Лекция 2 Усилители на транзисторах. 2. усилители и формирователи электрических сигналов на биполярных и полевых транзисторах. Усилители электрических сигналов
 Скачать 7.16 Mb.
|
1.2.1.Стабилизация рабочей точкиНеобходимый режим работы транзистора устанавливается путем подачи на базу транзистора относительно его эмиттера напряжения смещения, которое в зависимости от типа транзистора и режима его работы может иметь величину порядка 0,1 – 0,6 В. Смещение можно задать либо включением специального источника Еб, как показано на рис. 2.8, либо использовать один источник питания Чаще всего для цепи смещения и коллекторной цепи используется один источник питания. На рис. 2.10, а) показан способ подачи смещения в базовую цепь с помощью делителя напряжения, состоящую из резисторов R1 и R2. Тогда напряжение Uэб = Ек  .Из рассмотрения семейства входных характеристик транзистора следует, что небольшое изменение напряжения Uэб относительно Uэбо в рабочей точке, приводит к значительному изменению коллекторного тока. Так как неизбежен разброс параметров транзисторов, то для обеспечения одного и того режима по постоянному току для каждого транзистора необходимо индивидуально проводить регулировку с помощью резистора R2. Следует также отметить, что данная схема особенно чувствительна к температурному дрейфу. Напряжение база-эмиттер, соответствующее коллекторному току Iок, изменяется на 2 мВ при изменении температуры на одни градус. Это обстоятельство можно учесть, если последовательно с источником входного сигнала в базовую цепь транзистора включить фиктивный источник, напряжение которого при комнатной температуре равно нулю и увеличивается на 2 мВ при повышении температуры на один градус. Транзистор при этом рассматривается как идеальный, не имеющий температурного дрейфа. При отсутствии входного сигнала введенный источник приведет к следующему изменению потенциала коллектора транзистора Uк = К 2мВ/oC = 200 2мВ/oC, если коэффициент усиления равен 100 Повышение температуры на 20°C приведет к изменению потенциала коллектора примерно на 4 В. Такое большое изменение напряжения на коллекторе транзистора является недопустимо большим. Влияние напряжения Uэб на потенциал коллектора можно устранить, если установить рабочую точку с помощью стабильного базового тома, как показано на рис. 2.10, б). Этот ток будет протекать по резистору R1 сопротивление которого  ,так как в реальных схемах напряжение питания Ек выбирается много больше напряжения эмиттер–база транзистора. Это в значительной мере устраняет источник дрейфа, связанный с температурной зависимостью напряжения Uэб. Однако коллекторный ток для схемы 2.10, б.  пропорционален значению коэффициента усиления по току .  Рис. 2.10. Способы задания базового тока в статическом режиме: а) – фиксированным напряжением на переходе база – эмиттер, б) – фиксированным током Если величина транзистора изменится, например в 5 раз за счет установки другого транзистора, то и коллекторный ток изменится в 5 раз. Необходимо учитывать также температурную зависимость коэффициента усиления по току , который увеличивается на 1 % при повышении температуры на один градус. В схеме рис. 2.10 а коллекторный ток также прямо пропорционален значению  При использовании германиевых транзисторов заметное влияние начинают оказывать обратные коллекторные токи, которые на несколько порядков больше, чем у кремниевых транзисторов. Для схемы с общим эмиттером Iк = Iб + Iко(1 + ). Ток Iко увеличивается примерно в два раза при повышении температуры на каждые 7-8 С. Изменение теплового тока Iко также будет сказываться на положении рабочей точки на линии нагрузки при использовании германиевых транзисторов. Следовательно, рассмотренные схемы не обеспечивают хорошей стабильности коллекторного тока. Для стабилизации положения рабочей точки на. линии нагрузки в схемах усилителей применяется отрицательная обратная связь по постоянному току или напряжению, как показано на рис. 2.11 а, б.  Рис. 2.11. Схемы стабилизации рабочей точки: а) – схема эмиттерной стабилизации, б) – схема коллекторной стабилизации В схеме рис. 2.11, а стабилизация режима осуществляется при помощи ООС по постоянному току через эмиттерный резистор (эмиттерная стабилизация). Ток коллектора в этой схеме с изменением температуры изменяется очень мало, так как увеличение тока эмиттера вызывает уменьшение разности потенциалов база-эмиттер, что препятствует увеличению тока коллектора. В стабилизированной схеме ток коллектора таким образом изменяется в значительно меньшей степени. Блокировочный конденсатор Сэ исключает ООС по переменному току, сохраняй высокое значение коэффициента усиления для быстро изменяющихся сигналов. Схема эмиттерной стабилизации удобна тем, что в ней можно раздельно управлять режимом работы усилителя и его стабилизацией. При правильном выборе элементов она обеспечивает достаточно высокую стабилизацию рабочей точки в широком температурном диапазоне. Схема рис. 2.11, б отличается от схемы, рассмотренной ранее тем, что резистор Rб подключен не к источнику питания, а к коллектору транзистора. Сопротивление резистора Rб  .Стабилизация режима в этой схеме осуществляется при помощи ООС по напряжению (схема коллекторной стабилизации). Действительно, с увеличением температуры окружающей среды увеличивается Iк, а Uкб соответственно уменьшается. При этом будет уменьшаться и ток базы. Уменьшение Iб приводит к уменьшению Iк, который стремится возвратиться к току покоя Iок. В результате Iок и Uок изменяются незначительно. Рассмотрим схему с эмиттерной стабилизацией рис. 2.11, а. Пренебрегая величиной обратного тока Iок, можно записать следующее выражение для коллекторного тока  .В этом выражении имеется как в числителе, так и в знаменателе. Если значения сопротивлений резисторов Rэ, R1 и R2 выбрать таким образом, что RЭ(1+)»R1||R2 , то зависимостью коллекторного тока от можно пренебречь.  .Для расчета резистора Rэ можно использовать следующее приближенное эмпирическое правило: падение напряжения на резисторе Rэ при заданном коллекторном токе должно лежать в пределах 1- 2 В или Rэ ≈ 0,2 Rк. После того, как величина Rэ выбрана, сопротивления резисторов R1 и R2 могут быть найдены из условия  ,где макс, мин — наибольшая и наименьшая ожидаемые величины , а Iк макс — наибольшее допустимое значение коллекторного тока. В результате для большинства практических применений рабочая точка оказывается достаточно стабильной к изменениям как , так и напряжения Uэб. Хотя схема смещения, показанная на рис. 2.11, а оказывается удобной для однокаскадного усилителя, она редко используется в усилителе, состоящем из нескольких каскадов. Включение конденсатора связи между каждой парой усилителей и блокировочных конденсаторов приводит к двум нежелательным эффектам: во-первых, возрастает стоимость устройства, и, во-вторых, заметно падает коэффициент усиления схемы на низких частотах. Поэтому в многокаскадных усилителях применяется ООС по постоянному току, охватывающая сразу несколько каскадов. Пример. Рассчитаем схему усилителя с эмиттерной стабилизацией. Как указывалось ранее, стабильность рабочей точки тем выше, чем больше падение напряжения на резисторе Rэ . Пусть Uэ = 2 В. Тогда коллекторный ток изменится только на  При выборе потенциала коллектора в отсутствие сигнала необходимо следить, чтобы напряжение коллектор-эмиттер транзистора во время его работы не падало до напряжения насыщения, равного 0,1- 0,3 В для маломощных транзисторов. В противном случае появятся значительные нелинейные искажения. С другой стороны, потенциал коллектора при отсутствии сигнала необходимо выбирать не очень большим, так как иначе падение напряжения на Rк и коэффициент усиления по напряжению будут малы. Предположим, что максимальное значение сигнала на выходе Uвых макс = 2 В, относительно напряжения Uок в статическом режиме. Тогда Uок Uэ + Uкэ мин + |Uк макс| = 2 + 1 + 2 = 5 В Рассчитаем для этого случая резисторы Rк и Rэ. Пусть Iк = 1 мА. Тогда Rэ = 2В/1мА = 2кОм. Rк= (E – Uок )/1мА = (15 – 5)/1 = 10 кОм При этом дрейф потенциала коллектора при отсутствии сигнала равен  .Если температурный диапазон составит, например 40С, то рабочая точка на линии нагрузки сместится на 400 мВ. Рассчитаем теперь резисторы R1 и R2 в базовой цепи. Потенциал базы относительно общей шины при отсутствии входного сигнала равен Uб = Uэб + Uэ = 0,6 В + 2 В = 2,6 В. Базовый ток транзистора Iб = Iк/ = 1Ма/50 = 20мкА. Чтобы исключить влияние базового тока на потенциал базы выберем ток, протекающий через резисторы R1 и R2 на порядок больше базового тока Iдел = 10Iб = 0,2 мА. Тогда R2 = 2,6В/0,2 мА = 13 кОм. R1 = (15-2,6 В)/0,2 мА = 61 кОм. Аналогично проводится расчет по постоянному току для схемы с общим коллекторам и общей базой. |