Способи задання та стабілізації положення робочої точки.

 

У випадку біполярних транзисторів існують два принципово відмінних способи задання положення робочої точки: перший – задання струму зміщення; другий – задання напруги зміщення. Розглянемо перший спосіб (рис. 54).

Рис. 54

В приведеній схемі

Враховуючи ту обставину, що струм бази

Величини опорів резисторів схеми при використанні транзистора малої потужності становить

Оскільки величина опору базового резистора значно перевищує опір відкритого переходу база – емітер, то струм бази можна вважати досить стабільним. Проте зміна температури навколишнього середовища приводить до зміни величини колекторного струму в першу чергу через температурну залежність статичного коефіцієнта підсилення транзистора за струмом h₂₁ (рис.55).

Рис. 55

У загальному випадку величина колекторного струму буде виражатись як:

Вважаючи, що , отримаємо диференціал по інших незмінних параметрах:

Для більшості випадків параметр h₂₁ >> 1, отже, I_к може бути представлене як:

Повертаючись до попереднього рівняння, ми можемо зобразити його у такому вигляді:

Отже, при підвищенні температури p-n-переходу відбувається зміщення вихідної характеристики транзистора I_к=f(I_б). Для забезпечення температурної стабільності положення робочої точки використовують ОЗ. Схема при цьому матиме вигляд:

Рис. 56

При цьому струм бази буде становити:

Тут I_К0 – струм спокою колектора.

Введення ОЗ зменшує коефіцієнт підсилення, вхідний та вихідний опори. Незважаючи на цю обставину, саме цей метод задання і стабілізації положення робочої точки знайшов найбільш широке використання в схемотехніці інтегральних підсилювачів. Пояснюється це тим, що при даному способі задання режиму роботи кількість елементів схеми – резисторів – найменша.

Розглянемо другий спосіб задання положення робочої точки (рис. 57) – задання напруги зміщення.

Рис. 57

У схему вводиться два резистори R₁ і R₂, які відносно вхідних електродів (у даному випадку база-емітер) ввімкнені паралельно, і при цьому утворюють так званий базовий резистор. Величина його опору, як правило, витримується меншою величини власного вхідного опору транзистора, тобто h₁₁.

Величина напруги зміщення розраховується як:

Фіксація напруги зміщення не забезпечує температурної стабілізації положення робочої точки.

Експериментальна залежність струму колектора I_к від напруги U_бе (рис. 58.) свідчить про те, що при фіксованій величині напруги база-емітер струм колектора I_к буде змінюватись.

Рис. 58

У зв’язку з цим у схему (рис. 59) вводять новий елемент R_е, який забезпечує послідовний від’ємний ОЗ за струмом. Спад напруги на R_е повинен становити не більше 0,1E_к, виходячи з цієї умови і вибирають опір емітерного резистора. Введення цього резистора зменшує величину коефіцієнта підсилення. Для нейтралізації впливу емітерного резистора на коефіцієнт підсилення підсилювача за змінним струмом вводиться шунтуючий конденсатор C_e.

Рис. 59

Величина ємності шунтуючого конденсатора залежить від заданої величини коефіцієнта частотних спотворень в області нижніх частот, а отже, від абсолютного значення нижньої частоти діапазону підсилюваних частот.

У більшості випадків на практиці використовують таку нерівність:

тобто:

Точніша формула:

де g₂₁ – провідність прямої передачі транзистора, F_н – нижня частота діапазону підсилюваних частот, M_н – коефіцієнт частотних спотворень в області нижніх частот.

Введення емітерного конденсатора C_e не усуває впливу емітерного резистора R_e при підсиленні постійного струму. Отже, дія ланки ОЗ нейтралізується лише для сигналів, частота яких відмінна від нуля.

У багатокаскадних підсилювачах для збереження заданих режимів роботи за постійним струмом сигнал передається від каскаду до каскаду через роздільні конденсатори.

 

Рис. 60

 

Введення роздільних конденсаторів не повинно приводити до значного перерозподілу амплітуд підсилювального сигналу, і тому повинна виконуватись наступна нерівність:

У випадку канальних польових транзисторів (транзистори з керуючим p-n-переходом) використовують нижченаведені схеми:

а б в

Рис. 61

На рис. 61 показано різні способи задання зміщення: а – від окремого джерела, б – автоматичне зміщення, в – за рахунок генератора струму.

У випадку схеми б (рис. 61) положення робочої точки визначається величиною спаду напруги на резисторі R_В. Змінюючи його величину, можна змінювати величину зміщення, що буде подаватись на затвор транзистора. За допомогою резистора R_з потенціал спільного провідника (землі) подається на затвор. Оскільки є резистор витоку R_В, то, внаслідок спаду напруги на ньому, електрод витоку транзистора виявиться з більш високим потенціалом, ніж затвор. Це приведе до зменшення провідності каналу. Вплив резистора витоку на коефіцієнт підсилення за змінним струмом нейтралізується шунтуючим конденсатором C_В.

У випадку схеми в (рис. 61) VT2 та R_В утворюють генератор струму. Шляхом підбору величини R_В добиваються температурної стабільності величини генерованого струму. Оскільки величина вхідного опору польового транзистора складає одиниці – десятки мегаом, то величина R_з, як правило, вибирається того ж порядку.

У випадку польових МДН транзисторів з індукованим каналом полярність відкриваючої напруги збігається з полярністю джерела живлення. При цьому є можливість задавати режим роботи, використовуючи дільник напруги джерела живлення (рис. 62).

Рис. 62

 

Використання для схем з МДН- транзисторами методу задання струму затвора нераціональне, оскільки величина опору струмозадаючого резистора стає співрозмірною з величиною поверхневого опору електроізолюючих елементів схеми (100 МОм – 1 ГОм). У дану схему для стабілізації робочої точки також може бути введений резистор R_В і шунтуючий конденсатор C_В.