Тема 3.4 Питание усилительных каскадов и стабилизация их режимов

Положение рабочей точки покоя на коллекторной динамической характеристике определяет величины тока и напряжения в выходной цепи, а те, в свою очередь, зависят от тока базы (I _бо), т.е. от режима входной цепи. И этот режим определяется источником питания, или смещения.

Смещением в транзисторных усилителях называют постоянное напряжение между базой и эмиттером U_бэо или ток базы покоя I _бо.

Смещение выбирается так, чтобы в режиме покоя, а также при усилении сигнала, не превышались максимально допустимые значения тока и напряжения коллектора и выделяемой на коллекторе электрической мощности, а также коэффициента гармоник.

В рассмотренных ранее схемах для упрощения был показан условный источник постоянного напряжения Е_б в цепи базы.

На практике для создания смещения используют источник питания коллекторной цепи, а не отдельный источник. Питание всех каскадов усилителя осуществляется от одного источника, и обычно это выпрямитель.

Способы создания смещения различны: по принципу действия – это два вида: фиксированное и автоматическое.

1. Фиксированное смещение не зависит от тока коллектора, оно остается неизменным при изменении тока покоя коллектора по любым причинам (изменение температуры, старение или замена транзистора). Поэтому ток коллектора не стабилизируется. Этот вид смещения может быть создан либо фиксированным током базы, либо фиксированным напряжением базы.

Схема смещения фиксированным током базы (рис.24, а) содержит резистор R_б, включенный между источником питания Е_к и базой. Этот резистор должен иметь большое сопротивление, значительно больше, чем входное сопротивление транзистора.

Постоянная составляющая тока базы I_бо проходит от (+ Е_к) через R_б – эмиттерный переход к (– Е_к). Напряжение приложено к резистору Rб и входному сопротивлению транзистора, которым по сравнению с Rб можно пренебречь, и тогда ток базы определяется:

I _бо = Е_к /R_б = cопst, таким образом, ток базы не зависит от тока коллектора, т.е. является фиксированным. И если, например, повысится температура, то статические характеристики располагаются выше, т.е. при том же токе базы возрастает ток коллектора (рис. 24, б).

Рис.24 Смещение фиксированным током базы: а - принципиальная схема; б - нарушение режима коллекторной цепи с повышением температуры

Поэтому точка покоя переместится из положения Р в положение Р΄. Иначе говоря, исходный режим нарушается. Из графика видно, что при достаточно большой амплитуде сигнала будут использоваться нелинейные участки характеристик и резко возрастают нелинейные искажения.

В мощных транзисторах увеличение тока покоя I _ко может привести к перегреву транзистора и выходу его из строя.

Схема смещения фиксированным напряжением базы (рис. 25а ) содержит делитель напряжения R_б1 - R _б2, включенный параллельно источнику питания Е_к. Нижнее плечо делителя включено между базой и общим проводом.

Сопротивление делителя выбирается так, чтобы он потреблял ток (I_д) больший во много раз тока базы, при этом можно считать, что через R_б1 и R_б2 проходит одинаковый ток и справедлива пропорция:

U_бэо / E_к = R_б2 / R_б1 + R_б2, из которого

U_бэо = E_{к ٠}R_б2 / R_б1+ R_б2 = const.

Это показывает, что напряжение смещения не зависит от тока коллектора и действительно является фиксированным. При этом ток коллектора не стабилизируется, а исходный режим с изменением температуры нарушается. Для обеспечения фиксированного напряжения U_бэо сопротивление нижнего плеча делителя R_б2 должно быть много меньше входного сопротивления транзистора, но это уменьшает общее входное сопротивление каскада, а это нежелательно. Чтобы избежать этого, иногда напряжение смещение во входную цепь подают последовательно с сигналом (рис 25б).

Рис.25 Схемы смещения фиксированным напряжением базы:

- с параллельной подачей на вход (а); - с последовательной подачей на вход (б)

Основным недостатком схем смещения фиксированным напряжением базы является отсутствие стабилизации исходного режима коллекторной цепи, а также включение низкоомного делителя R_б1 – R_б2 вызывает дополнительное потребление тока от источника питания, следовательно, увеличивает потери мощности и снижает КПД.

2.Автоматическое смещение зависит от тока покоя коллектора, при этом с изменением тока коллектора по любой причине смещение изменяется так, что ток коллектора стабилизируется. Таким образом, стабилизируется исходный режим выходной цепи. Для этого используется ООС по постоянному току.

Одновременно с подачей смещения необходимо обеспечить стабилизацию режима, видов стабилизации несколько:

- Эмиттерная стабилизация -осуществляется на основе схемы смещения фиксированным напряжением базы, но между эмиттером и общим проводом включен резистор Rэ (рис 26).

Рис.26 Эмиттерная стабилизация исходного режима

На нижнем плече делителя R_б2 развивается фиксированное напряжение U_бо, оно пропорционально напряжению источника питания E_к.

Ток покоя выходной цепи (I_кo ≈ I_эо) создаёт на сопротивлении эмиттерной стабилизации R_э падение напряжения U_эо = I _ко· R_э. Из схемы: U_бэо = U_бo – I_кo· R_э, т.к. напряжение правой части уравнения включены последовательно встречно. И теперь, если, например, из-за роста температуры увеличится ток коллектора, то увеличится падение напряжения на резисторе R_э, а напряжение U _бэо – уменьшится, что приведет к уменьшению тока коллектора, то есть ток коллектора, и, следовательно, исходный режим коллекторной цепи стабилизируется. Эту схему можно рассматривать как схему с последовательной ООС по постоянному току эмиттера, так как падение напряжения на резисторе R_э зависит от тока эмиттера покоя I_эо, и это напряжение есть напряжение обратной связи, которое вычитается из напряжения U_бо.

Эмиттерная стабилизация тем эффективнее, чем больше сопротивление R_э и меньше R_б2 – эти условия легко осуществить, но следует помнить, что с увеличением R_э на нём растут потери постоянного напряжения и мощности, а с уменьшением сопротивления делителя R_б1-R_б2 не только увеличиваются потери мощности источника питания, но и уменьшается входное сопротивление каскада. Конденсатор С_э исключает обратную связь по переменному току. Если резистор R_э не зашунтировать конденсатором С_э большой ёмкости, то будет создана последовательная ООС не только по постоянному, но и по переменному току, в результате чего уменьшится усиление тока, но и произойдет стабилизация выходного тока и увеличится входное сопротивление каскада.

Стабилизация положения рабочей точки покоя на коллекторной динамической характеристике видна на графике (рис 28).

Рис.27 Нарушение исходного режима при повышении температуры в схеме с фиксированным током базы

Исходный режим при температуре tº задан точкой покоя Р, при токе смещения I_бо = 100мкА.

С повышением температуры до tº₁, статические характеристики располагаются выше, что при фиксированном смещении привело бы к перемещению рабочей точки в положение Р₁, однако в схемах со стабилизацией режима ток смещения при повышении температуры уменьшится до I _бо (50 мкА), и тогда рабочая точка займет положение Р₂ => т.е. за счёт уменьшения смещения положение рабочей точки изменяется незначительно и тем меньше, чем эффективнее действует стабилизация режима. В схеме с общим коллектором эмиттерная стабилизация всегда действует без введения дополнительных элементов, т.к. резистор эмиттерной нагрузки R_э одновременно является и резистором стабилизации режима. В такой схеме (ОК) конденсатор С_э включать нельзя, т.к. он закоротит выход для сигнала.

- Коллекторная стабилизация -для этой стабилизации резистор R_б включают между базой и коллектором (рис 28).

Рис.28 Коллекторная стабилизация исходного режима

Коллекторная стабилизация происходит за счёт параллельной ООС по постоянному току коллектора, т.к. всякое изменение тока I_кo через резистор R_б вызывает противоположное по знаку изменение тока I_бо во входной цепи, так что ток коллектора практически не изменяется. Эффективно действует коллекторная стабилизация только при большом сопротивлении коллекторной нагрузки R_к для постоянного тока или с уменьшением сопротивления R_б в цепи обратной связи. Практически это трудно выполнить, т.к. величины сопротивлений R_к и R_б определяют требуемый режим покоя транзистора.

Поэтому коллекторная стабилизация не даёт нужного эффекта и применяется редко, только в предварительных каскадах при небольших изменениях температуры.

- Параметрическая стабилизация –осуществляется путем включения термозависимого элемента в нижнее плечо делителя, создающего смещения (рис 29). Этот элемент должен иметь отрицательный температурный коэффициент сопротивления – это может быть терморезистор, туннельный диод, у которого сопротивление уменьшается с повышением температуры.

Рис.29 Параметрическая стабилизация режима терморезистором (а) и диодом (б) вольтамперные характеристики диода при разных температурах (в)

Принцип параметрической стабилизации состоит в том, что напряжение смещения снимается с термозависимого элемента, причем, он расположен в непосредственной близи с транзистором (обычно на его радиаторе охлаждения) и нагревается с ним одновременно.

С повышением температуры сопротивление элемента уменьшается, следовательно, снижается и напряжение смещения на нём – это вызывает уменьшение тока коллектора, причем элементы схемы можно подобрать так, чтобы полностью компенсировать увеличение тока коллектора за счёт увеличения температуры. Таким образом, можно добиться полной стабильности режима при изменениях температуры, т.е. термокомпенсации.

Параметрическая стабилизация имеет недостаток: она действует только при изменении температуры окружающей среды, а если режим нарушается вследствие старения, разброса параметров или замены транзисторов, а также из-за кратковременного выделения большой мощности потерь в коллекторном переходе, стабилизация не действует, и ток коллектора не стабилизируется.

На рисунке 29 а приведена схема с использованием терморезистора R_т в делителе смещения R_б1 – R_т.

Доля напряжения на нижнем плече делителя, т.е. на R_т является напряжением смещения U_бэо.

С повышением температуры это напряжение уменьшается, вызывая уменьшение тока I_кo, чем компенсируется температурный рост тока коллектора. Для получения расчётной величины смещения и требуемой зависимости изменения сопротивления нижнего плеча делителя с изменением температуры параллельно сопротивлению R_т может включаться шунт, а последовательно - добавочное сопротивление (на рис отсутствует).

Недостаток схемы: большая тепловая инерция терморезисторов, из-за чего они реагируют только на изменение температуры среды, но не успевают срабатывать при мгновенном кратковременном повышении температуры самого коллекторного перехода транзистора.

На рисунке 29 б показана схема параметрической стабилизации с использованием диода. Здесь смещение создаётся включением делителя R_б1 – VД и развивается на прямом сопротивлении диода, при этом U_бэо = U_np. При повышении температуры прямое сопротивлении и прямое напряжение диода уменьшаются, прямая ветвь ВАХ диода сдвигается влево (рис 29,в), следовательно, уменьшается напряжение смещения U_бэо, что препятствует росту коллекторного тока, стабилизируя его. Так как прямое сопротивление (R_np) диода невелико, то иногда для увеличения входного сопротивления каскада диод включают последовательно с источником сигнала.

Преимущества схемы:

- температурная зависимость прямого сопротивления диода почти такая же, как эмиттерного перехода транзистора, поэтому получается хорошая термокомпенсация;

- диод имеет малую тепловую инерцию.

Ещё лучшую термокомпенсацию дает использование транзистора в диодном включении. При этом коллекторный переход закорачивается путем соединения коллектора с базой, а роль стабилизирующего диода выполняет эмиттерный переход, включенный в прямом направлении. Такая схема нашла применение в двухтактных оконечных каскадах.

Контрольные вопросы:

1. Чем характеризуется исходный режим транзистора, и как он создаётся?

2. Причины нестабильности исходного режима;

3.Что называют смещением в транзисторных усилителях и способы создания смещения?

4. Как создаётся смещение фиксированным током и напряжением базы?

5. Недостатки фиксированного смещения;

6. Как осуществляется эмиттерная стабилизация режима?

7. Как осуществляется коллекторная стабилизация режима?

8. Параметрическая стабилизация; её работа, недостатки и преимущества.