ляется фиксированное смещение; его можно осуществить двумя способами.

1. Фиксированное смещение можно подать от общего источника питания Ек через гасящее сопротивление Ri, во много раз большее сопротивления транзистора между базой и общим проводом постоянному току (рис. 1.19а). Ток смещения /go, текуи;ий

в

Рис. 1 19. Прсктейшие способы подачи смещения во входную цепь транзистора: а) фиксированным током базы, б) фиксированным напряжением база - эмиттер

через сопротивление R в этом случае практически определяется величиной Rx и напряжением источника питания и ие меняется при изменении температуры транзистора, его старении и замене. Поэтому этот способ называют смещение фиксированным током базы. Значение R\ в этом случае рассчитывают по формуле

а {Ек - 6бэо)

бэО

/ко(1 - а) -/ки /эо(1-а) -/к

(1.13)

где

а - I

/ко И ho-

статический коэффициент усиления тока транзистора на низких частотах при включении с общей базой,

напряжение источника питания, начальный (остаточный) ток коллектора транзистора,

необходимые токи покоя коллектора или эмиттера,

напряжение смещения база-эмиттер, имеющее место при токе покоя.

Однако вследствие сильного изменения параметров транзистора с температурой и большого разброса их статического коэффициента усиления тока смещение фиксированным током базы непригодно для серийной и массовой аппаратуры, а также для приборов, работающих в широком диапазоне температур. Его можно использовать лишь при изменении окружающей температуры не выше 10-f-20°C и значении R{, индивидуально подобранном для данного транзистора; замена транзистора или большое изменение температуры могут изменить ток покоя коллектора в

десять и более раз, что может вывести транзистор из строя или сделать каскад неработоспособным из-за отсутствия напряжения на коллекторе.

2. Фиксированное смещение на транзистор можно также подать от общего источника через делитель из сопротивлений Ri и R2 (рис. 1.196). Сопротивление делителя желательно иметь меньше сопротивления постоянному току участка база - общий провод, при этом напряжение смещения остается практически неизменным при изменении температуры, старении и замене транзистора. Поэтому такой способ подачи смещения называют смещение фиксированным напряжением база-эмиттер.

Для этой схемы сопротивления Ri и R2 рассчитывают по формулам:

/2 =

(J бэО

(1.14)

где /бо - ток покоя базы,

/дел - ток делителя (ток через сопротивление R2).

Обычно берут /дел = (0,5-2)/б макс в зависимости от мощности и режима работы каскада.

При подаче смещения фиксированным напряжением эмнттер- база от источника питания расходуется дополнительная энергия в делителе R1R2. Этот способ неэкономпч-н, однако находит применение в каскадах, работающих в режиме В, где среднее значение выходного тока растет с увеличением амплитуды сигнала и подачу смещения фиксированным током базы применять нельзя.

Смещение фиксированным напряжением мало критично к замене транзисторов и дает удовлетворительные результаты для каскадов, работающих в небольшом диапазоне температур (не больше 20-30°С). Смещение на транзистор можно подавать как параллельно источнику сигнала (рис. 1.20), так и последовательно с ним (рис. 1.21). Последовательная подача возможна лишь при источнике сигнала, хорошо проводящем постоянный ток и не

Рис I 20 Подача смещения на ба-)у параллельно с источником сиг-

Рис I 21. Подача смещения на базу последовательно с источником сигнала

соединенные с общим проводом. При этом, кроме того, требуется блокирование цепи смещения конденсатором Cg большой емкости, сопротивление которого на низшей рабочей частоте / должно быть много меньше сопротивления входной цепи. Необходимая емкость этого конденсатора определяется приближенным выражением

0,5-,- 1,5

/н( Rbx-j- Rhct)

(1.15)

где Rbx - входное сопротивление каскада.

Rhlt- сопротивление источника сигнала или выходное сопротивление предыдущего каскада. Параллельная подача смещения (рис. 1.20) возможна лишь при источнике сигнала, не проводящем постоянный ток (при RC связи), при ней источник сигнала шунтируется сопротивлением цепи смещения или делителем смещения.

1.6. Неустойчивость положения рабочей точки

Транзисторный каскад в серийной или массовой аппаратуре сохраняет работоспособность и имеет расчетные свойства лишь в том случае, если ток покоя выходной цепи (ток коллектора при включении с общим эмиттером и общей базой и ток эмиттера при включении с общим коллектором) не выходит за определенные пределы.

При расчете транзисторных усилителей следует учитывать, что статические характеристики транзисторов сильно различаются у отдельных образцов одного типа и изменяются с изменением температуры. Повышение температуры транзистора вызывает изменение постоянных составляющих токов и напряжений, смещение положения рабочей точки, изменение усиления и т. д. Чрезмерное же повышение температуры транзистора приводит к выходу его из строя Основными причинами изменения тока покоя каскада при замене транзистора нли изменении температуры являются: изменение статического коэффициента усиления тока а (или Р для включения с общим эмиттером), изменение начального тока коллектора /кп (ток коллектора при отсутствии тока эмиттера), изменение необходимого для получения заданного тока покоя напряжения смещения база-эмиттер (7бэ)

Статический коэффициент усиления тока имеет большой разброс для различных экземпляров транзисторов и зависит от температуры. Минимальное и максимальное значения а для транзисторов указываются в справочных данных и обычно даются для температуры 20°С. Величина а обычно немного растет с повышс-нпем температуры, но это при расчете каскада можно не учитывать, если изменение а с температурой неизвестно.

Начальный ток коллектора сильно зависит от температуры. Максимальное значение /кп обычно указано в справочных данных

транзистора для 20°С; с повышением температуры /кн возрастает по экспоненциальному закону. У германиевых транзисторов /кп увеличивается примерно вдвое на каждые 10°С, а у кремниевых - второе на 10°С, хотя абсолютное значение /кн у кремниевых тра.т-зисторов аналогичного типа и при той же температуре примерно на три порядка (в 1000 раз) меньше, чем у германиевых. Отсюда максимальные значения /кчВ условиях эксплуатации определятся выражениями:

-г„

/цн с2

(1.16)

для которой оно указано; макс - максимальная температу-

первое из которых относится к германиевым транзисторам, рое к кремниевым. Здесь/кис - указанное в справочнике мальпое значение /кн ; 7 с - темпе-ратура, Тп

ра коллекторного перехода в условиях эксплуатации в градусах Цельсия.

Напряжение смещения база-эмиттер Убэо, необходимое для получения выбранного тока покоя, зависит от температуры транзистора, так как его статическая входная характеристика изменяет свое положение при изменении температуры (рис. 122). Лля кремниевых и германиевых транзисторов как малой, так н большой MOHtHocTH входная характеристика сдвигается влево па 2-2,5 мв прн повышении температуры на PC. Так как характеристики транзистора в справочнике даны для 20°С, максимальное и минимальное напряжсппя смещения определяют для минимальной и максимальной температур по найденному для входной статической характерпстикн значению ()ормул

а вто-максн-

0,2 ЦЗ Щб,в

Рис 1 22 Влияние температуры на вхо,т,ные характеристики транзистора П14, включенною с общей базой

раоочей точки из Сбэо при помощи

/б.п„и^-Оо.о+0,0022(LO- Г„ ) ) f Аыо м„м и и ,0 - 0,0022 (Г11 м - 20) j

(1 17)

где Гц мим и riiMiui минимальная и максимальная температуры переходов транщстора в условиях эксплуатации аппаратуры

Формулы (1 17) шраведливы как дли германиевых, так и для кремниевых транжсгоров Следует отметить, что максимально до-

пустимая температура коллекторного перехода Гпдоп У различных типов германиевых транзисторов колеблется от +50° до +100°С, а У кремниевых транзисторов - от +125° до + 150°С.

1.7. Расчет схем стабилизации рабочей точки

Выпускаемая заводами аппаратура должна сохранять гарантируемые свойства при установке в нее любых исправных экземпляров транзисторов рекомендованного типа и при изменении температуры окружающей среды в заданных пределах. В этих условиях, как указывалось выше, смещение фиксированным током базы непригодно. Поэтому в усилительных каскадах заводской аппаратуры, среднее значение выходного тока которых не изменяется с изменением амплитуды сигнала (т. е. в каскадах, работаю-ших в режиме А), применяют схемы стабилизации рабочей точки отрицательной обратной связью по постоянному току (коллекторную, эмиттерную, комбинированную стабилизации).

Простейшей схемой стабилизации такого типа является коллекторная стабилизация, изображенная на рис. 1.23 {а, б, в, г),

5п

Рис 1 23. Коллекторная стабилизация- а) при включении с общим эмиттером (обычный вариант), б) прн таком же включении, не снижающем усиления, в) при включении с общим коллектором, г) при включении с общей базой

где обратная связь снимается с сопротивления (или Ra ). Рассмотрим действие схемы коллекторной стабилизации. К сопротивлению Ri (рис. 1.24) практически приложена разность напряжения источника питания Ек и падения напряжения на сопротивлении нагрузки Rk, так как напряжение t/бэо, имеющееся между базой и эмиттером, ничтожно по сравнению с напряжением на R\. Если при замене транзистора или от изменения температуры ток покоя выходной цепи стремится возрасти, падение напряжения на R

кза

увеличивается, напряжение на R\ уменьшается, и ток смещения базы падает, что сильно снижает возрастание коллекторного тока. При стремлении тока покоя коллектора уменьшиться процесс стабилизации происходит обратным образом.

Коллекторная стабилизация проста и экономична, однако степень стабилизации тока покоя в ней зависит от сопротивления \\ Ri, определяющих положение рабочей точки. Коллекторная стабилизация удовлетворительно действует лишь при большом падении напряжения на сопротивлении нагрузки (порядка 0,5 и выше), небольших изменениях коэффициента усиления

тока транзисторов и малых измене- г

ниях /кп- Изменения положения ра- Д бочей точки при коллекторной стабилизации много меньше, чем в не- ~ стабилизированном каскаде, однако они все же значительны, что может не обеспечить взаимозаменяемость транзисторов и затрудняет работу в , большом диапазоне температур.При к'оле^рн/стбил^з включении транзистора с оощим

эмиттером (рис. 1.23а) коллекторная стабилизация снижает усиление каскада и его входное сопротивление, так как напряжение выходного сигнала подается через R\ во входную цепь, что создает в каскаде отрицательную обратную связь по переменному току, величина которой зависит от сопротивления нагрузки в выходной цепи транзистора и величины R\. Для устранения этого R\ можно разделить на две равные или примерно равные части (рис. 1.236), между которыми и общим проводом включают блокировочный конденсатор Cg достаточно большой емкости.

Более высокую стабильность положения рабочей точки обеспечивает схема эмиттерной стабилизации, варианты которой для различных схем включения транзистора изображены на рис. 1.25.

Рис 1 25. Эмнттерная стабилизация при включении: а) с общим эмиттером, б) с общей базой, в) с общим коллектором

Рис 1 26 Принцип действия эмиттериой стабилизации

Принцип действия эмиттериой стабилизации состоит в следующем. Частичная стабилизация рабочей точки по постоянному току здесь достигается уже тем, что смещение на базу подается от делителя напряжения Ri и Rz (рис. 1.26) и напряжение смещения мало зависит от параметров транзистора. Дальнейшая стабилизация режима в этой схеме осуществляется отрицательной обратной связью, получаемой за счет введения в провод эмиттера сопротивления R 9. Напряжение смещения между базой и эмиттером и^о здесь равно разности напряжения, снимаемого сопротивления делителя /?2, и падения напряжения на R , пропорционального току эмиттера. При возрастании тока покоя коллектора /ко ток покоя эмиттера /эо также растет, увеличивается падение напряжения на /?, , что сильно уменьшает напряжение смещения между базой и эмиттером, тем самым запирая транзистор В результате ток покоя коллектора /ко возрастает во много раз меньше, чем без применения стабилизации. Стабильность положения точки покоя при эмиттериой стабилизации тем выше, чем больше Rb и чем меньше сопротивления R\ и R2. Однако очень большим R брать нельзя, так как при этом напряжение между коллектором и эмиттером Укэ окажется слишком малым; сопротивление делителя R1 + R2 также нельзя брать слишком малым, поскольку с уменьшением R1 + R2 увеличивается мощность, потребляемая делителем от источника питания, и сильно шунтируется входная цепь транзистора. Для предотвращения снижения коэффициента усиле ния напряжения каскада от влияния сопротивления /?э, действующего так же, как сопротивление катодного смещения в ламповом каскаде, при включении с общей базой или общим эмиттером это сопротивление шунтируют конденсатором Сэ большей емкости

Еще более высокую стабильность точки покоя дает схема ком-бпнированнон стабилизации (рис. 1.27), в которой отрицательная обратная связь по постоянному току сЬздается как сопротивлением Ra, так и сопротивлением /? Комбинированная стабилизация имеет место, например, при включении в каскад с эмнттерной стабилизацией сопротивления развязывающего или сглаживающего фильтра /?ф.

Расчет всех вышеперечис/тепных схем стабилизации произво дят следующим образом. После выбора схемы стабилизации, ис ходя из миmмaльнo необходимою д.тя каскада тока покоя коллектора /комни (или /лмин ), по приведенным ниже формулам находят значение верхнего сопротивления делителя R\, обеспечиваю щее при транзисторе с наименьшим значением а и низшей рабо

чей температуре это значение тока покоя. Для этого в формулу, определяющую Ri, подставляют взятое из справочника значение ими (или (5ыин) и наибольшее напряжение смещения f/бэомакс, соответствующее низшей рабочей температуре и найденное по ф-ле (1.17).

9 .ч

<Э R.,

4ч

Рис 1 27 Комбинированная стабилизация при включении

а) с общим эмиттером, б) с общей базой, п) с общим коллектором

Значение сопротивления в цепи коллектора R (или сопротивление первичной обмотки трансформатора постоянному току г{) должно быть известно из расчета каскада. Величину R при расчете как эмиттерной, так и комбинированной стабилизации находят по допустимому на этом сопротивлении падению напряжения

(0,05-ь0,3)£к

(0,050,3) £к

эО мин

(1.18)

Коэффициент в скобках берут равным от 0,05 до 0,15 в каска-дач мощного усиления и от 0,1 до 0,3 - в каскадах предварительного усиления.

Величину сопротивления R2 берут в 5-15 раз больше входного сонрогивления неременному току транзистора рассчитываемого каскада: /?2= (5ч-15)/?пх тр Величину сопротивления /?ф, знание которою необходимо для расчета комбинированной стабилизации, выбирают, исходя нз допустимого падения напряжения питания

Определив по вышеприведенным рекомендациям R\, R2, Rs и /?ф, находят наибольшее значение тока покоя коллектора /ко макс , имеющее место при транзисторе с наибольшим 3 п вглсшей рабо-

чей температуре, для чего в формулы, определяющие /комакс , подставляют взятое из справочника значение а макс (или 3 акс), наименьшее напряжение смещения f/бэомин, соответствующее высшей рабочей температуре, и наибольший начальный ток коллектора /кнмакс , также соответствующий высшей рабочей температуре

Значения б'вэо мин и /кн макс рассчитывают по ф-лам (1.16) и (1.17). Найдя /кОмакс. по приведенным ниже формулам рассчитывают минимальное напряжение покоя между коллектором и эмиттером t/кэомии, имеющее место при /ко макс Если полученные значения /ко макс и t/кэо мин допустимы ДЛЯ рассчитывабмого каскада (т. е. при этих значениях транзистор каскада не выйдет из строя и сможет отдавать требуемую мощность или напряжение сигнала), то стабилизация выбрана и рассчитана правильно.

Для коллекторной стабилизации (рис. 1 23а, б, г) расчетные формулы имеют следующий вид:

°мнн (/к- ./бэОмакс)-/?к /кО мин

/ко мин (1 * мин) Рмни {Ек - ОбэО макс) - (1Ч~Рмин) /ко мин Rk /ко мин

г °макс (£к бэО мин) ~Ь (/?к~~/? i)/kh макс

комакс--7 ; 7{ 7 ; г ~- -

Rk -f А\ (1 - Смаке)

Рмакс(/?к-бэОмин) Ч (1 + Рмакс)/кн макс ( Rk R\)

Rl + (1 +Рмакс)/?к

кэО мни ~

(1.19)

/кОмакс /ки макс 7-,

---И.к =

(/кО макс /кнмакс)(1 Рмакг ) п - Ск--а- Ак

[- макс

Здесь и ниже Ек - наименьшее напряжение источника питания, Rk - сопротивление постоянному току в цепи коллектора; его величина определяется в § 4.2.

Дтя эмиттериой стабилизации (рис. 1 25а, б) расчегные формулы таковы:

/2 [миF (к бэО макс) /?э/кОмин] .

(э ~f 2) -кО мин мин (-кО ми[/?2 бэОмакс)

мни

{Ек - /б^Омакс) Rs /кОммн

( /?э + /?,)/кОмин -

МИИ

мин

(-кО мин 2 ojO макс)

, амакс[/?к/?2-)мии(/?1 Ь/? 2)]+ /кн м.кс[/?э (/?, +/г) +/?l/?2L

° ~ Rs{Rl+R2) +/?l/?2(l -амакс )

, й' [ER2- f/бэО нн (/?,+ /?2)1 + /к,. макс [/?э (/?, + R2) + RlRi] 1 -Г Рмакс

RARi+R2) +

Ri Ri

кэО мил

= к - /к

J?k-

1 + рмакс

/кО макс - /к О'макс

г р (1 ~Г рмакс ) (/кОмзкс - /кн макс) р

кОмакс А к pj Аэ

рмакс

(1.20)

Для расчета комбинированной стабилизации (рис, 1.27) используют формулы:

/?2[ мии (£к- бэОмакс)--(/?э- ф)/комин1 - (/э+/?2) ко мин - (Дмии бэОмакс Г /ко мин)

Ймпн (/ко мин R2 i/бэО макс)

макс(£к R2 - ВУбэР mhiQ + /kh чакс /кО макс /кн макс

(1.21)

кэО м

ин -

/?э + /?ф

/кО макс к

макс

R Ф

ОбэО

где

AR{Ri + R2 + R)+R2{Ri + R); BR + R2 + Rф.

Приведенные выше формулы для расчета коллекторной, эмиттерной и комбинированной стабилизации справедливы для включения транзистора с общим эмиттером и общей базой; при включении с общим коллектором для схемы 1.23в в расчетных формулах Rk заменяют R, а для схем 1.25в и 1.27 0 в расчетных формулах принимают R к=0.

При расчете эмиттерной и комбинированной стабилизации в каскадах, работающих при малом изменении температуры и малом разбросе значений р транзисторов, проверку значений /ко макс и f/кэомин можно не производить, так как оии в этих случаях обычно имеют допустимую величину.

Эмиттерная, коллекторная и комбинированная стабилизации пригодны только при работе каскада в режиме А и не применяются в режиме В, так как среднее значение тока покоя в режиме В зависит от амплитуды сигнала.

В каскадах, работающих в режиме В, необходимое смещение во входную цепь транзистора приходится подавать от низкоом-ного делителя напряжения (фиксированным напряжением,

3 Зак 2039 33