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.0 и U_к.э.0)изменяются дифференциальные параметры транзистора, могут появиться нелинейные искажения.

Основные причины нестабильности тока I_{к .}: температурные изменения теплового тока I_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 Т⁰К 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:

I_бо ≈ (Е_к - I_ko·R_k) / R_б, (1.38)

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.

 

а) б)

 

Рисунок 1.23 - Схемы стабилизации напряжения коллекторная (а) и

эмиттерная стабилизация (б)

 

Эмиттерная стабилизация осуществляется включением резистора R_э между эмиттером и общим проводом и обычно применяется на основе схемы с фиксированным напряжением базы (рисунок 1.23,б). На сопротивлении делителя R_б2 создается фиксированное напряже­ние база - общий провод U_бо. На сопротивлении эмиттерной стабилизации R_э током покоя эмиттера I_эо создается падение напряжения эмиттера - общий провод U_эо. при этом напряжение смещения база -эмиттер U_бэо равно разности. Следовательно:

U_бэо= U_бо - U_эо = U_бо - I_эо·R_э, причем

 

I_эо = I_ко + I_бо ≈ Iко. (1.39)

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

стабилизируется.

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.

 

 

а) б)

 

Рисунок 1.24 - Схема стабилизации комбинированная (а) и комбинированная

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.

Входное напряжение подается на резистор R₃ через разделительный конденсатор С_1. При этом в канале полевого транзистора появляются переменные составляющие тока истока i_И и тока стока i_c, причем i_{И »} i_c. Для того, чтобы переменная составляющая тока истока не создавала падение напряжения на резисторе R_И и не уменьшала за счет этого величину усиливаемого сигнала между затвором и истоком по сравнению со входным напряжением, резистор R_И шунтируется конденсатором C_И. Сопротивление конденсатора на самой низкой частоте усиливаемого напряжения должно быть во много раз меньше сопротивления резистора. При этом условии падение напряжения от тока истока i_И на цепочке R_ИC_И, называемой звеном автоматического смещения, имеет очень небольшую величину, так что по переменной составляющей тока исток можно считать соединенным с общей точкой усилительного каскада.

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:

Кu = 10 ¸ 100.

Входное сопротивление полевых транзисторов, т.е. сопротивление между затвором и истоком, имеет величину порядка 10⁷ Ом, поэтому входное сопротивление усилителя определяется сопротивлением резистора R_3, который подключен параллельно входным зажимам полевого транзистора:

R_вх » R₃ = 10⁵ ÷10⁶ Ом.

Выходное сопротивление современных полевых транзисторов (сопротивление между стоком и истоком) имеет величину порядка 10⁵ Ом, поэтому выходное сопротивление усилительного каскада на полевом транзисторе определяется сопротивлением резистора R_C:

R_вых » R_С = 10³ ÷ 10⁴ Ом.

Таким образом у этого усилителя R_вых << R_вх, что является важным преимуществом усилительного каскада на полевых транзисторах.

15. Резисторные каскады на полевых транзисторах по схеме с общим стоком.
Усилители с общим стоком

Схема усилителя на ПТ с общим стоком аналогична схеме усилителя с общим коллектором. На рис.18,а приведена схема усилители с общим стоком на ПТ с управляющим р-n-переходом и каналом р-типа.

Резистор Rи включен в цепь истока, а сток прямо подключен к отрицательному полюсу источника питания. Поэтому ток стока, зависящий от входного напряжения, создает падение напряжения только на резисторе Rи. Работа каскада поясняется графиками, приведенными на рис.18,б для случая, когда входное напряжение имеет синусоидальную форму. В исходном состоянии через транзистор протекает ток стока I_С0, который на резисторе Rи создает напряжение U_И0 (U_ВЫХ0). В течение положительного полупериода входного напряжения обратное смещение между затвором и истоком увеличивается, что приводит к уменьшению тока стока и абсолютной величины напряжения на резисторе Rи. В отрицательный полупериод входного напряжения, наоборот, напряжение смещения затвора уменьшается, ток стока и абсолютная величина напряжения на резисторе Rи увеличиваются. Вследствие этого выходное напряжение, снимаемое с резистора Rи, т. е. с истока ПТ (рис.18,б), имеет такую же форму, что и входное напряжение.
В связи с этим усилители с общим стоком получили название истоковых повторителей (напряжение истока по форме и значению повторяет входное напряжение).

16. Резисторный усилитель по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель). Резисторный усилитель по схеме с общей базой (повторитель тока).
Каскады с общим коллектором (ОК) обычно применяются для согласования высокоомного источника сигнала и низкоомной нагрузки. Схема усилительного каскада с общим коллектором приведена на рис. 6. В этом каскаде выходное напряжение снимается с резистора R₃, включенного в цепь эмиттера.

Рис. 6. Схема усилительного каскада с общим коллектором

 

По переменной составляющей тока и напряжения коллектор соединен с общей точкой усилителя. Входное напряжение подается между базой и коллектором. Резисторы R₁ и R₂ задают напряжение покоя базы, которое определяет положение точки покоя на линии нагрузки. Конденсатор С1 разделяет каскад и источник сигнала по постоянному току. Конденсатор С2 разделяет каскад и нагрузку по постоянному току.

Каскад усиливает ток, а напряжение не усиливает. Коэффициент усиления тока:

.

Коэффициент усиления напряжения каскада:

или упрощенно .

Из-за того, что выходное напряжение практически равно входному напряжению, каскад с общим коллектором часто называют эмиттерным повторителем.

Каскад имеет большое входное R_ВХ и малое выходное R_ВЫХ сопротивления из-за 100% последовательной по входу и параллельной по выходу отрицательной обратной связи. При большом сопротивлении базового делителя имеем

 

,

.

 

Входное сопротивление обычно составляет десятки и сотни кОм (без учета сопротивления базового делителя), а выходное – единицы-десятки Ом.