Министерство образования Республики Беларусь УО «Брестский государственный политехнический колледж»

Основы электроники и микроэлектроники

Раздел 4. Основы электронной схемотехники

Тема 4.3. Режимы работы усилительных элементов по постоянному току

г.Брест

4.3.1 Питание усилительных элементов

Питание усилительных элементов в усилительных каскадах осуществляется от выпрямителей и от химических источников тока.

Цепи питания должны обеспечивать: заданный режим работы усилительного элемента по постоянному току; стабилизацию ре­жима работы усилительного элемента, т. е. уменьшать воздейст­вие дестабилизирующих факторов [4].

В многокаскадных маломощных усилительных устройствах обычно используется один выпрямитель, к которому выходные це­пи подключаются параллельно. Для уменьшения влияния одного каскада на другой через общие цепи питания применяют развязы­вающие фильтры. В мощных усилителях обычно используют нес­колько отдельных источников. Переносные усилители питаются от гальванических элементов, аккумуляторов.

На электроды усилительного элемента надо подавать два на­пряжения: постоянное напряжение на выходной электрод и посто­янное напряжение (смещения) на управляющий электрод.

Постоянное напряжение на коллектор транзистора можно подавать двумя способами: последовательно и па­раллельно с нагрузкой [4].

Последовательная схема питания выходной цепи усилительно­го элемента приведена на рисунке 4.11, а. В этой схеме в качестве усилительного элемента применен транзистор p-n-p типа. В качестве усилительных элементов могут также использоваться транзисторы n-p-n типа или полевые транзисторы. В этой схеме постоянная сос­тавляющая тока выходной цепи I_кп (I_ко) протекает от положительного полюса источника питания (Е_к) через транзистор (эмиттер—ба­за—коллектор), резистор нагрузки R_н к отрицательному полюсу источника. Протекая через резистор R_н, ток I_кп создаёт на нем падение напряжения U_RH=I_К0·R_Н.

Всё отрицательное напряжение источника питания распределяется между транзистором и нагрузкой:

-Ек=-Uкэп-Iкп·Rн=-Uкэ0-Iк0·Rн. (4.25)

По абсолютной величине оно равно:

Е_К=U_КЭ0+I_кп·R_Н=U_кэо+I_ко·R_н (4.26)

Напряжение на коллекторе транзистора составляет разность между напряжением источника питания Е_к и падением напряже­ния на нагрузке, и по абсолютной величине определяется выражением:

U_кэп = Е_к -_·I_кп·R_н. (4.27)

Падение напряжения на нагрузке от постоянной составляющей коллекторного тока I_кп является бесполезной потерей напряжения источника питания.

Рисунок 4.11 — Схема питания выходной цепи усилительного элемента

Переменная составляющая выходного тока i_к в последова­тельной схеме протекает по цепи: эмиттер—коллектор транзисто­ра через нагрузку, источник питания к эмиттеру.

Параллельная схема питания выходной цепи усилительного элемента приведена на рисунке 4.11,б. В этой схеме цепи постоянной и переменной составляющих выходного тока разделены.

Постоян­ная составляющая I_кп протекает по цепи: от +Eк через транзистор (эмиттер—база—коллектор), дроссель L_др к —Е_к . Перемен­ная составляющая коллекторного тока i_к протекает по цепи: эмиттер—база—коллектор через разделительный конденсатор С_р, нагрузку R_н , эмиттер.

Конденсатор С_р не допускает протекания постоянной состав­ляющей коллекторного тока I_кп через нагрузку, но пропускает пе­ременную составляющую i_к, оказывая ей незначительное сопро­тивление.

Дроссель L_др не допускает протекания переменной составляю­щей i_к через источник питания, а постоянной составляющей ока­зывает незначительное сопротивление.

В результате такого разделения цепей токов I_кп и i_к не про­исходит потерь постоянного напряжения на резисторе нагрузки, а переменная составляющая не протекает в цепи питания. Это явля­ется преимуществом параллельной схемы по сравнению с последо­вательной. Но наличие дополнительных деталей — разделитель­ного конденсатора С_р и блокировочного дросселя L_др — усложня­ет схему, что является ее недостатком.

На звуковых частотах дроссель имеет габариты, превышающие размеры резисторов. Поэтому в УЗЧ (УНЧ) вместо дросселя устанавливается резистор, а источник шунтируется (блокируется) большой ёмкостью для исключения потерь полезной переменной составляющей тока на внутреннем сопротивлении источника питания.

При выбранном значении постоянного напряжения в выходной цепи усилительного элемента требуемое значение выходного тока в режиме покоя получают путём по­дачи на управляющий электрод определенного значения постоян­ного напряжения, называемого напряжением смещения (так как оно смещает рабочую точку покоя в заданный учас­ток характеристики усилительного элемента).

Значение и полярность напряжения смещения зависят от типа усилительного элемента. Например, у биполярных транзисторов типа р—п—р напряжение смещения на базе должно быть отрица­тельным относительно эмиттера, у транзисторов типа р—п—р — положительным. Его значение составляет обычно порядка 0,1 ... 0,5 В для германиевых и 0,5 ... 1,0 В для кремниевых транзис­торов [4].

Для примера на рисунке 4.12 показано[4], что для смещения рабочей точки в режим покоя в точку А на характеристике управления усили­тельного элемента транзистора n-p-n типа, следует во входную цепь включить напряжение смещения Е_см=0,15 В.Характеристика управления для транзистора p-n-p типа будет симметричной относительно оси ординат.

В общем случае для питания цепей усилительных элементов можно использовать два отдельных источника. Однако на практи­ке напряжение смещения оказывается во много раз меньше посто­янного напряжения выходной цепи. Поэтому напряжение смеще­ния удобно получить от источника постоянного выходного напря­жения с помощью делителя.

Цепи смещения должны удовлетворять следующим требовани­ям: обеспечивать выбранное положение рабочей точки; удерживать исходное положение рабочей точки в допустимых пределах при воздействии дестабилизирующих факторов.

По этим признакам цепи смещения делят на два вида:

нестабилизированные, которые только определяют исходное положение рабочей точки, т.е. устанавливают ее, но не стабили­зируют в процессе работы;

стабилизированные, устанавливающие исходное положение ра­бочей точки и удерживающие его в допустимых пределах.

Нестабилизированное напряжение смещения в схемах на бипо­лярных транзисторах подается от источника коллекторного пита­ния. Различают два способа такого смещения: фиксированным то­ком базы; фиксированным напряжением базы.

В схеме смещения фиксированным током базы (рисунок 4.13, а) на­пряжение смещения между базой и эмиттером создается током ба­зы, протекающим от источника коллекторного питания через со­противление перехода база—эмиттер и резистор R_б.

Сопротивление резистора R_б постоянному току во много раз больше сопротивления перехода база—эмиттер. Поэтому значение тока I_б0 (I_бп), определяемое напряжением коллектора Е_к и сопротив­лением R_б ,остается практически неизменным и не зависит от температуры перехода, старения или замены транзистора.

Напряжение смещения фиксированным напряжением базы по­лучают от источника питания коллектора Е_к с помощью делителя R1, R2, как показано на рисунке 4.13, б. В этой схеме напряжением сме­щения является напряжение, создаваемое на резисторе R2 током делителя I_д, протекающим по цепи: от +Е_К через R2, R1 к — Е_к.

Недостатком такого способа смещения является дополнитель­ный расход мощности источника питания в делителе.

В усилительных каскадах с полевыми транзисторами питание выходных цепей осуществляется так же, как и в каскадах на бипо­лярных транзисторах.

Напряжение смещения на входной электрод — затвор — мож­но не подавать в тех случаях, когда ток стока при отсутствии сме­щения имеет требуемое значение. Но в большинстве случаев ис­тинное значение тока выходной цепи I_сп при отсутствии смещения отличается от требуемого, т. е. точка покоя находится не в задан­ной точке характеристики транзистора. Кроме того, ток выходной цепи I_сп сильно изменяется при замене транзистора и изменений температуры. Поэтому в каскадах на полевых транзисторах приме­няют смещение со стабилизацией точки покоя.

Рисунок 4.12 – Смещение рабочей точки в исходном состоянии в точке А