2. Способы задания и стабилизации режима покоя

усилительных каскадов.

Усилительные каскады могут строиться на биполярных и полевых транзисторах. Транзисторы в усилительных схемах могут включаться тремя способами (рис. 2.1.): биполярные — с общим эмиттером ОЭ, общей базой ОБ и общим коллектором ОК; полевые — с общим истоком ОИ, общим затвором ОЗ и общим стоком ОС.

Рис. 2.1

Сравнительные характеристики этих схем включения рассматриваются в следующей главе.

2.1. Выбор положения точки покоя.

Стабильность точки покоя.

В режиме покоя усилительного каскада, когда входной сигнал равен нулю, необходимо правильно выбрать рабочую точку (точку покоя) транзистора, которая характеризуется совокупностью тока покоя и напряжения покоя выходной цепи.

Выбор точки покоя целесообразно производить графически, используя для этого характеристики транзистора. Так, для биполярного транзистора на семействе выходных характеристик положение точки покоя соответствует заданному току покоя базы I_бп и выбранному положению нагрузочной линии АВ (см. рис. 2.2). Точка покоя выбирается, исходя из заданной величины выходного напряжения U_km и связанного с ним выходного тока I_km=U_km/R_k. Значения этих величин определяют крайние точки Р₁ и Р₂ рабочего участка нагрузочной характеристики.

Рис. 2.2

Перед построением нагрузоч-ной линии и последующим выбо-ром положения точки покоя необ-ходимо определить рабочую об-ласть статических характеристик транзистора. Эта область ограни-чена предельными значениями напряжения U_{кэ доп} и тока I_{к доп} , допустимой мощностью рассеяния Р_{к доп} и минимальными значениями напряжения и тока коллектора U_{кэ min}, I_{к min}. Ограничения по U_{кэ min} вызваны тем, что в этой области характеристики транзистора имеют ярко выраженную нелинейность. Величина же тока I_{к min} должна быть больше I_{ко max}, чтобы полезный сигнал был легко различим на фоне тока I_ко.

Рабочая точка не должна заходить за пределы рабочего участка. В противном случае могут значительно возрасти нелинейные искажения, а в худшем случае транзистор может выйти из строя из-за теплового или электрического пробоя коллекторного перехода.

После того как рабочая точка выбрана, необходимо обеспечить ее положение на нагрузочной прямой с помощью источников питания, смещения и режимных резисторов.

Такие расчеты обычно выполняются аналитическими методами.

В транзисторных каскадах положение точки покоя сильно зависит от температуры окружающей среды и разбросов параметров транзистора и дру­гих элементов схемы. При изменении температуры точка покоя может выйти за пределы рабочей области, что приводит к появлению значительных нели­нейных искажений. На рис. 2.3 на примере сквозной характеристики каскада i_к(e_r) показано возможное изменение точки покоя при увеличении темпера-туры окружающей среды Т^о.

При расчете режима покоя каскада на биполярном транзисторе считают, что смещение точки покоя вызывается только температурными изменениями тока коллектора покоя I_кп, причинами чего являются температурная зависимость коэффициентов передачи эмиттерного a(T⁰) или базового b(T⁰) токов, температурная зависимость обратного тока коллекторного перехода I_ко (Т⁰) и зависимость от Т⁰ напряжения на переходе база-эмиттер.

Для ориентировочных расчетов при заданном изменении температуры DT^o можно принять:

1. Приращение интегрального коэффициента передачи тока эммитера a

(2.1)

2. Приращение интегрального коэффициента передачи тока базы b.

Так как , то (2.2)

откуда (2.3)

3. Приращение обратного тока коллекторного перехода для германиевых транзисторов

Рис. 2.3

, (2.4)

для кремниевых транзисторов . (2.5)

4. Приращение напряжения на переходе база-эмиттер

(2.6)

Здесь ТКa и ТКН — температурные коэффициенты a и напряжения соответственно.

При расчете режима покоя усилительного каскада на МПД-транзисторе учитывают температурную зависимость тока стока и крутизну стоко- затворных характеристик [3].

Рассмотрим температурные изменения тока коллектора торанзистора для двух схем включения ОБ и ОЭ.

Рис. 2.4

Общее выражение для тока покоя, справедливое для обоих схем, имеет вид:

, где (2.7)

При увеличении температуры появляются приращение токов

, (2.8)

где R_г + R_вх — суммарное сопротивление входной цепи; R_вх — входное сопротивление транзистора.

При питании схемы ОБ от источника тока можно считать I_э=const, тогда, полагая , получаем

(2.9)

т.е. схему ОБ можно отнести к схемам с идеальной стабилизацией, в которой изменения тока коллектора обусловлены лишь изменениями обратного тока коллектора.

Для схемы ОЭ

(2.10)

Тогда приращение тока коллектора покоя определяется как

(2.11)

Подставляя ,

Получаем (2.12)

Отсюда следует, что при I_б=const изменения тока коллектора покоя в схеме ОЭ в 1+b раз больше, чем в схеме ОБ.

Температурную нестабильность точки покоя транзисторных каскадов принято оценивать с помощью коэффициента нестабильности b, который показывает, во сколько раз изменение тока в данной схеме больше изменения тока коллектора в схеме с идеальной стабилизацией.

Следовательно,

(2.13)

В схеме с идеальной стабилизацией S=1 максимальное значение S=1+b, например, в схеме ОЭ без стабилизации точки покоя.