2.2.4 Методы обеспечения режима работы транзистора в каскадах

УСИЛЕНИЯ

Для нормальной работы любого усилительного каскада необходимо установить определенные токи и напряжения во входной и выходной цепях транзистора при отсутствии входного сигнала. Такой режим называют статическим (режим по постоянному току, режим покоя). Значения постоянных составляющих токов и напряжений определяются источниками питания во входной и выходной цепях усилителя.

В практических схемах отдельный источник смещения во входной цепи ис­пользуется редко, а вводятся дополнительные элементы смещения (обычно ре­зисторы), на которые подается напряжение от источника питания в выходной цепи. Рассмотрим основные способы обеспечения режима по постоянному току в схеме с ОЭ. Основным требованием при этом является обеспечение постоян­ства выбранного режима покоя при изменении температуры и замене транзи­стора.

НЕСТАБИЛИЗИРОВАННЫЕ ЦЕПИ СМЕЩЕНИЯ

Рассмотрим две основные разновидности нестабилизированных цепей смещения.

Схема усилительного каскада со смещением фиксированным током базы пока­зана на рисунке 3.11. Сопротивление R_Б выбирается во много раз большим сопротивления по постоянному току между кол­лектором и базой транзистора, напряже­ние U_БЭО « Ек. Поэтому

(3.10)

Рисунок 3.11 – Усилительный каскад со смещением фиксированным током базы

Из (3.10) следует, что ток базы прак­тически не зависит от параметров тран­зистора, имеет фиксированное значение, определяемое лишь напряжением ис­точника питания и сопротивлением RБ. Ток IБ0 и напряжение UБЭ0 являются за­данными и определяются режимом рабо­ты транзистора, связь между ними уста­навливают статические входные характеристики транзистора. Следовательно, для обеспечения требуемого смещения на транзисторе в данном усилителе необ­ходимо правильно выбрать сопротивление резистора RБ, воспользовавшись при этом формулой (3.10). Покажем цепи протекания постоянных токов в усили­тельном каскаде с фиксированным током базы (рисунок 3.11). Ток эмиттера Iэо про­текает от источника питания +Ек через корпус, эмиттерный переход транзистора, далее он разделяется на токи IБ0 и Iко; ток IБ0 протекает через резистор RБ и ис­точник питания -Ек, а ток Iко — через коллекторный переход транзистора, резистор Rк, источник питания – Ек.

Схема усилительного каскада со сме­щением фиксированным напряжением ба­за-эмиттер показана на рисунке 3.12.

Напряжение смещения U_БЭ0 обеспе­чивается с помощью делителя напряже­ния R_l и R₂ в цепи базы. Из схемы на рисунке 3.12 следует, что Ек = ImR₂ + IдлR₁ + I_Б0R₁, где Iдл — ток делителя.

Отсюда

Поскольку U_БЭ0 = IдлR₂, имеем

(3.11)

Рисунок 3.12 – Усилительный каскад со смещением фиксированным напряжением UБЭ

Как следует из (9.11), чем больше Iдл по сравнению с IБ0, тем меньше напря­жение смещения UБЭ0 зависит от параметров транзистора. При Iдл IБО из (9.11) получаем UБЭ0 =, то есть смещение зависит только от напряжения источника питания и от сопротивлений делителя R1, R2. Цепи протекания токов Iэо, IБО и Iко такие же, как и в усилителе по схеме рисунка 3.11; ток делителя Iдл протекает через источник питания +Ек, корпус, резисторы R1, R2, ис­точник питания — Ек. На практике нестабилизированные цепи смещения нашли ограниченное при­менение, поскольку они не устраняют произвольные отклонения режима работы транзистора от заданного.

ПРИЧИНЫ НЕСТАБИЛЬНОСТИ

Статические характеристики транзисторов могут существенно отличаться из-за технологического разброса параметров транзисторов от одного экземпляра к дру­гому, к тому же они имеют сильную зависимость от температуры. Ток коллектора транзистора

Iко  h_21Э (I_БО + I_КБО), (3.12)

где h_21Э — низкочастотный коэффициент усиления по току в усилителе с ОЭ; I_КБ0 — обратный ток коллектора при отключенном эмиттере транзистора, являю­щийся тепловым током неосновных носителей заряда через pn - переход.

Как следует из (3.12), ток Iко даже при фиксированном токе базы зависит от h_21Э и I_КБ0. Коэффициент усиления h_21Э может меняться от экземпляра к экземп­ляру транзистора в 2-3 раза. Ток I_КБ0 резко зависит от температуры. Так, при увеличении температуры на каждые 10°С он увеличивается вдвое у германие­вых и втрое у кремниевых транзисторов. Оба отмеченных фактора могут резко изменить режим работы транзистора. По указанным причинам усилительный каскад со смещением фиксированным током базы практически не применяется.

При смещении фиксированным напряжением база-эмиттер разброс парамет­ров транзистора и изменения температуры значительно меньше влияют на от­клонения от заданного режима работы транзистора. Однако и в этом случае не­стабильность режима может быть существенной.

Изменения температуры и разброс параметров транзисторов приводят к из­менению токов Iко и I_Б0. При этом падение напряжения на резисторах R₁ и R₂ в усилительном каскаде (рисунок 3.12) изменяется. Для некоторого уменьшения этих изменений необходимо, чтобы выполнялось условие Iдл » I_БО. Тогда изме­нения I_Б0 мало влияют на напряжение смещения U_БЭО. В то же время с увеличе­нием Iдл приходится уменьшать сопротивление резисторов Rl и R2, что приводит к увеличению выделяемой на них мощности и уменьшению входного сопротив­ления каскада. Обычно в каскадах предварительного усиления выбирают Iдл = (5-10)I_Б0, а в каскадах мощного усиления Iдл = (1-5)I_Б0. Задаваясь значени­ем Iдл, определяют сопротивление резистора R₁ = U_БЭО / Iдл, а сопротивление R₂ находится из (9.11).

Следовательно, нестабилизированные цепи смещения могут применяться только в тех случаях, когда усилитель работает при малых колебаниях темпера­туры и при индивидуальном подборе резисторов цепей смещения для применен­ного в усилителе транзистора.

Основные параметры каскада усиления по схеме с общим эмиттером сильно зависят от внешних воздействий.

К ним в первую очередь, как описано выше, следует отнести изменение тем­пературы окружающей среды, вызывающее:

• изменение обратного тока коллекторного перехода I_КБ0.

• изменение напряжения эмиттерного перехода транзистора.

• изменение коэффициента передачи тока транзистора h_21Э.

• изменение напряжения питания, изменение сопротивления нагрузки и т. п.

Все эти воздействия приводят к изменению тока коллектора, а следовательно и к изменению выходного напряжения усилительного каскада, но имеется воз­можность их компенсировать специальными схемотехническими решениями.

МЕТОДЫ СТАБИЛИЗАЦИИ РАБОЧЕЙ ТОЧКИ

Изменение выходного напряжения или тока усилителя, не связанное с воздейст­вием входного сигнала, а обусловленное изменением режимов работы его эле­ментов вследствие воздействия различных внешних дестабилизирующих факто­ров называется дрейфом нуля.

Если входное напряжение и напряжение источника питания постоянны, то ток базы I_Б и ток коллектора Iк будут постоянны. В базовой и коллекторной це­пях транзистора будут протекать токи покоя (I_Б0 и Iко).

Рисунок 3.13 – Явление дрейфа нуля усилительного каскада: определение тока и напряжения покоя

Этим токам соответствуют напряжения покоя (UБЭО и UKЭ0), которые можно найти как проекцию точки П на пересечении соответствующих характеристик транзистора на оси напряжения (рисунок 3.13). Пусть входное напряжение Uвх увеличилось на величину Uвх Тогда точка пересечения нагрузочной прямой с осью напряжений сместится вправо на вели­чину Uвх. Ток базы IБ и напряжение UБЭ получат положительные приращения (IБ и UБЭ), а поэтому положительные приращения получат коллекторный ток и выходное напряжение каскада (Uвых = IкRк).

Таким образом получим равенство: Uвых = Uкэ. Новый режим в схеме будет характеризоваться точкой покоя П₁).

Внешние возмущения, изменяя ток покоя Iко, выводят усилитель из заданно­го режима работы. Это особенно опасно для режима класса А, так как может вы­вести транзистор в нелинейную область его характеристик, что вызовет увеличе­ние коэффициента нелинейных искажений или вообще приведет к появлению одностороннего ограничения выходного сигнала при заходе рабочей точки в ре­жим насыщения или отсечки.

По этой причине при проектировании транзисторных усилителей вопрос ста­билизации точки покоя является одним из главных.

Существуют три основных метода стабилизации режима работы транзистор­ного каскада: термокомпенсация, параметрическая стабилизация, введение цепей отрицательной обратной связи.

МЕТОД ТЕРМОКОМПЕНСАЦИИ

Этот метод базируется на том, что внешними конструктивными и схемотехниче­скими решениями стараются исключить воздействие на транзисторный каскад нежелательных возмущений. Так, если основным возмущающим фактором явля­ется изменение температуры окружающей среды (изменение температуры при­ведет к изменению тока Iк, а следовательно и к изменению положения точки по­коя, поэтому надо добиться, чтобы ток Iк имел определенную стабильность), то наиболее чувствительные к этим воздействиям каскады усилителя могут быть конструктивно выделены в некоторый самостоятельный узел, в котором прину­дительно (вне зависимости от внешних условий) поддерживается неизменная температура, что и дало название методу.

В эту же группу методов можно отнести: питание наиболее подверженных кас­кадов стабилизированным напряжением, применение элементов со стабильными параметрами и т. п.

Общим для всех этих методов является исключение действия возмущений на каскад, вызывающих недопустимые изменения его параметров.

МЕТОД ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ

Базируется на использовании в транзисторных каскадах специальных элемен­тов, характеристики которых зависят от внешних возмущающих воздействий, причем изменения параметров этих элементов должны компенсировать измене­ния параметров каскада. Примером такого элемента может быть терморезистор.

Рисунок 3.14 – Схема термокомпенсаци и точки покоя транзисторного каскада

Терморезистор — это полупроводниковый резистор, сопротивление которого сильно зависит от температуры. В качестве примера на рисунке 3.14 приведена схема транзи­сторного каскада, в которой для введения на­чального смещения рабочей точки использу­ется внешний делитель на терморезисторах RБ1 и RБ2. Очевидно, что в данной схеме при измене­нии температуры окружающей среды будет уве­личиваться ток Iко. Это обусловлено уменьшением напряжения UБЭ вследствие сдвига входной характеристи­ки транзистора влево и увеличением h21Э и Iко. Чтобы сохранить ток Iко на неизменном уров­не, требуется уменьшить начальное смещение. Для этого необходимо либо увеличить RБ1, либо уменьшить RБ2. Возможно и одновременное изменение сопротивления обоих резисторов. При соответствующем подборе терморезисторов ток Iко остается постоянным.

Рисунок 3.15 – Параметрическая стабилизация режима покоя усилительного каскада с использованием дополнительного транзистора

Во входном делителе могут быть использованы различные элементы – либо терморезисторы, либо полупроводниковые приборы. На рисунке 3.15 показано использование та­кого элемента — эмиттерного перехода до­полнительного транзистора VT2. Если параметры транзисторов VT2 и VT1 одинаковы, то такое решение позволяет полностью устранить изменение тока по­коя коллектора Iко, вызванное изменени­ем напряжения UБЭ. Такое решение находит широкое при­менение при разработке аналоговых инте­гральных схем. Общим для обоих рассмотренных ме­тодов является компенсация только одно­го из дестабилизирующих факторов. Так, при использовании параметриче­ского метода трудно подобрать элементы, способные в широком диапазоне измене­ния внешних возмущений достаточно точно стабилизировать параметры транзисторного каскада, поэтому рассмотренные выше методы применяются как до­полнительные, то есть совместно с введением в каскад различных цепей обрат­ной связи.

ВЫВОДЫ:

1. Для обеспечения требуемого режима работы усилительных элементов необ­ходимо иметь по крайней мере два напряжения между эмиттирующим и вы­ходным электродами и между эмиттирующим и управляющим электродами (смещение).

2. Создание напряжения смещения, как правило, осуществляется от источника питания.

3. Изменение температуры коллекторного перехода биполярных транзисторов приводит к изменению тока I_КБО, что вызывает смещение точки покоя, ко­торое особенно проявляется в каскадах, где транзисторы включены по схеме с общим эмиттером. Поэтому такие каскады требуют обязательной стабили­зации режима работы.

4. Стабилизация режима работы может осуществляться за счет отрицательной обратной связи.

5. В некоторых случаях применяют термокомпенсацию точки покоя включени­ем термозависимых сопротивлений.