3.6. Методы задания начального режима работы транзистора
При построении усилительных устройств наибольшее распространение получили каскады на биполярных и полевых транзисторах, использующие соответственно схемы включения транзистора с общим эмиттером и общим истоком. Схемы с общим коллектором и общим стоком используются в основном для усиления сигнала по току.
Перед тем, как подавать сигнал на вход транзисторного усилителя, необходимо обеспечить начальный режим работы (режим покоя). В схеме на рис. 3.6.1. этот режим задается с помощью дополнительного источника напряжения Е1. В реальных схемах для обеспечения начального режима используют резистивные делители.
Рис.3.6.1. Схема включения транзистора в усилительный каскад (схема с общим эмиттером)
Начальный режим работы характеризуется постоянными значениями токов и напряжений в транзисторе. Для схемы с общим эмиттером начальный режим работы характеризуется положением точки покоя – напряжениями база – эмиттер и коллектор – эмиттер, токами базы и эмиттера. Для стабильной работы усилителя стремятся не допускать изменения положения точки покоя.
Для задания точки покоя используют три схемы: с фиксированным током базы, с коллекторной и эмиттерной стабилизацией.
Схема с фиксированным током базы представлена на рис. 3.6.2. Начальный ток базы задается с помощью резистора RБ.
В соответствии со вторым законом Кирхгофа:
IК RК + UКЭ – ЕПИТ = 0.
Отсюда находим ток коллектора:
IК = ЕПИТ/RК – UКЭ/RК,
что соответствует линейной зависимости вида у = ах + b.
Рис. 3.6.2. Схема с фиксированным током базы
Это уравнение описывает так называемую линию нагрузки. Изобразим выходные характеристик транзистора и линию нагрузки (рис. 3.6.3.).
В соответствии со вторым законом Кирхгофа:
IБ RБ + UБЭ – ЕПИТ = 0. (11.3)
Отсюда находим ток базы IБ:
IБ = ЕПИТ/RБ – UБЭ/RБ. (11.4).
Так как обычно ЕПИТ>>UБЭ, опустим UБЭ, тогда IБ≈ЕПИТ/RБ.
Рис.3.6.3. Линия нагрузки транзистора
Таким образом, в рассматриваемой схеме ток IБ задается величинами ЕПИТ и RБ (ток фиксирован). При этом IК ≈ βIБ.
При заданном токе покоя IБ3 точка покоя ТП займет то положение, которое указано на рис. 3.6.3. Следует отметь, что самое нижнее возможное положение ТП соответствует точке В (режим отсечки, IБ ≈ 0), а самое верхнее положение – точке А (режим насыщения, IБ ≥ IБ5).
Схему с фиксированным током базы используют достаточно редко, так как при изменении β (при смене транзистора или изменении температуры) будет изменяться ток коллектора и положение рабочей точки.
Схема с коллекторной стабилизацией (рис. 3.6.4) обеспечивает лучшую стабильность начального режима.
Рис. 3.6.4. Схема с коллекторной стабилизацией
В схеме имеет место отрицательная обратная связь по напряжению (выход схемы – коллектор транзистора соединен со входом схемы – базой транзистора с помощью сопротивления RБ). Рассмотрим ее проявление на следующем примере. Пусть по каким либо причинам (например, при изменении температуры) ток IК начал увеличиваться. Это приведет к увеличению падения напряжения на коллекторном сопротивлении URк и к уменьшению напряжения UКЭ и уменьшению тока IБ (IБ ≈ UКЭ/RБ), что вызовет подзапирание транзистора и будет препятствовать значительному увеличению тока IК, т.е. будет осуществляться стабилизация тока коллектора.
Схема с эмиттерной стабилизацией представлена на рис. 3.6.5.
Рис.3.6.5. Схема с эмиттерной стабилизацией
Основная идея, реализованная в схеме, состоит в том, чтобы зафиксировать ток IЭ и, соответственно, ток коллектора (IK≈IЭ). Для этого в цепь эмиттера включают резистор RЭ и создают на нем практически постоянное напряжение URэ. При этом:
IЭ = URэ / RЭ = const.
Для создания требуемого напряжения используют делитель напряжения на резисторах R1 и R2. Сопротивления R1 и R2 выбирают таким образом, чтобы величина тока IБ практически не влияла на величину напряжения UR2. При этом:
UR2 = ЕКR2 / (R1 + R2).
В соответствии со вторым законом Кирхгофа:
URЭ = UR2 – UБЭ.
При воздействии дестабилизирующих факторов величина UБЭ изменяется мало, поэтому мало изменяется и величина URЭ. На практике обычно напряжение URЭ составляет небольшую долю напряжения ЕПИТ.
В этой схеме реализована обратная связь по току, подробнее она будет рассмотрена позже.