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  (0,60,7) 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 напряженияR1, 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 резистореR_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 которой ток 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, инагрузочной 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 абсциссобратно пропорционален сопротивлению резистора:. Положение рабочей точки А на семействе входных характеристик (рис. 6.2, б) определяется постоянным током базыи напряжением.

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

, (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 случаепрактически будет равно половине напряжения питания.

Если к выходу усилителя подключена нагрузка с конечным значением сопротивления , то мгновенные значения коллекторного токаи напряжениябудут соответствовать точкам отрезка В'С', лежащего нанагрузочной 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 резисторови:

,

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 питанияв 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 ине 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.