Способы стабилизации режима по постоянному току

Для уменьшения пределов изменения тока покоя в транзисторах широкое распространение получили два способа, основанные на использовании отрицательной обратной связи.

На рис. 3.22, а приведена схема коллекторной стабилизации тока покоя /_ко, в которой используется отрицательная обратная связь по напряжению, реализуемая с помощью резистора R_K. При выявлении стабилизирующих свойств схемы будем полагать, что коллекторный ток значительно превышает ток базы (7_К0 А, о)' а сопротивление R_B — сопротивление перехода база — эмиттер (Л_Б 3> Т?_БЭ). Допустим, что коллекторный ток /_ко увеличился, тогда:

• • увеличится падение напряжения на резисторе Д_к, равное произведению Д_к/_к0;
• • уменьшится напряжение U_Km = Е_к — 7?_к/_ко;
• • уменьшится ток базы /_1;о ~ U_K30/R_B-

При уменьшении /_ко ток базы /_во будет возрастать. Следовательно, в обоих случаях /_Б0 изменяется так, что препятствует изменению /_ко. Для повышения стабильности необходимо увеличивать соотношение R_K/R_B.

На рис. 3.22, б приведена схема эмиттерной стабилизации тока покоя /_к0, в которой используется отрицательная обратная связь по току, реализуемая с помощью резистора R₃. При выявлении стабилизирующих свойств схемы будем полагать, что коллекторный ток значительно превышает ток базы (/_ко 1_Б0), а напряжение на базе U_B0 = const. В этой схеме при увеличении /_к0:

• • возрастает напряжение на эмиттере ?7_Э0, равное произведению ЯэАсо!
• • уменьшается напряжение на переходе база — эмиттер 11_вэо = = U_Bо — U₉₀.

При уменьшении /_к0 напряжение на переходе база — эмиттер 7/_Г)Э0 будет возрастать. Следовательно, в обоих случаях 7/_Г)Э0 изменяется так, что препятствует изменению /_ко.

Рис. 322. Схемы стабилизации:

а — коллекторная стабилизация тока покоя; б — эмиттерная стабилизация тока покоя; в, г — стабилизация с использованием отрицательной обратной связи Коллекторная стабилизация действует только при наличии в коллекторной цепи резистора, обеспечивает меньшую стабильность режима по сравнению с эмиттерной стабилизацией и, кроме того, снижает входное сопротивление усилителя.

Следует отметить, что стабилизирующие свойства рассмотренных схем проявляются и на переменном токе, поскольку отрицательная обратная связь обусловлена резисторами /?_Б, R₃ и действует на всех частотах. Поэтому стабилизация режима по постоянному току сопровождается уменьшением коэффициента усиления. На рис. 3.22, в и г приведены схемные решения, свободные от указанного недостатка. В схеме на рис. 3.22, в цепь отрицательной обратной связи по постоянному напряжению составлена из двух резисторов R_B[y R_B2. Конденсатор С, подключенный между точкой соединения резисторов и общей точкой схемы, разрывает обратную связь для сигнала, если сопротивление конденсатора выбрано малым для всех частот сигнала.

В схеме на рис. 3.22, г конденсатор С_э подключен параллельно резистору R₃. Если сопротивление конденсатора для частот сигнала имеет значение, близкое к нулю, то отрицательная обратная связь для сигнала отсутствует. Таким образом, увеличение коэффициента достигается благодаря тому, что с помощью конденсаторов устраняется отрицательная обратная связь для сигнала.

Для усилительных каскадов с ОБ и ОК схемы по постоянному току имеют такую же структуру, как и для рассмотренного усилителя с ОЭ. В качестве примера на рис. 3.23 изображена схема, которая может быть использована в качестве каждого из трех указанных выше усилительных каскадов. Тип усилителя определяется выбором общей точки по высокой частоте для источника сигналов и нагрузки, а также выбором точек входа и выхода усилителя, при этом:

• • для каскада с ОЭ общая точка 3, вход точка 1, выход точка 2;
• • для каскада с ОБ общая точка 1, вход точка 3, выход точка 1;
• • для каскада с ОК общая точка 2, вход точка 1, выход точка 3.

Рассмотренные способы коллекторной и эмиттерной стабилизации, в основе которых лежит использование отрицательной обратной связи, обеспечивают постоянство режима при воздействии.

Рис. 3.23. Обобщенная схема усилительного каскада различных дестабилизирующих факторов. Для стабилизации режима транзисторов по постоянному току при изменении только температуры используются способы температурной компенсации, в основе которых лежит зависимость от температуры полупроводниковых диодов, термисторов и других элементов. В схеме на рис. 3.24 используется полупроводниковый диод VD, который совместно с резистором R_K образует делитель напряжения. Известно, что с повышением температуры ток /_ко покоя транзистора увеличивается, а сопротивление диода — уменьшается. Протекающий через диод ток практически не зависит от температуры и сопротивления диода и определяется отношением E_K/R_B. Поэтому с повышением температуры падение напряжения на диоде, прикладываемое к переходу база — эмиттер транзистора, уменьшается, что будет препятствовать росту тока /_ко. При этом возможно даже уменьшение тока /_ко с ростом температуры.

Рис. 3.24. Стабилизация режима транзистора по постоянному току способом температурной компенсации.

Организация межкаскадных связей. Вопрос соединения отдельных каскадов друг с другом касается не только усилителей, но и других узлов электронной аппаратуры, поэтому рассмотрим его с общих позиций. Для передачи сигнала от источника на вход функционального узла и с выхода узла на вход следующего узла или в нагрузку используют схемы межкаскадной связи, которые одновременно могут служить для подачи питающих напряжений на электроды транзисторов. Следует выделить два вида межкаскадных связей:

• непосредственная (прямая или гальваническая) межкаскадная связь, при которой электроды транзисторов отдельных каскадов связаны друг с другом по постоянному току непосредственно или через резистор. Основным достоинством такой связи является способность каскадов передавать сколь угодно медленные изменения входного сигнала. К недостаткам следует отнести трудности задания и поддержания требуемого режима по постоянному току транзисторов, дрейф нуля, трудности построения схем с одним источником питания и др. Непосредственная связь используется в полупроводниковых интегральных схемах;

• связь с разделением отдельных каскадов по постоянному току, осуществляемая с помощью конденсаторов или трансформаторов. Достоинство такой связи состоит в том, что каскады разделены по постоянному току, что облегчает выбор требуемого режима работы каждого каскада и исключает их взаимное влияние друг на друга. Кроме того, при использовании индуктивных разделительных элементов существует возможность организации последовательного питания базовых и коллекторных цепей транзисторов, являющихся более экономичными в энергетическом отношении, чем резисторные цепи параллельного питания. Недостатки межкаскадной связи с разделением каскадов обусловлены необходимостью использования элементов, которые не вписываются в технологические процессы изготовления интегральных схем. Поэтому такой способ межкаскадной связи реализуется лишь в гибридных микросхемах с применением в качестве разделительных элементов бескорпусных конденсаторов.

Изложенные в этом параграфе принципы построения усилительных схем используются при рассмотрении конкретных типов усилителей.

Особенности построения усилительных схем на униполярных транзисторах. Униполярные (как и биполярные) транзисторы являются трехполюсными элементами, так как при использовании МОП-транзисторов в усилительных схемах подложка обычно соединяется с истоком. Поэтому возможно также три варианта базовых усилительных каскадов: с общим истоком (ОИ), с общим затвором (03) и общим стоком (ОС). Особенности их построения обусловлены в основном формой проходных вольт-амперных характеристик полевых транзисторов и в какой-то мере МОП-транзисторов с встроенным каналом, представленных на рис. 3.25 для транзисторов с я-каналом.

Как ясно из рис. 3.25, а, рабочей области полевых транзисторов соответствуют отрицательные напряжения затвор — исток /7_ЗИ = = U_n + 0, где U_u — пороговое напряжение, или напряжение отсечки транзистора. Поэтому в схеме с ОИ (в отличие от схемы с ОЭ) по;

Рис. 3.25. Форма стокозатворных ВАХ при U_cli = const для нолевого транзистора (а), и МОП-транзисторов с встроенным (б) и индуцированным (в) каналами и-тииа лярности напряжений на управляющем (3) и выходном © электродах не совпадают. Казалось бы, для смещения рабочей точки это обстоятельство требует введения в схему дополнительного источника постоянного напряжения с другой полярностью. Однако такое решение не является обязательным. Требуемый режим по постоянному току можно обеспечить с помощью одного основного источника Е. Для этого необходимо выполнить два условия (рис. 3.26, а):

• • ввести в цепь истока резистор /?". В схеме на биполярных транзисторах с ОЭ наличие R₃ не является обязательным;
• • выбрать делитель напряжения R_3V R_32y создающий на затворе транзистора напряжение U₃ > 0.

Рис. 3.26. Схема усилительного каскада с ОИ (а) и построения, иллюстрирующие выбор рабочей точки (б)

В этом случае, как следует из рис. 3.26, б, выполняются необходимые соотношения для постоянного тока стока в рабочей точке А:

)

где и_{ш л}, t/_Cw _А — напряжения затвор — исток и сток — исток для выбранной рабочей точки А соответственно; R_vv R_c — сопротивления в цепи истока и стока.

На рис. 3.26, 6 представлены стоко-затворная ВАХ 1_С = F (U_m) при постоянном напряжении [/_си = ?/_{си А} и стоко-истоковая ВЛХ^{с =} F (U_CU) при U_3ll = и_жл.

Следует отметить, что часто в цепи затвора используют только одно сопротивление R₃₂. В этом случае U₃ = 0, поскольку ток затвора U₃ = 0, и как ясно из соотношения (3.21), для сохранения режима (/_с) необходимо несколько уменьшить сопротивление /?_и.