2.1 Схемы смещения и температурной стабилизации

Чтобы обеспечить усиление каскада в классе А, на базу транзистора необходимо подать напряжение смещения U_см. Это обеспечивают специальные схемы, которые называют схемами смещения. Рассмотрим наиболее часто применяемые схемы.

Схема смещения с фиксацией тока базы (рис. 21.3, а). Фиксация тока базы I_б достигается, когда в цепь базы включается резистор R_б с большим сопротивлением.

Для цепи базы справедливо равенство . Следовательно,

. (21.1)

В (21.1) , и им можно пренебречь. Следовательно, ток покоя базы определяется величиной внешнего сопротивления R_б , не зависит от параметров транзистора и является фиксированной величиной.

Схема смещения с фиксацией напряжения базы приведена на (рис. 21.3, б). Для цепи базы в этой схеме справедливо равенство:

.

Из равенства очевидно, что

, (21.2)

где - ток делителя.

Чтобы напряжение смещения U_бэ не зависело от параметров входной цепи транзистора, ток делителя I_д необходимо выбирать значительно больше тока базы I_б. Обычно . Тогда

(21.3)

и не зависит от тока базы. Большое значение тока делителя приводит к необходимости дополнительных затрат энергии источника питания. Это недостаток схемы. Общим недостатком рассмотренных схем является зависимость режима работы транзистора от температуры окружающей среды (температурные изменения токов базы и коллектора, коэффициента передачи тока базы β).

Для устранения температурной зависимости в цепь смещения можно включить элементы коррекции, сопротивление которых зависит от температуры, например, терморезистор или диод. Значительно чаще применяют схемы стабилизации с отрицательной обратной связью (ООС). Рассмотрим наиболее широко применяемую схему температурной стабилизации с ООС по току в цепи эмиттера (рис. 21.3, в).

В качестве элемента ООС в схеме используется резистор . Сопротивление участка база - эмиттер транзистора R_бэ, резисторы и образуют замкнутый контур. Для этого контура справедлив второй закон Кирхгофа, согласно которому . Отсюда

. (21.4)

Выражение (21.4) раскрывает физику стабилизирующего действия ООС. Так, если под воздействием дестабилизирующего фактора ток базы I_б начнет возрастать, то увеличится и ток эмиттера , а значит, и . Но это приведет к уменьшению напряжения U_бэ настолько, чтобы ток базы принял прежнее значение. Таким образом, ООС всегда препятствует любому изменению тока эмиттера, а значит, и тока базы тем эффективнее, чем больше значение R_э. Но это значит, что ООС будет препятствовать и приращению тока коллектора под воздействием входного сигнала, резко уменьшая коэффициент усиления каскада.

Чтобы не допустить возможного уменьшения коэффициента усиления каскада с ООС, параллельно R_э включают емкость С_э. Значение емкости выбирают из условия на минимальной частоте сигнала. В этом случае переменная составляющая (сигнал) будет замыкаться по С_э, а медленно изменяющиеся составляющие температурной нестабильности - по R_э. Каскад сохраняет высокий коэффициент усиления и стабильность свойств в широком диапазоне температуры окружающей среды.

2.2. Схема замещения и основные показатели каскада с ОЭ.

Усилительные каскады оцениваются по ряду параметров и характеристик. К ним относятся коэффициенты усиления К_U, К_I, К_P; входные и выходные сопротивления; полоса пропускания; АЧХ и ФЧХ; амплитудная характеристика и т.п. Определяются эти параметры и характеристики в процессе анализа схем усилителей. Основными методами анализа являются графоаналитический метод или метод линеаризации схем замещения. Первый из названных методов полезен, когда амплитуда приращений соизмерима с напряжением смещения, второй – когда ∆U<<U₀. Графоаналитический метод анализа основан на использовании ВАХ транзисторов и позволяет получить более точные результаты. Этот метод будет рассмотрен на практических занятиях.

Когда входной сигнал мал (∆U<<U₀), полезен метод линеаризации схем замещения. Оценка параметров выполняется по переменной составляющей. При этом напряжение источника питания, напряжение смещения не учитываются, так как для переменной составляющей внутреннее сопротивление названных источников равно нулю. Их зажимы можно считать замкнутыми накоротко. Для схемы рис. 21.3, в R_Э по переменной составляющей также равно нулю, так как оно зашунтировано емкостью С_Э. Обычно R₁>>R₂, и его влияние можно не учитывать. С учетом оговоренных условий схема замещения усилительного каскада с ОЭ (рис. 21.3, в) приведена на рис. 21.4.

В этой схеме h₁₁=R_бэ; . Значение С_экв определяется емкостью монтажа, емкостью p-n перехода коллектор-база транзистора и емкостью нагрузки. Наличие в схеме реактивных элементов обуславливает зависимость её параметров от частоты. Для количественной оценки такой зависимости введены понятия частотная характеристика и полоса пропускания усилительного каскада.

Частотная характеристика определяет зависимость модуля коэффициента усиления каскада от частоты – АЧХ (рис. 21.5, а) и зависимость от частоты разности фаз реакции и воздействия – ФЧХ (рис. 21.5, б).

Полоса пропускания усилителя - это полоса частот от ω_н до ω_в, в пределах которой модуль коэффициента усиления изменяется в допустимых пределах.

Основные показатели усилительного каскада оцениваются в области средних частот. Для средних частот сопротивлением С_Р и проводимостью С_экв можно пренебречь, т.к. . С учетом этого схема замещения усилителя в области средних частот приходит к виду рис. 21.6.

Д ля схемы рис. 21.6

.

Обычно R_кэ ≈ 10⁴ Ом >> R_к, и его влиянием на значение выходного сопротивления пренебрегаем. Тогда можно записать, что

.

Подставляя вместо , а вместо R_вых – его значение, легко получить выражение для оценки коэффициента усиления каскада по напряжению в области средних частот

, (21.5)

где – коэффициент усиления каскада в режиме холостого хода, – коэффициент потерь сигнала в выходной цепи.

Последнее выражение показывает, что в области средних частот коэффициент усиления каскада по схеме с ОЭ зависит от параметров нагрузки, но не зависит от частоты.

В области верхних частот пренебрегаем сопротивлением С_Р , но сопротивление емкости С_экв необходимо учитывать. Тогда

.

Обозначим произведение R_вых·С_экв =τ_В, причем, . Тогда

(21.6)