Цепи питания биполярных транзисторов

ЦЕПИ ПИТАНИЯ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ Цепи питания биполярных транзисторов должны обеспечивать определенный режим работы по постоянному току, выражающийся определенными начальными значениями Uбэ, Iб, Uк, Iк. При этом не должно иметь место недопустимое отклонение от заданного режима работы под воздействием дестабилизирующих факторов. Исходный режим работы задается либо током базы Iб, либо напряжением смещения Uбэ. Для стабилизации точки покоя А применяют специальные меры, основанные на использовании обратных связей (ОС). Смещение может быть фиксированным, например, по току базы Iб=const., или по напряжению на базе относительно эмиттера Uбэ=const., либо автоматически регулируемым, когда при изменении тока коллектора, напряжение на базе или ток базы также изменяются, но в сторону выравнивания режима работы транзистора. СХЕМА СМЕЩЕНИЯ С ФИКСАЦИЕЙ ТОКОМ БАЗЫ Пример построения нагрузочной прямой, выбора рабочей точки, соответствующей режиму А работы транзистора и расчета схемы для конкретного транзистора и заданных параметров усиливаемого сигнала. Используя выше приведенную схему усилительного каскада со схемой смещения с фиксацией тока базы (рис.1), построим нагрузочную прямую и выберем на ней положение начальной точки покоя, соответствующее режиму А работы транзистора для обеспечения на выходе усилительного каскада максимального синусоидального коллекторного тока Iкmax = 10mA, рассчитаем значения сопротивлений Rб и Rк, а также величину Iбмах, необходимого максимального синусоидального базового тока на входе, для обеспечения заданного максимального коллекторного тока на выходе и коэффициент усиления каскада по току (Кi) для конкретного транзистора, выходные вольт-амперные характеристики которого приведены на рисунке 2. Напряжение источника коллекторного питания составляет Е0 = 12,5В. Построение нагрузочной прямой на выходных ВАХ для заданных параметров усилительного каскада выполняем следующим образом: - на оси абсцисс откладываем точку N, равную величине напряжения источника коллекторного питания Е0 = 12,5В; - параллельно оси абсцисс, чуть выше кривой обратного коллекторного тока Iкбо (для исключения его влияния на работу каскада), проводим пунктирную линию для определения, в дальнейшем, нижней точки С нагрузочной прямой; эта линия пересекает ось ординат примерно на отметке 2,5 мА; -от точки пересечения пунктирной линии с осью ординат откладываем на этой оси точку 2,5мА+10мА+10мА = 22,5 мА (где 10 мА соответственно размахи отрицательной и положительной полуволны заданного максимального коллекторного тока на выходе усилительного каскада); - через полученную точку 22,5 мА (по оси коллекторного тока) проводим пунктирную линию, параллельную оси абсцисс, до пересечения с началом изгиба кривой коллекторного тока выходной ВАХ; таким образом получаем верхнюю точку В нагрузочной прямой; - через точку N и полученную точку В проводим нагрузочную прямую до пересечения с осью ординат, получаем точку М на оси коллекторного тока (величина коллекторного тока полностью открытого транзистора IкМ); в нашем случае IкМ ~ 23мА; - в месте пересечения нагрузочной прямой с пунктирной линией в нижней части построения, отмечаем точку С (точку отсечки тока на нагрузочной прямой ВС); - делим отрезок по оси ординат между двумя пунктирными линиями пополам (половина полного размаха коллекторного тока, величина, равная Iкмах), находим точку 12,5 мА на оси коллекторного тока и через нее проводим пунктирную линию, параллельную оси абсцисс до пересечения с построенной нагрузочной прямой; таким образом получаем среднюю точку А нагрузочной прямой ВС, соответствующую режиму «А» работы транзистора; - слева от графика выходных статических ВАХ, между построенных пунктирных линий, рисуем кривую заданного выходного максимального синусоидального коллекторного тока усилительного каскада; - в нашем случае через полученную точку А нагрузочной прямой не проходит линия коллекторного тока, приведенная на графике ВАХ (сплошная линия), поэтому строим аппроксимацию этой линии (пунктирная линия, проходящая через точку А); таким образом, необходимым базовым током, обеспечивающим заданное начальное смещение транзистора (т.е обеспечивающим режим работы по постоянному току) будет ток базы Iб=0,15мА, а необходимое для этого сопротивление в цепи базы, рассчитывается по формуле: Rб = Е0/Iб = 12,5В/0,15мА = 83333 Ом ~83,3 кОм. Величина сопротивления в цепи коллектора Rк (определяет наклон нагрузочной прямой для получения на выходе каскада заданной величины коллекторного тока), рассчитывается по формуле: Е0/IкМ, где IкМ величина тока в точке М (полностью открытого транзистора). Таким образом Rк = 12,5В/23мА = 543 Ом. Величина необходимого максимального базового синусоидального тока Iбмах на входе каскада, для обеспечения заданного максимального коллекторного тока на его выходе, равна току базы соответствующему точке В минус ток базы, соответствующий точке С деленному на 2: Iбмах = Iб(В) – Iб(С)/2. Таким образом Iбмах = 0,15мА. Коэффициент усиления каскада по току Кi = Iкмах/Iбмах = 10мА/0,15мА = 66,7. СХЕМА СМЕЩЕНИЯ ФИКСИРОВАННЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ Uбэ Для задания необходимого смещения Uбэ, которое составляет доли Вольта, используется делитель напряжения на резисторах Rб1, Rб2 (см. рис.3). Ток, протекающий через делитель: Iд = Е0/Rб1+Rб2, т.о. падение напряжения на резисторе Rб2 URб2 = Uбэ = IдRб2 = Е0Rб2/Rб1+Rб2=const. ЦЕПЬ СМЕЩЕНИЯ С ЭМИТТЕРНОЙ СТАБИЛИЗАЦИЕЙ Это одна из наиболее распространенных в усилителях переменного тока схем стабилизации режима смещения (рис.4). В этой схеме резистор Rэ в цепи эмиттера используется в качестве элемента последовательной обратной связи (ОС): Физически выравнивающее действие ОС объясняется тем, что, например, при увеличении тока коллектора под воздействием дестабилизирующего фактора, возрастают ток эмиттера и, соответственно, напряжение, теряемое на сопротивлении Rэ (появляется напряжение дельта Uэо). Это напряжение приложено к точкам Э и Б через резистор Rб2, а также через источник питания и резистор Rб1. Сопротивление источника питания << Rб1, поэтому можно считать, что дельта Uэо передается от точек О,Э к точкам Б,Э через параллельно соединенные Rб1 и Rб2 с общим сопротивлением. Часть напряжения дельта Uэо, равная дельта Uбо = дельта Uэо/Rб1+Rб2, передается на базу с обратным знаком и, таким образом, стремится уменьшить коллекторный ток. В результате изменение коллекторного тока, вызванного дестабилизирующими факторами, получится меньше, чем в схеме без ОС, т.е. без сопротивления в цепи эмиттера. Эффективность стабилизирующего действия зависит от глубины ОС. Для получения более глубокой ОС следует увеличивать Rэ, но тогда на нем будет теряться большая доля напряжения источника питания и ухудшаются энергетические показатели схемы. Уменьшается и коэффициент усиления каскада, т.к. часть полезного сигнала будет также теряться из-за падения напряжения на Rэ. (Поэтому, необходим компромисс!). Для того, чтобы сглаживающее действие ОС не привело к значительному снижению коэффициента усиления каскада, используют блокировочный конденсатор Сэбл довольно большой емкости. Так как сопротивление переменному току (коим и является полезный сигнал) конденсатора Сэбл значительно меньше, чем постоянному, обеспечивающему заданный режим работы транзистора, то полезный сигнал пойдет именно через него и влияние на изменение коэффициента усиления цепи ОС станет значительно меньше. Блокировочный конденсатор в цепи эмиттера применяется не всегда, например, при малых Rэ или в эмиттерных повторителях, когда полезный сигнал снимается не с коллектора, а с эмиттера транзистора и использование Сэбл просто недопустимо. Конденсаторы С1 и С2, используемые во всех трех вышеприведенных схемах, разделительные – развязывающие входные и выходные цепи усилителя от действия источника сигнала и нагрузки по постоянному току.