Данный материал из методички

Завьялов С.А. Схемотехника усилительных устройств на биполярных транзисторах. Методические указания к практическим занятиям и самостоятельным работам. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2006.-44 с.

2. Установка рабочей точки биполярного транзистора

С

Рис. 2. Варианты установки рабочей точки БТ с фиксацией напряжения на базе (слева) и тока базы (справа)

уществует два основных способа установки рабочей точки БТ по постоян­ному току, представленных на рис 2. Это схема с фиксированным напряжением на базе и схема с фиксированным током базы.

Р

Рис. 2.3.

абочая точка БТ форми­руется одновременно в системе координат входных и выход­ных ВАХ, и для обоих случаев установки рабочей точки I_К и U_КЭ являются величинами, ко­торые задаются значениями U_БЭ, I_Б. Разница состоит лишь в выборе управляющей величины: в схеме с фиксацией напряжения на базе выбирается внешнее напряжение смещения Е_СМ, равное значению U_БЭ, при котором в соответствии с входной ВАХ БТ ток через база-эмиттерный переход БТ I_Б будет равен I_К/β, в схеме с фиксацией тока базы ток источника тока I_ИТ сразу выбирается равным I_Б =I_K/β, тем самым автоматически, опять же в соответствии с входной ВАХ, обеспечивая установку необходимого U_БЭ. Оба способа установки рабочей точки по постоянному току являются практически идентичными, так как I_Б, с соответ­ствующим ему значением U_БЭ, или, наоборот, U_БЭ, с соответствующим ему зна­чением I_Б, это одна точка на входной ВАХ БТ, но при этом оба способа смеще­ния Б-Э перехода весьма различно влияют на свойства каскадов усиления по пе­ременному току и особенно на их термостабиль­ность. Однако на практике в ряде ограниченных случаев, например в узком температурном диапа­зоне, применение их вполне допустимо.

Разновидности схем установки рабочей точки с фиксированным напряжением на базе представ­лены на рис. 2.3, 2.4. На схемах клеммами «вх», «вых» обозначены места для подключения к ис­точнику сигнала и к нагрузке.

Для схемы на рис. 2.3 источник базового сме­щения Е_CM (как правило, напряжение Е_CM мень­ше, чем напряжение U_П) отделен от базового пе­рехода БТ VT1 сопротивлением R1, которое служит для развязки источника сигнала по переменному току от низкоомного сопротивления источника смещения и задания величины постоянного тока ба­зы I_Б VT1 в его рабочей точке. Недостаток схемы формирования напряжения базового смещения на рис. 2.3 - в наличии дополнительного источника на­пряжения Е_CM.

В схеме на рис. 2.4 роль дополнительного источ­ника смещения выполняет источник питания U_П, с помощью которого и делителя напряжения R1, R2 к базе транзистора прикладывается необходимое для открывания перехода Б-Э напряжение.

С

Рис. 2.4

хема на рис. 2.5 устанавливает рабочую точку транзистора VT1 с помощью стабильного базового тока. Идеальный источник тока в схеме на рис. 2 заменен в схеме на рис. 2.5 высокоомным сопротивле­нием R1, подключенным к источнику питания U_П. Напряжение U_БЭ по сравне­нию с напряжением питания U_П мало, следовательно, ток базы задается сопро­тивлением R1 в соответствии с законом Ома 1_Б ≈ U_П / R1. Так как базовый ток I_Б мал, то сопротивление R1 достаточно велико, что соответствует свойству идеаль­ного источника тока - обладать высоким внутренним сопротивлением.

С

Рис. 2.5

равнение схем подачи базового смещения со стабилизацией напряжения на базе и схемы подачи стабильного тока базы показывает, что сопротивление R1 в схеме на рис. 2.5 много меньше шунтирует источ­ник сигнала по переменному току, чем сопротивление R1 в схеме на рис. 2.3 или сопротивление делителя напряжения R1, R2 в схеме на рис. 2.4. Отрицательным свойством малого шунтирующего действия резистора R1 на переход Б-Э в схеме на рис. 2.5, по сравнению со схемами на рис. 2.3, 2.4, является слабое рассасывание зарядов из базы транзистора при резких фронтах входного сигнала, в результате чего переход транзистора из открытого состояния в закрытое происходит медленно.

Все схемы формирования базового смещения транзистора в силу разброса свойств БТ, таких как зависимость прямого падения напряжения на переходе Б-Э от температуры для схем на рис. 2.3, 2.4, зависимость коэффициента усиления по току БТ от температуры в схеме на рис. 2.5, техноло­гического разброса коэффициента усиления по току БТ, достаточно требователь­ны к точному выбору значения сопротивления R1, которое часто во всех рассмот­ренных схемах делают регулируемым или подстроечным.

Устранение влияния дестабилизирующих факторов на режим работы БТ по постоянному току достигают использованием цепей отрицательной обратной свя­зи (ООС). Упрощенно принцип обратной связи состоит в том, что часть полезного сигнала с выхода схемы поступает обратно на ее вход, причем для отрицательной обратной связи характерно уменьшение (компенсация) входного сигнала под воз­действием выходного сигнала, поэтому она и на­зывается отрицательной. С точки зрения стабили­зации рабочей точки БТ принцип ООС следует по­нимать так, что доля выходного напряжения или тока (а для БТ выходной цепью является цепь кол­лектор-эмиттер, и, следовательно, выходным сиг­налом должны являться параметры выходной цепи - ток коллектора или эмиттера, или напряжения на коллекторе или эмиттере БТ) должна поступать обратно во входную, базовую цепь БТ и воздейст­вовать на напряжение или ток в базовой цепи противофазно дестабилизирующим факторам с целью уменьшения их влияния на режим БТ по постоян­ному току.

Н

Рис. 2.6

аиболее распространена схема установки ра­бочей точки БТ с ООС по току (рис. 2.6). Другое ее название - схема с фиксированным напряжением на базе и эмиттерной стабилизацией. Она является универсальной схемой установки рабочей точки БТ для любого варианта включения транзистора по переменному току.

Напряжение (рис. 2.6) на базе U_Б транзистора VT1 зафиксировано делителем напряжения Rl, R2. Ток эмиттера I_Э=I_К+I_Б ≈I_К в соответствии с законом Ома вызывает падение напряжения U_R4 на эмиттерном сопротивлении R4. Любое из­менение I_Б или U_БЭ под действием дестабилизирующих факторов вызывает со­ответствующее изменение I_Э и, следовательно, изменение падения напряжения U_R4. Так как напряжение перехода U_БЭ=U_Б-U_R4 в соответствии с законом Кирхгофа, a U_Б = const зафиксировано, то изменение падения напряжения U_R4 на эмиттерном сопротивлении R4 обязательно приведет к изменению напряжения U_БЭ, причем противофазно изменению напряжения на R4. Например, в случае даже незначительного увеличения I_Б произойдет значительное увеличение I_Э в силу усилительных свойств БТ и, следовательно, напряжение U_БЭ на Б-Э пере­ходе уменьшится, что в свою очередь скомпенсирует увеличение I_Б, осуществив, таким образом стабилизацию рабочей точки транзистора VT1.

С

Рис. 2.7

хема на рис. 2.7 иллюстрирует метод установки рабочей точки с использо­ванием ООС по напряжению. Цель подключения сопротивления R1, задающего I_Б, к коллектору VT1, получить независимость режима работы БТ по постоянному току от свойств самого БТ (технологического разброса коэффициента переда­чи по току), а также устранение влияния на БТ дестабилизирующих факторов в виде изменения напряжения питания или температуры. Стабилизирующее дейст­вие ООС основано на компенсации возможного изменения I_Б с помощью выход­ного напряжения U_KЭ, меняющего противофазно I_Б. В случае увеличения (уменьшения) I_Б ток коллектора I_K VT1 увеличивается (уменьшается), напряже­ние U_KЭ = U_П - I_К · R2 уменьшается (увеличивается) и, следовательно, ток базы I_Б =U_KЭ/R1 уменьшается (увеличивается).

Общий подход к расчету режима БТ по постоянному току для схем (рис. 2.3...2.7), работающих в активном (линейном) режиме примерно одинаков, хотя имеются различия, относящиеся к выбору элементов стабили­зации рабочей точки БТ в базовой цепи транзистора.

Порядок расчета элементов схемы для установки рабочей точки БТ, работающего в линейном режиме (рис. 2.3...рис. 2.7), следую­щий.