Лекции по "Схемотехнике аналоговых устройств"

Page 1

1
Принципы обеспечения заданного положения ИРТ
ИРТ характеризуется начальными значениями тока коллектора и напря-
жения коллектор-эмиттер I
к0
, U
кэ0
. Задача – схемотехнически обеспечить
требуемые значения I
к0
, U
кэ0
.
Воспользуемся следующими соотношениями, справедливыми для ак-
тивного режима работы: I
к
=αI
э
, где α – коэффициент передачи тока эмиттера
в схеме с общей базой; I
к
=βI
б
, где β – коэффициент передачи тока базы в
схеме с общим эмиттером.
Значения α не превышают 1 и примерно равны ей, так что I
к
≈I
э
. Значе-
ния β>>1, так что I
к
>>I
б
и I
э
>>I
б
. α и β связаны между собой соотношениями
β
α
α
β
1 β
1 α
=
; =
+
−
.
Токи и напряжения в активном режиме работы транзистора связаны
уравнением Эберса-Молла, в простейшем случае имеющем вид:
бэ
э
оэ
T
U
mU
I
I e
=
или
э
бэ
оэ
ln
T
I
U
mU
I
=
,
где m – коэффициент неидеальности p-n-перехода (m=1 при малых значениях
тока I
к0
, когда I
к
<<I
кmax
, и m=2...5 при значениях токах коллектора, прибли-
жающихся к максимально допустимым I
кmax
); U
T
=kT/q – температурный по-
тенциал; k=1,38∙10
-23
Дж/с – постоянная Больцмана; Т – температура в кель-
винах; q=1,6∙10
-19
К – заряд электрона; I
оэ
– обратный ток эмиттерного пере-
хода. При номинальной температуре U
T
=0,026 В.
Качественно эти зависимости представлены на рис. 1.

---

Page 2

2
Рис. 1
Из рисунков видно, что в широком диапазоне рабочих токов от I
эmin
до
I
эmax
напряжение на переходе база-эмиттер меняется в небольших пределах,
и имеет величину порядка 0,65…0,75 В. Это напряжение будем называть но-
минальным напряжением база-эмиттер, обозначать U
бэ0
и полагать равным
0,7 В.
Заметим, что коэффициенты α и β, а также точное значение U
бэ0
под-
вержены температурному дрейфу и меняются от образца к образцу.
Для задания положения ИРТ на электродах транзистора с помощью
специальных схем принудительно устанавливаются требуемые токи или
потенциалы (рис. 2).
Рассмотрим наиболее часто используемые схемы.
1. Схема с фиксированным током базы.
Простейшая схема задания положения ИРТ приведена на рис. 2а.
Рис. 2
Здесь ток источника I
б0
фиксирует ток базы. Начальный ток коллектора
при этом равен I
к0
=βI
б0
. Начальное напряжение коллектор-эмиттер U
кэ0
=E
+
.

---

Page 3

3
Практическая схема, использующая этот принцип, приведена на рис. 2б.
Здесь в качестве элемента, задающего ток базы, выступает резистор R
б
. Ток
базы в этой схеме равен
б
бэ0
б0
б
б
б
0,7В
R
U
E
U
E
I
R
R
R
+
+
−
−
=
=
=
.
Если E
+
>>0,7 В, то ток базы не зависит от вариаций номинального на-
пряжения база-эмиттер и определяется напряжением питания и сопротивле-
нием резистора R
б
. Начальный ток коллектора I
к0
=β I
б0
.
Рис. 2в иллюстрирует процесс формирования положения ИРТ на плос-
кости выходных ВАХ.
При работе усилительного каскада к выводу коллектора или эмиттера
транзистора должна подключаться нагрузка. Поэтому на переменном токе
коллектор или эмиттер должен быть отделен от точки нулевого потенциала, а
также от источника питания, имеющего низкое внутреннее сопротивление,
некоторым 2-полюсником с высоким сопротивлением по переменному току.
В простейшем случае это делается с помощью резистора, как показано
на рис. 3а и б.
Рис. 3
В этих случаях напряжение коллектор-эмиттер определяется напряже-
нием питания и падением напряжения на 2-полюснике в коллекторной цепи
вследствие протекания I
к0
:
кэ0
к0 к
б0 к
β
U
E
I R
E
I R
+
+
=
−
=
−
.
Из последнего соотношения видно, что резистор R
к
, создавая сопротив-
ление переменному току, в том числе создает и дополнительное падение на-
пряжение источника питания и потери мощности. Поэтому в качестве 2-
полюсника в коллекторной цепи часто используется катушка индуктивности

---

Page 4

4
(дроссель), обладающая нулевым сопротивлением для постоянного тока, но
изолирующая цепь источника питания от сигнальной цепи (рис. 3в).
Недостаток схемы с фиксированным током базы связан с зависимостью
начального тока коллектора от коэффициента β, имеющего значительный
разброс.
2. Схема с фиксированным напряжением база-эмиттер.
В данном случае с помощью источника ЭДС фиксируется потенциал ба-
зы U
б0
(рис. 4а). За счет этого в силу входной ВАХ транзистора в базовой
цепи протекает ток I
б0
, создавая в коллекторной цепи ток I
к0
=βI
б0
(рис. 4б).
Рис. 4
Практические реализации данного принципа приведены на рис. 5.
Рис. 5
Здесь помимо изоляции источника питания от цепи коллектора необхо-
димо создать высокий импеданс для переменного тока и в цепи базового ис-
точника смещения, что достигается включением резистора или индуктивно-
сти.
На практике введение в схему отдельного источника E
б0
оказывается
неудобным. Поэтому потенциал базы чаще всего формируют от источника

---

Page 5

5
питания E
+
, например с помощью резистивного делителя напряжения (рис.
6).
Рис. 6
Для того чтобы потенциал базы не зависел от тока базы и был равен
2
б0
1
2
R
U
E
R
R
+
=
+
необходимо, чтобы ток делителя был много больше, чем
ток базы транзистора
дел
б
1
2
E
I
I
R
R
+
=
+
≫ .
К недостатку предыдущей схемы с фиксированным током базы в данном
случае добавляется зависимость тока коллектора от номинального напряже-
ния база-эмиттер. Например, температурные изменения приводят к смеще-
нию входной ВАХ и при фиксированном напряжении база-эмиттер приводят
к большим изменениям базового тока ΔI
б0
(рис. 4в).
Несмотря на указанный недостаток, идея стабилизации потенциала базы
транзистора оказывается весьма плодотворной и используется в дальнейшем.
3. Схема с фиксированным током эмиттера.
Устранение недостатков предыдущих схем возможно при отказе от ус-
тановки тока коллектора с помощью тока базы или напряжения база-эмиттер.
Учитывая, что I
к
≈I
э
ток коллектора будет определен, если удастся зафикси-
ровать ток эмиттера (рис. 7а)

---

Page 6

6
Рис. 7
На рис. 7а это сделано с помощью генератора тока I
э0
. Для задания на-
пряжения U
кэ0
служит источник потенциала базы E
б0
. Если E
б0
>>U
бэ0
=0,7
В, то потенциал эмиттера слабо зависит от вариаций номинального напряже-
ния база-эмиттер и равен U
э0
= E
б0
– U
бэ0
= E
б0
–0,7 В, а начальное напряже-
ние коллектор-эмиттер U
кэ0
= E
+
– U
э0
.
В качестве генератора тока в эмиттерной цепи могут быть использованы
схемные конфигурации, рассмотренные в разделе …. В простейшем случае
его функцию может выполнять токозадающий резистор R
э
(рис. 7б). В этом
случае U
э0
= E
б0
– U
бэ0
= E
б0
–0,7 В, а I
к0
≈ I
э0
= U
э0
/R
э
. Для снижения влия-
ния вариаций U
бэ0
на начальный ток коллектора необходимо, чтобы
E
б0
>>U
бэ0
.
Для изоляции сигнальных изменений в цепи коллектора от низкоомного
источника питания применяются, например, резисторы, как это показано на
рис. 8а. Вариантов обеспечения требуемого потенциала базы множество.
Наиболее просто это реализуется с помощью резистивного делителя напря-
жения (рис. 8б). На рис. 8в показана развязка цепей питания и базового сме-
щения от цепей прохождения переменного сигнала с помощью индуктивных
элементов.

---

Page 7

7
Рис. 8
При использовании двуполярного питания схемы стабилизации положе-
ния ИРТ с помощью фиксированного тока эмиттера строятся аналогично рис.
8, но необходимо учитывать, что токозадающим потенциалом является в
этом случае не потенциал базы относительно точки нулевого потенциала
U
б0
, а потенциал базы относительно отрицательного напряжения питания U
0
(рис. 9а,б).
Рис. 9
Поэтому в частности вывод базы можно по постоянному току соединить
с землей (рис. 9в). Тогда U
б0
=0, U
0
=–E
-
.
В литературе схемы с фиксированм током эмиттера называют схемами
эмиттерно-базовой стабилизации, отражая тот факт, что в этих схемах стара-
ются обеспечить фиксированный потенциал базы и ток эмиттера.
Эта схема обеспечивает наилучшую стабильность ИРТ и используется
наиболее широко.

---

Page 8

8
При построении многокаскадных схем с гальваническими (непосредст-
венными) связями между каскадами распределение потенциалов планируется
таким образом, чтобы выходной потенциал предыдущего каскада служил
входным потенциалом следующего (рис. 10).
Рис. 10
В схеме на рис. 10а ИРТ обоих каскадов стабилизируется с помощью
фиксированного тока эмиттера. Потенциал базы первого каскада задается с
помощью резистивного делителя R
1
, R
2
, токозадающим резистором первого
каскада является R
э1
, потенциал базы 2 каскада определяется потенциалом
коллектора 1 каскада, а токозадающим резистором 2 каскада является рези-
стор R
э2
. Схема рис. 10б отличается только тем, потенциал базы 2 каскада
определяется потенциалом эмиттера 1 каскада.
К недостаткам схемы с фиксированным током эмиттера следует отнести
потери напряжения питания на генераторе тока эмиттера.
В заключение следует отметить, что существуют методы стабилизации
положения ИРТ, основанные на применении отрицательной обратной связи
по постоянному току, рассматриваемые в разделе, посвященном анализу
схем с обратными связями. Строго говоря, метод эмиттерно-базовой стаби-
лизации представляет собой ни что иное как использование глубокой внут-
рикаскадной отрицательной обратной связи. Однако упрощенный анализ та-
ких схем не требует применения теории обратной связи.