Электроника / Лекция 09

1. Обеспечение стабилизации режима покоя

Серьезным недостатком транзистора является сильная зависимость его выходных параметров от температуры. При работе прибора его температура повышается вследствие выделения большой части энергии, подводимой от источника питания Е, в самом транзисторе.

В биполярном транзисторе при повышении температуры наблюдается смещение семейства выходных характеристик в область больших значений коллекторного тока из-за существенного увеличения обратного тока коллекторного перехода, что следует из соотношения (1.4). Это приводит к изменению положения точки покоя на выходной характеристике транзистора, что иллюстрируется рис.2.8,а, и, следовательно, к изменению выходных параметров усилительного каскада в целом.

С целью обеспечения стабилизации точки покоя при изменении температуры транзистора в процессе эксплуатации в эмиттерную цепь схемы каскада включается резистор R. Действие этого резистора иллюстрируется построениями на рис.2.8.

Рисунок 2.8. Построения, иллюстрирующие стабилизирующее

действие резистора R на точку покоя:

а – на выходной характеристике транзистора,

б – на входной характеристике транзистора

Пусть на рис.2.8,а средняя вольтамперная характеристика соответствует температуре Т транзистора и току базы I_БП, верхняя – повышенной температуре Т и тому же значению тока базы I_БП. Токи коллектора и напряжения коллектор-эмиттер в точках покоя при температурах Т и Т обозначены как I, I, U, U. Как видно из рис.2.8,а, повышение температуры транзистора приводит к смещению точки покоя, так что I < I, U > U.

Увеличение коллекторного, а, следовательно, и эмиттерного тока при увеличении температуры приведет к увеличению падения напряжения на резисторе R. Анализ соотношения (2.6), записанного в виде

I R + U_БЭП = I R, (2.11)

показывает, что увеличение слагаемого IRв левой части соотношения (2.11) должно приводить к уменьшению напряжения U_ЭБП, так как величина тока делительной цепочки I не зависит от температуры транзистора. На рис.2.8,б напряжение база-эмиттер при повышенной температуре Т обозначено как U, а соответствующий ему ток базы как I. Ток I меньше значения I_БП, относительно которого начинался проводимый анализ и для которого на рис.2.8,а проведена смещенная вверх вольтамперная характеристика при повышенной температуре.

На рис.2.8.а нижняя вольт-амперная характеристика соответствует току базы I при температуре Т. Очевидно, при повышении температуры характеристика для этого тока базы сместится вверх так, что займет положение, которое занимала вольт-амперная характеристика для тока базы I_БП при температуре Т. Таким образом, достигается стабилизация положения точки покоя транзистора на выходной характеристике, а, следовательно, и величин постоянных составляющих коллекторного тока и напряжения коллектор-эмиттер.

Стабилизирующее действие резистор R будет оказывать и на переменную составляющую тока выходной цепи, если этот ток будет протекать через резистор R. Между тем, как следует из анализа с помощью рис.2.6, для обеспечения процесса усиления необходимо перемещение рабочей точки по линии нагрузки в течение периода входного сигнала. Указанное противоречие устраняется шунтированием резистора R конденсатором С. Для увеличения шунтирования необходимо, чтобы емкостное сопротивление конденсатора С было бы существенно меньше сопротивления резистора, т.е. должно выполняться условие:

<< R. (2.12)

Изменение тока эмиттера, вызванное разогревом транзистора в процессе работы, происходит гораздо медленнее по сравнению с изменением тока под действием входного сигнала достаточно высокой частоты ω, а на низких частотах сопротивление конденсатора С весьма велико, что исключает его влияние на действие резистора R по стабилизации положения точки покоя при изменении температуры.

Увеличение сопротивления R_Э увеличивает стабилизацию положения точки покоя на выходной характеристике транзистора. Однако при этом увеличивается напряжение источника питания Е_К, что нежелательно. Компромиссным решением является выбор величины сопротивления R_Э, удовлетворяющему условию

I_КП R_Э = (0,1 – 0,3) Е_К. (2.13)

2. Эквивалентная схема усилительного каскада

При расчете усилительного каскада часто используется его эквивалентная схема для переменной составляющей тока, приведенная на рис.2.9. Эта схема построена при пренебрежении сопротивлением конденсаторов и внутренним сопротивлением источника питания Е. Пунктиром выделена схема замещения биполярного транзистора, которая совпадает со схемой рис.1.12 (с заменой обозначений токов на Ĩ_Б, Ĩ_Э, Ĩ_К). Выходная часть схемы рис. 2.9 включает параллельное соединение сопротивлений R и R в соответствии с соотношением (2.7). Входной ток каскада, как видно из схемы рис. 2.3, делится на три части: одна протекает через резистор R, вторая поступает на вход транзистора, а третья протекает через резистор R. В связи с этим, а также с учетом малости величины внутреннего сопротивления источника питания на входе транзистора в эквивалентной схеме рис. 2.9 включено сопротивление, величина которого определяется параллельным соединением резисторов R и R₂. Таким образом, входное сопротивление усилительного каскада определяется как

R = R║ R║ r, (2.14)

где r_вх – входное сопротивление транзистора. Для исключения шунтирующего действия резисторов делительной цепочки на вход транзистора выбором сопротивления резисторов R и R₂ должно быть обеспечено неравенство

R║ R>> r. (2.15)

Как отмечалось выше, величина сопротивления r в схеме замещения биполярного транзистора мала, что позволяет записать соотношение для выходного сопротивления каскада в виде

R = R ║ r. (2.16)

Однако, поскольку r >> R, то обычно считается, что выходное сопротивление каскада равно сопротивлению резистора R.

Рисунок 2.9. Эквивалентная схема усилительного каскада ОЭ

для переменной составляющей электрических параметров

Согласно схеме рис.2.9 входные клеммы каскада и транзистора находятся под одним потенциалом, что позволяет записать

I R = Ĩ_Б r, (2.17)

где I_ВХ и Ĩ_Б – действующие значения входного тока и переменной составляющей базового тока. Выходной ток каскада, протекающий через резистор R, является частью тока источника βĨ_Б. Для не очень высоких частот сопротивление емкости коллекторного перехода (конденсатора C) остается большим. Кроме того, величина сопротивления r мала, а сопротивления r - велика. Поэтому величина переменной составляющей падения напряжения в нагрузке

I R = β Ĩ_Б (R║ R). (2.18)

Почленное деление (2.17) и (2.18) позволяет записать соотношение для коэффициента усиления каскада по току

(2.19)

Коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада может быть определен как

К_u = = К, (2.20)

поскольку U_вх = I_вх R_вх, а U_вых = I_н R_н.

3. Электрические характеристики усилителя

Основными электрическими характеристиками усилителя обычно считают амплитудную (или передаточную), амплитудно-частотную и фазо-частотную. Эти характеристики рассматриваются на примере усилительного каскада рис.2.3.

Рисунок 2.10. Зависимость выходных параметров усилителя

от входного напряжения: а – выходного напряжения,

б – коэффициент усиления

Амплитудной характеристикой называют зависимость выходного напряжения от напряжения входного при фиксированной частоте входного сигнала. На рис.2.10,а она приведена для усилителя, работающего в режиме класса А, а на рис.2.10,б – соответствующая ей зависимость коэффициента усиления по напряжению от входного напряжения. При малых значениях входного напряжения наблюдается линейное увеличение выходного напряжения с увеличением входного напряжения и, как следствие этого, постоянство величины коэффициента усиления. При больших значениях входного напряжения выходное напряжение становится независимым от уровня входного сигнала, а коэффициент усиления уменьшается с увеличением входного напряжения.

Зависимости на рис. 2.10 объясняются с использованием построений на рис. 2.5 и 2.6. При малых входных напряжениях его увеличение приводит к удалению точек А и В от точки покоя и тем самым к увеличению выходного напряжения. Пока перемещение рабочей точки в течение периода входного сигнала происходит в области значений токов и напряжений транзистора, где зависимости между величинами этих параметров линейные, увеличение входного напряжения сопровождается пропорциональным увеличением и выходного напряжения. При этом коэффициент пропорциональности является коэффициентом усиления по напряжению, а мгновенное значение выходного напряжения, как и входного, изменяется во времени по синусоидальному закону, т.е. при усилении отсутствует искажение сигнала. Усилитель работает в линейном режиме.

Рисунок 2.11. Построения на выходной характеристике транзистора,

объясняющие искажения выходного сигнала при переходе

в нелинейный режим усиления: 1 – работа в линейном режиме,

2 – работа в нелинейном режиме

При увеличении уровня входного сигнала в транзисторе может установиться такой режим, при котором точка А доходит до участка характеристики, где коллекторный переход находится в открытом состоянии и коллекторный ток резко увеличивается при увеличении напряжения коллектор-эмиттер (точка А_ПРЕД на рис. 2.11), а точка В доходит до вольт-амперной характеристики для I_Б = 0, где закрывается эмиттерный переход (точка В_ПРЕД на рис. 2.11). В этом режиме достигаются предельные значения амплитуд переменных составляющих коллекторного тока и напряжения коллектор-эмиттер. Дальнейшее увеличение входного напряжения не приводит к удалению точек А и В от точки покоя, а временные зависимости мгновенных значений переменных составляющих этих тока и напряжения будут представлять собой синусоиду с усечениями в области максимальных и минимальных значений, как показано на рис. 2.11, т.е. наблюдается искажение синусоиды. В результате в спектре выходного сигнала, кроме составляющей, соответствующей частоте входного сигнала, появляются другие гармонические составляющие, что свидетельствует о переходе усилителя в нелинейный режим. Амплитуда усиливаемого сигнала практически не увеличивается при увеличении входного напряжения, а коэффициент усиления будет уменьшаться при дальнейшем увеличении входного напряжения.

Для режима класса В зависимости выходного напряжения и коэффициента усиления от напряжения на входе усилителя будут такими же, как на рис. 2.10. Однако, как уже отмечалось, при любых величинах выходного напряжения усилитель будет работать в нелинейном режиме. Ограничение выходного напряжения связано с достижением точкой А участка выходной характеристики транзистора, соответствующего резкому увеличению коллекторного тока при малых напряжениях коллектор-эмиттер.

Рисунок 2.12. Амплитудно-частотная

характеристика усилителя переменного тока

Зависимость коэффициента усиления по напряжению усилительного каскада от частоты входного сигнала при фиксированной величине входного напряжения, т.е. амплитудно-частотная характеристика приведена на рис. 2.12. На этом же рисунке отмечен рабочий диапазон частот, внутри которого величина коэффициента усиления остается практически неизменной. По обе стороны от этого диапазона наблюдается резкое уменьшение коэффициента усиления. Обычно считается, что в пределах рабочего диапазона коэффициент усиления не снижается ниже ≈ 0,707 от уровня в центральной его части.

Со стороны низких частот ограничение рабочего диапазона связано с наличием в схеме усилителя конденсаторов, сопротивление которых увеличивается при уменьшении частоты. Разделительные конденсаторы в цепи переменного тока включены последовательно с транзистором. Поэтому увеличение сопротивления конденсаторов сопровождается увеличением падения напряжения на них и обусловливает потери как во входной цепи каскада (в конденсаторе С), так и в выходной (в конденсаторе С). При увеличении сопротивления конденсатора С в эмиттерной цепи транзистора нарушается условие (2.12). В результате переменный ток начинает протекать через резистор R, а поэтому сокращается интервал перемещения рабочей точки по нагрузочной прямой в течение периода входного сигнала (длина отрезка АВ на рис. 2.6). Тем самым уменьшаются амплитуды переменных составляющих коллекторного тока и напряжения коллектор-эмиттер.

Уменьшение коэффициента усиления на высоких частотах связано с частотными свойствами транзистора, а именно емкостью его коллекторного перехода. Как видно из эквивалентной схемы усилительного каскада на рис.2.9, в цепи источника тока βĨ_Б емкость С_К параллельна сопротивлению нагрузки R (сопротивление резистора R мало). На низких частотах сопротивление этой емкости велико, и через нее ток источника βĨ_Б не протекает. На высоких частотах емкостное сопротивление уменьшается, и емкость С_К проявляет шунтирующее действие, в результате чего ток в нагрузке уменьшается, а, следовательно, и уменьшается падение напряжения на резисторе R, т.е. выходное напряжение усилителя.

Рисунок 2.13. Фазо-частотная характеристика

усилителя переменного тока

Фазо-частотная характеристика усилительного каскада, т.е. частотная зависимость угла сдвига фаз между входным и выходным напряжением приведена на рис. 2.13. В основной части рабочего диапазона частот, как уже отмечалось, влияние как емкостей конденсаторов схемы, так и емкости коллекторного перехода транзистора невелико, а поэтому величина угла сдвига фаз φ от частоты не зависит. Вблизи границ рабочего диапазона частот и особенно проявляется влияние этих емкостей, что отражается на фазо-частотные характеристики.