Схема с фиксированным смещением по току

Методы смещения транзистора

Смещение в транзисторных цепях осуществляется с помощью двух источников постоянного тока V _BB и V _CC . Экономично сводить источник постоянного тока к одному источнику вместо двух, что также упрощает схему.

Обычно используемые методы смещения транзистора

• Метод базового резистора
• Коллектор на базовый уклон
• Смещение с резистором обратной связи коллектора
• Смещение делителя напряжения

Все эти методы имеют один и тот же базовый принцип получения требуемых значений I _B и I _C из V _CC в условиях нулевого сигнала.

Метод базового резистора

В этом методе резистор R _B с высоким сопротивлением подключается к базе, как следует из названия. Требуемый нулевой базовый ток сигнала обеспечивается V _CC, который протекает через R _B. Основание эмиттерного соединения смещено вперед, так как база положительна по отношению к эмиттеру.

Требуемое значение нулевого базового тока сигнала и, следовательно, тока коллектора (как I _C = βI _B ) может быть выполнено путем выбора правильного значения базового резистора RB. Следовательно, значение R _B должно быть известно. На рисунке ниже показано, как выглядит метод смещения схемы с базовым резистором.

Пусть I _C будет требуемым нулевым током коллектора сигнала. Следовательно,

Рассматривая замкнутую цепь от V _CC , базы, эмиттера и земли, применяя закон напряжения Кирхгофа, мы получаем,

Поскольку V _BE обычно довольно мала по сравнению с V _CC , им можно пренебречь с небольшой ошибкой. Потом,

Мы знаем, что V _CC является фиксированной известной величиной, и I _B выбирается при некотором подходящем значении. Поскольку R _B может быть найден напрямую, этот метод называется методом фиксированного смещения .

В методе смещения с фиксированным смещением I _B не зависит от I _C, так что

Подставляя вышеуказанное значение в предыдущее уравнение,

Коэффициент устойчивости, $ S = \ beta + 1 $

Таким образом, коэффициент устойчивости при фиксированном смещении равен (β + 1), что означает, что I _C изменяется (β + 1) в разы по сравнению с любым изменением I _CO .

преимущества

• Схема проста.
• Требуется только один резистор R _E.
• Условия смещения устанавливаются легко.
• Эффект нагрузки отсутствует, так как в соединении база-эмиттер отсутствует резистор.

Недостатки

Стабилизация плохая, поскольку выделение тепла невозможно остановить.

Коэффициент устойчивости очень высок. Так что есть большие шансы на тепловое убегание.

Следовательно, этот метод используется редко.

Коллектор на базовый уклон

Схема смещения между коллектором и базой такая же, как и схема смещения базы, за исключением того, что резистор R _B базы возвращается к коллектору, а не к источнику питания V _CC, как показано на рисунке ниже.

Эта схема помогает значительно улучшить стабильность. Если значение I _C увеличивается, напряжение на R _L увеличивается, и, следовательно, V _CE также увеличивается. Это в свою очередь уменьшает базовый ток I _B. Это действие несколько компенсирует первоначальное увеличение.

Требуемое значение R _B, необходимое для задания тока I _C коллектора нулевого сигнала, можно рассчитать следующим образом.

Падение напряжения на R _L будет

$$ R_L = (I_C + I_B) R_L \ cong I_C R_L $$

$$ I_C R_L + I_B R_B + V_ = V_ $$

$$ I_B R_B = V_ — V_ — I_C R_L $$

$$ R_B = \ frac <(V_ — V_ — I_C R_L) \ beta> $$

Применяя КВЛ мы имеем

$$ (I_B + I_C) R_L + I_B R_B + V_ = V_ $$

$$ I_B (R_L + R_B) + I_C R_L + V_ = V_ $$

Поскольку V _BE практически не зависит от тока коллектора, мы получаем

Это значение меньше, чем (1 + β), которое получается для цепи с фиксированным смещением. Таким образом, происходит улучшение стабильности.

Эта схема обеспечивает отрицательную обратную связь, которая уменьшает усиление усилителя. Таким образом, повышенная устойчивость коллектора к цепи смещения базы достигается за счет усиления напряжения переменного тока.

Смещение с резистором обратной связи коллектора

В этом методе базовый резистор R _B имеет один конец, соединенный с базой, а другой с коллектором, как следует из его названия. В этой схеме нулевой базовый ток сигнала определяется V _CB, но не V _CC .

Понятно, что V _CB смещает вперёд база-эмиттер и, следовательно, ток I _B базы протекает через R _B. Это заставляет ток коллектора нулевого сигнала течь в цепи. На рисунке ниже показано смещение цепи резистора обратной связи коллектора.

Требуемое значение R _B, необходимое для задания нулевого тока I _C сигнала, может быть определено следующим образом.

Источник

Стабилизация положения точки покоя в транзисторных каскадах

2014-02-02
8554

Нестабилизированные схемы смещения

На практике получили распространение два способа обеспече­ния заданного положение рабочей точки по постоянному току:

— схема смещения фиксированным током базы;

— схема смещения фиксированным напряжением базы.

Смещение фиксированным током базы осуществляется путём включения резистора с большим сопротивлением Rб между базой и источником электропитания Е_к (рисунок 1.20, а). Это создает путь для постоянной составляющей тока базы, т.е. для тока смещения I_бо от +E_к→(э-б)VT→R_б→-E_к.

Ток смещения I_бо создает на входном сопротивлении транзистора напряжение смещения U_бэо, составляющее доли вольт. Сопротивление R_б значительно больше входного, а U_бэо во много раз меньше Е_к.

Поэтому, определяя ток смещения, можно пренебречь величиной U_бэо по сравнению с Е_к. Тогда получим I_бо = (Е_к — U_бэо) / R_б ≈ Е_к/R_б = const, (1.36)

т.е. ток базы действительно является фиксированным, не завися­щим от тока коллектора и параметров транзистора.

Недостаток данной схемы является нестабильность режима выход ной цепи, поэтому фиксированное смещение током базы в чистом виде (без специальных мер для стабилизации тока коллектора) в практических схемах не нашло применение.

Смещение фиксированным напряжением базы осуществляется с помощью делителя напряжения, состоящего из резисторов R_б1 и R_б2 (рисунок 1.20,6). Делитель подключается к источнику электропита­ния Е_к, а напряжение с R_б2 поступает на базу и является напряже­нием смещения U_бэо.

Ток I_д, потребляемый делителем от источника электропитания, значительно больше тока базы I_бо, протекающего вместе с I_д по R_б1 откуда U_бэо = Е_к·[ R_б2/(R_б1+R_б2)] = const. ( 1.37)

Таким образом, напряжение смещения действительно не зависит от тока коллектора и параметров транзистора, т.е. является фиксирован­ным.

Для того чтобы осуществлялось смещение фиксированным напряжением базы, сопротивление R_б2 должно быть значительно меньше входного сопротивления транзистора. Это уменьшает общее входное сопротивление каскада, что является недостатком схемы.

В усилительных каскадах с полевыми транзисторами электропитание выходных цепей осуществляется так же, как и в каскадах на биполярных транзисторах.

При отсутствии сигнала на входе усилителя значение выходного тока должно быть постоянным, т.е. положение рабочей точки в исходном состоянии должно быть неизменным — стабильным. Однако в ре­зультате действия различных внешних факторов режим работы усилительного элемента оказывается нестабильным. Причинами неста­бильного режима работы усилительного элемента являются: измене­ние температуры окружающей среды, нестабильность напряжения ис­точников электропитания, разброс параметров

усилительных элементов и др. Особенно сильно влияет режим работы усилительного элемента повышение температуры окружающей среды, вызывающее резкое из­менение начального тока коллектора I_к.н. Так, при увеличении тем­пературы на каждые 10°С I_к.н. возрастает в 2 раза у германиевых транзисторов и в 3 раза у кремниевых. В результате ток покоя коллек­тора I_ко увеличивается в несколько раз.

Таким образом, простые схемы смещения не обеспечивают необхо­димой стабильности режима транзистора. Поэтому в транзисторных усилителях обычно применяют различные способы стабилизации ре­жима работы усилительного элемента.

а-фиксированная током базы;

б- фиксированная напряжение базы

Рисунок 1.20- Схемы нестабилизированные смещения рабочей точки транзистора

Параметрическая стабилизация режима . Принцип параметрической стабилизации заключается, в том. что смещение создается с по­мощью термозависимых элементов, имеющих отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Это нелинейные элементы, у ко­торых с повышением температуры сопротивление уменьшается, так что напряжение на нем понижается, а, следовательно, уменьшается и сме­щение. Вызванное этим уменьшение тока коллектора может полно­стью скомпенсировать то его увеличение, которое происходит за счёт повышения температуры. Таким образом, при правильном подборе параметров схемы можно добиться полной компенсации температурных изменений тока коллектора и получить коэффициент нестабильности S=0.

Схемы параметрической стабилизации с применением терморе­зистора или термистора Rm приведена на рисунке 1.21, а.

Принцип работы данной схемы заключается в том, что с повыше­нием температуры общее сопротивление нижнего плеча делителя R_б2, содержащего терморезистор R_t, уменьшается, что вызывает уменьше­ние смещения U_бэо и препятствует увеличению тока коллектора I_ко. Чтобы температура терморезистора изменялась одновременно с темпе­ратурой стабилизированного транзистора, их надо располагать в непосредственной близости друг к другу (обычно на радиаторе охлаж­дения транзистора).

Большим недостатком данной схемы является их значительная тепловая инерционность.

Рисунок 1.21 — Параметрическая стабилизация режима транзистор

Параметрическая стабилизация с помощью полупроводниковых диодов (или кремниевых стабилитронов) может быть осуществлена путем включения их в нижнее плечо делителя, создающего смещение на базе. При включении диода в прямом направлении (рисунок 1.21,б) температурная зависимость сопротивления его р-п — перехода имеет почти такой же характер, как для эмиттерного перехода транзистора, поскольку они созданы из одних и тех же исходных материалов. Здесь смещением является прямое напряжение на диоде (прямое сопротивле­ние диода выполняет роль R_б2). С повышением температуры прямая ветвь вольтамперная характеристики диода сдвигается влево так же, как входная характеристика транзистора (рисунок 1.22), и уменьше­ние приложенного извне напряжения смещения дает хорошую термо­компенсацию. Вместо диода может быть использован эмиттерный переход транзистора, у которого база и коллектор соединены вместе; при этом можно добиться еще большой точности термокомпенсации.

Преимуществом применения диодов и транзисторов в диодном включении перед терморезисторами является то, что тепловая инер­ция диода примерно соответствует тепловой инерции транзисторов.

Недостаток данной схемы уменьшение входного сопротивления каскада, так как сопротивление диода переменному току в прямом направлении очень мало. Этот недостаток устраняется при включении дио­да последовательно с источником сигнала.

Диод, применяемый для термокомпенсации, надо располагать вблизи транзистора, чтобы они одновременно нагревались.

Наиболее простой способ стабилизации исходного режима транзистора — коллекторная стабилизация (рисунок 1.23,а). Эта схема от­личается от схемы смещения фиксированным током базы тем, что резистор R_б, соединенный с базой, подключается вторым концом к коллектору, а не к источнику электропитания. Поэтому падение напря­жения на ней можно считать равным напряжению коллектора U_ko, если пренебречь малым падением напряжением на эмиттерном пере­ходе по сравнению с U_ko. Ток смещения равен:

т.е. зависит от тока коллектора.

Если, например, с повышением температуры ток коллектора увели­чивается, то возрастает и ток эмиттера, увеличивается падение напря­жение на коллекторные нагрузки R_k, понижается напряжение U_ko, а, следовательно, уменьшается ток смещения I_бо. Это вызывает умень­шение тока коллектора I_ко.

Итак, возрастание тока коллектора в итоге всех процессов приво­дит к уменьшению смещения, а это препятствует росту I_ко, который таким образом стабилизируется.

В данной схеме действует параллельная отрицательная обратная связь по постоянному напряжению. Коллекторная стабилизация дейст­вует более эффективно только при большом сопротивлении нагрузки R_k и когда уменьшается по величине сопротивление R_б.

Схема коллекторной стабилизации положение исходной рабочей точки применяется редко. Она проста, экономична, но не обеспечивает достаточную стабилизацию положения исходной рабочей точки.

Рисунок 1.23 — Схемы стабилизации напряжения коллекторная ( а) и эмиттерная стабилизация (б)

Эмиттерная стабилизация осуществляется включением резистора R_э между эмиттером и общим проводом и обычно применяется на основе схемы с фиксированным напряжением базы (рисунок 1.23,б). На сопротивлении делителя R_б2 создается фиксированное напряже­ние база — общий провод U_бо. На сопротивлении эмиттерной стабилизации R_э током покоя эмиттера I_эо создается падение напряжения эмиттера — общий провод U_эо. при этом напряжение смещения база -эмиттер U_бэо равно разности. Следовательно:

Если с повышением температуры возрастает ток коллектора, то увеличивается I_эо и падение напряжение на R_э, а напряжение сме­щение U_бэо уменьшается, что препятствует росту I_ко; следовательно, ток коллектора стабилизируется.

В данной схеме действует последовательная отрицательная обрат­ная связь по постоянному току эмиттера.

Эмиттерная стабилизация действует тем эффективнее, чем мень­ше R_б2, а, следовательно, и общее сопротивление делителя боль­ше R_э. При этом даже очень малое изменения коллектора вызовут существенные изменения смещения, повысит точность стабилизации ис­ходного режима и степень уменьшения коэффициента нестабильности S.

В схеме на рисунке 1.23,б параллельно резистору R_э может быть включен блокировочный конденсатор С_э большой ёмкости для иск­лючения отрицательной обратной связи по переменному току. Если желательно использовать последовательную обратную связь и по переменному току, то С_э в схему не включается. При этом уменьша­ется усиление, но стабилизируется выходной ток сигнала и коэффициент усиления тока K_i, а также увеличивается входное сопротивле­ние.

Схема эмиттерной стабилизации рабочей точки транзистора при­меняется часто. Она обеспечивает более высокую стабилизацию поло­жения рабочей точки.

Еще лучшую стабилизацию рабочей точки обеспечивает комбини­рованная схема (рисунок 1.24,а), где используется отрицательная об­ратная связь как по току, так и по напряжению. В этой схеме резисто­ры обратной связи R_э и R_ф шунтированы конденсаторами С_э и С_ф для устранения обратной связи по переменному току.

Рисунок 1.24 — Схема стабилизации комбинированная (а) и комбинированная на полевом транзисторе

Схемы стабилизации исходного положения рабочей точки с помощью отрицательной обратной связи применимы только в усилителях, работающих в режиме класса А, в котором постоянная составляющая выходного тока транзистора не зависит от амплитуды усиливаемого сигнала.

В режиме класса В, при котором среднее значение тока покоя зависит от амплитуды усиливаемого сигнала, применяют смещение фиксированным напряжением базы, а стабилизация исходного положения рабочей точки осуществляется схемах термо­компенсации.

Недостатком схем стабилизации с применением обратной связи является дополнительный расход мощности источника электропитания на элементах обратной связи.

Схема истокового автоматического смещения работает так, напряжение смещения создается током протекающего через резистор R_h. Оно подается на затвор через резистор R₂. сопротивление которого можно выбирать очень большим (1. 100 МОм), поскольку ток зат­вора очень мал и падения напряжения на нем по существу нет.

Стабилизация тока покоя выходной цепи по этой схеме осуще­ствляется следующим образом: при возрастании выходного тока покоя под действием дестабилизирующих факторов величивается падение напряжения на резисторе R_h, транзистор начинает закрываться и ток покоя выходной цепи уменьшается.

Источник



Смещение фиксированным током базы

Схема установки смещения фиксированным током представлена на рис. 6-2:

Сопротивление R_δ выбирается >> R_δk (сопротивления перехода база-коллектор) по постоянному току; U_δэо о изменение ΔI_k = 2 раза для германиевых и 3 раза для кремниевых транзисторов. То есть ΔI_k0 (из формулы) очень сильно изменяется в результате этих дестабилизирующих факторов. Даная схема на практике применяется редко. Для расчетов должна быть известна температура коллекторного перехода:

где — температура окружающей среды; — тепловое сопротивление промежутка «переход – окружающая» среда; — мощность рассеяния на коллекторе.

Для t_{c min} и t_{c max} температура рабочих переходов

При этом должно быть соблюдено условие: (рабочая) должна быть меньше (справочной). Крайние значения h_21э будут иметь значения:

и для расчетов берут среднее значение:

1 — нагрузочная характеристика по постоянному току (проходит через точки E и E/R). Например, с ростом температуры рабочая точка А переместится в А / (так как i_к возрастает). Если амплитуда i_к велика, то ток коллектора попадет в область насыщения (пологая часть характеристики), появятся искажения выходного тока. Кроме того, увеличивается мощность рассеивания на коллекторе, что может привести к выходу из строя транзистора.

где — начальный обратный ток коллектора перехода, зависящий от температуры:

Для кремниевых транзисторов а = 0,02÷0,025; для германиевых а = 0,03÷0,035.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

ElectronicsBlog

Обучающие статьи по электронике

Биполярные транзисторы.Часть 3.Усилительный каскад.

Здравствуйте, продолжим знакомство с биполярными транзисторами. В предыдущем посте был рассмотрен транзистор в качестве электронного ключа. Но это ещё не все возможности биполярных транзисторов, можно сказать даже ключевой режим работы – это лишь малая доля в схемах, где используются транзисторы. В львиной доле транзисторных схем транзистор используется в качестве усилительного прибора. В данных схемах транзистор используется в так называемой активной области. Транзистор в качестве усилительного прибора, включается в усилительный каскад, который кроме транзистора содержит ещё цепи питания, нагрузку и цепи связи с последующим каскадом.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Схемы включения транзистора

Для биполярных транзисторов возможны три схемы включения, которые обладают способностью усиливать мощность: с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК). Схемы отличаются способом включения источника сигнала и нагрузки (R_Н).

Схема с общим эмиттером

Схема с общей базой

Схема с общим коллектором.

Для всех схем включения транзистора при отсутствии сигнала, подаваемого от источника (е_Г), необходимо установить начальный режим по постоянному току – режим покоя. При этом как и говорилось в предыдущем посте эмиттерный переход должен быть открытым, а коллекторный – закрытым. Для транзисторов p-n-p это достигается подачей отрицательного напряжения на коллектор (коллекторного напряжения E_0C) и отрицательного напряжения на базу (напряжения смещения E_0B). Для транзисторов n-p-n полярность этих напряжений должна быть противоположной. Режим покоя транзистора опредяляется положением его рабочей точки, которое зависит от тока эмиттера I_E (практически равного току коллектора I_С и зависящего от E_0B) и от напряжения E_0C.

Усилительные параметры транзистора

Усилительные свойства транзисторов для малого переменного сигнала оцениваются с помощью различных систем параметров, связывающих входные токи и напряжения, но нормируются только два основных параметра: h_21e и f_Т (или f_h21b). Зная параметр транзистора h_21e для заданного режима покоя I_E, можно с помощью следующих формул определить основные параметры усилительного каскада в области НЧ:

где S — проводимость транзистора, r_e — сопротивление эмиттера транзистора.

Таким образом, можно вычислить значения |K| — коэффициент усиления напряжения транзистора, |K_i| — коэффициент усиления тока транзистора, Z_ВХ — входное сопротивление транзистора:

Области применения усилительных каскадов ОЭ, ОБ и ОК определяются их свойствами.

Каскад с общим эмиттером обеспечивает усиление, как по напряжению, так и по току. Его входное сопротивление порядка сотен Ом, а выходное – десятков кОм. Отличительная особенность – изменяет фазу усиливаемого сигнала на 180°. Обладает лучшими усилительными свойствами по сравнению с ОБ и ОК и поэтому является основным типом каскада для усиления малых сигналов.

Каскад с общей базой обеспечивает усиление только по напряжению (практически такое же, как ОЭ). Входное сопротивление каскада в (1+h_21e) раз меньше, чем ОЭ, а выходное – в (1+h_21e) раз больше. В отличие от ОЭ каскад ОБ не изменяет фазы усиливаемого сигнала. Малое входное сопротивление каскада ОБ ограничивает его применение в УНЧ: практически он используется только как элемент дифференциального усилителя.

Каскад с общим коллектором обеспечивает усиление только по току (практически такое же, как ОЭ). В отличие от ОЭ каскад ОК не изменяет фазы усиливаемого сигнала. При К = 1 каскад ОК как бы повторяет усиливаемое напряжение по величине и фазе. Поэтому такой каскад называется эмиттерным повторителем. Входное сопротивление ОК зависит от сопротивления нагрузки R_H и велико (почти в h_21e раз больше R_H), а выходное сопротивление зависит от сопротивления источника сигнала R_Г и мало (почти в h_21e раз меньше R_Г). Каскад ОК благодаря большому входному и малому выходному сопротивлению находит применение как в предварительных, так и в мощных УНЧ.

Цепи питания биполярных транзисторов

Для обеспечения заданного режима работы биполярного транзистора требуется установить положение точки покоя, определяемое током покоя I_С. С этой целью на электроды транзистора должны быть поданы два напряжения: коллекторное и напряжение смешения базы. Полярность этих напряжений зависит от структуры транзистора. Для транзисторов p-n-p оба этих напряжения должны быть отрицательными, а для n-p-n – положительными, относительно эмиттера транзистора.. Величины коллекторного и базового напряжения должны быть различны; кроме того, различными оказываются и требования к стабильности этих напряжений. Поэтому используются две отдельные цепи питания – коллектора и базы.

Питание коллектора

Цепи питания коллектора содержат элементы, показанные ниже.

В многокаскадных усилителях коллекторные цепи всех каскадов подключаются параллельно к одному общему источнику E_0C. В этом случае цепь питания коллектора содержит развязывающий фильтр R_фC_ф. Назначение такого фильтра – устранить паразитную обратную связь через общий источник питания. При питании от сети переменного тока, кроме того, уменьшаются пульсации напряжения питания. Резистор R_ф включают последовательно с нагрузкой R_Н, и на нём теряется часть коллекторного напряжения. Поэтому рекомендуется сопротивление R_ф выбирать исходя из допустимого падения напряжения:

Напряжение между коллектором и эмиттером транзистора U_CE выбирается в пределах

При этом минимальное значение U_C не должно быть менее 0,5 В, иначе рабочая точка переходит в область насыщения и возрастают нелинейные искажения.

Схема цепей питания базы

Цепи питания базы содержат элементы, показанные ниже

Схема с фиксированным током

Схема с фиксированным напряжением

Схема с автоматическим смещением

Заданный режим работы транзистора устанавливается путём подачи на его базу требуемого напряжения смещения U_B или создания в цепи базы требуемого тока смещения I_B. В обоих случаях между эмиттером и базой устанавливается напряжение U_BE,равное (в зависимости от I_B) 0,1…0,3 В (для германиевых транзисторов) или 0,5…0,7 В (для кремниевых). Смещение базы может осуществляться от общего с коллектором источника питания E_0C или от отдельного источника питания базовых цепей E_0В.

При питании от E_0C смещение базы может быть фиксированным (по току или напряжению) или автоматическим. Схемы с фиксированным током и с фиксированным напряжением не обеспечивают стабильности рабочей точки транзистора при изменении температуры.

Расчёт усилительного каскада

Схема с автоматическим смещением, получившая наибольшее распространение, содержит три резистора: R_b1, R_b2 и R_E. За счёт отрицательной обратной связи создаваемой R_E в цепи эмиттера, достигается требуемая стабилизация рабочей точки. Блокировочный конденсатор C_E используется для устранения нежелательной обратной связи по переменному току. Схема эффективна как для германиевых, так и для кремниевых транзисторов. Для определения величин R_b1, R_b2 и R_E должны быть известны напряжение источника питания E_0C и ток покоя I_С. Ориентировочные значения R_b1, R_b2 и R_E могут быть определены с помощью приведённых ниже формул.

Входящие в вышеприведённые формулы b, c и U_BE зависят от типа транзистора и режима его работы.

Для германиевых транзисторов выбираются: b ≈ 0,2; с – в пределах 3…5; U_BE – в пределах 0,1…0,2.

Для кремниевых транзисторов: b ≈ 0,1; с – в пределах 10…25; U_BE – в пределах 0,6…0,7.

При увеличении c и уменьшении b стабильность схемы снижается. Большие значения U_BE выбирают для больших значений I_С.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Источник