Простейшие способы установки исходной рабочей точки

Выше говорилось, что задание положения исходной рабочей точки транзистора по постоянному току осуществляется внешними цепями смещения. Такие цепи могут иметь различную конфигурацию, зависящую от нескольких факторов: типа транзистора, схемы включения, необходимости обеспечения устойчивости к температурным воздействиям и независимости от параметров конкретного транзистора.

Как известно, существует три варианта включения биполярных транзисторов в усилительные электрические цепи: схема с общим эмиттером (ОЭ), с общей базой (ОБ), с общим коллектором (ОК). Свои названия эти схемы получили по имени электрода, относительно которого производится задание всех напряжений и сигналов в цепи. В принципе, способы установки положения рабочей точки по постоянному току можно было бы рассматривать, вообще абстрагируясь от конкретных схем включения, опираясь только на знание физических процессов внутри прибора. Однако это и не принято и неудобно, и не совсем приближено к практике. Поэтому применим классический подход, и будем анализировать названные случаи по отдельности.

Схема с общим эмиттером

На рис. 3.3 приведена упрощенная схема включения биполярного транзистора п-р-п-типа с ОЭ, а на рис. 3.4 — семейства типичных статических характеристик этой схемы.

а) входные характеристики б) выходные характеристики

в) характеристика передачи г) характеристика обратной связи

Рис. 3.4 Статические характеристики схемы с ОЭ

Внимательное рассмотрение этих характеристик позволяет сделать ряд полезных заключений о работе транзистора в анализируемой схеме. Естественно, рассматривать следует те участки характеристик, которые соответствуют активному режиму работы транзистора.

Во-первых, из входных характеристик (рис. 3.3,а) видно, что при достижении током базы I_Бо определенного уровня он практически перестает влиять на напряжение I_БЭ , а вот незначительное изменение этого напряжения может приводить к существенным колебаниям тока I_Бо. Выходные характеристики (рис. 3.3,6) и характеристики передачи (рис. 3.3,в) позволяют сделать следующие заключения. Ток базы в активном режиме оказывает большое влияние на ток коллектора I_Ко (естественно, и на ток эмиттера I_Э0, поскольку ), а тот одновременно незначительно зависит от колебаний напряжения

Итоговый вывод следующий: при включении по схеме с ОЭ на положение рабочей точки биполярного транзистора (т.е. на ток коллектора I_Ко), находящегося в режиме линейного усиления (активный режим), наибольшее влияние оказывает ток базы I_Бо, который, в свою очередь, может сильно колебаться под воздействием изменений напряжения . Токи коллектора I_Ко и эмиттера I_Э0 практически полностью определяются током базы транзистора. Напряжение не оказывает существенного влияния на другие электрические показатели каскада и должно выбираться только из соображений обеспечения нахождения транзистора в области линейного усиления и непревышения предельных электрических режимов на электродах транзистора.

На практике получили распространение два способа обеспечения заданного положения рабочей точки по постоянному току: схема с фиксированным током базы (рис. 3.5) и схема эмиттерно-базовой стабилизации (рис. 3.6).

В первой схеме стабильность всех показателей каскада по постоянному току базируется на поддержании устойчивого значения тока базы транзистора 1_Б Достигается это созданием безальтернативной цепи протекания постоянного тока через резистор и эмиттерный переход транзистора VT1. Поскольку сопротивление эмиттерного перехода мало, то ток I_Б целиком определяется напряжением питания и значением базового сопротивления :

.

Стабильность тока базы в рассматриваемой схеме приводит к стабильности тока коллектора, поскольку

, где

— статический коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ.

Но данная формула также демонстрирует и основной недостаток схемы с фиксированным током базы (рис. 3.5).

Дело в том, что при производстве биполярных транзисторов возникает большой разброс в возможных значениях коэффициента т.е. для разных экземпляров приборов необходимо устанавливать разные токи базы , чтобы обеспечить требуемое значение тока коллектора (заметим, что в выборе этого параметра практически недопустимы никакие вольности, он определяет множество важнейших характеристик каскада, например, таких, как коэффициент усиления, линейность усиления, потребляемая мощность и т.п.). Таким образом, конкретная величина сопротивления R_Б будет определяться теми характеристиками, которые присущи именно конкретному экземпляру примененного в каскаде транзистора, а не всем приборам данной серии. Это крайне неудобно при серийном производстве, поэтому схема с фиксированным током базы не находит широкого применения, гораздо больше распространена схема эмиттерно-базовой стабилизации (рис.3.6) и различные ее доработки.

Как следует из названия, в этой схеме положение исходной рабочей точки каскада стабилизируется за счет поддержания неизменного значения напряжения на переходе эмиттер база транзистора.

Простейший способ обеспечения данного режима состоит в применении подключенного к базе транзистора делителя напряжения на двух резисторах , , ток через который значительно превышает все возможные значения тока базы I_Бо (это гарантирует, что ток базы транзистора не будет оказывать сколь-либо существенного влияния на напряжение в средней точке делителя). Стабильное напряжение на эмиттерном переходе автоматически стабилизирует ток коллектора I_Ко транзистора. Действительно, ведь

.

Поскольку такой физический параметр транзистора, как сопротивление эмиттерной области ; остается достаточно стабильным при массовом производстве, то и отпадает необходимость подбирать элементы делителя напряжения под каждый конкретный прибор — достаточно лишь один раз произвести расчеты, учитывая типономинал применяемых транзисторов и требуемое значение тока коллектора (эмиттера). Таким образом, схема эмиттерно-базовой стабилизации оказывается гораздо более удобной при массовом производстве и поэтому используется гораздо чаще (у нее есть и другие достоинства, сделавшие ее столь популярной).