Стабильность рабочей точки

Методы для обеспечения рабочего режима транзистора и

Питание цепей коллектора всех усилительных каскадов обычно производится от общего источника постоянного тока (гальваническая батарея либо выпрямитель переменного напряжения сети). Для устранения паразитных межкаскадных связей применяются развязывающие .RС-фильтры.

Начальное положение рабочей точки на линии нагрузки определяется величиной тока во входной цепи. Необходимый режим работы транзистора можно установить путем подачи на базу относительно эмиттера напряжения смещения, которое в зависимости от типа транзистора и режима его работы может иметь величину порядка 0,1—0,4 в. Смещение можно задать либо включением в цепь базы специальной батареи, либо путем использования коллекторной батареи. Чаще всего питание входной (базовой) и выходной (коллекторной) цепей транзистора осуществляют от 'одного и того же источника, добавляя в схему делитель напряжения или гасящее сопротивление. При этом эмиттерный переход включается в прямом направлении, а коллекторный — в обратном.

Способ подачи смещения от общего источника с делителя из резисторов R1 и R2 называют смещением фиксированным напряжением база — эмиттер. Для того чтобы смещение оставалось практически неизменным при колебаниях температуры, при старении и смене транзистора, величину сопротивления R2 желательно выбирать как можно меньшей. Однако при этом падает входное сопротивление усилителя. В зависимости от выходной мощности и режима работы каскада ток делителя берется в 2—5 раз больше тока базы. С ростом тока делителя потребление энергии от источника питания возрастает, а полный к. п. д. каскада падает. Он не критичен к замене транзисторов, но может применяться лишь в устройствах, работающих при малых колебаниях температуры.

При подаче смещения от общего источника через гасящее сопротивление начальный режим устанавливается с помощью резисторов Rб и Rк.. Тогда ток базы подсчитывается по приближенной формуле

Iб = Ек/Rк

Ток базы зависит только от внешних параметров, и рассматриваемый метод обеспечения рабочего режима транзистора называют смещением фиксированным током базы (или схемой с фиксированным током базы). Схема с фиксированным током базы малопригодна для серийной аппаратуры, а также при замене транзисторов, имеющих большой разброс параметров. (При выбранных величинах Uок и Iок ток покоя базы I/об определяется коэффициентом передачи тока базы, который у транзисторов одного типа весьма различен.) Схема с фиксированным током базы очень чувствительна к температурным колебаниям, и ее можно применять в устройствах, не подвергающихся сильным перегревам (изменение окружающей температуры не выше 10—20° С) и построенных на транзисторах с малым током Iко.

Проектируя транзисторные схемы, следует учитывать, что статические характеристики отдельных образцов транзисторов одного типа существенно отличаются, а их положение (угол наклона и расстояние между кривыми) меняется с изменением температуры.

О характере влияния температуры на работу нестабилизированной схемы можно судить по рис. 3-42, на котором приведены выходные характеристики германиевого транзистора в схеме ОЭ, снятые при двух различных положительных температурах. Изменение характеристик является следствием зависимости параметров транзистора от температуры. На стабильность работы каскада основное влияние оказывают температурные изменения обратного тока коллектора Iко, температурное смещение входной характеристики и температурное изменение коэффициента передачи тока эмиттера. В ряде случаев приходится учитывать и температурные изменения сопротивления коллектора.

Обратный ток коллектора с повышением температуры нарастает по экспоненциальному закону. Например, изменения температуры от 25 до 55° С вызывают рост сквозного тока коллектора типового германиевого транзистора с ОЭ c 200 до 1 600 мка, а кремниевого с 1,0 до 22 мка. Абсолютное температурное приращение постоянной составляющей тока коллектора за счет тока Iко для германиевого транзистора при этом составляет 1 400 мка, а для кремниевого 21 мка. Если в цепи коллекторов установлено сопротивление 10 ком, то постоянная составляющая напряжения на коллекторе германиевого транзистора изменится на 14 в, а кремниевого на 0,21 в. Кроме того, у большинства транзисторов даже в зоне 80%-ного разброса при постоянной температуре окружающей среды обратный ток коллектора для различных экземпляров может отличаться в 10— 20 раз. Чем большую часть полного тока коллектора составляет ток I /кос? тем больше изменяется ток покоя коллектора при изменениях температуры. Поэтому для повышения стабильности работы усилителя желательно применять кремниевые транзисторы и выбирать большой ток покоя /ок. Следует учитывать, что при одинаковых изменениях обратного тока /ко ток покоя коллектора в схеме с ОБ изменяется на меньшую величину, чем в схеме с ОЭ (7К0 <^ /кос)-Поэтому для повышения стабильности по постоянному току транзистор желательно включить с ОБ.

Было показано, что с повышением температуры входная характеристика транзистора сдвигается в сторону больших токов. Это означает, что при фиксированной разности напряжений (7Эб с увеличением температуры возрастает ток эмиттера (и коллектора), а следовательно, изменяется режим работы транзистора. Смещение входной характеристики принято оценивать изменениями напряжения на эмиттерном переходе в зависимости от температуры при /э = const. При инженерных расчетах температурный коэффициент напряжения эмиттер — база для германиевых и кремниевых транзисторов принимается равным —2 мв/град. В справочниках обычно приводятся характеристики транзисторов, снятые при 20° С. Приращение напряжения эмиттер — база при максимальной и минимальной температурах и смещение рабочей точки на входной характеристике можно приближенно рассчитать по формулам:

Коэффициент передачи тока эмиттера в большинстве случаев растет при нагревании транзистора и уменьшается при его охла­ждении. Для практических расчетов можно считать, что у германиевых и кремниевых транзисторов величина а изменяется с тем-

пературным коэффициентом порядка 2-10~4 на 1°С. Кроме того, следует учитывать, что у разных транзисторов одного типа коэффициент передачи тока базы может отличаться в 3—4 раза.

Стабилизация режима термостатированием тран­зистора или с использованием холодильных элемен­тов с автоматическим регулированием температуры достаточно сложна, поэтому для обеспечения стабильности в диапазоне температур (постоянства /ок) в схеме необходимо предусмотреть элементы стабилизации режима по постоянному току, снижающие влияние разброса параметров и их зависимости от температуры. Для повышения стабильности работы применяется термостабилиза­ция (а иногда термокомпенсация) положения рабочей точки.

Термостабилизация рабочей точки

Температурная стабилизация режима работы усилителя предусматривает создание таких схем, в которых влияние изменений температуры на положение рабочей точки значительно снижено. При термостабилизации используется отрицательная обратная связь (по току, по напряжению или комбинированная) с применением линейных эле­ментов. На рис. 8-16 приведены схемы термостабилизации режима однокаскадного усилителя при питании от одного и двух источников питания.

В схемах рис. 8-16, а, б, ж стабилизация режима осуществляется при помощи отрицательной обратной связи по постоянному току через эмиттерный резистор R3 (эмиттерная стабилизация). С увеличением тока /к, а следовательно, и /э возрастает падение напряжения на резисторе Иэ. Потенциал эмиттера становится более отрицательным. Так как в схемах рис. 8-16, а и б потенциал базы фиксирован напряжением, снимае­мым с делителя, то токи базы и коллектора уменьшаются. В стабилизированной схеме ток покоя коллектора /ок изменяется в значительно меньшей степени. Емкость Сд является блокировочной. Она исключает отрицательную обратную связь по переменному току, сохраняя высокое значение коэффициента усиления для быстро изменяющихся сигналов. Схема эмиттерной стабилизации удобна тем, что в ней можно раздельно управлять режимом работы и его стабилизацией. При правильном выборе элементов она обеспечивает достаточно высокую, удовлетворяющую практическим требованиям стабильность рабочей точки в широком диапазоне температур окружающей среды.

Схемы рис. 8-16, виг отличаются от схемы с фиксированным током базы лишь тем, что резистор R± подключен не к источнику питания, а к коллектору транзистора. Сопротивление Rx в этом случае определяется из соотношения

Стабилизация режима работы в схемах рис. 8-16, в, г осуществляется при помощи отрицательной _ обратной связи по напряжению (эту схему иногда называют схемой с коллекторной стабилизацией). Действительно, при возрастании тока 1К (от значения /ок) увеличивается падение напряжения на RK и соответственно уменьшается напряжение (7Кб, а следовательно, и ток базы /g. Уменьшение тока /д приводит к снижению тока /к, который стремится возвратиться к своему первоначальному значению /ок. В результате /ок и С/ок меняются весьма незначительно.

Температурная стабилизация режима работы усилителя предусматривает создание таких схем, в которых влияние изменений температуры на положение рабочей точки значительно снижено. При термостабилизации используется отрицательная обратная связь (по току, по напряжению или комбинированная) с применением линейных эле­ментов. На рис. 8-16 приведены схемы термостабилизации режима однокаскадного усилителя при питании от одного и двух источников питания.

В схемах рис. 8-16, а, б, ж стабилизация режима осуществляется при помощи отрицательной обратной связи по постоянному току через эмиттерный резистор R3 (эмиттерная стабилизация). С увеличением тока /к, а следовательно, и /э возрастает падение напряжения на резисторе Иэ. Потенциал эмиттера становится более отрицательным. Так как в схемах рис. 8-16, а и б потенциал базы фиксирован напряжением, снимае­мым с делителя, то токи базы и коллектора уменьшаются. В стабилизированной схеме ток покоя коллектора /ок изменяется в значительно меньшей степени. Емкость Сд является блокировочной. Она исключает отрицательную обратную связь по переменному току, сохраняя высокое значение коэффициента усиления для быстро изменяющихся сигналов. Схема эмиттерной стабилизации удобна тем, что в ней можно раздельно управлять режимом работы и его стабилизацией. При правильном выборе элементов она обеспечивает достаточно высокую, удовлетворяющую практическим требованиям стабильность рабочей точки в широком диапазоне температур окружающей среды.

Схемы рис. 8-16, виг отличаются от схемы с фиксированным током базы лишь тем, что резистор R± подключен не к источнику питания, а к коллектору транзистора. Сопротивление Rx в этом случае определяется из соотношения

Стабилизация режима работы в схемах рис. 8-16, в, г осуществляется при помощи отрицательной _ обратной связи по напряжению (эту схему иногда называют схемой с коллекторной стабилизацией). Действительно, при возрастании тока 1К (от значения /ок) увеличивается падение напряжения на RK и соответственно уменьшается напряжение (7Кб, а следовательно, и ток базы /g. Уменьшение тока /д приводит к снижению тока /к, который стремится возвратиться к своему первоначальному значению /ок. В результате /ок и С/ок меняются весьма незначительно.

Выбор элементов схемы температурной стабилизации (R3, R1, R2) производится из условий обеспечения необходимого начального смещения базы, допустимой величины коэффициента нестабильности и входного сопротивления усилительного каскада. Сопротивления RK и Лвх обычно известны из предшествующего расчета каскада по переменному току. По статическим характеристикам определяется наименьший необходимый ток покоя коллектора /ок.мин в выбранной рабочей точке.

В мощных каскадах усиления Ur3 берется равным (0,05 0,15) Ек, а в каскадах предварительного усиления (0,1 н-0,25) Ек.

Величина сопротивления R2 выбирается в 5—15 раз большей входного сопротивления транзистора по переменному току RBX. После этого определяется сопротивление Rlt обеспечивающее выбранный ток покоя коллектора /ок мин при наименьшей рабочей температуре.

Можно сразу определить наибольшее значение тока покоя коллектора /Он.мако и наименьшее напряжение покоя коллектора С^окэ.мин при наибольшей рабочей температуре (выбирая соответ­ствующие значения /комакс! #обэ.миН; «макс) по формулам:

В формулах (8-42)—(8-44) величины ссмин, амакс можно выразить соответственно через Вмин и Јмакс-

Если полученные значения /0к.макс и Ј/окэ мин допустимы, то параметры схемы стабилизации выбраны правильно. Необходимо отметить, что пренебрежение величинами rl и г б может в некото­рых случаях вызвать значительную ошибку.

Чем больше сопротивление нагрузки в цепи коллектора для постоянного тока, тем стабильнее работает схема. При RK ;> R^1 схема обладает наилучшей стабильностью (S 1). Однако при этом необходимо выполнение неравенства RK ^> гк, которое практически невозможно осуществить для реальных значений Ек. Если сопротивление нагрузки по постоянному току мало (например, усилитель с трансформаторной связью при низкоомном источнике питания), то обратная связь является слабой и схема по стабильности становится неотличимой от схемы с фиксированным током базы. Обычно в усилителях с i?С-связью сопротивление нагрузки по постоянному току достаточно велико, и термостабилизация режима обратной связью по напряжению позволяет получить удовлетворительные результаты и возможность взаимозаменяемости транзисторов без замены других элементов схемы. Заметим, что для исключения эффекта обратной связи на переменном токе сопротивление R^ можно разбить на две части, а точку их соединения замкнуть на общую шину через конденсатор большой емкости

Формулы (8-42)—(8-44) и (8-46)—(8-48) справедливы для схем включения с ОЭ и ОБ, так как распределэние постоянных составляющих тока не зависит от типа схем.

В усилительных каскадах с термостабилизацией цепи стабилизации потребляют дополнительную мощность от источника коллекторного питания, что ухудшает энергетические показатели каскада. Иногда потеря мощности в цепях стабилизации соизмерима с мощностью, потребляемой коллектором от источника питания (10КЕК). В общем случае потери мощности в цепях стабилизации зависят от способа термостабилизации и коэффициента неста­бильности схемы. С увеличением стабильности полный к. п. д. каскада падает. Например, при часто встречающихся значениях коэффициента нестабильности S = 2 -ь 4 общее потребление мощ­ности усилительным каскадом со стабилизацией режима отрицательной обратной связью по напряжению возрастает на 15—45% по сравнению с потребляемой мощностью в каскаде с фиксированным током базы, а для усилительного каскада со стабилизацией режима отрицательно^ обратной связью по постоянному току — на 40—100% [Л. 40]. Если транзистор работает в мощном выходном каскаде, то потери в цепях стабилизации и смещения весьма велики. Поэтому в выходных каскадах приходится применять специальные меры, которые дают возможность осуществить стабилизацию без существенного потребления мощности.