Коллекторная стабилизация

Назначение элементов схемы, представленной на рисунке 3.5:

Z_Н – комплексная нагрузка, включающая активную и реактивную составляющие;

R₁– гасящий резистор для установки рабочей точки на характеристике транзистора;

К_ФС_Ф – фильтрующая цепочка, не пропускающая переменную составляющую на источник постоянного напряжения.

В этой схеме исходное смещение на базе U_Б0 получается от общего источника питания Е_К на сопротивлении участка «база-эмиттер» за счёт протекания исходного тока базы I_Б0 через этот участок и гасящий резистор R₁. Сопротивление резистора R₁ значительно превышает сопротивление постоянному току транзистора на участке «база-эмиттер».

I_K0 R_Ф

С_Ф

I_Б0 Z_Н

U_ВЫХ

U_ВХ U_Б0

Рис.3. 5. Схема коллекторной стабилизации

Характерным в схеме является то, что резистор R₁ подключается к источнику питания не непосредственно, а через резистор фильтра R_Ф. Вследствие этого напряжение смещения U_Б0 определяется не только напряжением источника питания Е_К, но и падением напряжения на R_Ф, так как через R_Ф протекает ток I_К0, зависящий от изменения температуры. Это обстоятельство и используется для стабилизации рабочей точки. Стабилизирующее действие этой схемы рассмотрено далее.

Пусть в результате роста температуры увеличился исходный ток коллектора (рабочая точка на рисунке 3.4 переместится в верхнее положение А₂), тогда возрастет падение напряжения на резисторе R_Ф. Вследствие этого уменьшится напряжение смещения на базе, что в свою очередь понизит ток смещения – рабочая точка переместится в исходное положение. Это уменьшит ток коллектора – он вернется к первоначальному значению.

В случае уменьшения тока коллектора описанный процесс происходит в обратном порядке.

В рассматриваемой схеме стабилизация режима производится с помощью отрицательной обратной связи (ООС) по постоянному току. Иногда эта схема называется схемой с коллекторной стабилизацией.

Достоинство схемы – простота и экономичность. Однако эта схема характеризуется недостаточной эффективностью стабилизации, для повышения которой необходимо увеличивать сопротивление R_Ф. Это потребует увеличения напряжения источника питания.

Эмиттерная стабилизация

Широкое применение на практике получила схема эмиттерной стабилизации (рис. 3.6).

R_Ф

С_Ф

I_К0 Z_Н

I_Б0 U_ВЫХ

U_ВХ U_Б0 I_Э0

R_Э С_Э

Рис. 3.6. Схема эмиттерной стабилизации

В данной схеме элементы имеют следующее назначение:

резисторы R₁R₂ – делитель напряжений в цепи базы;

R_ЭС_Э – цепочка термостабилизации. С ее помощью происходит автоматическая стабилизация положения рабочей точки.

Назначение остальных элементов схемы было рассмотрено выше.

В этой схеме стабилизация состоит во введении ООС по постоянному току за счет включения в цепь эмиттера резистора R_Э (резистор R_Э шунтируется емкостью С_Э для исключения возникновения обратной связи по переменному току).

Получение смещения на базе транзистора от общего источника питания Е_К достигается включением делителя R₁R₂. В этом случае результирующее смещение на базе транзистора U_Б0 будет равно разности падений напряжений на резисторах R₂ и R_Э.

Пусть под влиянием температуры коллекторный ток возрос (рабочая точка на рисунке 3.4 сместилась в точку А₂), тогда увеличится падение напряжения на резисторе R_Э и, как следствие, уменьшится смещение на базе U_Б0 (рабочая точка начнет возвращаться в исходное положение). В результате, ток коллектора начнет уменьшаться.

Работа схемы более эффективна при большой величине сопротивления R_Э. Однако это может потребовать некоторого увеличения питающего напряжения, так как увеличение сопротивления R_Э уменьшает исходное напряжение на коллекторе.

Стабилизирующее действие схемы возрастает также при уменьшении сопротивлений резисторов делителя R₁ и R₂. Однако это ведет к уменьшению входного сопротивления каскада и росту мощности, потребляемой делителем от источника питания Е_К. Вследствие этого данная схема менее экономична, чем предыдущая.

Более высокая степень термостабилизации возможна в схеме с комбинированной стабилизацией. Такая схема объединяет достоинства двух предыдущих и может быть реализована, если верхний вывод резистора R₁ (рис.2.6) подключить в точку «а».

Следует отметить, что существуют и другие методы стабилизации рабочей точки, например, с помощью температурно-зависимых элементов, описание которых можно найти в специальной литературе.

Для сравнения и оценки схем стабилизации вводится критерий температурной нестабильности, который называется коэффициентом нестабильности S_Т

. (3.14)

Этим выражением оценивается степень изменения тока коллектора I_К0 при изменении обратного тока коллектора I_ОК (I_ОК – сильно зависит от перепада температуры). Чем меньше величина S_Т, тем более стабильна схема, то есть образуется меньший сдвиг рабочей точки при изменениях температуры.

Приведенный анализ влияния температуры на работу биполярных транзисторов справедлив и для полевых транзисторов. Однако существует следующее отличие: при увеличении температуры выходной стоковый ток I_С0 уменьшается, что связано с ростом сопротивления канала, а при уменьшении температуры ток I_С0 увеличивается. Для термостабилизации рабочей точки также используются схемы автоматического регулирования, аналогичные рассмотренным выше.

В интегральных микросхемах (ИМС) для стабилизации режима широко используются диодные стабилизаторы напряжения и междукаскадные ООС. Стабилизация режима в ИМС рассматривается в специальной литературе.

Выводы по 2-му вопросу:

1. Для эффективной работы транзисторных усилителей необходима стабилизация положения рабочей точки при воздействии изменяющейся температуры окружающей среды.

2. Наиболее оптимальным методом термостабилизации транзисторных усилителей является метод введения обратной связи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотренные в лекции вопросы являются важными для дальнейшего освоения учебной дисциплины, так как все изучаемые в дальнейшем усилители работают по принципу, описанному в вопросе №1. Далее усилители будут отличаться друг от друга, в основном, принципом построения.

ЛЕКЦИЯ №4

ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА

РЕЗИСТИВНО-ЕМКОСТНОГО УСИЛИТЕЛЯ

В лекции №3 были рассмотрены принцип усиления электрических сигналов, а также принцип построения апериодического усилителя – лампового и транзисторного. Как известно, апериодический усилитель – это такой усилитель, нагрузка которого не имеет ярко выраженных резонансных свойств. РЕУ – это усилитель, нагрузкой которого является резистор.

Для более полного понимания и изучения свойств РЕУ необходимо рассмотреть его работу с помощью эквивалентных схем, в которых с помощью простых элементов можно уяснить работу РЕУ. Эквивалентная схема является моделью, свойства которой идентичны свойствам конкретного устройства, но рассматривать эти свойства удобнее на модели.