3. Выбор рабочей точки транзистора в усилительном каскаде

Положение начальной рабочей точки определяется полярностью и значением напряжения смещения на электродах транзистора. Существует две основные схемы, которые позволяют осуществить подачу смещения от источников питания. Такие схемы называются схемами смещения фиксированным током или фиксированным напряжением. Основное назначение данных схем − сформировать постоянное смещение на эмиттерном переходе транзистора, которое определяется необходимым положением рабочей точки.

3.1 Схема смещения фиксированным током

В данной схеме (рис. 6) база транзистора VT1 соединена с плюсовой клеммой источника питания Е_К через резистор R_Б. В режиме покоя напряжение смещения на базе определяется выражением U_ОБ = Е_К − I_ОБ R_Б., где ток I_ОБ определяют по входной статической характеристике транзистора, исходя из требуемого положения начальной рабочей точки, которая задаётся постоянными смещениями U_ОБ и U_ОК. Для коллекторной цепи справедливо соотношение U_ОК = Е_К − I_ОК R_К.

Рис. 6

R_Б − «гасящее» сопротивление, которое определяется выражением .

Для приближенных расчетов U_ОБ можно убрать, т.к. U_ОБ << Е_К, тогда .

Отсюда следует, что при установленных Е_К и R_Б, ток базы равный останется тем же при замене транзистора или при изменении температуры.

3.2 Схема смещения фиксированным напряжением

В данной схеме формируется и фиксируется напряжение на базе транзистора VT1, которое создаётся делителем напряжения на резисторах R₁ и R₂. Через указанные резисторы протекают токи делителя I₁ и I₂.

Рис. 7

Для данной схемы справедливы выражения E_К = R₁I₁+R₂I₂ и U_ОБ = R₂I₂ , из которых определяются сопротивления делителя: и .

При расчетах схемы резисторы и выбирают такими, чтобы токи и протекающие через них были в три – пять раз больше тока I_ОБ. В этом случае изменение тока базы I_ОБ не вызывает ощутимого изменения напряжения смещения на базе U_ОБ. Исходя из соотношения величин Е_К и U_ОБ, следует, что всегда значительно больше .

4. Стабилизация положения рабочей точки

Основные свойства усилительного каскада определяются положением начальной рабочей точки, которое задаёт ток покоя выходной цепи каскада. Поэтому при изменении температуры , замене транзистора положение начальной рабочей точки не должно изменяться. Если же активным элементом является биполярный транзистор, то изменение температуры или замена активного элемента могут повлиять на значение коэффициента усиления и значение теплового обратного тока. Для обеспечении стабильности параметров усилительного каскада при изменении температуры в режиме А используют схемы стабилизации положения рабочих точек.

4.1. Эмиттерная стабилизация (для схемы с фиксированным напряжением)

Стабилизация осуществляется введением в схему последовательной отрицательной обратной связи (ООС) по постоянному току. Для этого в схему усилительного каскада (рис. 7) в цепь эмиттера добавлен резистор R_Э (рис. 8). Обратная связь представляет собой процесс подачи выходного напряжения усилительного каскада на его вход. Это напряжение называют напряжением обратной связи U_ОС. При отрицательной обратной связи, напряжение обратной связи U_ОС подается на вход усилителя в противофазе к входному сигналу. Результирующий входной сигнал уменьшается, что в свою очередь приводит к уменьшению выходного сигнала. Это равносильно уменьшению коэффициента усиления каскада. Для оценки величины обратной связи используется коэффициент обратной связи β, который изменяется в пределах от 0 до − 1. Знак минус означает отрицательную обратную связь. Для положительной обратной связи β лежит в пределах от 0 до +1. Коэффициент β показывает, какая часть выходного напряжения подается с выхода на вход усилителя и определяется выражением β = U_ОC/U_ВЫХ.

В схеме эмиттерной стабилизации напряжение ООС (U_ООС) снимается с резистора R_Э. Напряжение смещения, приложенное к эмиттерному переходу транзистора VT1 определяется выражением , где R_ЭI_ОЭ=U_ООС. С увеличением окружающей температуры изменится ток покоя коллектора (за счет обратного тока в первую очередь), и, следовательно, ток покоя эмиттера I_ОЭ.

Рис. 8

В этом случае рабочая точка на характеристике должна подняться вверх, но этого не происходит, т.к. с увеличением I_ОЭ увеличивается и падение напряжения на R_Э (U_ООС), следовательно, уменьшается U_БЭ, что компенсирует рост тока через эмиттер, т.е. начальная рабочая точка останется на месте, происходит стабилизация положения рабочей точки.

Для исключения влияния отрицательной обратной связи по переменному току на коэффициент усиления, параллельно резистору R_Э включен конденсатор С_Э, который шунтирует точку эмиттера VT1. Конденсатор C_Э обеспечивает короткое замыкание переменной составляющей напряжения U_Э=U_ООC на общую шину. При отсутствии С_Э переменная составляющая эмиттерного тока i_Э, определяемая входным сигналом, создаёт на эмиттерном резисторе падение напряжения U_Э= R_Э i_Э, что снижает результирующее входное напряжение, которое определяется выражением U_БЭ = U_ВХ − R_Э i_Э. Следовательно, уменьшается выходное напряжение каскада и его коэффициент усиления. Чтобы переменная составляющая на всех частотах усиливаемого напряжения не проходила через резистор, ёмкость конденсатора С_Э должна быть большой, при этом ёмкостное сопротивление конденсатора должно удовлетворять соотношению .

4.2. Коллекторная стабилизация (для схемы с фиксированным током)

В схеме усилительного каскада резистор смещения R_Б отсоединяется от шины питания и подключается непосредственно к коллектору транзистораVT1 (рис. 9). Если по каким либо причинам произойдет увеличение тока коллектора, то рабочая точка на выходных характеристиках должна перемещаться по нагрузочной линии вверх. Это вызовет возрастание падения напряжения на резисторе R_К, что приведет к уменьшению напряжения U_КЭ и соответственно к уменьшению U_КБ. Следовательно, уменьшится ток базы I_ОБ, который определяется выражением:

I_ОБ = .

А при уменьшении тока базы рабочая точка не будет перемещаться вверх, она останется на своем прежнем месте. Т.е. происходит стабилизация положения рабочей точки. В схеме усилительного каскада (рис. 9) с помощью R_Б реализована параллельная отрицательная обратная связь по постоянному току. Часть выходного

Рис. 9

напряжения через резистор смещения R_Б поступает на вход каскада (базу транзистораVT1) в противофазе с входным напряжением сигнала. Такая стабилизация рабочей точки получила название коллекторной.

Действие ООС можно рассмотреть по другому выражению, связывающему постоянные составляющие токов I_ОК и I_ОБ. .

Т.к. напряжение U_БЭ мало, то можно допустить R_Б I_ОБ Е_К − R_К (I_ОБ + I_ОК), откуда следует, что с повышением температуры и, следовательно, с увеличением тока коллектора I_ОК уменьшается произведение R_Б I_ОБ, т.е. уменьшается ток базы I_ОБ. Исходя из соотношения I_ОК ≈ βI_ОБ, где β коэффициент усиления транзистора включенного по схеме ОЭ, следует, что ток коллектора I_ОК также будет уменьшаться. Рабочая точка транзистора остается в расчетном месте, т.е. происходит стабилизация рабочей точки.