Стабилизация положения точки покоя в транзисторных каскадах

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.
48

 

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

Ток смещения I_бо создает на входном сопротивлении транзистора напряжение смещения U_бэо, составляющее доли вольт. Сопротивление R_б значительно больше входного, а U_бэо во много раз меньше Е_к.

Поэтому, определяя ток смещения, можно пренебречь величиной U_бэо по сравнению с Е_к. Тогда получим

 

I_бо = (Е_к - U_бэо) / R_б ≈ Е_к/R_б = 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 базыосуществляется с помощью делителя напряжения, состоящего из резисторов R_б1 и R_б2 (рисунок 1.20,6). Делитель подключается к источнику электропита­ния Е_к, а напряжение с R_б2 поступает на базу и является напряже­нием смещения U_бэо.

Ток I_д, потребляемый делителем от источника электропитания, значительно больше тока базы I_бо, протекающего вместе с I_д по R_б1 откуда

 

U_бэо = Е_к·[ R_б2/(R_б1+R_б2)] = 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 R_б2 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.

 

 

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 I_к.н. Так , при увеличении тем­пературы на каждые 10°С I_к.н. возрастает в 2 раза у германиевых транзисторов и в 3 раза у кремниевых. В результате ток покоя коллек­тора I_ко 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) б)

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

50

 

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 R_б2, содержащего терморезистор R_t, уменьшается, что вызывает уменьше­ние смещения U_бэо и препятствует увеличению тока коллектора I_ко. 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.

 

а ) б)

а- термостабилизация ;

б- диодная

 

Рисунок 1.21 - Параметрическая стабилизация режима транзистор

 

Параметрическая стабилизация с помощью полупроводниковыхдиодов (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 R_б2). С повышением температуры прямая ветвь вольт-амперная 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.

 

 

Рисунок 1.22 - Вольт - амперная характеристика диода

 

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 R_б, соединенный с базой, подключается вторым концом к коллектору, а не к источнику электропитания. Поэтому падение напря­жения на ней можно считать равным напряжению коллектора U_ko, если пренебречь малым падением напряжением на эмиттерном пере­ходе по сравнению с U_ko. Ток смещения равен :

I_бо ≈ (Е_к - I_ko·R_k) / R_б, ( 1.38)

т.е. зависит от тока коллектора.

Если, например, с повышением температуры ток коллектора увели­чивается, то возрастает и ток эмиттера, увеличивается падение напря­жение на коллекторной нагрузки R_k, понижается напряжение U_ko, а следовательно уменьшается ток смещения I_бо. Это вызывает умень­шение тока коллектора I_ко.

Итак, возрастание тока коллектора в итоге всех процессов приво­дит к

 

уменьшению смещения, а это препятствует росту I_ко, 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 R_k и когда уменьшается по величине сопротивление R_б.

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

 

а ) б)

 

Рисунок 1.23 - Схемы стабилизации напряжения коллекторная ( а) и

эмиттерная стабилизация (б)

 

Эмиттерная стабилизацияосуществляется включением резистора R_э между эмиттером и общим проводом и обычно применяется на основе схемы с фиксированным напряжением базы ( рисунок 1.23,б). На сопротивлении делителя R_б2 создается фиксированное напряже­ние база - общий провод U_бо. На сопротивлении эмиттерной стабилизации R_э током покоя эмиттера I_эо создается падение напряжения эмиттера - общий провод U_эо. при этом напряжение смещения база -эмиттер U_бэо равно разности. Следовательно :

U_бэо= U_бо - U_эо = U_бо - I_эо·R_э , причем

 

I_эо = I_ко + I_бо ≈ Iко . ( 1.39 )

Если с повышением температуры возрастает ток коллектора, то увеличивается I_эо и падение напряжение на R_э, а напряжение сме­щение U_бэо уменьшается, что препятствует росту I_ко; следовательно, ток коллектора

стабилизируется.

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

Эмиттерная стабилизация действует тем эффективнее, чем мень­ше R_б2, а следовательно, и общее сопротивление делителя боль­ше R_э. 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 R_э может быть
включен блокировочный конденсатор С_э большой ёмкости для иск­лючения отрицательной обратной связи по переменному току. Если
желательно использовать последовательную обратную связь и по
переменному току, то С_э в схему не включается. При этом уменьша­ется усиление, но стабилизируется выходной ток сигнала и коэффициент усиления тока K_i, 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 R_э и R_ф шунтированы конденсаторами С_э и С_ф для устранения обратной связи по переменному току.

 

 

а ) б)

 

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 R_h. 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 увеличивается падение напряжения на резисторе R_h, транзистор начинает закрываться и ток покоя выходной цепи уменьшается.