Для обеспечения выбранного режима транзистора по постоянному току в схему усилителя вводятся специальные элементы, образующие цепь питания. При построении этих цепей учитывается значительная зависимость постоянных токов транзистора от внешних факторов и особенно от температуры окружающей среды. Указанная нестабильность настолько велика, что, как правило, вызывает неприемлемые нелинейные искажения сигнала.
Аналогичная ситуация возникает при смене транзисторов за счет разброса их параметров. Для устранения нежелательных эффектов применяют различные способы стабилизации, которые в значительной степени определяют особенности транзисторной схемотехники.
Для стабилизации рабочей точки транзисторов наиболее часто применяется схема, показанная на рис. 12. Она содержит делитель напряжения на резисторах R1, R2, задающий постоянное напряжение на базе относительно общего провода.
В цепь эмиттера включен уже знакомый нам резистор Rэ. Сопротивления резисторов R1, R2 выбираются такими, чтобы ток, протекающий через них, во много раз превышал ток базы Iб0 В этом случае потенциал базы Uб0 почти не зависит от нестабильностей тока Iб0. Ток коллектора Iк0 в этой схеме изменяется очень мало, что объясняется стабилизирующим действием резистора Rэ. Действительно, при температурных или других отклонениях рабочего тока транзистора напряжение на сопротивлении Rэ (то есть потенциал эмиттера) также изменяется. В результате напряжение на управляющем переходе база - эмиrтер Uбэ = Uб0- RэIэ0 изменяется так, что препятствует исходному отклонению тока.
Получим формулы для расчета цепи питания транзистора. Распределение постоянных напряжений в коллекторной цепи задается для выбранных рабочей точки (Iк0, Uкэ0) и напряжения питания Ек уравнением
. (10)
Величину сопротивления резистора Rэ можно выбрать из следующих соображений. Изменение тока эмиттера при фиксированном потенциале базы эквивалентно изменению сопротивления эмиттерного перехода rбэ0 постоянному току. Поэтому для стабилизации постоянного тока эмиттера следует выполнить условие Rэ >> rбэ0. Чем больше сопротивление Rэ, тем выше эффект стабилизации. Однако при этом заданный ток транзистора будет создавать на сопротивлении большое падение напряжения
, (11)
и для питания схемы потребуется источник более высокого напряжения Ек. Поэтому при выборе Rэ обычно исходят из компромиссного соображения: Uэ0 ≈ (0,1 0,2)Ек.
Сопротивление Rк, как мы знаем, определяет усилительные свойства, поэтому будет правильным оценивать его по формулам (5) или (6) для заданного коэффициента усиления. Если величины сопротивлений не удовлетворяют (10), то необходимо скорректировать рабочую точку, или повторить выбор Rк и Rэ. Ток делителя по указанным выше причинам выбирается, исходя из Iд ≈ (3 10)Iб0. Тогда сопротивления делителя рассчитываются по формулам
, (12)
где Uбэ0 - напряжение смещения открытого перехода база - эмиттер, составляющее для кремниевых транзисторов (0,6÷0,7) В (рис. 4,а).
Если считать стабилизацию рабочей точки искомым полезным результатом, то уменьшение коэффициента усиления сигнала (см. (8)) является не всегда желаемым следствием. Чтобы, сохраняя стабилизацию режима транзистора по постоянному току, не ухудшить усилительные свойства схемы, параллельно резистору Rэ, включают конденсатор Сэ. Емкость конденсатора Сэ должна быть настолько большой, чтобы его сопротивление для самой низкой частоты wx из спектра усиливаемого сигнала было во много раз меньше сопротивления резистора Rэ, то есть
. (13)
Разделительные конденсаторы Ср не относятся собственно к цепям питания, они отделяют последние от цепей переменного тока. Разделительный конденсатор на входе усилителя предупреждает возможное попадание на базу транзистора постоянного напряжения со стороны источника сигнала. Аналогично, постоянная составляющая напряжения на коллекторе не попадает в цепь нагрузки следующего каскада. Чтобы переменный ток сигнала не создавал значительного напряжения на Ср и все управляющее напряжение поступало бы на базу, сопротивление конденсатора для самых низких частот должно быть очень малым:
. (14)
Здесь Rвх - входное сопротивление усилителя. Оно будет отличаться от zвх (см.(7)) в меньшую сторону, если учесть шунтирующее влияние делителя R1, R2. На входе усилителей низкой частоты обычно ставят конденсатор ёмкостью до нескольких десятков микрофарад. Этот конденсатор может не включаться в схему, если известно, что источник сигнала не содержит постоянного напряжения.
. (10)
, (11)
0,2)Ек.
, (12)
. (13)
. (14)