Лекция 10. Влияние частоты усиливаемого сигнала на работу транзистора. Частотные характеристики однокаскадных транзисторных усилителей
Схема термостабилизации с ООС по напряжению база-эмиттер
Схема термостабилизации с ООС по току базы
Схема усилителя ОЭ с цепью термостабилизации с ООС по току базы представлена на рис. 9.2. Отличие данной схемы от схемы по рис. 8.1 заключается в изменении подключения резистора смещения – вместо подключения к источнику питания резистор Rсм подключён к коллектору транзистора. В результате ток базы в рабочей точке IБ0 будет зависеть от напряжения UКЭ0.
Рис. 9.2. Схема усилителя ОЭ с цепью термостабилизации с ООС по току базы
Рассмотрим работу схемы. Как было отмечено выше, с ростом температуры возрастает ток коллектора, в результате чего в режиме нагрузки снижается напряжение на коллекторе
. (9.1)
Ток базы теперь зависит от напряжения на коллекторе, и с уменьшением напряжения на коллекторе также уменьшается
. (9.2)
Ток коллектора, в свою очередь, зависит от тока базы, и с уменьшением тока базы будет уменьшаться
. (9.3)
Из выражений (9.1)…(9.3) можно записать последовательность зависимостей:
,
растёт температура, растёт ток коллектора, уменьшается напряжение на коллекторе, уменьшается ток базы, уменьшается ток коллектора. То есть, действие вызвало пропорциональное противодействие. Это называется отрицательной обратной связью по току базы. Цель термостабилизации достигнута.
Преимущество такой схемы термостабилизации заключается в её простоте. В схему не добавляется никаких новых деталей, изменяется только точка подключения резистора смещения Rсм.
Однако схема обладает существенным недостатком. Поскольку коэффициент передачи тока базы b у транзисторов даже в одной партии имеет разброс до 20…30%, для каждого транзистора придётся индивидуально подбирать Rсм. Критерий правильного выбора величины Rсм – напряжение на коллекторе в рабочей точке UКЭ0.
Другим недостатком будет ограниченный диапазон температур, в котором достигается термостабилизация. Поэтому схема термостабилизации с ООС по току базы применяется в простейших транзисторных схемах, где решающим фактором служит простота конструкции, а температура изменяется в диапазоне от 00 до +350 С.
Схема усилителя ОЭ с цепями термостабилизации с ООС по напряжению база-эмиттер представлена на рис. 9.3.
Рис. 9.3. Схема усилителя ОЭ с цепями термостабилизации с ООС по напряжению база-эмиттер
Такую схему называют также схемой с фиксированным напряжением базы или схемой эмиттерной стабилизации. Особенность схемы состоит в том, что напряжение на базе транзистора определяется делителем напряжения на резисторах смещения Rсм1 и Rсм2:
. (9.4)
Ток IД, протекающий по резисторам смещения, выбирается » в 10 раз больше, чем ток базы транзистора в рабочей точке
, (9.5)
для того чтобы ток базы не нагружал делитель напряжения, и не влиял на напряжение на базе транзистора UБ.
Напряжение на эмиттере транзистора относительно общего провода схемы определяется падением напряжения на резисторе RЭ от протекающего по нему тока IЭ0
. (9.6)
В выражении (9.6) для упрощения можно считать, что ток эмиттера примерно равен току коллектора.
Ток базы транзистора в данной схеме будет зависеть от напряжения между базой и эмиттером, которое определяется как разность напряжений на базе и на эмиттере
, (9.7)
и, следовательно, зависит от тока коллектора.
Из выражений (9.3)…(9.7) можно записать последовательность зависимостей:
,
растёт температура, растёт ток коллектора, увеличивается напряжение на эмиттере, уменьшается напряжение между базой и эмиттером, уменьшается ток базы, уменьшается ток коллектора. То есть, действие вызвало пропорциональное противодействие. Это называется отрицательной обратной связью по напряжению база-эмиттер. Цель термостабилизации достигнута.
Преимущество такой схемы термостабилизации заключается в её универсальности (можно применять как на низкой, так и высокой частоте) и высоком качестве стабилизации, которое будет тем лучше, чем больше будет сопротивление RЭ.
Однако схема обладает рядом недостатков.
Во-первых, достаточно большой ток делителя требует применения резисторов смещения существенно меньшей величины, чем в схеме на рис. 9.2. Из-за этого входное сопротивление схемы для усиливаемых сигналов уменьшается, что требует большей мощности источника сигнала. Одновременно большой ток делителя нагружает источник питания и снижает коэффициент полезного действия схемы.
Во-вторых, коэффициент усиления по напряжению данной схемы сильно зависит от величины RЭ, и приближённо может быть определён из выражения
, (9.8)
то есть чем больше будет сопротивление RЭ, и, следовательно, чем лучше качество термостабилизации, тем меньше будет коэффициент усиления по напряжению.
Чтобы исключить это нежелательное явление, параллельно резистору RЭ включают шунтирующий конденсатор CЭ, который не влияет на режим работы транзистора по постоянному току (то есть на термостабилизацию), но позволяет избежать снижения коэффициента усиления по напряжению. Для этого ёмкость конденсатора СЭ должна быть такой, чтобы его сопротивление переменному току на самой низкой частоте усиливаемого сигнала было » в 10 раз меньше, чем RЭ:
. (9.9)
Поэтому схема термостабилизации с ООС по напряжению база-эмиттер применяется в сложных транзисторных схемах, преимущественно с питанием от сети, где решающим фактором служит качество термостабилизации, а температура изменяется в диапазоне от -300 до +450 С.
Более подробные сведения о термостабилизации режима работы транзисторов приведены в литературе [20].
Контрольные вопросы
1. Почему следует применять термостабилизацию рабочей точки в усилителе?
2. Нарисуйте схему термостабилизации с ООС по току базы и поясните её работу. Перечислите достоинства и недостатки данной схемы.
3. Нарисуйте схему термостабилизации с ООС по напряжению база-эмиттер и поясните её работу. Перечислите достоинства и недостатки данной схемы.