3.4. Простейшие способы установки исходной рабочей точки

Выше говорилось, что задание положения исходной рабочей точки транзистора по постоянному току осуществляется внешними цепями смещения. Такие цепи могут иметь различную конфигурацию, зависящую от нескольких факторов: типа транзистора, схемы включения, необходимости обеспечения устойчивости к температурным воздействиям и независимости от параметров конкретного транзистора.

Как известно, существует три варианта включения биполярных транзисторов в усилительные электрические цепи: схема с общим эмиттером (ОЭ), с общей базой (ОБ), с общим коллектором (ОК). Свои названия эти схемы получили по имени электрода, относительно которого производится задание всех напряжений и сигналов в цепи. В принципе, способы установки положения рабочей точки по постоянному току можно было бы рассматривать, вообще абстрагируясь от конкретных схем включения, опираясь только на знание физических процессов внутри прибора. Однако это и не принято и неудобно, и не совсем приближено к практике. Поэтому применим классический подход, и будем анализировать названные случаи по отдельности.

С хема с общим эмиттером

На рис. 3.3 приведена упрощенная схема включения биполярного транзистора п-р-п-типа с ОЭ, а на рис. 3.4 — семейства типичных статических характеристик этой схемы.

а) входные характеристики б) выходные характеристики

в) характеристика передачи г) характеристика обратной связи

Рис. 3.4 Статические характеристики схемы с ОЭ

Внимательное рассмотрение этих характеристик позволяет сделать ряд полезных заключений о работе транзистора в анализируемой схеме. Естественно, рассматривать следует те участки характеристик, которые соответствуют активному режиму работы транзистора.

Во-первых, из входных характеристик (рис. 3.3,а) видно, что при достижении током базы I_Бо определенного уровня он практически перестает влиять на напряжение I_БЭ , а вот незначительное изменение этого напряжения может приводить к существенным колебаниям тока I_Бо. Выходные характеристики (рис. 3.3,6) и характеристики передачи (рис. 3.3,в) позволяют сделать следующие заключения. Ток базы в активном режиме оказывает большое влияние на ток коллектора I_Ко (естественно, и на ток эмиттера I_Э0, поскольку ), а тот одновременно незначительно зависит от колебаний напряжения

Итоговый вывод следующий: при включении по схеме с ОЭ на положение рабочей точки биполярного транзистора (т.е. на ток коллектора I_Ко), находящегося в режиме линейного усиления (активный режим), наибольшее влияние оказывает ток базы I_Бо, который, в свою очередь, может сильно колебаться под воздействием изменений напряжения . Токи коллектора I_Ко и эмиттера I_Э0 практически полностью определяются током базы транзистора. Напряжение не оказывает существенного влияния на другие электрические показатели каскада и должно выбираться только из соображений обеспечения нахождения транзистора в области линейного усиления и непревышения предельных электрических режимов на электродах транзистора.

На практике получили распространение два способа обеспечения заданного положения рабочей точки по постоянному току: схема с фиксированным током базы (рис. 3.5) и схема эмиттерно-базовой стабилизации (рис. 3.6).

В первой схеме стабильность всех показателей каскада по постоянному току базируется на поддержании устойчивого значения тока базы транзистора 1_Б Достигается это созданием безальтернативной цепи протекания постоянного тока через резистор и эмиттерный переход транзистора VT1. Поскольку сопротивление эмиттерного перехода мало, то ток I_Б целиком определяется напряжением питания и значением базового сопротивления :

.

Стабильность тока базы в рассматриваемой схеме приводит к стабильности тока коллектора, поскольку

, где

— статический коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ.

Но данная формула также демонстрирует и основной недостаток схемы с фиксированным током базы (рис. 3.5).

Дело в том, что при производстве биполярных транзисторов возникает большой разброс в возможных значениях коэффициента т.е. для разных экземпляров приборов необходимо устанавливать разные токи базы , чтобы обеспечить требуемое значение тока коллектора (заметим, что в выборе этого параметра практически недопустимы никакие вольности, он определяет множество важнейших характеристик каскада, например, таких, как коэффициент усиления, линейность усиления, потребляемая мощность и т.п.). Таким образом, конкретная величина сопротивления R_Б будет определяться теми характеристиками, которые присущи именно конкретному экземпляру примененного в каскаде транзистора, а не всем приборам данной серии. Это крайне неудобно при серийном производстве, поэтому схема с фиксированным током базы не находит широкого применения, гораздо больше распространена схема эмиттерно-базовой стабилизации (рис.3.6) и различные ее доработки.

К ак следует из названия, в этой схеме положение исходной рабочей точки каскада стабилизируется за счет поддержания неизменного значения напряжения на переходе эмиттер база транзистора.

П ростейший способ обеспечения данного режима состоит в применении подключенного к базе транзистора делителя напряжения на двух резисторах , , ток через который значительно превышает все возможные значения тока базы I_Бо (это гарантирует, что ток базы транзистора не будет оказывать сколь-либо существенного влияния на напряжение в средней точке делителя). Стабильное напряжение на эмиттерном переходе автоматически стабилизирует ток коллектора I_Ко транзистора. Действительно, ведь

.

Поскольку такой физический параметр транзистора, как сопротивление эмиттерной области ; остается достаточно стабильным при массовом производстве, то и отпадает необходимость подбирать элементы делителя напряжения под каждый конкретный прибор — достаточно лишь один раз произвести расчеты, учитывая типономинал применяемых транзисторов и требуемое значение тока коллектора (эмиттера). Таким образом, схема эмиттерно-базовой стабилизации оказывается гораздо более удобной при массовом производстве и поэтому используется гораздо чаще (у нее есть и другие достоинства, сделавшие ее столь популярной).

Схема с общим коллектором

Упрощенная схема включения биполярного транзистора п-р-п-типа с общим коллектором (ОК) приведена на рис. 3.7. На рис. 3.8 представлены входные статические характеристики этой схемы. Ее выходные характеристики с учетом практически полностью совпадают с выходными характеристиками схемы с ОЭ (рис. 3.3,6).

Из статических характеристик видно, что напряжение на коллекторном переходе , которое является входным для схемы с ОК, имеет большое влияние на ток базы транзистора (но не наоборот) и почти совпадает (с учетом ) c напряжением

Рис. 3.7. Упрощенная схема включения биполярного транзистора n-p-n типа с ОК

В то же время выходной ток I_Эо оказывается значительно выше входного тока I_бо и линейно от него зависит: . Из этого следует важная особенность схемы с ОК: большое входное и низкое выходное сопротивление, что позволяет использовать ее как усилитель тока в различных цепях (при равенстве коэффициента усиления по напряжению единице схему с ОК принято называть эмиттерным повторителем).

Н а рис. 3.9 изображена схема задания смещения в транзисторном каскаде с ОК. Данная схема очень похожа на схему эмиттерно-базовой стабилизации, рассмотренную ранее для каскада с ОЭ, однако здесь мы стабилизируем напряжение на участке коллектор-база транзистора. Оказывается, что это также позволяет однозначно определить рабочую точку каскада (при заданном стабильном напряжении коллектор-база мы имеем стабильное значение тока базы и линейно от него зависящих токов эмиттера и коллектора транзистора). В схеме с ОК в цепи протекания тока базы I_бо кроме перехода эмиттер – база транзистора VТ1 всегда оказывается также резистор Здесь данный резистор фактически играет роль нагрузки.

Рассмотрим несколько подробнее его влияние на происходящие в каскаде процессы.

И так, делитель на резисторах позволяет стабилизировать напряжение U_БКо на коллекторном переходе транзистора VТ1. Поскольку это напряжение очень близко по значению к напряжению U_ЭКо, на долю участка база - эмиттер остается достаточно незначительный диапазон возможных значений, причем увеличение напряжения на эмиттерном переходе U_ЭБо возможно только за счет снижения падения напряжения на резисторе , т.е. при уменьшении тока эмиттера I_Эо, и наоборот. Но само по себе уменьшение тока эмиттера должно вызывать не увеличение, а уменьшение напряжения на эмиттерном переходе транзистора. Действительно:

Таким образом, в схеме имеет место отрицательная обратная связьпо току нагрузки.

Заметим, что значение сопротивления R_э в этой схеме не может быть ни слишком большим, ни слишком малым, поскольку, с одной стороны, оно определяет режим работы каскада по токам , а с другой — является нагрузкой в цепи протекания выходного тока усилительного каскада (вспомним, что схема с ОК применяется именно как усилитель тока). Зачастую в реальных схемах резистора как такового и нет, его роль может выполнять входное сопротивление следующего за эмиттерным повторителем каскада.

В дальнейшем будет показано, что введение дополнительного сопротивления в эмиттерную цепь протекания тока транзистора может оказаться полезным и в каскаде с ОЭ. Там это сопротивление будет выполнять только роль элемента обеспечения ООС по току, поскольку нагрузка включается в коллекторную цепь. Может показаться, что смещение каскада с ОК можно организовать и способом, аналогичным тому, который был использован в схеме с фиксированным током базы на рис. 3.5. Например, это могло бы выглядеть так, как показано на рис. 3.10, но это ошибочное решение. Дело в том, что здесь в цепи протекания тока I_бо появляется резистор падение напряжения на котором зависит в основном от тока I_K0, т.е. даже незначительные колебания (например, ввиду колебаний температуры) тока I_K0 могут привести к изменению тока базы I_бо транзистора и, соответственно, к значительному смещению рабочей точки каскада.

Схема с общей базой

Упрощенная схема каскада с ОБ и ее статические характеристики приведены на рис. 3.11, 3.12.

Рис. 3.11. Упрощенная схема включения биполярного транзистора n-р-n-типа с ОБ

Рис. 3.12. Статистические характеристики схемы с ОБ.

Д ля задания смещения в схеме с ОБ используются все те же принципы, которые были описаны выше для каскадов с ОЭ и ОК: либо стабилизируется ток базы I , либо: напряжение на эмиттерном переходе транзистора . Топология каскада с ОБ такова, что оба варианта в нем реализуемы только при разделении цепей по постоянному и переменному токам (исключения возможны, если мы будем использовать источник питания со средней точкой или несколько источников питания), что неосуществимо для низкочастотных усилительных каскадов. Именно поэтому такие усилители применяются, как правило, только на достаточно высоких частотах (реже как динамические нагрузки других каскадов).

Рис. 3.13. Высокочастотный усилитель по схеме с ОБ и эмиттерно-базовой стабилизацией (а) и его упрощенная схема для сигнала в рабочей полосе частот (б)¹

Пример схемы высокочастотного усилителя на транзисторе во включении с ОБ с эмиттерно-базовой стабилизацией рабочей точки по постоянному току приведен на рис. 3.13. А на рис. 3.14 показано, как можно обеспечить смещение при наличии источника питания со средней точкой или двух независимых источников питания.

Рис. 3.14. Каскад на биполярном транзисторе по схеме с ОБ питанием от источника со средней точкой или от двух независимых источников питания