4.3.3 Стабилизация положения точки покоя в транзисторных каскадах

При отсутствии сигнала на входе усилителя значение выходно­го тока должно быть постоянным, т. е. положение рабочей точки в исходном состоянии должно быть неизменным — стабильным. Однако в результате действия различных внешних факторов ре­жим работы усилительного элемента оказывается нестабильным. Причинами нестабильного режима работы усилительного элемен­та являются: изменение температуры окружающей среды, неста­бильность напряжений источников питания, разброс параметров усилительных элементов и др.

Особенно сильно влияет на режим работы усилительного эле­мента повышение температуры окружающей среды, вызывающее резкое изменение начального тока коллектора I_к.н (I_кобр). Так, при уве­личении температуры на каждые 10 °С I_к.н возрастает в 2 раза у германиевых транзисторов и в 2,5 раза у кремниевых. В результате ток покоя коллектора I_кп увеличивается в несколько раз. Поэтому смещение фиксированным током базы в усилительной аппаратуре применяется редко, из-за сильного изменения тока базы.

При смещении фиксированным напряжением базы для уменьшения влияния нестабиль­ности тока базы I_бп нужно, чтобы ток, протекающий через дели­тель I_д, значительно превышал ток базы I_бп (т.е. должно быть: I_д » I_бо). - Для этого надо уменьшать сопротивление резисторов R1 и R2, что ведет к шунтированию входной цепи усилительного элемента.

Таким образом, простые схемы смещения не обеспечивают не­обходимой стабильности режима транзистора. Поэтому в транзис­торных усилителях обычно применяют различные способы стаби­лизации режима работы усилительного элемента.

В транзисторных усилителях стабилизация исходного положения рабочей точки осу­ществляется двумя способами: методом температурной компенса­ции; применением отрицательной обратной связи.

Схемы смещения с температурной компенсацией содержат термокомпенсирующие элементы: терморезисторы или полупро­водниковые диоды.

В схеме, приведенной на рисунке 4.15, а,[4] в нижнее плечо делителя смещения включен терморезистор RК1 с отрицательным темпера­турным коэффициентом.

Принцип температурной компенсации с помощью терморезистора состоит в следующем. С повышением тем­пературы увеличивается ток покоя коллектора I_кп (I_ко). Одновременно с этим уменьшается сопротивление терморезистора RК1, вследствие чего напряжение смещения снижается, и ток коллектора уменьша­ется, В результате противоположного действия изменения темпе­ратуры на приращение коллекторного тока отклонения I_кп значи­тельно уменьшаются.

В схеме стабилизации напряжения смещения с помощью дио­да, представленной на рисунке 4.15, б, с повышением температуры уменьшается прямое сопротивление диода VD, что приводит к уменьшению напряжения смещения. При этом возрастание I_кп компенсируется.

Схемы диодной температурной компенсации широко использу­ются в интегральных усилителях.

Схемы стабилизации напряжения смещения с применением отри­цательной обратной связи приведены на рисунке 4.16. [4] В этих схемах в усилительном каскаде создается внешняя цепь отрицательной об­ратной связи, в результате действия которой с ростом коллекторного тока I_к, вызванным отклонением темпе­ратуры (или сменой транзистора), уменьшается напряжение сме­щения, что приводит к уменьшению I_ко, компенсирующему перво­начальное его возрастание.

Рисунок 4.15 – Схемы смещения с температурной компенсацией

В схеме коллекторной стабилизации (рисунок 4.16, а) создана па­раллельная отрицательная обратная связь по напряжению путем подачи части напряжения с коллектора на базу транзистора через резистор R1. Ток коллектора I_к в этой схеме протекает по цепи: +E_к, эмиттер—база—коллектор, резистор R_н, —Е_к . Ток базы I_б0 протекает по цепи: +Е_К , эмиттер—база, резистор R1, резис­тор R_н, —Е_к. Ток эмиттера I_эо является суммой токов коллекто­ра I_ко и базы I_бо

I_эо=I_бо + I_ко (4.29)

Рисунок 4.16 – Схемы стабилизации напряжения смещения примененением отрицательной обратной связи

Процесс стабилизации происходит следующим образом. При возрастании тока коллектора I_ко увеличивается падение напряже­ния на резисторе R_н и потенциал коллектора понижается (становится ближе к нулевому). Это понижение потенциала с коллектора по цепи обратной связи через R1 передается на базу, вызывая уменьшение тока смещения базы I_бо, что уменьшает возрастание тока коллектора I_ко. Анало­гичный процесс происходит в схеме и при уменьшении тока кол­лектора.

Схема коллекторной стабилизации положения исходной рабо­чей точки применяется редко. Она проста, экономична, но не обес­печивает достаточной стабилизации положения исходной рабочей точки.

Схема эмиттерной стабилизации положения рабочей точки приведена на рисунке 4.16, б. В этой схеме напряжение смещения меж­ду базой и эмиттером состоит из двух встречно включенных напря­жений: напряжения, снимаемого с резистора R2 делителя R1, R2, и напряжения, снимаемого с резистора Rэ, включенного в цепь эмиттера. Ток делителя протекает по цепи: +Е_к, R2, R1, —Е₁

Этим током создается падение напряжения на резисторе R2.

Ток эмиттера протекает по цепи: +Е_к, резистор R_э , эмиттер — база транзистора, — а далее разветвляется на ток базы I_б0, и ток коллектора I_ко. Ток базы I_бо, затем протекает через базу, резис­тор R1 и к —Е_к. Ток коллектора I_ко затем протекает через пере­ход база—коллектор, резистор R_н и к — Е_к .

Ток эмиттера I_эо, протекая через резистор R_э, создает на нем падение напряжения U_э, которое оказывается включенным в цепь база—эмиттер последовательно с напряжением смещения на ре­зисторе R2. Таким образом, в схеме образуется отрицательная об­ратная связь по току, создаваемая током I_э . Все напряжение об­ратной связи U_э=I_э/R_э подается с выходной цепи во входную. Следовательно, по абсолютной величине результирующее напряжение смещения U_бэо=I_д·R₂-I_эоR_э (6)

Ток делителя I_д во много раз больше тока базы I_бо . Поэтому напряжение на R2 (U_R2=I_д·R₂) не зависит от тока базы I_б0, , и смещение на базе при изменении тока коллектора I_ко будет изме­няться только в результате изменения падения напряжения на ре­зисторе R_э .

Процесс стабилизации исходного положения рабочей точки заключается в следующем. При возрастании тока эмиттера из-за увеличения температуры (или при смене транзистора) увеличится напряжение (U_э=I_э/R_э , что приведет к уменьшению напряжения смещения на базе транзистора, так как R₂ и R_э включены встреч­но. Ток базы I_бо уменьшится и, следовательно, уменьшится ток эмиттера I_эо.

Но отрицательная обратная связь через R_э приве­дет и к уменьшению коэффициента усиления каскада. Чтобы не допустить этого, отрицательную обратную связь по переменному току исключают шунтированием резистора R_э конденсатором С_э. Сопротивление С_э для переменного тока сигнала мало, и пе­ременного падения напряжения на R_э не будет, а следовательно, не будет и отрицательной обратной связи по переменному току сигнала.

Схема эмиттерной стабилизации рабочей точки транзистора применяется часто. Она обеспечивает более высокую стабилиза­цию положения рабочей точки транзистора.

Еще лучшую стабилизацию рабочей, точки обеспечивает комби­нированная схема (рисунок 4.17), где используется отрицательная об­ратная связь как по току, так и по напряжению. В этой схеме ре­зисторы обратной связи R_э и R_ф шунтированы конденсаторами С_э и С_ф для устранения обратной связи по переменному току.

Схемы стабилизации исходного положения рабочей точки о помощью отрицательной обратной связи применимы только в усилителях, работающих в режиме класса А, в котором постоянная составляющая выходного тока транзистора не зависит от ам­плитуды усиливаемого сигнала.

В режиме класса В, при котором среднее значение тока покоя зависит от амплитуды усиливаемого сигнала, применяют смеще­ние фиксированным напряжением базы, а стабилизация исходно­го положения рабочей точки осуществляется схемами термоком­пенсации.

Рисунок 4.17 – Комбинирована стабилизационная схема

Недостатком схем стабилизации с применением обратной связи является дополнительный расход мощности источника питания на элементах цепей обратной связи.

В усилителях на полевых транзисторах применяют автоматиче­ское истоковое смещение и комбинированную схему смещения с истоковой стабилизацией.

Схема истокового автоматического смещения приведена на рисунке 4.18, а. Напряжением смещения здесь является напряжение, создаваемое током истока на резисторе R_и. Оно подается на зат­вор через резистор R2, сопротивление которого можно выбирать очень большим (1 ... 100 МОм), поскольку ток затвора очень мал и падения напряжения на нем по существу нет.

Стабилизация тока покоя выходной цепи по этой схеме осуще­ствляется следующим образом: при возрастании выходного тока покоя под действием дестабилизирующих факторов увеличивается падение напряжения на резисторе R_и, транзистор начинает за­крываться, и ток покоя выходной цепи уменьшается. Но стабили­зация здесь получается слабой из-за малой крутизны характерис­тик полевых транзисторов. Поэтому схема, представленная на рисунке 4.18, а, применяется при небольших изменениях температуры. В схемах, где вероятна замена транзистора, такая стабилизация не применяется.

Комбинированная схема смещения в каскаде на полевом тран­зисторе приведена на рисунке 4.18, б.

Рисунок 4.18 – Схема смещения для полевых транзисторов

Для улучшения стабилизации в этой схеме сопротивление резистора R_и выбирают значительно большим, чем в схеме, приведенной на рисунке 4.18, а, а возросшее паде­ние напряжения на R_и компенсируется напряжением, снимаемым с делителя R1, R2.