Обеспечение устойчивости рабочей точки при влиянии внешних дестабилизирующих факторов

В реальных радиоэлектронных устройствах транзисторные усилительные каскады функционируют не в тех идеально-тепличных условиях, которые до сих пор подразумевались при анализе схем, а подвержены достаточно жесткому влиянию множества зачастую непредсказуемых факторов. Таких, например, как: температура окружающей среды, колебания питающего напряжения, наличие в пространстве значительных электрических или магнитных полей, создающих паразитные наводки в цепях, и т. п. Все эти воздействия могут дестабилизировать рабочие точки транзисторных схем, что сопровождается ухудшением их параметр ров и в конечном итоге приводит к прекращению выполнен ими предназначенных функций.

Для предотвращения данных явлений в стандартные цепи смещения вводятся дополнительные звенья и применяются специальные элементы, компенсирующие вредные воздействия. Чаще всего используются следующие два метода:

включение нелинейных элементов, нейтрализующих температурный (и прочий) дрейф параметров транзистора (метод параметрической стабилизации);

создание в каскаде специальных цепей обратной связи по постоянному току или напряжению, обеспечивающих возврат рабочей точки в исходное состояние в случае ее смещения.

Рассмотрим оба этих варианта по порядку.

Метод параметрической стабилизации Как уже говорилось, указанный метод базируется на использовании в транзисторных каскадах специальных элементов, характеристики которых зависят от внешних возмущающих воздействий, причем изменения параметров этих элементов должны компенсировать изменения параметров транзисторного каскада. В качестве примера рассмотрим схему с эмиттерно-базовой стабилизацией, приведенную на рис. 3.15. В этой схеме преправильном выборе терморезисторов можно добиться хорошей компенсации температурных колебаний параметров транзистора. Но применение терморезисторов не всегда удобно, да и понятие «правильный выбор» часто требует уточнения. Поэтому для начала прояснив, что же происходит с биполярным транзистором при колебаниях температуры.

При росте температуры из-за уменьшения падения напряжения на p-n-переходах транзистора также растут и токи через эти переходы. Особенно сильно увеличиваются токи и Iз0 определяющие режим работы каскада по постоянному току. На рис. 3.16 представлены графики, отражающие влияние температуры на статические характеристики каскадов с ОЭ и ОБ.

Из представленных характеристик видно, что для сохранения неизменным выходного тока IКо необходимо по мере роста температуры снижать напряжение начального смещения .

В схеме на рис. 3.15 для этого служат терморезисторы, но очевидной является возможность использования других полупроводниковых приборов с температурной зависимостью падения напряжения на них. Например, в схеме на рис. 3.17 в цепь делителя включен прямосмещенный эмиттерный переход транзистора VТ2 со свойствами, аналогичными свойствам транзистора VТ1. Т. е., когда температура растет и требуется снижение напряжения смещения UЭБ1о, это осуществляется за счет уменьшения падения напряжения UЭБ2о на эмиттерном переходе транзистора VТ2.

Вместо транзистора VТ2 можно использовать и обычный диод в прямом включении, как показано на рис. 3.18.

При желании метод параметрической стабилизации применим и для нейтрализации других (нетемпературных) внешних влияний. Например, известно, что при низких температурах падают напряжения практически любых широко распространенных химических источников питания.

Поэтому в носимой аппаратуре приходится учитывать влияние данного фактора, если мы хотим обеспечить ее работоспособность в широком диапазоне погодных условий.

Рассмотрим схему на рис. 3.18. При падении напряжения питания уменьшается значение тока IКо транзистора, а также незначительно снижается его начальное смещение (здесь следует учитывать, что прямосмещенный диод VD1 работает как стабилитрон, т. е. напряжение на нем слабо зависит от величины протекающего тока).Поскольку снижается напряжение UКЭо транзистора, снижаются и его усилительные способности как усилителя слабых переменных сигналов. Для компенсации всех этих факторов можно в цепь смещения транзистора включить еще один диод, как показано на рис. 3.19. Теперь при снижении температуры напряжение UБЭ () будет расти быстрее, чем это необходимо только для температурной компенсации изменений напряжений и токов в самом транзисторе. Будет компенсироваться также и падение напряжения питания, и коэффициент усиления каскада в целом останется неизменным. Очевидно, что падение напряжения на двух диодах может превысить предел, необходимый для напряжения UБЭо используемого транзистора. Поэтому в цепь эмиттера обязательно включается резистор, создающий также и ООС по току нагрузки, дополнительно стабилизирующую рабочую точку каскада.

На рис. 3.20 приведены еще некоторые возможные варианты включения термокомпенсирующих элементов в транзисторные каскады. Параметрическая стабилизация может использоваться не только в схемах с ОЭ. Никто не мешает нам применять нелинейные элементы и в любых других цепях смещения.

Стабилизация параметров транзисторных каскадов с помощью цепей обратной связи Методика введения обратных связей является универсальным средством, которое может использоваться всегда, когда необходимо обеспечить стабильную работу схемы при любых внешних воздействиях на нее. Вводя в отдельный каскад усиления элементы обратной связи, часто можно полностью решить все проблемы устойчивости рабочей точки и совершенно не вспоминать о терморезисторах и других компенсирующих элементах.

Выше мы уже встречались с одним из видов обратной связи при рассмотрении каскада на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОК или с ОЭ. Речь идет о последовательной ООС по току нагрузки, возникающей в таком каскаде при включении в цепь эмиттера некоторого сопротивления RЭ (см. Рис. 3.9.).

Ток эмиттера, протекая по резистору RЭ, создает на нем падение напряжения. Это напряжение алгебраически складывается с напряжением на резисторе делителя R2. Сумма напряжений прикладывается к эмиттерному переходу транзистора. Поскольку напряжение и напряжение обратной связи направлены встречно, обратная связь является отрицательной. Что касается конкретного значения сопротивления то в усилителях с ОЭ обычно выбирают.

Создавая в каскаде обратную связь по постоянному току, бывает довольно трудно избавиться от ее влияния на характеристики в рабочем диапазоне частот. Иногда такое влияние может оказаться вредным, а иногда и полезным. Например, в рассмотренной нами схеме усилителя с ОЭ включение резистора в цепь эмиттера без каких-либо дополнительных элементов, корректирующих работу каскада в полосе усиления, приводит к следующим последствиям: снижается общий коэффициент усиления каскада, повышаются его входное и выходное сопротивления, расширяется полоса усиливаемых частот, снижаются линейные и нелинейные искажения. Обычно для предотвращения снижения коэффициента усиления резистор шунтируют конденсатором, чье эквивалентное сопротивление в рабочем диапазоне частот оказывается крайне незначительным (т.е. эмиттер заземлен по переменному току). Пример такой схемы представлен на рис. 3.21.

Заметим, что в схеме на рис. 3.21 вследствие использования цепи ООС по выходному току при изменении температуры окружающей среды происходит непосредственная стабилизация коллекторного тока IK. Однако такое решение не является единственным. Для стабилизации рабочей точки транзистора могут быть использованы и цепи ООС по выходному напряжению.

На рис. 3.22 приведена типовая схема усилительного каскада на биполярном транзисторе во включении с ОЭ, в которой применена цепь параллельной ООС по выходному напряжению (т.н. схема автоматического смещения). Стабилизирующее действие данного вида обратной связи основано на следующих процессах. Увеличение под влиянием внешних факторов постоянного коллекторного тока IK транзистора приводит к увеличению падения напряжения на нагрузочном резисторе Rк и, как следствие, к уменьшению падения напряжения на оставшемся участке цепи протекания тока нагрузки («коллектор-земля» или «коллектор-эмиттер» в схемах без резистора в эмиттерной цепи). Так как коллектор соединен с базой с помощью резистора, то одновременно снижается напряжение, подаваемое на эмиттерный переход транзистора Uбэо, а это автоматически приводит к уменьшению токов IКо, IЭо и возврату рабочей точки транзистора в прежнее положение.

Так же, как и ООС по току, параллельная ООС по напряжению оказывает влияние на многие параметры каскада: снижается общий коэффициент усиления, уменьшаются входное и выходное сопротивления, уменьшаются линейные и нелинейные искажения, расширяется полоса пропускания.

В реальных усилительных каскадах уменьшение входного сопротивления приводит к еще большему снижению общего коэффициента усиления. Кроме того, качество стабилизации рабочей точки по постоянному току в данном виде ООС несколько хуже, чем при применении ООС по току нагрузки. Все это обусловливает достаточно редкое применение данной схемы на практике. Несколько большее распространение получили различные ее модификации, в которых с помощью небольших изменении цепей смещения удается улучшить отдельные наиболее важные показатели усилительного каскада. Примеры некоторых таких схем приведены на рис. 3.23, 3.24.

Рис. 3.24. Варианты модификаций цепей смещения в схеме с ООС по напряжению

рабочий точка нагрузка устойчивость.