Лабы

3.Выбираем требуемую величину коллекторного напряжения в

рабочей точке VCE0. Это напряжение определяет ток коллектора в рабочей точке IC0. В большинстве схем VCE0 берется равным половине Vсс, чтобы получить максимальный размах выходного сигнала.

4.Выбираем значение hFE (Выбор значения hFE зависит как от параметров, приведенных в спецификации, так и от экспериментальных данных. Согласно спецификации, β транзистора 2N3904 находятся между 100 и 300, и, казалось бы, нужно выбрать β = 200. Однако эксперименты показывают, что большинство транзисторов 2N3904 имеют β ближе к 100, чем к 300. Т.е. в этом случае лучше выбрать β ближе 150, что больше соответствует значению в реальной схеме).

5.Вычисляем сопротивление резистора в цепи базы, задающего смещение.

Если β транзистора известен, нетрудно выбрать положение рабочей точки в статическом режиме. В идеале желательно рассчитать точку покоя таким образом, чтобы при подключении любого транзистора положение рабочей точки не изменялось. К сожалению, транзисторы даже одинакового типа имеют большой разброс β, что влияет на положение рабочей точки. Характеристики (из справочника) в определении β помочь не могут, так как они построены для типичного транзистора, и транзисторы с различными β имеют различные характеристики.

Несмотря на простоту организации и кажущуюся очевидность заложенных принципов функционирования, схемы с фиксированным током базы не находят широкого применения, так как они не могут обеспечить высокой стабильности и определенности положения точки покоя.

Таким образом, рассмотренный принцип обеспечения заданного положения точки покоя не может гарантировать возможность получения серийно пригодных усилительных схем, ведь стабилизации должен подвергаться ток коллектора, а не ток базы.

Кроме того, недостатком рассмотренной схемы является влияние изменений температуры, параметров транзистора, напряжения питания на положение рабочей точки. При колебаниях температуры изменяются IC0, VBE и β: IC0 примерно удваивается при увеличении

температуры на каждые 10 °С, a VBE изменяется на 2 мВ/°С. Температурные изменения β, как правило, приводятся в спецификации прибора, поставляемой изготовителями. С увеличением температуры обратный ток насыщения эмиттерного перехода Iэб0 и ток покоя базы

Iб0 изменяются практически одинаково, что приводит к увеличению Iк0 , а точка покоя перемещается в сторону режима насыщения.

Для температурной стабилизации рабочей точки транзисторов усилительных каскадов используют обратные связи по постоянному току или напряжению.

Схема с коллекторной стабилизацией.

В схеме на рисунке 11 резистор Rб подключается к коллектору транзистора. В этом случае:

Iб0 Uкэ0 Uип Iк0 Rк ,

Кб Rб

Рис. 11 – Схема с коллекторной стабилизацией

При повышении температуры коллекторный ток должен увеличиваться. При этом коллекторной напряжение Uкэ0 уменьшается. Значит, уменьшается ток базы Iб0 , то есть рабочая точка стремится вернуться в исходное положение.

Условия получения наибольшей мощности сигнала в выходной цепи усилительного прибора

Рассмотрим условия, при которых усилительный прибор, работающий в режиме А, способен создать во внешней по отношению к нему резистивной цепи наибольшую сигнальную мощность, под

которой будем понимать P~=∆Iвых∆Uвых, где ∆Iвых, ∆Uвых – сигнальные изменения выходного тока и напряжения.

Воспользуемся геометрической интерпретацией последнего соотношения, представив правую часть его как удвоенное значение площади прямоугольного треугольника, гипотенузой которого является нагрузочная характеристика по переменному току, а в роли катетов выступают ток ∆Iвых и напряжение ∆Uвых. Этот треугольник называется треугольником мощности. Чем больше площадь треугольника мощности – тем большую мощность P~ отдает транзистор во внешнюю цепь.

Чтобы определить условия, при которых транзистор обеспечивает наибольшее значение мощности P~ без выхода рабочей точки за пределы усилительной области ВАХ, необходимо вписать в эту область треугольник мощности с наибольшей площадью. Угол наклона гипотенузы треугольника мощности с наибольшей площадью определяет оптимальное значение сопротивления нагрузки на переменном токе R~opt. При этом значении нагрузки усилительный прибор способен выделить во внешнюю цепь наибольшую сигнальную мощность. Следует отметить, что значение R~opt обычно не совпадает с

тем, которое вытекает из условия равенства сопротивлений нагрузки и источника. Таким образом, ограничения по увеличению площади треугольника мощности и соответственно по возможностям получения больших мощностей Рt связаны с тем, что реальные усилительные приборы имеют ограничения по току, напряжению и мощности.

Очевидно, что значительные отклонения положения рабочей точки из-за изменения величины β являются серьезным препятствием для применения схемы с фиксированным смещением тока базы. Поэтому такие схемы в основном используются не в усилительных, а в переключательных устройствах. Таким образом, необходимо выбирать другие схемы смещения, в которых положение рабочей точки не в такой степени зависит от hFE.

Схема с фиксированным напряжением база-эмитер

В схеме на рисунке 13 режим покоя задаётся фиксированным напряжением Uбэ0 на базе транзистора. сопротивления резисторов

делителя

Рис. 13 – Схема с фиксированным напряжением база-эмиттер

напряжения определяются выражениями:

R	Uип Uбэ0		,	R	Uбэ0	.
1		I Д Iб0		2	I Д

Значение тока I Д (5...10)Iб0 . Напряжение на базе транзистора не зависит от параметров транзистора и определяется внешней цепью:

Uбэ0 I Д R2 Uип R2 .

R1 R2

Недостатком рассмотренной схемы является влияние изменений температуры, параметров транзистора, напряжения питания на

положение рабочей точки. При колебаниях температуры изменяются IC0, VBE и β: IC0 примерно удваивается при увеличении температуры на каждые 10 °С, a VBE изменяется на 2 мВ/°С. Температурные изменения β, как правило, приводятся в спецификации прибора, поставляемой изготовителями. С увеличением температуры обратный ток насыщения эмиттерного перехода Iэб0 и ток покоя базы Iб0 изменяются

практически одинаково, что приводит к увеличению Iк0 , а точка покоя

перемещается в сторону режима насыщения.

Для температурной стабилизации рабочей точки транзисторов усилительных каскадов используют обратные связи по постоянному току или напряжению.

Схема с эмиттерной стабилизацией.

Рис. 14– Схема с эмиттерной стабилизацией

Схема приведена на рисунке 14. При повышении температуры увеличивается ток Iк0 , что приводит к увеличению эмиттерного тока:

Iэ0 Iк0 Iб0 ,

и увеличению падения напряжения на резисторе Rэ. Так как потенциал на базе транзистора фиксируется делителем напряжения, то Uбэ уменьшится:

U

бэ0

U

R

I

э0

R

Uип R2

I

э0

R

,

э

R1

R2

э

2

Это приведёт к уменьшению Iб0 . Значит ток коллектора практически

не изменится.

С точки зрения обеспечения в схеме стабильного и определенного тока Iкo существенным является то, что при работе биполярного транзистора в режиме усиления сигналов разность потенциалов Uбэо база-эмиттер в малой степени зависит от тока коллектора, поскольку эта зависимость по характеру приближается к логарифмической (Uбэ=m Uт ln(Iк/ IoЭ), где m – близко к единице при малых токах Iк и достигает 2…5 при максимально допустимых, IoЭ – обратный ток насыщенного перехода база-эмиттер, Uт ≈ 0,026 – температурный потенциал). Таким образом, можно считать, что в усилительном каскаде на биполярном кремниевом транзисторе малой и средней мощности потенциал Uбо передается (транслируется) к его эмиттеру, за вычетом номинального напряжения Uбэо, которое для кремниевых транзисторов приблизительно равно 0,65...0,70 В. Благодаря этому независимо от свойств конкретного транзистора

IК0 IЭ0 (UR2 UБЭ0 ) / RЭ (UR2 0,7) / RЭ

Важной технической задачей, решаемой при проектировании усилительных схем, является обеспечение возможности их бесподстроечного выпуска в условиях наличия разброса характеристик у транзисторов, используемых при изготовлении этих схем. Основным фактором, обусловливающим неопределенность режимов работы на постоянном токе схемы является разброс транзисторов по параметрам Uбэо и IoЭ. Из этого следует, что отклонения ∆Iк коллекторного тока Iко из-за вариаций ∆Uбэ разности потенциалов Uбэо тем меньше, чем большее значение сопротивления имеет резистор R0, а именно

IК U БЭ / R0 ,	IК / IК0 U БЭ / UR0
Резистор обратной связи	Rэ в отсутствии конденсатора Сэне

только стабилизирует рабочую точку, но и изменяет работу каскада по переменному току.

Рассмотрим подробно влияние резистора Rэ.

Рис. 15 – Схема с эмиттерным смещением и эквивалентная

Схема с эмиттерным смещением (рис. 15) уменьшает зависимость положения рабочей точки от hFE. Она содержит резистор в цепи эмиттера, RE, сопротивление которого обычно составляет 10-20% от Rc. Если взять RE больше, напряжение эмиттера увеличится, что приведет к уменьшению размаха выходного сигнала. Смещение задаётся током протекающим через RE.

Наличие резистора в цепи эмиттера значительно уменьшает коэффициент усиления по переменному току. Поэтому почти всегда параллельно RE подключается конденсатор большой емкости. Этот конденсатор представляет собой разомкнутую цепь для постоянной составляющей и короткозамкнутую цепь для переменной составляющей. Благодаря большой емкости он поддерживает падение напряжения на эмиттерном резисторе практически постоянным. Конденсатор не влияет на постоянные напряжения и при расчете напряжения смещения он не учитывается.

С точки зрения стабилизации коэффициента усиления, и базовый ток IВ, и соответствующий ему коллекторный ток hFE IВ протекают через эмиттер. Если по какой-либо причине базовый ток увеличится, падение напряжения на резисторе в цепи эмиттера также увеличится, что препятствует увеличению базового тока и ограничивает его.

По закону Кирхгофа для контура в цепи базы можно записать

(1)

Если то

Iс в уравнении не зависит от hFE. Поэтому с учетом сделанных допущений коллекторный ток и выходное напряжение покоя будут постоянными и не зависящими от hFE. К сожалению, RВ нельзя задавать слишком маленькой величины, так как это приведет к уменьшению коэффициента усиления и увеличению потребляемой мощности, a RE нельзя выбирать слишком большой величины. Оптимальным считается соотношение 10*RВ = hFE RE.

На практике схема на рис. 15 используется редко, поскольку здесь требуется два источника питания. На рис. 16 показана схема, в которой напряжение смещения создается Vcc, и потому требуется только один источник питания. Эту схему иногда называют еще схемой с Н- смещением, так как смещения напоминает букву Н.

К счастью, для проведения анализа схему с Н-смещением можно свести к эквивалентной схеме на рис. 15, используя теорему Тевенина применительно к цепи базы.

Если цепь базы разомкнута, RB1 и RB2 образуют простой делитель напряжения и

(2)

Сопротивление Тевенина в направлении от базы определяется соединенными параллельно резисторами RB1 и RB2:

(3)

Рис. 16 – Схема с Н-смещением

Существуют три варианта анализа схемы с Н-смещением для определения положения рабочей точки. На примере рассмотрим метод на основе уравнений Тевенина.

Пример.

Для схемы на рис. 17 в статическом режиме определить значения

IВ, IС, IЕ и VCE0.

Рис. 17 – Схема к примеру Сначала используем уравнение Тевенина для цепи базы:

Эквивалентная схема Тевенина показана на рис. по которой можно провести анализ схемы. Используя точную формулу (1), определяем

Напряжение VС является напряжением на коллекторе относительно земли. В данной схеме эмиттер не заземлен, поэтому VС не равно VСЕ. В действительности VС = VСЕ + VЕ.

И наконец (для рабочей точки Q),

Проведенный расчет может быть проверен двумя способами. Первый из них заключается в вычислении напряжения на базе.

Это проверка расчетного значения VBB, равного 4 В.

Другой способ проверки основан на вычислении тока базы. Напряжение на базе реальной цепи:

Определим токи через RB1 и RB2, и базовый ток, являющийся разностью этих токов.

Этот результат хорошо совпадает с расчетным значением IВ = 66,9

мкА.

Результаты вычислении наглядно представлены на следующем рисунке