Тема 11. Цепи питания транзисторов в режиме покоя

Существуют различные способы задания режима работы по постоянному току.

Схема с фиксированным током базы. Режим по постоянному току задается с помощью резисторов R_Б, R_К и источника питания U_ИП (рис. 11.1).

Рис.11.1.

Схему можно описать системой уравнений для токов и напряжений во входной и выходной цепи:

, (11.1)

. (11.2)

где U_БЭ » (0,6¼0,7) В (напряжение на открытом эмиттерном переходе кремниевого БТ), т.е. U_БЭ << U_ИП, поэтому ток в цепи базы I_Б » U_ИП/R_Б не зависит от параметров транзистора, а определяется параметрами входной цепи. Для полного описания схемы необходимо добавить уравнение связи между токами I_К и I_Б.

I_К = h_21Э I_Б + I_КБО;(11.3)

Изменяя внешние элементы схемы (R_{Б и} R_К) можно задавать токи покоя базы I_Б и коллектора I_К. Принимая в качестве исходных данных паарметры транзистора и рекомендованный в справочнике режим работы (I_К,U_К), можно рассчитать величину сопротивлений R_{Б и} R_К.

Недостатком рассмотренного способа задания рабочей точки является сильное влияние изменения температуры, параметров транзистора, напряжения питания на положение рабочей точки. При увеличении температуры растет величина h_21Э, что приводит к увеличению I_К, и точка покоя смещается в сторону режима насыщения. Использование в этой схеме транзисторов с параметрами, отличными от принятых при расчете, также приводит к сильному изменению положения рабочей точки.

Для температурной стабилизации рабочей точки транзисторов усилительных каскадов используется отрицательная обратная связь по постоянному току или напряжению.

Схема с коллекторной стабилизацией. На рис. 11.2. представлена схема с коллекторной стабилизацией, в которой резистор R_Б подключается к коллектору транзистора с напряжением U_КЭ, тогда

(11.4)

Рис 11.2.. Схема усилителя с коллекторной с табилизацией

При повышении температуры коллекторный ток увеличивается, следовательно, коллекторное напряжение U_КЭ уменьшается, а значит, уменьшается ток базы I_Б, что приводит к уменьшению коллекторного тока I_К. Эти два фактора частично компенсируют друг друга, поэтому рабочая точка стремится вернуться в исходное положение.

Схема с эмиттерной стабилизацией. Наиболее эффективной является схема с эмиттерной стабилизацией рабочей точки (рис. 11.3.).

В этой схеме повышение температуры за счет температурных свойств транзистора приводит к увеличению тока I_К, что вызывает уменьшение напряжения на коллекторе U_К и увеличение эмиттерного тока I_Э = I_К + I_Б. В результате увеличивается падение напряжения на резисторе R_Э.

Поскольку потенциал базы транзистора зафиксирован делителем напряжения R1, R2, то напряжение между базой и эмиттером U_БЭ уменьшается,

(11.5)

Рис 11.4. Схема усилителя с эмиттерной стабилизацией режима работы БТ

что приведет к уменьшению тока базы I_Б, а значит и коллекторного тока I_К. Происходит частичная взаимная компенсация этих двух факторов, влияющих на рабочую точку транзистора, поэтому ее положение практически не изменяется.

Наличие резистора R_Э – резистора обратной связи – при отсутствии конденсатора C_Э не только стабилизирует рабочую точку, но и изменяет работу каскада по переменному току. Для схемы изменяющийся входной сигнал также является дестабилизирующим фактором. Переменная составляющая эмиттерного тока с амплитудой создает на резисторе R_Э падение напряжения, которое уменьшает амплитуду переменной составляющей напряжения .Для устранении этого нежелательного эффекта параллельно R_Э включают С_Э. Емкостное сопротивление много меньше R_Э в рабочем диапазоне частот, поэтому образования отрицательной обратно связи для переменного сигнала не происходит и полностью реализуются усилительные свойства транзистора.

Для схемы с фиксированным током базы, в которойток базы зависит только от и , на рис.11.6 показаны графические построения на семействах входных и выходных характеристик БТ с ОЭ, которые поясняют процесс усиления электрического сигнала с помощью БТ. Положение рабочей точки А на семействе выходных характеристик (рис. 11.6, а) определяется точкой пересечения выходной характеристики, соответствующей току базы , и нагрузочной прямой по постоянному току, график которой в системе координат описывается уравнением

, (11.6)

полученным из (6.2). Нагрузочная прямая по постоянному току строится по точкам пересечения с осями координат:

при , ; при , .

Рис.11.6

Таким образом, нагрузочная прямая – геометрическое место рабочих точек активного элемента при конкретных значениях напряжения источника питания и сопротивления резистора . Тангенс угла наклона ее к оси абсцисс обратно пропорционален сопротивлению резистора : . Положение рабочей точки А на семействе входных характеристик (рис. 6.2, б) определяется постоянным током базы и напряжением .

При действии на входе усилителя переменного напряжения, изменяющегося по гармоническому закону с малой амплитудой и низкой частотой f:

, (11.7)

ток базы будет также изменяться по гармоническому закону. Причем мгновенные значения тока базы будут соответствовать точкам, лежащим на отрезке ВС одной и той же входной характеристики. Это обусловлено тем, что в активном режиме положение входных характеристик слабо зависит от напряжения .

Изменение базового тока БТ приводит к изменению тока коллектора, а значит, согласно (6.2) — к изменению напряжения . При отсутствии резистора ( ) мгновенные значения и будут соответствовать точкам отрезка ВС нагрузочной прямой по постоянному току. Крайние точки отрезка определяются пересечением с выходными характеристиками, соответствующими токам базы ; , где — амплитуда тока базы. Чтобы не происходило искажения формы сигнала, отрезок ВС должен соответствовать активному режиму работы БТ.

Входное и выходное напряжения усилителя изменяются в противофазе. Увеличению входного напряжения соответствует уменьшение выходного и наоборот. Усилительный каскад на БТ с ОЭ изменяет фазу входного сигнала на .

Для получения максимального значения амплитуды выходного неискаженного сигнала рекомендуется задавать напряжение коллектор-эмиттер в точке покоя равным половине напряжения питания . В этом случае практически будет равно половине напряжения питания .

Если к выходу усилителя подключена нагрузка с конечным значением сопротивления , то мгновенные значения коллекторного тока и напряжения будут соответствовать точкам отрезка В'С', лежащего на нагрузочной прямой по переменному току (см. рис. 6.2, а), которая проводится через рабочую точку А. Тангенс угла наклона ее к оси абсцисс обратно пропорционален сопротивлению параллельно включенных резисторов и :

,

где , поскольку для переменного тока эти резисторы включены параллельно. График нагрузочной прямой по переменному току описывается выражением

(11.8)

и может быть построен по точкам пересечения с осями координат:

при , ; при , .

Таким образом, при подключении нагрузки уменьшается максимальное значение амплитуды выходного напряжения за счет уменьшения верхней полуволны (см. рис. 6.2, а).

Амплитуда выходного напряжения связана с амплитудой коллекторного тока соотношением

. (11.9)

Поскольку обычно выполняется неравенство , то для амплитуды входного напряжения можно записать

. (11.10)

Тогда коэффициент усиления по напряжению определяется выражением

. (11.11)

Поскольку мощность, потребляемую базовой цепью транзистора, можно представить выражением

, (11.12)

а мощность, отдаваемую в нагрузку, выражением

, (11.13)

то коэффициент усиления по мощности можно представить в виде

. (11.14)

Таким образом, входной сигнал малой мощности управляет выходным сопротивлением БТ, за счет чего происходит преобразование энергии источника питания в выходной переменный сигнал большой мощности .

При расчете усилителя необходимо помнить, что углы наклона нагрузочных прямых по постоянному и переменному току не должны отличаться более чем на 20 %, иначе сильно уменьшится максимальное значение амплитуды выходного сигнала, что резко снизит коэффициент полезного действия (КПД) усилителя:

, где . (11.15)

Поэтому соотношение между сопротивлением нагрузки и сопротивлением резистора рекомендуется выбирать согласно выражению

. (11.16)

В этом случае амплитуда коллекторного тока будет составлять

. (11.17)

Обычно исходными данными при расчете усилителя является выходная мощность и сопротивление нагрузки , тогда амплитуда тока в нагрузке определяется выражением

. (11.18)

Зная ее, можно определить требуемый режим покоя БТ и его максимально допустимые параметры:

амплитуду коллекторного тока согласно (6.17);

постоянный ток коллектора ;

допустимый ток коллектора ;

амплитуду выходного напряжения (коллектор — эмиттер)
;

постоянную составляющую напряжения коллектор — эмиттер ;

напряжение источника питания ;

допустимое напряжение коллектор — эмиттер .

Транзистор выбирают из выполнения условий, что рассчитанные допустимые значения напряжения и не превышают соответствующих максимально допустимых параметров:

, .

При выборе режима покоя, расчете амплитудных значений коллекторного тока и выходного напряжения необходимо учитывать их возможное изменение при работе усилителя в широком диапазоне температур, что обусловлено влиянием изменения температуры на параметры БТ и в конечном итоге — на его ВАХ.