РАЗДЕЛ 3. Конспект лекций

### РАЗДЕЛ 3 CПОСОБЫ ПИТАНИЯ И СТАБИЛИЗАЦИИ РЕЖИМОВ РАБОТЫ УСИЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

3.1 Режимы работы биполярного транзистора
3.2 Цепи межкаскадной связи
3.3 Схемы подачи питания и стабилизации режима работы БТ
3.3.1 Схема с фиксированным током базы
3.3.2 Схема с фиксированным напряжением смещения
3.3.3 Схема стабилизации с применением термозависимых элементов
3.3.4 Схема с коллекторной стабилизацией
3.3.5 Схема с эмиттерной стабилизацией
3.3.6 Эмиттерный повторитель напряжения
3.3.7 Схема с комбинированной стабилизацией
3.3.8 Стабилизация питания затвора полевого транзистора
3.4 Примеры решения задач
3.5 Вопросы для самопроверки
3.6 Тестовые упражнения

### 3.1 Режимы работы биполярного транзистора

Как отмечалось в разделе 1, для усиления мощности входного сигнала используется энергия источника питания, напряжение которого подведено к усилительному элементу (УЭ). Способ подачи питания зависит от того, какие напряжения и токи необходимо обеспечить на электродах транзистора, то есть от выбранного режима работы усилительного элемента.

####

Под режимом работы транзистора понимается совокупность токов и напряжений, которые необходимо обеспечить на его электродах.

Различают 4 основных типа режимов работы: «А», «В», «С» и «D». Выбор наиболее подходящего режима выбирают в зависимости от конкретной технической задачи и заданных качественных показателей. При построении предварительных и выходных каскадов усиления на биполярных транзисторах (БТ) чаще всего используются режимы «А» и «В».

Режим «А» применяют, как правило, в каскадах предварительного усиления, а также предвыходных и выходных каскадах при небольшой мощности в нагрузке (Рн ≤ 0,1 –1,0 Вт). Этот режим характерен тем, что транзистор будет находиться в открытом состоянии при любом значении напряжения, поступающего от источника сигнала на вход УЭ. Таким образом, через переходы транзистора (б – э, к – э) будут протекать токи в течение всего периода сигнала переменного тока, и даже в его отсутствие. На рисунке 3.1. (а, б) показаны потенциалы напряжения, которое необходимо подать на электроды биполярных транзисторов (БТ) типа p – n – p и n – p – n (направление постоянного тока указывает стрелка эмиттера).

Рисунок 3.1.

На рисунок 3.2 (а) изображена характеристика прямой передачи БТ, на которой показан режим работы «А». Из рисунка видно, что между входным и выходным параметром существует линейная зависимость, при которой форма выходного сигнала не изменяется по отношению к сигналу на входе.

Рисунок 3.2 – Положение точки покоя в режиме «А» на проходной (а)
и выходных статических характеристиках (б)

При этом обеспечиваются минимальные нелинейные искажения, но коэффициент полезного действия невысок. Теоретически КПД в режиме «А» не превышает 50%, в реальных же каскадах с резисторно-емкостной связью он составляет не более 10 – 20 %

(3.1)

где Ротд – полезная мощность, отдаваемая транзистором в нагрузку;

Р0 - мощность, потребляемая транзистором от источника питания;

– коэффициент использования транзистора по напряжению;

- коэффициент использования транзистора по току.

####

Необходимо отметить, что при любом режиме работы постоянный и переменный ток через переход «б – к» будет отсутствовать, поскольку к этому переходу приложено большое обратное напряжение.

Режим работы на характеристиках транзистора изображают в виде точки с координатами (iк0,Uкэ0) на семействе выходных статических характеристик (iб0,Uбэ0 – на входной статической характеристике или характеристике прямой передачи), которую называют рабочей точкой (РТ) или точкой покоя (ТП), поскольку она показывает токи и напряжения на электродах транзистора в отсутствие входного сигнала.

В режиме «А» ТП будет находиться в середине линейного участка сквозной динамической характеристики, что обеспечивается подачей во входную цепь УЭ необходимого смещения. Уровень входного сигнала выбирается таким образом, чтобы при усилении не использовались нелинейные участки характеристики транзистора, обусловленные режимами насыщения или отсечки.

На рисунке 3.2 (б) показано положение ТП для режима «А» на семействе выходных статических характеристик транзистора. Через ТП проходит нагрузочная прямая по постоянному току, которая показывает взаимосвязь между выходным током и выходным напряжением, и строится по уравнению Кирхгофа для выходной цепи каскада для заданного сопротивления нагрузки по постоянному току.

####

Режим работы «А»
Достоинства:

• малые нелинейные искажения сигнала.
Недостатки:

• малый КПД (не более 50%);

• усилитель потребляет мощность от источника питания даже в отсутствие полезного сигнала.

В режиме «В» Т.П. выбирается на нижнем конце проходной или сквозной динамической характеристики при напряжении смещения, близким нулю (идеальный режим «В») или при подаче небольшого смещения (реальный режим «В» или режим «АВ»). В этом случае выходной ток УЭ протекает в течение половины периода сигнала, что приводит к большим нелинейным искажениям.

На рисунке 3.3 показано положение ТП для режима «В» на характеристике прямой передачи (а) и на семействе выходных статических характеристик транзистора (б).

Рисунок 3.3 – Положение точки покоя на проходной (а) и
выходных статических характеристиках (б) транзистора

При усилении сигналов переменного тока режим «В» можно применять только в двухтактных каскадах, в которых используются транзисторы разного типа проводимости (комплементарная пара), усиливающие поочередно сигналы положительной и отрицательной полярности, как показано на рис.3.4.

Транзистор VT1 открывается при отрицательной полярности входного напряжения и в течение половины периода через нагрузку будет проходить ток от источника Eп1. Транзистор VT2 открывается при положительной полярности входного напряжения и через открытый транзистор в течение половины периода через нагрузку будет проходить ток от источника Eп2.

Рисунок 3.4 – Двухтактное включение комплементарных транзисторов, работающих в режиме «В»

####

Комплементарной парой называются два транзистора, имеющие разную структуру (p-n-p) и (n-p-n), но одинаковые свойства и характеристики.

Коэффициент полезного действия в режиме «В» значительно больше, чем в режиме «А», поскольку постоянные токи в отсутствие сигнала близки к нулю, а выходной ток через транзистор протекает только в течение одного полупериода, что ведет к снижению потребляемой мощности. Теоретически (при 100% – ном использовании характеристик транзистора) КПД в режиме «В» достигает 78.5%:

(3.2)

В силу своей экономичности режим «В» применяют в мощных выходных двухтактных каскадах усиления гармонических сигналов.

####

Режим работы «В»
Достоинства:

• высокий КПД (около 78,5%);

• усилитель практически не потребляет мощность от источника питания в отсутствие полезного сигнала.
Недостатки:

• большие нелинейные искажения сигнала;

• при усилении сигналов необходимо применение двух транзисторов;

• необходимость применения двух источников питания (хотя для усилителей перемененного тока может быть применена схема и с одним источником питания).

В режиме «С», в отличие от режима «В», Т.П. выбирается при небольшом отрицательном напряжении смещения, как показано на рис. 3.5.

Рисунок 3.5 – Положение точки покоя в режиме «С» на характеристике прямой передачи транзистора

Этот режим обеспечивает очень большой КПД (около 90%), но при этом транзистор будет вносить еще большие (относительно режима «В») нелинейные искажения. Режим «С» применяется в мощных радиопередающих устройствах с применением в выходной цепи частотно-избирательных цепей для подавления высших гармоник.

####

Режим работы «С»
Достоинства:

• очень высокий КПД (около 90%);
Недостатки:

• большие нелинейные искажения сигнала;

• необходимость применения частотно-избирательных цепей.

Режим «D» называют ключевым режимом работы, поскольку он используется в схемах электронных ключей. Транзистор будет находиться только в одном из двух граничных состояний: либо в режиме насыщения (при полностью открытом транзисторе), либо в режиме отсечки, когда транзистор полностью закрыт.

Задача обеспечения режима УЭ по постоянному току и стабилизация этого исходного режима решается с помощью специальных цепей питания УЭ.

### 3.2 Цепи межкаскадной связи

Связь между каскадами и их питание осуществляют при помощи цепей межкаскадной связи. Наибольшее применение в устройствах получили следующие виды межкаскадной связи:

- гальваническая (непосредственная);
- резисторно-конденсаторная (резисторно-емкостная);
- трансформаторная.

Название каскада определяется видом межкаскадной связи. При гальванической связи в качестве элементов связи между каскадами, а также с источником сигнала и нагрузкой, используются элементы, обладающие проводимостью для переменных и постоянных токов и напряжений (провода, резисторы, диоды, стабилитроны и т.д.). Различают непосредственную и резисторную гальванические связи. В каждой из этих схем каскадов применена гальваническая связь УЭ с источником сигнала и нагрузкой.

Пример гальванической связи показан на упрощенной структурной схеме (рис.3.6).

Рисунок 3.6 – Структурная схема двухкаскадного усилителя с гальванической (непосредственной) связью

####

Гальваническая связь
Достоинства:

• возможность усиления сигналов постоянного тока (fн = 0);

• простота, малые габариты, масса и стоимость;

• хорошие частотные, фазовые и переходные характеристики;

• высокая технологичность (возможность использования в интегральном исполнении)
Недостатки:

• неэкономичное использование напряжения источника питания;

• каскады (источник и нагрузка) связаны по постоянному току и нестабильность режима работы и параметров одного каскада повлияет на работу другого;

• необходимость борьбы с "дрейфом нуля".

При резисторно-конденсаторной связи в качестве основного элемента связи по сигналу используется разделительный конденсатор (Cр), но в схему связи входят и резисторы.

Пример резисторно-емкостной связи показан на упрощенной структурной схеме (рис.3.7).

Рисунок 3.6 – Структурная схема двухкаскадного усилителя с гальва

Конденсатор связи Ср отделяет усилительные каскады, а также источник и нагрузку от усилителя по постоянному току. Такой вид связи используется только в усилителях переменного тока. Для уменьшения влияния сопротивления конденсатора на частотные искажения его емкость выбирается достаточно большой.

####

Резисторно-конденсаторная связь
Достоинства:

• исключается взаимное влияние каскадов (а также источника и нагрузки) по постоянному току;

• малые габариты, масса и стоимость;
Недостатки:

• плохое использование напряжения источника питания;

• не может применяться для построения усилителей постоянного тока;

• наличие частотных искажений в области нижних частот.

При трансформаторной связи в качестве элемента межкаскадной связи, а также связи между усилителем и нагрузкой (источником) используется трансформатор. Пример трансформаторной связи показан на структурной схеме (рис.3.7)

Рисунок 3.7 – Структурная схема двухкаскадного усилителя с трансформаторной связью

Трансформатор характеризуется рядом параметров:

• коэффициент трансформации , где W1 и W2 – количество витков первичной вторичной обмоток;

• КПД трансформатора , равный отношению мощности сигнала Рн, отдаваемой трансформатором в нагрузку Rн, к мощности сигнала Рвх тр , подводимой ко входу трансформатора от УЭ (обычно КПД трансформатора составляет 0,95…0,98).

При трансформаторной связи нагрузкой источника сигнала (или усилительного каскада) является входное сопротивление трансформатора, которое определяется, как отношение сопротивления во вторичной обмотки трансформатора к квадрату коэффициента трансформации. Так, нагрузкой усилительного элемента выходного каскада по переменному току является сопротивление

(3.3)

####

Трансформаторная связь
Достоинства:

• исключается взаимное влияние каскадов (а также источника и нагрузки) по постоянному току;

• хорошее использование источника питания;

• позволяет максимизировать КПД усилителя;

• позволяет обеспечить любое сопротивление нагрузки УЭ по переменному току
Недостатки:

• большие габариты, вес и стоимость;

• большие частотные и фазовые искажения, что затрудняет применение глубокой общей обратной связи (из-за опасности самовозбуждения);

• дополнительные нелинейные искажения, вносимые трансформатором из-за нелинейности кривой намагничивания материала сердечника трансформатора.

Питание усилительных каскадов осуществляется, как правило, от одного источника постоянного напряжения, в качестве которого применяется выпрямитель или аккумуляторная батарея. При использовании режима «А» необходимые токи и напряжения на электродах транзистора обеспечиваются при помощи резисторов в выходной (к–э) и входной (б–э) цепях транзистора.

Существует ряд типовых схем подачи питания и стабилизации усилительных каскадов:

• с фиксированным током базы (ФТБ);

• с фиксированным напряжением смещения (ФНС);

• с параметрической стабилизацией (с применением термозависимых элементов);

• с коллекторной стабилизацией (КС);

• с эмиттерной стабилизацией (ЭС);

• с комбинированной стабилизацией.

Эти схемы могут отличаться при различных способах включения транзистора (с ОБ, ОЭ, ОК). Рассмотрим особенности построения и анализа этих схем по постоянному току.

### 3.3 Схемы подачи питания и стабилизации режима работы БТ

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 Uбэ) создается с помощью сопротивления Rб, 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 (на рисунках показаны пунктирными линиями) и их значение.

Рисунок 3.8 – Схемы с фиксированным током базы

Схема описывается следующими уравнениями Кирхгофа:

– для контура тока коллектора: (3.4)

– для контура тока базы: (3.5)

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

(3.6)

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

Эта схема удовлетворительно работает при нормальной температуре окружающей среды (25oС) 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 Токр. ср и рассеиваемой на коллекторе мощности Рк, 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 элементов схемы в процессе эксплуатации и ремонта и, в частности, замена транзистора, при которой проявляется разброс всех его параметров и особенно статического коэффициента усиления по току h21э биполярного транзистора, достигающий значений раз;

4. Изменения напряжения источников питания.

Механизм влияния изменений температуры коллекторного "p - n" перехода на положение точки покоя и величины тока iк0 можно показать на примере проходной характеристики БТ, приведенной на рисунке 3.9, где ток смещения iб0 задан таким, чтобы точка покоя находилась в середине линейного участка этой характеристики.

Рисунок 3.9 – Изменение положения точки покоя на проходной характеристике БТ
в схеме с ФТБ при повышении температуры

Ток коллектора iк0 в точке покоя определяется выражением

(3.7)

где: ikб0 – неуправляемый обратный ток коллектора, обусловленный неосновными носителями зарядов через "p - n" переход (указывается в справочнике при температуре Тп.спр); – начальный ток коллектора;

Все слагаемые правой части этого выражения зависят от температуры. Но особенно сильно зависит от температуры ток ikб0. Эта зависимость определяется выражениями:

для германиевых транзисторов:

(3.8)

для кремниевых транзисторов:

(3.9)

Здесь: Тп.спр – температура коллекторного перехода, равная +25oС;

(3.10)

– температура коллекторного перехода, которая зависит от температуры окружающей среды, мощности рассеивания на коллекторе транзистора (Рк = Uк0 iк0) и теплового сопротивления переход – среда (Rпс), которое характеризует степень отвода тепла от p–n перехода в окружающую среду. Тепловое сопротивление Rпс имеет размерность [oC/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 Тп мах и Т. Поэтому значение ikб0 выбирается в справочнике при температуре, наиболее близкой к Тп 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 Uбэ) создается с помощью делителя напряжения, состоящего из сопротивлений Rб и R. Через эти сопротивления протекает постоянный ток делителя (iдел). Падение напряжения на сопротивлении R определяет смещение на переходе б–э транзистора.

Схема описывается следующими уравнениями Кирхгофа:

– для контура тока коллектора: (3.11)

– для контура тока базы: (3.12)

– для контура делителя в цепи базы: (3.13)

Из уравнения (3.12), в частности, следует, что при выполнении условия iдел >> iб

(3.14)

Поскольку Еn >> Uбэ, 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 (25oС) 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 RТ с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС).

Рисунок 3.11 – Схема с температурной компенсацией

Поскольку сопротивление терморезистора с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС, [Ом/ºС]) уменьшается с ростом температуры, то уменьшается и падение напряжения на сопротивлении RТ, а следовательно и напряжение смещения Uбэ0, что в свою очередь уменьшает iб и iк. 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 тока iк0 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 (при коротком замыкании выводов базы и коллектора), что широко применяется в каскадах изготовленных по интегральной технологии.

Рисунок 3.12 – Изменение положения точки покоя в схемах стабилизации

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 iк0 в схемах автоматически должны уменьшиться ток смещения iб0 и напряжение смещения Uб0, что приводит к меньшему изменению iк0, то есть к его стабилизации.

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

В этой схеме напряжение и ток смещения Uбэ0 и iб0 получаются с помощью сопротивления смещения Rб.

(3.15)

В уравнениях (3.15) заключен механизм стабилизации: при увеличении тока iк0, увеличивается падение напряжения на Rк (уменьшается Uкэ0) и, следовательно, уменьшаются Uбэ0 и iб0, это не дает току покоя iк0 заметно возрасти.

В данной схеме стабилизация тока iк0 осуществляется с помощью ООС, параллельной по выходу (по напряжению) и параллельной по входу. Ток в выходной цепи (iк0) будет влиять на входной ток и входное напряжение (Uбэ0 и iб0).

Рисунок 3.13 – Усилительный каскад с коллекторной стабилизацией

Глубина этой ООС будет определяться выражением

(3.16)

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

В схеме на рисунке 3.13 при усилении сигнала наряду с ООС по постоянному напряжению, стабилизирующей ток iк0, возникает ООС и по переменному напряжению с глубиной

(3.17)

Эта ООС снижает сквозной коэффициент усиления каскада К* в раз. Для устранения этой ООС (чтобы избежать уменьшения коэффициента усиления по переменному току) сопротивление Rб представляют в виде двух сопротивлений , между которыми включают конденсатор Сбл, образуя развязывающий фильтр (рисунок 3.14). В этом случае переменная составляющая из коллекторной цепи не попадает в цепь базы, а через шунтирующую емкость Сбл идет сразу на землю. Деление Rб на два сопротивления необходимо, т.к. подключение емкости непосредственно к коллектору или к базе, вместе с устранением ООС, приводило бы фактически к короткому замыканию по переменному току, соответственно, на выходе или входе усилительного элемента и к отсутствию мощности сигнала в нагрузке

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 (iк0) ток базы (iб0) и ток делителя (iдел).

Рисунок 3.15 – Схема с эмиттерной стабилизацией (пунктиром показаны пути протекания постоянных токов)

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

(3.18)

Схема подачи смещения с эмиттерной стабилизацией более эффективна, чем с коллекторной стабилизацией и получила наиболее широкое применение в серийной аппаратуре. В этой схеме напряжение и ток смещения Uбэ0 и iб0 получают от источника питания с помощью делителя Rб и R и сопротивления в цепи эмиттера Rэ. Из (3.18) следует, что

(3.19)

В уравнении (3.19) отражен принцип действия стабилизации. При увеличении тока iк0 увеличивается падение напряжения на сопротивлении Rэ. При выполнении условия iдел >> iб0 напряжение на сопротивлениях Rб и R будет меняться незначительно. Следовательно, с учетом (3.19) напряжение и ток смещения Uбэ0, iб0 уменьшаются, что препятствует увеличению тока iк0. 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 Rвх 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 iдел = (3…10) iб0. С другой стороны, для уменьшения шунтирования входа транзистора сопротивлениями делителя в режиме усиления по переменному току Rд должно 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 Rэ, применяют блокировочный конденсатор Cэ. При включении конденсатора Cэ достаточно большой емкости он практически шунтирует (закорачивает) Rэ 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 Rк и Rэ можно перераспределять с учетом того, что:

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

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

Для обеспечения стабилизации режима работы транзистора напряжение на сопротивлении Rэ выбирается из условия URэ > (0,2…0,3) Uк0.

Для уменьшения шунтирования сопротивлением Rк входа следующего каскада рекомендуется выбирать его из условия Rк (2…6) Rвх сл.

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

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

Напряжение смещения (Uбэ) определяется по входной статической характеристике транзистора для выбранного тока покоя iб0. При отсутствии характеристик можно принять Uбэ 0,4 – 0,7 В.

3.3.6 Эмиттерный повторитель напряжения

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 3.16.

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.

Рисунок 3.16 – Схема подачи смещения с эмиттерной стабилизации в схеме с ОК

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.

Для пояснения этого утверждения можно рассмотреть схему из последовательного соединения двух устройств (например, двух усилительных каскадов).

В идеальном случае общий коэффициент передачи двухкаскадного усилителя будет равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов: Кобщ = К1·К2.

В реальной схеме, как показано на рис. 3.17а, при соединении двух каскадов нужно учитывать конечные значения выходного сопротивления предыдущего каскада и входного сопротивления последующего каскада.

Рисунок 3.17 – Развязка каскадов с применением эмиттерного повторителя

Таким образом, нужно учитывать коэффициент межкаскадной связи

, где .

Коэффициент межкаскадной связи можно не учитывать только при выполнении условия: Rвх2 >> Rвых1, при котором Ксв ≈ 1.

Если, как показано на рис. 3.17б, между двумя каскадами включить эмиттерный повторитель, то с учетом его свойств коэффициенты межкаскадной связи можно не учитывать, поскольку RвхЭП >> Rвых1; Rвх2 >> RвыхЭП.

3. Схема не изменяет форму и величину входного сигнала. Коэффициент передачи по напряжению КЭП < 1. Действительно, из схемы рис.3.16 видно, что Uвх = Uбэ + Uвых, причем Uбэ << Uвых. Падение напряжения на С2 в области средних частот можно не учитывать. Но тогда коэффициент передачи ЭП

не будет превышать 1. Реальный КЭП составляет 0,95…0,98.

3.3.7 Схема с комбинированной стабилизацией

Схема обеспечивает наибольшую стабильность тока покоя iк0, так как в ней объединены эмиттерная и коллекторная стабилизация. Эта схема обычно реализуется в каскадах с развязывающим фильтром RфCф в цепи питания.

На рисунке 3.18 приведена схема усилительного каскада с комбинированной стабилизацией при включении УЭ по схеме с ОЭ.

Рисунок 3.18 – Схема подачи смещения с комбинированной стабилизацией

В этой схеме основным элементом эмиттерной стабилизации является сопротивление Rэ, а основным элементом коллекторной стабилизации является сопротивление Rф развязывающего и сглаживающего фильтра Rф, Сф. Величина сопротивления Rф выбирается при расчете фильтра с учетом допустимых потерь питающего напряжения на нем.

3.3.8 Стабилизация питания затвора полевого транзистора

Режим работы полевого транзистора (положение точки покоя) обеспечивается при подаче напряжения смещения Uз0 на затвор ПТ относительно истока. В этом случае через переход "с – и" будет проходить постоянный ток стока iс0.

При построении цепей смещения полевого транзистора решаются две задачи:

• задание исходного значения постоянного тока стока iс0 (подачей напряжения смещения Uз0 на затвор ПТ относительно истока);

• стабилизация iс0 путем соответствующего автоматического изменения Uз0 с помощью ООС.

Нестабильность тока iс0 вызывается изменением температуры, старением и сменой ПТ, изменением питающего напряжения.

У ПТ с "p - n" переходом температурная нестабильность тока iс0 обусловлена изменениями сопротивления полупроводникового канала и изменениями напряжения между затвором и истоком при изменении температуры. Температурная нестабильность тока iс0 у ПТ меньше, чем температурная нестабильность тока iк0 у БТ. Нестабильность тока iс0 из-за большого технологического разброса параметров ПТ, при замене ПТ, превышает температурную нестабильность и равна примерно ±50%.

На рисунке 3.19 приведена схема усилительного каскада на ПТ с ОИ в режиме "А" с автоматическим смещением.

Рисунок 3.19 – Схема с автоматическим смещением на ПТ

Эта схема обеспечивает стабильность тока iс0. Напряжение смещения на затворе относительно истока, определяется падением напряжения на сопротивлении Rи, создаваемое током iс0:

На сопротивлении в цепи затвора Rз, создающем гальваническую связь затвора с общим проводом, практически нет падения постоянного напряжения, так как ток затвора очень мал и составляет 10-9÷10-12 А. Как итог, в этой схеме температурные изменения тока затвора практически не влияют на напряжение смещения ПТ, и следовательно на ток iс0. Сопротивление затвора Rз обычно выбирают довольно большим, порядка 1 МОм, чтобы уменьшить шунтирование им входа ПТ по сигналу. Сопротивление Rи выбирают таким, чтобы задать положение точки покоя в середине линейного участка проходной характеристики (рисунок 3.20).

С помощью Rи не только задают исходное смещение на затворе, но и обеспечивают стабилизацию тока iс0. Механизм стабилизации тока iс0 связан с механизмом автоматического смещения: например, с увеличением iс0 автоматически возрастает отрицательное смещение, что сдерживает возрастание тока iс0.

Сопротивление Rи является сопротивлением ООС. В данной схеме действует последовательная по способу снятия, и подачи ООС, которая уменьшает приращения стокового тока Δiс0 в сквозную глубину ООС по постоянному току F* :

(3.21)

где Sд – крутизна проходной характеристики.

Рисунок 3.20 – Проходная динамическая характеристика ПТ

Из (3.21) следует, что чем больше Rи, тем больше сквозная глубина ООС и тем эффективнее стабилизация тока iс0.

Выбранное значение Rи должно удовлетворять двум условиям: условию получения начального смещения -Uзи0 (рисунок 1.20) и условию получения требуемой глубины ООС по постоянному току F=треб.

Если для получения F=треб понадобится большее Rи, чем для получения начального смещения, то его увеличивают, а смещение обеспечивают с помощью делителя в цепи затвора ПТ, как показано на рисунке 3.21, получая

Вместе с тем, включение делителя уменьшает входное сопротивление каскада по сигналу. Это приводит к уменьшению коэффициента передачи входной цепи.

В схемах на МДП транзисторах применяются практически такие же цепи смещения, как и в схемах на ПТ с "p - n" переходом с учетом особенностей МДП-транзисторов. В них с возрастанием температуры ток стока iс0 может увеличиваться, уменьшаться или оставаться прежним, что обусловлено технологией изготовления. Кроме того, у МДП-транзисторов со встроенным каналом напряжение смещения Uзи0 может быть отрицательным, нулевым или положительным, что также обусловлено технологией изготовления. Полярность напряжения на затворе может совпадать с полярностью питающего напряжения на стоке, как у МДП-транзисторов с индуцированным каналом. Это позволяет получать смещение от общего источника питания с помощью резисторного делителя в цепи затвора, как без стабилизации, так и со стабилизацией с помощью ООС.

Рисунок 3.21 – Схема на ПТ со смещением с помощью делителя в цепи затвора.

Ниже приведены примеры реализации схем усилительных каскадов с применением полевых МДП транзисторов с индуцированным каналом.

Рисунок 3.22 – Схема на МДП транзисторе с истоковой стабилизацией

Рисунок 3.23 – Схема на МДП транзисторе с комбинированной стабилизацией

### 3.4 Примеры решения задач

Задача 1

В схеме усилителя (рисунок 3.24) определить значения резисторов R и Rб, если известно, что Е = 22В, постоянный ток коллектора Iк0 = 10 мА, h21э = 40, Uбэ0 = 0.4В, ток делителя Iдел = 6 Iб0, Rк = 1.1 кОм, Uкэ0 = 7В.

Рисунок 3.24 – Схема усилителя с эмиттерной стабилизацией

Решение: запишем уравнение Киргофа, для контура тока базы
выразим отсюда Rб

Коэффициент усиления по току

отсюда

и

Найдем U0Rэ:

Подставим полученные токи и напряжение в формулу для Rб

Напряжение на R будет равно сумме напряжений U0Rэ и Uбэ0,

Зная ток делителя, находим

Задача 2.

В усилительном каскаде (рисунок 3.25) определить напряжение смещения Uбэ0, если известно, что E=16B, Uкэ0=6В, h21э=50, Rк=1кОм, Rб=75кОм.

Решение: Запишем уравнение Кирхгофа для контура тока базы

Отсюда

Аналогично для контура тока коллектора

Из уравнения для контура тока коллектора выразим Iк0:

Рисунок 3.25 – Схема с фиксированным током базы

Зная статический коэффициент передачи тока , находим

Определив ток базы, мы можно найти напряжение смещения Uбэ0:

Задача 3.

В схеме усилительного каскада (рисунок 3.26) определить значения резисторов R и Rэ, если известно, что E=20B, Uбэ0=1В, постоянный ток коллектора Iк0=2мА, ток делителя Iдел=4Iб0, h21э=40, Rк=3кОм, Rб=47кОм.

Решение: Для нахождения R необходимо определить ток, протекающий через него (Iдел), и составить уравнение Кирхгофа для контура этого тока . При этом необходимо с учесть, что через сопротивление Rб помимо тока делителя протекает еще и ток базы:

Рисунок 3.26 – Схема усилителя на БТ с эмиттерной стабилизацией при включении транзистора с общей базой

Отсюда:

Чтобы найти Iдел нужно знать ток Iбо. Его можно найти из соотношения .

Отсюда .

Для тока делителя известно соотношение Iдел = 4 Iб0.

Следовательно .

Поскольку , то

Задача 4.

Изобразить схему однотактного усилительного каскада с ОЭ с коллекторной стабилизацией и определить значения резисторов в коллекторной цепи Rк, в цепи базы Rб, используя приведенное семейство выходных характеристик (рисунок 3.27) с нагрузочной прямой по постоянному току и значением напряжения смещения Uбэ0=0,6В. Определить глубину ООС, стабилизирующую выходной ток покоя Iк0 в данной схеме, если входное сопротивление транзистора Rвхэ = 2 кОм.

Рисунок 3.27 – Семейство выходных характеристик БТ

Изобразим схему усилителя с коллекторной стабилизацией, при включении с ОЭ.

Рисунок 3.28 – Схема с коллекторной стабилизацией

По нагрузочной прямой, опустив перпендикуляры на оси получим, значение Iк0 и Uкэ0. Из графика также получим значения Eп и Iб0.

Запишем уравнение Кирхгофа для контура тока коллектора

Отсюда определим Rк:

Сквозная глубина ООС по постоянному току определяется из выражения:

Коэффициент передачи по току для данной схемы будет равен:

Зная h21э и Rвхэ, определяется глубина ООС:

### 3.5 Вопросы для самопроверки

1. Дать определение режима работы транзистора. Перечислить режимы работы, их достоинства и недостатки, область применения.

2. Показать точку покоя для режима «А» на характеристике прямой передачи и на семействе выходных статических характеристиках транзистора, включенного с общим эмиттером. Из каких соображений выбирается точка покоя транзистора, работающего в режиме «А»?

3. Показать точку покоя для режима «В» на характеристике прямой передачи и на семействе выходных статических характеристиках транзистора, включенного с общим эмиттером. В чем отличие идеального и реального режима «В»?

4. Пояснить порядок построения нагрузочной прямой по постоянному и переменному току на примере схемы с фиксированным током базы.

5. Что такое «нагрузка»? Что может использоваться в качестве нагрузки для усилительного каскада?

6. Что является нагрузкой по постоянному и переменному току для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером и эмиттерной стабилизацией.

7. Перечислить дестабилизирующие факторы, влияющие на свойства транзи-стора и параметры усилительного каскада. Для чего необходимо стабилизировать режим работы транзистора? К каким последствиям может привести отсутствие стабилизации?

8. Пояснить, как влияет температура на входные, выходные и проходные характеристики транзистора.

9. Нарисовать (качественно) на семействе выходных статических характеристиках нагрузочные прямые по постоянному и переменному току в схеме с фиксированным током базы. Как изменятся эти характеристики (и точка покоя) при возрастании температуры?

10. Изобразить характеристику прямой передачи транзистора. Пояснить, как изменится эта характеристика, точка покоя и форма выходного сигнала в схеме фиксированным током базы при возрастании температуры? Сравнить со схемами коллекторной и эмиттерной стабилизации.

11. Нарисовать схему усилительного каскада с коллекторной стабилизацией (транзистор включен по схеме с ОЭ). Показать пути протекания постоянного тока. Пояснить назначение элементов и принцип стабилизации.

12. Нарисовать схему усилительного каскада с эмиттерной стабилизацией (транзистор включен по схеме с ОЭ). Показать пути протекания постоянного тока. Пояснить назначение элементов и принцип стабилизации.

13. Нарисовать схему усилительного каскада с комбинированной стабилизацией (транзистор включен по схеме с ОЭ). Показать пути протекания постоянного тока. Пояснить назначение элементов и принцип стабилизации.

14. Нарисовать схему усилительного каскада с эмиттерной стабилизацией (транзистор включен по схеме с ОЭ). Показать пути протекания постоянного и переменного тока. Пояснить назначение емкости в цепи эмиттера.

15. Из каких соображений выбираются сопротивления делителя в схеме с эмиттерной стабилизацией?

16. Из каких соображений выбираются сопротивления Rк и Rэ в схеме с эмиттерной стабилизацией?

17. Как следует изменить элементы схемы с эмиттерной стабилизацией, чтобы увеличить эффективность стабилизации?

18. Какие методы могут применяться в схемах усилителей для стабилизации режима работы транзисторов? Дать краткую характеристику.

19. В чем суть метода температурной компенсации, применяемой в усилительных каскадах для стабилизации режима работы с применением термозависимых элементов? Привести примеры схемной реализации.

20. Для чего в схемах усилительных каскадов ставят разделительные емкости?

21. К чему приведет отсутствие емкости Сэ в схеме с эмиттерной стабилизации? Пояснить ответ.

22. Нарисовать схему усилительного каскада с фиксированным напряжением смещения. Пояснить назначение элементов. Сделано ли что-то в данном усилительном каскаде для стабилизации точки покоя при изменении температуры окружающей среды?

23. С помощью каких элементов создается отрицательная обратная связь в схемах с коллекторной, эмиттерной и комбинированной стабилизацией? Определить способы снятия и подачи обратной связи.

### 3.6 Тестовые упражнения

1. В схеме усилителя с КС (рисунок 3.29) определить значения резисторов , если известно, что Е = 22В, постоянный ток Iк0 = 10 мА, h21э = 40, Uбэ0 = 0.4 В, ток делителя Iдел= 6Iб0, Rк = 1.1 кОм.

Рисунок 3.29 – Схема с коллекторной стабилизацией

2. В схеме усилительного каскада с ЭС (рисунок 3.24) определить значения резисторов R и Rэ, если известно, что Е = 20В, Uбэ0 = 1В, постоянный ток коллектора Ik0 = 2мA, ток делителя Iдел = 4 Iб0, h21э=40, Rб=47кОм.

3. Изобразить схему однотактного усилительного каскада с ОЭ и коллекторной стабилизацией. Определить значения резисторов в коллекторной цепи (Rк), и в цепи базы (Rб), используя приведенное на рисунке 3.30 семейство выходных характеристик с нагрузочной прямой по постоянному току, если значение напряжения смещения Uбэ0 = 0,4В.

Рисунок 3.30

4. Для схемы с ЭС (рисунок 3.24) определить значения постоянного тока коллектора iк0 и напряжения в точке покоя Uкэ0, если известно, что E=22 B, h21э=40, Rк = 1 кОм, Rб = 16 кОм, R = 0,8 кОм, Rэ = 0,5 кОм, ток делителя iдел=5iб0.

5. В усилительном каскаде (рисунок 3.24) рассчитать значения резистора Rб, R, Rэ, если известно, что E = 14 B, Uкэ0 = 6 В, Uбэ0 = 0,5 В, Iб0 = 0,05 мА, h21э=40, ток делителя Iдел=5Iб0.