Как строить рабочую точку транзистора

Биполярные транзисторы: схемы, режимы, моделирование

Транзистор появился в 1948 (1947) году, благодаря трудам трёх инженеров и Шоккли, Брадтейна, Бардина. В те времена еще не предполагали их столь быстрое развитие и популяризацию. В советском союзе в 1949 году был представлен научному миру прототип транзистора лабораторией Красилова, это был триод С1-С4 (германиевый). Термин транзистор появился позже, в 50-х или 60-х годах.

Однако широкое применение они нашли в конце 60-х, начале 70-х годов, когда в моду вошли портативные радиоприёмники. Кстати их долгое время так и назвали «транзистор». Такое название прилипло благодаря тому, что они заменили электронные лампы полупроводниковыми элементами, что вызвало революцию в радиотехнике.

Что такое полупроводник?

Транзисторы делают из полупроводниковых материалов, например, из кремния, ранее был популярен германий, но сейчас он редко встречается, ввиду его дороговизны и худших параметрах, в плане температур и прочего.

Полупроводники это такие материалы, которые занимают по проводимости место между проводниками и диэлектриками. Их сопротивление в миллион раз больше проводников, и в сотни миллионов раз меньше диэлектриков. К тому же, чтобы через них начал протекать ток нужно приложить напряжение превышающее ширину запрещенной зоны, чтобы носители заряда перешли из валентной зоны в зону проводимости.

У проводников запрещенной зоны нет как таковой. Переместиться в зону проводимости носитель заряда (электрон) может не только под действием внешнего напряжения, но и от тепла – это называется тепловой ток. Ток вызванный облучением световым потоком полупроводника называется фототок. Фоторезисторы, фотодиоды и прочие светочувствительные элементы работают именно на этом принципе.

Для сравнения взгляните на таковые в диэлектриках и проводниках:

Довольно наглядно. Из диаграмм видно, что диэлектрики всё же могут проводить ток, но это происходит после преодоления запрещенной зоны. На практике это называется напряжением пробоя диэлектрика.

Так вот отличие германиевых от кремниевых структур в том, что для германия ширина запрещенной зоны, порядка 0.3 эВ (электронвольт), а у кремния более 0.6 эВ. С одной стороны это вызывает больше потерь, но использование кремния обусловлено технологическими и экономическими факторами.

Полупроводник в результате легирования получают дополнительные носители заряда положительные (дырки) или отрицательные (электроны), это называется полупроводник p- или n-типа. Возможно, вы слышали фразу «pn-переход». Так это и есть граница между полупроводниками разных типов. В результате движения зарядов, образования ионизированных частиц каждого из типа примесей к основному полупроводнику образуется потенциальный барьер, он не даёт току протекать в оба направления, подробнее об этом расписано в книге «Транзистор — это просто».

Внесение дополнительных носителей зарядов (легирование полупроводников) позволило создать полупроводниковые приборы: диоды, транзисторы, тиристоры и пр. Простейший пример – это диод, работу которого мы рассмотрели в предыдущей статье.

Если приложить напряжение в прямом смещении, т.е. к p-области положительный полюсь, а к n-области отрицательный начнет протекать ток, а если наоборот – ток протекать не будет. Дело в том, что при прямом смещении основные носители заряда p-области (дырки) положительные, и отталкиваются от положительного потенциала источника питания, стремятся в область с более отрицательным потенциалом.

В тоже время отрицательные носители n-области отталкиваются от отрицательного полюса источника питания. И те и другие носители стремятся к границе раздела (pn-переходу). Переход становиться уже, и носители преодолевают потенциальный барьер, перемещаясь в области с противоположными зарядами, где рекомбинируются с ними…

Если приложено напряжение обратного смещения, то положительные носители p-области движутся в сторону отрицательного электрода источника питания, а электроны из n-области – в сторону положительного электрода. Переход расширяется, ток не протекает.

Если не вдаваться в подробности этого достаточно для понимания процессов протекающих в полупроводнике.

Условное графическое обозначение транзистора

В РФ принято такое обозначение транзистора как вы видите на картинке ниже. Коллектор без стрелки, эмиттер со стрелкой, а база подведена перпендикулярно к черте между эмиттером и коллектором. Стрелка на эмиттере указывает направление протекания тока (от плюса к минусу). Для NPN-структуры стрелка эмиттера направлена от базы, а для PNP – к базе.

При этом в схемах часто встречается такое же обозначение, но без окружности. Стандартное буквенное обозначение – «VT» и номер по порядку на схеме, иногда пишут просто «T».

Изображение транзисторов без круга

Что такое транзистор?

Транзистор это активный полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления сигнала и генерации колебаний. Он пришёл на смену вакуумным лампам – триодам. У транзисторов обычно три ножки – коллектор, эмиттер и база. База – это управляющий электрод, подавая ток на него, мы управляем коллекторным током. Таким образом, с помощью малого тока базы мы регулируем большие токи в силовой цепи, так и происходит усиление сигнала.

Биполярные транзисторы бывают прямой (PNP) и обратной проводимости (NPN). Их структура изображена ниже. Что характерно, база занимает меньший объём полупроводникового кристалла.

Характеристики

Основные характеристики биполярных транзисторов:

Ic – максимальный ток коллектора (выше нельзя – сгорит);

Ucemax – максимальное напряжение, которое можно приложить между коллектором и эмиттером (выше нельзя – пробьет);

Ucesat – напряжение насыщения транзистора. Падение напряжения в режиме насыщения (чем меньше, тем меньше потерь в открытом состоянии и нагрев);

Β или H21Э – коэффициент усиления транзистора, равен Iк/Iб. Зависит от модели транзистора. Например, при к.усиления 100, при токе через базу 1мА, через коллектор будет протекать ток 100мА и т.д.

Стоит сказать о токах транзистора, их три:

2. Коллекторный ток.

3. Ток эмиттера – содержит ток базы и ток эмиттера.

Чаще всего ток эмиттера опускается, т.к. он почти не отличается от тока коллектора по величине. Разница лишь в том, что ток коллектора меньше чем ток эмиттера на величину тока базы, а т.к. у транзисторов высокий коэффициент усиления (допустим 100) то при токе в 1А через эмиттер, через базу будет протекать 10мА, а через коллектор 990мА. Согласитесь, ведь это достаточно малая разница, чтобы тратить на неё время при изучении электроники. Поэтому в характеристиках и указан Icmax.

Режимы работы

Транзистор может работать в разных режимах:

1. Режим насыщения. Простыми словами – это тот режим, в котором транзистор находится в максимально открытом состоянии (оба перехода смещены в прямом направлении).

2. Режим отсечки – это когда ток не протекает и транзистор закрыт (оба перехода смещены в обратном направлении).

3. Активный режим (коллектор-база смещен в обратном направлении, а эмиттер-база смещен в прямом).

4. Инверсный активный режим (коллектор-база смещен в прямом направлении, а эмиттер-база смещен в обратно) но он редко используется.

Типовые схемы включения транзистора

Выделяют три типовых схемы включения транзистора:

2. Общий эмиттер.

3. Общий коллектор.

Входной цепью считают эмиттер-базу, а выходной – коллектор-эмиттер. Тогда как входной ток – это ток базы, а выходной – коллекторный ток соответственно.

В зависимости от схемы включения мы усиливаем ток или напряжение. В учебниках принято рассматривать именно такие схемы включения, но на практике они выглядят не столь очевидно.

Стоит отметить, что при включении в схему с общим коллектором мы усиливаем ток и получаем синфазное (такое же, как на входе по полярности) напряжение на входе и выходе, а в схеме с общим эмиттером – получаем усиление напряжение и инверсное напряжение (выходное перевернуто относительно входного). В конце статьи мы проведем моделирование таких цепей и наглядно убедимся в этом.

Моделирование транзисторного ключа

Первая модель, которую мы рассмотрим, это транзистор в режиме ключа. Для этого нужно построить схему как на рисунке ниже. Допустим, что мы будем включать нагрузку с током в 0.1А, её роль будет выполнять резистор R3, установленный в цепи коллектора.

В результате экспериментов, я установил, что h21Э у выбранной модели транзистора около 20, кстати, в datasheet на MJE13007 сказано от 8 до 40.

Ток базы должен быть около 5мА. Делитель рассчитывается таким образом, чтобы ток базы имел минимальное влияние на ток делителя. Чтобы заданное напряжение не плавало при включении транзистора. Значит, ток делителя зададим 100мА.

Rбрасч=(12в – 0.6в)/0.005= 2280 Ом

Это расчетная величина, токи в результате этого вышли такими:

При токе базы в 5мА, ток в нагрузке был порядка 100мА, на транзисторе у нас падает напряжение в 0.27 В. Расчеты верны.

Что мы получили?

Мы можем управлять нагрузкой, ток которой в 20 раз больше тока управления. Чтобы еще больше усилить, можно продублировать каскад, снизив ток управления. Или использовать другой транзистор.

Ток коллектора у нас был ограничен сопротивлением нагрузки, для эксперимента я решил сделать сопротивление нагрузки в 0 Ом, тогда ток через транзистор задаётся током базы и коэффициентом усиления. В результате токи практически не отличаются, в чем вы и можете убедиться.

Чтобы проследить влияние типа транзистора и его коэффициента усиления на токи, заменим его, не изменяя параметров цепи.

После замены транзистора с MJE13007 на MJE18006 цепь продолжила работать, но на транзисторе падает уже 0.14 В, это значит, что при том же токе этот транзистор будет меньше греться, т.к. в тепло выделится

А в предыдущем случае:

Разница почти в два раза, если на десятых ватта это не столь существенно, представьте, что будет при токах в десятки ампер, тогда мощность потерь возрастет в 100 раз. Это приводит к тому, что ключи перегреваются и выходят из строя.

Тепло, которое выделяется при нагреве, распространяется в корпусе устройства и может вызвать проблемы в работе соседних компонентов. Для этого все силовые элементы устанавливают на радиаторы, а иногда применяют активные системы охлаждения (куллер, жидкостные и др.).

К тому же при повышении температуры проводимость полупроводника увеличивается, как и ток который через них протекает, что вызывает, опять же, повышение температуры. Лавинообразный процесс повышения тока и температуры в конечном итоге убьет ключ.

Вывод такой: Чем меньше падение напряжения на транзисторе в открытом состоянии – тем меньше его нагрев и выше КПД всей схемы.

Падения напряжения на ключе стало меньшим из-за того, что мы поставили более мощный ключ, с большим коэффициентом усиления, чтобы убедится в этом, уберем из цепи нагрузку. Для этого я снова задал R3=0 Ом. Ток коллектора стал 219мА, на MJE13003 в такой же цепи был около 130мА, это значит, что H21Э в модели этого транзистора больше в два раза.

Стоит отметить, что коэффициент усиления одной модели в зависимости от конкретного экземпляра может различаться в десятки и сотки раз. Это вызывает необходимость отстройки и наладки аналоговых схем. В этой программе в моделях транзисторов использованы фиксированные коэффициенты, логика их выбора мне известна. На MJE18006 в даташите максимальный коэффициент H21Э указан 36.

Моделирование усилителя переменного сигнала

Приведенная модель отображает поведение ключа, если на него подать знакопеременный сигнал и простейшая схема включения его в цепь. Она напоминает схему музыкального усилителя мощности.

Обычно в них используются несколько таких последовательно соединенных каскадов. Количество и схемы каскадов, их цепей питания зависят от класса, в котором работает усилитель (A, B и т.д.). Я смоделирую простейший усилитель класса А, который работает в линейном режиме, а также сниму осциллограммы входного и выходного напряжения.

Резистор R1 задаёт рабочую точку транзистора. В учебниках пишут, что нужно найти такую точку на прямом отрезке ВАХ транзистора. Если напряжение смещения будет слишком низким – у вас будет искажаться нижняя полуволна сигнала.

Конденсаторы нужны, чтобы отделить переменную составляющую от постоянной. Резисторы R2 установлен для того, чтобы задать режим работы ключу и выставить рабочие токи. Давайте рассмотрим осциллограммы. Мы подаём сигнал амплитудой в 10мВ и частотой 10000 Гц. Амплитуда на выходе у нас почти 2В.

Пурпурным цветом обозначена выходная осциллограмма, красным – входной сигнал.

Обратите внимание, что сигнал инвертирован, т.е. выходной сигнал перевернут относительно входного. Это особенность схемы с общим эмиттером. По схеме сигнал снимается с коллектора. Поэтому при открытии транзистора (когда сигнал на входе повышается) напряжение на нем будет падать. Когда входной сигнал понижается, транзистор начинает закрываться и напряжение начнет расти.

Эта схема считается наиболее качественной в плане качества передачи сигнала, однако за это приходится платить мощностью потерь. Дело в том, что в состоянии, когда на вход не подаётся сигнал, транзистор всегда открыт и проводит ток. Тогда в тепло выделяется:

UКЭ – это падение на транзисторе при отсутствии входного сигнала.

Это простейшая схема усилителя, при этом любая другая схема работает подобным образом, отличается лишь соединение элементов и их комбинация. Например, транзисторный усилитель класса В состоит из двух транзисторов, каждый из которых работает для своей полуволны.

Здесь используются транзисторы разных проводимостей:

Положительная часть переменного входного сигнала открывает верхний транзистор, а отрицательная – нижний.

Такая схема даёт больший КПД за счёт того, что транзисторы открываются и закрываются полностью. За счёт того, что когда сигнал отсутствует – оба транзистора закрыты, схема не потребляет ток, соответственно потерь нет.

Заключение

Понимание работы транзистора очень важно, если вы собираетесь заниматься электроникой. В этой сфере важно не только научится собирать схемы, но и анализировать их. Для систематического изучения и понимания устройств нужно понимать, куда и как будут протекать токи. Это поможет как в сборке, так и наладке и ремонту схем.

Стоит отметить, что я намерено опустил многие нюансы и факторы чтобы не перегружать статью. При этом после расчетов всё же стоит подбирать резисторы. В моделировании это сделать просто. А на практике придется измерять токи и напряжения мультиметром, а в идеальном случае нужен осциллограф, чтобы проверить соответствие форм входного и выходного сигнала, в противном случае у вас будут искажения.

УСТАНОВКА РАБОЧЕЙ ТОЧКИ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Существует два основных способа установки рабочей точки БТ по постоянному току, представленных на рис 16. Это схема с фиксированным напряжением на базе и схема с фиксированным током базы.

Рабочая точка БТ формируется одновременно в системе координат входных и выходных ВАХ, и для обоих случаев установки рабочей точки и являются величинами, которые задаются значениями , . Разница состоит лишь в выборе управляющей величины: в схеме с фиксацией напряжения на базе выбирается внешнее напряжение смещения , равное значению , при котором в соответствии с входной ВАХ БТ ток через база-эмиттерный переход БТ будет равен , в схеме с фиксацией тока базы ток источника тока сразу выбирается равным , тем самым автоматически, опять же в соответствии с входной ВАХ, обеспечивая установку необходимого . Оба способа установки рабочей точки по постоянному току являются практически идентичными, так как , с соответствующим ему значением , или, наоборот, , с соответствующим ему значением , это одна точка на входной ВАХ БТ, но при этом оба способа смещения Б-Э перехода весьма различно влияют на свойства каскадов усиления по переменному току и, особенно, на их термостабильность. Однако на практике в ряде ограниченных случаев, например в узком температурном диапазоне, применение их вполне допустимо.

Разновидности схем установки рабочей точки с фиксированным напряжением на базе представлены на рис. 17, 18. На схемах клеммами «вх», «вых» обозначены места для подключения к источнику сигнала и к нагрузке.

Для схемы на рис. 17 источник базового смещения (как правило, напряжение меньше, чем напряжение ) отделен от базового перехода БТ сопротивлением , которое служит для развязки источника сигнала по переменному току от низкоомного сопротивления источника смещения и задания величины постоянного тока базы в его рабочей точке. Недостаток схемы формирования напряжения базового смещения на рис. 17 – в наличии дополнительного источника напряжения .

В схеме на рис. 18 роль дополнительного источника смещения выполняет источник питания , с помощью которого и делителя напряжения , к базе транзистора прикладывается необходимое для открывания перехода Б-Э напряжение.

Схема на рис. 19 устанавливает рабочую точку транзистора с помощью стабильного базового тока. Идеальный источник тока в схеме на рис. 16 заменен в схеме на рис. 19 высокомным сопротивлением , подключенным к источнику питания . Напряжение по сравнению с напряжением питания мало, следовательно, ток базы задается сопротивлением в соответствии с законом Ома . Так как базовый ток мал, то сопротивление достаточно велико, что соответствует свойству идеального источника тока – обладать высоким внутренним сопротивлением.

Сравнение схем подачи базового смещения со стабилизацией напряжения на базе и схемы подачи стабильного тока базы показывает, что сопротивление в схеме на рис. 19 много меньше шунтирует источник сигнала по переменному току, чем сопротивление в схеме на рис. 17 или сопротивление делителя напряжения в схеме на рис. 18. Отрицательным свойством малого шунтирующего действия резистора на переход Б-Э в схеме на рис. 19, по сравнению со схемами на рис. 17, 18, является слабое рассасывание зарядов из базы транзистора при резких фронтах входного сигнала, в результате чего переход транзистора из открытого состояния в закрытое происходит медленно.

Все схемы формирования базового смещения транзистора в силу разброса свойств БТ, таких как зависимость прямого падения напряжения на переходе Б-Э от температуры для схем на рис. 17, 18, зависимость коэффициента усиления по току БТ от температуры в схеме на рис. 19, технологического разброса коэффициента усиления по току БТ, достаточно требовательны к точному выбору значения сопротивления , которое часто во всех рассмотренных схемах делают регулируемым или подстроечным.

Устранение влияния дестабилизирующих факторов на режим работы БТ по постоянному току достигают использованием цепей отрицательной обратной связи (ООС). Упрощенно принцип обратной связи состоит в том, что часть полезного сигнала с выхода схемы поступает обратно на ее вход, причем для отрицательной обратной связи характерно уменьшение (компенсация) входного сигнала под воздействием выходного сигнала, поэтому она и называется отрицательной. С точки зрения стабилизации рабочей точки БТ принцип ООС следует понимать так, что доля выходного напряжения или тока (а для БТ выходной цепью является цепь коллектор-эмиттер, и, следовательно, выходным сигналом должны являться параметры выходной цепи – ток коллектора или эмиттера, или напряжения на коллекторе или эмиттере БТ) должна поступать обратно во входную, базовую цепь БТ и воздействовать на напряжение или ток в базовой цепи противофазно дестабилизирующим факторам с целью уменьшения их влияния на режим БТ по постоянному току.

Наиболее распространена схема установки рабочей точки БТ с ООС по току (рис. 20). Другое ее название – схема с фиксированным напряжением на базе и эмиттерной стабилизацией. Она является универсальной схемой установки рабочей точки БТ для любого варианта включения транзистора по переменному току.

Напряжение (рис. 20) на базе транзистора VT1 зафиксировано делителем напряжения R1, R2. Ток эмиттера в соответствии с законом Ома вызывает падение напряжения на эмиттерном сопротивлении R4. Любое изменение или под действием дестабилизирующих факторов вызывает соответствующее изменение и, следовательно, изменение падения напряжения . Так как напряжение перехода в соответствии с законом Кирхгофа, а зафиксировано, то изменение падения напряжения на эмиттерном сопротивлении R4 обязательно приведет к изменению напряжения , причем противофазно изменению напряжения на R4. Например, в случае даже незначительного увеличения произойдет значительное увеличение в силу усилительных свойств БТ, и, следовательно, напряжение на Б-Э переходе уменьшится, что в свою очередь скомпенсирует увеличение , осуществив таким образом стабилизацию рабочей точки транзистора VT1.

Схема на рис. 21 иллюстрирует метод установки рабочей точки с использованием ООС по напряжению. Цель подключения сопротивления R1, задающего , к коллектору VT1, получить независимость режима работы БТ по постоянному току от свойств самого БТ (технологического разброса коэффициента передачи по току), а также устранение влияния на БТ дестабилизирующих факторов в виде изменения напряжения питания или температуры. Стабилизирующее действие ООС основано на компенсации возможного изменения с помощью выходного напряжения , меняющего противофазно . В случае увеличения (уменьшения) ток коллектора VT1 увеличивается (уменьшается), напряжение уменьшается (увеличивается) и, следовательно, ток базы уменьшается (увеличивается).

Общий подход к расчету режима БТ по постоянному току для схем (рис. 17…21), работающих в активном (линейном) режиме примерно одинаков, хотя имеет различия, относящиеся к выбору элементов стабилизации рабочей точки БТ в базовой цепи транзистора.

Порядок расчета элементов схемы для установки рабочей точки БТ, работающего в линейном режиме (рис. 17…21), следующий.

1. Выбираем тип БТ самостоятельно или используем конкретный тип БТ, определенный техническим заданием

Перед началом расчета следует определиться с типом транзистора. Для предварительных усилителей, работающих, как правило, в слаботочном режиме, если нет каких-либо специфических требований, например повышенного напряжения питания, низкоомного сопротивления нагрузки, большой амплитуды переменной составляющей тока или напряжения на выходе усилителя, следует выбирать транзистор, относящийся к классу маломощных, наиболее дешевых, с предельной постоянной рассеиваемой мощностью коллектора БТ до (100…250) мВт.

Учет частотных свойств БТ осуществляется обычно на этапе расчета свойств усилительного каскада по переменному току, предварительный выбор транзистора (низкочастотный, высокочастотный или сверхвысокочастотный) может быть осуществлен по планируемому частотному диапазону усилительного устройства. Однако следует знать, что использование более высокочастотных типов транзисторов в низкочастотных цепях нежелательно, так как они дороги, склонны к самовозбуждению и обладают меньшими эксплуатационными запасами.

2. Задаем постоянный ток коллектора БТ

Так как в апаратуре БТ может быть использован в широком диапазоне токов и напряжений, то ограничением на их выбор служат значения предельно допус­тимых режимов, превышение которых в условиях эксплуатации не допускается независимо от длительности импульсов напряжения или тока. Поэтому при при­менении БТ необходимо обеспечить их защиту от мгновенных изменений токов и напряжений, возникающих при переходных процесах, мгновенных изменениях питающих напряжений. Не допускается также работа БТ в совмещенных предель­ных режимах (например, по напряжению и току). Для повышения надежности БТ при эксплуатации следует выбирать рабочие режимы БТ ( , , постоянную рассеиваемую мощность коллектора) меньше, чем их предельно допустимые ве­личины в (1,2…1,4) раза. При запасе в (1,6…2) раза надежность работы транзи­стора высока и практически не зависит от режима его работы.

Существует несколько критериев выбора .

· Наиболее прост способ, не требующий оптимизации режима работы БТ под определенные свойства. Задаем , равный приведенному в справочниках [6,7] типовому режиму измерения параметров БТ, например, справочный , соответствующий режиму измерения статического коэффициента передачи тока или режиму измерения модуля коэффициента передачи тока на высокой частоте.

· В случае необходимости, чтобы транзистор имел максимальный коэффициент передачи тока (например, если требуется получить максимальное входное сопротивление усилителя по переменному току) следует воспользоваться типовой справочной зависимостью от тока или (рис. 22). Ток коллектора выбирается равным значению при максимальной величине .

· Для расширения полосы пропускания усилителя в область высших частот в случае его широкополостного применения необходимо воспользоваться справочной зависимостью граничной частоты БТ от тока коллектора. Ток коллектора выбирается соответствующим максимальному значению граничной частоты БТ.

· При построении малошумящих входных усилителей основой для выбора тока коллектора является справочная зависимость коэфициента шума БТ от тока коллетора. Ток коллектора следует выбирать по минимуму коэффициента шума.

· Во всех случаях, если известна амплитуда переменной составляющей тока на выходе усилительного каскада (например, по техническому заданию или величине выходной мощности на заданной нагрузке), то значение постоянной составляющей тока коллектора должно быть не меньше, чем амплитудное значение переменной составляющей тока в нагрузке.

Уменьшать ток коллектора БТ ниже значений, указанных в критериях вы­бора, нецелесообразно, если нет особых требований по минимизации потребления схемы усилителя, или, если не выбран тип БТ, специально разработанный для ра­боты с малыми токами. При малых рабочих токах у обычного БТ снижатся устой­чивость работы в диапазоне температур и появляется нестабильность параметров усиления во времени.

3. Задаем постоянное напряжение БТ

· Критерий выбора − такое положение рабочей точки А БТ на семействе выходных ВАХ, при котором получается максимально возможная амплитуда переменной составляющей на выходе усилительного каскада.

Так как возможное изменение по­ложения точки А при ее движении под действием входного сигнала по нагру­зочной прямой ВС на графиках выход­ных ВАХ (рис. 23) ограничено с одной стороны потенциалом земли − точкой В (режим насыщения), а с другой стороны – потенциалом источника питания − точкой С (режим отсечки), то целесооб­разно выбирать для исходного положе­ния рабочей точки напряжение , равное приблизительно половине напряже­ния питания .

Обеспечить следует выбором величины сопротивления в кол­лекторной цепи транзистора. Так как БТ в линейном режиме является источ­ником тока, то значение на переходе К-Э должно устанавливаться принуди­тельно, в частности для схем на рис. 17, 18, 19, 21 падением напряжения на коллекторном сопротивлении . В соответствии с законом Кирхгофа . Следовательно, , отсюда , а так как , то

(рис. 17, 18, 19, 21). (14)

Для схемы на рис. 20 закон Кирхгофа для коллекторной цепи записывается как , где − падение напряжения на эмиттерном сопротив­лении, − падение напряжения на коллекторном сопротивлении. Для работы цепи ООС и термостабилизации режима по постоянному току минималь­ное падение напряжения на эмиттерном резисторе устанавливается [9]. Определяем по закону Ома для участка цепи величину , считая :

С увеличением увеличивается термостабильность схемы. Но чем больше , тем меньшая доля напряжения источника питания будет приходиться на пере­ход К-Э: , тем возможно меньший размах переменной составляющей может быть получен на выходе схемы. Максимальный размах пе­ременной составляющей возможен при , то есть при равномерном рас­пределении напряжения между переходом К-Э и коллекторным сопротивлением R3. Отсюда следует, что

4. Определяем в рабочей точке постоянный ток базы БТ

· По положению рабочей точки на семействе выходных ВАХ (рис. 23). Ток базы, например, для варианта установки рабочей точки А на рис. 23 должен равняться значению тока соответствующих ветвей ВАХ, на которых находится точка А − или , или, что, для конкретного примера точнее: − их усредненному значению.

· По заданному в рабочей точке току коллектора

В справочниках [7, 8] приводятся, как правило, или типовые (усредненные) зависимости параметров БТ, или значения параметров одного и того же БТ в не­котором интервале, ограниченном минимальным или максимальным значением. Поэтому коэффициент передачи тока БТ определяется как

· среднегеометрическое значение интервала ,

· графически по справочной зависимости от тока коллектора для выбранного типа транзистора при заданном (рис. 22).

5. Задаем в рабочей точке постоянное напряжение БТ

· Наиболее простой и часто используемый способ, считать для кремниевых БТ, работающих в линейном режиме

· для германиевых БТ

Причина этому – большая скорость нарастания тока базы от напряжения на входных ВАХ БТ в зависимости . При аппроксимации кривой двумя отрезками прямых линий получается, что при увеличении до значения у кремниевых БТ ток базы практически равен нулю, а дальнейшее увеличение , даже в десятых долях вольта приводит к рез­кому увеличению тока базы по всему диапазону его изменения.

· Другой, более точный способ − определение графически по семейству входных ВАХ выбранного типа БТ. Значение в рабочей точке наносится на ось входной ВАХ и затем через график зависимости при заданном проецируется на ось , где и находится значение в рабочей точке.

Понятие рабочей точки. Основные способы подачи смещения во входные цепи транзисторов

Для нормальной работы усилительного каскада необходимо выбрать и задать для транзистора в усилительном каскаде определенный режим работы по постоянному току, который определяется значениями постоянного тока I_к0 и напряжения U_кэ0. Току I_к0 соответствуют определенные значения I_б0 и U_бэ0. Параметры I_к0, I_б0 и U_бэ0 задают на вольт-амперных характеристиках транзистора точку, которая называется рабочей точкой или точкой покоя.

В транзисторах резисторных каскадов предварительного усиления между входными электродами (базой — эмиттером (коллектором) или затвором -истоком (стоком)) подают небольшое постоянное напряжение – напряжение смещения. Его величина составляет для германиевых транзисторов (0,1 ¸ 0,5) В, для кремниевых – (0,2 ¸ 1,0) В.

В приведенной ранее на рис.1 схеме усилительного каскада используются два источника постоянного напряжения, это неудобно с конструктивной точки зрения. Более практичны схемы с одним источником питания. Напряжение смещения обычно подается от того же источника, от которого питается и выходная цепь транзистора. Существуют два основных способа подачи смещения: фиксированным током и фиксированным напряжением.

Подача смещения фиксированным током базы

Простейшая схема усилителя с ОЭ, называемая схемой с фиксированным током базы (рис.3а), содержит всего три пассивных элемента: , , .

С резистора снимается усиленное выходное напряжение, резистор служит для создания смещения на базе транзистора (для создания необходимого напряжения между базой и эмиттером), а конденсатор (разделительный) вводят в схему для предотвращения падения постоянного напряжения из внешних цепей на базу транзистора. В отсутствии сигнала:

В связи с тем, что ток базы очень резко возрастает, при увеличении напряжения в любом транзисторе (рис.3б), можно принять, что для германиевых транзисторов , для кремниевых , а для арсенидгаллиевых .

На практике вместо выражения (1) часто пользуются более простым соотношением:

т.е, при фиксированном напряжении питания Е_к и конкретном значении R_б ток базы имеет фиксированное значение.

Работа реальной схемы с фиксированным током базы оказывается неудовлетворительной из-за нестабильного положения рабочей точки транзистора. Главными причинами, влияющими на положение рабочей точки, являются изменения температуры окружающей среды, вызывающее изменения напряжения U_бэ0, теплового тока коллекторного перехода I_т.п. (I_к0 = I_б0 h_21э + I_т.п., где (h_21э — статический коэффициент усиления по току транзистора в схеме с общим эмиттером)и самого h_21э. При изменении температуры от -40 до +40 0 С напряжение коллектора и коллекторный ток изменяются примерно в 1,4…1,5 раза. Лучшую стабильность рабочей точки обеспечивает схема подачи смещения фиксированным напряжением база-эмиттер.

Подача смещения фиксированным напряжением база-эмиттер

Напряжение смещение подается через делитель R1 – R2 (рис. 4).

R2 выбирается по величине гораздо меньшим, чем входное сопротивление транзистора, так что ток I_д, протекающий через R2 невелик (I_д = (5 ÷10) I_б0 для каскадов предварительного усиления, I_д = (1 ÷ 5) I_б0 – для мощных оконечных каскадов). Это позволяет записать