Статический режим транзисторных усилительных каскадов (стр. 1 из 3)
Активный компонент усилителя (транзистор, операционный усилитель, электронная лампа) для выполнения той или иной функции должен иметь вполне определённые координаты статического режима: напряжения на электродах, токи через выводы. Здесь мы будем анализировать работу активных компонентов только в линейном режиме. Координаты статического режима будут задаваться с помощью резисторов, стабилитронов, диодов, источников ЭДС или тока, подключаемых к выводам активных компонентов; эти элементы будем называть цепями смещения.
Параметры элементов цепей смещения должны быть определены на основе расчёта, который выполняется, как правило, на основе решения системы уравнений, составленной на основе первого и второго правил Кирхгофа.
Так, для схемы, приведённой на рисунке 1, справедлива следующая система уравнений:
где UБ – потенциал базы транзистора; IK, IЭ – токи коллектора и эмиттера транзистора соответственно; UКБ, UБЭ – разность потенциалов между соответствующими электродами.
Рис. 1. Схема установления статического режима биполярного транзистора
Второе уравнение системы (1) можно упростить, если выполняется условие: IБ << UБ /RБ2,которое, по сути, означает, что ток базы пренебрежимо мал по сравнению с током делителя RБ1, RБ2; поэтому первым слагаемым в правой части второго уравнения системы (1) можно пренебречь.
Для современных кремниевых транзисторов малой и средней мощности можно считать, что в активном режиме UБЭ» 0,6¸0,7 В, а остальные параметры – любой ток или напряжение, сопротивления резисторов – могут быть неизвестными. На практике чаще всего встречаются три основных ситуации.
1. Полностью отсутствует или имеется минимальная исходная информация о координатах статического режима транзистора. Требуется осуществить параметрический синтез схемы – рассчитать параметры цепи смещения. Поскольку в этом случае система уравнений (1) содержит только неизвестные величины, допустимо множество её решений. В этом случае необходимо задаться некоторыми параметрами элементов цепи смещения и, руководствуясь инженерными соображениями, выбрать разумные координаты статического режима транзистора.
Во-первых, определяют положение рабочей точки (РТ) на входной и выходной характеристиках транзистора (рис. 2). Необходимо, чтобы РТ (рис. 2а) лежала ниже кривой I =f(PК.МАКС ) – так называемой кривой равной мощности; таким образом гарантируется отсутствие превышения предельных эксплуатационных параметров транзистора. Для этого необходимо провести нагрузочную прямую, пересекающую оси координат в точках ЕП и ЕП/RК так, чтобы она полностью лежала ниже кривой равной мощности, и на ней выбрать положение РТ. По сути, нагрузочная прямая показывает возможные координаты рабочей точки при выбранном резисторе RК и напряжении ЕП при изменении сопротивления промежутка коллектор-эмиттер транзистора от нуля до бесконечности, то есть от режима насыщения до режима отсечки.
Во-вторых, для маломощных транзисторов рекомендуется устанавливать типовые значения параметров токов и напряжений, входящих в систему (1.1): IК» 1 мА; напряжение питания ЕП– из стандартного ряда – 3; 4,5; 5; 6,3; 9; 15 [B] и т.д. Напряжение коллектор-эмиттер можно выбирать из условия:
UКЭ» (EП – IЭRЭ ) /2.
Рис. 2. Выходные а) и входная б) характеристики биполярного транзистора
В этом случае можно обеспечить максимально возможную неискажённую амплитуду сигнала на выходе усилителя в схеме с общим эмиттером или с общей базой. Если предполагается, что амплитуда сигнала на выходе усилителя будет мала (несколько десятков – сотен милливольт), статическое напряжение коллектор-эмиттер должно выбираться из условия обеспечения активного режима работы транзистора (переход коллектор-база смещён в обратном направлении).
2. Существует некоторая исходная информация: часть координат статического режима задана, определены номиналы некоторых резисторов. Естественно, расчёт ведётся с учётом заданных параметров, а остальные неизвестные в системе (1) выбираются из тех же соображений, что и в первом случае. При этом, возможно, придётся использовать несколько итераций для получения рациональных значений неизвестных величин.
3. Номиналы цепей смещения заданы, необходимо определить координаты статического режима. В этом случае находят в справочнике необходимую информацию о параметрах транзистора и проводят анализ.
На практике в различной РЭА применяется довольно большое количество схем установления статического режима. Всем им присущи определённые достоинства и некоторые недостатки. Наиболее распространённые схемы задания статического режима биполярных транзисторов приведены на рисунке 3, полевых транзисторов – на рисунке 4.
В качестве примера проведём расчёт статического режима схем рисунка 3. Используя приведённую методику, читатель может самостоятельно, в качестве упражнения, рассчитать параметры элементов остальных схем при некоторых заданных условиях, а затем проверить результат расчёта в процессе моделирования.
При осуществлении параметрического синтеза схемы очень часто возникает необходимость поиска компромисса при выполнении иногда противоречивых условий. С одной стороны, цепи смещения потребляют ток, не совершающий полезной работы, что снижает КПД устройства, зачастую и входное сопротивление схемы. С другой – уменьшение токов в цепях смещения, как правило, увеличивает температурную нестабильность схемы из-за того, что температурно-зависимые напряжения и токи транзистора оказываются соизмеримы с токами и напряжениями цепей смещения.
Так, для схемы рисунка 3а уравнение для задания статического режима выглядит следующим образом:
, (2)где b – коэффициент усиления тока базы транзистора VT1.
Такая схема задания статического режима (рис. 3а) подкупает простотой, но наиболее существенный её недостаток – зависимость режима от b транзистора. Наличие отрицательной обратной связи с коллектора на базу через резистор RБ несколько уменьшает нестабильность режима, в том числе и от изменения температуры. Действительно, если по какой-либо причине ток коллектора начинает увеличиваться, растёт падение напряжения на резисторе RК, снижается потенциал коллектора, уменьшается ток через резистор RБ, то есть ток базы, что приводит в уменьшению тока коллектора; таким образом осуществляется в некоторой степени стабилизация режима по постоянному току. Провести анализ стабильности режима схемы по постоянному току при воздействии температуры – достаточно сложная и громоздкая процедура. Температурные зависимости b, напряжения UБЭ, обратного тока коллектора IКБ.0 влияют на стабильность режима достаточно сложным образом, но, как правило, с ростом температуры ток коллектора возрастает. Все эти явления легко исследовать в процессе моделирования. (В конце раздела будут приведены контрольные вопросы, касающиеся температурной стабильности статического режима, правильность ответа на которые легко проверить, опираясь на результаты моделирования.)
Рис. 3. Способы задания статического режима
Гораздо лучшими характеристиками стабильности статического режима обладает схема рисунка 3г. Расчёт статического режима такой схемы удобно проводить в предположении, что коэффициент усиления тока базы b >>1, то есть ток делителя IД, протекающий через резисторы R1 и R2, много больше тока базы транзистора. Задавшись ЕП= 9 В, UЭ = 1 В, IК = 1 мА, UК = 4,5 В, UБЭ = 0,7 В, IК»IЭ, b =65, из системы уравнений (2) определим недостающие номиналы элементов:
Выбрав сопротивление резистора R2=6,5кОм,находим, что R1»10кОм, RK =3,2кОм (при токе делителя IД»0,26 мА).
Интересную возможность предоставляет программа схемотехнического моделирования для сопоставления характеристик двух и более схем. Если создать входной файл одновременно для нескольких схем, подключив их к одному источнику питания, и глобальными узлами сделать шины питания и общую шину, легко на одном графике увидеть результаты моделирования той и другой схемы.
Для иллюстрации результатов моделирования в качестве транзистора использован КТ316В (модель в Spice-библиотеке имеет имя Q2T316B).
Для расчёта статического режима можно использовать директиву "BiasPointDetail". Тогда результаты в виде таблицы будут помещены в выходной файл ExamineOutput меню Analysis и координаты статического режима – токами в ветвях или напряжения в узлах можно увидеть на графике схемы при нажатии пиктограммы
или 
в графическом редакторе Schematics (см. разд. 10). Можно также задать вариацию напряжения источника питания ЕП в пределах ± 10 % и увидеть результаты при использовании постграфического процессора Probe. Температурные исследования схем можно провести с помощью вложенных циклов по директиве "DCSweep", но лучше, для большей наглядности, провести моделирование дважды – для вариации напряжения питания и для вариации температуры.