1.Статический режим усилительных каскадов

Расчет статического режима усилительного каскада состоит в определении постоянных напряжений и токов на выводах транзистора при отсутствии входного сигнала (в т.н. режиме покоя), а также потребляемой мощности. Следует помнить, что при любом количестве каскадов усилителя, режим покоя для каждого каскада – свой. Согласование каскадов, не нарушающее их режимы покоя – это уже следующая задача!

Как известно, существуют несколько классов усилительных каскадов, каждому из которых соответствует свой режим, т.е. положение рабочей точки на входных и выходных характеристиках транзистора.

В нашем случае мы ограничимся классом А, хорошо подходящим для построения предварительных усилителей с малой выходной мощностью. Для усилителя класса А необходимо, при отсутствии входного сигнала, обеспечить такое положение рабочей точки, чтобы транзистор оставался открытым, т.е. находился в нормальном активном режиме, в течение всего периода входного сигнала. Такой усилитель будет обладать весьма малыми нелинейными искажениями. Недостаток усилителей класса А (часто просто говорят «режим А») – низкое значение к.п.д. каскада, т.к. и при отсутствии сигнала через транзистор протекает изрядный ток [1]. Но для предварительных усилителей малой мощности этот недостаток, обычно, не является существенным.

В режиме покоя усилительного каскада, когда нет входного сигнала, нужно правильно выбрать рабочую точку транзистора, т.е. совокупность тока покоя I_К и напряжения покоя U_К (на се­мействе коллекторных характеристик в каскаде ОЭ, изображенных на рис.1.3 - точка А’). Через эту точку, как известно, проходят две линии нагрузки: статическая, R_К (это сопротивление определяет угол  наклона статической линии нагрузки) и динамическая, угол наклона ’ которой определяется величиной R_К||R_Н.

Рис.1.3. Семейство коллекторных характеристик

Рабочая точка выбирается, исходя из заданных максимальных амплитуд выходного напряжения (U_{кэ max}) и связанного с ним тока

[I _{к max} = U_{кэ max} /(R_К||R_Н) ] ,

а именно

; , (1.1)

Где, для упрощения записей, обозначаем U_{кэ max,} как U_m, а I _{к max}, как I_m.

Помимо этого рабочая точка должна удовлетворять условиям

U_KA+U_m<U_Kдоп ; I_KA*U_KA<P_Kдоп (1.2)

т.е. должна лежать левее вертикали U_Kдоп и ниже гипер­болы Р_Кдоп, где U_Kдоп и Р_Кдоп – допустимые напря­жение и мощность.

Если рабочая точка выбрана с нарушением условий (1.1) и (1.2), то при больших значениях входных сигналов выходной сигнал перестает повторять по форме сигнал входной, т.е. появляются искажения сигнала (рис. 1.4.).

Рис. 1.4. Искажения сигнала при неправильном выборе рабочей точки

В случае малого сигнала выполнение соотношений (1.1), (1.2) не встречает затруднений, так что рабочая точка может выбираться из условий максимального коэффициента , максимального динамического диапазона, требований, вытекающих из динамического расчета и т.д. Чаще всего используется режим, рекомендованный в справочниках.

Определив желательные координаты рабочей точки (U_KA, I_KA), нужно обеспечить их в реальной схеме, выбрав соответ­ствующие напряжения источников питания и смещения, а также но­миналы режимных резисторов. Такие расчеты можно выполнить ана­литически.

Ток покоя биполярного транзистора, а следовательно, и по­ложение рабочей точки покоя на нагрузочной прямой определяются параметрами транзистора, которые зависят от температуры.

К таким параметрам относятся [2]: обратный ток коллекторного перехода; интегральный коэффициент передачи тока ; напря­жение на эмиттерном переходе. Изменение указанных параметров транзистора в диапазоне температур вызывает смещение рабочей точки на нагрузочной прямой, что может привести к нелинейным искажениям или отсечке выходного сигнала усилителя. Поэтому при работе транзисторных усилителей в широком диапазоне температур необходимо принять меры по обеспечению стабильности рабочей точки покоя. Наиболее широко применяются отрицательные обратные связи по постоянному току и напряжению.

Для количественной оценки стабильности усилительных кас­кадов, вводится коэффициент нестабильности, показывающий, во сколько раз температурные изменения тока в схеме каскада боль­ше, чем в схеме с идеальной термостабилизацией рабочей точки.

Согласно [2] полное приращение коллекторного тока име­ет вид

.

Величина, вынесенная за квадратные скобки, носит назва­ние коэффициента нестабильности и обычно обозначается буквой S:

, (1.3)

где внешние сопротивления в цепи эмиттера и базы соответственно.

Таким образом, когда задан коэффициент нестабильности схемы S, можно найти необходимое соотношение между резис­торами R_Э и R_Б:

. (1.4)

В случае >>S будем иметь

. (1.5)

Из этой формулы следует, что для обеспечения малых значе­ний S требуется увеличивать отношение R_Э/R_Б. С одной стороны, с увеличением сопротивления резистора R_Э возрастает падение напряжения на нем при протекании эмиттерного тока покоя, что требует повышения напряжения источника питания для обеспечения заданного выходного напряжения. С другой стороны, снижается экономичность каскада, так как на R_Э расходуется мощность, потребляемая от источника питания.

При уменьшении R_Б также возрастает потребляемая мощ­ность и, кроме того, шунтируется входное сопротивление каскада.

Для дальнейшего повышения стабильности рабочей точки кроме обратных связей можно использовать схемы с термокомпенсацией, в которых путем применения термозависимых нелинейных элементов (диодов, терморезисторов) осуществляется непосредственное воз­действие на I_K [3].