Что такое рабочая точка усилительного каскада

Режимы работы активных элементов усилительного каскада

Р ежим работы активного элемента усилительного каскада характеризуется: а) его рабочей точкой (РТ); б) уровнем (величиной) входного сигнала; в) наличием нагрузки в выходной цепи.

Рабочая точка – это совокупность постоянных напряжений и токов на выводах активного элемента при отсутствии сигнала на входе. Для биполярного транзистора рабочая точка в схеме ОЭ определяется четырьмя величинами: I 0 _Б, U 0 _БЭ, I 0 _К, U 0 _КЭ. Эти величины взаимосвязаны и поэтому достаточно задавать лишь две из них.

В зависимости от уровня входного сигнала различают два режима работы.

1. Режим малого входного сигнала, когда выполняется условие . В таком режиме рабочую точку выбирают из условия, когда . Чаще всего за рабочую точку принимают режим рекомендованный в справочниках для измерений параметров биполярного транзистора.

2. Режим большого входного сигнала, когда . Рабочую точку выбирают по ВАХ транзистора исходя из получения , . Положение рабочей точки определяют по графикам входных и выходных ВАХ.

В зависимости от положения рабочей точки различают следующие классы режимов работы активных элементов: A, В, AB, С, D.

1 ). Режим класса А. Рабочая точка выбирается на середине линейного участка ВАХ (точка А) и при воздействии входного сигнала ее положение остается в пределах этого линейного участка (участок АВ–F). Здесь КНИ минимален, но максимальное значение КПД не превышает 25%.

2). Режим класса В. Рабочая точка выбирается при напряжении, когда выходной ток практически обращается в ноль. В этом режиме усиливается только одна полуволна входного напряжения (положительная или отрицательная), КПД – максимальный, но КНИ достигает 70%. Этот режим применяется в двухтактных усилителях мощности, которые позволяют кардинально снизить КНИ.

3). Режим класса АВ. Рабочая точка выбирается на начале линейного участка, что несколько уменьшает КНИ.

4). Режим класса С. Рабочая точка выбирается при U 0 _БЭ U_{БЭ ПОР}. Ток в выходной цепи протекает на интервале меньшем половины периода изменения напряжения входного сигнала.

5). Режим класса Д. Биполярный транзистор работает не в усилительном, а в ключевом режиме и под действием входного сигнала находится в одном из двух состояний: насыщения или отсечки.

Транзистор в режиме усиления малого сигнала.

П ри использовании транзистора в качестве усилителя в его выходную цепь включается нагрузка, сопротивление которой будем для простоты считать чисто активным. На рис.8.9 усилитель на транзисторе изображен в обобщенном виде как четырехполюсник: в выходную цепь включено сопротивление нагрузки R_н; во входной цепи действует источник сигнала, создающий переменное напряжение, , которое должно быть усилено.

Т ри возможные схемы включения транзистора в качестве усилителя представлены на рис.8.10. В схемах с ОБ и с ОЭ сопротивление нагрузки R_н включено в коллекторную цепь последовательно с источником коллекторного напряжения , в схеме с ОК нагрузка включена в цепь эмиттера. Во входные цепи включены источники усиливаемого напряжения и напряжения смещения , (ОБ) или (ОЭ, ОК), позволяющие установить рабочую точку на практически линейном участке характеристики, где искажения при усилении минимальны.

Нагрузочные характеристики транзистора.

Х арактеристики транзистора при наличии нагрузки называются нагрузочными характеристиками. Они имеют иной вид, чем статические характеристики, так как в данном режиме выходное напряжение не остаётся постоянным. Напряжение коллектора при наличии сопротивления R_Н в его цепи и ток коллектора I_К связаны соотношением (8.2).

Это выражение, являющееся уравнением прямой, и представляет собой выходную нагрузочную характеристику транзистора. Эта прямая пересекает оси координат в точках при U_к=0 и при . Нагрузочная характеристика строится на семействе выходных статических характеристик транзистора (рис.8.11).

Для получения входной нагрузочной характеристики транзистора перенесем на семейство входных статических характеристик точки А,B,С полученной нами выходной нагрузочной характеристики. Соединяя эти точки плавной кривой (рис.8.12), получим требуемую характеристику.

В схеме ОЭ входные статические характеристики в активном режиме практически сливаются и в справочниках обычно приводится лишь одна характеристика для достаточно большого напряжения U_КЭ, и ее можно принять в качестве входной нагрузочной характеристики.

По построенным нагрузочным характеристикам можно произвести расчет режима усиления: выбрать область неискаженного усиления, определить напряжение или ток смещения, допустимую амплитуду сигнала, входную и выходную мощность, коэффициент усиления по току, напряжению и мощности.

Связь коэффициентов усиления с h-параметрами.

В нагруженном режиме к уравнениям, связывающим приращения токов и напряжений, добавляется еще одно, связывающее приращение выходного тока и напряжения согласно нагрузочной характеристике:

Три уравнения связывают четыре переменные, таким образом, только одна из них является независимой. Исключая из этих уравнений те или другие величины, получаем

Обычно при включении с ОБ и ОЭ

h₁₁/R_Н>>h₁₂h₂₁, (8.6)

Усилительные свойства транзистора при различных способах включения.

Недостатком схемы с ОБ является низкое входное сопротивление, затрудняющее согласования ступеней усиления.

Благодаря более высокому входному сопротивлению и более высокому усилению по мощности схема с ОЭ получила на практике самое широкое распространение.

В схеме с ОК на эмиттерном переходе действует напряжение , равное разности между входным и выходным напряжениями. Поэтому коэффициент усиления по напряжению схемы с ОК всегда меньше единицы.

Схему с ОК называют эмиттерным повторителем. В схеме такого каскада возникает 100% последовательно-параллельная отрицательная обратная связь. Благодаря этому эмитерный повторитель имеет следующие параметры:

1)R_вх — высокое 4)K_I>1

2 )R_вых -малое 5)K_p=K_UK_J>1

Схема с ОК отличается высоким входным и низким выходным сопротивлением. Эта схема применяется в основном для согласования источника сигнала с большим выходным сопротивлением с нагрузкой, имеющим малое сопротивление, при обеспечении усиления по току.

Основные способы задания рабочей точки на входных ВАХ БТ.

На рис.8.10 для задания рабочего режима входной и выходной цепей используется два источника питания. На практике обычно применяется один источник питания – E_к, а режим по постоянному току входной цепи осуществляется схемным путем. На рис.8.13 приведены некоторые способы задания рабочей точки при включении по схеме с общим эмиттером. Разделительные конденсаторы С₁, С₂, С_Э выбираются с достаточно большой емкостью, их сопротивлением в рабочей области частот можно пренебречь.

Простейшая схема приведена на рис.8.13а. Эта схема с фиксированным током базы, она называется также схемой со стабилизацией тока базы, т.к. при достаточно большом E_К (E_К>>U_БЭ) I 0 _Б не меняется при изменении U_БЭ вследствие изменения температуры.

Параметры выбранной рабочей точки входной и выходной цепей могут изменяться при изменении температуры в результате изменения токов I 0 _Э и I 0 _К вследствие изменения токов I_КБО (ОБ) , I_КЭО (ОЭ). Для оценки влияния изменения тока I_КБО (I_КЭО) на ток коллектора I_К используют параметр К_нест – коэффициент нестабильности, определяемый как

К_нест = dI_К /dI_КБО

Простейшая схема не обеспечивает стабильности коллекторного тока при изменении температуры, коэффициент нестабильности велик:

К_нест = dI_К / dI_КБО = 1/(1+h_21Б)=+1

В схеме выбора и стабилизации рабочей точки с резистором между базой и коллектором (рис.8.13б) реализована параллельно-параллельная ООС, что позволяет снизить коэффициент нестабильности в [1+h_21Э(R_К + R_Б)] раз относительно схемы рис.18а:

К_нест = (1 + h_21Э)/(1 + h_21Э(R_К + R_Б)).

Однако данная схема приводит к появлению обратной связи по напряжению не только по постоянной, но и по переменной составляющей, а также к снижению входного сопротивления транзистора. Для исключения этих недостатков сопротивление R_Б разбивают на две части и заземляют среднюю точку через конденсатор

Для стабилизации рабочей точки транзистора наиболее часто применяют схему с делителем напряжения на базе и резистором в цепи эмиттера, показанную на рис.8.13в. Сопротивления R₁, R₂ выбираются достаточно малыми, чтобы ток, проходящий через них, во много раз превышал ток базы I 0 _Б, (обычно I_д=(5 10)I 0 _Б). В этом случае потенциал базы относительно земли почти не зависит от тока базы. В то же время сопротивления R₁, R₂ должны быть значительно больше, чем входное сопротивление транзистора по переменному току. В цепь эмиттера включен резистор R_Э, обеспечивающий отрицательную последовательно-последовательную обратную связь по постоянному току. Увеличение тока коллектора (эмиттера) вызывает уменьшение разности потенциалов U_БЭ, что приводит уменьшению тока базы I 0 _Б и, соответственно, к уменьшению тока эмиттера I 0 _Э и коллектора I 0 _К.

Эта схема при правильном выборе параметров обеспечивает высокую стабильность рабочей точки и выходных характеристик с изменением температуры; стабильность режима при замене одного транзистора другим.

*Анализ схемы приводит к следующему выражению для коэффициента нестабильности

При правильно спроектированной схеме величина R_Эh_21Э/(R_Э+R₁)>>1, тогда К_нест=1+R₁/R_Э Обычно сопротивления R₁, R₂ берут в несколько раз больше, чем входное сопротивление транзистора по переменному току.

8.4.2 Выбор рабочей точки и графический анализ

В отличие от аналогичного резистивного каскада режим работы транзистора по постоянному и переменному токам здесь определяется различными сопротивлениями в выходной цепи. Режим постоянного тока (рабочая точка) определяются сопротивлением и сопротивлением контура по постоянному току, т.е. сопротивлением r_к . Линия нагрузки по постоянному току (ЛН₌) определяется выражением

На рис.2 показано построение ЛН₌ на выходные ВАХ транзистора. Пунктиром показана линия нагрузки для резистивного каскада с сопротивлением в коллекторной цепи, равным . Обычно r_к достаточно мало, по крайней мере r_к к . Поэтому ЛН₌ для резонансного каскада в данной области ВАХ идет почти вертикально.

Если сопротивление контура на резонансной частоте выбрать равным , то рабочую точку транзистора в резонансном каскаде можно выбрать так:

Для переменных токов и напряжений мгновенные значения на частоте сигнала, равной резонансной частоте контура, будут связаны соотношением

определяющим линию нагрузки ЛН_~ на заданной частоте. На рис.2 ЛН_~ проходит через рабочую точку. Ее наклон определяется величиной сопротивления контура на частоте входного сигнала. Ясно, что на резонансной частоте отклонение от вертикали ЛН_~ будет максимальным, т.к. сопротивление контура на резонансной частоте самое большое. Если частота сигнала будет изменяться вправо или влево от резонансной, то в соответствии с изменением частоты модуль сопротивления контура будет уменьшаться:

ЛН_~ будет поворачиваться вокруг рабочей точки, в пределе ( w = 0 и w = ) совмещаясь с ЛН₌. Таким образом, при изменении частоты сигнала амплитуда выходного сигнала уменьшается от максимальной на резонансной частоте до нуля.

Для ориентировочного определения коэффициента передачи каскада на резонансной частоте, можно использовать ДПХ, построенную для

В резонансном каскаде амплитуда выходного напряжения может достигать величины , в то время, как в резистивном каскаде /2.

© Андреевская Т.М., РЭ, МГИЭМ, 2004

Способы стабилизации рабочей точки транзисторного каскада

Стабильность рабочей точки является одним из основных условий получения стабильных характеристик усилительного каскада . Поэтому при проектировании усилителя используют различные схемные решения, позволяющие снизить зависимость усилителя от колебаний обратного тока коллекторного перехода транзистора. Наиболее широко используется схема рис. 1.17.

С точки зрения стабильности рабочей точки желательно, чтобы изменение тока I_БП (рис. 1.15 ) слабо отражалось на напряжении U_БП. С этой целью в цепи базы устанавливается специальный делитель R₁ — R₂ , через который протекает ток делителя I_Д , величина которого выбирается из условия I_Д > I_БП. Чтобы исключить шунтирующее действие делителя на работу усилителя обычно выбирают I_Д (2 — 5) I_БП. Резисторы делителя рассчитываются как:

Рисунок 1.17 – Каскад с делителем в цепи базы

Сопротивление в цепи эмиттера R_Э обеспечивает отрицательную обратную связь по постоянному току, оказывая стабилизирующее действие на работу каскада. Увеличение падения напряжения на эмиттерном сопротивлении U_ЭП = I_ЭП R_Э I_КП R_Э приводит к увеличению напряжения обратной связи , а значит и к стабилизации каскада. Обычно оптимальным считается U_ЭП (0,1 — 0,3) ЕК, откуда:

Повысить стабильность рабочей точки можно получить за счет введения дополнительной цепи отрицательной обратной связи по напряжению, которая обеспечивается за счет связи коллектора с базой через резистор R₁ ( рис. 1.18). Коэффициент нестабильности зависит от соотношения R₁ + R₂ / R_К, причем S возрастает при увеличении этого соотношения. Оптимальным с точки зрения стабильности каскада можно считать его величину, равную единице. Однако при этом за счет низкоомного делителя снижается входное сопротивление усилителя.

Рисунок 1.18 – Каскад с дополнительной обратной связью

Рисунок 1.19 – Стабилизация каскада при помощи диода

Если в схеме рис. 1.19 падение напряжения на диоде U_VD примерно равно падению напряжения на смещенном в прямом направлении эмиттерном переходе U_БЭ, то за счет свойств р-n перехода диода при увеличении температуры потенциал базы будет снижаться 2 мВ/ оС. Ток эмиттера может быть найден как:

Если коэффициент усиления транзистора достаточно велик, то можно считать I_К I_Э. Тогда с учетом U_VD U_БЭ

т.е. при изменении температуры ток коллектора практически остается неизменным.

Несколько лучшие результаты можно получить при использовании схемы рис.1.20, где в цепи делителя транзистора VT₁ установлен транзистор VT₂ в диодном включении.

Транзистор VT₂ работает в линейном режиме и U_КЭ2 = U_БЭ2, в то же время базы обеих транзисторов находятся по одинаковым потенциалом, т.е. U_БЭ1 = U_БЭ2. Если транзисторы хорошо подобраны, то I_Б1 = I_Б2 = I_Б и I_K1 = I_K2 = I_Б. Ток делителя может быть найден как

I_D = I_K2 + I_Б2 + I_Б1 = I_Б + 2I_Б

Рисунок 1.20 – Стабилизация каскада при помощи транзистора

Для транзисторов с достаточно большим коэффициентом усиления ( >> 2) можно считать I_K I_D, т.е. изменение коллекторного тока транзистора VT₁ зависит только от изменения тока делителя и может считаться равным нулю.

Выбор способа стабилизации рабочей точки определяется конкретными требованиями, предъявляемыми к схеме усилителя.

3. Выбор рабочей точки транзистора в усилительном каскаде

Положение начальной рабочей точки определяется полярностью и значением напряжения смещения на электродах транзистора. Существует две основные схемы, которые позволяют осуществить подачу смещения от источников питания. Такие схемы называются схемами смещения фиксированным током или фиксированным напряжением. Основное назначение данных схем − сформировать постоянное смещение на эмиттерном переходе транзистора, которое определяется необходимым положением рабочей точки.

3.1 Схема смещения фиксированным током

В данной схеме (рис. 6) база транзистора VT1 соединена с плюсовой клеммой источника питания Е_К через резистор R_Б. В режиме покоя напряжение смещения на базе определяется выражениемU_ОБ = Е_К − I_ОБR_Б., где токI_ОБ определяют по входной статической характеристике транзистора, исходя из требуемого положения начальной рабочей точки, которая задаётся постоянными смещениямиU_ОБ иU_ОК. Для коллекторной цепи справедливо соотношениеU_ОК = Е_К−I_ОКR_К.

R_Б − «гасящее» сопротивление, которое определяется выражением.

Для приближенных расчетов U_ОБ можно убрать, т.к.U_ОБ К, тогда.

Отсюда следует, что при установленных Е_КиR_Б, ток базы равныйостанется тем же при замене транзистора или при изменении температуры.

3.2 Схема смещения фиксированным напряжением

В данной схеме формируется и фиксируется напряжение на базе транзистора VT1, которое создаётся делителем напряжения на резисторахR₁иR₂. Через указанные резисторы протекают токи делителяI₁ иI₂.

Для данной схемы справедливы выражения E_К=R₁I₁+R₂I₂иU_ОБ =R₂I₂, из которых определяются сопротивления делителя:и.

При расчетах схемы резисторы ивыбирают такими, чтобы токиипротекающие через них были в три – пять раз больше токаI_ОБ. В этом случае изменение тока базыI_ОБ не вызывает ощутимого изменения напряжения смещения на базеU_ОБ. Исходя из соотношения величин Е_К и U_ОБ, следует, чтовсегда значительно больше.

4. Стабилизация положения рабочей точки

Основные свойства усилительного каскада определяются положением начальной рабочей точки, которое задаёт ток покоя выходной цепи каскада. Поэтому при изменении температуры , замене транзистора положение начальной рабочей точки не должно изменяться. Если же активным элементом является биполярный транзистор, то изменение температурыили замена активного элемента могут повлиять на значение коэффициента усиления и значение теплового обратного тока. Для обеспечении стабильности параметров усилительного каскада при изменении температурыв режиме А используют схемы стабилизации положения рабочих точек.

4.1. Эмиттерная стабилизация (для схемы с фиксированным напряжением)

Стабилизация осуществляется введением в схему последовательной отрицательной обратной связи (ООС) по постоянному току. Для этого в схему усилительного каскада (рис. 7) в цепь эмиттера добавлен резистор R_Э (рис. 8). Обратная связь представляет собой процесс подачи выходного напряжения усилительного каскада на его вход. Это напряжение называют напряжением обратной связи U_ОС. При отрицательной обратной связи, напряжение обратной связи U_ОС подается на вход усилителя в противофазе к входному сигналу. Результирующий входной сигнал уменьшается, что в свою очередь приводит к уменьшению выходного сигнала. Это равносильно уменьшению коэффициента усиления каскада. Для оценки величины обратной связи используется коэффициент обратной связи β, который изменяется в пределах от 0 до − 1. Знак минус означает отрицательную обратную связь. Для положительной обратной связи β лежит в пределах от 0 до +1. Коэффициент β показывает, какая часть выходного напряжения подается с выхода на вход усилителя и определяется выражением β = U_ОС/U_ВЫХ.

В схеме эмиттерной стабилизации напряжение ООС (U_ООС) снимается с резистораR_Э. Напряжение смещения, приложенное к эмиттерному переходу транзистора VT1 определяется выражением, где R_ЭI_ОЭ=U_ООС. С увеличением окружающей температуры изменится ток покоя коллектора (за счет обратного тока в первую очередь), и, следовательно, ток покоя эмиттераI_ОЭ.

В этом случае рабочая точка на характеристике должна подняться вверх, но этого не происходит, т.к. с увеличением I_ОЭ увеличивается и падение напряжения наR_Э(U_ООС), следовательно, уменьшаетсяU_БЭ, что компенсирует рост тока через эмиттер, т.е. начальная рабочая точка останется на месте, происходит стабилизация положения рабочей точки.

Для исключения влияния отрицательной обратной связи по переменному току на коэффициент усиления, параллельно резистору R_Э включен конденсатор С_Э, который шунтирует точку эмиттера VT1. КонденсаторC_Эобеспечивает короткое замыкание переменной составляющей напряжения U_Э=U_ООCна общую шину. При отсутствии С_Э переменная составляющая эмиттерного токаi_Э, определяемая входным сигналом, создаёт на эмиттерном резисторе падение напряженияU_Э=R_Э i_Э, что снижает результирующее входное напряжение, которое определяется выражениемU_БЭ =U_ВХ −R_Э i_Э. Следовательно, уменьшается выходное напряжение каскада и его коэффициент усиления. Чтобы переменная составляющая на всех частотах усиливаемого напряжения не проходила через резистор, ёмкость конденсатора С_Э должна быть большой, при этом ёмкостное сопротивление конденсатора должно удовлетворять соотношению.

4.2. Коллекторная стабилизация (для схемы с фиксированным током)

В схеме усилительного каскада резистор смещения R_Ботсоединяется от шины питания и подключается непосредственно к коллектору транзистораVT1 (рис. 9). Если по каким либо причинам произойдет увеличение тока коллектора, то рабочая точка на выходных характеристиках должна перемещаться по нагрузочной линии вверх. Это вызовет возрастание падения напряжения на резисторе R_К, что приведет к уменьшению напряжения U_КЭ и соответственно к уменьшению U_КБ. Следовательно, уменьшится ток базы I_ОБ, который определяется выражением:

I_ОБ= .

А при уменьшении тока базы рабочая точка не будет перемещаться вверх, она останется на своем прежнем месте. Т.е. происходит стабилизация положения рабочей точки. В схеме усилительного каскада (рис. 9) с помощью R_Бреализована параллельная отрицательная обратная связь по постоянному току. Часть выходного

напряжения через резистор смещения R_Бпоступает на вход каскада (базу транзистораVT1) в противофазе с входным напряжением сигнала. Такая стабилизация рабочей точки получила название коллекторной.

Действие ООС можно рассмотреть по другому выражению, связывающему постоянные составляющие токов I_ОКи I_ОБ..

Т.к. напряжение U_БЭ мало, то можно допуститьR_Б I_ОБ Е_К −R_К(I_ОБ+I_ОК), откуда следует, что с повышением температуры и, следовательно, с увеличением тока коллектораI_ОК уменьшается произведениеR_БI_ОБ, т.е. уменьшается ток базыI_ОБ. Исходя из соотношения I_ОК ≈ βI_ОБ, где β коэффициент усиления транзистора включенного по схеме ОЭ, следует, что ток коллектораI_ОК также будет уменьшаться. Рабочая точка транзистора остается в расчетном месте, т.е. происходит стабилизация рабочей точки.