Способы стабилизации рабочей точки

Стабилизация рабочей точки биполярных транзисторов

Как известно, все параметры биполярного транзистора имеют сильную темпера­турную зависимости. Если не предусмотреть специальные схемы ста­билизации, то рабочая точка в зависимости от температуры будет передвигаться, что может привести к выходу ее за пределы рабочей области характеристики. Так, например, обратный ток коллектора в сильной степени зависит от окружающей температуры:,

где А — коэффициент, зависящий от технологии производства транзистора.

При увеличении температуры на 10°С увеличивается в два раза. Такое явление вызывает изменение коллекторного тока и режима работы. Изменение также может быть вызвано изменением коэффициента усиления и изменением питающих напряжений во времени. Широкое применение находят коллекторная и эмиттерная схемы стабилизации режимов работы транзисторов. Надо отметить, что все схемы стабилизации реализованы с использованием отрица­тельной обратной связи по постоянному току. В схеме коллекторной стабилизации (рис.4.3., а) ток смещения зависит от потенциала коллектора U_к0, который определяется U_к0=Е-I_кR_н. Если увеличится , то уменьшается ток смешения I_б0=(Е-I_кR_н)/R1, что приводит к снижению . Процесс автома­тического управления при уменьшении тока коллектора происходит обратным образом. Принцип действия коллекторной стабилизации ос­нован на применении отрицательной обратной связи по напряжению.

Коллекторная стабилизация в случае подачи смещения с помощью делителя объясняется следующим образом: I_д= (Е-I_кR_н)/(R1 + R2); U_см= I_д R2

Рис.4.3. Схемы коллекторной стабилизации рабочей точки.

При повышении температуры увеличивается ток коллектора, следовательно, возрастает падение напряжения на сопротивлении нагрузки, вследствие чего уменьшается потенциал коллектора. Это приводит к уменьшению напряжения смещения, следовательно, к уменьшению тока коллектора.

Более высокую стабильность рабочей точки обеспечивает наибо­лее распространенная схема эмиттерной стабилизации (рис. 4.4.).

Напряжение смещения в этой схеме равняется . Принцип действия эмиттерной стабилизации состоит в следующем. До­пустим, за счет повышения температуры в схеме возрастают токи и . При этом растет падение напряжения на , что уменьшает напряжение смещения. Снижение напряжения смещения, в свою оче­редь, ведет к уменьшению токов и . Чтобы исключить обратную связь по переменной составляющей, необходимо зашунтировать большой емкостью .

Рис.4.4. Схема эмиттерной стабилизации рабочей точки

Стабильность рабочей точки повышается при использовании схемы комбини­рованной стабилизации (рис.4.5), в которой объединены оба рас­смотренных способа. Коллекторная стабилизация рабочей точки в этой схеме обеспечивается за счет включения в цепь коллектора элементов развязывающего фильтра. При увеличении температуры увеличивается I_к и падение напряжения I_кR_ф. Вследствие чего уменьшается потенциал точки 1, что приводит к уменьшению напряжения смещения. Следовательно, уменьшается ток коллектора, т.е. происходит стабилизация режима работы транзистора.

Рис.4.5. Схема комбинированной стабилизации рабочей точки.

Когда требуется уменьшить нестабильность тока покоя, вызы­ваемую лишь изменением температуры, используются схемы темпера­турной стабилизации (рис.4.6).

Рис.4.6. Схемы температурной стабилизации:

а – с помощью терморезистора; б – с помощью диода.

В принципиальной схеме усилителя с температурной стабилиза­цией, приведенной на рис. 4.6.а, в нижнем плече делителя устанавливается терморезистор с отрицательным температурным коэффициен­том. При повышении температуры его сопротивление падает, следо­вательно, уменьшается напряжение смещения, что вызывает уменьше­ние токов коллектора и эмиттера.

Температурная стабилизация может быть осуществлена с по­мощью полупроводниковых диодов (рис.4.6.б). С повышением темпера­туры возрастает обратный ток диода, следовательно, возрастает напряжение на сопротивлении и уменьшается напряжение смещения, компенсируя возрастания обратного тока транзистора.

Источник

Искусство схемотехники. Часть 2 — Стабилизация режима

Избранные главы из книги С. А. Гаврилова «Искусство схемотехники. Просто о сложном».

Продолжение

Начало читайте здесь:

Заказать книгу можно в интернет-магазине издательства

1.2 Стабилизация режима

Стабилизация тока коллектора

Режим работы транзистора характеризуется всей совокупностью токов его электродов и напряжений на них (при отсутствии сигнала). Однако когда говорят о схемах, рассчитанных на передачу сигналов, обычно подразумевают стабилизацию величины тока коллектора. И вот почему.

Во-первых, величина тока покоя коллектора определяет важнейшие усилительные параметры транзистора: крутизну S, коэффициент передачи тока h21Э и некоторые другие.

Во-вторых, от величины тока покоя зависит, будет ли каскад обеспечивать неискаженное воспроизведение сигналов большого уровня.

В-третьих, величина тока покоя определяет (при наличии нагрузочного резистора) и напряжение коллектора. А оно влияет, между прочим, и на то, будет ли вообще получен усилительный (активный) режим работы прибора.

В-четвертых, от величины тока покоя зависит мощность, выделяемая на транзисторе, а также коэффициент полезного действия каскада.

«Паспортный режим»

Завод-изготовитель полупроводников гарантирует допуски на их параметры только в определенном режиме – том, при котором приборы проходят приемочные испытания. Это обстоятельство нередко оказывается определяющим.

Радиолюбитель:

В каком смысле?

В том, что если вам необходимо, чтобы значения параметров транзистора в схеме наверняка соответствовали гарантированным, вы позаботитесь поставить транзистор в режим, указанный в паспорте.

Не надо забывать, что (как в любом четырехполюснике) входные и выходные величины транзистора связаны функциональной зависимостью.

Радиолюбитель:

Не понимаю, к чему вы это?

К тому, что, например, при заданных схемой стабилизации значениях тока коллектора и напряжения коллектор-база – соответствующие им ток базы и напряжение база-эмиттер установятся автоматически.

Радиолюбитель:

Ясно.

В первую очередь разработчик заботится о том, чтобы все транзисторы усилительной схемы находились в активном режиме.

Радиолюбитель:

На что надо смотреть конкретно?

Вот простые правила.

Правило 1. Усилительный транзистор не должен оказаться запертым: он должен обладать коллекторным током (током стока) большим, чем ток утечки. В частности, в схеме должны быть предусмотрены пути для постоянных токов всех электродов транзистора.

Правило 2. Усилительный прибор не должен оказаться в области крутого участка выходных вольтамперных характеристик (для биполярного транзистора – в «режиме насыщения»).

Радиолюбитель:

У меня такое бывало: из-за ошибки – потенциал коллектора транзистора оказывался ниже потенциала базы (как потом выяснялось).

Нередкий случай у радиолюбителей. У полевого прибора, соответственно, напряжение сток-исток не должно быть ниже определенной минимальной величины.

Принципиально существуют две основные схемы автоматической стабилизация коллекторного тока биполярного транзистора, используемого в однотранзисторном каскаде.

Эмиттерная стабилизация

При включении согласно рис. 1.7 фиксирован потенциал базы. А нужный ток обеспечивают резистором R_Э в цепи эмиттера.

Если в практической схеме рис. 1.8 замерить потенциал эмиттера (напряжение на эмиттере относительно «земли») U_Э, то он окажется примерно на 0.7 В ниже потенциала базы E_Б. Нетрудно тогда рассчитать эмиттерный ток транзистора:

IЭ = UЭ / RЭ = ( EБ – 0.7 В ) / RЭ

(1.4)

Практически такую же величину имеет и коллекторный ток. Отсюда легко определяют потенциал коллектора:

UК = EК – IКRК

(1.5)

Измерением вы сможете убедиться, что наш расчет верен, хотя и основан на предельно упрощенной модели транзистора:

S = ∞, UБЭ = 0.7 В = const, IЭ = IК

Не исключено, однако, что формула (1.5) даст величину потенциала коллектора меньшую, чем потенциал базы. Это говорит о неправильном выборе параметров схемных элементов: транзистор будет находиться в режиме насыщения, на крутом участке коллекторной вольтамперной характеристики. Напряжение на коллекторе транзистора реально окажется практически равным напряжению на эмиттере, т.е. U_КЭ ≈ 0. Следует уменьшить величину R_К или увеличить R_Э!

Рис. 1.7. При фиксированном потенциале базы автоматически устанавливается ток эмиттера

Рис. 1.8. Эмиттерный ток задает ток (и потенциал) коллектора

Коллекторная стабилизация

В схеме на рис. 1.9,а связью базы с коллектором достигается стабилизация коллекторного потенциала (он равен потенциалу базы). Этим и определяется величина тока коллектора:

IК = ( EК – UК ) / RК

(1.6)

Рис. 1.9.	Потенциал базы и коллектора равен 0,7 В (а); базовый резистор ухудшает стабильность режима (б)

Радиолюбитель:

Не представляю себе реальную схему, где можно было бы соединить базу с коллектором!

Можно: через резистор (рис. 1.9, б). Это увеличивает потенциал коллектора (он возрастает на величину I_БR_Б ), что хорошо. Но снижает его стабильность, что плохо.

Делитель напряжения

Коллекторного напряжения, равного U_К = 0.7 В, может быть недостаточно. Добиться увеличения поможет схема с базовым делителем (рис. 1.10). Если ток через делитель существенно больше тока базы, так что последним можно пренебречь, то, очевидно:

UБЭ = UК( R2 / ( R1 + R2 )), откуда UК = 0.7 В( ( R1 + R2 ) / R2 )

Рис. 1.10.	Потенциал коллектора увеличен при помощи делителя напряжения

Снова отметим, что схемы коллекторной стабилизации задают всегда потенциал коллектора! Для получения I_К следует теперь вычесть ток делителя:

IК = ( EК – UК ) / RК – UК / ( R1 + R2 )

(1.7)

«Токовое зеркало»

Конфигурация, известная как «токовое зеркало», приведена на рис. 1.11. Поскольку U_БЭ1 = U_БЭ2, при идентичных транзисторах обеспечено и равенство токов:

IК1 = IК2 = ( E – 0.7 В ) / R

Рис. 1.11.	В «токовом зеркале» UБЭ1 = UБЭ2, поэтому режим VT2 стабилизирован

Строго говоря, полная идентичность в данной схеме не соблюдена: ток коллектора VT2 будет несколько зависеть от его коллекторного напряжения (вернитесь к рис. 1.3).

Тем не менее, с этой простой, но интересной схемой мы не раз встретимся в дальнейшем.

1.3. Режимы полевых транзисторов

Стабилизация тока стока

Аналог эмиттерной стабилизации существует и для полевого транзистора (рис. 1.12, а, где U_И = Е_З – U_ЗИ). Трудность в том, что напряжение затвор-исток при данном токе – величина весьма неопределенная и малостабильная.

Рис. 1.12.	Схемы «истоковой» (а) и «стоковой» (б) стабилизации требуют повышенных напряжений

К примеру, разброс U_ЗИ среди экземпляров прибора 2П305А при I_C = 5 мА может составлять единицы вольт. Поэтому гарантировать с приемлемой точностью заданную величину тока в собранной схеме мы могли бы, пожалуй, при напряжении Е_З, составляющем десятки вольт! Маловероятно, что это кого-то устроит.

Для приборов с индуцированным каналом возможен также аналог коллекторной стабилизации (рис. 1.12, б). Можно проверить, что при ненулевом пороговом напряжении транзистор здесь обязательно окажется на пологом участке выходных характеристик, что и требуется.

Для тока стока, очевидно, справедливо:

IС = ( E – UС ) / RС

а так как U_C = U_ЗИ может быть оценено при данном токе, как мы знаем, лишь очень грубо, то сравнительно достоверные результаты расчета и здесь достижимы только при высоком напряжении питания.

Принудительная стабилизация

В разобранных схемах функции стабилизации тока и собственно передачи сигнала соединяются в одном приборе – но, в общем, это совсем не обязательно.

Радиолюбитель:

Как это?

К примеру, для полевых транзисторов разумным способом разрешения трудностей оказывается задание тока стока вспомогательным стабилизированным биполярным транзистором (генератором тока), обеспечивающим требуемый ток в исток полевого прибора. Надо лишь не допустить ошибки, влекущей насыщение вспомогательного транзистора.

Радиолюбитель:

Лучше бы рассмотреть на каком-нибудь примере.

Рис. 1.13.	Фиксированный ток истока задают вспомогательным транзистором

Давайте – на примере рис. 1.13. Напряжение затвор-исток для 2П305А при I_C = 5 мА нормировано пределами 0.2–1.5 В, затвор «привязан» к нулю, значит, на истоке имеем этот же диапазон напряжений со знаком минус. Какой отсюда вывод?

Радиолюбитель:

Исток – он же и коллектор 2Т312Б. Выше этого уровня потенциал базы ЕБ быть не должен?

Точно. Проверьте, между прочим, что для приборов типа 2П305Г базу вспомогательного транзистора можно просто «заземлить».

Всегда ли стабилизировать ток?

Завод-изготовитель нередко проводит контроль параметров транзисторов с управляющим переходом не при фиксированном токе стока, а при фиксированном напряжении на затворе (точнее, при ). Это дает повод разработчику вовсе не вводить элементов стабилизации тока стока (рис. 1.14), и даже обязывает к этому. Ознакомьтесь, к примеру, с данными на прибор типа 2П302А: значение крутизны S ≥ 5 мА/В гарантируется при нулевом напряжении затвор-исток, хотя величина тока в этом режиме, согласно техническим условиям, может колебаться в диапазоне от 3 до 24 мА!

Рис. 1.14.	При UЗИ = 0 устанавливается паспортный режим

Любопытно, что если здесь все же возникнет надобность в стабилизации, вы не вправе устанавливать его для транзисторов этого типа более 3 мА.

Радиолюбитель:

Почему это?

А иначе не будет уверенности, что прибор не оказался в области, где напряжение приложено к переходу в запрещенной, открывающей полярности.

Радиолюбитель:

А вот еще я читал о каких-то «термостабильных точках» полевых транзисторов…

Когда вы встречаете публикации подобных выдающихся идей, почаще вспоминайте, что сама по себе стабильность тока активного прибора никак не может являться самоцелью!

Продолжение читайте здесь

Источник