Методы стабилизации рабочей точки

Стабилизация рабочей точки почти во всех усилительных схемах достигается соответствующим изменением смещения. «Регулировка» смещения (т.е. необходимое изменение смещения) производится двумя способами: параметрическим – при помощи включения в схему специальных компонентов параметры которых могут изменяться под воздействием дестабилизирующих факторов, 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. 2.1 показана схема каскада с общим эмиттером с термистором в цепи смещения. Согласно схеме рис. 2.1

,

где – сопротивление термистора; – сопротивление участка aб.

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

Рис.5

Рис. 2.1. Схема каскада с общим эмиттером с термистором в цепи смещения

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 (более универсальным) 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 номинальных значений, сводя это отклонение к минимуму.

Рассмотрим схемы стабилизации при помощи внутрикаскадных обратных связей.

Схемы смещения и стабилизации режима работы транзистора

На рис. 2.2 (а–г) показаны схемы усилительных каскадов, наиболее часто применяемые на практике.

В простейшей схеме рис. 2.2а никаких мер для обеспечения температурной стабилизации тока коллектора не принято. Эта схема наименее стабильна и получила распространение лишь благодаря своей простоте.

(а) (б) (в) (г)

Рис. 2.2. Схемы усилительных каскадов с различными цепями подачи смещения и стабилизации рабочей точки

Для обеспечения необходимой стабилизации коллекторного тока в схемах рис. 2.2 (б–г) применена внутрикаскадная обратная связь по постоянному току. Так, в схеме рис. 2.2б при увеличении (не важно по какой причине) увеличится и и, следовательно, увеличится падение напряжения на . В результате напряжение на переходе эмиттер-база уменьшится, что приведёт к уменьшению токов и . Для устранения отрицательной обратной связи (ООС) по переменному току в схему включают конденсатор .

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 и . Однако при этом увеличивается энергопотребление схемы за счёт потерь в , и сопротивлении обратной связи.

В схеме, показанной на рис. 2.2в, 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 потенциал коллектора понижается и снижаются напряжения на сопротивлении и эмиттерном переходе, что приводит к частичной компенсации изменения 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, например, для усилителей с трансформаторной связью, так как величина для постоянного тока у них мала. Однако по сравнению с предыдущей схемой 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. 2.2г стабилизация режима достигается принципиально так же, как и в схеме рис. 2.2б. 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 (2.1). Для этого необходимо выразить через , , , , для каждой схемы и сравнить соответствующие коэффициенты нестабильности.

Определим , используя обобщённую схему усилительного каскада, показанную на рис. 2.3. Принимая отдельные сопротивления в этой схеме равными нулю или бесконечности, можно получить различные варианты схемы, например, такие, как на рис. 2.2.

Рис. 2.3. Обобщённая схема усилительного каскада

Согласно законам Кирхгофа для схемы рис. 2.3 можно составить уравнения

,

,

.

Отсюда

, т.е. , , , , , ,

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

. (2.3)

Величина, вынесенная за фигурные скобки, есть коэффициент нестабильности .

Как видно из (2.3), стабильность схемы тем выше, чем меньше . Причём , когда , а и , если и . 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 выражения для конкретных схем, надо, сравнивая обобщённую эквивалентную схему (рис. 2.3) с рассматриваемой схемой (рис. 2.2 (а–г)), полагать в (2.3) соответствующие сопротивления равными нулю или бесконечности, а также отбросить члены, учитывающие источники питания схемы рис. 2.3, отсутствующие в конкретной схеме. Например, для схемы рис. 2.2а в выражении (2.3) надо принять , , .

Результаты такого анализа при приведены в таблице.

Из приведённых в таблице схем наименее стабильны первая и вторая, а самой стабильной является схема 8.

На первый взгляд может показаться, что в схемах 3 и 4 может быть достигнута одинаковая стабильность. Однако для обеспечения нормального режима работы схемы 4 необходимо применять , и стабильность схемы оказывается низкой.

Номер схемы	1	2	3	4
Вид схемы
Примечание	нет ООС	нет ООС	ООС по напряжению	ООС по току
Номер схемы	5	6	7	8
Вид схемы
Примечание	ООС по току	ООС по току и напряжению	ООС по току и напряжению	ООС по току

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 .