1.3.2 Нестабилизированные схемы смещения

На практике получили распространение два способа обеспече­ния заданного положение рабочей точки по постоянному току:

• схема смещения фиксированным током базы ;

- схема смещения фиксированным напряжением базы. 48

Смещение фиксированным током базы осуществляется путём включения резистора с большим сопротивлением Rб между базой и источником электропитания Е_к ( рисунок 1.20, а). Это создает путь для постоянной составляющей тока базы, т.е. для тока смещения I_бо от +E_к→(э-б)VT→R_б→-E_к.

Ток смещения I_бо создает на входном сопротивлении транзистора напряжение смещения U_бэо, составляющее доли вольт. Сопротивление R_б значительно больше входного, а U_бэо во много раз меньше Е_к.

Поэтому, определяя ток смещения, можно пренебречь величиной U_бэо по сравнению с Е_к. Тогда получим

I_бо = (Е_к - U_бэо) / R_б ≈ Е_к/R_б = const , ( 1.36)

т.е. ток базы действительно является фиксированным, не завися­щим от тока коллектора и параметров транзистора.

Недостаток данной схемы является нестабильность режима выход ной цепи, поэтому фиксированное смещение током базы в чистом виде (без специальных мер для стабилизации тока коллектора) в практических схемах не нашло применение.

Смещение фиксированным напряжением базы осуществляется с помощью делителя напряжения, состоящего из резисторов R_б1 и R_б2 (рисунок 1.20,6). Делитель подключается к источнику электропита­ния Е_к, а напряжение с R_б2 поступает на базу и является напряже­нием смещения U_бэо.

Ток I_д, потребляемый делителем от источника электропитания, значительно больше тока базы I_бо, протекающего вместе с I_д по R_б1 откуда

U_бэо = Е_к·[ R_б2/(R_б1+R_б2)] = const. ( 1.37)

Таким образом, напряжение смещения действительно не зависит от тока коллектора и параметров транзистора, т.е. является фиксирован­ным.

Для того чтобы осуществлялось смещение фиксированным напряжением базы, сопротивление R_б2 должно быть значительно меньше входного сопротивления транзистора. Это уменьшает общее входное сопротивление каскада, что является недостатком схемы.

В усилительных каскадах с полевыми транзисторами электропитание выходных цепей осуществляется так же, как и в каскадах на биполярных транзисторах.

1.3.3 Стабилизация положения точки покоя в транзисторных каскадах

При отсутствии сигнала на входе усилителя значение выходного тока должно быть постоянным, т.е. положение рабочей точки в исходном состоянии должно быть неизменным - стабильным. Однако в ре­зультате действия различных внешних факторов режим работы усилительного элемента оказывается нестабильным. Причинами неста­бильного режима работы усилительного элемента являются: измене­ние температуры окружающей среды, нестабильность напряжения ис­точников электропитания, разброс параметров

49

усилительных элементов и др. Особенно сильно влияет режим работы усилительного элемента повышение температуры окружающей среды, вызывающее резкое из­менение начального тока коллектора I_к.н. Так , при увеличении тем­пературы на каждые 10°С I_к.н. возрастает в 2 раза у германиевых транзисторов и в 3 раза у кремниевых. В результате ток покоя коллек­тора I_ко увеличивается в несколько раз.

Таким образом, простые схемы смещения не обеспечивают необхо­димой стабильности режима транзистора. Поэтому в транзисторных усилителях обычно применяют различные способы стабилизации ре­жима работы усилительного элемента.

а) б)

а-фиксированная током базы;

б- фиксированная напряжение базы

Рисунок 1.20- Схемы нестабилизированные смещения рабочей точки транзистора

Параметрическая стабилизация режима. Принцип параметрической стабилизации заключается, в том. что смещение создается с по­мощью термозависимых элементов, имеющих отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Это нелинейные элементы, у ко­торых с повышением температуры сопротивление уменьшается, так что напряжение на нем понижается, а следовательно, уменьшается и сме­щение. Вызванное этим уменьшение тока коллектора может полно­стью скомпенсировать то его увеличение, которое происходит за счёт повышения температуры. Таким образом, при правильном подборе параметров схемы можно добиться полной компенсации температурных изменений тока коллектора и получить коэффициент нестабильности S=0.

Схемы параметрической стабилизации с применением терморе­зистора

50

или термистора Rm приведена на рисунке 1.21,а.

Принцип работы данной схемы заключается в том , что с повыше­нием температуры общее сопротивление нижнего плеча делителя R_б2, содержащего терморезистор R_t, уменьшается, что вызывает уменьше­ние смещения U_бэо и препятствует увеличению тока коллектора I_ко. Чтобы температура терморезистора изменялась одновременно с темпе­ратурой стабилизированного транзистора, их надо располагать в непосредственной близости друг к другу

( обычно на радиаторе охлаж­дения транзистора).

Большим недостатком данной схемы является их значительная тепловая

инерц ионность.

а ) б)

а- термостабилизация ;

б- диодная

Рисунок 1.21 - Параметрическая стабилизация режима транзистор

Параметрическая стабилизация с помощью полупроводниковых диодов (или кремниевых стабилитронов) может быть осуществлена путем включения их в нижнее плечо делителя, создающего смещение на базе. При включении диода в прямом направлении (рисунок 1.21,б) температурная зависимость сопротивления его р-п - перехода имеет почти такой же характер, как для эмиттерного перехода транзистора, поскольку они созданы из одних и тех же исходных материалов. Здесь смещением является прямое напряжение на диоде (прямое сопротивле­ние диода выполняет роль R_б2). С повышением температуры прямая ветвь вольт-амперная характеристики диода сдвигается влево так же, как входная

51

характеристика транзистора (рисунок 1.22), и уменьше­ние приложенного извне напряжения смещения дает хорошую термо­компенсацию. Вместо диода может быть использован эмиттерный переход транзистора, у которого база и

коллектор соединены вместе; при этом можно добиться еще большой точности термокомпенсации.

Рисунок 1.22 - Вольт - амперная характеристика диода

Преимуществом применения диодов и транзисторов в диодном включении перед терморезисторами является то, что тепловая инер­ция диода примерно соответствует тепловой инерции транзисторов.

Недостаток данной схемы уменьшение входного сопротивления каскада, так как сопротивление диода переменному току в прямом направлении очень мало. Этот недостаток устраняется при включении дио­да последовательно с источником сигнала.

Диод, применяемый для термокомпенсации, надо располагать вблизи транзистора, чтобы они одновременно нагревались.

Наиболее простой способ стабилизации исходного режима транзистора

- коллекторная стабилизация ( рисунок 1.23,а). Эта схема от­личается от схемы смещения фиксированным током базы тем, что резистор R_б, соединенный с базой, подключается вторым концом к коллектору, а не к источнику электропитания. Поэтому падение напря­жения на ней можно считать равным напряжению коллектора U_ko, если пренебречь малым падением напряжением на эмиттерном пере­ходе по сравнению с U_ko. Ток смещения равен :

I_бо ≈ (Е_к - I_ko·R_k) / R_б, ( 1.38)

т.е. зависит от тока коллектора.

Если, например, с повышением температуры ток коллектора увели­чивается, то возрастает и ток эмиттера, увеличивается падение напря­жение на коллекторной нагрузки R_k, понижается напряжение U_ko, а следовательно уменьшается ток смещения I_бо. Это вызывает умень­шение тока коллектора I_ко.

Итак, возрастание тока коллектора в итоге всех процессов приво­дит к

52

уменьшению смещения, а это препятствует росту I_ко, который таким образом стабилизируется.

В данной схеме действует параллельная отрицательная обратная связь по постоянному напряжению. Коллекторная стабилизация дейст­вует более эффективно только при большом сопротивлении нагрузки R_k и когда уменьшается по величине сопротивление R_б.

Схема коллекторной стабилизации положение исходной рабочей точки применяется редко. Она проста, экономична, но не обеспечивает достаточную стабилизацию положения исходной рабочей точки.

а ) б)

Рисунок 1.23 - Схемы стабилизации напряжения коллекторная ( а) и

эмиттерная стабилизация (б)

Эмиттерная стабилизация осуществляется включением резистора R_э между эмиттером и общим проводом и обычно применяется на основе схемы с фиксированным напряжением базы ( рисунок 1.23,б). На сопротивлении делителя R_б2 создается фиксированное напряже­ние база - общий провод U_бо. На сопротивлении эмиттерной стабилизации R_э током покоя эмиттера I_эо создается падение напряжения эмиттера - общий провод U_эо. при этом напряжение смещения база -эмиттер U_бэо равно разности. Следовательно :

U_бэо= U_бо - U_эо = U_бо - I_эо·R_э , причем

I_эо = I_ко + I_бо ≈ Iко . ( 1.39 )

Если с повышением температуры возрастает ток коллектора, то увеличивается I_эо и падение напряжение на R_э, а напряжение сме­щение U_бэо уменьшается, что препятствует росту I_ко; следовательно, ток коллектора

53

стабилизируется.

В данной схеме действует последовательная отрицательная обрат­ная связь по постоянному току эмиттера.

Эмиттерная стабилизация действует тем эффективнее, чем мень­ше R_б2, а следовательно, и общее сопротивление делителя боль­ше R_э. При этом даже очень малое изменения коллектора вызовут существенные изменения смещения, повысит точность стабилизации ис­ходного режима и степень уменьшения коэффициента нестабильности S.

В схеме на рисунке 1.23,б параллельно резистору R_э может быть включен блокировочный конденсатор С_э большой ёмкости для иск­лючения отрицательной обратной связи по переменному току. Если желательно использовать последовательную обратную связь и по переменному току, то С_э в схему не включается. При этом уменьша­ется усиление, но стабилизируется выходной ток сигнала и коэффициент усиления тока K_i, а также увеличивается входное сопротивле­ние.

Схема эмиттерной стабилизации рабочей точки транзистора при­меняется часто. Она обеспечивает более высокую стабилизацию поло­жения рабочей точки.

Еще лучшую стабилизацию рабочей точки обеспечивает комбини­рованная схема (рисунок 1.24,а), где используется отрицательная об­ратная связь как по току, так и по напряжению. В этой схеме резисто­ры обратной связи R_э и R_ф шунтированы конденсаторами С_э и С_ф для устранения обратной связи по переменному току.

а ) б)

Рисунок 1.24 - Схема стабилизации комбинированная (а) и комбинированная

на полевом транзисторе

54

Схемы стабилизации исходного положения рабочей точки с помощью отрицательной обратной связи применимы только в усилителях, работающих в режиме класса А, в котором постоянная составляющая выходного тока транзистора не зависит от амплитуды усиливаемого сигнала.

В режиме класса В, при котором среднее значение тока покоя зависит от амплитуды усиливаемого сигнала, применяют смещение фиксированным напряжением базы, а стабилизация исходного положения рабочей точки осуществляется схемах термо­компенсации.

Недостатком схем стабилизации с применением обратной связи является дополнительный расход мощности источника электропитания на элементах обратной связи.

Схема истокового автоматического смещения работает так, напряжение смещения создается током протекающего через резистор R_h. Оно подается на затвор через резистор R₂. сопротивление которого можно выбирать очень большим (1... 100 МОм), поскольку ток зат­вора очень мал и падения напряжения на нем по существу нет.

Стабилизация тока покоя выходной цепи по этой схеме осуще­ствляется следующим образом : при возрастании выходного тока покоя под действием дестабилизирующих факторов увеличивается падение напряжения на резисторе R_h, транзистор начинает закрываться и ток покоя выходной цепи уменьшается.

Вопросы для самопроверки

1. Начертите схемы электропитания выходной цепи усилительного элемента и опишите принцип работы их.

2. Начертите схемы нестабилизированые для фиксировании рабочей точки транзистора и опишите принцип работы их.

3. Начертите схемы стабилизированные для фиксации рабочей точки транзистора и опишите их работу.

4. Опишите режимы работы усилительных элементов и поясните особенностей их.

5. Как стабилизируется ток покоя транзисторов, работающих в режиме В ? Что такое температурная стабилизация ?

6. Укажите простейшие способы подачи смещения во входную цепь транзистора, их достоинства и недостатки. Какие из применяются на практике ?

7. Нарисуйте схему эмиттерной стабилизации, поясните её прин­цип действия, недостатки и область применения.

8. Нарисуйте схему коллекторной стабилизации, поясните её принцип действия, недостатки и область применения.

9. Нарисуйте схемы истокового смещения в каскаде с полевым транзистором в виде р-п - перехода и п- каналом.

10. Постройте динамическую характеристику усилительного каскада.

55

Примеры до темы лекции 4

Задача 1

Для неискаженной передачи сигнала с помощью усилительного каскада с общим эмиттером ( ОЭ ) ( рисунок 1.20,а ) в режиме покоя ( U_вх=0) через базу транзистора должен протекать ток I_бо = 82 мкА. Определить сопротивление резистора в базовой цепи R_б, обеспечивающее заданный ток базы. Напряжение источника питания Е_к= 9 В. падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора U_бэ =0,8 В.

Решение : 1 Ток базы транзистора найдем по формуле

I_бо = ( Е_к – U_бэ ) / R_б ,

Из формулы определяем значение сопротивления R_б по формуле

R_б = ( Е_к – U_бэ ) / I_бо ,

R_б = ( 9 - 0,8 ) / 82 ·10^-6 = 100 ·10³ Ом.

Ответ : Сопротивление резистора в базовой цепи R_б = 100 кОм.

Задача 2

Определить сопротивление резистора R_э ( рисунок 1.23,б), если через транзистор протекает ток I_ко ≈ I_эо = 5 мА, а напряжение U_R2= 1.6 В. Падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора U_бэо = 0,6 В.

Решение : 1 Для замкнутой цепи (R₂ - переход транзистора база – эмиттер – Rэ) составляем формулу используя второй закон Кирхгофа

U_R2 = U_бэо + I_эоR_э ,

Из формулы найдем значение резистора R_э

R_э = ( U_R2 - U_бэо ) / I_эо,

R_э = ( 1.6 - 0,6 ) / 5 · 10^-3 = 250 Ом

Ответ : Сопротивление резистора R_э = 250 Ом.

56

Задача 3

На вход каскада с общим истоком ( рисунок 1.24,б ) поступает гармонический сигнал с амплитудой Uвх=0.,2 В. Определить выходное напряжение, если крутизна стоко-затворной характеристики транзистора S = 2 мА/В, а сопротивление резистора R_с= 4 кОм. Исказится ли форма выходного напряжения, если напряжение на стоке транзистора в режиме покоя равно 5 В ?

Решение : Выходное напряжение равно

U_вых = - К_U·U_вх = - S·R_с·U_вх ,

U_вых = - 2· 4·10³·0,2 = - 1,6 В.

Ответ : Форма выходного напряжения практически останется неизменной, так как U_вых<U_с ( 1,6 В < 5 В ).

Задачи для самостоятельной работы

1 Определить напряжение U _бэ и ток покоя в цепи базы I_бо усилителя

(рисунок 1.20, а), если напряжение источника питания Е_к = 12 В, а R_б=40 кОм, I_ко=5,6 мА, h_21э=20.

2 Определить сопротивление R_б, если ток покоя коллектора I_ко (рисунок 1.20, а) составляет 10 мА. Напряже­ние источника питания Е_к=12 В, статический коэффи­циент усиления по току транзистора h_21э=40, Uбэ = 0,6 В.

3 Определить Е_к в схеме на рисунок 1.20, а, если U_K0= = 20 В, Iк₀== 100 мА, Rк= 100 Ом.

4 Определить сопротивление резистора, которое нужно включить в коллекторную цепь усилителя (рисунок 1.20, а), чтобы ток коллектора составлял I_Ко=3 мА при U_КЭ0=7В, Е_к=16 В.

5 Определить ток базы Iбо и падение напряжения на транзисторе U_кэо (рисунок 1.20, а), если R_б=150 кОм, I_к= 1,25 кОм, Е_к=9 В, h_21э=40. Величиной U_бэ

пренебречь.

6 Найдите токи базы и коллектора, а также паде­ние напряжения на транзисторе (рисунок 1.20, а), если R_б = 250 кОм, R_к = 2 кОм, Е_к=12 В, U_бэ=0,3 В, а h_21э= 64.

7 Определить сопротивление резистора в коллек­торной цепи транзистора каскада ОЭ (рисунок 1.20, а), если Е_к=12 В, U_вых=7,2 В, R_б=48 кОм, h_21э=40.

Падением напряжения U_бэ и обратным током тран­зистора можно пренебречь.

8 Определить выходное напряжение каскада (рисунок 1.20, а), если базовый ток транзистора I_б=0,5 мА, h_21э== 20, R_к=0,5 кОм, Е_к=9 В. Обратным током транзисто­ра пренебречь.

9 Определить максимальное и минимальное выход­ное напряжения каскада

(рисунок 1.20, а) при подаче гармо­нического входного напряжения от генератора Е_г=2 В с внутренним сопротивлением R_г=14 кОм. Известно, что Е_к=9,В,

R_к=7 кОм, R_б=84 кОм, h_21э=50, U_бэ=0,6 В. Обратным током транзистора можно

57

пренебречь.

10 Определить напряжение питания каскада (рисунок 1.23, б), при котором обеспечивается режим I_эо≈I_ко = 10 мА, U_кэо = 5 В. Номиналы резисторов:

R_э=100 Ом, R_к = 1 кОм.

11 Определить сопротивления резисторов в цепи сме­щения базы транзистора, если напряжение U_бо =2 В, а ток через резистор R_б1 определяется соотношением I_Rб1 = = 2 I_бо=1 мА. Напряжение питания Е_к=10 В.

12 В схеме каскада (рисунок 1.23, б) коэффициент уси­ления по напряжению определяется формулой К_U= - h_21э·R_к / R_вх.э = - h_21э R_к / [r_б + ( 1 +h_21эr_э)].Можно ли пользоваться приведенной формулой для определения коэффициента усиления К_U в схеме каскада (рисунок 1.23, б)?

13 В схеме каскада (рисунок 1.23, б) произошел обрыв цепи шунтирующего конденсатора С_э. Останутся ли при этом неизменными коэффициент усиления по напряжению и входное сопротивление?

14 Какой должна быть выбрана емкость конденса­тора С_э в схеме усилителя

(рисунок 1.23, б), если известно, что нижняя граница полосы пропускания равна 100 Гц, а R_э=500 Ом ? Найти падение напряжения от постоян­ной и переменной составляющей тока, если Iэо=2 мА, а переменная составляющая — 2 мА.

Каскад с общим истоком

15 Для создания режима работы класса А в усили­теле (рисунок 1.24, б) используется цепь автоматического сме­щения R_и—С_и. Определить потенциал затвора относи­тельно истока, если в отсутствие входного сигнала че­рез транзистор проходит ток стока I_со=1,5 мА. Сопро­тивление резистора R_и=200 Ом.

16 Определить напряжение U_си и ток стока транзи­стора в усилителе (рисунок 1.24, б), если падения напряжения на резисторах R_c и R_и составляют 2,4 и 0,2 В. Напряже­ние источника питания Е_с = 6 В.

17 Определить сопротивление резистора R_c в схеме (рисунок 1.24, б), если ток стока транзистора 0,4 мА, Е_с = 12 В, Uси~8 В. Принять, что R_и = 0,1 R_с.

Литература

1 Гольцев В.Р., Богун В.Д., Хиленко В.И. Электронные усилители. М.: Стандарты, 1990. с. 31...57.

2 Цыкина А.В. Электронные усилители.-М.: Радио и связь, 1982. с. 78...92.

3 Федосеева Е.О. Усилительные устройства киноустановок.-М.: 1979, с. 89...101.

4 Колонтаевский Ю.П., Сосков А.Г. Промислова електроніка та

мікросхематехніка: теорія i практикум.- К.: Каравела, 2003. с. 7

5 Долженко О.В., Королев Г.В. Сборник задач, вопросов и

упражнений по радиоэлектронике: Учебное пособие для сред. ПТУ.-

2-е изд., перераб. и доп.-М.: Высш.шк.,1986.-103с – 35 – 39.

58

Лекция 5

Экспресс - проверка знаний пройденного материала:

1 Нарисовать схемы стабилизации комбинированную и комбинированную

на полевом транзисторе.

2 Нарисовать схемы стабилизации напряжения коллекторную и

эмиттерную.

3 Нарисовать схемы параметрической стабилизации режима транзистора.

4 Нарисовать схемы нестабилизированные смещения рабочей точки транзистора.

5 Напишите ключевые слова к теме лекции 4.

После изучения лекции 5 студент должен знать : принцип построения динамических характеристик транзистора, параметры - h транзистора.

Уметь: нарисовать и рассчитать динамические характеристики транзистора и основные параметры – h транзистора.

План ( логика ) изложения матери