стабилизация рабочей точки и параметров усилителей

Схемы стабилизации рабочей точки транзисторов в усилительных каскадах (коллекторная стабилизация, эмиттерная, термокомпенсационная).

Стабилизация рабочей точки – важнейшая задача при проектировании транзисторных каскадов. При смещении точки покоя (I_к.0иU_к.э.0)изменяются дифференциальные параметры транзистора, могут появиться нелинейные искажения.

Основные причины нестабильности тока I_к.: температурные изменения теплового токаI_к.б0, напряжения на эмиттерном переходе U_б.э.и интегрального коэффициента передачи токаb(илиa).

Полное приращение тока коллектора:

,

Выражение называется коэффициентом нестабильности.

При повышении Т 0 К все слагаемые в скобках одного знака: I_к.б.0иb растут, а входная характеристика смещается “влево”:DU_б.э = eDТ, гдеe»-1.5мВ/град.

Минимальный коэффициент нестабильности S_min= a приg_б =1, т.е.R_Э>>R_Б, максимальныйS_max= b приg_б =0, т.е.R_б>>R_э.Обычно удовлетворяются соотношениямиR_э/ R_б=0,5. 1, при этомg_б=0,3. 0,5 ;S = 2..3 (т.е.S»1/g_б).

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 :

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.

эмиттерная стабилизация (б)

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

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.

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.

14. Резисторные каскады на полевых транзисторах по схеме с общим истоком.
большое распространение получили усилительные каскады на полевых транзисторах, так как они обладают значительно большим входным сопротивлением по сравнению с усилительными каскадами на биполярных транзисторах. Малый входной ток, за счет высокого входного сопротивления полевого транзистора, позволяет обеспечить высокое отношение полезного сигнала к собственному шуму и конструировать высокочувствительные усилители (до 0,01÷0,1мВ) в измерительной технике. Наиболее часто используется каскад с общим истоком

Полярность источника питания определяется типом применяемого полевого транзистора. В транзисторе с n-каналом напряжение Е_Сположительно.

В цепь стока включен нагрузочный резистор R_С, обеспечивающий динамический режим работы усилителя. На транзисторе R_Свыделяется усиленное переменное напряжение.

В цепи истока резистор R_И создает необходимое смещение между затвором и истоком. При этом потенциал затвора оказывается ниже потенциала истока на величину падения напряжения на резисторе R_И от тока покоя истока I_И0 ток покоя в цепи затвора равен нулю.

Выходное напряжение снимается через разделительный конденсатор С₂ между стоком и общей точкой каскада, т.е. оно равно переменной составляющей напряжения между стоком и истоком.

Рассматриваемый усилительный каскад является усилителем напряжения. Величина коэффициента усиления каскада составляет :

Входное сопротивление полевых транзисторов, т.е. сопротивление между затвором и истоком, имеет величину порядка 10 7 Ом, поэтому входное сопротивление усилителя определяется сопротивлением резистора R_3, который подключен параллельно входным зажимам полевого транзистора:

Выходное сопротивление современных полевых транзисторов (сопротивление между стоком и истоком) имеет величину порядка 10 5 Ом, поэтому выходное сопротивление усилительного каскада на полевом транзисторе определяется сопротивлением резистора R_C:

Таким образом у этого усилителя R_вых

Источник

Стабилизация параметров усилительного каскада

В процессе эксплуатации усилительные каскады подвергаются воздействию различных дестабилизирующих факторов, основными среди которых являются:

— изменение температуры и других климатических условий эксплуатации;

— колебания напряжения питания;

— разброс параметров однотипных элементов в случае их замены.

Все эти факторы приводят к изменению параметров и характеристик усилителей, отклонению их значений от заданных величин. Поэтому при проектировании усилительных каскадов необходимо решить вопрос стабилизации их параметров, который в основном достигается за счет схемотехнических решений.

Основное влияние на стабильность параметров любого электронного устройства оказывают усилительные элементы. Это обусловлено тем, что за счет их усилительных свойств незначительное изменение их параметров ведет к существенному изменению токов и напряжений в схеме.

В подавляющем большинстве случаев влияние дестабилизирующих факторов проявляется в отклонении начальных токов и напряжений от расчетной величины, то есть в смещении положения ИРТ на ВАХ усилительного элемента. Следовательно, решив задачу стабилизации РТ в статическом режиме (режиме покоя), можно существенно повысить стабильность параметров и характеристик усилителя.

Нестабильность положения рабочей точкиусилительного элемента может приводить к его тепловой неустойчивости, то есть к саморазогреву вплоть до разрушения кристалла вследствие возникновения тепловой положительной обратной связи. Все это заставляет принимать специальные меры по стабилизации положения рабочей точки. Кроме этого смещение ИРТ относительно своего положения, заданного при проектировании, может вызывать существенные нелинейные искажения сигнала на выходе усилителя при больших уровнях входного сигнала.

В биполярном транзисторе наибольшее дестабилизирующее действие на ток коллектора оказывают изменения:

— обратного тока I_КБО коллекторного перехода;

— коэффициента передачи тока базы b_ст;

Обратный ток коллектора I_КБО сильно зависит от температуры и с ее повышением удваивается на каждые 10° С для германиевых и на каждые 5° С для кремниевых транзисторов. Для маломощных германиевых транзисторов при комнатной температуре ток I_КБО составляет единицы – десятки микроампер, а для кремниевых – сотые доли микроампера.

Замена транзистора в каскаде или его старение может вызывать изменение требуемого значения напряжения U_БЭ, с помощью которого задают ток коллектора в исходной РТ. При повышении температуры требуемое значение U_БЭ уменьшается со скоростью около 2,5 мВ/град. Производственный разброс характеристик по U_БЭ обычно составляет не более 50 мВ.

Повышение стабильности положения ИРТ на ВАХ транзистора усилительного каскада возможно за счет подбора транзистора, обеспечения его охлаждения, а также за счет выбора схемы стабилизации.

Наиболее известны три схемы стабилизации рабочей точки:

— с фиксированным током базы;

— с коллекторной стабилизацией;

— с эмиттерной стабилизацией.

Схема усилительного каскада с фиксированным током базы показана на рисунке 2.28.

Рисунок 2.28 – Схема каскада с базовой стабилизацией

В рассматриваемой схеме для тока базы в соответствии со вторым законом Кирхгофа можно записать

, (2.56)

откуда ток базы равен

, (2.57)

поскольку обычно и_БЭ

— при воздействии дестабилизирующих факторов изменяются величины b_ст и I_КБО, что приводит к изменению тока коллектора и, соответственно, положения ИРТ;

— для каждого значения b_ст (например, при замене транзистора) необходимо подбирать соответствующее значение резистора R_б, что с практической стороны очень неудобно.

Схема с коллекторной стабилизацией (рисунок 2.29) отличается от предыдущей схемы (рисунок 2.28) наличием резистора R_к в цепи базового смещения.

Рисунок 2.29 – Схема каскада с коллекторной стабилизацией

Приведенная выше схема обеспечивает более хорошую стабилизацию исходного положения РТ. В этой схеме имеет место параллельная ООС по напряжению (выход схемы – коллектор транзистора соединен со входом схемы – базой транзистора через цепь ООС, образованную резистором R_б), благодаря которой в случае увеличения тока коллектора возрастает падение напряжения на резисторе R_к и, соответственно, уменьшается постоянное напряжение на базе, равное и_БЭ = и_КЭ. Это, в свою очередь, уменьшает ток базы, равный , а, следовательно, и ток коллектора, стремясь возвратить его к исходному значению.

Таким образом, в схеме с коллекторной стабилизацией, за счет ввода параллельной ООС по напряжению обеспечивается повышение стабильности исходной рабочей точки. Основным недостатком рассмотренной схемы является то, что введение параллельной ООС приводит к уменьшению коэффициента усиления тока усилительного каскада.

Наиболее удачной и наиболее распространенной на практике является схема с эмиттерной стабилизацией (приведена на рисунке 2.30).

Рисунок 2.30 – Схема каскада с эмиттерной стабилизацией

Эффект стабилизации в рассматриваемой схеме обеспечивается введением последовательной ООС по току, которая создается резистором R_э, включенным в цепь эмиттера. Из анализа схемы следует, что на базе транзистора с помощью резисторного делителя R1, R2 задается некоторое постоянное напряжение и_R2, равное

,

которое обеспечивает заданное положение рабочей точки. При этом согласно второму закону Кирхгофа

. (2.58)

Если ток коллектора по какой-либо причине увеличится, то возрастет падение напряжения на резисторе R_э (так как i_К » i_Э). Его приращение приведет к уменьшению напряжения и_БЭ и, следовательно, к уменьшению тока базы транзистора i_Б. Сопротивления резисторов R1 и R2 выбирают таким образом, что изменение тока i_Б практически не влияет на величину напряжения u_R2, то есть это напряжение остается неизменным. Поэтому уменьшение тока базы приводит к уменьшению тока i_Э, а, следовательно, и к уменьшению тока i_К, стремясь возвратить его к прежнему значению.

Наличие блокировочного конденсатора С_б (при правильном подборе его емкости) исключает действие ООС на переменном токе в пределах полосы пропускания усилителя. Поэтому добавление резистора R_э практически не приводит к уменьшению коэффициента усиления напряжения.

Источник

Избранные главы из книги С. А. Гаврилова «Искусство схемотехники. Просто о сложном».

Продолжение

Начало читайте здесь:

Заказать книгу можно в интернет-магазине издательства

1.2 Стабилизация режима

Стабилизация тока коллектора

Режим работы транзистора характеризуется всей совокупностью токов его электродов и напряжений на них (при отсутствии сигнала). Однако когда говорят о схемах, рассчитанных на передачу сигналов, обычно подразумевают стабилизацию величины тока коллектора. И вот почему.

Во-первых, величина тока покоя коллектора определяет важнейшие усилительные параметры транзистора: крутизну S, коэффициент передачи тока h21Э и некоторые другие.

Во-вторых, от величины тока покоя зависит, будет ли каскад обеспечивать неискаженное воспроизведение сигналов большого уровня.

В-третьих, величина тока покоя определяет (при наличии нагрузочного резистора) и напряжение коллектора. А оно влияет, между прочим, и на то, будет ли вообще получен усилительный (активный) режим работы прибора.

В-четвертых, от величины тока покоя зависит мощность, выделяемая на транзисторе, а также коэффициент полезного действия каскада.

«Паспортный режим»

Завод-изготовитель полупроводников гарантирует допуски на их параметры только в определенном режиме – том, при котором приборы проходят приемочные испытания. Это обстоятельство нередко оказывается определяющим.

В том, что если вам необходимо, чтобы значения параметров транзистора в схеме наверняка соответствовали гарантированным, вы позаботитесь поставить транзистор в режим, указанный в паспорте.

Не надо забывать, что (как в любом четырехполюснике) входные и выходные величины транзистора связаны функциональной зависимостью.

К тому, что, например, при заданных схемой стабилизации значениях тока коллектора и напряжения коллектор-база – соответствующие им ток базы и напряжение база-эмиттер установятся автоматически.

В первую очередь разработчик заботится о том, чтобы все транзисторы усилительной схемы находились в активном режиме.

Вот простые правила.

Правило 1. Усилительный транзистор не должен оказаться запертым: он должен обладать коллекторным током (током стока) большим, чем ток утечки. В частности, в схеме должны быть предусмотрены пути для постоянных токов всех электродов транзистора.

Правило 2. Усилительный прибор не должен оказаться в области крутого участка выходных вольтамперных характеристик (для биполярного транзистора – в «режиме насыщения»).

Нередкий случай у радиолюбителей. У полевого прибора, соответственно, напряжение сток-исток не должно быть ниже определенной минимальной величины.

Принципиально существуют две основные схемы автоматической стабилизация коллекторного тока биполярного транзистора, используемого в однотранзисторном каскаде.

Эмиттерная стабилизация

При включении согласно рис. 1.7 фиксирован потенциал базы. А нужный ток обеспечивают резистором R_Э в цепи эмиттера.

Если в практической схеме рис. 1.8 замерить потенциал эмиттера (напряжение на эмиттере относительно «земли») U_Э, то он окажется примерно на 0.7 В ниже потенциала базы E_Б. Нетрудно тогда рассчитать эмиттерный ток транзистора:

Практически такую же величину имеет и коллекторный ток. Отсюда легко определяют потенциал коллектора:

Измерением вы сможете убедиться, что наш расчет верен, хотя и основан на предельно упрощенной модели транзистора:

Не исключено, однако, что формула (1.5) даст величину потенциала коллектора меньшую, чем потенциал базы. Это говорит о неправильном выборе параметров схемных элементов: транзистор будет находиться в режиме насыщения, на крутом участке коллекторной вольтамперной характеристики. Напряжение на коллекторе транзистора реально окажется практически равным напряжению на эмиттере, т.е. U_КЭ ≈ 0. Следует уменьшить величину R_К или увеличить R_Э!

Рис. 1.7. При фиксированном потенциале базы автоматически устанавливается ток эмиттера

Рис. 1.8. Эмиттерный ток задает ток (и потенциал) коллектора

Коллекторная стабилизация

В схеме на рис. 1.9,а связью базы с коллектором достигается стабилизация коллекторного потенциала (он равен потенциалу базы). Этим и определяется величина тока коллектора:

Рис. 1.9.	Потенциал базы и коллектора равен 0,7 В (а); базовый резистор ухудшает стабильность режима (б)

Можно: через резистор (рис. 1.9, б). Это увеличивает потенциал коллектора (он возрастает на величину I_БR_Б ), что хорошо. Но снижает его стабильность, что плохо.

Делитель напряжения

Коллекторного напряжения, равного U_К = 0.7 В, может быть недостаточно. Добиться увеличения поможет схема с базовым делителем (рис. 1.10). Если ток через делитель существенно больше тока базы, так что последним можно пренебречь, то, очевидно:

Рис. 1.10.	Потенциал коллектора увеличен при помощи делителя напряжения

Снова отметим, что схемы коллекторной стабилизации задают всегда потенциал коллектора! Для получения I_К следует теперь вычесть ток делителя:

«Токовое зеркало»

Конфигурация, известная как «токовое зеркало», приведена на рис. 1.11. Поскольку U_БЭ1 = U_БЭ2, при идентичных транзисторах обеспечено и равенство токов:

Рис. 1.11.	В «токовом зеркале» UБЭ1 = UБЭ2, поэтому режим VT2 стабилизирован

Строго говоря, полная идентичность в данной схеме не соблюдена: ток коллектора VT2 будет несколько зависеть от его коллекторного напряжения (вернитесь к рис. 1.3).

Тем не менее, с этой простой, но интересной схемой мы не раз встретимся в дальнейшем.

1.3. Режимы полевых транзисторов

Стабилизация тока стока

Аналог эмиттерной стабилизации существует и для полевого транзистора (рис. 1.12, а, где U_И = Е_З – U_ЗИ). Трудность в том, что напряжение затвор-исток при данном токе – величина весьма неопределенная и малостабильная.

Рис. 1.12.	Схемы «истоковой» (а) и «стоковой» (б) стабилизации требуют повышенных напряжений

К примеру, разброс U_ЗИ среди экземпляров прибора 2П305А при I_C = 5 мА может составлять единицы вольт. Поэтому гарантировать с приемлемой точностью заданную величину тока в собранной схеме мы могли бы, пожалуй, при напряжении Е_З, составляющем десятки вольт! Маловероятно, что это кого-то устроит.

Для приборов с индуцированным каналом возможен также аналог коллекторной стабилизации (рис. 1.12, б). Можно проверить, что при ненулевом пороговом напряжении транзистор здесь обязательно окажется на пологом участке выходных характеристик, что и требуется.

Для тока стока, очевидно, справедливо:

а так как U_C = U_ЗИ может быть оценено при данном токе, как мы знаем, лишь очень грубо, то сравнительно достоверные результаты расчета и здесь достижимы только при высоком напряжении питания.

Принудительная стабилизация

В разобранных схемах функции стабилизации тока и собственно передачи сигнала соединяются в одном приборе – но, в общем, это совсем не обязательно.

К примеру, для полевых транзисторов разумным способом разрешения трудностей оказывается задание тока стока вспомогательным стабилизированным биполярным транзистором (генератором тока), обеспечивающим требуемый ток в исток полевого прибора. Надо лишь не допустить ошибки, влекущей насыщение вспомогательного транзистора.

Рис. 1.13.	Фиксированный ток истока задают вспомогательным транзистором

Давайте – на примере рис. 1.13. Напряжение затвор-исток для 2П305А при I_C = 5 мА нормировано пределами 0.2–1.5 В, затвор «привязан» к нулю, значит, на истоке имеем этот же диапазон напряжений со знаком минус. Какой отсюда вывод?

Точно. Проверьте, между прочим, что для приборов типа 2П305Г базу вспомогательного транзистора можно просто «заземлить».

Всегда ли стабилизировать ток?

Завод-изготовитель нередко проводит контроль параметров транзисторов с управляющим переходом не при фиксированном токе стока, а при фиксированном напряжении на затворе (точнее, при ). Это дает повод разработчику вовсе не вводить элементов стабилизации тока стока (рис. 1.14), и даже обязывает к этому. Ознакомьтесь, к примеру, с данными на прибор типа 2П302А: значение крутизны S ≥ 5 мА/В гарантируется при нулевом напряжении затвор-исток, хотя величина тока в этом режиме, согласно техническим условиям, может колебаться в диапазоне от 3 до 24 мА!

Рис. 1.14.	При UЗИ = 0 устанавливается паспортный режим

Любопытно, что если здесь все же возникнет надобность в стабилизации, вы не вправе устанавливать его для транзисторов этого типа более 3 мА.

А иначе не будет уверенности, что прибор не оказался в области, где напряжение приложено к переходу в запрещенной, открывающей полярности.

Когда вы встречаете публикации подобных выдающихся идей, почаще вспоминайте, что сама по себе стабильность тока активного прибора никак не может являться самоцелью!

Продолжение читайте здесь

Источник