Принципы и схемы обеспечения заданного положения рабочей точки транзисторов

Схема эмиттерно-базовой стабилизации с ООС по току и напряжению (общий случай)

Основные расчетные соотношения:

;

Комментарий

Все свойства данной схемы совершенно идентичны тому, что было описано для схемы предыдущей. Здесь стоит лишь отметить, что разделение на две части коллекторного резистора позволяет гибко устанавливать (регулировать) глубину обратной связи по напряжению. Такая возможность особенно важна для каскадов, в которых ООС по напряжению может оказывать вредное влияние на параметры в рабочей полосе частот (снижается коэффициент усиления). Однако, с другой стороны, быть может, чуть отличное, но не менее вредное влияние может оказывать и ООС по току. Именно используя рассмотренную здесь комбинированную схему задания смещения с двумя коллекторными резисторами, разработчик может сделать действие обоих видов ООС максимально сбалансированным (конечно, они не перестанут оказывать влияние на параметры каскада в рабочей полосе частот, однако такое влияние будет более равномерно отражаться на характеристиках каскада).

Схема эмиттерно-базовой стабилизации с ООС по току и дополнительным резистором в цепи базы

Основные расчетные соотношения:

где

Комментарий

С первого взгляда может показаться, что включение дополнительного резистора в схеме на рис. 3.32 лишено всякого смысла, поскольку режим работы по постоянному току совершенно не меняется по сравнению со схемой на рис. 3.28. Однако в дальнейшем будет показано, что для улучшения характеристик каскада в рабочей полосе частот рассмотренная схема может пригодиться. Основное ее достоинство в том, что при определенных условиях она может обеспечить значительное увеличение входного сопротивления каскада. Достигается это как включением дополнительных элементов (как в случае т.н. следящей обратной связи), так и самим выбором номиналов сопротивлений делителя напряжения. Действительно, в каскаде без резистора сопротивление R1 может оказаться значительно больше сопротивления R2. В результате общее входное сопротивление будет определяться относительно небольшим сопротивлением R2, влияние же всех остальных факторов окажется несущественным. Включение дополнительного резистора в цепь базы позволяет сделать входную цепь более сбалансированной. Теперь мы можем гибко подходить к выбору номиналов сопротивлений R1 и R2, обеспечивая увеличение входного сопротивления (конечно, только до вполне определенного предела).

К сожалению, у данной схемы есть и отрицательные черты. Включение дополнительного сопротивления в цепь протекания тока базы несколько снижает коэффициент нестабильности .

Мы рассмотрели порядок расчета восьми типовых схем задания исходной рабочей точки по постоянному току в каскадах на биполярных транзисторах. Следует понимать, что этим не ограничивается все многообразие возможных решений. Тем не менее принципы построения любых других цепей смещения базируются на уже изученных нами приемах. Например, для расчета каскада на биполярном транзисторе во включении с ОК (рис. 3.9) можно воспользоваться методикой, описанной для схемы на рис. 3.28, приняв . Несколько сложнее, но также по аналогии могут рассчитываться и каскады с термокомпенсирующими элементами.

Особенности реализации цепей смещения в реальных радиоэлектронных устройствах

Выше мы дали довольно подробное систематизированное описание основных способов задания исходной рабочей точки в каскадах на биполярных транзисторах. Во всех знакомых автору учебниках по схемотехнике изложение этого вопроса на данном этапе уже заканчивается. Однако читатель, внимательно изучивший все, что было описано нами выше, взглянув на схему реального электронного устройства (телевизора, радиоприемника, звукового усилителя и т.п.), вряд ли сможет с ходу распознать, каким же образом задаются рабочие точки элементов в этой схеме. Причина здесь не в том, что на практике применяются какие-то невиданные решения, имеющие весьма слабое отношение к изученной нами теории, а в том, что хорошо известные описанные в настоящей книге цепи при практической реализации радиоэлектронных устройств могут быть несколько видоизменены, сокращены или дополнены вспомогательными компонентами. Существует как минимум три причины для таких изменений:

включение в схему элементов, корректирующих ее характеристики для переменного сигнала;

совмещение цепей смещения нескольких однотипных каскадов с сокращением ряда повторяющихся элементов;

использование в цепях смещения решений, хотя и опирающихся на описанные физические принципы, но более сложных в схемотехническом плане, также обеспечивающих повышенную точность и стабильность рабочей точки.

Мы уже показывали несколько примеров, явно относящихся к первому пункту данного перечня (рис. 3.13, 3.20,я, 3.21, 3.24). Однако возможный спектр подобных схем гораздо шире. В общем случае можно сказать, что цепи коррекции характеристик по переменному току могут быть сколь угодно сложны и переплетаться с цепями смещения любым доступным воображению образом. Более того, элементы задания смещения по постоянному току могут одновременно использоваться и как вспомогательные элементы в цепях коррекции по переменному току. Причем все это имеет место при любом способе включения транзистора (ОЭ, ОБ, ОК), Некоторые примеры приведены на рис. 3.33...3.38.

Стоит заметить, что для понимания того, чем цепи коррекции по переменному току во всех представленных схемах отличаются от цепей задания исходной рабочей точки по постоянному току, не требуется обладать какими-либо "тайными" знаниями -- достаточно просто понимать элементарные физические законы. Так что на практике при анализе подобных схем затруднений возникать не должно. Несколько сложнее разобраться, как работают цепи смещения, модернизированные согласно следующим двум пунктам приведенного выше перечня.

На рис. 3.37, 3.38 показано, как при последовательном включении двух однотипных усилительных каскадов могут быть совмещены коллекторные или эмиттерные резисторы цепей смещения.

Может показаться, что такое совмещение -- явление совершенно естественное и легко просчитывается только лишь исходя из закона Кирхгофа. Однако все здесь не так просто. Дело в том, что в модифицированных схемах возникают дополнительные контуры обратной связи по току (эмиттерный резистор) или напряжению (коллекторный резистор), действующие между двумя (или более) связанными каскадами. Полный анализ подобных схем достаточно трудоемок и в данной книге не рассматривается.

Выше мы довольно много места уделили описанию физических принципов работы разнообразных цепей смещения (стабилизация тока базы, стабилизация напряжения база--эмиттер и т.п.). При построении же конкретных схем использовались только самые простые способы реализации необходимых электрических эффектов (получение стабильного тока или напряжения). Ясно, что на практике могут применяться и более сложные (обладающие лучшими характеристиками) решения. Возможное многообразие подобных решений очень велико. Однако имеет смысл особенно выделить ряд наиболее распространенных схем, основанных на т.н источниках тока и источниках напряжения. Именно цепи смещения с источниками и стабилизаторами тока и напряжения обычно применяются в высококачественной промышленной аппаратуре.

Комбинированные цепи смещения с источниками и стабилизаторами тока и напряжения

Прежде всего напомним читателю то, о чем мы говорили в разделе 3.4. И в первую очередь -- базовые положения, на основании которых мы пришли к стандартным схемам задания смещения с фиксированным током базы и эмиттерно-базовой стабилизации. Суть этих положений состояла в следующем.

Задание рабочей точки по постоянному току состоит в задании и поддержании стабильными всех токов и напряжений на (между) электродах транзистора. Анализ статических характеристик показывает, что стабилизация с помощью внешних цепей тока базы, напряжения база--эмиттер или коллектор--база приводит к автоматической стабилизации и всех других показателей. Остается только проблема поддержания этих показателей на заданном уровне при разнообразных внешних воздействиях (колебания температуры, напряжения питания и т.п.).

В схеме с фиксированным током базы на рис. 3.5 мы рассматривали включение резистора IБ в цепь протекания базового тока как средство задания величины этого тока. Мы можем обобщить указанную схему и представить ее в виде, показанном на рис. 3.39.Здесь специальный символ используется для обозначения идеализированного источника постоянного тока. Это общепринятое обозначение, и мы будем применять его в дальнейшем и для описания источников переменного тока.

В реальных схемах источник тока замещается некоторой конкретной электрической цепью. В зависимости от необходимой точности приближения к идеалу и режима работы такая цепь может содержать различное (иногда относительно большое) количество компонентов. В рамках данной книги мы не будем рассматривать способы реализации источников тока. Однако для примера приведем ряд довольно простых схем на биполярных транзисторах, которые могут выполнять эту роль (рис. 3.40). Полная же схема задания режима работы биполярного транзистора по постоянному току с применением источника тока может выглядеть, например, так, как показано на рис. 3.41.

Теперь обратимся к схеме эмиттерно-базовой стабилизации (рис. 3.6). Ее обобщенный вариант, в котором делитель напряжения на резисторах R1, R2 заменен на идеализированный источник напряжения (обозначается символом (>) ), показан на рис. 3.42. В отличие от случая с источником тока использование подобного решения возможно далеко не всегда (теоретически возможно в высокочастотных каскадах). Обусловлено это в первую очередь тем, что внутреннее сопротивление идеализированного источника напряжения считается нулевым (у реальных схем оно, конечно, отличается от нуля, но все равно очень низкое). Кроме того, возникают некоторые проблемы и с обеспечением температурной стабильности рабочей точки. В результате решения с источниками напряжения не находят широкого применения в усилительных каскадах, и приводить здесь какие-либо конкретные примеры мы не будем.

Размещено на Allbest.ru