Меню

Ток базы фиксированным напряжением базы

Схема каскада с фиксированным током базы

В схеме с общим эмиттером напряжение источника сигнала подается на базу, а усиленное напряжение снимается с коллектора. Для того, чтобы правильно задать рабочую точку транзистора (обеспечить режим работы транзистора) на базу необходимо подать начальный ток iб0. Для питания цепей коллектора и базы можно использовать разные источники питания, но это экономически нецелесообразно, поэтому режим транзистора по постоянному току задают от одного источника питания.

В простейшем случае ток на базе транзистора можно задать при помощи резистора. Такой вариант задания рабочего режима транзистора называется схемой с фиксированным током базы. Она применяется только в усилителях класса A. Схема включения транзистора с общим эмиттером с фиксированным током базы приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 Схема усилителя с фиксированным током базы

Расчет каскада всегда начинается с выхода схемы. Сначала задаются током коллектора транзистора, обычно . Чем меньше его значение, тем экономичней будет усилительный каскад и схема радиоэлектронного устройства в целом. Однако максимум усиления маломощного транзистора бывает обычно при значении коллекторного тока [3], поэтому задаются меньше этого значения, но стараются не сильно удаляться от него, чтобы не потерять усиление по мощности.

На схеме, приведенной на рисунке 1, ток задается резистором R1, а резистор R2 задает половину питания на коллекторе транзистора VT1. Выбор напряжения на коллекторе, равным половине питания усилительного каскада, связан с нелинейными искажениями на выходе схемы. При выборе напряжения больше половины питания, синусоидальное напряжение на выходе каскада будет обрезаться сверху. Это приведет к уменьшению максимального допустимого напряжения усилителя. При выборе коллекторного напряжения меньше половины питания, синусоидальное напряжение будет обрезаться снизу, что тоже приведет к снижению максимального допустимого напряжения сигнала на выходе каскада. Оптимальным является напряжение, равное половине питания схемы. При постепенном увеличении входного напряжения сигнала, синусоидальное напряжение сигнала на выходе будет одновременно ограничиваться сверху и снизу. Уровень допустимого напряжения сигнала усилительного каскада при этом будет максимальным.

Теперь можно определить значение номинала сопротивления резистора R2. Для этого воспользуемся законом Ома. Падение напряжения на резисторе R2 определим из закона Киргофа. По нему напряжение питания схемы равно сумме падений напряжения на транзисторе и резисторе R2:

Отсюда можно выразить падение напряжения на резисторе R2:

и далее по закону Ома находим сопротивление в цепи коллектора R2:

При напряжении питания 5 В и токе коллектора 2,5 мА напряжение Uкэ выбирают равным половине питания 2,5 В и сопротивление резистора R2 получится равным 1 кОм.

Аналогичным образом можно определить сопротивление в цепи базы транзистора — R1. Для этого сначала через h21э определим ток базы:

откуда определим ток базы:

И тогда сопротивление в цепи базы R1 будет равно:

Обратите внимание, что схема питания транзистора с фиксированным током базы может быть применена в любой из схем включения транзистора: с общим эмиттером, с общей базой или с общим коллектором.

В схеме с общим эмиттером входной сигнал подается на базу транзистора, как это показано на рисунке 2.

Рисунок 2 Схема с фиксированным током базы в каскаде с общим эмиттером

В высокочастотных усилителях (усилителях радиочастоты) возможен вариант, где в качестве нагрузки транзисторного каскада служит дроссель. В этом случае рассчитывать резистор R2 не нужно и схема питания транзистора с фиксированным током базы приобретает вид, показанный на рисунке 3.

Рисунок 3 Схема с фиксированным током базы в каскаде с общим эмиттером

В высокочастотных усилителях часто для преобразования входного и выходного сопротивления транзистора к стандартному значению 50 Ом используются фильтры низкой частоты с различными входным и выходным сопротивлениями. Подобный вариант усилителя с фиксированным током базы в каскаде с общим эмиттером приведен на рисунке 4.

Рисунок 4 Схема с фиксированным током базы в каскаде с общим эмиттером

При этом часть емкости входного фильтра-трансформатора сопротивления вместе с конденсатором C2 образует входная емкость транзистора. Аналогично, выходная емкость транзистора вместе с конденсатором C4 образует емкость выходной согласующей цепи. В усилителях гигагерцового диапазона вместо сосредоточенных индуктивностей и емкостей в составе согласующих устройств применяются отрезки полосковых линий.

В схеме с общей базой входной сигнал подается на эмиттер транзистора. Каскад усилителя с общей базой, реализованный по схеме питания транзистора с фиксированным током базы приведен на рисунке 5.

Рисунок 5 Схема с фиксированным током базы в каскаде с общей базой

Как легко можно увидеть, это схема питания транзистора, приведенная на рисунке 1, в которой входной сигнал подан между базой и эмиттером. Выходное напряжение снимается с резистора R2. Усилители с общей базой применяются в основном на высоких частотах, поэтому вместо резистора R2 удобнее применять дроссель, как это делалось в схеме на рисунке 3. Схема подобного усилителя приведена на рисунке 6.

Рисунок 6 Схема с фиксированным током базы в каскаде с общей базой

В схеме с общим коллектором сигнал подается на базу транзистора, но в отличие от схемы с общим эмиттером выходной сигнал снимается с коллектора транзистора. Это решение позволяет получать минимальное выходное сопротивление усилителя, поэтому чаще всего используется в качестве буферного усилителя для развязки выхода одной схемы от входа другой. Пример схемы с фиксированным током базы для транзистора, включенного с общим коллектором, приведен на рисунке 7.

Рисунок 7 Схема с фиксированным током базы в каскаде с общим коллектором

В качестве недостатка схемы питания транзистора с фиксированным током базы следует отметить нестабильность параметров. Коэффициент усиления транзистора по току может сильно меняться от экземпляра к экземпляру, изменяться от температуры или с течением времени (старение элементов схемы). Обычный разброс коэффициента усиления по току составляет (транзистор КТ315Б), а с учетом влияния температуры — . Отношение максимального значения к минимальному составляет почти 20 раз! Во столько же раз будет меняться и ток потребления. В схемах, приведенных на рисунках 2 и 5 это приведет к полной потере работоспособности, в остальных случаях приводит к изменению коэффициента усиления и перегреву транзисторов.

Для устранения указанных недостатков были разработаны специальные схемы стабилизации рабочего режима транзистора: коллекторная стабилизация и эмиттерная стабилизация режима работы транзистора. В современных микросхемах применяются дифференциальные каскады.

Дата последнего обновления файла 18.07.2018

Источник

Расчет тока базы транзистора

Для того, чтобы правильнее понять процедуру расчета, необходимо понимать каких видов и типов бывают транзисторы и в каких режимах они могут работать.

Типы транзисторов и режимы работы

Различают два основных класса триодов (транзисторов):

1. Биполярные (управляются током на база-эмиттерном переходе, конструктивно имеют два различных перехода p-n и n-p, то есть могут быть n-p-n или p-n-p типа);

2. Униполярные или полевые (управляются напряжением на база-эмиттерном переходе, конструктивно состоят из двух однотипных переходов p-n или n-p, выделяют два типа полевых транзисторов – с изолированным затвором и с затвором из p-n-перехода).

Здесь для понимания обозначений:

  • p-n – дырочно-электронный (основной носитель – пустые места в кристаллической решетке, понимаемые под положительным зарядом),
  • n-p – электронно-дырочный переход (основной носитель – электроны).

Чтобы исключить путаницу, вводы и выводы различных классов транзисторов называются по-разному:

  • В биполярных – база, эмиттер, коллектор;
  • В полевых – исток, сток, затвор.

Так как речь идет о расчете тока базы, то далее рассмотрим режимы работы только полевых транзисторов:

1. Активный режим (напряжение эмиттер-база > 0, напряжение коллектор-база Инверсивный (обратная ситуация для активного режима, равносилен стандартной логике работы p-n-p транзисторов),

3. Насыщение (когда оба перехода эмиттер-база и база-коллектор открыты, между эмиттером и коллектором течет ток – ток насыщения),

Читайте также:  Прибор контроля тока с выходом

4. Отсечка (напряжение коллектор-база Барьерный (база соединяется с коллектором, транзистор работает как диод).

Напряжения на эмиттере, базе, коллекторе

Смещение перехода база-эмиттер для типа n-р-n

Смещение перехода база-коллектор для типа n-р-n

Источник



Расчет усилителя с фиксированным током базы

Усилитель с фиксированным током базы является апериодическим (резистивным) широкополосным усилителем видеосигнала. Типовая принципиальная схема показана на рис. 4.1. Разделительные конденсаторы Ср1 и Ср2 предназначены для разделения путей протекания постоянных и переменных токов. При отсутствии этих конденсаторов или коротком замыкании в случае их пробоя постоянный ток от источника питания Ек протекает как через элементы выходной цепи предыдущего электронного каскада, так и элементы входной цепи последующего каскада, что приводит к нарушению режимов работы этих каскадов и всего электронного устройства в целом. Расчет значений этих конденсаторов производится из условия малости их сопротивлений по переменному току:

Рис. 4.1. Резистивный усилитель с фиксированным током базы

Резистор Rб обеспечивает необходимое смещение напряжения на базе транзистора относительно эмиттера за счет протекания тока базы Iб0 по пути

Резистор Rк обеспечивает необходимое напряжение между коллектором и эмиттером транзистора за счет протекания тока коллектора Iк0 по пути

Значения токов покоя Iэ0 , Iб0, Iк0 находится в процессе графо-аналитического расчета усилителя. Токи покоя – это постоянные токи, определяемые в отсутствии входного сигнала (напряжения). Они могут быть найдены расчетным путем и измерены экспериментально.

В основу расчета усилителя положен графо-аналитический метод. Этот метод предполагает, что для конкретного транзистора, включенного , в частности, по схеме с общим эмиттером, сняты экспериментально входные и выходные вольт-амперные характеристики.

Для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (ОЭ), входная характеристика – это зависимость тока базы от напряжения между базой и эмиттером при неизменном (фиксированном) напряжении между коллектором и эмиттером:

Фиксированные значения Uкэ принимают следующие: Uкэ = 0В, Uкэ = 5 В. Примерный вид семейства входных характеристик показан на рис. 4.2,а.

На рис. 4.2,в показано семейство выходных характеристик. Выходной характеристикой является зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при фиксированном значении тока базы:

Для того, чтобы рассматриваемый усилитель работал в линейном режиме, необходимо правильно выбрать на входной характеристике точку покоя П, рис. 4.2,а. Точка покоя П выбирается на линейной части входной характеристики при Uкэ = 5, В. В дальнейшем положение точки покоя и значение напряжения Uкэ уточняется. Нижняя часть входной характеристики относительно точки покоя ограничивается переходом линейной части в квадратичную зависимость (точка 1). Следовательно, точка покоя определяется на входной характеристике амплитудой входного напряжения.

При Um2 > Um1 входное напряжение, изменяющееся относительно положения (точки) покоя, должно смещается вправо, а точка покоя П – вверх.

Рис. 4.2. Пояснение к графо-аналитическому методу расчета усилителя: а – семейство входных характеристик биполярного транзистора; б – изменение тока базы транзистора при входном гармоническом сигнале; в – семейство выходных характеристик транзистора и построенных на них линии динамической характеристики и изменение тока коллектора в динамическом режиме работы усилителя; г – входной гармонический сигнал (напряжение) при двух значениях амплитуды; д – выходной сигнал (напряжение)

Если при увеличении амплитуды входного напряжения точку покоя не смещать вправо, то условие линейности усилителя нарушается. При этом временная зависимость тока базы iб (t) и, следовательно, тока коллектора iк(t), и напряжения на выходе усилителя uвых(t) отличаются от формы входного напряжения (сигнала). На рис. 4.2,б показана зависимость iб (t) при двух входных напряжениях с разными амплитудами. При Um1 ток iб (t) изменяется по закону входного сигнала, при Um2 > Um1 форма тока iб (t) отличается от формы входного сигнала. В общем случае сигнал сообщения имеет сложную временную зависимость. Предположим, что этот сигнал периодический и удовлетворяет условиям представления его в виде спектра (1.22):

где U0вх – постоянная составляющая, которую разделительный конденсатор Ср1 не пропускает и ее не следует учитывать;

Umn – амплитуда n-ой гармоники;

– начальная фаза n-ой гармоники;

– низкая круговая частота;

Т – период входного сигнала.

Амплитудные значения гармоник Umn однозначно определяются коэффициентами ряда Фурье, которые, в свою очередь, вычисляются на основе известной функции uвх(t).

Таким образом, на основе выражения (1.22) следует определить гармонику с максимальной амплитудой и этот гармонический сигнал следует представлять на рис.4,г для нахождения положения точки покоя.

Вывод: если точка покоя на входной характеристике определена по амплитуде, соответствующей гармонике в спектре (1.22) с наибольшей амплитудой, то амплитудно-частотный спектр сигнала на выходе будет иметь вид:

где КU > 1 – коэффициент усиления по напряжению.

Выражение (4.1) утверждает, что в этом случае форма сигнала на выходе совпадает с формой сигнала на входе, то есть сигнал сообщения не искажается. Так как мощность сигнала с выхода усилителя в нагрузку пропорциональна квадрату напряжения:

где Rн – сопротивление нагрузки, то усилитель увеличивает энергию сигнала (мощность сигнала) да значения, при котором нормально работает следующий каскад электронного устройства.

Точку покоя на выходных характеристиках находим по ее координатам: Iб0, Uкэ0 = 5В. Для этого проводим вертикальную линию из точки Uкэ = 5В до пересечения с выходной характеристикой для Iб = Iб0. Из точки покоя опускаем перпендикуляр на ось токов и определяем Iк0 – ток коллектора в состояни покоя.

По найденным значениям Iб0, Iк0 производим расчеты Rб0 и Rк0 – соответственно:

Расчетные формулы (4.2) и (4.3) дают приближенные значения сопротивлений соответствующих резисторов, так называемое нулевое приближение, которое дает на практике весьма точные значения. Нулевое приближение не учитывает динамического режима работы усилителя, когда на его вход поступает изменяющийся во времени сигнал. Для момента времени t на входной характеристике будет точка, соответствующая значению входного напряжения uвх(t). При изменении времени эта точка перемещается по отрезку входной характеристики, ограниченной точками 1 и 2. Перемещающуюся во времени точку по характеристике называют рабочей точко й. Таким образом, во времени рабочая точка совершает перемещения относительно точки покоя П.

В динамическом режиме изменяется ток базы во времени (рис. 4.2,б), следовательно на выходных характеристиках рабочая точка будет совершать перемещения относительно точки покоя П.

След от движения рабочей точки на семействе выходных характеристик называют динамической характеристикой. Вид динамической характеристики устанавливается выражением

Эту линию можно построить по двум точкам:

Динамическая характеристика обязательно проходит через точку покоя.

Пусть на входе усилителя сигнал (напряжение) изменяется по гармоническому закону с амплитудой Um1 (рис. 4.2,г). Точки 1 и 2 на семействе выходных характеристик находятся как пересечение динамической характеристики с выходной характеристикой соответствующей току базы Iб1 и Iб2.

Опустим перпендикуляры из точек 2 и 1 на ось напряжений (точки и , рис.4.2,в). Если отрезок – делится проекцией точки покоя пополам, то на выходе имеет место сигнал той же формы, что и на входе, так как половинка этого отрезка есть амплитуда гармонического сигнала.

Если это условие не выполняется, то необходимо отрезок – поделить пополам. Восстановить перпендикуляр до пересечения с динамической характеристикой. Точка пересечения есть новая точка покоя с координатами ( , ). Для этой точки находим . На входной характеристике находим точку покоя и для нее . Подставляя , , , в соответствующие выражения (4.2) и (4.3), находим уточненные значения , . Подставляем в (4.4) и уточняем прохождение динамической характеристики. Получаем проекции точек – . Если отрезок – ’ проекцией точки покоя не делится пополам, повторяем аналогичные действия.

Описанный метод является методом последовательных приближений. Расчет заканчивается на том этапе приближения, когда ошибка в расчетах Rб Rк становится меньше заданной. Очевидно, что метод имеет строгий алгоритм действий, и расчет усилителей графо-аналитическим методом может быть автоматизирован. Для этого в компьютер необходимо ввести оцифрованные данные входных и выходных характеристик конкретного транзистора.

Читайте также:  Прямой ток через диодный мост

4.2. Расчет усилителя с фиксированным напряжением на базе и
эмиттерной стабилизацией

Основным недостатком усилителя с фиксированным током базы — большая зависимость коэффициента усиления от разброса параметров транзисторов одной серии. Этот разброс вызван различием концентрации примесных атомов. Следовательно, при замене в схеме транзистора на однотипный существенно изменяется коэффициент усиления по напряжению, току и мощности. Этот недостаток устраняется схемным решением: в радиоэлектронных устройствах часто вместо усилителя с фиксированным током базы применяют усилитель с фиксированным напряжением на базе и эмиттерной стабилизацией (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Схема усилителя с фиксированным напряжением на базе и эмиттерной стабилизацией

В рассматриваемом усилителе делитель напряжения R1, R2 обеспечивает заданное напряжение Uбэ0, при этом ток делителя Iд >> Iб0, где (Uбэ0, Iб0) – координаты точки покоя на входной характеристике транзистора. Чем больше ток делителя, тем меньше зависимость коэффициента усиления от разброса параметров транзисторов одного типа и одной серии изготовления. Однако, увеличение Iд ведет к увеличению потерь мощности источника питания Ек на резисторах R1 и R2: Рпот = (R1 + R2)Iд 2 . При фиксированном напряжении Uбэ0 разброс значений токов базы транзисторов одной серии не превышает 25% от усредненного значения:

где – среднее статистическое значение тока базы для выборки транзисторов одной серии (n>20).

Следовательно, значение тока делителя можно выбрать из условия

где Iб0 – значение тока базы для выбранной точки покоя.

Методика выбора точки покоя аналогична ранее рассмотренной для усилителя с фиксированным током базы. После выбора положения точки покоя П на входной характеристике и положение ее на семействе выходных характеристик определяются значения следующих величин Iб0, Uбэ0, Iк0, Uкэ0.

Резистор Rэ обеспечивает температурную стабилизацию точки покоя по постоянному току. Пусть, например, температура окружающей среды повышается. Это приведет к увеличению тока коллектора Iк за счет температурной генерации носителей зарядов. Увеличение Iк ведет к увеличению падения напряжения на резисторе Rэ. Следовательно, потенциал эмиттера увеличивается по отношению к потенциалу на базе, то есть напряжение Uбэ уменьшается, и эмиттерный p-n переход призакрывается, что ведет к уменьшению Iк ровно на столько, на сколько этот ток возрос по причине увеличения температуры. Сделанное утверждение справедливо, если участок входной характеристики, ограниченный точками 1 – 2, линейный, то есть усилитель работает в линейном режиме. При уменьшении температуры окружающей среды Iк уменьшается и напряжение Uбэ увеличивается, что приводит к увеличению тока Iк ровно на величину его уменьшения. Так как компенсации Iк происходят с пренебрежительно малой задержкой во времени, то при изменении температуры точка покоя не изменяет своего положения. Чем больше значение Rэ, тем чувствительней температурная стабилизация. Однако, увеличение Rэ ведет к увеличению тепловых потерь RэIэ 2 и перераспределению напряжений по цепи протекания тока коллектора: + Ек →Rк → К → Э → Rэ → – Ек. Температурная стабилизация будет достаточной, если URЭ 0,05Ек.

Конденсатор Сэ устраняет отрицательную обратную связь по переменному напряжению, которая приводит к резкому уменьшению коэффициента усиления: КU = Uвых/Uвх, где Uвых, Uвх – действующие значения переменных во времени напряжений на выходе и входе соответственно. При включении конденсатора Сэ параллельно резистору Rэ переменная составляющая тока большей частью протекает через конденсатор Сэ. Значение емкости конденсатора Сэ рассчитывается из условия Rэ >> ХСэ, где ХСэ – сопротивление конденсатора переменному току. Из этого условия вытекает следующее выражение для расчета Сэ:

где 1/М – число, пропорциональное доли переменного тока, протекающей через резистор Rэ;

f – частота входного гармонического сигнала.

Значение М лежит в интервале от 100 до 200.

Резистор Rк предназначен для обеспечения напряжения Uкэ. На нулевом этапе расчета усилителя, когда произведен выбор положения точки покоя, Uкэ = Uкэ0. Из второго закона Кирхгофа

находится значение Rк0.

Из выражения (4.8) следует

Выражение (4.9) является нагрузочной линией, которая строиться на семействе выходных характеристик транзистора. На этой линии так же, как и для ранее рассмотренного усилителя с фиксированным током базы, находятся точки 1 и 2 и их проекции и . Если проекция точки покоя не делит отрезок – пополам, то делается следующий шаг приближения (см. расчет усилителя с фиксированным током базы). При этом уточняются значения Iб, Uбэ, Iк, Uкэ, Rк. После завершения уточнений положения точки покоя на входной и семействе выходных характеристик производится расчет Rк по формуле:

Для расчета резистора R1 составляется уравнение по второму закону Кирхгофа для контура + Ек →R1 → Б → Э → Rэ → – Ек. Для этого контура составляется второе уравнение Кирхгофа:

из которого находим

Для расчета резистора R2 необходимо рассмотреть следующий контур: Rэ → Э → Б → R2. обход контура выберем по часовой стрелке и учтем, что ток через резистор R2 протекает навстречу направленного обхода.

Уравнение Кирхгофа имеет вид

Разделительный конденсатор Ср1 рассчитывается из условия

где f = 5…10 Гц.

Разделительный конденсатор Ср2 рассчитывается из условия

где f = 5…10Гц.

Условия (4.14) и (4.15) означают, что по переменной составляющей сопротивления разделительных конденсаторов примерно в 100 раз меньше соответствующих сопротивлений: R2 и RК.

Дата добавления: 2015-06-22 ; просмотров: 2490 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Стабилизация положения точки покоя в транзисторных каскадах

date image2014-02-02
views image8557

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Нестабилизированные схемы смещения

На практике получили распространение два способа обеспече­ния заданного положение рабочей точки по постоянному току:

— схема смещения фиксированным током базы;

— схема смещения фиксированным напряжением базы.

Смещение фиксированным током базы осуществляется путём включения резистора с большим сопротивлением Rб между базой и источником электропитания Ек (рисунок 1.20, а). Это создает путь для постоянной составляющей тока базы, т.е. для тока смещения Iбо от +Eк→(э-б)VT→Rб→-Eк.

Ток смещения Iбо создает на входном сопротивлении транзистора напряжение смещения Uбэо, составляющее доли вольт. Сопротивление Rб значительно больше входного, а Uбэо во много раз меньше Ек.

Поэтому, определяя ток смещения, можно пренебречь величиной Uбэо по сравнению с Ек. Тогда получим Iбо = (Ек — Uбэо) / Rб ≈ Ек/Rб = const, (1.36)

т.е. ток базы действительно является фиксированным, не завися­щим от тока коллектора и параметров транзистора.

Недостаток данной схемы является нестабильность режима выход ной цепи, поэтому фиксированное смещение током базы в чистом виде (без специальных мер для стабилизации тока коллектора) в практических схемах не нашло применение.

Смещение фиксированным напряжением базы осуществляется с помощью делителя напряжения, состоящего из резисторов Rб1 и Rб2 (рисунок 1.20,6). Делитель подключается к источнику электропита­ния Ек, а напряжение с Rб2 поступает на базу и является напряже­нием смещения Uбэо.

Ток Iд, потребляемый делителем от источника электропитания, значительно больше тока базы Iбо, протекающего вместе с Iд по Rб1 откуда Uбэо = Ек·[ Rб2/(Rб1+Rб2)] = const. ( 1.37)

Таким образом, напряжение смещения действительно не зависит от тока коллектора и параметров транзистора, т.е. является фиксирован­ным.

Для того чтобы осуществлялось смещение фиксированным напряжением базы, сопротивление Rб2 должно быть значительно меньше входного сопротивления транзистора. Это уменьшает общее входное сопротивление каскада, что является недостатком схемы.

В усилительных каскадах с полевыми транзисторами электропитание выходных цепей осуществляется так же, как и в каскадах на биполярных транзисторах.

Читайте также:  Симистор для постоянного тока

При отсутствии сигнала на входе усилителя значение выходного тока должно быть постоянным, т.е. положение рабочей точки в исходном состоянии должно быть неизменным — стабильным. Однако в ре­зультате действия различных внешних факторов режим работы усилительного элемента оказывается нестабильным. Причинами неста­бильного режима работы усилительного элемента являются: измене­ние температуры окружающей среды, нестабильность напряжения ис­точников электропитания, разброс параметров

усилительных элементов и др. Особенно сильно влияет режим работы усилительного элемента повышение температуры окружающей среды, вызывающее резкое из­менение начального тока коллектора Iк.н. Так, при увеличении тем­пературы на каждые 10°С Iк.н. возрастает в 2 раза у германиевых транзисторов и в 3 раза у кремниевых. В результате ток покоя коллек­тора Iко увеличивается в несколько раз.

Таким образом, простые схемы смещения не обеспечивают необхо­димой стабильности режима транзистора. Поэтому в транзисторных усилителях обычно применяют различные способы стабилизации ре­жима работы усилительного элемента.

а-фиксированная током базы;

б- фиксированная напряжение базы

Рисунок 1.20- Схемы нестабилизированные смещения рабочей точки транзистора

Параметрическая стабилизация режима . Принцип параметрической стабилизации заключается, в том. что смещение создается с по­мощью термозависимых элементов, имеющих отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Это нелинейные элементы, у ко­торых с повышением температуры сопротивление уменьшается, так что напряжение на нем понижается, а, следовательно, уменьшается и сме­щение. Вызванное этим уменьшение тока коллектора может полно­стью скомпенсировать то его увеличение, которое происходит за счёт повышения температуры. Таким образом, при правильном подборе параметров схемы можно добиться полной компенсации температурных изменений тока коллектора и получить коэффициент нестабильности S=0.

Схемы параметрической стабилизации с применением терморе­зистора или термистора Rm приведена на рисунке 1.21, а.

Принцип работы данной схемы заключается в том, что с повыше­нием температуры общее сопротивление нижнего плеча делителя Rб2, содержащего терморезистор Rt, уменьшается, что вызывает уменьше­ние смещения Uбэо и препятствует увеличению тока коллектора Iко. Чтобы температура терморезистора изменялась одновременно с темпе­ратурой стабилизированного транзистора, их надо располагать в непосредственной близости друг к другу (обычно на радиаторе охлаж­дения транзистора).

Большим недостатком данной схемы является их значительная тепловая инерционность.

Рисунок 1.21 — Параметрическая стабилизация режима транзистор

Параметрическая стабилизация с помощью полупроводниковых диодов (или кремниевых стабилитронов) может быть осуществлена путем включения их в нижнее плечо делителя, создающего смещение на базе. При включении диода в прямом направлении (рисунок 1.21,б) температурная зависимость сопротивления его р-п — перехода имеет почти такой же характер, как для эмиттерного перехода транзистора, поскольку они созданы из одних и тех же исходных материалов. Здесь смещением является прямое напряжение на диоде (прямое сопротивле­ние диода выполняет роль Rб2). С повышением температуры прямая ветвь вольтамперная характеристики диода сдвигается влево так же, как входная характеристика транзистора (рисунок 1.22), и уменьше­ние приложенного извне напряжения смещения дает хорошую термо­компенсацию. Вместо диода может быть использован эмиттерный переход транзистора, у которого база и коллектор соединены вместе; при этом можно добиться еще большой точности термокомпенсации.

Преимуществом применения диодов и транзисторов в диодном включении перед терморезисторами является то, что тепловая инер­ция диода примерно соответствует тепловой инерции транзисторов.

Недостаток данной схемы уменьшение входного сопротивления каскада, так как сопротивление диода переменному току в прямом направлении очень мало. Этот недостаток устраняется при включении дио­да последовательно с источником сигнала.

Диод, применяемый для термокомпенсации, надо располагать вблизи транзистора, чтобы они одновременно нагревались.

Наиболее простой способ стабилизации исходного режима транзистора — коллекторная стабилизация (рисунок 1.23,а). Эта схема от­личается от схемы смещения фиксированным током базы тем, что резистор Rб, соединенный с базой, подключается вторым концом к коллектору, а не к источнику электропитания. Поэтому падение напря­жения на ней можно считать равным напряжению коллектора Uko, если пренебречь малым падением напряжением на эмиттерном пере­ходе по сравнению с Uko. Ток смещения равен:

т.е. зависит от тока коллектора.

Если, например, с повышением температуры ток коллектора увели­чивается, то возрастает и ток эмиттера, увеличивается падение напря­жение на коллекторные нагрузки Rk, понижается напряжение Uko, а, следовательно, уменьшается ток смещения Iбо. Это вызывает умень­шение тока коллектора Iко.

Итак, возрастание тока коллектора в итоге всех процессов приво­дит к уменьшению смещения, а это препятствует росту Iко, который таким образом стабилизируется.

В данной схеме действует параллельная отрицательная обратная связь по постоянному напряжению. Коллекторная стабилизация дейст­вует более эффективно только при большом сопротивлении нагрузки Rk и когда уменьшается по величине сопротивление Rб.

Схема коллекторной стабилизации положение исходной рабочей точки применяется редко. Она проста, экономична, но не обеспечивает достаточную стабилизацию положения исходной рабочей точки.

Рисунок 1.23 — Схемы стабилизации напряжения коллекторная ( а) и эмиттерная стабилизация (б)

Эмиттерная стабилизация осуществляется включением резистора Rэ между эмиттером и общим проводом и обычно применяется на основе схемы с фиксированным напряжением базы (рисунок 1.23,б). На сопротивлении делителя Rб2 создается фиксированное напряже­ние база — общий провод Uбо. На сопротивлении эмиттерной стабилизации Rэ током покоя эмиттера Iэо создается падение напряжения эмиттера — общий провод Uэо. при этом напряжение смещения база -эмиттер Uбэо равно разности. Следовательно:

Если с повышением температуры возрастает ток коллектора, то увеличивается Iэо и падение напряжение на Rэ, а напряжение сме­щение Uбэо уменьшается, что препятствует росту Iко; следовательно, ток коллектора стабилизируется.

В данной схеме действует последовательная отрицательная обрат­ная связь по постоянному току эмиттера.

Эмиттерная стабилизация действует тем эффективнее, чем мень­ше Rб2, а, следовательно, и общее сопротивление делителя боль­ше Rэ. При этом даже очень малое изменения коллектора вызовут существенные изменения смещения, повысит точность стабилизации ис­ходного режима и степень уменьшения коэффициента нестабильности S.

В схеме на рисунке 1.23,б параллельно резистору Rэ может быть включен блокировочный конденсатор Сэ большой ёмкости для иск­лючения отрицательной обратной связи по переменному току. Если желательно использовать последовательную обратную связь и по переменному току, то Сэ в схему не включается. При этом уменьша­ется усиление, но стабилизируется выходной ток сигнала и коэффициент усиления тока Ki, а также увеличивается входное сопротивле­ние.

Схема эмиттерной стабилизации рабочей точки транзистора при­меняется часто. Она обеспечивает более высокую стабилизацию поло­жения рабочей точки.

Еще лучшую стабилизацию рабочей точки обеспечивает комбини­рованная схема (рисунок 1.24,а), где используется отрицательная об­ратная связь как по току, так и по напряжению. В этой схеме резисто­ры обратной связи Rэ и Rф шунтированы конденсаторами Сэ и Сф для устранения обратной связи по переменному току.

Рисунок 1.24 — Схема стабилизации комбинированная (а) и комбинированная на полевом транзисторе

Схемы стабилизации исходного положения рабочей точки с помощью отрицательной обратной связи применимы только в усилителях, работающих в режиме класса А, в котором постоянная составляющая выходного тока транзистора не зависит от амплитуды усиливаемого сигнала.

В режиме класса В, при котором среднее значение тока покоя зависит от амплитуды усиливаемого сигнала, применяют смещение фиксированным напряжением базы, а стабилизация исходного положения рабочей точки осуществляется схемах термо­компенсации.

Недостатком схем стабилизации с применением обратной связи является дополнительный расход мощности источника электропитания на элементах обратной связи.

Схема истокового автоматического смещения работает так, напряжение смещения создается током протекающего через резистор Rh. Оно подается на затвор через резистор R2. сопротивление которого можно выбирать очень большим (1. 100 МОм), поскольку ток зат­вора очень мал и падения напряжения на нем по существу нет.

Стабилизация тока покоя выходной цепи по этой схеме осуще­ствляется следующим образом: при возрастании выходного тока покоя под действием дестабилизирующих факторов величивается падение напряжения на резисторе Rh, транзистор начинает закрываться и ток покоя выходной цепи уменьшается.

Источник

Ток базы фиксированным напряжением базы

Схема каскада с фиксированным током базы

В схеме с общим эмиттером напряжение источника сигнала подается на базу, а усиленное напряжение снимается с коллектора. Для того, чтобы правильно задать рабочую точку транзистора (обеспечить режим работы транзистора) на базу необходимо подать начальный ток iб0. Для питания цепей коллектора и базы можно использовать разные источники питания, но это экономически нецелесообразно, поэтому режим транзистора по постоянному току задают от одного источника питания.

В простейшем случае ток на базе транзистора можно задать при помощи резистора. Такой вариант задания рабочего режима транзистора называется схемой с фиксированным током базы. Она применяется только в усилителях класса A. Схема включения транзистора с общим эмиттером с фиксированным током базы приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 Схема усилителя с фиксированным током базы

Расчет каскада всегда начинается с выхода схемы. Сначала задаются током коллектора транзистора, обычно . Чем меньше его значение, тем экономичней будет усилительный каскад и схема радиоэлектронного устройства в целом. Однако максимум усиления маломощного транзистора бывает обычно при значении коллекторного тока [3], поэтому задаются меньше этого значения, но стараются не сильно удаляться от него, чтобы не потерять усиление по мощности.

На схеме, приведенной на рисунке 1, ток задается резистором R1, а резистор R2 задает половину питания на коллекторе транзистора VT1. Выбор напряжения на коллекторе, равным половине питания усилительного каскада, связан с нелинейными искажениями на выходе схемы. При выборе напряжения больше половины питания, синусоидальное напряжение на выходе каскада будет обрезаться сверху. Это приведет к уменьшению максимального допустимого напряжения усилителя. При выборе коллекторного напряжения меньше половины питания, синусоидальное напряжение будет обрезаться снизу, что тоже приведет к снижению максимального допустимого напряжения сигнала на выходе каскада. Оптимальным является напряжение, равное половине питания схемы. При постепенном увеличении входного напряжения сигнала, синусоидальное напряжение сигнала на выходе будет одновременно ограничиваться сверху и снизу. Уровень допустимого напряжения сигнала усилительного каскада при этом будет максимальным.

Теперь можно определить значение номинала сопротивления резистора R2. Для этого воспользуемся законом Ома. Падение напряжения на резисторе R2 определим из закона Киргофа. По нему напряжение питания схемы равно сумме падений напряжения на транзисторе и резисторе R2:

Отсюда можно выразить падение напряжения на резисторе R2:

и далее по закону Ома находим сопротивление в цепи коллектора R2:

При напряжении питания 5 В и токе коллектора 2,5 мА напряжение Uкэ выбирают равным половине питания 2,5 В и сопротивление резистора R2 получится равным 1 кОм.

Аналогичным образом можно определить сопротивление в цепи базы транзистора — R1. Для этого сначала через h21э определим ток базы:

откуда определим ток базы:

И тогда сопротивление в цепи базы R1 будет равно:

Обратите внимание, что схема питания транзистора с фиксированным током базы может быть применена в любой из схем включения транзистора: с общим эмиттером, с общей базой или с общим коллектором.

В схеме с общим эмиттером входной сигнал подается на базу транзистора, как это показано на рисунке 2.

Рисунок 2 Схема с фиксированным током базы в каскаде с общим эмиттером

В высокочастотных усилителях (усилителях радиочастоты) возможен вариант, где в качестве нагрузки транзисторного каскада служит дроссель. В этом случае рассчитывать резистор R2 не нужно и схема питания транзистора с фиксированным током базы приобретает вид, показанный на рисунке 3.

Рисунок 3 Схема с фиксированным током базы в каскаде с общим эмиттером

В высокочастотных усилителях часто для преобразования входного и выходного сопротивления транзистора к стандартному значению 50 Ом используются фильтры низкой частоты с различными входным и выходным сопротивлениями. Подобный вариант усилителя с фиксированным током базы в каскаде с общим эмиттером приведен на рисунке 4.

Рисунок 4 Схема с фиксированным током базы в каскаде с общим эмиттером

При этом часть емкости входного фильтра-трансформатора сопротивления вместе с конденсатором C2 образует входная емкость транзистора. Аналогично, выходная емкость транзистора вместе с конденсатором C4 образует емкость выходной согласующей цепи. В усилителях гигагерцового диапазона вместо сосредоточенных индуктивностей и емкостей в составе согласующих устройств применяются отрезки полосковых линий.

В схеме с общей базой входной сигнал подается на эмиттер транзистора. Каскад усилителя с общей базой, реализованный по схеме питания транзистора с фиксированным током базы приведен на рисунке 5.

Рисунок 5 Схема с фиксированным током базы в каскаде с общей базой

Как легко можно увидеть, это схема питания транзистора, приведенная на рисунке 1, в которой входной сигнал подан между базой и эмиттером. Выходное напряжение снимается с резистора R2. Усилители с общей базой применяются в основном на высоких частотах, поэтому вместо резистора R2 удобнее применять дроссель, как это делалось в схеме на рисунке 3. Схема подобного усилителя приведена на рисунке 6.

Рисунок 6 Схема с фиксированным током базы в каскаде с общей базой

В схеме с общим коллектором сигнал подается на базу транзистора, но в отличие от схемы с общим эмиттером выходной сигнал снимается с коллектора транзистора. Это решение позволяет получать минимальное выходное сопротивление усилителя, поэтому чаще всего используется в качестве буферного усилителя для развязки выхода одной схемы от входа другой. Пример схемы с фиксированным током базы для транзистора, включенного с общим коллектором, приведен на рисунке 7.

Читайте также:  Прибор контроля тока с выходом

Рисунок 7 Схема с фиксированным током базы в каскаде с общим коллектором

В качестве недостатка схемы питания транзистора с фиксированным током базы следует отметить нестабильность параметров. Коэффициент усиления транзистора по току может сильно меняться от экземпляра к экземпляру, изменяться от температуры или с течением времени (старение элементов схемы). Обычный разброс коэффициента усиления по току составляет (транзистор КТ315Б), а с учетом влияния температуры — . Отношение максимального значения к минимальному составляет почти 20 раз! Во столько же раз будет меняться и ток потребления. В схемах, приведенных на рисунках 2 и 5 это приведет к полной потере работоспособности, в остальных случаях приводит к изменению коэффициента усиления и перегреву транзисторов.

Для устранения указанных недостатков были разработаны специальные схемы стабилизации рабочего режима транзистора: коллекторная стабилизация и эмиттерная стабилизация режима работы транзистора. В современных микросхемах применяются дифференциальные каскады.

Дата последнего обновления файла 18.07.2018

Источник

Усилители с фиксированным током базы и напряжением базы. Нагрузочные характеристики

Классификация усилителей и основные технические характеристики.

Классифицируются: 1)по роду усилительных элементов: ламповые, транзисторные;2)по роду усиливаемой величины, усилители тока, напряжения, мощности;3)по числу каскадов: одно. , двух., многокаскадные;4) по диапазону частот: низкой, высокой, сверх высокой частоты.

Основные технические характеристики:1) коэффициент усиления (по току, напряжению, мощности);2) выходная мощность(мощность отдаваемая усилителем в нагрузку;3)чувствительность усилителя- наз. напряжение НЧ сигнала в мили или микро вольтах подаваемого на его вход при котором усилитель отдает в нагрузку номинальную мощность;4)диапазон усиливаемых частот- область раб. частот усилителя в границах которой его коэф. усиления в пределах заданными тех. условиями;5)входное сопротивление-это сопротивление перем. току протекающему между входными зажимами усилителя зависит: от схемы усилит., частоты сигнала, его амплитуды. Усилитель тем лучше чем выше его входное сопротивление. Выходное сопротивление- характеризует внутреннее сопротивление перем. току. Тем ниже выходное сопротивление тем усилитель лучше;6)коэф. нелинейных искажений. Если сигнал проходит через не линейный элемент согласно з. Фурье помимо основной возникают дополнительные гармоники которые обуславливают нелинейные искажения;7)частотные искажения- это искажения вызванные различной степенью усиления ,вызванное из-за присутствия в схемах усилителя реактивных элементов(L,C).

22) Виды обратных связей в усилителях. Принцип работы усилительного каскада на биполярных транзисторах.

Обратные связи бывают: отрицательные(ООС) и положительные(ПОС). При ООС напряжение с выхода усилителя подается на вход в противофазе с входным сигналом, тем самым ослабляя входной сигнал при этом коэффициент усиления усилителя уменьшается, но повышается стабильность работы усилителя. При ПОС часть напряжения с выхода подается на вход в фазе с входным сигналом тем самым его усиливая при этом усиливается выходной сигнал при этом усилитель самовозбуждается и превращается в генератор.

Принцип работы усилительного каскада на биполярных транзисторах: при отсутствии сигнала через транзистор текут токи определяемые рабочей точкой транзистора.Подаём

Синусоидальный сигнал на вход транзистора. В первый полупериод (положительный) на базе отрицательный постоянный потенциал суммируется с входным сигналом( минус на базе уменьшается) ток базы уменьшается ,т.к. призакрывается ток коллектора уменьшается, а напряжение колектор-эмитер увеличивается согласно уравнению EK=IK*RK+UКЭ. Аналогичная картина происходит при отриц. полупериоде. (Входное синусоидальное напряжение на базе и выходное(UКЭ) всегда находятся в противофазе.

Напряжение смещения для германиевых транзисторов (0,2-0,3 В) для кремниевых (0,6-0,7В). Для создания напряжения смещения на и коллекторе используют единый источник питания, где напряжение смещения на базу подаётся двумя способами:1)напряжение смещения с фиксированным током базы 2)напряжение смещения с помощью делителя напряжения базовой цепи.

Рассм. напряжение смещения с фиксированным током базы.

Схема с фиксированным напряжением на базе с помощью делителя напряжения.

Iдел= EK/ R1+ R2.Ток делителя выбирают в пределах 5-10 раз больше тока базы, для того чтобы изменяющийся ток базы при усилении синусоидальных сигналов не влиял на ток делителя по тому что ток делителя определяет фиксированное напряжение на базу с R2.

Входные статические характеристики транзистора- зависимость тока базы от UБЭ.

Выходная статическая характеристики транзистор- зависимость тока коллектора от UКЭ

Для работы транзистора ему необходимо создать рабочую точку, которая определит IБ и IK (постоянные). Если не учитывать внешние факторы то вкл. транзистор будет в любое время иметь эти токи. Осн. уравнение для цепи: EK=IK*RK+UКЭ Для нахождения рабочей точки строится нагрузочная прямая на выходной статической характеристике транзистора: 1точка UКЭ=0, IK= EK/ RK ; вторая точка IK=0, UКЭ= EK (соединяем две точки и получаем нагрузочную прямую)

В состоянии покоя при отсутствии входного напряжения которое необходимо усилить ,определяется рабочая точка транзистора по постоянному току построением нагрузочной прямой, где она определяется по пересечению нагрузочной прямой с известной точкой покоя. При подаче входного сигнала (синусоидального) рабочая точка перемещается по нагрузочной прямой, что даёт возможность определить по величине входного сигнала выходной усиливаемый сигнал.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник



Тема 3.4 Питание усилительных каскадов и стабилизация их режимов

Положение рабочей точки покоя на коллекторной динамической характеристике определяет величины тока и напряжения в выходной цепи, а те, в свою очередь, зависят от тока базы (I бо), т.е. от режима входной цепи. И этот режим определяется источником питания, или смещения.

Смещением в транзисторных усилителях называют постоянное напряжение между базой и эмиттером Uбэо или ток базы покоя I бо.

Читайте также:  Как проводят электрический ток растворы с помощью чего

Смещение выбирается так, чтобы в режиме покоя, а также при усилении сигнала, не превышались максимально допустимые значения тока и напряжения коллектора и выделяемой на коллекторе электрической мощности, а также коэффициента гармоник.

В рассмотренных ранее схемах для упрощения был показан условный источник постоянного напряжения Еб в цепи базы.

На практике для создания смещения используют источник питания коллекторной цепи, а не отдельный источник. Питание всех каскадов усилителя осуществляется от одного источника, и обычно это выпрямитель.

Способы создания смещения различны: по принципу действия – это два вида: фиксированное и автоматическое.

1. Фиксированное смещение не зависит от тока коллектора, оно остается неизменным при изменении тока покоя коллектора по любым причинам (изменение температуры, старение или замена транзистора). Поэтому ток коллектора не стабилизируется. Этот вид смещения может быть создан либо фиксированным током базы, либо фиксированным напряжением базы.

Схема смещения фиксированным током базы (рис.24, а) содержит резистор Rб, включенный между источником питания Ек и базой. Этот резистор должен иметь большое сопротивление, значительно больше, чем входное сопротивление транзистора.

Постоянная составляющая тока базы Iбо проходит от (+ Ек) через Rб – эмиттерный переход к (– Ек). Напряжение приложено к резистору Rб и входному сопротивлению транзистора, которым по сравнению с Rб можно пренебречь, и тогда ток базы определяется:

I бо = Ек /Rб = cопst, таким образом, ток базы не зависит от тока коллектора, т.е. является фиксированным. И если, например, повысится температура, то статические характеристики располагаются выше, т.е. при том же токе базы возрастает ток коллектора (рис. 24, б).

Рис.24 Смещение фиксированным током базы: а — принципиальная схема; б — нарушение режима коллекторной цепи с повышением температуры

Поэтому точка покоя переместится из положения Р в положение Р΄. Иначе говоря, исходный режим нарушается. Из графика видно, что при достаточно большой амплитуде сигнала будут использоваться нелинейные участки характеристик и резко возрастают нелинейные искажения.

В мощных транзисторах увеличение тока покоя I ко может привести к перегреву транзистора и выходу его из строя.

Схема смещения фиксированным напряжением базы (рис. 25а ) содержит делитель напряжения Rб1 — R б2, включенный параллельно источнику питания Ек. Нижнее плечо делителя включено между базой и общим проводом.

Сопротивление делителя выбирается так, чтобы он потреблял ток (Iд) больший во много раз тока базы, при этом можно считать, что через Rб1 и Rб2 проходит одинаковый ток и справедлива пропорция:

Это показывает, что напряжение смещения не зависит от тока коллектора и действительно является фиксированным. При этом ток коллектора не стабилизируется, а исходный режим с изменением температуры нарушается. Для обеспечения фиксированного напряжения Uбэо сопротивление нижнего плеча делителя Rб2 должно быть много меньше входного сопротивления транзистора, но это уменьшает общее входное сопротивление каскада, а это нежелательно. Чтобы избежать этого, иногда напряжение смещение во входную цепь подают последовательно с сигналом (рис 25б).

Рис.25 Схемы смещения фиксированным напряжением базы:

— с параллельной подачей на вход (а); — с последовательной подачей на вход (б)

Основным недостатком схем смещения фиксированным напряжением базы является отсутствие стабилизации исходного режима коллекторной цепи, а также включение низкоомного делителя Rб1 – Rб2 вызывает дополнительное потребление тока от источника питания, следовательно, увеличивает потери мощности и снижает КПД.

2.Автоматическое смещение зависит от тока покоя коллектора, при этом с изменением тока коллектора по любой причине смещение изменяется так, что ток коллектора стабилизируется. Таким образом, стабилизируется исходный режим выходной цепи. Для этого используется ООС по постоянному току.

Одновременно с подачей смещения необходимо обеспечить стабилизацию режима, видов стабилизации несколько:

— Эмиттерная стабилизация —осуществляется на основе схемы смещения фиксированным напряжением базы, но между эмиттером и общим проводом включен резистор Rэ (рис 26).

Рис.26 Эмиттерная стабилизация исходного режима

На нижнем плече делителя Rб2 развивается фиксированное напряжение Uбо, оно пропорционально напряжению источника питания Eк.

Ток покоя выходной цепи (Iкo ≈ Iэо) создаёт на сопротивлении эмиттерной стабилизации Rэ падение напряжения Uэо = I ко· Rэ. Из схемы: Uбэо = Uбo – Iкo· Rэ, т.к. напряжение правой части уравнения включены последовательно встречно. И теперь, если, например, из-за роста температуры увеличится ток коллектора, то увеличится падение напряжения на резисторе Rэ, а напряжение U бэо – уменьшится, что приведет к уменьшению тока коллектора, то есть ток коллектора, и, следовательно, исходный режим коллекторной цепи стабилизируется. Эту схему можно рассматривать как схему с последовательной ООС по постоянному току эмиттера, так как падение напряжения на резисторе Rэ зависит от тока эмиттера покоя Iэо, и это напряжение есть напряжение обратной связи, которое вычитается из напряжения Uбо.

Эмиттерная стабилизация тем эффективнее, чем больше сопротивление Rэ и меньше Rб2 – эти условия легко осуществить, но следует помнить, что с увеличением Rэ на нём растут потери постоянного напряжения и мощности, а с уменьшением сопротивления делителя Rб1-Rб2 не только увеличиваются потери мощности источника питания, но и уменьшается входное сопротивление каскада. Конденсатор Сэ исключает обратную связь по переменному току. Если резистор Rэ не зашунтировать конденсатором Сэ большой ёмкости, то будет создана последовательная ООС не только по постоянному, но и по переменному току, в результате чего уменьшится усиление тока, но и произойдет стабилизация выходного тока и увеличится входное сопротивление каскада.

Читайте также:  Кпд преобразования постоянного тока в переменный

Стабилизация положения рабочей точки покоя на коллекторной динамической характеристике видна на графике (рис 28).

Рис.27 Нарушение исходного режима при повышении температуры в схеме с фиксированным током базы

Исходный режим при температуре tº задан точкой покоя Р, при токе смещения Iбо = 100мкА.

С повышением температуры до tº1, статические характеристики располагаются выше, что при фиксированном смещении привело бы к перемещению рабочей точки в положение Р1, однако в схемах со стабилизацией режима ток смещения при повышении температуры уменьшится до I бо (50 мкА), и тогда рабочая точка займет положение Р2 => т.е. за счёт уменьшения смещения положение рабочей точки изменяется незначительно и тем меньше, чем эффективнее действует стабилизация режима. В схеме с общим коллектором эмиттерная стабилизация всегда действует без введения дополнительных элементов, т.к. резистор эмиттерной нагрузки Rэ одновременно является и резистором стабилизации режима. В такой схеме (ОК) конденсатор Сэ включать нельзя, т.к. он закоротит выход для сигнала.

— Коллекторная стабилизация —для этой стабилизации резистор Rб включают между базой и коллектором (рис 28).

Рис.28 Коллекторная стабилизация исходного режима

Коллекторная стабилизация происходит за счёт параллельной ООС по постоянному току коллектора, т.к. всякое изменение тока Iкo через резистор Rб вызывает противоположное по знаку изменение тока Iбо во входной цепи, так что ток коллектора практически не изменяется. Эффективно действует коллекторная стабилизация только при большом сопротивлении коллекторной нагрузки Rк для постоянного тока или с уменьшением сопротивления Rб в цепи обратной связи. Практически это трудно выполнить, т.к. величины сопротивлений Rк и Rб определяют требуемый режим покоя транзистора.

Поэтому коллекторная стабилизация не даёт нужного эффекта и применяется редко, только в предварительных каскадах при небольших изменениях температуры.

— Параметрическая стабилизация –осуществляется путем включения термозависимого элемента в нижнее плечо делителя, создающего смещения (рис 29). Этот элемент должен иметь отрицательный температурный коэффициент сопротивления – это может быть терморезистор, туннельный диод, у которого сопротивление уменьшается с повышением температуры.

Рис.29 Параметрическая стабилизация режима терморезистором (а) и диодом (б) вольтамперные характеристики диода при разных температурах (в)

Принцип параметрической стабилизации состоит в том, что напряжение смещения снимается с термозависимого элемента, причем, он расположен в непосредственной близи с транзистором (обычно на его радиаторе охлаждения) и нагревается с ним одновременно.

С повышением температуры сопротивление элемента уменьшается, следовательно, снижается и напряжение смещения на нём – это вызывает уменьшение тока коллектора, причем элементы схемы можно подобрать так, чтобы полностью компенсировать увеличение тока коллектора за счёт увеличения температуры. Таким образом, можно добиться полной стабильности режима при изменениях температуры, т.е. термокомпенсации.

Параметрическая стабилизация имеет недостаток: она действует только при изменении температуры окружающей среды, а если режим нарушается вследствие старения, разброса параметров или замены транзисторов, а также из-за кратковременного выделения большой мощности потерь в коллекторном переходе, стабилизация не действует, и ток коллектора не стабилизируется.

На рисунке 29 а приведена схема с использованием терморезистора Rт в делителе смещения Rб1 – Rт.

Доля напряжения на нижнем плече делителя, т.е. на Rт является напряжением смещения Uбэо.

С повышением температуры это напряжение уменьшается, вызывая уменьшение тока Iкo, чем компенсируется температурный рост тока коллектора. Для получения расчётной величины смещения и требуемой зависимости изменения сопротивления нижнего плеча делителя с изменением температуры параллельно сопротивлению Rт может включаться шунт, а последовательно — добавочное сопротивление (на рис отсутствует).

Недостаток схемы: большая тепловая инерция терморезисторов, из-за чего они реагируют только на изменение температуры среды, но не успевают срабатывать при мгновенном кратковременном повышении температуры самого коллекторного перехода транзистора.

На рисунке 29 б показана схема параметрической стабилизации с использованием диода. Здесь смещение создаётся включением делителя Rб1 – VД и развивается на прямом сопротивлении диода, при этом Uбэо = Unp. При повышении температуры прямое сопротивлении и прямое напряжение диода уменьшаются, прямая ветвь ВАХ диода сдвигается влево (рис 29,в), следовательно, уменьшается напряжение смещения Uбэо, что препятствует росту коллекторного тока, стабилизируя его. Так как прямое сопротивление (Rnp) диода невелико, то иногда для увеличения входного сопротивления каскада диод включают последовательно с источником сигнала.

Преимущества схемы:

— температурная зависимость прямого сопротивления диода почти такая же, как эмиттерного перехода транзистора, поэтому получается хорошая термокомпенсация;

— диод имеет малую тепловую инерцию.

Ещё лучшую термокомпенсацию дает использование транзистора в диодном включении. При этом коллекторный переход закорачивается путем соединения коллектора с базой, а роль стабилизирующего диода выполняет эмиттерный переход, включенный в прямом направлении. Такая схема нашла применение в двухтактных оконечных каскадах.

Контрольные вопросы:

1. Чем характеризуется исходный режим транзистора, и как он создаётся?

2. Причины нестабильности исходного режима;

3.Что называют смещением в транзисторных усилителях и способы создания смещения?

4. Как создаётся смещение фиксированным током и напряжением базы?

5. Недостатки фиксированного смещения;

6. Как осуществляется эмиттерная стабилизация режима?

7. Как осуществляется коллекторная стабилизация режима?

8. Параметрическая стабилизация; её работа, недостатки и преимущества.

Источник