Раздел 3 (1). Cпособы питания и стабилизации режимов работы усилительных элементов

• Название: Cпособы питания и стабилизации режимов работы усилительных элементов
• Анкор: 77656
• Дата: 18.05.2022
• Размер: 0.65 Mb.
• Имя файла: Раздел 3 (1).doc
• Тип: Документы; #535723
• страница: 2 из 3

3.3.1. Схема с фиксированным током базы
Одна из простейших схем усилительного каскада на биполярном транзисторе, включенном с общим эмиттером (ОЭ), при работе УЭ в режиме «А», приведена на рисунке 3.8.

В этой схеме смещение (напряжение U_бэ) создается с помощью сопротивления R_б, которое создает путь для прохождения постоянного тока через переход б–э транзистора. Постоянные напряжение и токи показаны на схеме с индексом «0», который свидетельствует о том, что в схеме рассматриваются постоянные составляющие в режиме покоя (в отсутствие сигнала).

Расчет всех токов, напряжений и сопротивлений в схеме производится с применением уравнений Кирхгофа по выбранному контуру протекания соответствующего тока. Таким образом, при анализе работы схем питания и стабилизации, а также расчетов элементов схемы необходимо определить пути протекания постоянных токов и их значение.



Рисунок 3.8 – Схемы с фиксированным током базы
Схема описывается следующими уравнениями Кирхгофа:

– для контура тока коллектора: Е_п = i_кR_к + U_кэ; (3.4)

– для контура тока базы: Е_п = i_бR_б + U_бэ. (3.5)

Из уравнения (3.5), в частности, следует, что

(3.6)

Поскольку Е_п >> U_бэ, то ток базы практически не зависит от свойств транзистора и является постоянной величиной, что определило название схемы.

Эта схема удовлетворительно работает при нормальной температуре окружающей среды (25С) и при неизменных параметрах элементов.

Вместе с тем, параметры схемы существенно ухудшаются при влиянии дестабилизирующих факторов, к которым относятся:

1. 
   Изменение температуры коллекторного "p - n" перехода БТ вследствие изменений температуры окружающей среды Т_{окр. ср} и рассеиваемой на коллекторе мощности Р_к, а также из-за возможного саморазогрева БТ. Суть этого явления заключается в том, что при возрастании тока коллектора возрастает температура "p - n" перехода, что увеличивает ток коллектора и т. д.;
   
2. 
   Старение БТ и других элементов схемы каскада;
   
3. 
   Замена БТ, при которой проявляется разброс всех его параметров и особенно статического коэффициента усиления по току h_21э достигающий значений раз;
   
4. 
   Изменения напряжения источников питания.
   

Механизм влияния изменений температуры коллекторного "p - n" перехода на положение точки покоя и величины тока i_к0 можно показать на примере проходной характеристики БТ, приведенной на рисунке 3.9, где ток смещения i_б0 задан таким, чтобы точка покоя находилась в середине линейного участка этой характеристики.

При нормальной температуре сохраняется прямая пропорциональность между входным и выходным сигналом. Таким образом, при подаче на вход гармонического сигнала на выходе также будет гармонический сигнал с минимальными искажениями.



Рисунок 3.9 – Изменение положения точки покоя на проходной характеристике БТ в схеме с ФТБ при повышении температуры
Ток коллектора i_к0 в точке покоя определяется выражением

, (3.7)

где: – неуправляемый обратный ток коллектора, обусловленный неосновными носителями зарядов через "p - n" переход (указывается в справочнике при температуре Т_п.спр); – начальный ток коллектора;

Все слагаемые правой части этого выражения зависят от температуры. Но особенно сильно зависит от температуры ток I_кб0. Эта зависимость определяется выражениями:

для германиевых транзисторов:

; (3.8)

для кремниевых транзисторов:

. (3.9)

Здесь: Т_п.спр – температура коллекторного перехода, равная +25С;

(3.10)

– температура коллекторного перехода, которая зависит от температуры окружающей среды, мощности рассеивания на коллекторе транзистора (Р_к = U_к0 i_к0) и теплового сопротивления переход – среда (R_пс), которое характеризует степень отвода тепла от p–n перехода в окружающую среду. Тепловое сопротивление R_пс имеет размерность [C/Вт] и показывает, на сколько градусов изменится температура p–n перехода при увеличении рассеиваемой мощности на 1 Вт (приводится в справочнике).

Необходимо отметить, что приведенные выше формулы для обратного тока коллектора – эмпирические и имеют значительную погрешность при больших различиях (несколько десятков градусов) между Т_{п мах} и Т. Поэтому значение I_кб0 выбирается в справочнике при температуре, наиболее близкой к Т_{п мах}.

Таким образом, при возрастании температуры p-n перехода транзистора будет возрастать неуправляемый начальный ток коллектора, вследствие чего проходная характеристика сместится вверх (рис. 3.9) и коллекторный ток возрастет до значения .

Точка покоя окажется в верхней нелинейной части характеристики, что приведет к возникновению нелинейных искажений усиливаемого сигнала, и к уменьшению коэффициента усиления УЭ.

3.3.2. Схема с фиксированным напряжением смещения
Еще одна простейшая схем усилительного каскада на биполярном транзисторе приведена на рисунке 3.10.

В этой схеме смещение (напряжение U_бэ) создается с помощью делителя напряжения, состоящего из сопротивлений R_би R. Через эти сопротивления протекает постоянный ток делителя (i_дел). Падение напряжения на сопротивлении R определяет смещение на переходе б–э транзистора.

Схема описывается следующими уравнениями Кирхгофа:

– для контура тока коллектора: Е_п = i_кR_к + U_кэ; (3.11)

– для контура тока базы: Е_п = ( i_б + i_дел) R_б + U_бэ; (3.12)

– для контура делителя в цепи базы: Е_п =( i_б + i_дел) R_б + i_делR(3.13)

Из уравнения (3.12), в частности, следует, что при выполнении условия i_дел >> i_б

, (3.14)

Поскольку Е_п >> U_бэ, то напряжение смещения базы практически не зависит от свойств транзистора и является постоянной величиной, что определило название схемы.




Рисунок 3.10 – Схемы с фиксированным напряжением смещения
Эта схема, так же, как и предыдущая схема, удовлетворительно работает при нормальной температуре окружающей среды (25С) и при неизменных параметрах элементов. Под действием дестабилизирующих факторов в схеме происходят те же процессы, что и в схеме с ФТБ.


Без специальных мер по стабилизации режима работы транзистора нестабильность положения точки покоя может привести к:

• 
  возникновению нелинейных искажений;
  
• 
  увеличению потребляемого тока и снижению КПД устройства;
  
• 
  изменению коэффициента усиления вследствие изменения крутизны проходной характеристики транзистора при изменении положения точки покоя
  

Для повышения стабильности режима работы транзистора необходимо, как видно из рисунка 3.7, одновременно с повышением температуры уменьшать смещение на транзисторе, перемещая точку покоя в более линейную область. Этого можно добиться с помощью двух методов:

1. 
   Применение термозависимых элементов в цепи смещения транзистора (параметрическая стабилизация).
   
2. 
   Применение отрицательной обратной связи по постоянному току.
   

3.3.3. Схема стабилизации с применением термозависимых элементов
В этой схеме на рисунке 3.11, в отличие от схемы 3.10, в качестве элемента смещения R применен терморезистор R_Т с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС).



Рисунок 3.11 – Схемы с температурной компенсацией



Рисунок 3.12 – Изменение положения точки покоя в схемах стабилизации

Поскольку сопротивление терморезистора с отрицательным ТКС уменьшается с ростом температуры, то уменьшается и падение напряжения на сопротивлении R_Т, а следовательно и напряжение смещения U_бэ0, что в свою очередь уменьшает i_би i_к. Таким образом, при повышении температуры точка покоя будет смещаться в более линейную область проходной характеристики, что, как показано на рисунке 3.12, уменьшает нелинейные искажения.

Путем выбора ТКС, можно полностью скомпенсировать изменения токаi_к0 и обеспечить его полную стабильность, что невозможно в схемах подачи смещения со стабилизацией на основе ООС.

Для температурной компенсации вместо терморезистора можно использовать диоды (или транзисторы в диодном включении), что широко применяется в каскадах изготовленных по интегральной технологии.
3.3.4. Схема с коллекторной стабилизацией
Второй метод, основанный на применении отрицательной обратной связи, реализован в схемах с коллекторной и эмиттерной стабилизации. Принцип стабилизации режима работы заключается в том, что при увеличении тока i_к0 в схемах автоматически должны уменьшиться ток смещения i_б0 и напряжение смещения U_б0, что приводит к меньшему изменению i_к0, то есть к его стабилизации.

На рисунке 3.13 показана схема резисторного каскада на биполярном транзисторе с общим эмиттером и коллекторной стабилизацией.



Рисунок 3.13 – Усилительный каскад с коллекторной стабилизацией
В этой схеме напряжение и ток смещения U_бэ0 и i_б0 получаются с помощью сопротивления смещения R_б.

;

. (3.15)

В уравнениях (3.15) заключен механизм стабилизации: при увеличении тока i_к0, увеличивается падение напряжения на R_к (уменьшается U_к0) и, следовательно, уменьшаются U_бэ0 и i_б0, это не дает току покоя i_к0 заметно возрасти.

В данной схеме стабилизация тока i_к0 осуществляется с помощью ООС, параллельной по выходу (по напряжению) и параллельной по входу. Ток в выходной цепи (i_к0) будет влиять на входной ток и входное напряжение (U_бэ0 и i_б0).

Глубина этой ООС будет определяться выражением

. (3.16)

Из (3.16) следует, что сквозная глубина ООС тем больше, чем больше коллекторное сопротивление R_к и чем меньше сопротивление смещения R_б.

В схеме на рисунке 3.13 при усилении сигнала наряду с ООС по постоянному напряжению, стабилизирующей ток i_к0, возникает ООС и по переменному напряжению с глубиной

. (3.17)

Эта ООС снижает сквозной коэффициент усиления каскада К^* в раз. Для устранения этой ООС сопротивление R_б представляют в виде двух сопротивлений R_б = R^_б + R^_б, между которыми включают конденсатор С_бл, образуя развязывающий фильтр R_бС (рисунок 3.14).



Рисунок 3.14 - Схема подачи смещения с коллекторной стабилизацией в схеме с ОЭ без ООС по переменному току

3.3.5. Схема с эмиттерной стабилизацией
На рисунке 3.15 показана схема резисторного каскада на биполярном транзисторе с общим эмиттером и эмиттерной стабилизацией, из которой видно, что можно выделить три тока, протекающих по различным контурам: ток коллектора (i_к0) ток базы (i_б0) и ток делителя (i_дел).

Таким образом, по приведенной схеме можно составить следующие уравнения Кирхгофа:




Е = U_Rк + U_кэ + U_Rэ = R_кi_к0 + U_кэ + R_э(i_к0 + i_б0);

Е = U_Rб + U_R = R_б(i_б0 + i_дел) + Ri_дел;

Е = U_Rб + U_бэ + U_Rэ = R_б(i_б0 + i_дел) + U_бэ + R_э(i_к0 + i_б0);(3.18)

Ri_дел = U_бэ + R_э(i_к0 + i_б0).


Рисунок 3.15 – Схема с эмиттерной стабилизацией (пунктиром показаны пути протекания постоянных токов).
Схема подачи смещения с эмиттерной стабилизацией получила наиболее широкое применение в серийной аппаратуре. В этой схеме напряжение и ток смещения U_бэ0 и i_б0 получают от источника питания с помощью делителя R_б и R и сопротивления в цепи эмиттера R_э. Из (3.18) следует, что

, (3.19)

В уравнении (3.19) отражен принцип действия стабилизации. При увеличении тока i_к0 увеличивается падение напряжения на сопротивлении R_э. При выполнении условия i_дел>> i_б0 напряжение на сопротивлениях R_б и R будет меняться незначительно. Следовательно, с учетом (3.19) напряжение и ток смещения U_бэ0, i_б0 уменьшаются, что препятствует увеличению тока i_к0. В этом случае положение точки покоя изменится так, как показано на рисунке 3.12. При этом эффективность стабилизации в схеме с ЭС буде значительно выше, чем при КС.

В схеме с эмиттерной стабилизацией возникает обратная связь, последовательная по способу снятия и подачи глубиной:

, (3.20)

где R_{вх э} – входное сопротивление транзистора, включенного с ОЭ;

– сопротивление делителя в цепи базы.

При расчете схемы необходимо учитывать следующие соотношения.

Для обеспечения стабилизации ток делителя выбирается много больше тока базы i_дел= (3…10)i_б0. С другой стороны, для уменьшения шунтирования входа транзистора сопротивлениями делителя в режиме усиления по переменному току R_ддолжно выбираться в 5 – 10 раз больше входного сопротивления транзистора. При этом необходимо учитывать, что при уменьшении тока делителя ухудшается стабилизация режима транзистора по постоянному току.

Для предупреждения возникновения ООС по переменному току, которая возникает за счет , применяют блокировочный конденсатор . При включении конденсатора достаточно большой емкости он практически шунтирует (закорачивает) по переменному току, устраняя тем самым ООС по сигналу, при этом он абсолютно не влияет на механизм действия ООС по постоянному току. При использовании конденсатора сквозной коэффициент усиления каскада не уменьшается.

При расчете элементов схемы не всегда можно применить однозначные формулы, из которых определяется значение элемента. Обычной практикой считается выбор элементов, исходя из компромисса, рекомендаций или технических возможностей реализации.

Например, величины напряжений на сопротивлениях R_к и R_э можно перераспределять с учетом того, что:

при U_Rк > U_Rэ увеличивается коэффициент передачи усилителя, но ухудшается стабильность точки покоя, поскольку уменьшается глубина обратной связи по постоянному току;

при U_Rк < U_Rэулучшается стабильность режима работы транзистора, но уменьшается коэффициент передачи усилителя, поскольку возрастает составляющая переменного тока, протекающая через сопротивление R_к и, соответственно, уменьшается напряжение на нагрузке (или на входе транзистора следующего каскада).

Для обеспечения стабилизации режима работы транзистора напряжение на сопротивлении R_эвыбирается из условия U_Rэ(0,2…0,3)U_к0.

Для уменьшения шунтирования сопротивлением R_к входа следующего каскада рекомендуется выбирать его из условия R_к  (2…6)R_{вх сл}.

При использовании элементов фильтра в цепи питания (в схеме с комбинированной стабилизацией), падение напряжения на R_ф выбирают из рекомендации: U_Rф<0,2Е_п.

Сопротивления делителя (R_б, R) выбираются таким образом, чтобы они, с одной стороны, не шунтировали вход транзистора: R_д=( 3 ÷ 10)R_{вх э}, а с другой – позволяли обеспечить необходимую глубину обратной связи по постоянному току для стабилизации режима работы.

Напряжение смещения (U_бэ) определяется по входной статической характеристике транзистора для выбранного тока покоя i_б0. При отсутствии характеристик можно принять U_бэ 0,4 – 0,7 В.

Механизм действия и эффективность эмиттерной стабилизации при включении УЭ с ОБ или с ОК такие же, как и при включении УЭ по схеме с ОЭ. Отличия лишь в том, что в схеме с ОБ наряду с ООС по постоянному току, действует ООС по сигналу - последовательная по выходу, и параллельная по входу.

В схеме с ОК эмиттерная стабилизация осуществляется ООС по постоянному току, параллельной по выходу, и последовательной по входу. Вместе с ней действует и ООС по сигналу, параллельная по выходу, и последовательная по входу. Схема усилительного каскада на биполярном транзисторе, включенном с ОК и с эмиттерной стабилизацией приведена на рисунке 3.17.

Рисунок 3.17 – Схема подачи смещения с эмиттерной стабилизации в схеме с ОК
Такая схема, получившая название «эмиттерный повторитель», широко используется в схемотехнике, так как имеет ряд полезных свойств:

1. В схеме существует глубокая ООС по постоянному и переменному току. Это значительно уменьшает нелинейные искажения и расширяет диапазон усиливаемых частот.

2. Схема имеет большое входное и малое выходное сопротивление, вследствие чего характеристики схемы мало чувствительны к изменению параметров сигнала и нагрузки. Поэтому ее широко используют для развязки каскадов устройств различного назначения, то есть для уменьшения влияния последующих цепей на предыдущие.

3. Схема не изменяет форму и величину входного сигнала. Коэффициент передачи по напряжению К_ЭП1.