5.5.3. Цепи питания базы биполярного транзистора

Питание базы – это подача в цепь базы БТ напряжения и тока смещения и для задания требуемого режима работы БТ, то есть требуемого положения точки покоя на проходной или сквозной динамической характеристике БТ и, следовательно, требуемого значения постоянного тока коллектора . При построении цепей смещения стремятся обойтись тем же источником питания, от которого питают коллекторные цепи БТ, что технически и экономически целесообразно. В этом смысле питание базы от дополнительного источника питания, как это было показано на рис. 5.4, 5.5, 5.6, 5.7 на практике нежелательно и использовалось в целях упрощения изображения схем включения УЭ по сигналу.

К сожалению, значение постоянного коллекторного тока и, следовательно, положение точки покоя на вольтамперных характеристиках БТ со временем изменяется под влиянием ряда дестабилизирующих факторов:

1. Изменение температуры коллекторного "p-n" перехода БТ вследствие изменений температуры окружающей среды и рассеиваемой на коллекторе мощности , а также вследствие возможного саморазогрева БТ, суть которого заключается в том, что при возрастании тока коллектора возрастает температура "p-n" перехода, что увеличивает ток коллектора и т. д.;

2. Старение БТ и других элементов схемы каскада;

3. Замена БТ, при которой проявляется разброс всех его параметров и особенно статического коэффициента усиления по току , достигающий значений раз;

4. Изменения напряжения источников питания.

Нестабильность точки покоя и тока приводит к изменению параметров БТ и, как следствие, к изменению всех показателей каскада. Поэтому при построении цепей смещения необходимо принимать меры по стабилизации положения точки покоя (по стабилизации тока ).

Наиболее неприятным по последствиям является влияние изменений температуры коллекторного перехода БТ.

Механизм влияния изменений температуры коллекторного "p-n" перехода на положение точки покоя и величины тока можно показать на примере проходной характеристики БТ, приведенной на рис. 5.22, где ток смещения задан таким, чтобы точка покоя находилась в середине линейного участка этой характеристики, что соответствует режиму "А". Пусть эта характеристика соответствует справочной температуре коллекторного перехода, то есть . Ток коллектора в точке покоя определяется выражением

, (5.8)

где: – начальный ток коллектора;

– обратный ток коллекторного "p-n" перехода, обусловленный неосновными носителями зарядов через "p-n" переход.

Все слагаемые правой части этого выражения зависят от температуры. Но особенно сильно зависит от температуры ток . Эта зависимость определяется выражениями:

– для германиевых транзисторов; – для кремниевых транзисторов.

Здесь: – температура коллекторного перехода, равная +20С; – температура коллекторного перехода с учетом максимальной температуры окружающей среды и приращения температуры из-за рассеиваемой на коллекторе мощности ;

– тепловое сопротивление БТ между коллектором и окружающей средой (приводится в справочнике).

Если предположить, что температура коллекторного перехода возрастает от до и при этом пренебречь температурной нестабильностью и , то начальный ток коллектора возрастет до значения , вследствие чего проходная характеристика сместится вверх (см рис. 5.22) и коллекторный ток возрастет до значения

. (5.9)

Рис. 5.22

Это приведет к увеличению потребляемой от источника питания мощности и снижению КПД .

Точка покоя окажется в верхней нелинейной части характеристики, в месте меньшей крутизны, что приведет к возникновению нелинейных искажений усиливаемого сигнала (см. рис. 5.22) и к уменьшению коэффициента усиления УЭ.

В дополнение к этому увеличение тока коллектора может привести к саморазогреву БТ.

Нестабильность тока коллектора оценивают коэффициентом нестабильности , показывающим во сколько раз изменения коллекторного тока больше вызвавших их изменений обратного тока коллекторного перехода . Минимальным значением является . В реальных схемах его стремятся получить порядка , иногда , что достигается ценой увеличения потребления тока от источника питания. Следует отметить, что наряду с используется и другой критерий, представляющий собой отношение приращения коллекторного тока к его исходному значению (или 10…20 %). В рассмотренном выше случае согласно (5.8) и (5.9) приращение коллекторного тока и коэффициент нестабильности будут:

(5.10)

,

. (5.11)

Полученное значение очень велико, что свидетельствует о большой температурной нестабильности тока БТ. Именно такая нестабильность тока оказывается в каскаде (рис. 5.23) в режиме "А" при использовании в нем простейшей схемы подачи смещения от общего источника питания – схемы с фиксированным током базы (ФТБ).

Рис. 5.23

В этой схеме смещение подают от общего источника питания с помощью сопротивления смещения . Ток смещения здесь практически не зависит от свойств самого УЭ, изменяющихся под влиянием дестабилизирующих факторов, и определяется напряжением источника питания и сопротивлением смещения :

; , при . (5.12)

Из-за большой нестабильности тока эта схема не применяется в серийной аппаратуре. Ее можно применять лишь в лабораторных условиях при подборе сопротивления смещения для каждого экземпляра УЭ (чтобы учесть разброс параметра ) и при небольшом диапазоне температур.

Другой простейшей нестабилизированной схемой подачи смещения от общего источника питания является схема подачи смещения с фиксированным напряжением смещения (рис. 5.24). В ней смещение получают с помощью делителя питающего напряжения в цепи базы УЭ.

Рис. 5.24

В этой схеме при токе делителя значительно большем тока смещения напряжение смещения не зависит от свойств УЭ и определяется напряжением источника питания и сопротивлениями делителя:

;

(5.13)

, при .

Эта схема более стабильна в отношении тока (вследствие влияния делителя), но менее экономична, чем схема с ФТБ. Ее, как и схему с ФТБ, можно применять лишь в лабораторных условиях.

В серийной аппаратуре применяются схемы подачи смещения от общего источника питания со стабилизацией тока . Они основаны на использовании либо отрицательной обратной связи (ООС) по постоянному току и постоянному напряжению (схемы подачи смещения с эмиттерной, с коллекторной, с комбинированной стабилизацией), либо на использовании термозависимых элементов (схемы подачи смещения с температурной компенсацией).

Принцип стабилизации тока заключается в том, что при увеличении тока в схемах автоматически должны уменьшиться ток смещения и напряжение смещения , что приводит к меньшему изменению , то есть к его стабилизации.

Схема подачи смещения с эмиттерной стабилизацией получила наиболее широкое применение в серийной аппаратуре. Она применена в приведенной на рис. 5.25 схеме однотактного каскада с резисторно-конденсаторной связью при включении УЭ по схеме с ОЭ в режиме "А".

В этой схеме напряжение и ток смещения и получают от источника питания с помощью делителя и и сопротивления в цепи эмиттера :

или , (5.14)

откуда .

В этих уравнениях Кирхгофа отражен принцип действия стабилизации: при увеличении тока напряжение и ток смещения , уменьшаются, что препятствует увеличению тока .

Рис. 5.25

В этой схеме стабилизация тока осуществляется отрицательной обратной связью (ООС), последовательной по выходу, то есть по току (точнее, по постоянному току) и последовательной по входу, получаемой с помощью сопротивления обратной связи в цепи эмиттера . Механизм действия ООС сводится к следующему. Если, например, при увеличении температуры коллекторного перехода, ток возрастет, то это, согласно выражениям (5.14), приводит к увеличению падения напряжения на сопротивлении обратной связи и, как следствие этого, к уменьшению напряжения смещения , а, следовательно, и тока смещения , что препятствует увеличению тока , то есть стабилизирует его. Чем больше сопротивление обратной связи , тем эффективнее стабилизация. Сказанное иллюстрируется рисунком 5.26, где на проходной динамической характеристике показано исходное значение постоянного коллекторного тока при температуре коллекторного перехода и значения коллекторного тока при повышенной температуре коллекторного перехода для двух случаев: в нестабилизированной схеме с ФТБ (как и на рис.5.22) и в схеме с эмиттерной стабилизацией . Из рис. 5.26 видно, что вследствие уменьшения тока смещения при повышенной температуре, вызванного действием ООС, приращение коллекторного тока при эмиттерной стабилизации оказывается существенно меньше приращения коллекторного тока без стабилизации и точка покоя остается на линейном участке проходной характеристики. Отношение этих приращений тока характеризует сквозную глубину ООС по постоянному току

. (5.15)

Рис. 5.26

Сквозную глубину ООС можно выразить через параметры схемы рис.5.25. Согласно теории обратной связи сквозная глубина ООС по постоянному току в рассматриваемой схеме будет определяться выражением

. (5.16)

Выражения для коэффициента передачи напряжения обратной связи , коэффициента передачи входной цепи УЭ и коэффициента усиления по напряжению УЭ для рассматриваемой схемы имеют вид:

,

,

, где . (5.17)

После подстановки (5.17) в (5.16) получается следующее расчетное выражение для сквозной глубины ООС по постоянному току:

. (5.18)

Как видно, сквозная глубина ООС будет тем больше, чем больше сопротивление обратной связи и чем меньше сопротивление делителя.

Величина выбирается с учетом допустимых потерь питающего напряжения на нем .

Сопротивление делителя выбирают с учетом допустимого тока делителя через него и с учетом допустимого шунтирования входа УЭ по сигналу . При меньших значениях возрастает энергопотребление схемы и уменьшается коэффициент передачи входной цепи УЭ по сигналу.

При эмиттерной стабилизации можно получить , то есть очень хорошую стабильность коллекторного тока .

Расчет необходимых сопротивлений для схемы с эмиттерной стабилизацией проводят:

1. Либо с использованием требуемого ( , реже ) по формулам:

; ; .

2. Либо с использованием допустимого отношения максимального приращения постоянного коллекторного тока к допустимому приращению этого тока , то есть с использованием формул:

; ; ; ;

; ;

3. Либо по формулам:

; ; ; .

Несколько слов о роли блокировочного конденсатора , который выбирается достаточно большой емкости. Он не влияет на механизм действия ООС по постоянному току, то есть на эмиттерную стабилизацию, а включается для предупреждения возникновения ООС по переменному току, то есть по сигналу, которая в его отсутствие возникает за счет при усилении сигнала наряду с ООС по постоянному току. Сквозная глубина ООС по сигналу определяется классическим выражением , после подстановки в которое следующих выражений для данной схемы

;

;

(5.19)

,

где и или

получается расчетное выражение для сквозной глубины ООС по сигналу

. (5.20)

Эта ООС уменьшает сквозной коэффициент усиления каскада (рис. 5.25) .

При включении конденсатора достаточно большой емкости он практически закорачивает по переменному току (по сигналу), устраняя тем самым ООС по сигналу, в результате чего сквозной коэффициент усиления каскада не уменьшается.

Следует отметить, что если сопротивление небольшое, то емкость часто не включают, так как в этом случае глубина ООС по сигналу оказывается небольшой и она, не очень сильно уменьшая коэффициент усиления каскада, стабилизирует его и уменьшает нелинейные и линейные искажения. Каскады с малым и без широко применяются в усилителях в интегральном исполнении.

Схемы подачи смещения с эмиттерной стабилизацией в однотактных каскадах с резисторно-конденсаторной связью в режиме "А" при включении УЭ по схемам с ОБ и ОК приведены соответственно на рисунках 5.27 и 5.28.

Рис. 5.27

Механизм действия и эффективность эмиттерной стабилизации в этих схемах практически такие же, как и при включении УЭ по схеме с ОЭ. Следует лишь отметить, что в схеме с ОБ наряду с ООС по постоянному току, то есть последовательной по выходу (эмиттерная стабилизация), действует ООС по сигналу, последовательная по выходу, то есть по переменному току, и параллельная по входу, а в схеме с ОК эмиттерная стабилизация осуществляется обратной связью, параллельной по выходу, то есть по напряже-

Рис. 5.28

нию (точнее, по постоянному напряжению) и последовательной по входу, наряду с которой действует и ООС по сигналу, параллельная по выходу, то есть по переменному напряжению, и последовательная по входу (здесь использовать блокировочный конденсатор , как это было в схеме с ОЭ, нельзя, ибо он зашунтирует выход каскада по сигналу). Полезно также напомнить, что схему с ОК (рис. 5.28) называют эмиттерным повторителем (см. способы включения УЭ).

Схемы подачи смещения с эмиттерной стабилизацией широко применяются в каскадах как в дискретном, так и в интегральном исполнении, хотя следует отметить, что наличие большого числа резисторов при одном УЭ требует неоправданно большой площади на кристалле при интегральном исполнении.

Другой стабилизированной схемой подачи смещения является более простая, но менее эффективная схема подачи смещения с коллекторной стабилизацией (рис. 5.29).

Рис. 5.29

В этой схеме напряжение и ток смещения и получаются с помощью сопротивления смещения от питающего напряжения на коллекторе , зависящего от тока :

;

(5.21)

.

В этих уравнениях заключен механизм стабилизации: например, при увеличении тока , уменьшается и, следовательно, уменьшаются и , что не дает току покоя заметно возрасти.

В этой схеме стабилизация тока осуществляется параллельной по выходу, то есть по напряжению (точнее, по постоянному напряжению) и параллельной по входу ООС. Сквозная глубина этой ООС будет определяться выражением , подставляя в которое выражения для и в данной схеме

, ,

можно получить расчетное выражение для сквозной глубины ООС по постоянному напряжению

. (5.22)

Из (5.22) следует, что сквозная глубина ООС тем больше, чем больше коллекторное сопротивление и чем меньше сопротивление смещения . В этой схеме сопротивление наряду с классической функцией сопротивления межкаскадной связи, входящего в нагрузку УЭ, выполняет дополнительную функцию сопротивления ООС. При внимательном рассмотрении схемы можно заметить, что хотя напряжение ООС снимается с , стоящего в коллекторной цепи, механизм действия этой стабилизации очень похож на механизм действия эмиттерной стабилизации, поскольку здесь через протекает суммарный ток , равный эмиттерному току (как и ток через в схеме с эмиттерной стабилизацией). Однако в схеме с коллекторной стабилизацией в отличие от схемы с эмиттерной стабилизацией не удается получить достаточную глубину ООС для обеспечения требуемой стабильности коллекторного тока, что обусловлено обычно большим сопротивлением смещения при сравнительно небольшом входном сопротивлении УЭ и сравнительно небольшим сопротивлением из-за потерь питающего напряжения в нем.

Следует отметить, что в схеме рис. 5.29 при усилении сигнала наряду с ООС по постоянному напряжению, стабилизирующей ток , возникает ООС и по переменному напряжению (то есть по сигналу) с параллельной подачей на вход. Расчетное выражение сквозной глубины этой ООС может быть получено на основе известного общего выражения путем подстановки в него выражений для и в данной схеме:

; ,

где ; .

Расчетное выражение для сквозной глубины ООС по сигналу в схеме рис.5.29 имеет вид (при ):

. (5.23)

Чем больше сопротивление нагрузки УЭ по переменному току (по сигналу) и чем меньше , тем больше сквозная глубина ООС по сигналу.

Эта ООС снижает сквозной коэффициент усиления каскада в раз: .

Для устранения этой ООС сопротивление представляют в виде двух сопротивлений , между которыми включают конденсатор , образуя развязывающий фильтр (рис. 5.30).

Рис. 5.30

Схемы подачи смещения с коллекторной стабилизацией в однотактных каскадах с резисторно-конденсаторной связью в режиме "А" при включении УЭ по схемам с ОБ и ОК приведены соответственно на рисунках 5.31 и 5.32.

Рис. 5.31

Механизм действия и эффективность коллекторной стабилизации в схемах с ОБ и ОК практически такие же, как и в схеме с ОЭ. Отличаются же они от схемы с ОЭ в основном наличием органически присущей им ООС по сигналу: последовательной по выходу и параллельной по входу в схеме с ОБ (рис. 5.31), параллельной по выходу и последовательной по входу в схеме с ОК, то есть в эмиттерном повторителе (рис. 5.32).

Схемы подачи смещения с коллекторной стабилизацией в каскадах на дискретных элементах находят ограниченное применение, поскольку обеспечивают меньшую стабильность тока по сравнению со схемами эмиттерной стабилизации, в каскадах же интегрального исполнения они, несмотря на это, применяются довольно часто.

Наибольшую стабильность тока покоя обеспечивает схема подачи смещения с комбинированной (смешанной) стабилизацией, в которой объединены эмиттерная и коллекторная стабилизация. Эта схема обычно реализуется в каскадах с развязывающим фильтром в общей питающей цепи.

Рис. 5.32

На рис. 5.33,а,б,в приведены схемы однотактных каскадов с комбинированной стабилизацией при включении УЭ по схемам соответственно с ОЭ, ОБ и ОК.

В этих схемах основным элементом эмиттерной стабилизации является сопротивление , а основным элементом коллекторной стабилизации является сопротивление развязывающего (и сглаживающего) фильтра . Величина сопротивления выбирается при расчете фильтра с учетом допустимых потерь питающего напряжения на нем. О выборе и говорилось при рассмотрении эмиттерной стабилизации (см. выше).

Комбинированная стабилизация применяется в каскадах на дискретных элементах и по интегральной технологии.

Способы подачи смещения со с стабилизацией тока , основанные на использовании ООС по постоянному току (и постоянному напряжению), применяют в каскадах, работающих в режиме "А". Следует отметить, что ООС стабилизирует постоянный ток коллектора при воздействии любых дестабилизирующих факторов. Что касается каскадов, работающих в режиме

Рис. 5.33

"В", то использование в них способов подачи смещения со стабилизацией отрицательной обратной связью не представляется возможным, так как в режиме "В" средние значения токов , , , участвующие в механизме стабилизации, зависят от уровня усиливаемого сигнала (чего нет в режиме "А"). Из всех рассмотренных выше способов подачи смещения можно использовать в режиме "В" только способ с фиксированным напряжением смещения (рис.5.24), поскольку при смещение не будет зависеть от уровня сигнала. Поэтому в каскадах, работающих в режиме "В", применяются схемы подачи смещения либо без стабилизации, либо с температурной компенсацией, в которых для стабилизации используются температурно зависимые элементы (терморезисторы, диоды), позволяющие обеспечить только температурную стабилизацию тока . При необходимости их можно, разумеется, применять и в каскадах, работающих в режиме "А".

Принцип подачи смещения с температурной компенсацией удобно показать на примере однотактного каскада на БТ в режиме "А", схема которого приведена на рис. 5.34. В ней смещение и получается от общего источника питания с помощью температурнозависимого делителя в цепи базы УЭ. В качестве сопротивления делителя используется терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом .

Выбором сопротивлений делителя при нормальной температуре задается начальное смещение , , а, следовательно, начальное положение точки покоя и значение постоянного коллекторного тока (см. рис. 5.35): из рис. 5.34 видно, что напряжение на терморезисторе .

Механизм температурной стабилизации тока за счет сводится к следующему. Например, при возрастании температуры коллекторного перехода возрастает ток . Одновременно с этим уменьшается сопротивление терморезистора и падение напряжения на нем , а, следовательно, и напряжение смещения (и ток смещения ), что и препятствует увеличению тока (см. на. рис. 5.35 точку покоя ТП'). Путем выбора коэффициента температурной нестабильности " " можно полностью скомпенсировать изменения тока и обеспечить его полную стабильность (см. на рис. 5.35 точку покоя ТП''), что в принципе невозможно в схемах подачи смещения со стабилизацией на основе ООС. Терморезистор обычно крепится к транзистору, чтобы лучше реагировать на его температуру.

Следует отметить, что вместо терморезистора для температурной компенсации можно использовать диод (или несколько диодов, или комбинации из диодов и резисторов), что особенно широко применяется в каскадах по интегральной технологии.

Рис. 5.34

Рис. 5.35