5.2. Схемы смещения рабочей точки

Для правильной работы усилителя с малыми нелинейными искажениями переход эмиттер – база транзистора должен быть открыт, т.е. к этому переходу должно быть приложено открывающее напряжение. На рис.14 изображена схема усилителя с общей базой на транзисторе p–n–pтипа. Напряжение смещения не подано.U_бэ0=0.

На рис.15а показано напряжение, подаваемое на вход усилителяU_вх=U_эб. Во время положительной полуволны на эмиттер транзистора подается положительный потенциал “+” относительно базы. При этом эмиттерныйp–nпереход открывается и его сопротивление уменьшается. Дырки из эмиттера инжектируются в базу и далее проходят в коллектор. На электроде коллектора дырки рекомбинируют с электронами, приходящими из внешней цепи. При этом через сопротивление нагрузкиR_кпротекает коллекторный ток и величина выходного напряженияU_вых=I_кR_к. Во время отрицательного полупериода входного напряжения (на эмиттере “–” относительно базы) переход эмиттер – база закрывается и его сопротивление увеличивается. Дырки из эмиттера не попадают в базу и в коллектор. Ток коллектора отсутствует, что видно из рис.15б. Далее весь процесс повторяется. Эпюры выходного напряжения приведены на рис.15в.

Из рис.15в видно, что выходное напряжение усилителя состоит только из положительных полупериодов синусоидального сигнала, т.е. имеются большие нелинейные искажения.

На рис.16 представлена схема усилителя с ОБ, которая отличается от схемы рис.14 тем, что p–nпереход эмиттер–база транзистора смещен в прямом направлении с помощью батарейкиE_см0,6В. На рис.17а показано напряжениеU_вх, приложенное ко входу усилителя. Причем до момента времениt₀подано только напряжение смещения Е_см, а начиная с моментаt₀– напряжение смещения и напряжение с генератора. На рис.17б и в изображены временные диаграммы токаI_к и напряженияU_вых=I_кR_к. До моментаt₀через транзистор протекает постоянный ток дырокI_к0и на нагрузке выделяется постоянное напряжениеU_вых=U_к0=I_к0R_к.Начиная сt=t₀на нагрузке образуется как постоянное, так и переменное напряжение. Благодаря наличию постоянного напряжения ток коллектора может не только возрастать, как это было в случае усилителя без смещения (см. рис.14), но и уменьшаться (см. рис.17б). Из рис.17в видно, что выходное напряжение усилителя, не имеет существенных нелинейных искажений.

Источником напряжения смещения может служить батарея или маломощный выпрямитель. На рис.12 показано включение такого источника в цепь базы. Однако более удобно для смещения использовать небольшую часть напряжения источника питанияЕ. На рис.18 показано смещение рабочей точки в усилительных каскадах с ОЭ. Различают два основных способа подачи напряжения смещения: фиксированным током базы и фиксированным напряжением. При смещении фиксированным током базы (рис.18 а) база транзистора соединяется с источникомЕчерез сопротивлениеR_б. При отсутствии напряжения сигнала на входе (U_вх=0) по цепи +ЕR_бэмиттерный переход транзистораVT–Епротекает постоянный токI_б0. На рис.18а напряжениеЕфактически приложено к делителю напряжения, состоящему из двух сопротивлений: резистораR_би сопротивленияr_эучастка база–эмиттер транзистораVT. Падение напряжения на резистореR_б:Е–U_б0=I_б0R_б. Отсюда можно найти необходимую величинуR_б=(Е–U_б0)/I_б0. Приh_21э=100 и I_к=5мАI_б=5мА/100=0.05мА=50мкА. ЕслиЕ=10В, аU_б0=0.6В, тоR_б=(10В–0,6В)/50мкА=188кОм. Выбираем ближайшее значение резистораR_б=180кОм.

На рис.18б показано, как подается смещение фиксированным напряжением. В цепь источника питания Евключен делитель напряженияR₁ R₂. Ток делителяI_д, протекающий по цепи +ЕR₁R₂–Е, создает на сопротивлении R₂необходимое падение напряженияU_б0. СопротивленияR₁ R₂выбирают так, чтобы ток делителяI_дбыл на порядок больше тока базыI_б0. СчитаемI_б0=50мкА, тогда ток делителяI_д=0.5мА, отсюдаR₁+R₂=Е/I_д=10В0.5мА=20кОм. ПосколькуU_б0=0,6В, тоR₂=U_б0/I_д=1.2кОм иR₁=18.8кОм. Выбираем ближайшее значение резистораR₂=18кОм.

При повышении температуры изменяется проходная характеристика транзистора, как показано на рис.19. При этом положение рабочей точки смещается с середины его линейного участка. При неизменных значениях напряжения питания Еи напряжения смещенияU_б0с ростом температуры падает внутреннее сопротивление транзистора и растет ток коллектора сI_к0доI_к0. Увеличение тока коллектора, в свою очередь, приводит к дальнейшему разогреву транзистора и еще больше увеличиваетI_к0. Это может вывести транзистор из строя, если мощность, выделяемая в коллекторном переходе, становится больше допустимой.

Для существенного ослабления влияния температурных изменений на работу схемы, применяют специальные методы температурной стабилизации. На рис.18в представлена схема с параллельной отрицательной обратной связью по напряжению. При увеличении температуры ток коллектора I_кувеличивается, что сопровождается увеличением падения напряжения на резистореR_кU_Rк=I_кR_ки уменьшением напряжения на транзистореU_к=Е–U_Rк. Поскольку напряжение на делителеU_д=U_к, то уменьшается падение напряжения наR₁иR₂и ток делителяI_д. Падение напряжения наR₂(напряжения смещения)U_б0=I_дR₂уменьшается до величиныU*_б0, что приводит к падению коллекторного тока сI_к0доI_к0(рис.19). Эта схема действует эффективно при больших сопротивленияхR_к, при которых падение напряженияU_Rксоставляет примерно половину напряжения питанияЕ.

На рис.18.г приведена наиболее часто используемая схема с температурной стабилизацией точки покоя. В этой схеме использована последовательная отрицательная обратная связь по току. Напряжение смещения база–эмиттер U_бэ=U_б–U_э. При правильно выбранном токе делителяI_днапряжение на базе U_бне зависит от токаI_би температуры. При увеличении температуры токи эмиттера и коллектора увеличиваются. Напряжение на эмиттереU_э=I_эR_эувеличивается, а напряжение смещенияU_бэуменьшается. При этом рабочая точка остается вблизи середины линейного участка проходной характеристики.

В схемах рис.18г и в одновременно с ООС по постоянному току возникает ООС и по переменному току. На рис.20а изображено переменное напряжение U_вх, подаваемое на вход схемы рис.18г (постоянные составляющие напряжений и токов на рис.20 не показаны). При этом переменная составляющая тока коллектора (и эмиттера) изменяется в фазе с входным напряжением, что показано на рис.20б. Переменная составляющая напряжения на резистореR_эU_э=I_эR_э. Переменное напряжениеU_бэ, управляющее работой транзистора, равно разности напряжений U_вхиU_эU_бэ=U_вх–U_э. Это сложение показано на рис.20а. Таким образом, включение резистораR_эприводит к появлению последовательной ООС по переменному и постоянному току. Эта ООС уменьшает нелинейные искажения, улучшает частотные свойства транзистора, но уменьшает коэффициент усиления. Коэффициент обратной связи=R_эR_к. Например, еслиR_к=10кОм, аR_э=1кОм, то коэффициент ООС= 0.1 (10%), т.к. 0.1 часть выходного сигнала подается в противофазе (со входным сигналом) на вход транзистора. Коэффициент усиления усилителя с ООСК_=К(1+К), здесьК– коэффициент усиления каскада без ООС. ЕслиR_э=R_к, то=100%. Если жеR_к=0, и вся нагрузка включена в цепь эмиттера, то коэффициент ООС=100%. Выходное напряжение в этом случае снимается с эмиттера, а каскад будет называтся усилителем с ОК (эмиттерный повторитель).

Если потеря усиления переменного напряжения нежелательна, то резисторR_эследует зашунтировать конденсаторомС_э(рис.21), сопротивление которогоZ_Сэ=1/С_эв полосе пропускания усилителя много меньше (более чем в 10 раз) сопротивленияR_э. Например, для усилителя звуковых частотf_н=20Гц иR_э=200Ом, величинаС_э10.1R_э2f_н40мкФ.

На рис.21 изображен усилитель, состоящий из четырех каскадов, показанных на рис.18. Здесь напряжение с выхода первого каскада подается на вход второго, с выхода второго – на вход третьего, а с выхода третьего – на вход четвертого.Коэффициент усиления по напряжению четырехкаскадного усилителя равняется произведению коэффициентов усиления отдельных каскадовK=K₁∙K₂∙K₃∙K₄. На рис.21 показаны также коллекторные и эмиттерные токи каскадов.