568_Arkhipov_s._N._Skhemotekhnika_telekommunikatsionnykh_ustrojstv_

П6. Схемы питания и стабилизации режима транзистора

Транзисторам свойственна сильная зависимость параметров от ряда дестабилизирующих факторов, к которым относятся:

1. Изменение температуры коллекторного p-n-перехода БТ вследствие изменений температуры окружающей среды Токр.ср, а также из-за возможного «саморазогрева» БТ вследствие протекания постоянных токов и рассеива-

ния на коллекторе мощности Рк. При возрастании тока коллектора возрастает температура p-n-перехода, приводит к изменению характеристик транзистора, что увеличивает ток коллектора и т. д.;

2.Старение БТ и других элементов схемы;

3.Замена БТ (и других элементов), при которой проявляется значительный технологический разброс параметров. В частности, транзисторы имеют разброс статического коэффициента усиления по току h21э достигающий зна-

чений h21э.max 5 10 раз; h21э.min

4. Изменения напряжения источников питания.

Одним из основных факторов, приводящих к нестабильности режима работы транзистора, является зависимость от температуры ряда параметров транзистора и, в первую очередь, обратного (неуправляемого) тока коллектора Iкб0. У германиевых маломощных транзисторов ток Iкб0 при комнатной температуре может достигать 10–15 мкА. В зависимости от изменения температуры он растет по показательной кривой и увеличивается примерно в 2 раза при повышении температуры на каждые 10 C:

где Iкб0(Тп спр) – значение наибольшего обратного тока, указанное в справочнике для температуры перехода Тп спр;

Тп мах – наибольшая рабочая температура коллекторного перехода:

Тп мах =Токр.ср + Rпс Рк , где Rпс [ С/Вт] – тепловое сопротивление «пере- ход-среда», показывающее, на сколько нагреется p-n-переход при увеличении рассеиваемой мощности на 1 Вт, другими словами характеризует эффективность отвода тепла от p-n-перехода в окружающую среду.

У кремниевых маломощных транзисторов ток Iкб0 значительно меньше, чем у германиевых. Он составляет при комнатной температуре 0,05–5 мкА. Но его зависимость от температуры значительно сильнее: он увеличивается примерно в 3 раза при повышении температуры на каждые 10 C:

72

Влияние разброса параметров учитывают при проектировании аппаратуры, чтобы любой транзистор данного типа был способен работать в схеме без дополнительной регулировки режима. Обычно ограничиваются учетом разброса коэффициента усиления по току h21э. Разброс параметра h21э у современных транзисторов обычно составляет 5–10 раз. Расчет стабилизации режима работы обычно проводится для наихудших условий (Iкб0 макс и h21э макс). В данной работе учет разброса h21э не учитывается. Поэтому в расчетах следует полагать:

Увеличение h21э и Iкб0 при повышении температуры вызывает увеличение тока коллектора iк0. Точка покоя при этом перемещается вверх по нагрузочной прямой постоянного тока, в результате чего снижается напряжение в

точке покоя uкэ0.

В резисторном каскаде допускают перемещение точки покоя до

uкэ0 мин uт вых + (1 2)В, иначе наблюдается резкое снижение коэффициента усиления, и возникают нелинейные искажения.

Рассмотрим количественное соотношение для исследуемых схем. В схеме рис. П.5.1 ток базы iб0 протекает через эмиттерный переход и сопротивление Rб и определяется выражением

то есть он не зависит от параметров и характеристик транзистора. Поэтому схему рис. П6.1 называют схемой с фиксированным током базы (ФТБ).

Еп

+

Rист Ср1

Rн

Еист

Рис. П6.1. Принципиальная схема каскада с ФТБ

Обратный ток коллекторного перехода Iкб0 проходит через эмиттерный переход и усиливается в h21э раз. Максимальное значение постоянного коллекторного тока в схеме с ФТБ определяется выражением:

73

На рис. П6.2 показаны характеристики прямой передачи транзистора при комнатной и повышенной температуре. В схеме с ФТБ новое значение коллекторного тока в точке покоя (точка 2) будет значительно больше, чем в исходной точке 1. Схема с ФТБ обладает самой худшей стабильностью из всех известных схем, так что даже при относительно небольших повышениях температуры точка покоя может попадать в область насыщения транзистора. При этом работа усилителя нарушается, и возникают нелинейные искажения.

Принцип стабилизации состоит в том, что при увеличении тока iк0 в схеме должно автоматически уменьшаться напряжение смещения Uбэ0 (и, следователь-

но, уменьшаться ток iб0), а это приведет к меньшему изменению величины iк0

Рис. П6.2. Характеристики прямой передачи транзистора при нормальной и повышенной температуре

74

Работа схем стабилизации основана на использовании различных видов обратной связи по постоянному току. Лучшими показателями, по сравнению с ФТБ обладает схема коллекторной стабилизации (КС), приведенная на

рис. П6.3. В этой схеме Rк подключено непосредственно к коллектору транзистора, что приводит к созданию ООС по постоянному току. На сопротивлении

Rк возникает напряжение, пропорциональное току iк0. При появлении прира-

щения тока iк0 возникает падение напряжения uRк, что приводит к уменьше-

нию напряжения смещения uбэ0 и тока базы iб0. В результате начальное приращение тока iк0 в значительной мере компенсируется.

Еп

+

Rист Ср1

Rн

Uист

Рис. П6.3. Принципиальная схема каскада с коллекторной стабилизацией

Приращение коллекторного тока в схеме с КС равно:

где iк0 ФТБ определяется формулой (П6.5); F*пар= – глубина ООС по постоянному току в схеме с КС.

Данная обратная связь будет параллельной по выходу (по напряжению) и параллельной по входу:

Величина Rб в данной схеме равна:

На схеме лабораторной установки (рис. 3.1) в схеме с коллекторной стабилизацией применяется емкость С6 для устранения отрицательной обратной связи по переменному току. При этом сопротивление в цепи базы разбивается

75

на два: Rб = Rб1 + Rб2, и емкость С6 ставится между ними (для предотвращения шунтирования по переменному току входной и выходной цепей усилителя). Входное сопротивление усилительного элемента Rвх.УЭ для маломощных транзисторов составляет (1…3) кОм.

Коллекторная стабилизация более проста и экономична, но имеет худшую стабилизацию по сравнению с эмиттерной и удовлетворительно действует

лишь при большом падении питающего напряжения на сопротивлении Rк

(0,5 Еп и выше).

Наиболее распространенной является схема эмиттерной стабилизации, показанная на рис. П6.4. В этой схеме для создания ООС по постоянному току в

цепь эмиттера включено сопротивление Rэ, через которое проходит ток iк0.

Еп

Рис. П6.4. Принципиальная схема каскада с эмиттерной стабилизацией

Пусть, например, дестабилизирующие факторы (повышение температуры или замена транзистора и др.) вызвали приращение тока iк0 (рис. П6.2). На

сопротивлении Rэ возникнет приращение напряжения uRэ = i к0Rэ, которое является напряжением ООС. Это приращение действует во входной цепи тран-

зистора, уменьшая ток базы. С увеличением Rэ возрастает напряжение ООС и ее глубина. Напряжение ООС подается на вход транзистора через сопротивления делителя цепи базы (рис. П6.5).

Еп Rб

Рис. П6.5. Действие сигнала обратной связи на входную цепь транзистора в схеме с ЭС при медленных изменениях выходного тока

76

Чем меньше сопротивления делителя Rб1 и Rб2, тем большая часть сигнала ОС передается на вход транзистора, т. е. больше глубина ОСС и лучше стабилиза-

ция. Однако выбирать очень малыми сопротивления Rб1 и Rб2 нельзя, т. к. они сопротивления шунтируют вход усилительного элемента, что уменьшает управляющий транзистором сигнал (между базой и эмиттером) и, следовательно, усиление.

Изменение тока коллектора в схеме с ЭС можно рассчитать по формуле:

где iк0 ФТБ определяется формулой (П6.5); F*посл= – глубина ООС по постоянному току в схеме с ЭС.

В соответствии с классификацией, данная обратная связь будет последовательной по выходу (по току) и последовательной по входу:

Чтобы ООС не уменьшала усиление схемы по переменному току, параллель-

но Rэ устанавливают конденсатор Сэ достаточно большой емкости. Эта емкость шунтируют по переменному току Rэ. При этом остается ООС только по постоянному току, наличие которой и обеспечивает стабилизацию режима. Однако сле-

дует учитывать, что емкость Сэ вызывает появление дополнительных частотных искажений на низких частотах.

77

П7. Построение временных диаграмм токов и напряжений для каскада на транзисторе

Временные диаграммы токов и напряжений в цепях исследуемых каскадов позволяют углубить представление о процессах, происходящих в усилителе. Построение временных диаграмм токов и напряжений базируется на предварительном изучении свойств транзистора, вида входных и выходных характеристик, а также путей прохождения постоянных и переменных токов. При составлении диаграмм предполагается, что общий провод заземлен и имеет нулевой потенциал, а все конденсаторы, находящиеся в схеме, имеют по переменному току сопротивление, близкое к нулю. Построение временных диаграмм производится в следующей последовательности:

1.Изображается диаграмма одного полупериода напряжения на входе каскада.

2.Строятся диаграммы соответствующего полупериода напряжения и тока на входном электроде транзистора.

3.Строятся диаграммы соответствующей полупериода напряжения и тока

взаданной точке схемы.

При построении диаграмм токов и потенциалов сначала изображается постоянная составляющая тока (по абсолютной величине) и напряжения (с учетом знака) в данной точке, а затем учитывается сигнал, вызывающий отклонение от постоянной составляющей.

Рассмотрим конкретный пример. Пусть требуется построить временные диаграммы токов и напряжений в точках «2» и «3» в схеме (рис. П7.1).

Рис. П7.1. Схема резисторного каскада с эмиттерной стабилизацией

На вход воздействует синусоидальное напряжение (рис. П7.2, а). На схеме (см. рис. П7.1) изображен транзистор типа p-n-p, для которого питание переходов обеспечивается при отрицательном Е0. Токи iб0 и iк0 текут от плюса к минусу.

78

Рис. П7.2. Временные диаграммы каскада на биполярном транзисторе, изображенного на схеме П.6.1.

79

Потенциал в точке «1» равен: Uб = Uбэ0 + (iк0 + iб0)Rэ. При указанной полярности источника питания он будет отрицательным. Переменное напряжение от источника сигнала через разделительный конденсатор поступает на вход транзистора. При положительной полуволне входного сигнала отрицательный потенциал в точке «1» (на базе транзистора) будет уменьшаться (риc. П7.2, б), тогда будет снижаться и напряжение на переходе база-эмиттер, а следовательно, с учетом свойств входной характеристики транзистора iб = f(Uбэ0), ток базы будет также уменьшаться.

При отрицательной полуволне входного сигнала, наоборот – увеличивается смещение на транзисторе, и ток базы будет возрастать. Поэтому временная диаграмма тока в точке «1» имеет вид (рис. П7.2, в).

В точках «2» и «3» ток коллектора iк будет также уменьшаться, поскольку он прямо пропорционален току базы. Вид временных диаграмм токов в точках

«2» и «3» аналогичен диаграмме тока iб и отличается лишь масштабом

(рис. П7.2, г, е).

Так как Rэ шунтируется емкостью, имеющей по переменному току сопротивление, близкое к нулю, то переменное напряжение на этом участке цепи не выделяется и переменный потенциал в точке «2» отсутствует (см. рис. П7.2, в). Потенциал в точке «3» включает в себя напряжение на транзисторе, поэтому, воспользовавшись законом Кирхгофа, определим потенциал на коллекторе (точка 3) из выражения Uк = Еп – iкRк. Так как Еп = const, а ток коллектора уменьшается (см. рис. П7.2, г), то потенциал в точке 3 будет увеличиваться. Таким образом, временная диаграмма потенциала в точке 3 имеет вид

(рис. П7.2, д).

На рис. П7.2, а–д (справа) показаны временные диаграммы для транзистора типа n-p-n. Аналогично можно построить временные диаграммы для других схем включения и питания транзистора.

80