Lektsionnye_materialy_osen_2013 (1) / 5 Принципы обеспечения заданного положения ИРТ

5 Принципы и схемы обеспечения заданного положения ИРТ

Важнейшими требованиями, которым должна отвечать схема современного электронного устройства, являются его серийнопригодность и возможность изготовления этого устройства при минимальном числе настроечно-наладочных операций. Условию высокой серийнопригодности в первую очередь отвечают такие усилительные схемы, в которых обеспечена высокая стабильность работы на постоянном токе, малая зависимость этих режимов от свойств конкретного транзистора и условий его работы.

В соответствии с физикой работы биполярного транзистора его можно рассматривать как усилительный прибор, управляемый током. Поэтому имеются стремления задавать положение ИРТ за счет выбора определенного значения тока базы I_б0, например, как это реализовано в схеме, приведенной на рисунке 1а. Эту схему можно рассматривать как схему с фиксированным током базы, т. е. таким, который практически не зависит от свойств конкретного транзистора и воздействия дестабилизирующих факторов. Указанная независимость обусловлена тем, что сквозная передаточная ВАХ биполярного транзистора, представляющая функциональную связь напряжения база-эмиттер U_бэ с током коллектора I_к (рисунок 1б), подобна ВАХ стабилитрона, т. е. такова, что напряжение U_бэ при любом токе коллектора практически неизменно, поскольку указанная зависимость имеет логарифмический характер

, (1)

где m – параметр, значение которого близко к единице при малых значениях тока I_к и достигает 2...5 при значениях I_к, приближающихся к максимально допустимым; I_оэ – обратный ток насыщенного перехода база-эмиттер; В – температурный потенциал.

Пример 1. Определить крайние значения напряжения U_бэ, соответствующие изменениям коллекторного тока от I_к01= 0,5 мА (m = 1) до I_к02= 50 мА (m = 1,2) для транзистора, у которого I_оэ = 7 10^–15 А.

Решение: В соответствии с (1)

В;

В.

Рисунок 1. Схема с фиксированным током базы

В каскадах на кремниевых транзисторах малой и средней мощности эта разность потенциалов имеет значение, приблизительно равное 0,7 В. В дальнейшем это приближенное значение напряжения U_бэ, соответствующее работе транзистора в режиме усиления сигналов, будем называть номинальным напряжением база-эмиттер и обозначать U_бэ0.

Значение номинального напряжения в малой степени зависит от свойств конкретного транзистора. Сказанное иллюстрирует рисунок 1б, на котором, помимо основного графика, отвечающего типовому значению тока A, нанесен штриховой линией график, отвечающий на порядок большему значению этого тока (для А). Графики построены в соответствии с соотношением (1). Следует отметить, что значения тока I_оэ пропорциональны площадям базо-эмиттерных переходов. В процессе изготовления партии однотипных транзисторов вариации этих площадей и, соответственно, тока I_оэ существенно меньше десятикратных, поэтому отображенные на рисунке 1б изменения хода ВАХ больше, чем те, которые наблюдаются на практике.

Технологические и температурные вариации ∆U_бэ напряжения U_бэ0 обычно не превосходят 50...70 мВ. B связи с этим, пренебрежимо малыми оказываются и возможные вариации ∆I_б тока базы I_б0 (для схемы на рисунке 1а , и так как обычно E_п-U_бэ>>∆U_бэ, то ∆I_б/I_б<<1).

Несмотря на простоту организации и кажущуюся очевидность заложенных принципов функционирования, схемы с фиксированным током базы не находят широкого применения, т. к. они не могут обеспечить высокой стабильности и определенности положения ИРТ. Это связано с тем, что у биполярных транзисторов наблюдается существенный разброс значений коэффициентов передачи B тока базы, и так как , то при фиксированном токе I_б0 токи I_к0 в различных экземплярах усилительных схем при бесподстроечной технологии их изготовления могут существенно отличаться. Таким образом, рассмотренный принцип обеспечения заданного положения ИРТ не может гарантировать возможность получения серийнопригодных усилительных схем, поскольку стабилизации должен подвергаться ток коллектора, а не ток базы.

На рисунке 2 приведена так называемая схема эмиттерно-базовой стабилизации, с помощью которой при определенных условиях в каскадах усиления обеспечивается высокая стабильность и определенность тока коллектора I_к0. В ней потенциал базового вывода транзистора питается от низкоомной цепи, например, от резистивного делителя, относительно которого выполняется условие , благодаря чему при фиксированных значениях питающих напряжений E_п+ и E_п- потенциал базы U_б0 практически не зависит от тока базы I_б0, т. е. от свойств конкретного транзистора, что и дает основания называть эту схему схемой с фиксированным потенциалом базы.

Рисунок 2. Схема с фиксированным потенциалом базы

Разность потенциалов U₀ = U_бэ0–E_п- на резисторе R₂ в этих условиях также не зависит от свойств конкретного транзистора, при этом в соответствии с той ролью, которую играет эта разность потенциалов в обеспечении заданного значения тока I_к0, ее можно назвать токозадающей разностью потенциалов. В дальнейшем эту разность потенциалов будем обозначать U₀. Очевидно, что для создания тока в транзисторе значение разности потенциалов U₀ должно быть не ниже номинального напряжения U_бэ0.

С точки зрения обеспечения в схеме на рисунке 2 стабильного и определенного тока I_к0 существенным является то, что при работе биполярного транзистора в режиме усиления сигналов разность потенциалов U_бэ0 база-эмиттер в малой степени зависит от тока коллектора, поскольку эта зависимость по характеру приближается к логарифмической, определяемой соотношением (1). В результате можно считать, что в каскаде на биполярном транзистор потенциал U_б0 передается (транслируется) к его эмиттеру за вычетом номинального напряжения U_бэ0, которое для кремниевых транзисторов приблизительно равно 0,65...0,70 В (см. рис. 1.13). Благодаря этому, независимо от свойств конкретного транзистора,

. (2)

Из (2) и проведенного рассмотрения следует, что при данной токозадающей разности потенциалов U₀ в условиях, когда U_кэ0>U_нач, а I_дел>>I_б0, вариации значения сопротивления R₀ в схеме рис. 3.2 практически не вызывает изменений напряжения U_R0 на этом сопротивлении. Ток же, протекающий через это сопротивление и, соответственно, через коллекторно-эмиттерную цепь транзистора, вследствие этого оказывается пропорциональным значениям сопротивления R₀.

Указанные свойства наблюдаются практически во всем диапазоне возможных вариаций выходных транзисторных токов и напряжений, соответствующих линейной (усилительной) области ВАХ, т. е. при разностях потенциалов U_кэ0 коллектор-эмиттер, больших начального напряжения U_нач. Вследствие этого в ходе применения соотношения (2) необходимо убедиться в выполнении условия , так как только при выполнении этого условия соотношение (2) остается в силе.

Существуют другие варианты построения схемы с фиксированным потенциалом базы, в которых значение этого потенциала определяет не базовый делитель, а выходной потенциал предшествующей схемы или нулевой потенциал в схемах с двуполярным питанием (рисунок 3). По первому принципу организуют работу каскадов в многокаскадных схемах с непосредственными и гальваническими межкаскадными связями. В частности, в соответствии с этими принципами входной каскад усилителей постоянного тока (УПТ) при отсутствии сигнала работает при нулевом значении токозадающего потенциала (при U_б0 = 0).

Важной технической задачей, решаемой при проектировании усилительных схем, является обеспечение возможности их бесподстроечного выпуска в условиях наличия разброса характеристик у транзисторов, используемых при изготовлении этих схем. Основным фактором, обуславливающим неопределенность режимов работы на постоянном токе схемы на рисунке 2, является разброс транзисторов по параметрам U_бэ0 и I_оэ.

Рисунок 3. Варианты схем с фиксированным потенциалом базы

Из (2) следует, что отклонения ∆I_к коллекторного тока I_к0 из-за вариаций ∆U_бэ разности потенциалов U_бэ0 тем меньше, чем большее значение сопротивления имеет резистор R₀, а именно

; . (3)

Поэтому с точки зрения стабильности и определенности положения ИРТ желательно, чтобы выбор значений R₀ и U_э0 обеспечивал выполнение условий R₀>>∆U_бэ/I_э0 и U_э0>>∆U_бэ. Обычно приемлемая определенность тока коллектора в отдельно взятом каскаде, организованном по схеме рисунка 2, наблюдается при значениях напряжения U_э0, превышающих 1...2 В.

Из (1) и (3) следует, что в этой схеме вариации параметра I_оэ в пределах от I_оэ1 до I_оэ2 приводит к изменениям тока коллектора, которые можно оценить по формуле

. (4)

Таким образом, с точки зрения обеспечения стабильности и определенности тока I_к0, малой зависимости этого тока от конкретных свойств транзистора и возможных температурных изменений желательно, чтобы в схеме на рисунке 2 выполнялись соотношения U_э0>>∆U_бэ и , где .

Соотношение (2) является исходным, как при анализе работы каскада на постоянном токе (определении тока I_к0 при заданных значениях резистивных элементов схемы), так и при решении задач синтеза схемы (выборе значений этих элементов, обеспечивающих требуемое положение ИРТ).

Формулы (2)…(4) соответствуют линейному режиму работы транзистора, поэтому при их практическом применении следует убедиться в том, что транзистор не находится в состоянии насыщения, т. е. разность потенциалов U_кэ0 превышает начальные значения U_нач.

Пример 1. Определить в схеме на рисунке 2 значение тока коллектора, если Е_п=10. В, R₁=7 кОм, R₂=3 кОм, R₀=1 кОм, R_к=1 кОм. В каскаде использован кремниевый транзистор с .

Решение

1. Ориентировочное значение потенциала базы, задаваемого делителем R₁R₂

В.

2. Потенциал эмиттера

В.

3. Искомое значение тока коллектора

мА.

4. Проверим выполнение условий I_дел >> I_б0, U_кэ0 > 1...5 В:

мкА,

мА,

В.

т. е. условия I_дел >> I_б0, U_кэ0 >1...5 В выполняются.

Пример 2. Определить в схеме на рисунке 2 при R₀ = 1 кОм диапазон возможных вариаций ∆I_К тока коллектора, если при изготовлении серии усилителей использована партия транзисторов со значениями тока I_оэ, лежащими в пределах от А до А.

Решение

С помощью (4), приняв, получаем

мкА.