11. Схемы подачи смещения во входные цепи транзисторов в усилительных каскадах: фиксированным током базы, фиксированным напряжением база-эмиттер. Цепи смещения с температурной компенсацией

13. Билет 13 Резисторный усилительный каскад по схеме с общим эммитором …

Резистивным называется усилитель, нагрузкой которого является активное сопротивление.

Uc - напряжение сигнала частотой w ;

Cp - разделительный конденсатор;

R1,R2 - сопротивления делителя;

Rк - коллекторное сопротивление;

Rэ - сопротивление в цепи эмиттера ;

Cэ - конденсатор в цепи эмиттера ;

Rн - сопротивление нагрузки;

Сн - емкость нагрузки;

Температурная стабильность рабочей точки возрастает при увеличении Rэ (за счет увеличения глубины отрицательной обратной связи в касакаде на постоянном токе), стабильность рабочей точки также возрастает и при уменьшении R1,R2 (за счет увеличения тока делителя и повышения температурной стабилизации потенциала базы VT1). Возможное уменьшение R1,R2 ограничено допустимым снижением входного сопротивления усилителя, а возможное увеличение Rэ ограничено максимально допустимым падением постоянного напряжения на сопротивлении эмиттера.

Эквивалентная схема выходной цепи усилителя по схеме рис.3.2 представлена на рис. 3.3, где: S - крутизна трагзистора, Uc - входной сигнал, Yi = Y22  - выходная проводимость транзистора, Yк =1/Rк - коллекторная проводимость , Со = Свых + См + Сн , Свых - выходная емкость транзистора, См - распределенная паразитная и монтажная емкости, Сн - емкость нагрузки, Ср - разделительный конденсатор, Yн = 1/Rн - проводимость нагрузки. Отметим, что обычно в усилителях проводимости Yi < Yн <Yк (1/Yi > Rн > Rк).

Эквивалентная схема получена с учетом того, что на переменном токе шина питания (“-Е_п”) и общая точка (“земля”) являются короткозамкнутыми, а также с учетом допущения 1/wCэ << Rэ , когда можно считать эмиттер VT1 подключенным на переменном токе к общей точке.

12. Схемы стабилизации рабочей точки транзисторов в усилительных каскадах (коллекторная стабилизация, эмиттерная, термокомпенсационная).

Стабилизация рабочей точки – важнейшая задача при проектировании транзисторных каскадов. При смещении точки покоя (I_к.0иU_к.э.0)изменяются дифференциальные параметры транзистора, могут появиться нелинейные искажения.

Основные причины нестабильности тока I_к.: температурные изменения теплового токаI_к.б0, напряжения на эмиттерном переходе U_б.э.и интегрального коэффициента передачи тока(или).

Полное приращение тока коллектора:

,

Выражение называется коэффициентом нестабильности.

При повышении Т⁰К все слагаемые в скобках одного знака: I_к.б.0и растут, а входная характеристика смещается “влево”:U_б.э = Т, где-1.5мВ/град.

Минимальный коэффициент нестабильности S_min=  при_б =1, т.е.R_Э>>R_Б, максимальныйS_max=  при_б =0, т.е.R_б>>R_э.Обычно удовлетворяются соотношениямиR_э/ R_б=0,5...1, при этом_б=0,3...0,5 ;S = 2..3 (т.е.S1/_б).

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

 

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 стабилизацияосуществляется 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

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

 

 

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.

14. Резисторные каскады на полевых транзисторах по схеме с общим истоком. большое распространение получили усилительные каскады на полевых транзисторах, так как они обладают значительно большим входным сопротивлением по сравнению с усилительными каскадами на биполярных транзисторах. Малый входной ток, за счет высокого входного сопротивления полевого транзистора, позволяет обеспечить высокое отношение полезного сигнала к собственному шуму и конструировать высокочувствительные усилители (до 0,01÷0,1мВ) в измерительной технике. Наиболее часто используется каскад с общим истоком

Полярность источника питания определяется типом применяемого полевого транзистора. В транзисторе с n-каналом напряжение Е_Сположительно.

В цепь стока включен нагрузочный резистор R_С, обеспечивающий динамический режим работы усилителя. На транзисторе R_Свыделяется усиленное переменное напряжение.

 

В цепи истока резистор R_И создает необходимое смещение между затвором и истоком. При этом потенциал затвора оказывается ниже потенциала истока на величину падения напряжения на резисторе R_И от тока покоя истока I_И0 ток покоя в цепи затвора равен нулю.

Входное напряжение подается на резистор R₃ через разделительный конденсатор С_1. При этом в канале полевого транзистора появляются переменные составляющие тока истока i_И и тока стока i_c , причем i_И » i_c . Для того, чтобы переменная составляющая тока истока не создавала падение напряжения на резисторе R_И и не уменьшала за счет этого величину усиливаемого сигнала между затвором и истоком по сравнению со входным напряжением, резистор R_И шунтируется конденсатором C_И. Сопротивление конденсатора на самой низкой частоте усиливаемого напряжения должно быть во много раз меньше сопротивления резистора. При этом условии падение напряжения от тока истока i_И на цепочке R_ИC_И, называемой звеном автоматического смещения, имеет очень небольшую величину, так что по переменной составляющей тока исток можно считать соединенным с общей точкой усилительного каскада.

Выходное напряжение снимается через разделительный конденсатор С₂ между стоком и общей точкой каскада, т.е. оно равно переменной составляющей напряжения между стоком и истоком.

Рассматриваемый усилительный каскад является усилителем напряжения. Величина коэффициента усиления каскада составляет :

Кu = 10 ¸ 100.

Входное сопротивление полевых транзисторов, т.е. сопротивление между затвором и истоком, имеет величину порядка 10⁷ Ом, поэтому входное сопротивление усилителя определяется сопротивлением резистора R_3, который подключен параллельно входным зажимам полевого транзистора: 

R_вх » R₃ = 10⁵ ÷10⁶ Ом. 

Выходное сопротивление современных полевых транзисторов (сопротивление между стоком и истоком) имеет величину порядка 10⁵ Ом, поэтому выходное сопротивление усилительного каскада на полевом транзисторе определяется сопротивлением резистора R_C:

R_вых » R_С = 10³ ÷ 10⁴ Ом.

Таким образом у этого усилителя R_вых << R_вх, что является важным преимуществом усилительного каскада на полевых транзисторах.