Установка рабочей точки биполярного транзистора

Существует два основных способа установки рабочей точки БТ по постоянному току, представленных на рис 16. Это схема с фиксированным напряжением на базе и схема с фиксированным током базы.

Рабочая точка БТ формируется одновременно в системе координат входных и выходных ВАХ, и для обоих случаев установки рабочей точки и являются величинами, которые задаются значениями , . Разница состоит лишь в выборе управляющей величины: в схеме с фиксацией напряжения на базе выбирается внешнее напряжение смещения , равное значению , при котором в соответствии с входной ВАХ БТ ток через база-эмиттерный переход БТ будет равен , в схеме с фиксацией тока базы ток источника тока сразу выбирается равным , тем самым автоматически, опять же в соответствии с входной ВАХ, обеспечивая установку необходимого . Оба способа установки рабочей точки по постоянному току являются практически идентичными, так как , с соответствующим ему значением , или, наоборот, , с соответствующим ему значением , это одна точка на входной ВАХ БТ, но при этом оба способа смещения Б-Э перехода весьма различно влияют на свойства каскадов усиления по переменному току и, особенно, на их термостабильность. Однако на практике в ряде ограниченных случаев, например в узком температурном диапазоне, применение их вполне допустимо.

Разновидности схем установки рабочей точки с фиксированным напряжением на базе представлены на рис. 17, 18. На схемах клеммами «вх», «вых» обозначены места для подключения к источнику сигнала и к нагрузке.

Для схемы на рис. 17 источник базового смещения (как правило, напряжение меньше, чем напряжение ) отделен от базового перехода БТ сопротивлением , которое служит для развязки источника сигнала по переменному току от низкоомного сопротивления источника смещения и задания величины постоянного тока базы в его рабочей точке. Недостаток схемы формирования напряжения базового смещения на рис. 17 – в наличии дополнительного источника напряжения .

В схеме на рис. 18 роль дополнительного источника смещения выполняет источник питания , с помощью которого и делителя напряжения , к базе транзистора прикладывается необходимое для открывания перехода Б-Э напряжение.

Схема на рис. 19 устанавливает рабочую точку транзистора с помощью стабильного базового тока. Идеальный источник тока в схеме на рис. 16 заменен в схеме на рис. 19 высокомным сопротивлением , подключенным к источнику питания . Напряжение по сравнению с напряжением питания мало, следовательно, ток базы задается сопротивлением в соответствии с законом Ома . Так как базовый ток мал, то сопротивление достаточно велико, что соответствует свойству идеального источника тока – обладать высоким внутренним сопротивлением.

Сравнение схем подачи базового смещения со стабилизацией напряжения на базе и схемы подачи стабильного тока базы показывает, что сопротивление в схеме на рис. 19 много меньше шунтирует источник сигнала по переменному току, чем сопротивление в схеме на рис. 17 или сопротивление делителя напряжения в схеме на рис. 18. Отрицательным свойством малого шунтирующего действия резистора на переход Б-Э в схеме на рис. 19, по сравнению со схемами на рис. 17, 18, является слабое рассасывание зарядов из базы транзистора при резких фронтах входного сигнала, в результате чего переход транзистора из открытого состояния в закрытое происходит медленно.

Все схемы формирования базового смещения транзистора в силу разброса свойств БТ, таких как зависимость прямого падения напряжения на переходе Б-Э от температуры для схем на рис. 17, 18, зависимость коэффициента усиления по току БТ от температуры в схеме на рис. 19, технологического разброса коэффициента усиления по току БТ, достаточно требовательны к точному выбору значения сопротивления , которое часто во всех рассмотренных схемах делают регулируемым или подстроечным.

Устранение влияния дестабилизирующих факторов на режим работы БТ по постоянному току достигают использованием цепей отрицательной обратной связи (ООС). Упрощенно принцип обратной связи состоит в том, что часть полезного сигнала с выхода схемы поступает обратно на ее вход, причем для отрицательной обратной связи характерно уменьшение (компенсация) входного сигнала под воздействием выходного сигнала, поэтому она и называется отрицательной. С точки зрения стабилизации рабочей точки БТ принцип ООС следует понимать так, что доля выходного напряжения или тока (а для БТ выходной цепью является цепь коллектор-эмиттер, и, следовательно, выходным сигналом должны являться параметры выходной цепи – ток коллектора или эмиттера, или напряжения на коллекторе или эмиттере БТ) должна поступать обратно во входную, базовую цепь БТ и воздействовать на напряжение или ток в базовой цепи противофазно дестабилизирующим факторам с целью уменьшения их влияния на режим БТ по постоянному току.

Наиболее распространена схема установки рабочей точки БТ с ООС по току (рис. 20). Другое ее название – схема с фиксированным напряжением на базе и эмиттерной стабилизацией. Она является универсальной схемой установки рабочей точки БТ для любого варианта включения транзистора по переменному току.

Напряжение (рис. 20) на базе транзистора VT1 зафиксировано делителем напряжения R1, R2. Ток эмиттера в соответствии с законом Ома вызывает падение напряжения на эмиттерном сопротивлении R4. Любое изменение или под действием дестабилизирующих факторов вызывает соответствующее изменение и, следовательно, изменение падения напряжения . Так как напряжение перехода в соответствии с законом Кирхгофа, а зафиксировано, то изменение падения напряжения на эмиттерном сопротивлении R4 обязательно приведет к изменению напряжения , причем противофазно изменению напряжения на R4. Например, в случае даже незначительного увеличения произойдет значительное увеличение в силу усилительных свойств БТ, и, следовательно, напряжение на Б-Э переходе уменьшится, что в свою очередь скомпенсирует увеличение , осуществив таким образом стабилизацию рабочей точки транзистора VT1.

Схема на рис. 21 иллюстрирует метод установки рабочей точки с использованием ООС по напряжению. Цель подключения сопротивления R1, задающего , к коллектору VT1, получить независимость режима работы БТ по постоянному току от свойств самого БТ (технологического разброса коэффициента передачи по току), а также устранение влияния на БТ дестабилизирующих факторов в виде изменения напряжения питания или температуры. Стабилизирующее действие ООС основано на компенсации возможного изменения с помощью выходного напряжения , меняющего противофазно . В случае увеличения (уменьшения) ток коллектора VT1 увеличивается (уменьшается), напряжение уменьшается (увеличивается) и, следовательно, ток базы уменьшается (увеличивается).

Общий подход к расчету режима БТ по постоянному току для схем (рис. 17…21), работающих в активном (линейном) режиме примерно одинаков, хотя имеет различия, относящиеся к выбору элементов стабилизации рабочей точки БТ в базовой цепи транзистора.

Порядок расчета элементов схемы для установки рабочей точки БТ, работающего в линейном режиме (рис. 17…21), следующий.

1. Выбираем тип БТ самостоятельно или используем конкретный тип БТ, определенный техническим заданием

Перед началом расчета следует определиться с типом транзистора. Для предварительных усилителей, работающих, как правило, в слаботочном режиме, если нет каких-либо специфических требований, например повышенного напряжения питания, низкоомного сопротивления нагрузки, большой амплитуды переменной составляющей тока или напряжения на выходе усилителя, следует выбирать транзистор, относящийся к классу маломощных, наиболее дешевых, с предельной постоянной рассеиваемой мощностью коллектора БТ до (100…250) мВт.

Учет частотных свойств БТ осуществляется обычно на этапе расчета свойств усилительного каскада по переменному току, предварительный выбор транзистора (низкочастотный, высокочастотный или сверхвысокочастотный) может быть осуществлен по планируемому частотному диапазону усилительного устройства. Однако следует знать, что использование более высокочастотных типов транзисторов в низкочастотных цепях нежелательно, так как они дороги, склонны к самовозбуждению и обладают меньшими эксплуатационными запасами.

2. Задаем постоянный ток коллектора БТ

Так как в апаратуре БТ может быть использован в широком диапазоне токов и напряжений, то ограничением на их выбор служат значения предельно допус­тимых режимов, превышение которых в условиях эксплуатации не допускается независимо от длительности импульсов напряжения или тока. Поэтому при при­менении БТ необходимо обеспечить их защиту от мгновенных изменений токов и напряжений, возникающих при переходных процесах, мгновенных изменениях питающих напряжений. Не допускается также работа БТ в совмещенных предель­ных режимах (например, по напряжению и току). Для повышения надежности БТ при эксплуатации следует выбирать рабочие режимы БТ (, , постоянную рассеиваемую мощность коллектора) меньше, чем их предельно допустимые ве­личины в (1,2…1,4) раза. При запасе в (1,6…2) раза надежность работы транзи­стора высока и практически не зависит от режима его работы.

Существует несколько критериев выбора .

· Наиболее прост способ, не требующий оптимизации режима работы БТ под определенные свойства. Задаем , равный приведенному в справочниках [6,7] типовому режиму измерения параметров БТ, например, справочный , соответствующий режиму измерения статического коэффициента передачи тока или режиму измерения модуля коэффициента передачи тока на высокой частоте.

· В случае необходимости, чтобы транзистор имел максимальный коэффициент передачи тока (например, если требуется получить максимальное входное сопротивление усилителя по переменному току) следует воспользоваться типовой справочной зависимостью от тока или (рис. 22). Ток коллектора выбирается равным значению при максимальной величине .

· Для расширения полосы пропускания усилителя в область высших частот в случае его широкополостного применения необходимо воспользоваться справочной зависимостью граничной частоты БТ от тока коллектора. Ток коллектора выбирается соответствующим максимальному значению граничной частоты БТ.

· При построении малошумящих входных усилителей основой для выбора тока коллектора является справочная зависимость коэфициента шума БТ от тока коллетора. Ток коллектора следует выбирать по минимуму коэффициента шума.

· Во всех случаях, если известна амплитуда переменной составляющей тока на выходе усилительного каскада (например, по техническому заданию или величине выходной мощности на заданной нагрузке), то значение постоянной составляющей тока коллектора должно быть не меньше, чем амплитудное значение переменной составляющей тока в нагрузке.

Уменьшать ток коллектора БТ ниже значений, указанных в критериях вы­бора, нецелесообразно, если нет особых требований по минимизации потребления схемы усилителя, или, если не выбран тип БТ, специально разработанный для ра­боты с малыми токами. При малых рабочих токах у обычного БТ снижатся устой­чивость работы в диапазоне температур и появляется нестабильность параметров усиления во времени.

3. Задаем постоянное напряжение БТ

· Критерий выбора − такое положение рабочей точки А БТ на семействе выходных ВАХ, при котором получается максимально возможная амплитуда переменной составляющей на выходе усилительного каскада.

Так как возможное изменение по­ложения точки А при ее движении под действием входного сигнала по нагру­зочной прямой ВС на графиках выход­ных ВАХ (рис. 23) ограничено с одной стороны потенциалом земли − точкой В (режим насыщения), а с другой стороны – потенциалом источника питания − точкой С (режим отсечки), то целесооб­разно выбирать для исходного положе­ния рабочей точки напряжение , равное приблизительно половине напряже­ния питания .

Обеспечить следует выбором величины сопротивления в кол­лекторной цепи транзистора. Так как БТ в линейном режиме является источ­ником тока, то значение на переходе К-Э должно устанавливаться принуди­тельно, в частности для схем на рис. 17, 18, 19, 21 падением напряжения на коллекторном сопротивлении . В соответствии с законом Кирхгофа . Следовательно, , отсюда , а так как , то

(рис. 17, 18, 19, 21). (14)

Для схемы на рис. 20 закон Кирхгофа для коллекторной цепи записывается как , где − падение напряжения на эмиттерном сопротив­лении, − падение напряжения на коллекторном сопротивлении. Для работы цепи ООС и термостабилизации режима по постоянному току минималь­ное падение напряжения на эмиттерном резисторе устанавливается [9]. Определяем по закону Ома для участка цепи величину , считая :

(рис. 20). (15)

С увеличением увеличивается термостабильность схемы. Но чем больше , тем меньшая доля напряжения источника питания будет приходиться на пере­ход К-Э: , тем возможно меньший размах переменной составляющей может быть получен на выходе схемы. Максимальный размах пе­ременной составляющей возможен при , то есть при равномерном рас­пределении напряжения между переходом К-Э и коллекторным сопротивлением R3. Отсюда следует, что

(рис.20). (16)

4. Определяем в рабочей точке постоянный ток базы БТ

· По положению рабочей точки на семействе выходных ВАХ (рис. 23). Ток базы, например, для варианта установки рабочей точки А на рис. 23 должен равняться значению тока соответствующих ветвей ВАХ, на которых находится точка А − или , или, что, для конкретного примера точнее: − их усредненному значению.

· По заданному в рабочей точке току коллектора

. (17)

В справочниках [7, 8] приводятся, как правило, или типовые (усредненные) зависимости параметров БТ, или значения параметров одного и того же БТ в не­котором интервале, ограниченном минимальным или максимальным значением. Поэтому коэффициент передачи тока БТ определяется как

· типовое справочное ,

· среднегеометрическое значение интервала ,

· графически по справочной зависимости от тока коллектора для выбранного типа транзистора при заданном (рис. 22).

5. Задаем в рабочей точке постоянное напряжение БТ

· Наиболее простой и часто используемый способ, считать для кремниевых БТ, работающих в линейном режиме

, (18)

· для германиевых БТ

. (19)

Причина этому – большая скорость нарастания тока базы от напряжения на входных ВАХ БТ в зависимости . При аппроксимации кривой двумя отрезками прямых линий получается, что при увеличении до значения у кремниевых БТ ток базы практически равен нулю, а дальнейшее увеличение , даже в десятых долях вольта приводит к рез­кому увеличению тока базы по всему диапазону его изменения.

· Другой, более точный способ − определение графически по семейству входных ВАХ выбранного типа БТ. Значение в рабочей точке наносится на ось входной ВАХ и затем через график зависимости при заданном проецируется на ось , где и находится значение в рабочей точке.