2.Установка рабочей точки биполярного транзистора

Существует два основных способа установки рабочей точки БТ по постоянному току, представленных на рис 16. Это схема с фиксированным напряжением на базе и схема с фиксированным током базы.

Рабочая точка БТ формируется одновременно в системе координат входных и выходных ВАХ, и для обоих случаев установки рабочей точкииявляются величинами, которые задаются значениями,. Разница состоит лишь в выборе управляющей величины: в схеме с фиксацией напряжения на базе выбирается внешнее напряжение смещения, равное значению, при котором в соответствии с входной ВАХ БТ ток через база-эмиттерный переход БТбудет равен, в схеме с фиксацией тока базы ток источника токасразу выбирается равным, тем самым автоматически, опять же в соответствии с входной ВАХ, обеспечивая установку необходимого. Оба способа установки рабочей точки по постоянному току являются практически идентичными, так как, с соответствующим ему значением, или, наоборот,, с соответствующим ему значением, это одна точка на входной ВАХ БТ, но при этом оба способа смещения Б-Э перехода весьма различно влияют на свойства каскадов усиления по переменному току и, особенно, на их термостабильность. Однако на практике в ряде ограниченных случаев, например в узком температурном диапазоне, применение их вполне допустимо.

Разновидности схем установки рабочей точки с фиксированным напряжением на базе представлены на рис. 17, 18. На схемах клеммами «вх», «вых» обозначены места для подключения к источнику сигнала и к нагрузке.

Для схемы на рис. 17 источник базового смещения (как правило, напряжениеменьше, чем напряжение) отделен от базового перехода БТсопротивлением, которое служит для развязки источника сигнала по переменному току от низкоомного сопротивления источника смещения и задания величины постоянного тока базыв его рабочей точке. Недостаток схемы формирования напряжения базового смещения на рис. 17 – в наличии дополнительного источника напряжения.

Всхеме на рис. 18 роль дополнительного источника смещения выполняет источник питания, с помощью которого и делителя напряжения,к базе транзистора прикладывается необходимое для открывания перехода Б-Э напряжение.

Схема на рис. 19 устанавливает рабочую точку транзистора с помощью стабильного базового тока. Идеальный источник тока в схеме на рис. 16 заменен в схеме на рис. 19 высокомным сопротивлением, подключенным к источнику питания. Напряжениепо сравнению с напряжением питаниямало, следовательно, ток базы задается сопротивлениемв соответствии с законом Ома. Так как базовый токмал, то сопротивлениедостаточно велико, что соответствует свойству идеального источника тока – обладать высоким внутренним сопротивлением.

Сравнение схем подачи базового смещения со стабилизацией напряжения на базе и схемы подачи стабильного тока базы показывает, что сопротивлениев схеме на рис. 19 много меньше шунтирует источник сигнала по переменному току, чем сопротивлениев схеме на рис. 17 или сопротивление делителя напряженияв схеме на рис. 18. Отрицательным свойством малого шунтирующего действия резисторана переход Б-Э в схеме на рис. 19, по сравнению со схемами на рис. 17, 18, является слабое рассасывание зарядов из базы транзистора при резких фронтах входного сигнала, в результате чего переход транзистора из открытого состояния в закрытое происходит медленно.

Все схемы формирования базового смещения транзистора в силу разброса свойств БТ, таких как зависимость прямого падения напряжения на переходе Б-Э от температуры для схем на рис. 17, 18, зависимость коэффициента усиления по току БТ от температуры в схеме на рис. 19, технологического разброса коэффициента усиления по току БТ, достаточно требовательны к точному выбору значения сопротивления , которое часто во всех рассмотренных схемах делают регулируемым или подстроечным.

Устранение влияния дестабилизирующих факторов на режим работы БТ по постоянному току достигают использованием цепей отрицательной обратной связи (ООС). Упрощенно принцип обратной связи состоит в том, что часть полезного сигнала с выхода схемы поступает обратно на ее вход, причем для отрицательной обратной связи характерно уменьшение (компенсация) входного сигнала под воздействием выходного сигнала, поэтому она и называется отрицательной. С точки зрения стабилизации рабочей точки БТ принцип ООС следует понимать так, что доля выходного напряжения или тока (а для БТ выходной цепью является цепь коллектор-эмиттер, и, следовательно, выходным сигналом должны являться параметры выходной цепи – ток коллектора или эмиттера, или напряжения на коллекторе или эмиттере БТ) должна поступать обратно во входную, базовую цепь БТ и воздействовать на напряжение или ток в базовой цепи противофазно дестабилизирующим факторам с целью уменьшения их влияния на режим БТ по постоянному току.

Наиболее распространена схема установки рабочей точки БТ с ООС по току (рис. 20). Другое ее название – схема с фиксированным напряжением на базе и эмиттерной стабилизацией. Она является универсальной схемой установки рабочей точки БТ для любого варианта включения транзистора по переменному току.

Напряжение (рис. 20) на базе транзистораVT1 зафиксировано делителем напряженияR1,R2. Ток эмиттерав соответствии с законом Ома вызывает падение напряженияна эмиттерном сопротивленииR4. Любое изменениеилипод действием дестабилизирующих факторов вызывает соответствующее изменениеи, следовательно, изменение падения напряжения. Так как напряжение переходав соответствии с законом Кирхгофа, азафиксировано, то изменение падения напряженияна эмиттерном сопротивленииR4 обязательно приведет к изменению напряжения, причем противофазно изменению напряжения наR4. Например, в случае даже незначительного увеличенияпроизойдет значительное увеличениев силу усилительных свойств БТ, и, следовательно, напряжениена Б-Э переходе уменьшится, что в свою очередь скомпенсирует увеличение, осуществив таким образом стабилизацию рабочей точки транзистораVT1.

Схема на рис. 21 иллюстрирует метод установки рабочей точки с использованием ООС по напряжению. Цель подключения сопротивления R1, задающего, к коллекторуVT1, получить независимость режима работы БТ по постоянному току от свойств самого БТ (технологического разброса коэффициента передачи по току), а также устранение влияния на БТ дестабилизирующих факторов в виде изменения напряжения питания или температуры. Стабилизирующее действие ООС основано на компенсации возможного измененияс помощью выходного напряжения, меняющего противофазно. В случае увеличения (уменьшения)ток коллектораVT1 увеличивается (уменьшается), напряжениеуменьшается (увеличивается) и, следовательно, ток базыуменьшается (увеличивается).

Общий подход к расчету режима БТ по постоянному току для схем (рис. 17…21), работающих в активном (линейном) режиме примерно одинаков, хотя имеет различия, относящиеся к выбору элементов стабилизации рабочей точки БТ в базовой цепи транзистора.

Порядок расчета элементов схемы для установки рабочей точки БТ, работающего в линейном режиме (рис. 17…21), следующий.

1. Выбираем тип БТ самостоятельно или используем конкретный тип БТ, определенный техническим заданием

Перед началом расчета следует определиться с типом транзистора. Для предварительных усилителей, работающих, как правило, в слаботочном режиме, если нет каких-либо специфических требований, например повышенного напряжения питания, низкоомного сопротивления нагрузки, большой амплитуды переменной составляющей тока или напряжения на выходе усилителя, следует выбирать транзистор, относящийся к классу маломощных, наиболее дешевых, с предельной постоянной рассеиваемой мощностью коллектора БТ до (100…250) мВт.

Учет частотных свойств БТ осуществляется обычно на этапе расчета свойств усилительного каскада по переменному току, предварительный выбор транзистора (низкочастотный, высокочастотный или сверхвысокочастотный) может быть осуществлен по планируемому частотному диапазону усилительного устройства. Однако следует знать, что использование более высокочастотных типов транзисторов в низкочастотных цепях нежелательно, так как они дороги, склонны к самовозбуждению и обладают меньшими эксплуатационными запасами.

2. Задаем постоянный ток коллектора БТ

Так как в апаратуре БТ может быть использован в широком диапазоне токов и напряжений, то ограничением на их выбор служат значения предельно допус­тимых режимов, превышение которых в условиях эксплуатации не допускается независимо от длительности импульсов напряжения или тока. Поэтому при при­менении БТ необходимо обеспечить их защиту от мгновенных изменений токов и напряжений, возникающих при переходных процесах, мгновенных изменениях питающих напряжений. Не допускается также работа БТ в совмещенных предель­ных режимах (например, по напряжению и току). Для повышения надежности БТ при эксплуатации следует выбирать рабочие режимы БТ (,, постоянную рассеиваемую мощность коллектора) меньше, чем их предельно допустимые ве­личины в (1,2…1,4) раза. При запасе в (1,6…2) раза надежность работы транзи­стора высока и практически не зависит от режима его работы.

Существует несколько критериев выбора .

• Наиболее прост способ, не требующий оптимизации режима работы БТ под определенные свойства. Задаем , равный приведенному в справочниках [6,7] типовому режиму измерения параметров БТ, например, справочный, соответствующий режиму измерения статического коэффициента передачи тока или режиму измерения модуля коэффициента передачи тока на высокой частоте.

• В случае необходимости, чтобы транзистор имел максимальный коэффициент передачи тока (например, если требуется получить максимальное входное сопротивление усилителя по переменному току) следует воспользоваться типовой справочной зависимостьюот токаили(рис. 22). Ток коллектора выбирается равным значению при максимальной величине.

• Для расширения полосы пропускания усилителя в область высших частот в случае его широкополостного применения необходимо воспользоваться справочной зависимостью граничной частоты БТ от тока коллектора. Ток коллектора выбирается соответствующим максимальному значению граничной частоты БТ.

• При построении малошумящих входных усилителей основой для выбора тока коллектора является справочная зависимость коэфициента шума БТ от тока коллетора. Ток коллектора следует выбирать по минимуму коэффициента шума.

• Во всех случаях, если известна амплитуда переменной составляющей тока на выходе усилительного каскада (например, по техническому заданию или величине выходной мощности на заданной нагрузке), то значение постоянной составляющей тока коллектора должно быть не меньше, чем амплитудное значение переменной составляющей тока в нагрузке.

Уменьшать ток коллектора БТ ниже значений, указанных в критериях вы­бора, нецелесообразно, если нет особых требований по минимизации потребления схемы усилителя, или, если не выбран тип БТ, специально разработанный для ра­боты с малыми токами. При малых рабочих токах у обычного БТ снижатся устой­чивость работы в диапазоне температур и появляется нестабильность параметров усиления во времени.

3. Задаем постоянное напряжениеБТ

• Критерий выбора − такое положение рабочей точки А БТ на семействе выходных ВАХ, при котором получается максимально возможная амплитуда переменной составляющей на выходе усилительного каскада.

Так как возможное изменение по­ложения точки А при ее движении под действием входного сигнала по нагру­зочной прямой ВС на графиках выход­ных ВАХ (рис. 23) ограничено с одной стороны потенциалом земли − точкой В (режим насыщения), а с другой стороны – потенциалом источника питания − точкой С (режим отсечки), то целесооб­разно выбирать для исходного положе­ния рабочей точки напряжение, равное приблизительно половине напряже­ния питания.

Обеспечить следует выбором величины сопротивленияв кол­лекторной цепи транзистора. Так как БТ в линейном режиме является источ­ником тока, то значениена переходе К-Э должно устанавливаться принуди­тельно, в частности для схем на рис. 17, 18, 19, 21 падением напряженияна коллекторном сопротивлении. В соответствии с законом Кирхгофа. Следовательно,, отсюда, а так как, то

(рис. 17, 18, 19, 21). (14)

Для схемы на рис. 20 закон Кирхгофа для коллекторной цепи записывается как , где− падение напряжения на эмиттерном сопротив­лении,− падение напряжения на коллекторном сопротивлении. Для работы цепи ООС и термостабилизации режима по постоянному току минималь­ное падение напряжения на эмиттерном резисторе устанавливается[9]. Определяем по закону Ома для участка цепи величину, считая:

(рис. 20). (15)

С увеличением увеличивается термостабильность схемы. Но чем больше, тем меньшая доля напряжения источника питания будет приходиться на пере­ход К-Э:, тем возможно меньший размах переменной составляющей может быть получен на выходе схемы. Максимальный размах пе­ременной составляющей возможен при, то есть при равномерном рас­пределении напряжения между переходом К-Э и коллекторным сопротивлением R3. Отсюда следует, что

(рис.20). (16)

4. Определяем в рабочей точке постоянный ток базы БТ

• По положению рабочей точки на семействе выходных ВАХ (рис. 23). Ток базы, например, для варианта установки рабочей точки А на рис. 23 должен равняться значению тока соответствующих ветвей ВАХ, на которых находится точка А − или, или, что, для конкретного примера точнее:− их усредненному значению.

• По заданному в рабочей точке току коллектора

. (17)

В справочниках [7, 8] приводятся, как правило, или типовые (усредненные) зависимости параметров БТ, или значения параметров одного и того же БТ в не­котором интервале, ограниченном минимальным или максимальным значением. Поэтому коэффициент передачи тока БТ определяется как

• типовое справочное ,

• среднегеометрическое значение интервала ,

• графически по справочной зависимости от тока коллектора для выбранного типа транзистора при заданном(рис. 22).

5. Задаем в рабочей точке постоянное напряжение БТ

• Наиболее простой и часто используемый способ, считать для кремниевых БТ, работающих в линейном режиме

, (18)

• для германиевых БТ

. (19)

Причина этому – большая скорость нарастания тока базы от напряженияна входных ВАХ БТ в зависимости. При аппроксимации кривойдвумя отрезками прямых линий получается, что при увеличениидо значенияу кремниевых БТ ток базы практически равен нулю, а дальнейшее увеличение, даже в десятых долях вольта приводит к рез­кому увеличению тока базы по всему диапазону его изменения.

• Другой, более точный способ − определение графически по семейству входных ВАХ выбранного типа БТ. Значениев рабочей точке наносится на осьвходной ВАХ и затем через график зависимостипри заданномпроецируется на ось, где и находится значениев рабочей точке.

6. Определяем элементы базовой цепи

• Для схемы на рис. 17 цепь базового тока описывается по закону Кирхгофа . Следовательно

(рис. 17). (20)

• Для схемы на рис. 18 необходимо определить ток делителя напряжения, выпол­ненного на сопротивлениях R1,R2. Ток делителя задаем из соображе­ний приближения свойств делителя напряжения к свойствам идеального ис­точника напряжения (он не должен ограничивать ток базы):

,(рис. 18). (21)

Сопротивления резисторов: верхнего плеча делителя R1 и нижнего плеча делителя R2 в цепи базы определяем как:

, (рис. 18). (22)

• Для схемы на рис. 19 цепь базового тока также в соответствии с законом Кирхгофа описывается . Следовательно

(рис. 19). (23)

• Для схемы на рис. 20 необходимо записать два выражения для двух ветвей тока: тока делителя и тока базы. Для тока делителя при условии (что соответствует выбору тока делителя, как и в схеме на рис. 18) запишем, где− напряжение на базе транзистора относительного нулевого потенциала. Для тока базы − , считая. Отсюда выражаем

, (рис. 20). (24)

• Для схемы на рис. 21 следует учесть, что базовый ток вытекает с коллектора БТ. Следовательно, поскольку , для базового тока справедливо. Отсюда, при выбореследует

(рис. 21). (25)

Все номиналы сопротивлений после расчета следует округлять до значений, регламентированных рядом сопротивлений Е24 и при необходимости (в случаях грубого округления) корректировать еще и значения параметров рабочей точки БТ.

7. Определяем мощность, рассеиваемую на элементах схемы

Расчет по постоянному току можно считать законченным после дополнительной оценки мощности по закону Джоуля-Ленца, рассеиваемой на каждом элементе схемы. Для сопротивлений это необходимо при выборе типа сопротивления по величине рассеиваемой мощности, а для БТ постоянная рассеиваемая мощность коллектора дает величину запаса от предельной справочной рассеиваемой мощности коллектора.