Способы обеспечения режимов работы усилителя

Рассмотрим основные способы обеспечения режима транзисторного усилительного каскада. Начальный режим работы каскада с общим эмиттером задается исходной рабочей точкой, положение которой характеризуется напряжением U_кэ и током I_ко, а также напряжением U_бэо и I_бо.

Так как в схеме с общим эмиттером, управляющим электродом, является база транзистора, то исходный режим работы усилителя может быть обеспечен установкой начального тока базы I_бо, либо начального напряжения на базе U_бэо.

В зависимости от вида используемого источника питания на практике существуют два способа подачи дополнительного напряжения в цепь базы транзистора: от внешнего источника и от источника коллекторного питания.

В схеме с внешним источником питания (рис. 4.18) начальный ток базы I_бо определяется

.

Так как U_бэо << Е_п, при заданном напряжении U_см сопротивление

. (4.31)

Основным достоинством такого способа является то, что с помощью него можно создать любой из режимов работы (А, В, С). Кроме того, имея стабильный источник смещения можно обеспечить неизменное положение рабочей точки, не зависящей от условий работы усилителя. Недостатком который, в основном ограничивает применение такой схемы, является наличие дополнительного источника питания, наличие которого влияет на массогабаритные характеристики усилителя.

В схеме, использующей коллекторный источник питания (рис. 4.19), постоянный ток базы I_бо проходит через резистор R, на котором гасится почти все напряжение источника питания E_п. Небольшая часть напряжения падает на участке база-эмиттер и является смещением базы

U_бэо = E_п – I_боR.

Из этого выражения легко определить сопротивление резистора R:

.

Рассматриваемая схема в литературе получила название схема с фиксированным током базы. К основным достоинствам этой схемы следует отнести минимальное число элементов, а также малое потребление тока от источника питания. Кроме того, сравнительно большое сопротивление резистора R (десятки килоОм) практически не влияет на величину входного сопротивления каскада. Однако этот способ смещения пригоден лишь тогда, когда усилитель работает в условиях малых колебаний температуры. Кроме того, большой разброс параметров даже у однотипных транзисторов делают режим работы каскада весьма неустойчивым при смене транзистора, а также с течением времени.

Более эффективной является схема с фиксированным напряжением на базе (рис. 4.20). Здесь основная часть напряжения источника питания падает на резисторе R 1, а небольшая часть, являющаяся напряжением смещения U_бэо, падает на резисторе R 2, который подключен параллельно входу транзистора. Сопротивления резисторов R 1 и R 2 можно легко определить по формулам:

;

,

где I_д – ток делителя.

Способ подачи напряжения смещения с помощью делителя применяется довольно часто, но он не экономичен, так как источник должен создавать дополнительный ток делителя I_д, нагревающий резисторы R 1 и R 2. Кроме того, в рассматриваемой схеме резистор R 2, будучи подключенным параллельно входу транзистора, весьма заметно уменьшает входное сопротивление каскада.

Для получения более стабильного напряжения смещения, желательно, чтобы ток делителя I_д был возможно большим. Тогда распределение напряжений на резисторах делителя будет мало зависеть от тока базы, проходящего через один из резисторов. Однако из соображений экономии энергии источника питания E_п обычно устанавливают I_д, лишь в 3–5 раз больший, чем I_бо.

В рассмотренных схемах разделительный конденсатор С_р служит для передачи на вход транзистора усиливаемого переменного напряжения. Чтобы потеря этого напряжения на конденсаторе С_р была незначительной, его емкостное сопротивление для самой низкой частоты должно быть достаточно малым. Емкость этого конденсатора на низких частотах равна единицам и даже десяткам микрофарад. Поэтому в качестве конденсатора С_р в низкочастотных схемах обычно применяют малогабаритные электролитические конденсаторы. Кроме того, разделительный конденсатор исключает попадание на вход транзистора постоянного напряжения, если оно в усиливаемом сигнале. Кроме того, в этих схемах при отсутствии С_р и малом внутреннем сопротивлении источника колебаний база и эмиттер были бы замкнуты накоротко по постоянному напряжению, и тогда U_бэо было бы близко к нулю.

Емкость С_р рассчитывается исходя из того, что сопротивление конденсатора на самой низкой частоте должно быть во много раз меньше входного сопротивления транзистора

.

Тогда потеря входного напряжения на конденсаторе С_р будет малой. Практически достаточно такого условия:

,

отсюда

. (4.32)

Для схемы с делителем вместо R_вх транзистора в формулу надо ставить сопротивление R^/_вх, эквивалентное параллельно включенным R_вх и R 2, то есть

.

По формуле, аналогичной (4.32), следует рассчитывать емкость конденсатора C_бл, шунтирующего источник питания E_п:

.

Тогда все выходное напряжение будет выделяться на нагрузке R_н, и потеря этого напряжения на участке Е_п будет малой.

Существенный недостаток транзисторов – значительное изменение их характеристик и параметров при изменении температуры. Повышение температуры вызывает увеличение токов, а следовательно, и изменение режима работы. Для борьбы с этим неприятным явлением служат разные методы стабилизации. В схему вводят стабилизирующие элементы, которые обеспечивают относительное постоянство режима при изменении температуры или смене транзистора. Однако надо иметь в виду, что эти схемы стабилизируют лишь положение рабочей точки, но не устраняют влияние температуры на свойства транзистора и происходящие в нем процессы. Поэтому изменение температуры все же вызывает изменение параметров транзисторов. Таким образом, стабилизация режима лишь частично устраняет последствия вредного влияния температуры.

На рис. 4.21 показаны наиболее распространенные простейшие схемы стабилизации режима каскада с общим эмиттером, который наиболее подвержен влиянию температуры. В так называемой схеме коллекторной стабилизации резистор R, служащий для установки необходимого смещения на базе, подключен не к источнику питания E_п, а к коллектору транзистора. Если от нагрева или смены транзистора ток I_к возрастет, то увеличится падение напряжения на R_н, а напряжение U_кэ соответственно уменьшится. Но тогда уменьшится напряжение U_бэ, что приведет к уменьшению тока I_к. Таким образом, одновременно происходят противоположные изменения этого тока и, в результате, он остается почти постоянным.

Рассмотренная схема наиболее проста и экономична, но дает хорошую стабилизацию лишь в том случае, если на резисторе нагрузки R_н падает не менее половины напряжения источника питания Е_п. Кроме того, в данной схеме несколько снижается усиление, так как часть усиленного напряжения передается через резистор R обратно на вход транзистора с фазой, противоположной фазе усиливаемого напряжения, то есть получается отрицательная обратная связь.

Более сложна и менее экономична схема эмиттерной стабилизации (рис. 4.21, б). Она требует источника Е_п с несколько более высоким напряжением, но по стабилизирующим свойствам значительно превосходит предыдущую схему. Здесь резисторы R 1 и R 2 образуют делитель для получения напряжения смещения на базе, а резистор R_э в эмиттере транзистора является стабилизирующим. Падение напряжения на этом резисторе U_э = I_эоR_э действует навстречу напряжению U ₂ = I_дR 2. Поэтому напряжение смещения базы U_бэо = U ₂ – U_э. Резистор R_э создает отрицательную обратную связь по постоянному току. Если под влиянием температуры токи в транзисторе начнут возрастать, то от повышения I_эо увеличится напряжение U_э и, соответственно, уменьшится напряжение смещения на базе U_бэо, а это вызовет уменьшение токов. В результате такого изменения одновременно в противоположные стороны токи почти постоянны и режим получается более стабильным.

Для того чтобы резистор R_э не создавал отрицательной обратной связи по переменному току, он зашунтирован конденсатором С_э достаточно большой емкости. Его сопротивление для самой низкой частоты должно быть во много раз меньше R _э. Обычно конденсатор С_э электролитический – емкостью десятки микрофарад (в каскадах усиления низкой частоты). Эмиттерная стабилизация работает хорошо, независимо от сопротивления нагрузки R_н, причем тем лучше, чем больше ток делителя I_д и сопротивление резистора R_э. Но так как напряжение U_э является частью Е_п, то чрезмерное увеличение R_э приводит к необходимости значительного повышения Е_п, что невыгодно. Пренебрегая из-за малости значения напряжением U_бэо, по сравнению с другими напряжениями, расчет сопротивлений резисторов для схемы эмиттерной стабилизации делают по следующим приближенным формулам:

, , .

При этом значение U_э выбирается с учетом возможного повышения Е_п, а ток делителя I_д обычно составляет (3…5) I_бо. Обе схемы стабилизации можно применить вместе и тогда стабилизация будет еще лучше.

На рис. 4.22, а показано питание от одного источника транзистора, включенного по схеме с общей базой с подачей смещения на базу через поглотительный резистор R.

Составляя уравнение по второму закону Кирхгофа для цепи постоянного тока базы, получим

Е_п = I_боR + U_бэо + I_эоR_ик,

где R_ик – сопротивление источника колебаний постоянному току.

В этой схеме конденсатор С_р служит для замыкания цепи подачи переменного напряжения на вход транзистора. Сопротивление этого конденсатора должно быть достаточно малым, чтобы на нем практически не было потерь переменного напряжения.

Схема с общей базой и подачей смещения на базу через делитель представлена на рис. 4.22, б. В ней сопротивление резисторов делителя рассчитывается по формулам

, .

В этой схеме конденсатор С_р также должен иметь малое сопротивление. В отличие от схемы, изображенной на рис. 4.21, б резистор R 2 не уменьшает входного сопротивления каскада, которое остается равным входному сопротивлению самого транзистора.

Питание от одного источника для каскада, собранного по схеме с общим коллектором показано на рис. 4.23.

Смещение на базу может быть подано через резистор R (рис. 4.23, а), и тогда уравнение по второму закону Кирхгофа для цепи тока базы

Е_п = I_эоR_н + U_бэо + I_боR.

Решая это уравнение относительно R, находим

.

А для схемы с делителем R 1 R 2 (рис. 4.23, б) получим такие формулы:

, .

Выбор тока делителя I_д желательно сделать так, чтобы расход мощности источника на питание делителя был невелик, то есть ток делителя следует брать меньше или незначительно больше тока базы. В приведенных схемах с общим коллектором поглотительный резистор и резистор R 2 снижают входное сопротивление каскада.

Дата добавления: 2015-10-28