Способы обеспечения рабочего режима транзистора

Электропитание цепей коллектора обычно осуществляется от общего источника постоянного тока (гальванической батареи или выпрямителя переменного напряжения сети). Для устранения межкае-кадных связей применяют развязывающие RС-фильтры. Нужный рабочий режим (рабочую. точку) транзистора в усилительном каскаде устанавливают подачей на базу относительно эмиттера фиксированного напряжения смещения, которое можно получить от коллекторного источника питания через делитель напряжения или гасящее сопротивление.

Рис. 81. Схемы подачи фиксированного смещения

а — с помощью делителя, б — через гасящий резистор, в — фиксированным током

Способы подачи смещения. Фиксированное смещение можно осуществлять фиксированным током или напряжением. Смещение фиксированным напряжением база — эмиттер создается от общего источника Ек делителем R1R2 (рис. 81, а). Ток делителя Iд создает на резисторе R2 падение напряжения, которое действует в проводящем направлении к эмиттерному p-n-переходу. Чтобы смещение оставалось неизменным при колебаниях температуры или смене транзистора, сопротивление резистора R2 желательно выбирать небольшим. Однако при этом снижается входное сопротивление усилителя. В зависимости от выходной мощности и режима работы каскада ток делителя Iд= (2- 5)Iоб. С увеличением тока Iд возрастает потребление энергии и снижается кпд каскада. Этот способ смещения применяется в усилителях режима В при малых колебаниях температуры.

В схеме с ОЭ смещение фиксированным током базы от общего источника осуществляется через большое гасящее сопротивление резистора R1 (рис. 81,6). Начальный ток базы 10б = (ЕК — U06)/R1. Если не учитывать напряжение U0б из-за его незначительности (Iоб=Ex/R1), следует, .что ток базы зависит только от внешних параметров. В схеме с ОЭ ток базы IОб характеризуется коэффициентом передачи Р=Iк/Iб, который различен у однотипных транзисторов, поэтому схема с фиксированным током базы малопригодна для серийной аппаратуры, а также чувствительна к температурным колебаниям.
В схеме с ОБ режим смещения задается фиксированным током (рис. 81,0), проходящим через эмиттерный переход и резистор R1. Конденсатор Сб разделяет постоянную и переменную составляющие тока. Через этот конденсатор по переменной составляющей база получает нулевой потенциал, поскольку для этой составляющей сопротивление конденсатора Xc<Rl, потенциал базы близок к нулю. В приведенных схемах смещение на транзистор подается как параллельно источнику сигнала (см. рис. 81, а), так и последовательно с ним (см. рис. 81,6, в). Для отделения (по постоянному току) выхода источника сигнала от управляющего электрода транзистора в схемы включают разделительный конденсатор С1 (см. рис. 81, а, б).

Термостабилизация рабочей точки. Температурная стабилизация режима работы усилителя достигается введением в схему отрицательной обратной связи по току, напряжению или комбинированной. Для стабилизации рабочей тонки при изменениях температурного режима работы транзистора схемы усилителей дополняют элементами эмиттерной и коллекторной стабилизации.

Эмиттерная стабилизация режима осуществляется с помощью ООС по постоянному току через эмиттерный резистор Rэ (рис. 82, а). При прохождении через резистор Ra тока Iэ значительно уменьшается напряжение, которое действует в противофазе с фиксированным напряжением смещения, снимаемым с резистора R2 делителя R1R2, С повышением температуры возрастает ток Iэ, что вызывает увеличение тока Iб и Iк. При этом возрастает напряжение Uлэ=IэRэ на резисторе Ra, вследствие чего автоматически повышается результирующий потенциал на базе Eбэ= — UR2+UR9, что вызывает уменьшение токов Iэ, Iб и Iк. Емкость Сэ блокирует по переменному току резистор R9, благодаря чему устраняется падение напряжения сигнала на резисторе, исключается ООС по переменному току и сохраняется постоянство коэффициента усиления каскада.

Коллекторная стабилизация осуществляется с помощью ООС по напряжению, которая достигается подключением резистора R1 непосредственно к коллектору транзистора (рис. 82, б). При повышении температуры и возрастании тока Iк (от исходного значения IОк) увеличивается падение напряжения на резисторе RK и соответственно уменьшается (по абсолютному значению) напряжение на коллекторе икэ=Ек — IKRK и базе, что вызывает снижение тока базы Iб, а следовательно, и тока Iк, который стремится возвратиться к своему исходному значению Iок,

Рис. 82. Схемы температурной стабилизации режима транзистора:

а — эмиттерная с помощью ООС по току, б — коллекторная с ООС по напряжению, в — комбинированная с ООС по току и напряжению

Более высокую стабильность работы обеспечивают схемы с комбинированной ООС потоку и напряжению (рис. 82, б). Обычно комбинированная обратная связь вводится лишь для постоянного тока. Чтобы исключить обратную связь по переменному току, резистор Лэ (элемент ООС по току) шунтируют конденсатором Сэ большой емкости.

Термокомпенсация рабочей точки. Температурная компенсация режима предусматривает в схемах использование нелинейных элементов, параметры которых зависят от температуры. В качестве нелинейных (температурно-зависимых) элементов служат терморезисторы, диоды, транзисторы.

Рис. 83. Схемы температурной компенсации:

а — с терморезистором, б — с терморезистором и линейными резисторами, в — с диодом

В делитель, подключенный к базе (рис. 83, а), вместо резистора R2 включают терморезистор, который при нормальной температуре имеет сопротивление, необходимое для установления начального рабочего режима. При этом через коллектор проходит требуемый ток покоя. При повышении температуры сопротивление терморезистора уменьшается, напряжение между базой и эмиттером снижается, вследствие чего ток покоя коллектора остается постоянным. Для компенсации разброса параметров транзисторов и получения требуемой характеристики термочувствительного элемента включают линей-ные- (лучше переменные) резисторы R2, R3 (рис. 83, б) последовательно с терморезистором и параллельно ему.

Терморезисторы обладают неодинаковой с транзистором температурной инерционностью. Лучшие результаты при компенсации получают при включении диода в качестве термочувствительного элемента (рис. 83, s). Температурные коэффициенты напряжения ТКН эмиттерно-базового перехода транзистора и диода, включенного в прямом направлении, одинаковы. Можно подобрать приборы с одним и тем же температурным изменением обратных токов, что обеспечит более полную компенсацию.

Диод V2 в схеме компенсирует температурный сдвиг входной характеристики транзистора. С повышением температуры уменьшается падение напряжения на диоде в проводящем направлении, следовательно, уменьшается напряжение смещения во входной цепи транзистора. Обратный ток коллекторного перехода Iк.обр транзистора компенсируется диодом V2, обратный ток которого противоположен обратному току транзистора.

§ 44. Сравнение схем включения транзисторов

Схемы включения биполярных транзисторов. Сравнительные данные свойств транзисторов в схемах с ОБ, ОК и ОЭ (см. рис. 54) приведены в табл. 132. В схеме с общей базой эмиттерный переход включен в прямом направлении, поэтому при незначительных изменениях напряжения ДUэ сильно меняется ток ДIэ, вследствие чего входное сопротивление транзистора rвх = ДUэ/ДIэ при UK=const мало (десятки омов). Коллекторный переход включен в обратном направлении, поэтому изменения напряжения на этом переходе ДUк незначительно влияют на изменения тока ДIк, вследствие чего выходное сопротивление гвых = ДUк/ДIк при Iэ=const велико (до нескольких мегаомов). Большое различие входных и выходных сопротивлений затрудняет согласование каскадов в многокаскадных усилителях.

Таблица 132

Параметры	Сравнительные показатели свойств транзисторов в схемах
Параметры	с общей базой	с,общим эмиттером	с общим коллектором
Коэффициенты;
передачи по току	0,6 — 0,95	Десятки — сотни	Больше, чем в схеме с ОЭ
усиления	Тысячи	Меньше, чем в	0,7 — 0,99
по напря- жению		схеме с ОБ
усиления	Менее чем а	Большое (ты-	Меньше, чем в
по мощности	схеме с ОЭ	сячи)	схеме с ОЭ
Сопротивление:
входное	Малое (едини- цы — десятки омов)	Большое (де- сятки — ты- сячи омов)	Большое (сот- ни килоомов)
выходное	Большое (ты- сячи омов - единицы мегаомов)	Сотни омов, — десятки ки лоомов	Единицы омов — десятки килоомов
Сдвиг фаз	0°	180°	0°

В схеме с ОБ входным (управляющим) является ток Iэ, а выходным — ток Iк. Последний всегда меньше тока эмиттера, так как часть инжектируемых носителей заряда рекомбинирует в базе, поэтому а=ДIк/ДIэ<1. Коэффициент усиления по напряжению Kн в схеме велик, поскольку изменения токов на входе ДIэ и выходе ДIк почти одинаковы, а rВЫх>rвх. Коэффициент усиления по мощности также велик (Kм=аKн=1000). Эмиттерный переход включается в проводящем направлении, поэтому изменения тока 13, а следовательно, и тока Iк происходят без фазового сдвига (Ф=0°).

В схеме с общим эмиттером управляющим служит ток базы Is — Is — Iк. Поскольку большинство носителей зарядов, инжектируемых эмиттером, достигает коллекторной области [Iк= (0,9 ч-0,99) Iэ] и лишь незначительная часть рекомбинирует в базе, ток базы мал: Iб=(0,01-0,1) Iэ. При этих условиях Kтэ = ДIк/ДIб>Kтб=ДIк/ДIэ и составляет 10 — 150. Усиление по напряжению примерно такое же, как и в схеме с ОБ. Благодаря высокому коэффициенту передачи тока эта схема обеспечивает большое (Kм до 10000) усиление по мощности.

Напряжение в схеме с ОЭ на входе U3 и выходе UK одного порядка, поэтому гВх=ДUэ/ДIэ здесь больше, чем в схеме с ОБ, и достигает десятков — тысяч омов. В этой схеме напряжение коллекторного источника Ек частично приложено к эмиттерному переходу, поэтому изменения ДUк вызывают большие изменения тока ДIк, вследствие чего rвых=ДUк/ДIк при Iб=const меньше, чем в схеме с ОБ, что облегчает согласование каскадов в многокаскадных усилителях.

В схеме с ОЭ положительные полуволны подводимого напряжения сигнала действуют в противофазе с напряжением смещения, поэтому ток Iэ, а следовательно, и Iк уменьшаются; отрицательные полуволны сигнала действуют согласованно с напряжением смещения, и токи 1д и Iк возрастают. В результате напряжение сигнала, снимаемое с нагрузки в выходной цепи, будет (по отношению к общей точке схемы) противофазным с напряжением подводимого сигнала (т.

е. ф=180°).

В схеме с общим коллектором входным является ток Iб, а выходным Iэ. Так как во входной цепи проходит малый ток базы, входное сопротивление rВX=ДUвх/ДIвх достигает десятков килоомов, Выходное напряжение в схеме приложено к эмиттерному переходу, поэтому малые изменения этого напряжения вызывают большие изменения Iэ, вследствие чего rВых=ДUвых/ДIвых мало (десятки омов).

Напряжение подводимого сигнала Uвх и выходное напряжение Uвых в схеме действуют встречно, т. е. U36 = Uвx — Uвых. Для получения на эмиттерном переходе требуемого напряжения необходимо скомпенсировать выходное напряжение, что достигается при Uвх>Uвых. В этих условиях схема с ОК не дает усиления по напряжению (Kн<1). Коэффициент передачи по току Kт=ДIэ/ДIб =ДIэ/(ДIэ — ДIк) = 1/(1 — а) здесь несколько больше, чем в схеме с ОЭ. Отсутствие усиления по напряжению приводит к снижению усиления по мощности против схем с ОБ и ОЭ.

В схеме отрицательные полуволны подводимого напряжения сигнала Uвх действуют встречно напряжению смещения, поэтому результирующее прямое напряжение на эмиттерном переходе и ток Iэ=Iб+Iк уменьшаются. При этом напряжение сигнала, снимаемое с нагрузки в цепи эмиттера, повторяет фазу напряжения подводимого сигнала, т. е. Ф=0 (эмиттерный повторитель).

Рис. 84. Схемы включения полевого транзистора: а — с общим истоком, б — с общим затвором, в — с общим стоком

Схемы включения полевых транзисторов. Полевые транзисторы с p-n-переходом включаются с общими истоком ОИ (рис. 84, а), затвором ОЗ (рис. 84, б) и стоком ОС (рис. 84, в).

Схема с ОИ является инвертирующим усилителем, способным усиливать сигналы по напряжению и току и обладает сравнительно небольшими междуэлектродными емкостями, (Сзи=1-20 пФ; Сзс=0,5-8 пФ; Сси<Сзи). Входная емкость СВх.и = Сзи+СэС, проходная Спр.и = Сзс, выходная СВых.и=Сзс+ССи. Крутизна S характеристики Iс=Ф(Uз) представляет собой внешнюю проводимость прямой передачи и для транзисторов малой мощности составляет 0,5 — 10 мСм.

Выходное сопротивление сравнительно велико (обычно многократно превышает сопротивление нагрузки), поэтому коэффициент усиления каскада &»5Rн достигает десятков единиц. Входное сопротивление ( если пренебречь областями очень низких и высоких частот) .носит емкостной характер; входная емкость Свх= — Сэя+SRнСзс. Поскольку междуэлектродные емкости малы, на параметры схемы существенно влияют емкости монтажа См= 1-5-3 пФ. Общая шунтирующая емкость С0=СЕ1+См определяет частоту верхнего среза fв.ср=1/(2пС0Rн).

Схема с ОЗ подобно схеме с ОБ не изменяет полярности сигнала и обеспечивает его-усиление по напряжению аналогично усилению сигнала в схеме с ОИ. Входное сопротивление гвх= U3m/Iит вследствие потребления от источника сигнала сравнительно большого тока Iст=Iит=SUзот оказывается незначительным. Выходное сопротивление rвых~rси(1+SRи) из-за влияния отрицательной обратной связи по току (элементом которой является внутреннее сопротивление источника сигнала RИ) велико. Влияние емкостной составляющей входной проводимости мало (так как она шунтирована сравнительно большой активной проводимостью gВх=1/rвх=S), поэтому каскад с ОЗ более широкополосен, чем схема с ОИ.

Схема с ОС не меняет фазу входного сигнала на выходе (истоковый повторитель), значительно усиливает ток (но не может усиливать напряжение), обладает высоким активным входным сопротивлением, малой входной емкостью СВх = Сзс+С3и(1 — K), где K. = Ucm/UC3m=SRн/(1+SRн), и небольшим выходным сопротивлением r=l/S (близким к входному сопротивлению схемы с, ОЗ), большой широкополосностью благодаря малой входной емкости.

Рис. 85. Соединения составных транзисторов по схемам:

а — сдвоенного эмиттерного повторителя, б — усилителя на разноструктурных транзисторах, в — каскодной

Схемы составных транзисторов. Составной транзистор представляет собой комбинацию двух (и более) транзисторов, соединенных таким образом, что число внешних выводов этой комбинированной схемы равно числу выводов одиночного транзистора.

Составной транзистор, выполненный по схеме сдвоенного эмиттер-ного повторителя, (рис. 85, а), не изменяет полярности сигнала, обладает большим коэффициентом передачи тока hzi=hziVihziVz, имеет большое входное и малое выходное сопротивления.

Составной транзистор в виде усилителя на разноструктурных (р-n-р и n-р-n) транзисторах (рис. 85, б) содержит два каскада с ОЭ с глубокой последовательной ООС по напряжению. Поскольку каждый каскад изменяет полярность сигнала, в целом схема представляет собой неинвертирующий усилитель. С выхода схемы напряжение подается на вход (эмиттер первого транзистора) в про-тивофазе с входным сигналом, подводимым к цепи базы. Приведенный составной транзистор обладает свойствами эмиттерного повторителя. Его коэффициент усиления меньше единицы, а из-за ОС входное сопротивление велико, выходное мало. Точкой малого выходного сопротивления является коллектор транзистора V2, так как от него начинается цепь ОС по напряжению, поэтому вывод коллектора транзистора V2 играет роль эмиттера составного транзистора, а вывод эмиттера V2 — роль его коллектора. При выбранных структурах транзисторов, VI и V2 схема обладает свойствами р-n-р-транзистора.

Составной транзистор, выполненный по каскодной схеме (рис. 85, в), представляет собой усилитель, в котором транзистор VI включен по схеме с ОЭ, a V2 — по схеме с ОБ. Схема эквивалентна одиночному транзистору, включенному по схеме с ОЭ с пара* метрами, близкими к параметрам транзистора VI. Последний обладает высоким выходным сопротивлением, что обеспечивает транзи« стору V2 получение широкой полосы частот,

Содержание раздела