Тема 11. Цепи питания транзисторов в режиме покоя
Существуют различные способы задания режима работы по постоянному току.
Схема с фиксированным током базы. Режим по постоянному току задается с помощью резисторов RБ, RК и источника питания UИП (рис. 11.1).
Рис.11.1.
Схему можно описать системой уравнений для токов и напряжений во входной и выходной цепи:
, (11.1)
. (11.2)
где UБЭ » (0,6¼0,7) В (напряжение на открытом эмиттерном переходе кремниевого БТ), т.е. UБЭ << UИП, поэтому ток в цепи базы IБ » UИП/RБ не зависит от параметров транзистора, а определяется параметрами входной цепи. Для полного описания схемы необходимо добавить уравнение связи между токами IК и IБ.
IК = h21Э IБ + IКБО;(11.3)
Изменяя внешние элементы схемы (RБ и RК) можно задавать токи покоя базы IБ и коллектора IК. Принимая в качестве исходных данных паарметры транзистора и рекомендованный в справочнике режим работы (IК,UК), можно рассчитать величину сопротивлений RБ и RК.
Недостатком рассмотренного способа задания рабочей точки является сильное влияние изменения температуры, параметров транзистора, напряжения питания на положение рабочей точки. При увеличении температуры растет величина h21Э, что приводит к увеличению IК, и точка покоя смещается в сторону режима насыщения. Использование в этой схеме транзисторов с параметрами, отличными от принятых при расчете, также приводит к сильному изменению положения рабочей точки.
Для температурной стабилизации рабочей точки транзисторов усилительных каскадов используется отрицательная обратная связь по постоянному току или напряжению.
Схема с коллекторной стабилизацией. На рис. 11.2. представлена схема с коллекторной стабилизацией, в которой резистор RБ подключается к коллектору транзистора с напряжением UКЭ, тогда
(11.4)
Рис 11.2.. Схема усилителя с коллекторной с табилизацией
При повышении температуры коллекторный ток увеличивается, следовательно, коллекторное напряжение UКЭ уменьшается, а значит, уменьшается ток базы IБ, что приводит к уменьшению коллекторного тока IК. Эти два фактора частично компенсируют друг друга, поэтому рабочая точка стремится вернуться в исходное положение.
Схема с эмиттерной стабилизацией. Наиболее эффективной является схема с эмиттерной стабилизацией рабочей точки (рис. 11.3.).
В этой схеме повышение температуры за счет температурных свойств транзистора приводит к увеличению тока IК, что вызывает уменьшение напряжения на коллекторе UК и увеличение эмиттерного тока IЭ = IК + IБ. В результате увеличивается падение напряжения на резисторе RЭ.
Поскольку потенциал базы транзистора 
зафиксирован делителем напряжения R1, R2, то напряжение между базой и эмиттером UБЭ уменьшается,
(11.5)
Рис 11.4. Схема усилителя с эмиттерной стабилизацией режима работы БТ
что приведет к уменьшению тока базы IБ, а значит и коллекторного тока IК. Происходит частичная взаимная компенсация этих двух факторов, влияющих на рабочую точку транзистора, поэтому ее положение практически не изменяется.
Наличие резистора RЭ – резистора обратной связи – при отсутствии конденсатора CЭ не только стабилизирует рабочую точку, но и изменяет работу каскада по переменному току. Для схемы изменяющийся входной сигнал также является дестабилизирующим фактором. Переменная составляющая эмиттерного тока с амплитудой 
создает на резисторе RЭ падение напряжения, которое уменьшает амплитуду переменной составляющей напряжения .Для устранении этого нежелательного эффекта параллельно RЭ включают СЭ. Емкостное сопротивление много меньше RЭ в рабочем диапазоне частот, поэтому образования отрицательной обратно связи для переменного сигнала не происходит и полностью реализуются усилительные свойства транзистора.
Для схемы с фиксированным током базы, в которойток базы зависит только от 
и 
, на рис.11.6 показаны графические построения на семействах входных и выходных характеристик БТ с ОЭ, которые поясняют процесс усиления электрического сигнала с помощью БТ. Положение рабочей точки А на семействе выходных характеристик (рис. 11.6, а) определяется точкой пересечения выходной характеристики, соответствующей току базы 
, и нагрузочной прямой по постоянному току, график которой в системе координат 
описывается уравнением
, (11.6)
полученным из (6.2). Нагрузочная прямая по постоянному току строится по точкам пересечения с осями координат:
при 
, 
; при 
, 
.
Рис.11.6
Таким образом, нагрузочная прямая – геометрическое место рабочих точек активного элемента при конкретных значениях напряжения источника питания и сопротивления резистора 
. Тангенс угла наклона ее к оси абсцисс 
обратно пропорционален сопротивлению резистора : 
. Положение рабочей точки А на семействе входных характеристик (рис. 6.2, б) определяется постоянным током базы и напряжением 
.
При действии на входе усилителя переменного напряжения, изменяющегося по гармоническому закону с малой амплитудой 
и низкой частотой f:
, (11.7)
ток базы будет также изменяться по гармоническому закону. Причем мгновенные значения тока базы будут соответствовать точкам, лежащим на отрезке ВС одной и той же входной характеристики. Это обусловлено тем, что в активном режиме положение входных характеристик слабо зависит от напряжения 
.
Изменение базового тока БТ приводит к изменению тока коллектора, а значит, согласно (6.2) — к изменению напряжения . При отсутствии резистора 
( 
) мгновенные значения 
и будут соответствовать точкам отрезка ВС нагрузочной прямой по постоянному току. Крайние точки отрезка определяются пересечением с выходными характеристиками, соответствующими токам базы 
; 
, где 
— амплитуда тока базы. Чтобы не происходило искажения формы сигнала, отрезок ВС должен соответствовать активному режиму работы БТ.
Входное и выходное напряжения усилителя изменяются в противофазе. Увеличению входного напряжения соответствует уменьшение выходного и наоборот. Усилительный каскад на БТ с ОЭ изменяет фазу входного сигнала на 
.
Для получения максимального значения амплитуды выходного неискаженного сигнала 
рекомендуется задавать напряжение коллектор-эмиттер в точке покоя равным половине напряжения питания 
. В этом случае практически будет равно половине напряжения питания 
.
Если к выходу усилителя подключена нагрузка с конечным значением сопротивления , то мгновенные значения коллекторного тока и напряжения будут соответствовать точкам отрезка В'С', лежащего на нагрузочной прямой по переменному току (см. рис. 6.2, а), которая проводится через рабочую точку А. Тангенс угла наклона ее к оси абсцисс 
обратно пропорционален сопротивлению параллельно включенных резисторов и :
,
где 
, поскольку для переменного тока эти резисторы включены параллельно. График нагрузочной прямой по переменному току описывается выражением
(11.8)
и может быть построен по точкам пересечения с осями координат:
при 
, 
; при , 
.
Таким образом, при подключении нагрузки уменьшается максимальное значение амплитуды выходного напряжения за счет уменьшения верхней полуволны 
(см. рис. 6.2, а).
Амплитуда выходного напряжения связана с амплитудой коллекторного тока соотношением
. (11.9)
Поскольку обычно выполняется неравенство 
, то для амплитуды входного напряжения можно записать
. (11.10)
Тогда коэффициент усиления по напряжению определяется выражением
. (11.11)
Поскольку мощность, потребляемую базовой цепью транзистора, можно представить выражением
, (11.12)
а мощность, отдаваемую в нагрузку, выражением
, (11.13)
то коэффициент усиления по мощности можно представить в виде
. (11.14)
Таким образом, входной сигнал малой мощности 
управляет выходным сопротивлением БТ, за счет чего происходит преобразование энергии источника питания в выходной переменный сигнал большой мощности 
.
При расчете усилителя необходимо помнить, что углы наклона нагрузочных прямых по постоянному и переменному току не должны отличаться более чем на 20 %, иначе сильно уменьшится максимальное значение амплитуды выходного сигнала, что резко снизит коэффициент полезного действия (КПД) усилителя:
, где 
. (11.15)
Поэтому соотношение между сопротивлением нагрузки и сопротивлением резистора рекомендуется выбирать согласно выражению
. (11.16)
В этом случае амплитуда коллекторного тока будет составлять
. (11.17)
Обычно исходными данными при расчете усилителя является выходная мощность и сопротивление нагрузки , тогда амплитуда тока в нагрузке определяется выражением
. (11.18)
Зная ее, можно определить требуемый режим покоя БТ и его максимально допустимые параметры:
амплитуду коллекторного тока 
согласно (6.17);
постоянный ток коллектора 
;
допустимый ток коллектора 
;
амплитуду выходного напряжения (коллектор — эмиттер)
;
постоянную составляющую напряжения коллектор — эмиттер 
;
напряжение источника питания 
;
допустимое напряжение коллектор — эмиттер 
.
Транзистор выбирают из выполнения условий, что рассчитанные допустимые значения напряжения 
и 
не превышают соответствующих максимально допустимых параметров:
, 
.
При выборе режима покоя, расчете амплитудных значений коллекторного тока и выходного напряжения необходимо учитывать их возможное изменение при работе усилителя в широком диапазоне температур, что обусловлено влиянием изменения температуры на параметры БТ и в конечном итоге — на его ВАХ.