Выбор и стабилизация режимов работы усилительных каскадов на транзисторах. Режим работы усилительного каскада по постоянному току определяется исходным положение рабочей точки РТ активного элемента.
Это положение задается в биполярном транзисторе БТ током коллектора и напряжением коллектор-эмиттер. Выбор РТ активного прибора в усилителях больших сигналов когда и производят по статистическим вольтамперным характеристикам ВАХ прибора, ориентируясь на получение необходимого усиления и допустимых нелинейных искажений усилительного сигнала.
При выборе РТ активного прибора в усилителях малых сигналов и можно ориентироваться на следующие рекомендации 3 . Значения тока и напряжения выбирают, главным образом для получения определенных усилительных параметров, обеспечения экономичного потребления энергии источника питания и стабильности режима работы.
Увеличение улучшает усилительные свойства транзистора, но при этом растут входная и проходная проводимость усилительного прибора, а также энергопотребление каскада.
Большие значения желательны с точки зрения уменьшения влияния дестабилизирующих факторов. Следует выполнять условия, где - неуправляемый ток перехода коллектор-база. Если к усилителю не предъявляется специальных требований, то обычно выбирают мА. Увеличение улучшает частотные свойства каскада, так как при этом уменьшаются емкость -переходов и, в первую очередь, проходные емкости. Но при большом, приближающимся к предельно допустимым, возрастает вероятность пробоя -переходов.
Малые величины напряжений нежелательны из-за потери транзистором усилительных свойств и роста нелинейных искажений, входной, выходной и проходной проводимостей.
Рекомендуется брать В. Положение рабочей точки, следовательно, и параметры полупроводниковых приборов, в значительной степени зависят от температуры окружающей среды.
Изменения исходного положения рабочей точки оценивают коэффициентом нестабильности тока коллектора в заданном диапазоне температур. Считается приемлемым, если. В биполярных транзисторах тока коллектора связаны с изменениями неуправляемого тока перехода коллектор-база, со сдвигом входных характеристик транзистора и с зависимостью от температуры коэффициента передачи тока в схеме с общей базой или в схеме с общим эмиттером. Величины и определяются следующими соотношениями 4 6.1 , 6.2 где - справочное значение неуправляемого тока перехода коллектор-база при определенной температуре обычно, если не указывается другая коэффициент, зависящий от материала транзистора для германия, для кремния где - верхняя нижняя границы заданного температурного диапазона - коэффициент температурного сдвига входных характеристик.
Значения определяются с помощью приводимых в справочниках зависимостей коэффициента от температуры.
Температурная стабилизация РТ активного прибора в усилительном каскаде обеспечивается глубокой обратной связью по постоянному току или применением специальных термокомпенсирующих элементов.
Наибольшее распространение получили методы температурной стабилизации, основанные на использовании отрицательных обратных связей, так как при этом одновременно достигается уменьшение чувствительности каскадов к технологическому разбросу параметров транзисторов.
Рисунок 4 Для установки и стабилизации режима работы по постоянному току усилительных каскадов на дискретных биполярных транзисторах наибольшее распространение получила схема, приведенная на Рисунок 4. Резистор обеспечивает отрицательную обратную связь по току и служит для стабилизации выходного тока. Делитель напряжения источника питания, образованный резисторами и создает необходимое напряжение на базе транзистора. Разность потенциалов базы и эмиттера последний определяется падением напряжения на определяет смещение на входном переходе транзистора, задавая его РТ. Работа схемы стабилизации заключается в следующем.
При возрастании температуры ток эмиттера возрастает, соответственно увеличивается падение напряжения на резисторе, т.е. увеличивается потенциал эмиттера. Поскольку потенциал базы выше потенциала эмиттера, смещение перехода база-эмиттер уменьшается, транзистор подзакрывается и в результате увеличение и тока коллектора оказывается существенно меньше, чем оно было бы в отсутствие обратной связи.
Аналогично схема работает и при уменьшении температуры, только все приращения имеют обратный знак. Емкость, включенная параллельно, обеспечивает замыкание переменной составляющей тока эмиттера на землю, минуя, и тем самым предотвращает возникновение отрицательной обратной связи по переменному току, уменьшающей усиление каскада. Расчет каскада обычно начинается с выбора транзистора и его рабочей точки, исходя из требований к электрическим показателям каскада.
Зная возможный перепад температуры и параметры транзистора, определяют значение дестабилизирующих факторов Затем, зная требования к стабильности или, задавшись ими, рассчитывают параметры вспомогательных цепей каскада. Предполагается, что перед этим был проведен расчет каскада на переменном токе. Для расчета значения сопротивления, обеспечивающего требуемую глубину обратной связи в схеме Рисунок 4, необходимо знать температурную зависимость. Однако она редко приводится в справочниках.
Выход из этой ситуации заключается в том, что, как показывает практический опыт, инвариантность усилительного каскада на БТ к изменениям достигается при выборе напряжения на эмиттере из условия. Это позволяет рассчитать минимальное значение напряжения питания и определить величину. Расчет проводится по следующим формулам , 6.3 где - сопротивление по постоянному току в цепи коллекторного тока за вычетом сопротивление фильтра по цепи питания см. Низкочастотная коррекция цепочкой. Полученное из 6.3 значение ориентировочное, его следует уточнить, исходя из заданного или взяв стандартное значение.
Это потребует уточнения значения, что может быть сделано по следующей формуле . 6.4 Тогда . 6.5 Глубокая отрицательная обратная связь по постоянному току практически устраняет температурную нестабильность каскада из-за изменения. Влияние двух оставшихся дестабилизирующих факторов, как показывает анализ, зависит от величины сопротивления, а, следовательно, от тока делителя напряжения.
Причем увеличение ведет к снижению влияния смещения входных характеристик, а уменьшение - приводит к снижению влияния изменений неуправляемого тока перехода коллектор-база. Ток базового делителя см. Рисунок 4 , обеспечивающий требуемую стабильность каскада, может быть найден по следующей формуле . 6.6 Для хорошей фиксации потенциала базы желательно обеспечивать. В 6.6 знаменатель может получиться отрицательным, что свидетельствует о недостижимости требуемой стабильности при заданных условиях.
Тогда необходимо увеличить, пересчитав при этом и. Сопротивления и рассчитываются следующим образом 6.7 , 6.8 где положение РТ на входной ВАХ транзистора. При необходимости можно взять для кремниевого транзисторов, а оценить по формуле. При выборе следует учитывать, что его увеличение снижает экономичность каскада и уменьшает входное сопротивление. Поэтому желательно, чтобы выполнялось условие, где - входная проводимость транзистора в рабочей точке.
Получаемая абсолютная нестабильность тока коллектора может быть оценена по следующей формуле , 6.9 где - сопротивление току растекания базы транзистора. Расчет Рисунок 5 Все расчеты и вычисления проводились на ЭВМ, поэтому при решении неравенств выбирались значения с умыслом. Рассчитаем необходимую полосу пропускания усилителя для формирования данного импульса. Время фронта установления и верхняя граничная частота апериодического усилителя связаны между собой соотношением, отсюда получаем Гц. А нижняя граничная частота связана со сколом выражением, отсюда получим Гц. Нетрудно заметить, что транзистор нужен ВЧ, поэтому возьмем транзистор с данными характеристиками см. Таблица 1 Таблица 1 Тип транзистора Технология изготовления , В , мА , мкА , МГц, пФ , В , пс КТ399А эп.пл. Эпитаксиально-планарная технология. 40 1 5 0,5 - 2600 1,03 5 4