Lektsionnye_materialy_osen_2013 (1) / 4 Критерии выбора положения ИРТ

4 Критерии выбора положения исходной рабочей точки

В зависимости от полярности прикладываемых к транзистору напряжений U_бк и U_бэ переходы транзистора могут быть смещены в прямом или обратном направлении (быть открытыми или закрытыми). Поэтому транзистор может находится в одном из 4 возможных состояний или режимов.

1.Оба перехода смещены в прямом направлении. Это режим насыщения. Он характеризуется малым напряжением U_кэ и большим током коллектора.

2.Оба перехода закрыты. Этот режим характеризуется отсутствием тока через транзистор.

3.Прямое смещение эмиттерного перехода и обратное смещение коллекторного перехода. Это активный режим работы, в котором транзистор обладает усилительными свойствами.

4.Обратное смещение эмиттерного перехода и прямое смещение коллекторного перехода. В этом случае коллектор и эмиттер меняются местами, это инверсный режим работы. Транзистор в инверсном режиме практически не обладает усилительными свойствами, поскольку технологически коллекторная и эмиттерная области существенно различны.

Для работы усилительного каскада пригоден только 3 (активный) режим работы. Запрещенные режимы левее линии насыщения и ниже линии отсечки на выходных ВАХ помечены на рисунке 1 штриховкой.

Рисунок 1. Область возможных положений ИРТ

Кроме того область возможных значений выходного тока и напряжения ограничена необходимостью выполнения ряда условий, вытекающих из требования обеспечения надежной и безопасной работы усилительного прибора в схеме. В качестве параметров, определяющих эти ограничения, выступают паспортные данные на транзистор о предельно допустимых значениях выходного тока I_выхmax и выходного напряжения U_выхmax, а также тепловой мощности P_tmax, которую способен выделить (рассеять) транзистор.

При отсутствии сигнала, а также при малой его интенсивности (когда I_вых<<I_вых0) в выходной цепи транзистора выделяется тепловая мощность

Р_t = U_вых0 I_вых0, (2)

где U_вых0, I_вых0 – значения выходного напряжения и тока в ИРТ. Можно выделить область безопасной работы (ОБР) – область выходных ВАХ, в пределах которой выполняются условия I_вых<I_выхmax, U_вых<U_выхmax и P_t<P_tmax. На рисунке границы ОБР выделены штриховкой.

При выборе положения ИРТ следует руководствоваться необходимостью обеспечения безотказной работы усилительных схем. С этой точки зрения требуется, чтобы в процессе усиления сигналов РТ и, в первую очередь, ИРТ не выходили за границы области безопасной работы, т.е. в каскаде выполнялись условия сигнала I_{вых0 <} I_{вых max} и U _{вых0 <} U_{вых max}, а положение ИРТ удовлетворяло условию I_вых0 U_вых0 < P_{t max} (ИРТ находилась бы в пределах не заштрихованных на рисунке 1 областей).

Таким образом при работе усилительного каскада РТ может располагаться внутри незаштрихованной части плоскости выходных ВАХ (рисунок 1). Конкретное ее положение внутри этой области определяется следующими соображениями.

Исходная РТ определяет режим работы каскада на постоянном токе. Ее положение в каскаде на биполярном транзисторе задается током коллектора I_к0 и разностью потенциалов коллектор-эмиттер U_кэ0. В условиях, когда в схеме заданы напряжение источника питания E_п и сопротивление R_н, включенное в выходную цепь транзистора на постоянном токе, положение ИРТ однозначно характеризуется значением тока I_к0, так как вторая координата U_кэ0 в этих условиях может быть вычислена по формуле U_{кэ0 =} E_{п –} I_к0 R_н.

При выборе значений тока I_к0 и напряжения U_кэ0 учитывают ряд обстоятельств. В каскадах усиления слабых сигналов (когда сигнальные изменения ΔI_вых выходного тока I_вых составляют лишь его небольшую часть), значение начального тока I_вых0 выбирают как результат компромисса между возможностью получения хороших усилительных свойств, с одной стороны, и малым токопотреблением – с другой. При этом учитывают, что увеличение токов I_вых0 улучшает усилительные свойства транзистора, но при этом оно вызывает рост его входной проводимости и токопотребления и мощности P_t, выделяемой в транзисторе в виде тепла.

Если к усилителю малых сигналов не предъявляются какие-либо специальные требования, то значение тока I_К0 выбирают в интервале 0,5...5 мА. Исключение составляют случаи построения так называемых микромощных усилителей, где значения тока I_к0 не превосходят десятка микроампер.

Увеличение разности потенциалов между выходными зажимами транзистора, например за счет увеличения напряжения источника питания, улучшает частотные свойства каскада, так как при этом уменьшаются паразитные емкости p-n-переходов и, в первую очередь, проходные емкости коллектор-база и сток- затвор. Но следует иметь в виду, что при больших U_кэ0, приближающихся к предельно допустимым значениям U_кэmax, возрастает вероятность выхода транзистора из строя из-за возникновения электрического пробоя в его структуре. Кроме того, увеличение напряжений U_кэ0 приводит к увеличению мощности P_t и, соответственно, к необходимости применения в каскаде транзистора с повышенной предельно допустимой мощностью рассеяния Р_{t max}. Такие транзисторы обладают большими габаритами, повышенной стоимостью, имеют худшие характеристики по быстродействию и ряду других параметров.

При малых напряжениях U_кэ0 ИРТ приближается к линии насыщения, вследствие чего в каскаде могут возникать нелинейные искажения. В связи с этим в каскадах усиления рекомендуется обеспечивать значения напряжений U_кэ0 не ниже напряжения, определяемого соотношением

; (1)

где U_mmax- наибольшее из возможных сигнальных изменений напряжения на выходе, направленных на уменьшение разности потенциалов U_кэ0. Входящее в (1) напряжение U_mmax должно соответствовать наибольшему из возможных значений выходного тока.

При усилении сигналов большой интенсивности часто необходимо обеспечить возможность получения на выходе каскада предельных сигнальных изменений тока и напряжения, соизмеримых с I_выхmax и U_выхmax. В указанных условиях выбор положения ИРТ осуществляют с учетом полярности сигнала и его формы. При этом, в случае, когда ожидаемые сигнальные изменения тока на выходе транзистора двунаправлены, т.е. имеют как положительные, так и отрицательные приращения, например, соответствуют синусоидальному закону, то ИРТ располагают в середине усилительной области таким образом, чтобы

I_вых0 (I_{выхmax +} I_нач)/2; U_вых0 (U_{выхmax +} U_нач)/2. (2)

Данная ситуация отражена на рисунке 2.

Рисунок 2. Выбор положения ИРТ при усилении двунаправленных сигналов большой интенсивности.

Рассмотренные рекомендации соответствуют случаю, когда ограничения по мощности Р_tmax не играют существенной роли, а сопротивление нагрузки R_н близко к оптимальному значению R_нopt. Положение ИРТ, соответствующее (2), обеспечивает возможность получения выходного сигнального тока и напряжения с амплитудами I_m и U_m, достигающими предельных значений (рисунок 2)

В случае усиления однонаправленных сигналов ИРТ располагают при одном из крайних возможных значений тока усилительной области ВАХ, т.е. таким образом, чтобы I_вых0 I_{вых max} (ИРТ 1 на рисунке 3) либо I_вых0 I_нач (ИРТ 2 на рисунке). При таких положениях ИРТ обеспечивается возможность получения наибольших амплитуд импульсного сигнала I_{m max} (I_{вых max –} I_нач) и U_{m max} (U_{вых max –} U_нач). Конкретный выбор из двух возможных положений ИРТ зависит от соотношения полярности сигнала и типа проводимости транзистора.

Если это сочетание таково, что все сигнальные воздействия направлены на увеличение тока в транзисторе, то ИРТ располагают при минимально возможных значениях тока на выходе, т.е. при I_вых0 I_нач. В противном случае – при значениях I_вых0, приближающихся к I_{вых max}. Последний вариант менее желателен, так как при нем каскад обладает повышенным токопотреблением.

Рисунок 3. Положение ИРТ при усилении однонаправленных сигналов большой интенсивности.

В процессе синтеза схемы усилительного каскада этого нежелательного варианта можно избежать за счет применения транзистора с определенным типом проводимости, либо путем обеспечения определенной полярности усиливаемых сигналов.

Рисунок 4. Схема усилительного каскада сигналов положительной полярности

Например, каскад, построенный по схеме рисунке 4 с использованием в нем транзистора n-p-n типа, может работать в режиме малого токопотребления, если подлежащие усилению в нем сигналы имеют положительную полярность, т. е. полярность, направленную на увеличение выходного тока.