения искажений сигнала рабочая точка А должна находиться на нагрузочной прямой по постоянному току и делить выходную динамическую характеристику пополам

В качестве входной динамической характеристики выбирают характеристику, соответствующую Uк = Uк ⁰. Ток базы в рабочей точке Iб⁰ определяется по известному соотношению: Iб⁰ = Iк⁰ / и должна находиться на линейном участке, как показано на рис. 4.5,б.

Рабочую точку выбирают исходя из режима, в котором должен работать транзистор, а также из заданных амплитуд выходного напряжения и связанного с ним тока .

Если усилительный каскад должен работать в режиме класса А, то при малом входном сигнале (несколько единиц или десятков мВ) РТ выбирают исходя из соображений экономичности, а также получения от каскада требуемого усиления. В этом случае при использовании маломощного транзистора значение тока выбирают 1…3 миллиампера. При работе с большими сигналами РТ выбирают так, чтобы обеспечивалось получение требуемого усиления сигнала при допустимых нелинейных искажениях и по возможности с высоким КПД. При этом для обеспечения работы транзистора в режиме класса А как при большом, так и при малом входных сигналах необходимо, чтобы удовлетворялись неравенства:

> ; > , (4.7)

где , - амплитуды переменного напряжения и тока коллектора.

Эти неравенства должны выполняться с учётом того, чтобы рабочая точка не заходила в начальную нелинейную область выходных характеристик транзистора. Кроме того, требуется, чтобы напряжения, токи и мощности не превышали предельно допустимых значений:

+ < ; + < ; < (4.8

В процессе выбора РТ могут быть рассмотрены разные варианты. При этом нахождение параметров близких к оптимальным, как правило, осуществляется с помощью метода проб и ошибок.

Для расчёта элементов схемы (рис. 4.5), обеспечивающих рабочую точку транзистора и её температурную стабилизацию, проанализируем эквивалентную схему каскада по постоянному току с учетом изменения токов транзистора под влиянием изменения температуры окружающей среды (см. рис. 4.6).

На эквивалентной схеме источник напряжения ∆Uэб учитывает изменение с температурой напряжения Uэб, а генераторы токов учитывают изменение с температурой тока базы Iб, неуправляемого тока коллекторного перехода Iко и коэффициента усиления транзистора В.

Поскольку сопротивление источника питания для изменяющегося, т. е. переменного, тока близко к нулю, то на схеме плюс и минус источника соединены вместе и параллельное соединение резисторов R1 и R2 обозначено как Rб – сопротивление в цепи базы. Из эквивалентной схемы находим:

ΔIк = В ΔIко + ΔВ(Iб+Iко) + ВΔIб. (4.9)

Рис. 4.6. - Эквивалентная схема транзистора для расчёта температурной нестабильности усилительного каскада

Первое слагаемое отражает нестабильность неуправляемого сквозного тока коллектор-эмиттер, где В – статический коэффициент усиления транзистора по току в схеме с ОЭ, а ΔIко - нестабильность неуправляемого тока коллекторного перехода. Второе слагаемое учитывает изменение с температурой коэффициента В, а третье – учитывает изменение тока базы Iб вследствие изменения тока Iко и коэффициента В, которое находим из эквивалентной схемы:

(4.10)

Обычно Rэ/(Rэ+Rб) обозначают символом γ_б.

(4.11)

где γ_б ∙ΔIк - это часть тока ΔIк, ответвляющаяся в цепь базы.

Числитель второго слагаемого ΔUэб=-ξΔt учитывает зависимость входной характеристики транзистора от температуры, причём ξ=(1,6 – 2) мв/град. После подстановки (4.10) в выражение (4.9) и несложных преобразований с учётом (4.11), находим:

(4.12)

Выражение в скобках представляет собой минимально возможное изменение коллекторного тока It, которого можно достичь в схеме с идеальной температурной стабилизацией. Выражение перед скобкой называется коэффициентом температурной нестабильности и обозначается символом S:

(4.13)

В схеме с идеальной температурной стабилизацией (при большой величине резистора Rэ, когда Rэ>>Rб и γ_б = 1), S = α, а при её отсутствии (R_э= 0 и γ_б = 0), S = B.

Таким образом, величина S изменяется в пределах (α – В). Температурная стабилизация считается хорошей при S=3 – 4 и удовлетворительной при S=5–6.

Поскольку величина коэффициента температурной нестабильности S задана для расчёта, то из выражения (4.13) определяется величина коэффициента γ_б:

(4.14)

После определения коэффициента γ_б, из соотношения (4.11) получаем формулу для расчёта сопротивления Rэ:

(4.15)

Сопротивления делителя R₁ и R₂ рассчитываются исходя из удовлетворения противоречивых требований. С одной стороны, для улучшения температурной стабильности каскада ток через делитель надо выбирать достаточно большим (см. пункт 4.3), т. е. делитель должен быть достаточно низкоомным.

_(4.16)

С другой стороны, в сопротивление делителя R_б=R1||R2 ответвляется часть тока источника сигнала, поэтому для уменьшения потерь мощности источника сигнала, сопротивление R_б выбирают значительно большим, чем входное сопротивление транзистора:

(4.17)

После расчёта делителя, удовлетворяющего этому требованию, производится проверка выполнения первого требования.

Сопротивление R₂ делителя определяем по закону Ома, учитывая, что напряжение на базе в РТ отличается от на величину порядка (0,5—0,7)В:

(4.18)

При известных значениях R₂ и R_б =R₁||R₂ сопротивление R₁ находится по известной формуле:

(4.19)

После расчёта резисторов R₁ и R₂ следует определить ток в цепи делителя и проверить выполняется ли соотношение:

(4.20

Если это соотношение не выполняется, то следует в расчёты внести соответствующие коррективы.