В каскадах с транзисторами применяют обычно питание от одного источника – источника выходной цепи (обозначен E2). Для нормального режима работы транзистора необходимо, чтобы между эмиттером и базой было постоянное напряжение в десятые доли вольта (напряжение смещения базы).
Ток эмиттера, проходя через участок эмиттер – база, создает на нем некоторое падение напряжения, но оно недостаточно, и режим работы транзистора без дополнительного смещения оказывается непригодным (токи слишком малы). Необходимо подать некоторое напряжение смещения от источника питания коллекторной цепи. Это делают с помощью резистора или делителя. На рис. 30 показаны типичные схемы подачи смещения на базу.
В каскаде ОЭ (рис. 30а) постоянный ток базы Iб0 проходит через резистор R,на котором гасится почти все напряжение Е2. Небольшая часть напряжения падает на участке база – эмиттер и является смещением базы:
Uб-э 0 = Е2 – Iб0 R.(49)
Рис. 30. Схемы подачи напряжения смещения на базу транзистора
Из этого выражения легко определить сопротивление резистора R:
R = (Е2 - Uб-э 0) / Iб0. (50)
Обычно Uб-э 0 << Е2 и R ≈ Е2/ Iб0. На рис. 30б показана подача напряжения смещения с помощью делителя R1R2 в каскаде ОЭ. Здесь основная часть напряжения Е2падает на резисторе R1, а небольшая часть, являющаяся напряжением смещения Uб-э0, падает на резисторе R2, который подключен параллельно входу транзистора. Сопротивления резисторов R1 и R2можно легко определить по формулам:
Способ подачи напряжения смещения с помощью делителя применяется довольно часто, но он неэкономичен, так как источник должен создавать дополнительный ток Iд, нагревающий резисторы R1и R2.Кроме того, в рассматриваемой схеме резистор R2, будучи подключенным параллельно входу транзистора, весьма заметно уменьшает входное сопротивление каскада.
Для получения более стабильного напряжения смещения желательно, чтобы ток делителя Iд был возможно большим. Тогда распределение напряжений на резисторах делителя будет мало зависеть от тока базы, проходящего через один из резисторов. Однако из соображений экономии энергии источника Е2обычно устанавливают Iд, лишь в 3 – 5 раз больший, чем Iб0. Разделительный конденсатор Ср в схемах служит для передачи на вход транзистора усиливаемого переменного напряжения. Чтобы потеря этого напряжения на конденсаторе Ср была незначительной, его емкостное сопротивление для самой низкой частоты должно быть достаточно малым. Емкость этого конденсатора на низких частотах равна единицам и даже десяткам микрофарад. Поэтому в качестве конденсатора Ср в низкочастотных схемах обычно применяют малогабаритные электролитические конденсаторы. В схемах на рис. 30 разделительный конденсатор исключает попадание на вход транзистора постоянного напряжения, если оно имеется в источнике колебаний ИК. Кроме того, в этих схемах при отсутствии Ср и малом внутреннем сопротивлении источника колебаний база и эмиттер были бы замкнуты накоротко по постоянному напряжению и тогда Uб-э 0 было бы близко к нулю. Емкость Ср рассчитывается исходя из того, что сопротивление 1/( Ср) на самой низкой частоте должно быть во много раз меньше входного сопротивления транзистора:
1 / ( Ср) << Rвх .
Тогда потеря входного напряжения на конденсаторе Ср будет малой. Практически достаточно такого условия:
1 / ( Ср) <<0,1 Rвх . (52)
Отсюда
Ср 10/ ( ). (53)
Если выражать Ср в микрофарадах, то получаем расчетную формулу:
. (54)
В этих формулах и – низшие частоты.
Для схемы с делителем вместо Rвх транзистора в формулу надо ставить сопротивление R’вх, эквивалентное параллельно включенным Rвх и R2, т. е.
R’вх = . (55)
По формуле, аналогичной (54), следует рассчитывать емкость конденсатора С, шунтирующего источник питания Е2:
. (56)
Тогда все выходное напряжение практически будет выделяться на нагрузке Rн и потеря этого напряжения на участке Е2будет малой.
Существенный недостаток транзисторов – значительное изменение их характеристик и параметров при изменении температуры. Повышение температуры вызывает увеличение токов, и режим работы транзисторов нарушается. Для борьбы с этим явлением служат различные методы стабилизации. В схему вводят стабилизирующие элементы, которые обеспечивают относительное постоянство режима при изменении температуры или смене транзистора. Однако надо иметь в виду, что эти схемы стабилизируют лишь положение рабочей точки, но не устраняют влияния температуры на свойства транзистора и происходящие в нем процессы. Поэтому изменение температуры все же вызывает изменение параметров транзисторов. Таким образом, стабилизация режима лишь частично устраняет последствия вредного влияния температуры.
На рис. 31 показаны наиболее распространенные простейшие схемы стабилизации режима каскада ОЭ, который наиболее подвержен влиянию температуры. В так называемой схеме коллекторной стабилизации (рис. 31а) резистор R, служащий для установки необходимого смещения на базе, подключен не к источнику Е2, как в схеме на рис. 30а, а к коллектору. Если от нагрева или смены транзистора ток iк возрастет, то увеличится падение напряжения на Rн, а напряжение Uк-э соответственно уменьшится. Но тогда уменьшится и напряжение Uб-э, что приведет к уменьшению тока iк. Таким образом, одновременно происходят противоположные изменения этого тока, и в результате он остается почти постоянным.
Рис. 31. Схемы стабилизации режима усилительного каскада с транзистором
Рассмотренная схема наиболее проста и экономична, но дает хорошую стабилизацию лишь в том случае, если на резисторе нагрузки падает не менее половины напряжения источника Е2. Кроме того, в данной схеме несколько снижается усиление, так как часть усиленного напряжения передается через резистор R обратно на вход транзистора с фазой, противоположной фазе усиливаемого напряжения, т. е. получается отрицательная обратная связь.
Более сложна и менее экономична схема эмиттерной стабилизации представленная на рис. 31б. Она требует источника Е2 с несколько более высоким напряжением, но по стабилизирующим свойствамзначительно превосходит предыдущую схему. Здесь резисторы R1 и R 2 образуют делитель для получения напряжения смещения на базе, а резистор Rэ впроводе эмиттера является стабилизирующим. Падение напряжения на этом резисторе Uэ = Iэ0Rэ, действует навстречу напряжению U2 = Iд / R 2. Поэтому напряжение смещения базы Uб-э = U2 – Uэ. Резистор Rэ создает отрицательную обратную связь по постоянному току. Если под влиянием температуры токи втранзисторе начнут возрастать, то от повышениятока Iэ0 увеличится напряжение Uэ и, соответственно уменьшится напряжение смещения на базе Uб-э0ивызоветуменьшение токов. В результате такогоизменения одновременно в противоположные стороны токи почти постоянны и режим получается более стабильным.
Для того, чтобы резистор Rэ не создавал отрицательной обратной связи по переменному току, он зашунтирован конденсатором Сэдостаточно большой емкости. Его сопротивление для самой низкой частоты должно быть во много раз меньше Rэ.Обычно конденсатор Сэ электролитический, имеет емкость в десятки микрофарад (в каскадах усиления низкой частоты). Эмиттерная стабилизация работает хорошо, независимо от сопротивления нагрузки Rн, причем тем лучше, чем больше ток делителя Iд и сопротивление резистора Rэ. Но так как напряжение Uэ является частью Е2,то чрезмерное увеличение Rэ приводит к необходимости значительного повышения Е2,что невыгодно. Пренебрегая напряжением Uб-э 0 по сравнению с другими напряжениями, расчет сопротивлений резисторов для схемы эмиттерной стабилизации делают по следующим приближенным формулам:
При этом значение Uэ выбирается с учетом возможного повышения Е2,а ток делителя Iд обычно составляет (3 – 5) Iб0. Обе схемы стабилизации можно применить вместе, и тогда стабилизация будет еще лучше.
Во многих случаях стабилизация необязательна, так как не требуется высокая стабильность усиления.
На рис. 32а показано питание от одного источника транзистора, включенного по схеме ОБ с подачей смещения на базу через поглотительный резистор R.
Составляя уравнение по второму закону Кирхгофа для цепи постоянного тока базы, получим:
Е2= Iб0 R + Uб-э 0+ Iэ0RИК,(58)
где RИК– сопротивление источника колебаний постоянному току. Из этого уравнения следует:
R = (Е2 – Uб-э 0 – Iэ0RИК) / Iб0 . (59) Составляя уравнение по второму закону Кирхгофа для цепи постоянного тока базы, получим:
Е2= Iб0 R + Uб-э 0+ Iэ0RИК,(60)
где RИК– сопротивление источника колебаний постоянному току. Из этого уравнения следует:
R = (Е2 – Uб-э 0 – Iэ0RИК) / Iб0 . (61)
Рис. 32. Схемы питания транзистора, включенного с общей базой
В этой схеме конденсатор Сp служит для передачи напряжения источника ИК на вход транзистора. Сопротивление этого конденсатора должно быть достаточно малым, чтобы на нем практически не было потери переменного напряжения.
Схема ОБ с подачей смещения на базу через делитель представлена на рис. 32б. В ней сопротивление резисторов делителя рассчитывается по формулам:
В этой схеме конденсатор Ср также должен иметь малое сопротивление. Резистор R1 не уменьшает входное сопротивление каскада, которое остается равным входному сопротивлению самого транзистора.
Питание от одного источника для каскада по схеме ОК показано на рис. 33. Смещение на базу может быть подано через резистор R (рис. 33а), и тогда уравнение по второму закону Кирхгофа для цепи тока базы
Е2= Iэ0 Rн + Uб-э 0+ Iб0R.(63)
Решая это уравнение относительно R, находим
R = (Е2 – Iэ0 Rн – Uб-э 0) / Iб0 . (64)
Смещение на базу может быть подано через резистор R (рис. 33а), и тогда уравнение по второму закону Кирхгофа для цепи тока базы
Е2= Iэ0 Rн + Uб-э 0+ Iб0R.(65)
Решая это уравнение относительно R, находим:
R = (Е2 – Iэ0 Rн – Uб-э 0) / Iб0 . (66)
А для схемы с делителем R1 R2 (рис. 33б) получим такие формулы:
Рис. 33. Схемы питания транзистора, включенного с общим коллектором
Выбор тока делителя Iджелательно сделать так, чтобы расход мощности источника на питание делителя был невелик, т. е. ток делителя следует брать меньше или незначительно больше тока базы. В приведенных схемах ОК поглотительный резистор и резистор R1 делителя снижают входное сопротивление каскада.
Ср) на самой низкой частоте должно быть во много раз меньше входного сопротивления транзистора:
10/ ( 
). (53)
. (54)
и 
– низшие частоты.
. (55)
. (56)
