Методы стабилизации рабочей точки

Основные параметры каскада усиления по схеме с общим эмиттером сильно зависят от внешних возмущающих воздействий. К ним, в первую очередь, следует отнести изменение температуры окружающей среды, вызывающей, во-первых, изменение обратного тока коллекторного перехода , во-вторых, изменение напряжения эмиттерного перехода транзистора, и, в-третьих, изменение его коэффициента передачи тока , изменение напряжения питания, изменение сопротивления нагрузки и т. п. Все эти воздействия приводят к изменению коллекторного тока транзистора и, следовательно, изменению выходного напряжения усилительного каскада.

Внешние возмущения, изменяя ток покоя транзистора , выводят усилитель из заданного режима работы. Это особенно опасно для режима усиления класса А, так как может вывести транзистор в нелинейную область его характеристик, что вызовет увеличение нелинейных искажений или вообще приведет к появлению одностороннего ограничения выходного сигнала при заходе рабочей точки в режимы насыщения или отсечки. По этой причине при проектировании транзисторных усилителей вопрос стабилизации точки покоя является одним из главных.

Существует три основных метода стабилизации режима работы транзисторного каскада: термокомпенсация; параметрическая стабилизация; введение цепей отрицательной обратной связи.

Метод термокомпенсации базируется на том, что внешними конструктивными и схемотехническими решениями стараются исключить воздействие на транзисторный каскад нежелательных возмущений.

Так, если основным возмущающим воздействием является изменение температуры окружающей среды, то наиболее чувствительные к этим воздействиям каскады усилителя могут быть конструктивно выделены в некоторый самостоятельный узел, в котором принудительно (вне зависимости от внешних условий) поддерживается неизменная температура, что и дало название методу. В эту же группу методов можно отнести питание наиболее подверженных воздействию каскадов стабилизированным напряжением или применение элементов со стабильными параметрами и т. п. Общим для всех этих методов, как это уже было отмечено, является исключение действия возмущений на транзисторный каскад, вызывающих недопустимые изменения его параметров

Метод параметрической стабилизации базируется на использовании в транзисторных каскадах специальных элементов, характеристики которых зависят от внешних возмущающих воздействий, причем изменения параметров этих элементов должны компенсировать изменения параметров транзисторного каскада. В качестве примера на рис. 2.3.4, а приведена схема транзисторного каскада, в которой для введения начального смещения рабочей точки используется внешний делитель на резисторах . Очевидно, что в данной схеме при увеличении температуры окружающей среды будет увеличиваться ток . Это обусловлено уменьшением напряжения вследствие сдвига входной характеристики транзистора влево и увеличением и . Поэтому при увеличении температуры, сохранение на неизменном уровне требует уменьшения начального смещения . Для этого необходимо либо увеличивать сопротивление , либо уменьшать сопротивление . Возможно и одновременное изменение сопротивлений обоих резисторов. Если параметры изменения сопротивлений согласованы с изменениями параметров транзисторов, такое решение позволяет получить хорошую температурную стабильность каскада.

Рис. 2.3.4. Параметрическая стабилизация режима покоя усилительного каскада с использованием терморезисторов (а) и дополнительного транзистора (б).

Во входном делителе могут быть использованы различные элементы, например, терморезисторы, либо другие полупроводниковые приборы. На рис. 2.3.4, б показано использование эмиттерного перехода дополнительного транзистора VТ_К в качестве такого элемента. Если параметры транзисторов VТ_К и VТ₁ одинаковы, то такое решение позволяет полностью устранить изменение тока _, вызванное изменением напряжения . Такое решение находит широкое применение при разработке аналоговых интегральных схем.

Общим для обоих рассмотренных методов является компенсация только одного из дестабилизирующих факторов. Так, решение, представленное на рис. 2.3.4, б не позволяет компенсировать изменение обусловленное изменением значения , а термостабилизация части каскадов не устраняет возмущений, вызванных изменением напряжения питания и т. п. К тому же при использовании параметрического метода трудно подобрать элементы, способные в широком диапазоне изменения внешних возмущений достаточно точно стабилизировать параметры транзисторного каскада, поэтому рассмотренные выше методы применяются как дополнительные, т. е. совместно с введением в каскад различных цепей обратной связи. Введение цепей обратной связи способно сильно изменять все параметры усилителя, причем, чем больше исходный коэффициент усиления, тем сильнее могут быть эти изменения.

Метод введения цепей обратной связи является универсальным методом стабилизации параметров не только одиночного транзисторного каскада, но и всего усилителя в целом. При правильном выборе он способен компенсировать влияние всех воздействующих на усилитель внешних возмущений. Для каскада, показанного на рис. 2.3.1, практическое применение нашло введение последовательной отрицательной обратной связи по току нагрузки и параллельной отрицательной обратной связи по выходному напряжению.