4.4.2. Цепи смещения транзистора включенного по схеме оэ

Стабилизация тока базы. Вариант включения транзистора по схеме с ОЭ в усилительном каскаде имеет наиболее широкое распространение. Ранее отмечалось, что биполярный транзистор можно рассматривать, как нелинейное сопротивление, управляемое током. Следовательно, положение ИРТ (I_к0,U_кэ0) можно задать, фиксируя ток базы транзистора (рис.4.13,а).

а) б)

Рис.4.13

С высокой долей достоверности можно считать, что в подобной схеме I_б0практически не зависит от свойств конкретного транзистора и воздействий дестабилизирующих факторов. Это можно видеть, рассматривая проходную ВАХ транзистора (Рис.4.13,б), представляющую функциональную связь напряженияU_эбс токомI_к. Эта характеристика подобна характеристике стабилитрона, т.е.U_эбпрактически не изменяется при измененииI_Кв широком диапазоне, поскольку указанная зависимость имеет логарифмический характер:

U_бЭ=mφ_тlg(I_к/I_0э) (4.35)

где: m—параметр близкий к единице при малых токах коллектора и достигает величины 2-3 при токах коллектора стремящихся к максимальным; φ_т—температурный потенциал (φ_т=0,026В при Т=20°С); I_ОЭ—обратный ток насыщения р-n-перехода база–эмиттер транзистора.

Пример 4.3. ПустьI_0э=7*10^-15А,I_к01=0,5мА (m=1),I_к02=50мА (m=1,2). Определить крайние значенияU_Эбпри различныхI_к.

Решение. В соответствии с выражением (4.35) можно записать:

U_бэ1=0,026In(5*10^-4/7*10^-15)=0,65В;

U_бэ2=1,2*0,026*In(5*10^-2/7*10^-15)=0,708В.

Разность между крайними значениями напряжений U_бэбудет равна:

U_бэ=U_бэ2–U_бэ1=0,708–0,65=0,058B.

Из примера видно, что изменение тока коллектора транзистора в 100 раз вызывает изменение U_бэвсего на 58 мВ. НапряжениеU_бэизменяется всего на 9%.

Разность потенциалов между базой и эмиттером кремниевых транзисторов приблизительно равна 0,7В. Эта величина называется номинальным напряжением база-эмиттер транзистора и широко используется при анализе усилительных устройств. Значение номинального напряженияU_бэв наименьшей степени зависит от свойств конкретного транзистора. На рис.4.13,б приведены графики зависимостиU_бэ=f(I_0э) приI_0э=1*10^-14А иI_0э=1*10^-13А. Можно видеть, что при одинаковых токах коллектораI_ктранзистора напряжениеU_бэизменяется всего на 0,1В. Однако из теории транзисторов известно что величинаI_0эпропорциональна площади р-n-перехода база-эмиттер транзистора. Поскольку у однотипных транзисторов эта площадь не может существенно меняться, то иI_0Эизменяется существенно меньше, чем в 10 раз (изменениеI_0Эв 10 раз рассматривалось в примере), т.е. для однотипных транзисторов на практикеU_бэ⁼const.

Температурные вариации ∆U_бэопределяются соотношением (4.34), тогда при изменение температуры Т на 100°С напряжениеU_бэизменяется на 220 мВ, что существенно меньше величины напряжение питания и не оказывает заметного влияния на изменение тока базы транзистора.

Несмотря на простоту и кажущуюся очевидность схемы стабилизации положения ИРТ (рис.4.13,а) с фиксированным током базы не находят широкого применения, т.к. они не могут обеспечить высокой стабильности и определенности положения ИРТ. Ранее мы получили коэффициент нестабильности S=β/(1+βγ_б), где коэффициент токораспределения γ_б=R_Э/(R_б+R_э) для схемы с фиксированным током базы равен нулю, поскольку нулю равноR_э. Тогда можно видеть, чтоSимеет максимальную величину равнуюS=β. Таким образом, в подобных схемах изменениеU_бэвносит существенно меньшее влияние на стабильность положения ИРТ, чемβ, величина которого при изменение, например, температуры может изменяться в несколько раз. В схемах с фиксированным током базы стабилизируетсяI_б0, но положение ИРТ определяет значениеI_к0. ПосколькуI_к0=I_б0β, ноβимеет широкий диапазон разброса значений и не позволяет стабилизировать измененийI_к0. Следовательно, подобная схема не позволяет получить серийнопригодные усилительные устройства.

Пример 4.4.Рассмотрим стабильность положения ИРТ (относительноI_к0) для схемы с фиксированным током базы при наличии, с одной стороны нестабильного источника напряжения питания, а с другой стороны, изменения температуры работы усилительного каскада. Пусть Е_П=5В,U_бЭ=0,7B, 1_к0=5мА,U_кэ0= 3В, β=100.R_к=400Ом,R_б=86кОм,I_б0=0,05мА, Т=0°С.

Решение.Рассмотрим пример относительно нестабильности источника питания. Пусть нестабильность напряжения источника питания равна ±10%. ТогдаE_{п max}=5.5B,aE_{п min}=4,5B. В этом случае можно найти максимальное и минимальное значения токов базы транзистора:

.

Отсюда имеем пределы изменения тока базы I_б=I_б0±0,006мА и тока коллектораI_к=(I_б0±I_б)*β=(0,05+0,006)*100=5±0,6мА. Таким образом, при использовании источника напряжения питания с отклонением выходного напряжения на величину ±10% ток коллектора транзистора изменяться не более чем на ±12 % от номинальной величины.

2. Пусть при наличии стабильного источника напряжения питания происходит изменение окружающей среды. Температура повышается на 100°С от номинальной величины. Тогда

.

Таким образом, при увеличении температуры на 100°Сток базы возрастает на 2,5 мкА. Эта величина не столь существенна, поскольку приращение тока коллектора ∆Iк равнялся бы 0,25 мА, что составляет 4% от его номинальной величины. Однако рост температуры приводит к росту коэффициента усиления тока базы β почти в 2 раза. В этом случае приращение тока коллектора можетсоставить 5мА, т.е. I_к0 достигает величины порядка 10мА. В этом случае напряжение между коллектором и эмиттером транзистора будет равно:

U_кэ=Еп–Rk *Iк=5–4=1В.

Таким образом, транзистор в данном усилительном каскаде при изменении температуры на 100°С может достаточно легко перейти в режим насыщения.

Цепи транзистора включенного по схеме с ОЭ. Эмиттерно–базовая стабилизация. На рис.4.14 приведена электрическая схема усилительного каскада, в которой обеспечивается эмиттерно–базовая стабилизация транзистора, позволяющая обеспечить высокую стабильность токаI_к0.

Здесь потенциал базы транзистора задается от низкоомной резистивной цепи, в которой протекает ток делителя:

При этом относительно тока делителя выполняется условие . Благодаря этому при фиксированных значенияхнапряжениеU_б0 практически не зависит от тока базы транзистора, т.е. оно не зависит от свойств конкретного транзистора. Это обстоятельство и позволило назвать эту схему смещения транзистора схемой с фиксированным потенциалом базы.

Падение напряжения U_R2=U₀=U_бo–на резистореR2 также не зависит от свойств конкретного транзистора. Это напряжение называется потенциалом токозадающей цепи и используется для фиксации тока коллектораI_к0. Следует напомнить, что напряжениеU_бэоне зависит от тока коллектораI_к0 соответственно можно говорить, что в подобных схемах потенциал базы транслируется к эмиттерной цепи транзистора. На основании этого можно записать:

(4.36)

Из этого соотношения с учетом того, что U_кэ0>U_ном, аI_дел>>1_б0, можно сделать вывод, что разность потенциаловU_Rэне изменяется при изменение сопротивленияR_эв цепи эмиттера транзистора. Соответственно и ток, протекающий черезR_эи эмиттерно–коллекторную цепь будет пропорционален значению сопротивленияR_э.

Рис.4.14

Указанные свойства наблюдаются практически во всем диапазоне вариаций выходных токов и напряжений транзистора в усилительной области ВАХ транзистора. Соответственно при расчете электронных схем с эмиттерно–базовой стабилизацией ИРТ необходимо убедиться в том, чтобы выполнялось условие:

.

Тогда выражение (4.36) остается в силе.

Рассмотрим более подробно стабильность данного каскада. Считаем, что схема питается от одного источника питания , используется транзисторn–p–n–типа, величины резисторов R₁,R₂,R_э,R_кизвестны. Тогда относительно базовой цепи транзистора можно записать:

Отсюда найдем ток базы транзистора:

. (4.37)

Теперь запишем значение напряжения относительно эмиттерной цепи транзистора:

. (4.38)

Подставляя (4.38) в (4.37) найдем ток базы транзистора:

. (4.39)

Из теории транзисторов известно выражение:

. (4.40)

В данном случае не рассматривается обратный ток коллекторного p–n–перехода, который не вносит сильного влияния на изменения тока коллектора транзистора, однако загромождает дальнейшие рассуждения. Дифференцируя (4.40), получим:

. (4.41)

Из выражения (4.39) можно найти приращение тока базы:

.

Тогда, подставляя данные в (4.41) найдем приращение тока коллектора транзистора:

. (4.42)

Применительно к выражению (4.42) рассмотрим условия, при которых отклонения тока коллектора транзистора будут минимальными. Это можно сделать, например, применительно к . В выражении (4.42) в квадратных скобках первые два слагаемых равны напряжению, падающему на сопротивлении. С учетом этого можно записать:

. (4.43)

Относительно этого выражения можно отметить следующее. Напряжение , падающее на сопротивлениидолжно быть существенно больше приращения напряженияна p–n–переходе база–эмиттер транзистора , .т.к.. Допустим, чтои при этом,. Тогда из выражения (4.43) можно найти напряжение, которое должно падать на резисторедля обеспечения максимальной стабильности тока в ИРТ:

. (4.44)

Таким образом, при напряжениебудет равно 4В. Согласно выражения (4.43) приможно получить, что.

Из расчетов можно видеть, что при увеличении сопротивления R₁для обеспечения стабильности тока коллектора требуется меньшее напряжение, падающее на сопротивлении. Однако беспредельно увеличивать сопротивление резистора R₁невозможно, поскольку это приведет к снижению тока делителя, что нарушит стабильность потенциала базы транзистора. Обычно приемлемая стабильность тока коллектора транзисторадостигается при. Достигается это снижением сопротивления резистора R₂для выполнения условия .

С учетом проведенного анализа можно сделать вывод, что для обеспечения высокой стабильности на постоянном токе усилительного каскада с использованием эмиттерно–базовой стабилизации необходимо, чтобы выполнялись условия:

.

Пример 4.5. Применительно к схеме (Рис.4.14) рассчитать ток коллектора транзистора при условии, что,,R₁=7кОм,R₂=3кОм,R_э=1кОм,R_к=1кОм и проверить стабильность тока коллектора. В усилительном каскаде используется кремниевый транзистор сβ=100.

Решение. Напряжение, падающее на сопротивлении резистора, включенном в цепь эмиттера транзистора, имеет вид:

.

Отсюда ток коллектора транзистора будет равен:

.

Проверим выполнение условий стабильности тока коллектора транзистора :

;

;

.

Расчеты показывают, что условия стабильности тока коллектора транзистора выполняются.

Выше рассмотрены, два варианта схемных решений направленных на стабилизацию положения рабочей точки усилительного элемента, включенного по схеме с общим эмиттером за счет:

—во–первых, стабилизации тока базы; .

—во–вторых, эмиттерно–базовой стабилизации (стабилизируется потенциал базы транзистора.

Отмечено, что наиболее сильно стабильность положения ИРТ усилительного элемента зависит от параметров усилительного элемента в первом случае. Подобная зависимость существует и во втором случае, но она выражается менее слабо. При этом стабильность положения ИРТ повышается, когда падение потенциала на сопротивлении R_эво много раз превышает изменение потенциала ΔU_бэ.

Дополнительная температурная стабилизация положения ИРТ. Опираясь на второй вариант стабилизации положения ИРТ, можно рассмотреть более совершенный переход к решению данной проблемы (Рис.4.15).

Рис.4.15

Рассматривая эту схему можно видеть, что имеются два параллельно включенных р–n–перехода база–эмиттер транзисторов. Соответственно отклонения их параметров при воздействии на них каких–либо дестабилизирующих факторов должны быть компенсированы в определенной мере. Рассмотрим это.

Для этой схемы ток базы транзистора можно представить в виде:

. (4.45)

Используя выражение (4.41) найдем приращение тока коллектора транзистора, учитывая ток базы (4.45) и его приращение:

.

В этом выражении считаем, что слагаемое в первых круглых скобках Е_пR₂/(R₁+R₂)+U_бэ1–U_бэ2зависит только от тока делителя I_дели тока эмиттера I_э2второго транзистора. Кроме этого можно записатьU_Rэ=I_э2R_э.

Тогда приращение тока коллектора можно представить в виде:

. (4.46)

Интересуют условия, при которых приращение тока коллектора равно нулю. Для определения этого приравняем нулю выражение (4.46) и разрешим его относительно :

. (4.47)

Проведем анализ этого выражения. Потенциал U_Rэзависит от β и разности потенциалов(∆U_бэ2–∆U_бэ1). Увеличение β и разности потенциалов(∆U_бэ2–∆U_бэ1) приводит к увеличению напряженияU_Rэ,Например, при напряжение, падающее на сопротивлении резистора в цепи эмиттера транзистора, будет равно . Соответственно при напряжение , а при получим .

На практике при выборе однотипных транзисторов можно считать, что разность потенциалов (∆U_бэ2–∆U_бэ1) равна нулю. Поэтому можно считать, что для этой схемы напряжениеU_Rэстремится к нулю, но при этом достигается высокая стабильность тока коллектора транзистора в ИРТ. Равенство нулю напряженияU_Rэговорит о том, что из схемы могут быть исключены резисторыR₂иR_э, однако это возможно, например, при постройки генераторов стабильного тока (ГСТ). В усилительных же устройствах этого делать не следует, поскольку передача входного сигнала на базу транзистораV2 будет ограничиваться потенциалом, падающим на транзистореV1 (ограничителем). В этом случае сигнал на выходе усилительного каскада будет сильно искажаться. Введение же резистораR₂эту проблему несколько сглаживает.

Более лучших результатов по стабилизации тока коллектора транзистора и уменьшению нелинейных искажений можно достичь при включении транзистора V1 по схеме, представленной на рис.4.16.

Рис.4.16

Для этой схемы нестабильность тока коллектора транзистора можно представить в виде:

(4.48)

В этом выражении величина в первых квадратных скобках представляет собой напряжение, падающее на сопротивлении резистора R_э. Тогда выражение (4.48) можно переписать в виде:

Наивысшая стабильность тока коллектора транзистора достигается при ∆I_к=0. Применительно к этому найдем напряжениеU_Rэ, падающее на сопротивлении резистора в цепи эмиттера транзистора:

. (4.49)

При условии, что сомножитель в квадратных скобках выражения (4.49) равен единице, можно заключить, что это выражение соответствует выражению (4.47). В этом случае можно записать:

R₃=R₁/[R₂(R₁+R₂)].

С учетом того, для подобных схем, как правило, выполняется условие R₁>R₂, можно отметить, что сопротивление резистораR3 должно быть существенно больше суммы сопротивлений резисторовR₁иR₂.

Ток, задаваемый резистором R₃через транзисторV1, фактически определит величину потенциала, падающего на транзистореV1. В этом случае добавочный ток через транзисторV1, создаваемый резисторамиR₁иR₂, как при постоянном токе, так и при переменном токе не приводят к резкому изменению величины напряжения, падающего на транзистореV1. Это с одной стороны несколько снижает уровень нелинейных искажений сигнала, а с другой стороны обеспечивает повышенную стабильность тока коллектора транзистораV2 в ИРТ.

4.5. Принципы и схемы обеспечения заданного положения ИРТ в каскаде на полевом транзисторе

Смещение полевого транзистора с управляющим p–n–переходом, определяющее ток стока транзистора в ИРТ, можно задать двумя способами (рис.4.17).

а) б)

Рис.4.17

В первом случае (рис.4.17,а) учитывают, что ток затвора транзистора (обратно смещенный p–n–переход) близок к нулю. В этом случае затвор транзистора подключают к общей шине через высокоомный резистор, сопротивление которого практически не оказывает влияния на ослабление сигнальной составляющей входного напряжения, однако это обеспечивает равенство нулю напряжения на затворе транзистора на постоянном токе. Тогда ток стока в ИРТ, равный току истокатранзистора, будет определяться выражением:

,

где —напряжение смещения между затвором и истоком транзистора;—сопротивление резистора в цепи истока транзистора. При увеличении сопротивления резистораток стока в ИРТ снижается и наоборот.

Схема, приведенная на рис.4.17,б, является типовой схемой построения каскада на полевом транзисторе с управляющим p–n–переходом. Она обеспечивает стабилизацию напряжения на затворе транзистора и соответственно определенность положения ИРТ. Выражение, которое позволяет анализировать усилительный каскад на постоянном токе с помощью графических построений, определяются в виде:

.

В этом случае ток истока транзистора равен току стока Iио=Iсо, т.е. для того чтобы определить ток стока достаточно задать ток истока. РезисторыR₁иR₂определяют потенциална затворе транзистора. На рис.4.18,а представлены графические построения для определения положения ИРТ транзистора в соответствии с его проходной характеристикой.

а б

Рис.4.18

Рассмотрим температурную зависимость тока стока I_с, например для полевого транзистора с управляемым р–n–переходом применительно к схеме, представленной на рис.4.17,а. При большомR_зизменение температуры приводит к изменению положения ИРТ за счет падения напряжения на резистореR_з, поскольку при изменении температуры изменяется и обратный ток р–n–перехода, определяющего затвор транзистора. Известно, что зависимость тока затвора транзистора от температуры представляется в виде:

.

Приращение тока стока за счет изменения температуры можно представить следующим образом:

. (4.50)

При заданной температуре , например, комнатной напряжение затвор–исток и ток стока транзистора имеют вид:

; (4.51)

, (4.52)

где крутизна транзистора в ИРТ.

Из (4.51) и (4.52) можно записать:

.

При изменении температуры изменяются и напряжение затвор–исток и ток стока:

.

В этих выражениях составляющие , вызывающие изменение приращения тока стока, имеют разный знак. Это говорит о том, выбирая напряжение смещения между затвором и истоком транзистора можно обеспечить температурно–стабильную точку транзистора (ток стока транзистора не зависит от температуры). Это достигается выбором сопротивлений резисторов в цепях затвора и истока транзистора.