Установка рабочей точки биполярного транзистора

Существует два основных способа установки рабочей точки БТ по постоянному току, представленных на рис 16. Это схема с фиксированным напряжением на базе и схема с фиксированным током базы.

Рабочая точка БТ формируется одновременно в системе координат входных и выходных ВАХ, и для обоих случаев установки рабочей точки и являются величинами, которые задаются значениями , . Разница состоит лишь в выборе управляющей величины: в схеме с фиксацией напряжения на базе выбирается внешнее напряжение смещения , равное значению , при котором в соответствии с входной ВАХ БТ ток через база-эмиттерный переход БТ будет равен , в схеме с фиксацией тока базы ток источника тока сразу выбирается равным , тем самым автоматически, опять же в соответствии с входной ВАХ, обеспечивая установку необходимого . Оба способа установки рабочей точки по постоянному току являются практически идентичными, так как , с соответствующим ему значением , или, наоборот, , с соответствующим ему значением , это одна точка на входной ВАХ БТ, но при этом оба способа смещения Б-Э перехода весьма различно влияют на свойства каскадов усиления по переменному току и, особенно, на их термостабильность. Однако на практике в ряде ограниченных случаев, например в узком температурном диапазоне, применение их вполне допустимо.

Разновидности схем установки рабочей точки с фиксированным напряжением на базе представлены на рис. 17, 18. На схемах клеммами «вх», «вых» обозначены места для подключения к источнику сигнала и к нагрузке.

Для схемы на рис. 17 источник базового смещения (как правило, напряжение меньше, чем напряжение ) отделен от базового перехода БТ сопротивлением , которое служит для развязки источника сигнала по переменному току от низкоомного сопротивления источника смещения и задания величины постоянного тока базы в его рабочей точке. Недостаток схемы формирования напряжения базового смещения на рис. 17 – в наличии дополнительного источника напряжения .

В схеме на рис. 18 роль дополнительного источника смещения выполняет источник питания , с помощью которого и делителя напряжения , к базе транзистора прикладывается необходимое для открывания перехода Б-Э напряжение.

Схема на рис. 19 устанавливает рабочую точку транзистора с помощью стабильного базового тока. Идеальный источник тока в схеме на рис. 16 заменен в схеме на рис. 19 высокомным сопротивлением , подключенным к источнику питания . Напряжение по сравнению с напряжением питания мало, следовательно, ток базы задается сопротивлением в соответствии с законом Ома . Так как базовый ток мал, то сопротивление 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 в схеме на рис. 19 много меньше шунтирует источник сигнала по переменному току, чем сопротивление в схеме на рис. 17 или сопротивление делителя напряжения в схеме на рис. 18. Отрицательным свойством малого шунтирующего действия резистора на переход Б-Э в схеме на рис. 19, по сравнению со схемами на рис. 17, 18, 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. 17, 18, зависимость коэффициента усиления по току БТ от температуры в схеме на рис. 19, технологического разброса коэффициента усиления по току БТ, достаточно требовательны к точному выбору значения сопротивления , 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. 20). 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. 20) на базе транзистора VT1 зафиксировано делителем напряжения R1, R2. Ток эмиттера в соответствии с законом Ома вызывает падение напряжения на эмиттерном сопротивлении R4. Любое изменение или под действием дестабилизирующих факторов вызывает соответствующее изменение и, следовательно, изменение падения напряжения . Так как напряжение перехода в соответствии с законом Кирхгофа, а зафиксировано, то изменение падения напряжения на эмиттерном сопротивлении R4 обязательно приведет к изменению напряжения , причем противофазно изменению напряжения на R4. Например, в случае даже незначительного увеличения произойдет значительное увеличение в силу усилительных свойств БТ, и, следовательно, напряжение на Б-Э переходе уменьшится, что в свою очередь скомпенсирует увеличение , осуществив таким образом стабилизацию рабочей точки транзистора VT1.

Схема на рис. 21 иллюстрирует метод установки рабочей точки с использованием ООС по напряжению. Цель подключения сопротивления R1, задающего , 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 с помощью выходного напряжения , меняющего противофазно . В случае увеличения (уменьшения) ток коллектора VT1 увеличивается (уменьшается), напряжение уменьшается (увеличивается) и, следовательно, ток базы уменьшается (увеличивается).

Общий подход к расчету режима БТ по постоянному току для схем (рис. 17…21), работающих в активном (линейном) режиме примерно одинаков, хотя имеет 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. 17…21), следующий.