Обеспечение начального режима работы усилителя

Не смотря на широкое применение в практической схемотехнике электронных устройств усилителей, построенных с использованием интегральных микросхем, изучение принципов работы транзисторных каскадов не потеряло своей актуальности. Объясняется это в первую очередь тем, что любой усилитель в интегральном исполнении является транзисторным усилителем. Кроме того, в ряде случаев использование интегральных микросхем может быть не эффективным, как по техническим, так и по экономическим соображениям.

Рассмотрим принципы построения усилителей на биполярных транзисторах. В общем случае нам вход усилителя подается некоторый переменный во времени сигнал, чаще всего в виде входного напряжения. Однако, перед подачей входного переменного сигнала необходимо обеспечить работу усилителя в начальном режиме (режиме отсутствия сигнала, статическом режиме). Задание начального режима обычно осуществляют подачей в цепь базы транзистора некоторого начального тока, называемого током смещения. Цепи, отвечающие за формирование этого тока, называются цепями смещения. Расчет цепей смещения является целью расчета усилителя по постоянному току.

Рис. 55	л14р3

Рассмотрим, для определенности, включение транзистора в схеме с ОЭ. Начальный режим работы транзистора (или усилителя, собранного на этом транзисторе) на выходной характеристике определяется положением начальной рабочей точки (НРТ) с координатами , (рис. 55). Положение НРТ транзистора определяет режим его работы в усилительном устройстве. Выделяют три основных режима: А, АВ и В. В режиме А начальную рабочую точку транзистора на выходной характеристике выбирают таким образом, чтобы рабочая точка при перемещении по линии нагрузки не попадала в области отсечки или насыщения. В этом случае через транзистор всегда течет коллекторный ток (рис. 56).

Рис. 56

В режиме В начальный ток коллектора равен нулю; в процессе работы ток коллектора может только увеличиваться. Следовательно, при синусоидальном входном сигнале выходной сигнал будет состоять из полуволн одной полярности. Режим АВ является промежуточным между режимами А и В.

Реже используются режимы С и Д. В режиме С на вход транзистора подается начальное запирающее напряжение, поэтому при работе транзистора от источника синусоидального входного сигнала через него будет протекать часть синусоиды, причем меньшая по сравнению с режимом В. Режим Д — это ключевой режим работы, когда транзистор находится либо в состоянии отсечки, либо в состоянии насыщения.

Под действием входного сигнала текущие значение , будут определять текущую рабочую точку, которая совпадает с НРТ только при отсутствие входного сигнала. Для обеспечения стабильной работы усилителя стремятся не допустить смещения его начальной рабочей точки.

На практике в большей или меньшей степени используются три основных способа обеспечения начального режима работы усилителя:

· схемы с фиксированным током базы;

· схемы с коллекторной стабилизацией:

· схемы с эмиттерной стабилизацией.

Рассмотрим эти схемные решения применительно к схеме включения ОЭ. Схема с фиксированным током базы показана на рис. 57. Согласно 2-му закону Кирхгофа для этой схемы можно записать, что . Из последнего выражения можно получить следующую зависимость для тока коллектора:

Рис. 57	л14р2

.

Данное уравнение показывает, что при фиксированном напряжении источника питания между током коллектора и напряжением коллектор-эмиттер существует линейная зависимость. Эта линия может быть нанесена на выходную характеристику транзистора для схемы с ОЭ (см. рис. 55). Линия носит название линии нагрузки (нагрузочной линии, нагрузочной прямой) и является геометрическим местом рабочих точек.

В соответствие со 2-м законом Кирхгофа, для схемы, показанной на рис. 57, можно записать: , откуда легко находится зависимость для тока базы: . Для кремниевых транзисторов , в силу чего , т. е. ток, протекающий через базу транзистора, при заданном напряжении источника питания задается в этой схеме резистором .

Если ток базы установлен равным некоторой фиксированной величине, например , то начальная рабочая точка примет также фиксированное положение (см. рис. 55). Из рис. 55 видно, что самое «нижнее» возможное положение рабочей точки соответствует нулевому току базы (режим отсечки), а самая «верхняя» рабочая точка соответствует режиму насыщения ().

Схема с фиксированным током базы применяется сравнительно редко. Это объясняется следующими причинами:

· ток коллектора транзистора связан с обратным током коллектора; изменение обратного тока вследствие воздействия дестабилизирующих факторов (например, температуры) приведет к изменению положения НРТ;

· для каждого конкретного экземпляра транзистора необходимо заново подбирать сопротивление резистора в цепи базы для получения желаемого положения НРТ.

На рис. 58 показана схема с коллекторной стабилизацией, позволяющая получить лучшую стабильность положения НРТ. В данной схеме присутствует отрицательная обратная связь по напряжению. Рассмотрим, как она действует. Пусть по какой-либо причине начал увеличиваться ток коллектора . Это приведет к повышению падения напряжения , уменьшению напряжения и уменьшению тока базы , т. к. в данной схеме . Уменьшение тока базы будет препятствовать росту тока коллектора, т. е. произойдет его стабилизация.

Рис. 58	л14р4

На практике наибольшее распространение получила показанная на рис. 59,а схема с эмиттерной стабилизацией. Конфигурация данной схемы напоминает букву «Н», поэтому в зарубежной литературе данную схему называют схемой с Н-смещением. При анализе этой схемы требуется помнить, что для транзистора справедливо следующее соотношение токов:

,

в силу чего стабилизация тока эмиттера приведет к стабилизации тока коллектора. С целью стабилизации тока эмиттера в цепь эмиттера включают сопротивление , на котором создается падение напряжения . Напряжение задается делителем на резисторах и : и при нулевом токе базы является величиной постоянной. На практике сопротивления резисторов делителя выбирают настолько малыми, чтобы влиянием тока базы можно было пренебречь. При воздействии дестабилизирующих факторов напряжение изменяется незначительно, следовательно, практически, постоянными остаются напряжение на резисторе , ток эмиттера транзистора и его ток коллектора.

а)	б)
Рис. 59

Стабилизацию тока коллектора в схеме с Н-смещением можно описать и через действие ООС по выходному току, которая присутствует в этой схеме. Пусть в силу дестабилизирующих факторов начал увеличиваться ток коллектора . Это приведет к повышению падения напряжения . Так как , то при фиксированном напряжении увеличение напряжения вызовет уменьшение напряжения , что приведет к уменьшению тока базы и тока коллектора транзистора.

Рассмотренные схемы задания рабочей точки биполярного транзистора в схеме c ОЭ могут быть распространены на схемы c ОК и c ОБ. Для примера рассмотрим вариант стабилизации рабочей точки в схеме с ОБ.

При формировании смещения в схемах с ОБ следует помнить, что для транзистора структуры n-p-n перевод базового перехода в прямосмещенное состояние возможен при отрицательном напряжении на эмиттере относительно базы. В случае соединения базы с общим проводом, как это было сделано при рассмотрении работы биполярного транзистора, данное требование выполнимо только при использовании дополнительного источника напряжения, что не всегда целесообразно. Поэтому в большинстве практических схем база транзистора непосредственно с общим проводом не соединяется — смещение перехода создается за счет падения напряжения на резисторе, включенном в цепь базы (рис. 59,б). Ток эмиттера транзистора в рассматриваемой схеме равен: . Напряжения, находящиеся в числителе данной формулы, при воздействии дестабилизирующих факторов практически не меняются, следовательно, в данной схеме осуществляется стабилизация тока эмиттера и, как следствие, тока коллектора. Очевидно, что данная схема является вариантом схемы с эмиттерной стабилизацией.

Дата добавления: 2015-07-14