Тема 3. 4 питание усилительных каскадов и стабабилизации их режимов

Положение рабочей точки покоя на коллекторной динамической характеристике определяет величины тока и напряжения в выходной цепи, а те, в свою очередь, зависят от тока базы (I _бо), т.е. от режима входной цепи. И этот режим определяется источником питания, или смещения.

Смещением в транзисторных усилителях называют постоянное напряжение между базой и эмиттером U_бэ или ток базы покоя I _бо.

Смещение выбирается так, чтобы в режиме покоя, а также при усилении сигнала, не превышались максимально допустимые значения тока и напряжения коллектора и выделяемой на коллекторе электрической мощности, а также коэффициента гармоник.

В рассмотренных ранее схемах для упрощения был показан условный источник постоянного напряжения Е_б в цепи базы.

На практике для создания смещения используют источник питания коллекторной цепи, а не отдельный источник. Питание всех каскадов усилителя осуществляется от одного источника, и обычно это выпрямитель.

Способы создания смещения различны: по принципу действия – это два вида: фиксированное и автоматическое.

1. Фиксированное смещение не зависит от тока коллектора, оно остается неизменным при изменении тока покоя коллектора по любым причинам (изменение температуры, старение или замена транзистора). Поэтому ток коллектора не стабилизируется. Этот вид смещения может быть создан либо фиксированным током базы, либо фиксированным напряжением базы.

Схема смещения фиксированным током базы (рис.24, а)

содержит резистор R_б, включенный между источником питания Е_к и базой. Этот резистор должен иметь большое сопротивление, значительно больше, чем входное сопротивление транзистора.

Постоянная составляющая тока базы I_бо проходит от (+ Е_к) через R_б – эмиттерный переход к (– Е_к). Напряжение приложено к резистору Rб и входному сопротивлению транзистора, которым по сравнению с Rб можно пренебречь, и тогда ток базы определяется:

I _бо = Е_к /R_б = cопst, таким образом, ток базы не зависит от тока коллектора, т.е. является фиксированным.

И если, например, повысится температура, то статические характеристики располагаются выше, т.е. при том же токе базы возрастает ток коллектора (рис. 24, б).

Рис.24 Смещение фиксированным током базы: а- принципиальная схема; б- нарушение режима коллекторной цепи с повышением температуры

Поэтому точка покоя переместится из положения Р в положение Р΄. Иначе говоря, исходный режим нарушается. Из графика видно, что при достаточно большой амплитуде сигнала будут использоваться нелинейные участки характеристик и резко возрастают нелинейные искажения.

В мощных транзисторах увеличение тока покоя I _ко может привести к перегреву транзистора и выходу его из строя.

Схема смещения фиксированным напряжением базы (рис. 25а) содержит делитель напряжения R_б1 - R _б2, включенный параллельно источнику питания Е_к. Нижнее плечо делителя включено между базой и общим проводом.

Сопротивление делителя выбирается так, чтобы он потреблял ток (I_д) больший во много раз тока базы, при этом можно считать, что через R_б1 и R_б2 проходит одинаковый ток и справедлива пропорция:

U_бэо / E_к = R_б2 / R_б1 + R_б2, из которого

U_бэо = E_{к ٠} R_б2 / R_б1+ R_б2 = const.

Это показывает, что напряжение смещения не зависит от тока коллектора и действительно является фиксированным. При этом ток коллектора не стабилизируется, а исходный режим с изменением температуры нарушается. Для обеспечения фиксированного напряжения U_бэо сопротивление нижнего плеча делителя R_б2 должно быть много меньше входного сопротивления транзистора, но это уменьшает общее входное сопротивление каскада, а это нежелательно. Чтобы избежать этого, иногда напряжение смещение во входную цепь подают последовательно с сигналом (рис 25б).

Рис.25 Схемы смещения фиксированным напряжением базы:

- с параллельной подачей на вход (а); - с последовательной подачей на вход (б)

Основным недостатком схем смещения фиксированным напряжением базы является отсутствие стабилизации исходного режима коллекторной цепи, а также включение низкоомного делителя R_б1 – R_б2 вызывает дополнительное потребление тока от источника питания, следовательно, увеличивает потери мощности и снижает КПД.

2. Автоматическое смещение зависит от тока покоя коллектора, при этом с изменением тока коллектора по любой причине смещение изменяется так, что ток коллектора стабилизируется. Таким образом, стабилизируется исходный режим выходной цепи. Для этого используется ООС по постоянному току.

Одновременно с подачей смещения необходимо обеспечить стабилизацию режима, видов стабилизации несколько:

- Эмиттерная стабилизация:

Рис.26 Эмиттерная стабилизация исходного режима

Осуществляется на основе схемы смещения фиксированным напряжением базы, но между эмиттером и общим проводом включен резистор R_э (рис 26).

На нижнем плече делителя R_б2 развивается фиксированное напряжение U_бо, оно пропорционально напряжению источника питания E_к.

Ток покоя выходной цепи (I_кo ≈ I_эо) создаёт на сопротивлении эмиттерной стабилизации Rэ падение напряжения U_эо = I _ко· Rэ.

Из схемы: U_бэо = U_бo – I_кo· R_э, т.к. напряжение правой части уравнения включены последовательно встречно.

И теперь, если, например, из-за роста температуры увеличится ток коллектора, то увеличится падение напряжения на резисторе R_э, а напряжение U _бэо – уменьшится, что приведет к уменьшению тока коллектора, то есть ток коллектора, и, следовательно, исходный режим коллекторной цепи стабилизируется. Эту схему можно рассматривать как схему с последовательной ООС по постоянному току эмиттера, так как падение напряжения на резисторе R_э зависит от тока эмиттера покоя I_эо, и это напряжение есть напряжение обратной связи, которое вычитается из напряжения U_бо.

Эмиттерная стабилизация тем эффективнее, чем больше сопротивление R_э и меньше R_б2 – эти условия легко осуществить, но следует помнить, что с увеличением R_э на нём растут потери постоянного напряжения и мощности, а с уменьшением сопротивления делителя R_б1-R_б2 не только увеличиваются потери мощности источника питания, но и уменьшается входное сопротивление каскада. Конденсатор Сэ исключает обратную связь по переменному току. Если резистор Rэ не зашунтировать конденсатором Сэ большой ёмкости, то будет создана последовательная ООС не только по постоянному, но и по переменному току, в результате чего уменьшится усиление тока, но и произойдет стабилизация выходного тока и увеличится входное сопротивление каскада.

Стабилизация положения рабочей точки покоя на коллекторной динамической характеристике видна на графике (рис 28).

Рис.27 Нарушение исходного режима при повышении температуры в схеме с фиксированным током базы

Исходный режим при температуре tº задан точкой покоя Р, при токе смещения I_бо = 100мкА.

С повышением температуры до tº₁, статические характеристики располагаются выше, что при фиксированном смещении привело бы к перемещению рабочей точки в положение Р₁, однако в схемах со стабилизацией режима ток смещения при повышении температуры уменьшится до I _бо (50 мкА), и тогда рабочая точка займет положение Р₂ => т.е. за счёт уменьшения смещения положение рабочей точки изменяется незначительно и тем меньше, чем эффективнее действует стабилизация режима. В схеме с общим коллектором эмиттерная стабилизация всегда действует без введения дополнительных элементов, т.к. резистор эмиттерной нагрузки Rэ одновременно является и резистором стабилизации режима. В такой схеме (ОК) конденсатор Сэ включать нельзя, т.к. он закоротит выход для сигнала.