В статье авторы исследуют способы управления смещением транзисторов. Проанализированы преимущества и недостатки.
Ключевые слова: транзисторы, усилители, управление смещением.
Транзисторы в составе усилителей имеют широкое применение в электронике и используются для увеличения амплитуды электрических сигналов в различных устройства, таких как: аудиосистемы, телекоммуникации и усилители мощности. В конструкции усилителей одним из фундаментальных применений является способ эффективного смещения транзисторов. Поскольку оно существенно влияет как на линейность воспроизведения сигнала, так и на общую эффективность усилителя, данный способ является критическим аспектом конструкции усилителя.
Смещение относится к установлению стабильной рабочей точки для транзисторов или других активных устройств, в том числе и выходных каскадах усилителей. Это гарантирует, что транзисторы остаются в своей линейной активной области в течение большей части цикла входного сигнала, что позволяет обеспечить верное воспроизведение сигнала при минимизации искажения. Выбор метода смещения имеет решающее значение по нескольким причинам.
Используется несколько способов смещения, каждый из которых имеет свои преимущества и компромиссы:
- Фиксированное смещение. Оно включает в себя приложение постоянного напряжения или тока к базе транзистора или клемме затвора (Рис. 1).
Рис. 1. Схема с фиксированным смещением базы транзистора
Данный способ является самым простым среди представленных, расчета требует всего два компонента. Из-за того, что смещение транзистора задается током базы, ток коллектора прямо пропорционален β. Отсюда, положение рабочей точки будет изменяться если заменить транзистор, и при изменении температуры [1, c. 145].
- Смещение с резистором эмиттера (истока). Этот метод включает в себя подключение резистора последовательно с выводом эмиттера транзистора (или источника) (Рис. 2).
Рис. 2. Схема смещение резистора эмиттера (истока)
Представленная схема отличается способностью стабилизировать положение рабочей точки при изменении температуры и коэффициента β. Также, использование эмиттерного резистора вызывает обратную связь по переменному току, которая снижает коэффициент усиления транзистора по напряжению.
- Смещение обратной связи коллектора (стока). Оно использует сеть обратной связи для регулировки точки смещения на основе выходного напряжения, поддерживая стабильность в условиях изменяющейся нагрузки (Рис. 3).
Рис. 3. Схема смещения с обратной связью коллектора (стока)
Схема обладает возможностью стабилизации рабочей точки при изменении температуры, при замене транзистора (т. е. при изменении коэффициента β), а также позволяет стабилизировать рабочую точку при колебаниях напряжения питания. К недостаткам можно отнести, что слишком большое изменение β изменит рабочую точку, так же появляется отрицательная обратная связь по переменному току, снижающая коэффициент усиления транзистора [2, c. 54].
- Смещение с делителем напряжения: сеть делителей напряжения, которая устанавливает базовое (или затворное) напряжение транзистора. Способ обеспечивает хорошую стабильность и используется в усилителях класса А (Рис. 4).
Рис. 4. Схема смещения с делителем напряжения
В этой схеме делитель напряжения удерживает базовое напряжение фиксированным (независимо от базового тока), при условии, что ток делителя велик по сравнению с базовым током. Схема практически не зависит от изменения β, имеет стабилизацию при изменении температуры. Рассмотренная схема имеет недостаток — обратная связь по переменному току, вызванная эмиттерным резистором, снижает коэффициент усиления. Для этого используется конденсатор, устанавливаемый параллельно с эмиттерным резистором. В результате рабочая точка постоянного тока хорошо контролируется, но появляется дополнительный компонент, требующий расчета.
Выбор способа смещения, в конечном счете, зависит от конкретных потребностей схемы и компромиссов между простотой, стабильностью и эффективностью. Схема с делителем напряжения чаще всего используется по следующим причинам:
- Широкий диапазон транзисторов. Сопротивление смещения делителя может быть применено к различным типам транзисторов, включая как NPN, так и PNP транзисторы, без существенных модификаций. Эта универсальность делает его удобным выбором во многих схемах.
- Линейное усиление. Этот метод смещения часто используется в схемах линейных усилителей, потому что он поддерживает относительно постоянную точку смещения, позволяя транзистору обеспечивать линейное усиление в широком диапазоне амплитуд входного сигнала.
- Подходит для исполнений с низким энергопотреблением. Схема с делителем напряжения хорошо подходит для исполнений с низким энергопотреблением и низким уровнем шума, где простота и стабильность более критичны, чем эффективность [3, c. 168].
Литература:
- Муханин Л. Г. Схемотехника измерительных устройств: учебное пособие для вузов по напр. 200100. Приборостроение и спец. 200101- Приборостроение / Л. Г. Муханин. — СПб; М.; Краснодар: Лань, 2009. — 281с.
- Ланге П. К. Схемотехника транзисторных усилительных каскадов: Учеб. пособ. / П. К. Ланге. — Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2011. — 77с.
- Ежков Ю. А. Справочник по схемотехнике усилителей. — 2-е изд., перераб. М.: ИП РадиоСофт, 2002. — 272 с.
