Простейшие способы установки исходной рабочей точки
Дата добавления: 2014-11-27 ; просмотров: 1898 ; Нарушение авторских прав
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.
Схема 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 IБо определенного уровня он практически перестает влиять на напряжение IБЭ , а вот незначительное изменение этого напряжения может приводить к существенным колебаниям тока IБо. 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 IКо (естественно, и на ток эмиттера IЭ0, 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 IКо), находящегося в режиме линейного усиления (активный режим), наибольшее влияние оказывает ток базы IБо, который, в свою очередь, может сильно колебаться под воздействием изменений напряжения . Токи коллектора IКо и эмиттера IЭ0 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 1Б Достигается это созданием безальтернативной цепи протекания постоянного тока через резистор 
и эмиттерный переход транзистора VT1. Поскольку сопротивление эмиттерного перехода мало, то ток IБ 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 RБ 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 
, 
, ток через который 
значительно превышает все возможные значения тока базы IБо (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 IКо 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).
Источник
Выбор и стабилизация рабочей точки транзистора усилителя
Классы усилителей
Класс «А» — такой режим работы усилительного элемента (транзистора или лампы), в котором при любых допустимых мгновенных значениях входного сигнала (напряжения или тока) ток, протекающий через усилительный элемент, не прерывается.
Усилительный элемент не входит в режим отсечки, не отключается от нагрузки, поэтому форма тока через нагрузку более или менее точно повторяет входной сигнал. В частном случае усилителя гармонических колебаний режим А — такой режим, в котором ток через усилительный элемент протекает в течение всего периода, то есть угол проводимости 2Θ равен 360°
Класс А характеризуется тем, что при действии сигнала рабочая точка не выходит за пределы практически прямолинейного участка динамической характеристики усилительного элемента. При этом нелинейные искажения минимальны, но коэффициент полезного действия (КПД) каскада оказывается низким ( 
)
Применение класса «А»: каскады предварительного усиления, маломощные выходные каскады.
Класс «В» – режим работы усилителя, при ктором ток через него протекает в течение половины периода входного сигнала.
В таком классе усилительный элемент способен воспроизводить либо только положительные (лампы, npn-транзисторы), либо только отрицательные (pnp-транзисторы) входные сигналы. При усилении гармонических сигналов угол проводимости равен 180° или незначительно превосходит эту величину.
Предельный КПД идеального каскада в режиме «B» на синусоидальном сигнале равен 78,5 %, у реального транзисторного каскада — примерно 72 %. Эти показатели достигаются только тогда, когда выходная мощность «P» равна максимально возможной мощности для данного сопротивления нагрузки Pмакс(Rн).
Применение: двухтактные выходные каскады, имеющие высоки й КПД.
Класс «AB» — является промежуточным между режимами A и B. Ток покоя усилителя в режиме AB существенно больше, чем в режиме B, но существенно меньше, чем ток, необходимый для режима А.
При усилении гармонических сигналов усилительный элемент проводит ток в течение бо́льше части периода: одна полуволна входного сигнала (положительная или отрицательная) воспроизводится без искажений, вторая сильно искажается. Угол проводимости 2Θc такого каскада существенно больше 180°, но меньше 360° (рис. 4.12 в).
Класс «C», также как и в режиме B, усилительный элемент воспроизводит только положительные, либо только отрицательные входные сигналы. Однако рабочая точка усилительного элемента выбрана так, что при нулевом напряжении на входе (или при нулевом управляющем токе) усилительный элемент заперт. Ток через усилительный элемент возникает только после перехода управляющего сигнала через ноль; если этот сигнал гармонический, то усилитель воспроизводит одну искажённую полуволну (угол проводимости меньше 180°,рис. 4.12 г).
Характеристики: предельный теоретический КПД недонапряжённого усилителя в режиме C, так же как и в режиме B, равен 78,5 %, перенапряжённого — 100 % Высокие нелинейные искажения усилителя , поэтому они непригодны для воспроизведения широкополосных сигналов (звука, видеосигналов, постоянного тока).
Применение: В резонансных усилителях радиопередатчиков, где нагрузкой является резонансный контур ;
Класс «D» — режим, в котором транзистор либо заперт (его сопротивление велико), либо полностью открыт (имеет малое эл. сопротивление).
Выбор и стабилизация рабочей точки транзистора усилителя
Рабочая точка –точка на плоскости пересечения ВАХ и нагрузочной прямой, связывающая текущие значения напряжений и токов усилительного прибора в режиме покоя (без входного сигнала)
Вопрос задания рабочей точки (РТ) решается двумя способами − она задается либо автономным независимым источником, но этот метод неэкономичен ,особенно в многоступенных усилителях, либо применяется автоматическая подача напряжения смещения в цепь базы.
В современных усилительных каскадах предпочтенье отдаётся второму способу: схема «сама» вырабатывает напряжение автосмещения для того, чтобы задать РТ. Рабочая точка задается постоянными составляющими токов и напряжений
В режиме «А» обычно работают усилители, на вход которых подаются сигналы с малыми амплитудами. В режиме «А» рабочая точка (РТ) должна находиться в активной (рабочей) области ВАХ транзистора.
Рассмотрим ВАХ биполярного транзистора, выполненного по схеме с общим эмиттером ОЭ (рис. 14.5). Рабочая область ограничена линиями, отделяющими области насыщения, отсечки, и линиями допустимых значений коллекторного тока Iкдоп, коллекторного напряжения Uкдоп и рассеиваемой мощности Ркдоп.
В области насыщения и отсечки транзистор теряет свои усилительные свойства.
Превышение Uкдоп и Ркдоп приводит к выходу транзистора из строя. Превышение Iкдоп — значительно ухудшает усилительные свойства.
Источник
