Установка рабочей точки биполярного транзистора

В схеме на рис. 2.4 роль дополнительного источ­ника смещения выполняет источник питания U_П, с помощью которого и делителя напряжения R1, R2 к базе транзистора прикладывается необходимое для открывания перехода Б-Э напряжение.

Схема на рис. 2.5 устанавливает рабочую точку транзистора VT1 с помощью стабильного базового тока. Идеальный источник тока в схеме на рис. 2 заменен в схеме на рис. 2.5 высокоомным сопротивле­нием R1, подключенным к источнику питания U_П. Напряжение U_БЭ по сравне­нию с напряжением питания U_П мало, следовательно, ток базы задается сопро­тивлением R1 в соответствии с законом Ома 1_Б ≈ U_П / R1. Так как базовый ток I_Б мал, то сопротивление R1 достаточно велико, что соответствует свойству идеаль­ного источника тока - обладать высоким внутренним сопротивлением.

Сравнение схем подачи базового смещения со стабилизацией напряжения на базе и схемы подачи стабильного тока базы показывает, что сопротивление R1 в схеме на рис. 2.5 много меньше шунтирует источ­ник сигнала по переменному току, чем сопротивление R1 в схеме на рис. 2.3 или сопротивление делителя напряжения R1, R2 в схеме на рис. 2.4. Отрицательным свойством малого шунтирующего действия резистора R1 на переход Б-Э в схеме на рис. 2.5, по сравнению со схемами на рис. 2.3, 2.4, является слабое рассасывание зарядов из базы транзистора при резких фронтах входного сигнала, в результате чего переход транзистора из открытого состояния в закрытое происходит медленно.

Все схемы формирования базового смещения транзистора в силу разброса свойств БТ, таких как зависимость прямого падения напряжения на переходе Б-Э от температуры для схем на рис. 2.3, 2.4, зависимость коэффициента усиления по току БТ от температуры в схеме на рис. 2.5, техноло­гического разброса коэффициента усиления по току БТ, достаточно требователь­ны к точному выбору значения сопротивления R1, которое часто во всех рассмот­ренных схемах делают регулируемым или подстроечным.

Устранение влияния дестабилизирующих факторов на режим работы БТ по постоянному току достигают использованием цепей отрицательной обратной свя­зи (ООС). Упрощенно принцип обратной связи состоит в том, что часть полезного сигнала с выхода схемы поступает обратно на ее вход, причем для отрицательной обратной связи характерно уменьшение (компенсация) входного сигнала под воз­действием выходного сигнала, поэтому она и на­зывается отрицательной. С точки зрения стабили­зации рабочей точки БТ принцип ООС следует по­нимать так, что доля выходного напряжения или тока (а для БТ выходной цепью является цепь кол­лектор-эмиттер, и, следовательно, выходным сиг­налом должны являться параметры выходной цепи - ток коллектора или эмиттера, или напряжения на коллекторе или эмиттере БТ) должна поступать обратно во входную, базовую цепь БТ и воздейст­вовать на напряжение или ток в базовой цепи противофазно дестабилизирующим факторам с целью уменьшения их влияния на режим БТ по постоян­ному току.

Наиболее распространена схема установки ра­бочей точки БТ с ООС по току (рис. 2.6). Другое ее название - схема с фиксированным напряжением на базе и эмиттерной стабилизацией. Она является универсальной схемой установки рабочей точки БТ для любого варианта включения транзистора по переменному току.

Напряжение (рис. 2.6) на базе U_Б транзистора VT1 зафиксировано делителем напряжения Rl, R2. Ток эмиттера I_Э=I_К+I_Б ≈I_К в соответствии с законом Ома вызывает падение напряжения U_R4 на эмиттерном сопротивлении R4. Любое из­менение I_Б или U_БЭ под действием дестабилизирующих факторов вызывает со­ответствующее изменение I_Э и, следовательно, изменение падения напряжения U_R4. Так как напряжение перехода U_БЭ=U_Б-U_R4 в соответствии с законом Кирхгофа, a U_Б = const зафиксировано, то изменение падения напряжения U_R4 на эмиттерном сопротивлении R4 обязательно приведет к изменению напряжения U_БЭ, причем противофазно изменению напряжения на R4. Например, в случаедаже незначительного увеличения I_Б произойдет значительное увеличение I_Э в силу усилительных свойств БТ и, следовательно, напряжение U_БЭ на Б-Э пере­ходе уменьшится, что в свою очередь скомпенсирует увеличение I_Б, осуществив, таким образом стабилизацию рабочей точки транзистора VT1.

Схема на рис. 2.7 иллюстрирует метод установки рабочей точки с использо­ванием ООС по напряжению. Цель подключения сопротивления R1, задающего I_Б, к коллектору VT1, получить независимость режима работы БТ по постоянному току от свойств самого БТ (технологического разброса коэффициента переда­чи по току), а также устранение влияния на БТ дестабилизирующих факторов в виде изменения напряжения питания или температуры. Стабилизирующее дейст­вие ООС основано на компенсации возможного изменения I_Б с помощью выход­ного напряжения U_KЭ, меняющего противофазно I_Б. В случае увеличения (уменьшения) I_Б ток коллектора I_K VT1 увеличивается (уменьшается), напряже­ние U_KЭ = U_П - I_К · R2 уменьшается (увеличивается) и, следовательно, ток базы I_Б =U_KЭ/R1 уменьшается (увеличивается).

Общий подход к расчету режима БТ по постоянному току для схем (рис. 2.3...2.7), работающих в активном (линейном) режиме примерно одинаков, хотя имеются различия, относящиеся к выбору элементов стабили­зации рабочей точки БТ в базовой цепи транзистора.

Порядок расчета элементов схемы для установки рабочей точки БТ, работающего в линейном режиме (рис. 2.3...рис. 2.7), следую­щий.

1. Опре­деляем тип транзистора

Для предва­рительных усилителей, работающих, как правило, в слаботочном режиме, если нет каких-либо специфических требований, например повышенного напряжения питания, низкоомного сопротивления нагрузки, большой амплитуды переменной составляющей тока или напряжения на выходе усилителя, следует выбирать тран­зистор, относящийся к классу маломощных, наиболее дешевых, с предельной по­стоянной рассеиваемой мощностью коллектора БТ до (100...250) мВт (в домашнем задании тип транзистора задан в ТЗ табл. 2.1).

Учёт частотных свойств БТ осуществляется обычно на этапе расчета свойств усилительного каскада по переменному току, предварительный выбор транзисто­ра (низкочастотный, высокочастотный или сверхвысокочастотный) может быть осуществлен по планируемому частотному диапазону усилительного устройства. Однако следует знать, что использование более высокочастотных типов транзи­сторов в низкочастотных цепях нежелательно, так как они дороги, склонны к са­мовозбуждению и обладают меньшими эксплуатационными запасами.

2. Задаем постоянный ток коллектора I_К БТ

Так как в апаратуре БТ может быть использован в широком диапазоне токов и напряжений, то ограничением на их выбор служат значения предельно допус­тимых режимов, превышение которых в условиях эксплуатации не допускается независимо от длительности импульсов напряжения или тока. Поэтому при при­менении БТ необходимо обеспечить их защиту от мгновенных изменений токов и напряжений, возникающих при переходных процессах, мгновенных изменениях питающих напряжений. Не допускается также работа БТ в совмещенных предель­ных режимах (например, по напряжению и току). Для повышения надежности БТ при эксплуатации следует выбирать рабочие режимы БТ (I_K,U_KЭ, постоянную рассеиваемую мощность коллектора) меньше, чем их предельно допустимые ве­личины в (1,2... 1,4) раза. При запасе в (1,6...2) раза надежность работы транзи­стора высока и практически не зависит от режима его работы. Существует несколько критериев выбора I_К.

• Наиболее прост способ, не требующий оптимизации режима работы БТ под
определенные свойства. Задаем I_К, равный приведенному в справочниках [1,2]
типовому режиму измерения параметров БТ, например справочный I_К,
соответствующий режиму измерения статического коэффициента передачи тока
или режиму измерения модуля коэффициента передачи тока на высокой частоте.

• В случае необходимости, чтобы транзистор имел максимальный коэффициент передачи тока h_21Э (например, если требуется получить максимальное входное сопротивление усилителя по переменному току) следует воспользоваться типовой справочной зависимостью h_21Э от тока I_К или I_Э (рис. 2.1). Ток коллектора выбирается равным значению при максимальной величине h_21Э.

• Для расширения полосы пропускания усилителя в области высших частот в случае его широкополостного применения необходимо воспользоваться справочной зависимостью граничной частоты БТ от тока коллектора. Ток коллектора выбирается соответствующим максимальному значению граничной частоты БТ.

• При построении малошумящих входных усилителей основой для выбора
тока коллектора является справочная зависимость коэффициента шума БТ от тока
коллектора. Ток коллектора следует выбирать по минимуму коэффициента шума.

• Во всех случаях, если известна амплитуда переменной составляющей тока на выходе усилительного каскада (например, по ТЗ или величине выходной мощности на заданной нагрузке), то значение постоянной составляющей тока коллектора I_K должно быть не меньше, чем амплитудное значение переменной составляющей тока в нагрузке.

Уменьшать ток коллектора БТ ниже значений, указанных в критериях вы­бора, нецелесообразно, если нет особых требований по минимизации потребления схемы усилителя, или, если не выбран тип БТ, специально разработанный для работы с малыми токами. При малых рабочих токах у обычного БТ снижается устой­чивость работы в диапазоне температур и появляется нестабильность параметров усиления во времени.

3. Задаем постоянное напряжение U_KЭ БТ

• Критерием выбора U_КЭ является такое положение рабочей точки А БТ на семействе выходных ВАХ, при котором возможно получение максимальной амплитуда переменной составляющей на выходе усилительного каскада.

Так как возможное изменение по­ложения точки А при ее движении под действием входного сигнала по нагру­зочной прямой ВС на графиках выход­ных ВАХ (рис. 2.2) ограничено с одной стороны потенциалом земли - точкой В (режим насыщения), а с другой стороны - потенциалом источника питания U_П -точкой С (режим отсечки), то целесооб­разно выбирать для исходного положе­ния рабочей точки напряжение U_KЭ, равное приблизительно половине напряжения питания U_П.

Обеспечить U_КЭ≈U_П /2 следует выбором величины сопротивления R_K в коллекторной цепи транзистора. Так как БТ в линейном режиме является источ­ником тока, то значение U_КЭ на переходе К-Э должно устанавливаться принуди­тельно, в частности для схем на рис. 2.3, 2.4, 2.5, 2.7 падением напряжения U_RK на коллекторном сопротивлении R_K. В соответствии с законом Кирхгофа U_КЭ+U_RK=U_П. Следовательно, U_КЭ=U_П -I_K·R_K, отсюда R_K ≈U_П /2I_K (рис. 2.3, 2.4, 2.5, 2.7)

Для схемы на рис. 2.6 закон Кирхгофа для коллекторной цепи записывается как U_R4+U_KЭ+U_R3=U_П, где U_R4 - падение напряжения на эмиттерном сопротивлении, U_R3 - падение напряжения на коллекторном сопротивлении. Для рабо­ты цепи ООС и термостабилизации режима по постоянному току минимальное падение напряжения на эмиттерном резисторе устанавливается U_R4=(0,1…0,2)U_П [3].

Определяем по закону Ома для участка цепи величину R_Э, считая I_Э=I_K+I_Б≈I_K:

R_Э=R₄=U_R4/I_K (рис. 2.6).

С увеличением R_Э увеличивается термостабильность схемы. Но чем больше U_R4, тем меньшая доля напряжения источника питания будет приходиться на пе­реход К-Э: U_KЭ=U_П-U_R3-U_R4, тем возможно меньший размах переменной составляющей может быть получен на выходе схемы. Максимальный размах пе­ременной составляющей возможен при U_КЭ =U_R3, то есть при равномерном рас­пределении напряжения между переходом К-Э и коллекторным сопротивлением R3. Отсюда следует, что

R_K=R3=(U_П-U_R4)/2I_K (рис. 2.6)

4. Определяем в рабочей точке постоянный ток базы I_Б БТ

• По положению рабочей точки на семействе выходных ВАХ (рис. 2.2). Ток
базы, например, для варианта установки рабочей точки А на рис. 2.2 должен
равняться значению тока соответствующих ветвей ВАХ, на которых находится
точка А - I_БЗ или I_Б4, или, что, для конкретного примера точнее: (I_Б3+I_Б4)/2 их усредненному значению.

• По заданному в рабочей точке току коллектора

I_Б=I_K / h­_21Э,

В справочниках [7, 8] приводятся, как правило, или типовые (усредненные) зависимости параметров БТ, или значения параметров одного и того же БТ в не­котором интервале, ограниченном минимальным или максимальным значением. Поэтому коэффициент передачи тока БТ h_21Э определяется как

• типовое справочное h_21Э,

• среднегеометрическое значение интервала ,

• графически по справочной зависимости h_21Э от тока коллектора для
выбранного типа транзистора при заданном I_К (рис. 2.1).

5. Задаем в рабочей точке постоянное напряжение U_БЭ БТ

• Наиболее простой и часто используемый способ, считать для кремниевых БТ, работающих в линейном режиме