2011_3967

ный переход обычно смещают в обратном направлении, эмиттерный же переход может быть смещён как в прямом, так и в обратном направлении.

Подать смещение можно с помощью нескольких источников напряжения, однако чаще применяют цепи смещения, образованные одним источником ЭДС и резисторами.

Выбор положения рабочей точки определяется назначением усилителя, полярностью входного сигнала и диапазоном его изменения. Во всех случаях на режим смещения накладываются ограничения. Ограничением снизу обычно является уменьшение

коэффициента передачи тока β при малых Iк . Ограничением

сверху является потребляемая мощность или же предельно допустимые параметры транзистора Pдоп , Iк.доп или Uкэ.доп . Непо-

средственно выбор рабочей точки производится по статическим характеристикам усилительного элемента.

В реальных схемах рабочая точка может не соответствовать теоретически выбранному положению, так как существует разброс параметров и статических характеристик элементов, а справочные данные, по которым производится расчёт режима, являются типовыми, средними. Уход реальной рабочей точки возможен так же из-за отклонения напряжения источников смещения, старения элементов, влияния изменений температуры окружающей среды на параметры элементов схемы. Поэтому кроме задания нужного смещения, возникает необходимость поддержания заданного режима работы транзистора, что и является задачей стабилизации каскада и усилителя в целом.

Стабилизация и задание режима работы транзистора обычно осуществляется одними и теми же элементами. Эти же элементы являются составной частью входного и выходного сопротивления схемы, что необходимо учитывать при выборе схемы смещения.

Режим смещения характеризуется двумя величинами – начальным током коллектора Iк0 и напряжением между коллектором и

эмиттером Uкэ0 . Нестабильность режима определяется изменением этих величин. Поскольку в конкретной схеме между изменениями

11

Iк и Uкэ имеется однозначная связь, характеристикой нестабильности считают одну издвух величин, а именно ∆Iк .

Наиболее существенной причиной сдвига рабочей точки, как правило, является температурная нестабильность. Основными факторами, определяющими температурную нестабильность транзистора, являются нестабильности теплового тока коллектора

Iк0 , напряжения база-эмиттер Uбэ и коэффициента передачи тока β. В первом приближении для температурной зависимости тока Iк0 напряжения на эмиттерном переходе Uбэ в диапазоне темпе-

ратур 0–50°C как для германиевых, так и для кремниевых транзисторов можно записать соотношения:

Таким образом, с повышением температуры на один градус величина теплового тока коллектора Iк0 увеличивается примерно на

7% от значения, измеренного при начальной температуре, величина напряжения Uбэ уменьшается со скоростью ~2.5 мВ/град.

Отметим также, что у каскадов с германиевыми транзисторами отношение Iб Iк0 =10 −100 , а с кремниевыми – 103 −104 . Поэтому для кремниевых приборов изменение теплового тока ∆Iк0

часто может не учитываться.

В общем случае ток коллектора является функцией многих переменных Iк = Φ(β,Uбэ, Iк0,Ri ,Ei ) , здесь Ei – напряжения источников питания схемы, Ri – резисторы, с помощью которых зада-

ётся ток Iк . Приращение ∆Iк можно найти двумя способами. Один из них сводится к определению ∆Iк как разности Iк2 − Iк1.

При этом используются значения параметров схемы и транзисторов для двух состояний схемы. Второй путь предполагает полу-

чение ∆Iк в виде полного дифференциала по параметрам, зави-

12

сящим от состояния схемы:

Вошедшие в (2.1) частные производные, характеризующие скорость изменения Iк под действием различных дестабилизирую-

щих факторов, называются коэффициентами нестабильности и имеют обозначения:

Второй путь пригоден для относительно узкого диапазона изменений параметров схемы, поскольку он учитывает только ли-

нейную связь между ∆Iк и ∆Iк0 , ∆Uбэ и т.д., которая справедлива лишь в ограниченной области изменения указанных параметров.

МЕТОДЫ СТАБИЛИЗАЦИИ РАБОЧЕЙ ТОЧКИ

Стабилизация рабочей точки почти во всех усилительных схемах достигается соответствующим изменением смещения. «Регулировка» смещения (т.е. необходимое изменение смещения) производится двумя способами: параметрическим – при помощи включения в схему специальных компонентов параметры которых могут изменяться под воздействием дестабилизирующих факторов, и автоматическим – при помощи обратных связей, когда отклонение выходной величины подаётся на вход усилителя и уменьшает изменение выходной величины.

Примером параметрической стабилизации рабочей точки может служить использование термисторов в цепях смещения, позволяющее стабилизировать режим в определённом температурном интервале. На рис. 2.1 показана схема каскада с общим эмиттером с термистором в цепи смещения. Согласно схеме рис. 2.1

Uаб = Eсм Rаб (Rаб + Rt ),

где Rt – сопротивление термистора; Rаб – сопротивление участкаaб.

13

Если выбрать Rt с положительным температурным коэффициентом, то при повышении температуры напряжение Uаб будет

уменьшаться и при соответствующем подборе величины температурного коэффициента можно добиться стабилизации рабочей точки.

Рис. 2.1. Схема каскада с общим эмиттером с термистором в цепи смещения

Параметрический метод стабилизации неудобен тем, что для ликвидации различных нестабильностей требуется не один, а несколько элементов компенсации. Например, несоответствие положения рабочей точки оптимальному из-за разброса параметров активных элементов можно исключить с помощью переменного

резистора или с помощью источника Есм с регулируемым

напряжением, а нестабильность рабочей точки, обусловленную изменением температуры, – путём подбора термистора с соответствующей характеристикой.

Более удобным (более универсальным) методом стабилизации является автоматическая компенсация, при которой смещение автоматически изменяется пропорционально отклонению режимного тока или напряжения от номинального. При этом не важна причина сдвига рабочей точки, и нестабильности всех видов будут одинаково воздействовать на регулирующий элемент. Автоматизм стабилизации достигается использованием внутрикаскадных или межкаскадных обратных связей. При этом смещение изменяется про-

14

порционально величине отклонения выходного тока или напряжения от номинальных значений, сводя это отклонение к минимуму.

Рассмотрим схемы стабилизации при помощи внутрикаскадных обратных связей.

СХЕМЫ СМЕЩЕНИЯ И СТАБИЛИЗАЦИИ РЕЖИМА РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА

На рис. 2.2 (а–г) показаны схемы усилительных каскадов, наиболее часто применяемые на практике.

В простейшей схеме рис. 2.2а никаких мер для обеспечения температурной стабилизации тока коллектора не принято. Эта схема наименее стабильна и получила распространение лишь благодаря своей простоте.

Рис. 2.2. Схемы усилительных каскадов с различными цепями подачи смещения и стабилизации рабочей точки

Для обеспечения необходимой стабилизации коллекторного тока в схемах рис. 2.2 (б–г) применена внутрикаскадная обратная связь по постоянному току. Так, в схеме рис. 2.2б при увеличении

Iк (не важно по какой причине) увеличитсяи Iэ и, следовательно, увеличится падение напряжения на Rэ . В результате напряжение

на переходе эмиттер-база уменьшится, что приведёт к уменьшению токов Iк и Iэ . Для устранения отрицательной обратной связи

(ООС) по переменному току в схему включают конденсатор С1.

15

Чем больше Rэ , тем при меньшей разности токов (Iэ.ном − Iэ) можно достичь необходимого изменения напряжения Uбэ , так как

∆Uбэ Rэ (Iэ.ном − Iэ ). Здесь Iэ.ном – номинальное (режимное) значение тока эмиттера.

Заметим, что при увеличении потенциала эмиттера потенциал базы тоже возрастает, что ослабляет действие обратной связи. Ве-

личина Uб растёт тем меньше, чем меньше значения сопротивлений резисторов R1 и R2 . Однако при этом увеличивается энергопотребление схемы за счёт потерь в R1 , R2 и сопротивлении об-

ратной связи.

В схеме, показанной на рис. 2.2в, для стабилизации тока коллектора применена отрицательная обратная связь по напряжению

спомощью сопротивления Rб , включённого между коллектором

ибазой транзистора. При увеличении тока коллектора возрастает падение напряжения на сопротивлении Rк , вследствие чего по-

тенциал коллектора понижается и снижаются напряжения на сопротивлении Rб и эмиттерном переходе, что приводит к частич-

ной компенсации изменения тока коллектора. Причём, чем больше Rк и меньше Rб , тем при меньших изменениях коллекторно-

го тока будет достигнуто необходимое изменение напряжения база-эмиттер. Отсюда следует, что рассматриваемая схема мало пригодна, например, для усилителей с трансформаторной связью,

так как величина Rк для постоянного тока у них мала. Однако по

сравнению с предыдущей схемой эта схема имеет то преимущество, что Rэ отсутствует, и, следовательно, КПД схемы может

быть выше. Для устранения отрицательной обратной связи по переменному току вводится конденсатор С2 .

В схеме рис. 2.2г стабилизация режима достигается принципиально так же, как и в схеме рис. 2.2б. С ростом тока коллектора

уменьшается Uбэ = Еэ − IэRэ и ослабляется рост тока коллектора.

Входной сигнал в данной схеме подаётся на эмиттер. Однако, если источник сигнала имеет низкое внутреннее сопротивление для

16

постоянного тока (например, вторичная обмотка входного трансформатора), то его можно включить в разрыв цепи базы.

Рассмотренные выше схемы можно сравнить с точки зрения обеспечения стабильности, используя выражение (2.1). Для этого

необходимо выразить ∆Iк через ∆Iк0 , ∆Uбэ , ∆β , ∆Ri , ∆Ei для

каждой схемы и сравнить соответствующие коэффициенты нестабильности.

Определим ∆Iк , используя обобщённую схему усилительного

каскада, показанную на рис. 2.3. Принимая отдельные сопротивления в этой схеме равными нулю или бесконечности, можно получить различные варианты схемы, например, такие, как на рис. 2.2.

Рис. 2.3. Обобщённая схема усилительного каскада

Согласно законам Кирхгофа для схемы рис. 2.3 можно составить уравнения

−βIб + Iк = (1+β)Iк0 ,

R2Iд2 −(R5 + R6)Iб − R5Iк =Uбэ − E2 ,

(R1 + R2 + R3 )Iд2 +(R1 + R3)Iб + R3Iк = E0 − E1 − E2 .

Отсюда

Iк =β[(E0 − E1)R2 +(R1 + R3)E2 −(R1 + R2 + R3)Uбэ]θ+

17

+(1+β)Iк0 [(R1 + R3)R2 +(R1 + R2 + R3)(R5 + R6)]θ , т.е.

S(Iк0 ) = (1+β)[(R1 + R3)R2 +(R1 + R2 + R3)(R5 + R6)]θ,

S(Uбэ ) = −β(R1 + R2 + R3)θ, S(E0 ) =βR2 θ, S(E1) = −βR2 θ,

S(E2 ) =β(R1 + R2 )θ,

S(β) ≈ Iк β− Iк [(R1 + R2 + R3)R5 + R2R3]θ =

=Iк [(R1 + R3)R2 +(R1 + R2 + R3)(R6 + R5)](β θ) ,

θ= R1R2 +(R1 + R2 + R3 )R6 +(1+β)[(R1 + R2 + R3 )R5 + R2R3 ].

Считая резисторы достаточно стабильными (т.е ∆Ri = 0 ), что хорошо выполняется для схем на дискретных элементах, получим:

Величина, вынесенная за фигурные скобки, есть коэффициент

нестабильности S(Iк0) .

Как видно из (2.3), стабильность схемы тем выше, чем меньше

ципом повышения стабильности (как уже отмечалось ранее), является увеличение сопротивления в цепи эмиттера и уменьшение полного сопротивления в цепи базы.

Чтобы получить выражения для S(Iк0) конкретных схем, надо,

сравнивая обобщённую эквивалентную схему (рис. 2.3) с рассматриваемой схемой (рис. 2.2 (а–г)), полагать в (2.3) соответствующие сопротивления равными нулю или бесконечности, а также отбросить члены, учитывающие источники питания схемы рис. 2.3, отсутствующие в конкретной схеме. Например, для схемы рис.2.2а в

выражении (2.3) надо принять R6 , R5 , R3 = 0 , R2 = ∞, Е1 = Е2 = 0 .

18

Результаты такого анализа при β 1 приведены в таблице.

Из приведённых в таблице схем наименее стабильны первая и вторая, а самой стабильной является схема 8.

На первый взгляд может показаться, что в схемах 3 и 4 может быть достигнута одинаковая стабильность. Однако для обеспечения нормального режима работы схемы 4 необходимо применять

Rб Rэ , и стабильность схемы оказывается низкой.

В заключение заметим, что при приближении S к единице для всех схем, приведённых в таблице, уменьшаются КПД и входное сопротивление. Поэтому в реальных схемах величина коэффици-

ента S(Iк0) = 2 −10 .

19

3. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Установка позволяет исследовать четыре схемы стабилизации рабочей точки. Кроме того, в одной из схем с помощью переключателя П3 предусмотрена возможность подключения двух делителей напряжения к базовому выводу транзистора. Номиналы резисторов делителей выбраны так, чтобы потенциалы базы в обоих случаях при подключении первого транзистора оставались неизменными. Переключатель П1 позволяет выбрать исследуемую схему, в с помощью П2 в эту схему включается нужный транзистор. Переключатели П4, П5 и П6 позволяют изменить напряжения соответствующих источников питания. В работе используются

следующие значения напряжений источников питания Eп1 =12 В, Eп2 = 9.5 В, Eк1 = 6 В, Eк2 = 5 В, Eэ1 = 6 В, Eэ2 = 5 В.

4. ЗАДАНИЕ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

Исследовать влияние изменений напряжения источников питания на ток коллектора в усилительных каскадах с различными схемами стабилизации рабочей точки.

1.Подключить к схеме № 2 первый транзистор. Установить

напряжение питания Еп1. Определить Iк(2)1 , здесь (2) – номер схемы, 1 – номер транзистора.

2.Изменить напряжение питания и определить ∆Iк(2)1 ∆Eп .