3. Задание к лабораторной работе

Для заданных номиналов резисторов определить токи и напряжения в ветвях схемы при отсутствии сигнала на входе и заданном (данные и входные и выходные характеристики транзистора получить у преподавателя).

4. Содержание отчета

1.Схему анализируемого усилительного каскада, на которой должны быть показаны направления токов в ветвях при отсутствии сигнала на входе.

2. Графики, необходимые для построения управляющих динамических характеристик коллекторного тока и выходного напряжения.

5. Контрольные вопросы

1. Как графически находится ВАХ участка цепи, содержащей параллельно и последовательно соединённые элементы, если ВАХ отдельных элементов известны?

2. Почему зависимость между током коллектора и током базы (рис.2, а) не проходит через начало координат?

3. Как графически определяются токи и напряжения в схеме при отсутствии сигнала на входе?

4. Как определить коэффициент усиления схемы по току (т.е. отношение тока, протекающего через нагрузку, к току, протекающему через источник сигнала)?

5. Как определить коэффициент усиления схемы по напряжению?

6. Укажите алгоритм анализа схемы с общим коллектором?

Лабораторная работа №2

Схемы смещения в усилителях на биполярных транзисторах. Стабилизация режима

1. Цель работы

Изучение основных схем подачи смещения и стабилизации режима работы в усилителях на биполярных транзисторах.

2. Теоретическое введение

В схемах полупроводниковых элементах желательный режим работы транзистора по постоянному току (положение рабочей точки) устанавливается путём подачи напряжения (подачи смещения) на соответствующие выводы транзистора. Коллекторный переход обычно смещают в обратном направлении, эмиттерный же переход может быть смещён как в прямом, так и в обратном направлении. Подать смещение можно с помощью нескольких источников напряжения, однако чаще применяют цепи смещения, образованные одним источником ЭДС и резисторами.

Выбор положения рабочей точки определяется назначением усилителя, полярностью входного сигнала и диапазоном его изменения. Во всех случаях на режим смещения накладываются ограничения. Ограничением снизу обычно является коэффициента передачи тока при малых .Ограничением сверху является потребляемая мощность или же предельно допустимые параметры транзистора Непосредственно выбор рабочей точки производится по статическим характеристикам усилительного элемента.

В реальных схемах рабочая точка может не соответствовать теоретически выбранному положению, так как разброс параметров и статических характеристик элементов, а справочные данные, по которым производится расчёт режима, являются типовыми, средними. Уход реальной рабочей точки возможен так же из-за отклонения напряжения источников смещения, старения элементов, влияния изменений температуры окружающей среды на параметры элементов схемы. Поэтому кроме задания нужного смещения, возникает необходимость поддержания заданного режима работы транзистора, что и является задачей стабилизации каскада и усилителя в целом.

Стабилизация и задание режима работы транзистора обычно осуществляется одними и теми же элементами. Эти же элементы являются составной частью входного и выходного сопротивления схемы, что необходимо учитывать при выборе схемы смещения.

Режим смещения характеризуется двумя величинами – начальным током коллектора и напряжением между коллектором и эмиттером . Нестабильность режима определяется изменением этих величин. Поскольку в конкретной схеме имеется однозначная связь между изменениями , то характеристикой нестабильности считают одну из двух величин, а именно .

Наиболее существенной причиной сдвига рабочей точки является температурная нестабильность. Основными факторами, определяющими температурную нестабильность транзистора, являются нестабильности теплового тока , напряжения база – эмиттер и коэффициента передачи тока . В первом приближении для температурной зависимости тока напряжения на эмиттерном переходе и коэффициента передачи тока в диапазоне температур как для германиевых, так и для кремниевых транзисторов можно записать соотношения:

Таким образом, с повышением температуры на один градус величина теплового тока коллектора увеличивается примерно на 7 % от значения, измеренного при начальной температуре, величина напряжения уменьшается со скоростью , а коэффициент передачи тока увеличивается на 1,2 % от квадрата значения, измеренного при . Отметим также, что у германиевых транзисторов отношение , а у кремниевых – .Поэтому для кремниевых приборов изменение теплового тока может не учитываться.

В общем случае ток коллектора является функцией многих переменных , здесь – напряжения источников питания схемы, – резисторы, с помощью которых задаётся ток . Приращение можно найти двумя способами. Один из них сводится к определению как разности . При этом используются значения параметров схемы и транзисторов для двух состояний схемы. Второй путь предполагает получение в виде полного дифференциала по параметрам, зависящим от состояния схемы:

(14)

Вошедшие в (14) частные производные, характеризующие скорость изменения под действием различных дестабилизирующих факторов, называются коэффициентами нестабильности и имеют обозначения:

Второй путь пригоден относительно узкого диапазона изменений параметров схемы, поскольку он учитывает только линейную связь между и , и.т.д., которая справедлива лишь в ограниченной области изменения указанных параметров.

Стабилизация рабочей точки почти во всех усилительных схемах достигается соответствующим изменением тока смещения. «Регулировка» смещения (т.е. необходимое изменение смещения) производится двумя способами: параметрическим и автоматическим – при помощи обратных связей, когда отклонение выходной величины подаётся на вход усилителя и уменьшает изменение выходной величины.

Примером параметрической стабилизации рабочей точки может служить использование термисторов в цепях смещения, позволяющее стабилизировать режим в определённом температурном интервале. На рис.5 показана схема цепи смещения с термистором. Согласно схеме рис. 5.

где – сопротивление термистора; – сопротивление участка aб.

Если выбрать с положительным температурным коэффициентом, то при повышении температуры уменьшается и при соответствующем подборе величины температурного коэффициента можно добиться стабилизации рабочей точки.

Рис.5

Параметрический метод стабилизации неудобен тем, что для ликвидации различных нестабильностей требуется не один, а несколько элементов компенсации. Например, несоответствие положения рабочей точки оптимальному из-за разброса параметров активных элементов можно исключить с помощью переменного резистора или с помощью источника с регулируемым напряжением, а нестабильность рабочей точки, обусловленную изменением температуры, – путём подбора термистора с соответствующей характеристикой.

Более удобным методом стабилизации является автоматическая компенсация, при которой смещение автоматически изменяется пропорционально отклонению режимного тока или напряжения от номинального. При этом не важна причина сдвига рабочей точки, и нестабильности всех видов будут одинаково воздействовать на регулирующий элемент. Автоматизм стабилизации достигается использованием внутрикаскадных или межкаскадных обратных связей. При этом смещение изменяется пропорционально величине отклонения выходного тока или напряжения от режимных значений, сводя это отклонение к минимуму. Рассмотрим схемы стабилизации при помощи внутрикаскадных обратных связей.

На рис.6а – г показаны схемы усилительных каскадов, наиболее часто применяемые на практике.

а б в г

Рис.6

В простейшей схеме рис.6а никаких мер для обеспечения температурной стабилизации тока коллектора не принято. Эта схема наименее стабильна и получила распространение лишь благодаря своей простоте.

Для обеспечения необходимой термостабилизации коллекторного тока в схемах рис. 6б – г применена внутрикаскадная обратная связь по постоянному току и напряжению. Так, в схеме рис.6б при возрастании температуры увеличивается и , следовательно, увеличивается падение напряжения на . В результате напряжение на переходе эмиттер – база уменьшается, что ведёт к уменьшению токов и . Чем больше , тем при меньшей разности токов можно достичь необходимого изменения напряжения , так как . Здесь – номинальное (режимное) значение тока эмиттера. Заметим, что при увеличении потенциала эмиттера потенциал базы тоже возрастает, что ослабляет действие обратной связи. Величина растёт тем меньше, чем меньше значения сопротивлений резисторов . Однако при этом снижается КПД схемы за счёт потерь в сопротивлении обратной связи.

В схеме показанной на рис.6в, для стабилизации тока коллектора применена отрицательная обратная связь по напряжению с помощью сопротивления, включённого между коллектором и базой транзистора. При увеличении тока коллектора возрастает падение напряжения на сопротивлении, вследствие чего понижается напряжение на коллекторе и снижается напряжение на сопротивлении и эмиттерном переходе, что частично компенсирует изменение тока коллектора. Причём, чем больше и меньше, тем при меньших изменениях коллекторного тока будет достигнуто необходимое изменение напряжения база – эмиттер. Отсюда следует, что рассматриваемая схема мало пригодна для усилителей с трансформаторной связью, так как величина для постоянного тока у них мала. Однако по сравнению с предыдущей эта схема имеет то преимущество, что отсутствует, и, следовательно, КПД схемы может быть выше. Для устранения отрицательной обратной связи по переменному току вводится конденсатор .

В схеме рис.6 г стабилизация режима достигается принципиально так же, как и в схеме рис.6 б. С ростом тока коллектора уменьшается и ослабляется рост тока коллектора. Входной сигнал в данной схеме подаётся на эмиттер. Однако, если источник сигнала имеет низкое внутреннее сопротивление для постоянного тока (например, вторичная обмотка входного трансформатора), то его можно включить в разрыв цепи базы.

Рассмотренные выше схемы можно сравнить с точки зрения обеспечения стабильности, используя выражение (14). Для этого необходимо выразить через для каждой схемы и сравнить соответствующие коэффициенты нестабильности.

Определим , используя обобщённую схему, показанную на рис. 7. Принимая отдельные сопротивления в этой схеме равными нулю или бесконечности, можно получить различные варианты схемы, например, такие, как на рис.7.

Рис.7

Согласно законам Кирхгофа для схемы рис.7 можно составить уравнение:

Отсюда:

Считая резисторы достаточно стабильными (т.е ), что хорошо выполняется для схем на дискретных элементах, получим:

Величина, вынесенная за фигурные скобки, есть коэффициент нестабильности . Как видно из (16), стабильность схемы тем выше, чем меньше . Причём , когда , а и , если . Таким образом общим принципом повышения стабильности (как уже отмечалось ранее), является увеличение сопротивления в цепи эмиттера и уменьшение полного сопротивления в цепи базы.

Чтобы получить выражение для конкретных схем, надо, сравнивая обобщённую эквивалентную схему (рис.7) с рассматриваемой схемой (рис.6а – г). Полагать в (16) соответствующие сопротивления равными нулю или бесконечности, а также отбросить члены, учитывающие источники питания схемы рис.7, отсутствующие в конкретной схеме. Например, для схемы рис.2,а в выражении (3) надо принять ,, .

Результаты такого анализа при приведены в таблице:

Из приведённых в таблице схем наиболее стабильны первая и вторая, а самой стабильной является схема 8. На первый взгляд может показаться, что в схемах 3 и 4может быть достигнута одинаковая стабильность. Однако для обеспечения нормального режима работы схемы 4 необходимо применять , и стабильность схемы оказывается низкой.

В заключение заметим, что при приближении к единице для всех схем, приведённых в таблице, уменьшаются КПД и входное сопротивление. Поэтому в реальных схемах величина коэффициента .