Кола живлення каскадів на біполярних транзисторах

Властивості біполярних транзисторів (БТ) як активних елементів визначаються його вхідними, вихідними та прохідними характеристиками. Типовий вигляд деяких характеристик БТ зображено на рис. 6.5.

Постійні складові струмів БТ зв’язані між собою співвідношеннями

;

Для германієвих транзисторів (рис. 6.6), для кремнієвих .

Порівняння властивостей ПТ та БТ показує їх суттєву різницю:

- більша провідність характеризує властивий БТ малий вхідний опір, яким він навантажує попередній каскад, впливаючи на його підсилення;

- кінцеве значення вказує на наявність внутрішнього зворотного зв’язку, навіть у області НЧ;

- більша чутливість статичних характеристик БТ до зміни температур.

Рисунок 6.6 – Вхідні (а) та вихідні (б) ВАХ p-n-p біполярного транзистора та його позначення на електричних схемах (в)

Біполярний транзистор не тільки активний елемент, що забезпечує підсилення, але своїм малим вхідним опором він навантажує попередній каскад, впливаючи на його підсилення.

НЧ–параметри більшості сучасних малопотужних БТ знаходяться в межах , , , , тобто крутизна БТ перевищує крутизну ПТ у 10–15 разів, а їх внутрішній опір має однаковий порядок. Суттєва різниця у вхідному опорі для БТ – 1...100 Ом, для ПТ – 10...100 МОм.

Для встановлення необхідного робочого струму БТ досить забезпечити визначену різницю потенціалів між базою та емітером. Відомо декілька схем забезпечення зміщення у базовому колі. Наприклад, для схеми з фіксованим струмом бази (рис. 6.7, а) вибір елементів проводиться з виразу

де за умовою, що , .

Фіксована напруга на переході база–емітер (рис. 6.7, б)

;

Рисунок 6.7 – Еквівалентні схеми підсилювача на біполярному транзисторі з фіксованим струмом бази (а), фіксованою напругою база-емітер (б) і фіксованим струмом емітера (в)

Струм подільника визначається з умови, що забезпечує незалежність положення робочої точки від струму бази.

Якщо в схемі зміщення з фіксованім струмом емітера (рис. 6.7, в) резистор взяти у декілька разів більший, ніж опір ділянки база–емітер транзистора постійного струму, то в цьому разі струм через , що дорівнює струму емітера буде визначений, як

і не буде залежати від температури середовища та транзистора.

У гібридних лінійних інтегральних мікросхемах задання режимів активного елемента та стабілізація його струмів здійснюються відомими з класичної електроніки засобами, тобто за допомогою резистивних кіл зміщення та шляхом застосування місцевих та загальних зворотних зв’язків. Застосування резисторів з великим опором в монолітних (напівпровідникових) інтегральних мікросхемах небажано, бо вони займають велику площину, тому для забезпечення режимів та його стабілізації використовують параметричні методи.

На рис. 6.8, а показана схема генератора стабільного струму (ГСС), що використовується для стабілізації струму емітера. В основі роботи цієї схеми лежить принцип подібної до транзисторної структури та , тому інколи такі схеми називаються струмовим дзеркалом. Стабілізація режиму забезпечується стабілізацією струму транзистора . При рівності напруг та емітерних переходах відносна нестабільність струмів колекторів та однакова

Рисунок 6.8 – Електричні схеми генератора стабільного струму для стабілізації струму емітера V2

Коли використовується у діодному включенні, його колекторний струм можна стабілізувати заданням його зовнішніх елементів, тобто джерелом та резистором .

Вирази для визначення напруги та резистору мають вигляд

де — нестабільність джерела;

— ширина забороненої зони (для Si);

— напруга на емітерному переході;

;

Схема ГСС звичайно використовується для задання струмів емітеру транзисторів, підсилювальних каскадів. При цьому включається у емітери підсилювального каскаду і працює як джерело стабілізованого струму, забезпечуючи . Виконання цієї умови дозволяє стабілізувати роботу підсилювального каскаду за нормальною роботою струму , тобто можна розглядати ГСС як резистор у колі емітеру транзистора з різним опором постійному і змінному струмам.

Треба пам’ятати, що чим більше нестабільність, тим менше і відповідно робочий струм та підсилення.

Якщо передбачається використовувати транзистор як підсилювальний елемент, то використовується схема, зображена на рис. 6.8, б; схема, що показана на рис. 6.8, а неприйнятна, оскільки у ній вхід зашунтовано транзистором , який включено як діод. Якщо та мають близькі характеристики, а опір вибрано так, що то ця схема буде аналогічна схемі, яка показана на рис. 6.8, а, під час цього режиму схеми задаються елементами та .

Відомо, що ефективним засобом стабілізації режиму є його задання за допомогою джерела постійного струму з великім внутрішнім опором. Завдяки введенню глибокого ВЗЗ за струмом через резистор (рис. 6.9, а), така схема малочутлива до зміни напруги живлення . На відміну від попередньої схеми, у якої струм змінювався пропорційно за , у цій схемі струм змінюється менш інтенсивно. Ще одна схема (рис. 6.9, б) — це струмова двійка на транзисторах та (струмове дзеркало). У діодному включенні використовується для задання режиму і одночасно служить за опір у емітері для передачі сигналу ВЗЗ на базу .

Під час зростання навантаження напруга зменшується, внаслідок чого збільшується і струм (тобто навантаження зростає). Отже, забезпечується незалежність струму навантаження від опору навантаження.

Рисунок 6.9 – Електричні схеми струмових дзеркал

Завдяки використанню ВЗЗ за струмом це джерело має великий вихідний опір та високу стабільність . Значення цього струму задається шляхом добору та .

Розглянуті схеми, за виключенням схем з ГСС, не забезпечують достатньої стабільності положення робочої точки при зміні температури та розкиді параметрів. Це можливо забезпечити тільки тоді, коли використовуються схеми стабілізації струму вихідного кола. Робочий струм вихідного кола у робочих умовах (при зміні температури, старінні елементів, їх зміні тощо) не повинен дуже відхилятися від значення, яке забезпечує нормальне функціонування підсилювального каскаду. Надмірне зменшення робочого струму веде до зростання нелінійних спотворень, зменшення змінних складових вихідного струму та напруги, і як наслідок, до зменшення потужності вихідного сигналу.

Найпростішою та економічнішою схемою стабілізації є схема колекторної стабілізації (рис. 6.10, а), де стабілізація положення робочої точки здійснюється паралельним від’ємним зворотним зв'язком за напругою
(рис. 6.10, б). До резистору прикладена різниця потенціалів

звідки робочий струм бази

. Напруга

змінюється залежно від зміни струму

і зміна струму

компенсує можливі зміни струму

Рисунок 6.10 – Електрична (а) і еквівалентна (б) схеми підсилювача з колекторною стабілізацією

Цей тип стабілізації задовільно діє тільки під час великих падінь напруги на резисторі навантаження (приблизно 0,5·Е або більше), недуже великих змінах параметру (не більше як 1,5–2 рази) та зміні температури (не більше як на 20–30 °С).

Більшу стабільність робочої точки забезпечує схема емітерної стабілізації (рис. 6.11, а), що може забезпечити функціонування каскаду за зміною параметру у 5–10 разів та температури 78°–100 °С. У цій схемі стабілізація здійснюється від’ємним зворотнім зв’язком за струмом за рахунок резистору (рис. 6.11, б). Для усунення ВЗЗ у робочій смузі частот резистор шунтується , отже має виконуватися вимога

Рисунок 6.11 – Електрична (а) і еквівалентна (б) схеми підсилювача

з емітерною стабілізацією

Стабілізуюча дія цього виду стабілізації зростає із збільшенням опору і зменшенням опорів та .

Схема колекторно–емітерної або комбінованої стабілізації — це комбінація розглянутих засобів стабілізації, що присутня за включення у каскад з емітерною стабілізацією додаткового резистора фільтра , який у цьому разі виконує функції колекторної стабілізації. Ця схема забезпечує більшу стабільність, ніж схема емітерної стабілізації.

У багатокаскадних підсилювачах за безпосередньої передачі сигналу від попереднього каскаду до наступного схема спрощується за рахунок виключення розділових конденсаторів (рис. 6.12, а, б). Для температурної компенсації у колі подільника напруги використовують опори з відповідно різними значеннями ТКО, термістори, напівпровідникові діоди
(рис. 6.13, а, б).

Рисунок 6.12 – Електричні схеми багатокаскадних підсилювачів з беспосередньою

передачею сигналу

Рисунок 6.13 – Електричні схеми підсилювачів з температурною компенсацією

у колі подільника напруги

Рисунок 6.14 – Електричні схеми паралельного (а) і послідовного (б) живлення

базового кола підсилювача на біполярному транзисторі

Зміщення у вхідне коло транзистора може подаватися як паралельно до джерела сигналу, так і послідовно з ним (рис. 6.14, а, б). Якщо схема паралельна, — вхідне коло транзистора шунтується колом зміщення, що трохи зменшує вхідний опір каскаду та його підсилення, якщо схема послідовна, то внутрішній опір джерела сигналу сумують з опором подільника.