35

(2.12)

В предварительных каскадах величина сигнала бывает, как правило, малой, особенно в первых каскадах, поэтому условие (2.12) может быть выполнено легко и неоднозначно. Однако нужно выбирать режим покоя так, чтобы условие (2.12) выполнялось при минимально возможном потреблении энергии от источника питания . Для предварительных каскадов наиболее предпочтительным режимом покоя является режим измерения h-параметров, указанный в справочнике. Этот режим называют ещё типовым режимом. Для многих маломощных транзисторов режим измерения (типовой режим) характеризуется величинами = 1 мА, = 5 В. Его и нужно выбирать в качестве режима покоя, даже если переменный входной сигнал очень мал (в пределах микровольт, микроампер). Типовой режим выгоден ещё и тем, что, выбрав режим измерения в качестве режима покоя, можно справочные h-параметры использовать в расчетах без дополнительных вычислений. В последних каскадах предварительного усилителя (перед усилителем мощности) амплитуда сигнала увеличивается настолько, что использовать типовой режим уже нельзя. В этом случае ток и напряжение приходится выбирать больше типовых, чтобы обеспечить линейный режим. Если выбранный режим покоя существенно отличается от типового, необходимо заново определять (рассчитывать) малосигнальные параметры транзистора для этого режима. Другой предельный режим каскада – режим большого сигнала, когда амплитуда переменных составляющих мало отличается от величины тока покоя и напряжения покоя . При этом режим покоя должен быть выбран так, чтобы при максимальных значениях усиливаемого сигнала токи базы , коллектора и напряжения базы , коллектора оставались положительными (для транзисторов n-p-n типа), т.е. чтобы не нарушался усилительный (активный) режим транзистора. Для выполнения этого предельного условия величины , выбирают с учётом заданных амплитуд выходного напряжения и тока :

(2.13)

где , – значения тока и напряжения коллектора при мини- мальном значении сигнала ; составляет доли мА (или единицы мА), ;

, – максимальное значение тока и минимальное значение напряжения коллектора при максимальном значении сигнала ; , 0,2В для германиевых и для кремниевых транзисторов.

При выборе режима покоя нужно учитывать, что при работе каскада не допускается превышение максимально допустимых величин и , приводимых в справочниках для каждого транзистора. Для этого необходимо выполнение следующих условий:

(2.14)

при наихудших условиях работы (при максимальной температуре).

2.3.2. Способы задания режима покоя

Выбранный выше режим покоя реализуется на практике выбором (расчетом) соответствующих резисторов схемы. При этом режим покоя (в чистом виде) может быть задан двумя способами.

1. Заданием (смещением) фиксированного тока базы. В этом случае при помощи источника питания и резистора задается (фиксируется) ток базы покоя , как это показано на рис. 2.1,а:

(2.15)

так как . Этот ток не зависит от условий работы транзистора . Обычно и выбираются заранее. Из условия (2.15) определяется

. (2.16)

Для рассматриваемых = 10 В, = 0,1 мА, = 10 В / 0,1 мА = = 100 кОм.

Это самый экономичный и простой вариант (минимальное количество элементов схемы) задания режима покоя. Однако в этом случае обеспечивается наихудшая стабильность режима покоя (в процессе работы каскада режим покоя может произвольно изменяться, например, при изменении температуры).

2. Заданием (смещением) фиксированного потенциала базы. В этой схеме при помощи делителя и задается (фиксируется) потенциал базы в режиме покоя, как показано на рис. 2.3:

,

г де , R _вх – сопротивление между базой и эмиттером транзистора.

Рис. 2.3

Чтобы исключить влияние на величину ( может изменяться, например, при изменении температуры), необходимо выбирать малую величину :

, (2.17)

тогда

(2.18)

и потенциал тоже оказывается зафиксированным при помощи внешних элементов , , . Однако, при этом в схеме появляется элемент и, что более существенно, от источника питания потребляется довольно большой ток делителя :

. (2.19)

Величина может быть сравнима с величиной , т.е. это неэкономичный способ. К тому же он не обеспечивает необходимой стабильности режима покоя.

Из-за плохой стабильности режима покоя оба способа его задания в чистом виде имеют ограниченное применение. На практике схему смещения выбирают так, чтобы одновременно с заданием режима покоя обеспечивалась и необходимая стабильность его. Для этого используют, например, распространённую схему эмиттерной стабилизации.

2.4. Стабильность режима покоя. Стабилизация режима покоя

Специфической особенностью транзисторных каскадов (в дискретном и интегральном варианте) является необходимость принятия специальных мер для стабилизации режима покоя (точки ). В противном случае режим покоя может значительно изменяться (самопроизвольно). Ниже рассматриваются вопросы стабильности режима покоя и способы его стабилизации.

2.4.1. Причины нестабильности режима покоя

Самопроизвольный уход рабочей точки (точки ) вызывается изменением тока покоя транзистора . Изменение же тока коллектора при постоянных напряжения питания и параметрах внешних элементов (например, резисторов) схемы происходит, в основном, из-за изменения параметров транзистора. Можно выделить три основные причины изменения тока , называемые дестабилизирующими факторами:

1. Изменение теплового тока .

2. Изменение коэффициента передачи тока (или коэффициента усиления тока базы ).

3. Изменение напряжения на эмиттерном переходе при постоянном токе эмиттера , характеризуемое температурным коэффициентом напряжения (ТКН). Внешне это проявляется в смещении выходной характеристики.

Чаще всего эти изменения вызываются отклонением температуры переходов из-за повышения или понижения температуры окружающей среды, из-за изменения мощности рассеяния на переходах. Однако изменения , , могут быть обусловлены временным изменением параметров транзистора (старением транзистора) и разбросом параметров транзисторов от образца к образцу (при смене транзисторов). Поскольку воздействие всех указанных факторов на режим покоя одинаково, а с температурным фактором приходится сталкиваться чаще всего, то в дальнейшем будет рассматриваться только влияние температуры на режим покоя. Все указанные выше параметры транзистора – , (или ), , зависят от температуры, и изменение каждого из них приводит к изменению тока покоя . Это вытекает из формулы, определяющей величину тока коллектора (в схеме ОБ):

. (2.20)

Можно считать, что при малых приращениях дестабилизирующих факторов , , они действуют независимо друг от друга [1, 2], т.е. приращение тока коллектора в схеме с общей базой можно найти как сумму трёх независимых слагаемых, полученных из (2.20) по правилам нахождения приращений (дифференциалов):

. (2.21)

Величина в (2.21) находится с учётом того, что тепловой ток удваивается на каждые повышения температуры:

. (2.22)

Величину (или ) можно найти из графиков зависимости коэффициента (или ) от температуры, приводимых в справочниках. Можно также использовать усреднённую зависимость от температуры, отражающую увеличение на 0,5 % на градус при повышении температуры сверх С и уменьшение на 0,3 % на градус при уменьшении температуры ниже С :

(2.23)

Величину в (2.21) можно найти, если ток в (2.20) представить следующей формулой:

(2.24)

где – ЭДС источника напряжения в цепи эмиттера;

– напряжение на эмиттерном переходе (по вольтамперной характеристике (ВАХ));

– сопротивление в цепи эмиттера;

– сопротивление в цепи базы.

Роль сопротивлений , более подробно будет рассмотрена в разделе 2.4.4.

С учётом (2.24)

. (2.25)

Величина при постоянном токе эмиттера определяется разностью температуры перехода и температуры окружающей среды и температурным коэффициентом напряжения (ТКМ) , равным в среднем - 2 мВ/град:

. (2.26)

С учётом (2.25) из (2.21) можно представить в виде:

(2.27)

или

. (2.28)

В (2.28) учтено отрицательное значение .

Для практического применения в (2.27), (2.28) лучше заменить (по правилам нахождения дифференциалов) на и , тогда

,

.

Из (2.27), (2.28) вытекает, что изменение любого из дестабилизирующих факторов , (или ), ведёт к изменению тока коллектора в схеме ОБ, что, в свою очередь, ведет к изменению тока в схеме ОБ, и, вследствие этого, к изменению (в схеме ОЭ) на величину , которая может быть значительно больше . Подробно взаимосвязь и будет рассмотрена в разделе 2.4.4.