1.4.2. Обеспечение режима работы транзистора при включении по схеме с ок

Схема простейшего каскада усиления на транзисторе, включённом по схеме с ОК, представлена на рис. 1.19.

Режим работы транзистора по выходной цепи (ток «покоя» коллектора I_Кр и напряжениеU_{КЭ р}) задаётся с помощью резистораR_Э, включённого в цепь эмиттера. Ток базыI_бри потенциал базыU_{БЭ р} задаётся с помощью резистораR_Б , включённого в цепь базы.

Расчёт режима работы усилительного каскада с ОК выполняется в последовательности изложенной в п.1.4.1.

Методы и схемы обеспечения режимов работы биполярного транзистора, включённого по схеме с ОК.

Метод с фиксированным током базы.Используется схема включения согласно рис. 1.19. В данной схеме уравнение нагрузочной прямой записывается в виде

. (1.49)

Из этого выражения можно рассчитать величину сопротивления нагрузки R_Эв цепи эмиттера по формуле:

. (1.50)

Величину сопротивления R_Бв цепи базы рассчитываем из условий:

(1.51)

Из этих выражений следует, что величина R_Брассчитывается по формуле:

. (1.52)

Метод обеспечения режима работы транзистора с фиксированным потенциалом базы (схема Ши).

В этой схеме (рис 1.20) зафиксирован потенциал базы U_Бр=const. Напряжение база–эмиттер будет определяться разностью потенциалов базы и эмиттера:U_БЭ=U_Бр–U_Эр. Потенциал базы определяется из выражения

. (1.53)

Потенциал эмиттера равен U_Эр=I_ЭR_Э. Следовательно,

.(1.54)

Рассчитать сопротивления R₁иR₂можно, используя следующие условия.

1. Через R₁протекает сумма токов

I=I_дел+I_Бр.

2. I_дел=(5…10)I_Бр.

Поэтому, задавшись значением I_Бр, определим суммуR₁+R₂по формуле

. (1.55)

Сопротивление R₁можно оценить из условия

U_п=(I_дел+I_Бр)R₁+U_Бр, (1.56)

Откуда следует

. (1.57)

1.4.3. Методы температурной стабилизации рабочей точки биполярного транзистора

Наиболее чувствительным к изменению температуры является коллекторный ток биполярного транзистора. Выполним анализ причин, приводящих к температурной нестабильности коллекторного тока.

Для всех схем включения биполярного транзистора справедливо следующее выражение для коллекторного тока транзистора:

. (1.58)

Поскольку I_К=f(I_Б,I_К0), то полное приращение коллекторного тока может быть представлено выражением

. (1.59)

В этом выражении производная , поскольку значение тока базы, и не зависит от температуры. Следовательно

, (1.60)

где - абсолютный коэффициент влияния.

Очевидно, значение .

Рассмотрим условие работоспособности схемы. Обычно, допускаемое отклонение величины коллекторного тока ΔI_{К доп}определяется соотношением

ΔI_{К доп}≈(0,1…0,2)I_{К р}, (1.61)

где I_{К р}– рабочий ток коллектора.

Схема является работоспособной, если выполняется условие

ΔI_{К расч}< ΔI_{К доп}, (1.62)

где ΔI_{К расч} – расчётное отклонение коллекторного тока.

Схема является неработоспособной, если выполняется условие

ΔI_{К расч}> ΔI_{К доп}. (1.63)

При реализации схемы коллекторной стабилизации для стабилизации рабочей точки используют внутрикаскадную отрицательную обратную связь (ООС) по постоянному току.

В общем случае различают три вида и, соответственно, способа температурной стабилизации режима работы работы транзистора:

параллельная ООС по напряжению (коллекторная стабилизация);

последовательная ООС по току (эмиттерная стабилизация);

комбинированная температурная стабилизация.

Способ коллекторной стабилизации.

Рассмотрим это вид стабилизации на примере схемы с фиксированным током базы, изображённой на рис. 1.21. В этой схеме ток базы задаётся через резисторR_Б, подключённый непосредственно к коллекторному выводу транзистора. Значение токаI_Бр, протекающего через этот резистор, определяется соотношением

. (1.64)

Второй закон Кирхгофа для выходной цепи имеет вид

. (1.65)

Рассмотрим влияние температуры на потенциал базы U_Бр.

1. При возрастании температуры Тувеличивается ток коллектораI_К. Следовательно, возрастает падение напряжения на коллекторном резистореR_К.

2. Как следствие, уменьшается падение напряжения U_{КЭ р}.

3. По этой причине уменьшается ток базы I_Би транзистор начинает «призакрываться».

4. Этот процесс препятствует возрастанию коллекторного тока I_К и, в результате, результирующее приращение коллекторного тока ΔI_Кбудет меньше, чем в схеме без ООС.

Недостатком рассмотренной схемы является уменьшение коэффициента усиления каскада по переменной составляющей сигнала.

Практическая схема коллекторной стабилизации с помощью параллельной ООС по напряжению приведена на рис. 1.22. В этой схеме базовый резистор R_Бразделяется на два, и средняя точка между ними подключается к общему проводу с помощью блокирующего конденсатораC_ф. КонденсаторС_фсовместно с резисторамиR_Б' и R_Б" образует цепь фильтра нижних частот, через которую отфильтровывается переменная составляющая сигнала в цепи обратной связи.

Далее, рассчитаем величину коэффициента влияния А_K0для схемы с коллекторной стабилизацией базового тока. С этой целью преобразуем выражениедля коллекторного тока к виду, удобному для анализа. Найдём выражение для тока базыI_Б, используя соотношения, вытекающие из схемы рис.1.21:

(1.66)

Производя подстановку U_КЭ=I_БR_Бв первое из этих выражений, получим:

I_БR_Б=U_п –I_КR_К–I_БR_К. (1.67)

После группировки для тока базы I_Бполучаем следующее выражение:

. (1.68)

Подставляя в выражение для I_К, получаем:

. (1.69)

Раскрывая скобки, получаем

I_КR_Б+ I_КR_К=βU_п – βI_КR_К+(1+β)(R_Б+R_К)I_К0.

Группируем:

I_К (R_Б+ R_К+βR_К) =βU_п +(1+β)(R_Б+R_К)I_К0.

В результате получаем выражение для коллекторного тока в виде, удобном для дифференцирования:

. (1.70)

По этой формуле рассчитаем абсолютный коэффициент влияния:

.

Производя последующие преобразования, получим окончательно:

. (1.71)

Итак, величина коэффициента влияния в случае коллекторной стабилизации в десятки раз меньше, чем для простой схемы с фиксированным током базы, что и обуславливает более высокую стабильность коллекторного тока транзистора.

Способ эмиттерной стабилизации.

Рассмотрим это вид стабилизации на примере схемы с фиксированным потенциалом базы, изображённой на рис. 1.23.

В этой схеме в цепь эмиттера дополнительно включено сопротивление R_Э.

Как и в ранее рассмотренных схемах здесь стабилизируется напряжение U_Бр, которое рассчитывается по формуле:

. (1.72)

В этой формуле потенциал базы U_Брне зависит от температуры:

. (1.73)

Наоборот, значение потенциала эмиттера U_Эрот температуры зависит и рассчитывается по формуламU_Эр= I_ЭрR_Э≈ I_КрR_Э, гдеI_ЭриI_Кр– рабочие токи эмиттера и коллектора.

Первое выражение для анализа запишем в виде:

. (1.74)

1. При росте температуры увеличиваются ток коллектора I_Ки ток эмиттераI_Э. Это приводит к увеличению падения на эмиттерном резистореR_Э.

2. Поскольку потенциал базы U_Бр=const, то управляющее напряжениеU_БЭуменьшается и в результате этого транзистор «призакрывается».

3. В результате снижается величина коллекторного тока I_Ки его величина становится меньше.

Наличие последовательной ООС по току уменьшает коэффициент усиления транзистора по переменному току. Поэтому резистор R_Эшунтируется ёмкостьюC_Э,. Величина этой ёмкости должна быть такова, чтобы её реактивное сопротивление.

Включение термокомпенсирующего диода. В этой схеме фиксированный потенциал базы задаётся с помощью термокомпенсирующего диода, включённого в цепь делителя напряжения, как это показано на схеме рис. 1.24,а.

Этот метод основан на снижении сопротивления p-n перехода с ростом температуры. При росте температуры (T₂> T₂) дифференциальное сопротивлениеr_дифдиода снижается (рис. 1.24,б). Вследствие этого на нём уменьшается падение напряжения, то есть

В результате стабилизируется ток базы, то естьI_Бр=const.

Способ комбинированной стабилизации. Объединяет в себе способы коллекторной и эмиттерной стабилизации и различные виды ООС. Обычно этот метод используется в схемах с фиксировнным потенциалом базы. В схеме рис. 1.25 используется одновременно коллекторная и эмиттерная стабилизация. Это осуществляется за счёт введения резисторовR_фиR_Э.

Потенциал базы U_Брможет быть рассчитан по формуле

, (1.75)

где U ' – потенциал точки между резисторамиR_фиR_к(рис.1.25).

Потенциал U ' рассчитывается по формуле:U '=U_п -I_КрR_ф.

Подставляя в предыдущую формулу, получим, что

. (1.76)

Потенциал эмиттера (рис. 1.25) равен: U_Эр=I_ЭрR_Э.

Тогда для потенциала U_БЭр(рис.1.25) получаем выражение:

↓U_БЭр= ↓U_Бр - ↑U_Эр. (1.77)

Проведём анализ последнего выражения.

С ростом температуры увеличивается коллекторный ток I_Кр. Поэтому потенциал базы U_Бруменьшается. Соответственно, увеличивается эмиттерный токI_Э=I_К/α.Cледовательно, увеличивается и потенциал эмиттераU_Эр. Поэтому, изменение напряженияU_БЭрбудет минимальным. Для устранения влияния переменного сигнала на входе резисторR_Эобязательно шунтируется ёмкостьюС_Э. Величина реактивного сопротивления этой ёмкостиХ_Сэ<<R_Э.

Впротивном случае переменная составляющая эмиттерного окаi_Эсоздаёт на резисторе R_Эпадение напряжения

. (1.78)

Это напряжение будет уме­нь­­­шатьU_БЭ, а коэффициент усиления будет уменьшаться, что является следствием появления ООС.

Для устранения ООС по напряжению, которая появляется при дополнительно введении резистора R_ф, в схему вводят большую ёмкостьС_ф, такую, чтоХ_Сф<<R_ф. Тогда она шунтирует резисторR_ф.