1.2.5. Установка рабочей точки

Приведенные выше соображения справедливы в режиме работы транзистора при малых сигналах в заданной рабочей точке I_CA, U_CEA. Для установки рабочей точки последовательно с источником напряжения малого сигнала можно включить источник напряжения величиной U_BEA (рис. 1.13). Однако это решение из-за наличия незаземленного источника напряжения неэкономично.

Рис. 1.13. Принцип установки рабочей точки.

Поэтому базовое напряжение U_BEA обеспечивается источником питающего напряжения V⁺, а база присоединяется к источнику переменного напряжения u_е через конденсатор (рис. 1.14). Выходное напряжение u_a снимается с выхода через другой конденсатор. Таким образом, схема содержит два фильтра верхних частот, нижняя граничная частота которых должна быть выбрана так, чтобы полностью пропускались нижние частоты сигнала.

Рис. 1.14. Установка рабочей точки с помощью базового делителя напряжения.

Из рассмотрения крутой части передаточной характеристики, изображенной на рис. 1.5, видно, что влияние малых отклонений напряжения U_BEA на Ic существенно. Небольшие отклонения U_BEA вызывают значительные отклонения коллекторного тока, поэтому вследствие неизбежного разброса параметров U_BEA необходимо регулировать индивидуально для каждого отдельного транзистора с помощью подстроечного резистора R₂. Кроме того, схема особенно чувствительна к температурному дрейфу. Напряжение база-эмиттер, соответствующее определенному коллекторному току, уменьшается на 2 мВ при повышении температуры на один градус. Это обстоятельство наглядно иллюстрируется на рис. 1.15 с помощью фиктивного источника напряжения в базовом выводе. Напряжение этого источника при комнатной температуре равно нулю и увеличивается на 2 мВ при повышении температуры на один градус.

Рис. 1.15. Эквивалентная схема для эффекта дрейфа напряжения база эмиттер.

Этот источник включается последовательно с изображенным на рис. 1.14 источником напряжения сигнала, что приводит к следующей величине дрейфа потенциала коллектора при отсутствии сигнала:

Таким образом, при повышении температуры на 20° потенциал коллектора при отсутствии сигнала уменьшится примерно на 6 В. Такое большое отклонение от заданной рабочей точки является недопустимо большим.

Установка рабочей точки с помощью базового тока

Влияние U_BE на потенциал коллектора при отсутствии сигнала можно устранить, установив рабочую точку с помощью стабильного базового тока. Для этого база соединяется с источником питающего напряжения через высокоомное сопротивление (рис. 1.16).

Рис. 1.16. Установка рабочей точки с помощью стабильного базового тока

Исходя из необходимого коллекторного тока Ic, при отсутствии сигнала получим базовый ток

Этот ток должен протекать через R₁ величину которого определим из выражения

Поскольку V⁺, как правило, велико по сравнению с U_BEA , то U_BEA практически не влияет на базовый ток. Это в значительной степени устраняет источник дрейфа. Однако температурная зависимость коэффициента усиления по току В остается, причем В увеличивается примерно на 1% при повышении температуры на один градус. Кроме того, недостатком является то обстоятельство, что относительно большие разбросы В существенно изменяют коллекторный ток и потенциал коллектора при отсутствии сигнала.

При использовании германиевых транзисторов в этой схеме необходимо принимать во внимание обратные токи, так как они примерно в 1000 раз больше, чем у кремниевых транзисторов. Обратный ток перехода коллектор-база I_CB0 не проходит в этом случае через низкоомное сопротивление по пути к общей точке, поэтому он складывается с базовым током; следовательно,

Так как для германиевых транзисторов токи I_B и I_CB0 имеют один и тот же порядок, то они вносят значительную нестабильность рабочей точки. Поэтому рассмотренная схема так же мало подходит для германиевых транзисторов, как и предыдущая.

Входное сопротивление схемы г_е = R₁ || r_BE значительно больше, чем при установке рабочей точки с помощью делителя напряжения. Это является недостатком, так как транзистор довольно долго остается закрытым при воздействии большого положительного входного импульса. В результате вместо кратковременного заряда конденсатора С через переход база-эмиттер происходит медленный разряд его через резистор R₁.

Установка рабочей точки с помощью отрицательной обратной связи по току.

Улучшение стабильности рабочей точки достигается при использовании отрицательной обратной связи на низких частотах. Для этой цели служит цепь R_EC_E на рис. 1.17. При этом дрейф напряжения база-эмиттер усиливается в /R_E раз.

Рис. 1.17. Стабилизация рабочей точки с помощью отрицательной обратной связи по постоянному току.

Вариант с использованием двух источников— положительной и отрицательной полярности приведен на рис. 1.18.

Рис. 1.18. Упрощенная схема стабилизации рабочей точки с дополнительным отрицательным питающим напряжением.

В этом случае базовый потенциал при отсутствии сигнала можно сделать равным нулю; делитель напряжения на входе становится излишним, если входной источник обеспечивает цепь для постоянного базового тока при отсутствии сигнала.

Если отрицательная обратная связь нежелательна, конденсатор C_E должен шунтировать переменное напряжение в требуемой области частот. Для определения требований к его номиналу рассмотрим частотную характеристику усиления, обусловленную C_E . С этой целью заменим в формуле (1.14) R_E на

(1.18)

При частотах выше f₁ = 1/2R_EC_E модуль полученного импеданса уменьшается, т.е. коэффициент усиления возрастает пропорционально частоте и достигает значения SR_C (рис. 1.19). Отсюда следует, что

(1.19)

Если требуется осуществить неглубокую отрицательную обратную связь по переменному напряжению, можно включить резистор R'_E < R_E последовательно с конденсатором С_Е .

Рис. 1.19. Воздействие конденсатора С_Е на частотную характеристику усиления.

Выбор параметров схемы, изображенной на рис. 1.17, поясним на числовом примере. Источник имеет внутреннее сопротивление Rg = 100 Ом. Требуемый коэффициент усиления по напряжению усилителя с отрицательной обратной связью А=20, питающее напряжение V⁺ = 15 В. Для этих условий коэффициент усиления по току транзистора В =   25 и Ic = 2мА ( из рис 1.8). Для того чтобы источник сигнала не был слишком сильно нагружен требуется чтобы для переменных напряжений входное сопротивление составило не менее 200Ом. Это входное сопротивление состоит из параллельно соединенных сопротивлений R₁, R₂ и г_BE +R_Е для каскада с обратной связью по току или только параллельно соединенных сопротивлений R₁, R₂ и г_BE для каскада без обратной связи, так как в этом случае конденсатор С_Е в рассматриваемой области частот можно представить в виде короткозамкнутой перемычки. Из формулы (1.11) найдем

г_{BE =}  U_T/Ic= 2526мВ/2мА=325Ом

Для обеспечения наибольшей амплитуды переменного сигнала в классе А оптимальным является выбор рабочей точки из условия

V_СА  V⁺ /2 = 15/2=7,5В

Тогда, зная Ic и падение напряжения на Rc, можем определить значения сопротивлений Rc и R_E

Rc = (V⁺ - V_СА )/Ic = 7,5/2мА = 3,25кОм

R_E = Rc/A = 3,25кОм/20 = 162 Ом

Если делитель напряжения R₁ R₂ выбрать надлежащим образом, то можно выполнить указанное выше требование обеспечения результирующего входного сопротивления 200 Ом.

Далее необходимо установить базовый потенциал при отсутствии сигнала. Согласно рис. 1.5, при малых коллекторных токах U_BE равняется около 0,6 В, а I_E.= I_C + I_B  I_C. Отсюда следует

V_B = U_BE + V_E  U_BE + Ic R_E =0,6+2мА162Ом = 0,92В

Базовый ток равен

I_B = I_C/ = 2мА/25 = 80мкА

Он не должен существенно влиять на базовый потенциал. Поэтому через делитель напряжения R₁ R₂ должен протекать шунтирующий ток, составляющий ~ 10Iв. Для этого необходимо, чтобы

R₁ = (15 - 0,92)В/(0,8 - 0,08)мА = 19,6кОм

R₂ = 0,92В/0,8мА = 1,1кОм

Рассчитанные значения номиналов резисторов указаны на рис. 1.20. Входное сопротивление по переменному току составляет

r_e = u_e/i_e = r_BE R₁R₂ = 247Ом

Для коллекторного тока 2 мА сопротивление г_CE равно 500 кОм ( рис.1.6) . Тогда с учетом формулы (1.8) найдем коэффициент усиления по напряжению для ненагруженного каскада

A = u_a/u_e = - I_C/U_T (r_CE R_C ) = 250

Для выходного сопротивления получим

r_a = u_a/i_a = r_CE R_C  3,2 кОм

Рис. 1.20. К примеру расчета параметров низкочастотного каскада усиления

Таким образом, усиление э.д.с. генератора сигнала при R_L = 10 кОм составит

u_a/u_g = r_e /(R_g + r_e)  A  R_L /(R_L + r_a) = 135

Это значение должно сохраняться до нижней частоты f_мин = 20 Гц. Поскольку схема содержит три фильтра верхних частот, то нужно выбрать частоты среза fg этих фильтров в пределах до f_мин. Положим, что эти частоты равны; используя формулу для n фильтров с равными частотами среза, найдем

При этом получим

С_e = 1/[ 2f_g (R_g + r_e )]  40мкФ

С_E = S/ 2f_g = I_C / 2f_g U_T  1000мкФ

С_a = 1/[ 2f_g (R_L + r_a )]  1мкФ

2. РАСЧЕТ РАБОЧЕЙ ТОЧКИ

2.1. Получить у преподавателя исходные Ес, А, Iс значения для расчета каскада усилителя

2.2. Провести расчет сопротивлений, обеспечивающих положение рабочей точки

- Учитывая, что Uc=Ec/2, определим Rc=Uc/Ic;

- Следуя (1.16) получим R_E=Rc/A и U_E = R_E Ic ;

- Для используемых транзисторов типичное значение U_BE  0,7В, отсюда определим U_B = U_BE + U_E

- Ток делителя I_R1R2 вычисляется из условия I_R1R2 > 10I_B = Ic/_min , отсюда R₁+R₂ = Ec/I_R1R2 , тогда R₂=(R₁+ R₂) U_B /Ec и R₁ = (R₁+ R₂)- R₂

2.3. Выбрать значения R по таблице номиналов. При необходимости провести корректировку значений R.

2.4. Провести проверочный расчет рабочей точки по статическим характеристикам транзистора.

2.5. Рассчитать значения входного r_e и выходного r_a сопротивлений усилителя и разделительных емкостей Сe, C_E , Ca

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА РАБОТЫ УСИЛИТЕЛЯ

3.1. Проверка положения рабочей точки.

Собрать схему по макету, установленному на стенде. Прибором АВМ1 контролировать ток источника питания. Для этого "-" источника питания соединить с "-" АВМ1, а "+" АВМ1 соединить с клеммой "-" Eк стенда. Соответственно "+" источника соединить с клеммой "земля".

Прибором АВМ2 контролировать напряжение на коллекторе (клемма К) и в других точках схемы

Записать измеренные величины напряжений, определяющие рабочую точку.

3.2. Проверка усиления на частоте 1кГц.

Установить разделительные конденсаторы, контролируя их полярность. Подключить ГНЧ, установить частоту 1 кГц и с помощью осциллографа установить максимальное линейное усиление каскада. Измерить амплитуду выходного синусоидального сигнала и сигнала на входе усилителя. Убедиться, что каскад обеспечивает заданный коэффициент усиления по напряжению.

3.3. Исследовать амплитудную характеристику усилителя на частоте 1 кГц. Для случаев с и без отрицательной обратной связи по току. Определить физические причины ограничения выходного напряжения

3.4. Измерения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) усилителя

- Произвести измерения АЧХ в диапазоне 100Гц - 100кГц и результаты записать в таблицу. Контролировать линейность усиления.

F, кГц
Uвых. В
Uвх, В

- Произвести измерения АЧХ в диапазоне 100Гц - 100кГц при включенном Cэ ( без обратной связи по току) и результаты записать в таблицу.

Протокол, проделанных измерений должен быть подписан преподавателем.

4. РАЗДЕЛЫ ОТЧЕТА

4.1. Титульный лист по типу титульного листа методических указаний, с указанием справа внизу данных исполнителя : Студент гр. 2211 ФЭЛ ИВАНОВ И.И.

4.2. Исходные данные для выполнения курсовой работы. Указать объект и цель работы и привести выданные исходные значения параметров усилителя

4.3. Принципиальная схема усилителя, назначение и принцип действия. Кратко объяснить назначение каждого элемента схемы.

4.4 Расчет положения рабочей точки и экспериментальная проверка

4.5. График амплитудных характеристик и пояснения к нему. Причины нелинейности

4.6. Графики АЧХ усилителя для режимов с обратной связью по току и без нее

4.7. Выводы по работе, где поясняется решена ли поставленная задача полностью или частично, какие параметры достигнуты и какие проблемы возникли в процессе ее решения.

4.8. Протокол измерений

Литература:

1. Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов. т.1. М. Мир, 1984

2. Пасынков В.В. Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1987

3. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. М. Мир, 1983

Для преподавателей - варианты заданий:

	1	2	3
Ec,V	8	10	12
A	5	10	15
Ica, мА	5	8	10

14