Способы установки рабочей точки

Простейшие способы установки рабочей точки в схеме с общим эмиттером (ОЭ)

На рис. 3.3 приведена упрощенная схема включения биполярного транзистора \(n\)-\(p\)-\(n\)-типа с ОЭ, а на рис. 3.4 — семейства типичных статических характеристик этой схемы.

Рис. 3.3. Упрощенная схема включения биполярного транзистора n-p-n-типа с ОЭ

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. 3.4,а) видно, что при достижении током базы \(_0\) определенного уровня он практически перестает влиять на напряжение \(>_0\), а вот незначительное изменение этого напряжения может приводить к существенным колебаниям тока \(_0\). Выходные характеристики (рис. 3.4,б) и характеристики передачи (рис. 3.4,в) позволяют сделать следующие заключения. Ток базы в активном режиме оказывает большое влияние на ток коллектора \(_0\) (естественно, и на ток эмиттера \(_0\), поскольку \(I_Э \approx I_К\)), а тот одновременно незначительно зависит от колебаний напряжения \(>_0\).

Итоговый вывод следующий: при включении по схеме с ОЭ на положение рабочей точки биполярного транзистора (т.е. на ток коллектора \(_0\)), находящегося в режиме линейного усиления (активный режим), наибольшее влияние оказывает ток базы \(_0\), который, в свою очередь, может сильно колебаться под воздействием изменений напряжения \(>_0\). Токи коллектора \(_0\) и эмиттера \(_0\) практически полностью определяются током базы транзистора. Напряжение \(U_<<КЭ>_0>\) 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).

Рис. 3.5. Схема с фиксированным током базы

Рис. 3.6. Схема эмиттерно-базовой стабилизации

В первой схеме стабильность всех показателей каскада по постоянному току базируется на поддержании устойчивого значения тока базы транзистора \(_0\). Достигается это созданием безальтернативной цепи протекания постоянного тока через резистор \(R_Б\) и эмиттерный переход транзистора \(VT1\). Поскольку сопротивление эмиттерного перехода мало, то ток \(_0\) целиком определяется напряжением питания \(U_П\) и значением базового сопротивления \(R_Б\):

\(_0 \approx \cfrac < >\Large \Rightarrow \normalsize < >R_Б = \cfrac<_0> \).

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

где \(\beta_<ст>\) — 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 \(\beta_<СТ>\), т.е. для разных экземпляров приборов необходимо устанавливать разные токи базы \(_0\), чтобы обеспечить требуемое значение тока коллектора \(_0\) (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.

Как следует из названия, в этой схеме положение исходной рабочей точки каскада стабилизируется за счет поддержания неизменного значения напряжения на переходе эмиттер—база транзистора. Простейший способ обеспечения данного режима состоит в применении подключенного к базе транзистора делителя напряжения на двух резисторах \(R1\), \(R2\), ток через который \(_0\) значительно превышает все возможные значения тока базы \(_0\) (это гарантирует, что ток базы транзистора не будет оказывать сколь-либо существенного влияния на напряжение в средней точке делителя). Стабильное напряжение \(>_0\) на эмиттерном переходе автоматически стабилизирует ток коллектора \(_0\) транзистора. Действительно, ведь

\( >_0 = _0 r_Б + _0 r_Э = _0 \left[ r_Б + (\beta_ <СТ>+ 1) r_Э \right] \approx _0 \beta_ <СТ>r_Э = _ <0>r_Э\)

Поскольку такой физический параметр транзистора, как сопротивление эмиттерной области \(r_Э\), 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).

Источник

Простейшие способы установки рабочей точки в схеме с общим коллектором (ОК)

Упрощенная схема включения биполярного транзистора \(n\)-\(p\)-\(n\)-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 \(I_Э \approx I_К\) практически полностью совпадают с выходными характеристиками схемы с ОЭ (рис. 3.4,б).

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

Рис. 3.8. Семейство входных статических характеристик схемы с ОК

Из статических характеристик видно, что напряжение на коллекторном переходе \(>_0\), которое является входным для схемы с ОК, имеет большое влияние на ток базы \(_0\) транзистора (но не наоборот) и почти совпадает (с учетом \(>_0 \gg >_0\)) с напряжением \(>_0\). В то же время выходной ток \(_0\) оказывается значительно выше входного тока \(_0\) и линейно от него зависит: \(_0 \approx \beta _0\). 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).

На 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).

Рис. 3.9. Схема задания смещения в каскаде с ОК

В схеме с ОК в цепи протекания тока базы \(_0\) кроме перехода эмиттер—база транзистора \(VT1\) всегда оказывается также резистор \(R_Э\). Здесь данный резистор фактически играет роль нагрузки. Рассмотрим несколько подробнее его влияние на происходящие в каскаде процессы.

Итак, делитель на резисторах \(R1\), \(R2\) позволяет стабилизировать напряжение \(>_0\) на коллекторном переходе транзистора \(VT1\). Поскольку это напряжение очень близко по значению к напряжению \(>_0\), на долю участка база—эмиттер остается достаточно незначительный диапазон возможных значений, причем увеличение напряжения на эмиттерном переходе \(>_0\) возможно только за счет снижения падения напряжения на резисторе \(R_Э\), т.е. при уменьшении тока эмиттера \(_0\), и наоборот. Но само по себе уменьшение тока эмиттера должно вызывать не увеличение, а уменьшение напряжения на эмиттерном переходе транзистора. Действительно:

\(>_0 = _0 r_Б + _0 r_Э \approx _0 r_Э\) .

Таким образом, в схеме имеет место отрицательная обратная связь по 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 \(_0 \approx _0\), 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 \(R_Э\) 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 \(_0\) появляется резистор \(R_Э\), падение напряжения на котором зависит в основном от тока \(_0\), т.е. даже незначительные колебания (например, ввиду колебаний температуры) тока \(_0\) могут привести к изменению тока базы \(_0\) транзистора и, соответственно, к значительному смещению рабочей точки каскада.

Рис. 3.10. Неправильный вариант схемы смещения в каскаде с ОК

Источник

Простейшие способы установки рабочей точки в схеме с общей базой (ОБ)

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-p-n-типа с ОБ

Рис. 3.12. Статические характеристики схемы с ОБ

Для 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 \(_0\), либо напряжение на эмиттерном переходе транзистора \(>_0\).

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).

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

Рис. 3.14. Каскад на биполярном транзисторе по схеме с ОБ с питанием от источника со средней точкой или от двух независимых источников питания 1

1 Здесь и далее везде номиналы элементов, приводимые на схемах в скобках, даются в качестве примера. Следует, однако, понимать, что многие из рассматриваемых схем по ряду своих параметров не являются оптимальными для использования на практике, а носят скорее познавательно-учебный характер.

Источник

Простейшие способы установки рабочей точки в схеме с общим истоком (ОИ)

Схемы включения с общим истоком (ОИ) полевого транзистора с управляющим переходом и МДП-транзистора с индуцированным каналом показаны на рис. 2-2.2. Статические характеристики такого включения для полевого транзистора с управляющим \(p\)-\(n\)-переходом даны на рис. 2-2.3, а на рис. 2-2.4, 2-2.5 представлены статические характеристики для МДП-транзисторов с индуцированным или встроенным каналом.

Рис. 2-2.2. Упрощенные схемы включения \(n\)-канальных полевых транзисторов с общим истоком

Рис. 2-2.3. Статические характеристики \(n\)-канального полевого транзистора с управляющим \(p\)-\(n\)-переходом в схеме с общим истоком:
(а) характеристики передачи, (б) выходные характеристики, (в) входная характеристика, (г) характеристики обратной связи

Рис. 2-2.4. Статические характеристики \(n\)-канального МДП-транзистора с индуцированным каналом в схеме с общим истоком:
(а) характеристики передачи, (б) выходные характеристики

Рис. 2-2.5. Статические характеристики \(n\)-канального МДП-транзистора со встроенным каналом в схеме с общим истоком:
(а) характеристики передачи, (б) выходные характеристики

При рассмотрении статических характеристик биполярных транзисторов мы пользовались системой т.н. гибридных или \(H\)-характеристик, эквивалентной системе \(H\)-параметров линейных четырехполюсников. Для полевых транзисторов более удобным оказалось применение системы \(Y\)-характеристик, в которой в качестве независимых переменных выступают входное и выходное напряжения, а в качестве определяемых функций — входной и выходной токи. На рис. 2-2.3 представлены все семейства статических характеристик полевого транзистора с управляющим \(p\)-\(n\)-переходом, однако на практике для анализа схем на полевых транзисторах обычно достаточно характеристик передачи и выходных характеристик, поэтому в дальнейшем мы не будем включать в рисунки входные характеристики и характеристики обратной связи (при желании читатель может сам отстроить их графики по двум представленным семействам).

Внимательное рассмотрение представленных на рис. 2-2.3, 2-2.4, 2-2.5 характеристик показывает следующее. В области насыщения ток стока \(_0\), а соответственно и ток истока \(_0\), слабо зависят от напряжения сток—исток \(>_0\) и сильно — от напряжения затвор—исток \(>_0\). Т.е., стабилизируя напряжение \(>_0\), можно поддерживать неизменное положение исходной рабочей точки всего каскада. Рассмотрим схему, представленную на рис. 2-2.6.

Рис. 2-2.6. Комбинированная схема задания исходной рабочей точки каскада на полевом транзисторе с управляющим \(p\)-\(n\)-переходом и каналом \(n\)-типа

Основным соотношением, на базе которого осуществляется анализ на постоянном токе для этой схемы является:

Сам анализ удобно провести графически на передаточной характеристике каскада (рис. 2-2.7).

Рис. 2-2.7. Графический анализ схемы с рис. 2-2.6

Приводимые на рис. 2-2.7 построения предполагают, что в истоковой цепи включен линейный резистор \(R_И\) с вольт-амперной характеристикой, изображаемой прямой 2, а на затвор транзистора с помощью делителя напряжения \(R1\), \(R2\) подан потенциал \(_0\). Точка пересечения графика передаточной характеристики каскада (1) с вольт-амперной характеристикой резистора \(R_И\) (2) определяет положение исходной рабочей точки транзистора, т.е. значение тока \(_0 \approx _0\), и разность потенциалов \(>_0\). В ряде случаев для расчета \(>_0\) и \(_0\) можно пользоваться упрощенными формулами:

\(>\) — напряжение отсечки транзистора.

Параметры делителя напряжения выбираются так, чтобы \(_0 \gg _0\).

При применении МДП-транзисторов схема цепей смещения остается неизменной (рис. 2-2.8). Изменяются лишь параметры элементов с учетом того, что полярность напряжения \(>_0\) в МДП-транзисторах может иметь противоположное направление по сравнению с полевыми транзисторами с управляющим переходом.

Рис. 2-2.8. Комбинированная схема задания исходной рабочей точки каскада на МДП-транзисторе с каналом \(p\)-типа

Существует еще одно более простое схемное решение, позволяющее задавать рабочую точку каскадов на полевых транзисторах. Это так называемая схема истокового автосмещения (рис. 2-2.9).

Рис. 2-2.9. Схема истокового автосмещения для полевого транзистора с управляющим \(p\)-\(n\)-переходом и каналом \(n\)-типа

В данной схеме делитель напряжения заменен одним резистором в цепи протекания тока затвора \(_0\). Значение этого тока достаточно стабильно, ведь обратносмещенный управляющий \(p\)-\(n\)-переход транзистора работает как стабилизатор тока, т.е. ток \(_0\) практически не зависит от возможных колебаний напряжения \(>_0\). Поскольку величина тока затвора \(_0\) полевого транзистора очень мала, то значение сопротивления \(R_З\) можно выбирать достаточно высоким. Необходимо лишь следить за тем, чтобы напряжение на управляющем \(p\)-\(n\)-переходе \(>_0\) оставалось отрицательным. Это достигается, когда величина \(R_З\) не превышает величину входного сопротивления каскада \(R_<вх>\) (обычно \(R_З \le 1 МОм\)).

Схема с истоковым автосмещением оказывается крайне чувствительной к любым внешним воздействиям, прикладываемым к затвору транзистора. Это обусловило ее широкое применение в первую очередь в каскадах предварительного усиления, где требуется повышенная чувствительность и низкое энергопотребление.

Использование схемы с высокоомным резистором в цепи протекания тока затвора возможно и с МДП-транзисторами (напомним, что для этих приборов постоянный ток затвора обусловлен фактически только паразитными утечками). Но здесь необходимо иметь в виду, что установка рабочей точки каскада вблизи значения \(>_0 = 0\) может оказаться неудачной для многих случаев использования МДП-транзисторов. Однако иногда для МДП-транзисторов со встроенным каналом именно \(>_0 = 0\) отвечает наилучшему режиму усиления.

В качестве примера использования обоих описанных выше схем смещения на рис. 2-2.10 представлен усилительный каскад на двухзатворном МДП-транзисторе.

Рис. 2-2.10. Высокочастотный усилительный каскад на двухзатворном МДП-транзисторе со встроенным каналом \(n\)-типа

Источник