Методы задания начального режима работы транзистора

При построении усилительных устройств наибольшее распространение получили каскады на биполярных и полевых транзисторах, использующие соответственно схемы включения транзистора с общим эмиттером и общим истоком. Схемы с общим коллектором и общим стоком используются в основном для усиления сигнала по току.

Перед тем, как подавать сигнал на вход транзисторного усилителя, необходимо обеспечить начальный режим работы (режим покоя). В схеме на рис. 7.3 этот режим задается с помощью дополнительного источника напряжения Е₁. В реальных схемах для обеспечения начального режима используют резистивные делители.

Начальный режим работы характеризуется постоянными значениями токов и напряжений в транзисторе. Для схемы с общим эмиттером начальный режим работы характеризуется положением точки покоя – напряжениями база – эмиттер и коллектор – эмиттер, токами базы и эмиттера. Для стабильной работы усилителя стремятся не допускать изменения положения точки покоя.

Рис.10.10. Частотная характеристика усилителя на основе ОУ К140УД7 при введении ООС

Для задания точки покоя используют три схемы: с фиксированным током базы, с коллекторной и эмиттерной стабилизацией.

Схема с фиксированным током базы представлена на рис.11.1. Начальный ток базы задается с помощью резистора R_Б.

В соответствии со вторым законом Кирхгофа

I_К R_К + U_КЭ – Е_ПИТ = 0. (11.1)

Отсюда находим ток коллектора:

I_К = Е_ПИТ/R_К – U_КЭ/R_К, (11.2)

что соответствует линейной зависимости вида у = ах + b.

Рис.11.1. Схема с фиксированным током базы

Это уравнение описывает так называемую линию нагрузки. Изобразим выходные характеристик транзистора и линию нагрузки (рис.11.2).

В соответствии со вторым законом Кирхгофа,

I_Б R_Б + U_БЭ – Е_ПИТ = 0. (11.3)

Отсюда находим ток базы I_Б:

I_Б = Е_ПИТ/R_Б – U_БЭ/R_Б. (11.4)

Так как обычно Е_ПИТ>>U_БЭ, опустим U_БЭ, тогда I_Б ≈ Е_ПИТ/R_Б.

Рис.11.2. Линия нагрузки транзистора

Таким образом, в рассматриваемой схеме ток I_Б задается величинами Е_ПИТ и R_Б (ток фиксирован). При этом I_К ≈ βI_Б.

При заданном токе покоя I_Б3 точка покоя ТП займет то положение, которое указано на рис.11.2. Следует отметь, что самое нижнее возможное положение ТП соответствует точке В (режим отсечки, I_Б ≈ 0), а самое верхнее положение – точке А (режим насыщения, I_Б≥ I_Б5).

Схему с фиксированным током базы используют достаточно редко, так как при изменении β (при смене транзистора или изменении температуры) будет изменяться ток коллектора и положение рабочей точки.

Схема с коллекторной стабилизацией (рис.11.3) обеспечивает лучшую стабильность начального режима.

Рис.11.3. Схема с коллекторной стабилизацией

В схеме имеет место отрицательная обратная связь по напряжению (выход схемы – коллектор транзистора соединен со входом схемы – базой транзистора с помощью сопротивления R_Б). Рассмотрим ее проявление на следующем примере. Пусть по каким либо причинам (например, при изменении температуры) ток I_К начал увеличиваться. Это приведет к увеличению падения напряжения на коллекторном сопротивлении U_Rк и к уменьшению напряжения U_КЭи уменьшению тока I_Б (I_Б ≈ U_КЭ/R_Б), что вызовет подзапирание транзистора и будет препятствовать значительному увеличению тока I_К, т.е. будет осуществляться стабилизация тока коллектора.

Схема с эмиттерной стабилизацией представлена на рис. 11.4.

Рис.11.4. Схема с эмиттерной стабилизацией

Основная идея, реализованная в схеме, состоит в том, чтобы зафиксировать ток I_Э и, соответственно, ток коллектора (I_K≈I_Э). Для этого в цепь эмиттера включают резистор R_Э и создают на нем практически постоянное напряжение U_Rэ. При этом оказывается, что

I_Э = U_Rэ / R_Э = const. (11.5)

Для создания требуемого напряжения используют делитель напряжения на резисторах R₁ и R₂. Сопротивления R₁ и R₂ выбирают таким образом, чтобы величина тока I_Б практически не влияла на величину напряжения U_R2. При этом

U_R2 = Е_КR₂ / (R₁ + R₂). (11.6)

В соответствии со вторым законом Кирхгофа

U_RЭ = U_R2 – U_БЭ. (11.7)

При воздействии дестабилизирующих факторов величина U_БЭ изменяется мало, поэтому мало изменяется и величина U_RЭ. На практике обычно напряжение U_RЭ составляет небольшую долю напряжения Е_ПИТ.

В этой схеме реализована обратная связь по току, подробнее она будет рассмотрена позже.