Исследование цепей смещения биполярных транзисторов
Параметры биполярных транзисторов зависят от многих факторов (температуры, напряжения питания и т. д.). Вследствие этого изменяется положение рабочей точки транзистора. Пассивная цепь, в которую включается транзистор, должна свести к минимуму влияние разброса параметров и обеспечить стабильное положение рабочей точки на участке передаточной характеристики, соответствующей режиму усиления.
Основное назначение резистивной цепи смещения – стабилизация тока эмиттера. Ее необходимо выбрать таким образом, чтобы минимизировать влияние изменений коэффициента усиления тока базы 
на величину 
. В этом случае стабильным будет и ток коллектора, поскольку
Iк = (0.98–0.995)Iэ, а также напряжение 
.
Рассмотрим цепи смещения биполярных транзисторов, используемые на практике.
На рис. 2.2.1 показана схема, обеспечивающая стабильное положение рабочей точки транзистора. Прямое смещение эмиттерного перехода обеспечивается делителем напряжения 
, 
. Это позволяет обойтись одним источником питания 
. Сопротивления 
и 
выбирают такими, чтобы напряжение база-эмиттер было равным 0.6–0.7 В. Резистор 
является цепью отрицательной обратной связи.
Чтобы снять выходное напряжение с коллектора, в цепь коллектора включают резистор 
. Напряжение коллектор-эмиттер
.
Рис. 2.2.1
Расчетная схема для определения токов коллектора и эмиттера показана на рис.2.2.2. Транзистор заменен моделью для активного режима. Делитель напряжения, образованный резисторами 
, 
, заменен эквивалентной схемой Тевенина. Здесь
, 
.
Рис. 2.2.2
Ток базы:
.
Ток коллектора:
. (2.2.1)
Из последнего выражения следует, что изменение тока коллектора пропорционально изменению 
. Источник 
моделирует напряжение эмиттерного перехода 
, смещенного в прямом направлении. Влияние изменений напряжения 
на ток коллектора будет невелико, если выполняется условие
(2.2.2)
Однако увеличение напряжения 
при заданном напряжении питания 
приводит к уменьшению размаха выходного напряжения, если схема используется в качестве усилителя.
Для того чтобы ток коллектора был нечувствителен к изменениям 
, должно выполняться условие
(2.2.3)
Рассмотрим подробнее влияние резистора в цепи эмиттера на стабилизацию рабочей точки транзистора. Резистор 
в схеме на рис. 2.2.1 является цепью отрицательной обратной связи. Предположим, что по какой-либо причине ток эмиттера увеличился. Это приведет к увеличению падения напряжения на резисторе 
, так как 
. Если выполняется условие (2.2.2), напряжение базы останется прежним. Следовательно, напряжение эмиттерного перехода 
уменьшится, что приведет к уменьшению 
. Таким образом, отрицательная обратная связь стабилизирует ток эмиттера, делает его нечувствительным к вариациям напряжения 
и коэффициента 
.
Классическую цепь смещения, рассмотренную выше, можно упростить, если использовать два разнополярных источника питания (рис. 2.2.3).
Из уравнения для левого контура, включающего резисторы 
, 
, эмиттерный переход и источник 
следует, что ток базы
,
соответственно, ток коллектора
.
Рис. 2.2.3 Рис. 2.2.4
Последнее равенство аналогично уравнению (2.2.1), только 
заменен источником 
. Следовательно, для обеспечения стабильного тока коллектора должны выполняться условия (2.2.2) и (2.2.3).
Цепи смещения, изображенные на рис. 2.2.1 и 2.2.3, неудобны для интегральных схем, так как резисторы относительно больших номиналов занимают на кристалле слишком большую площадь. Простую цепь смещения, очень удобную для интегральной схемотехники, можно получить, включив в цепь эмиттера источник постоянного тока (рис. 2.2.4).
Преимущество такой цепи смещения заключается в том, что ток эмиттера, следовательно, и ток коллектора не зависят от коэффициента 
и сопротивления резистора в цепи базы. Поэтому сопротивление 
можно выбрать большим, и за счет этого увеличить входное сопротивление цепи.
Смещение рабочей точки транзистора с помощью источников тока широко используют в аналоговой интегральной схемотехнике. В качестве таких источников применяются специальные транзисторные схемы – отражатели тока. Это позволяет экономить площадь кристалла, так как отражатель тока занимает меньшую площадь на кристалле ИС, чем резистор номиналом в несколько кОм.
Расчет элементов цепи смещения на рис. 2.2.1 проводится в следующем порядке. Исходными данными для расчета являются положение рабочей точки 
.
выбирается из соотношения:
.
определяют, учитывая имеющиеся источники питания.
, сопротивление резистора 
определим по формуле
.
.
- 
(полагаем, что база отключена от делителя)
.
.
равно сумме напряжения на резисторе в цепи эмиттера и напряжения эмиттерного перехода:
.
принимают равным 0.6 – 0.7 В.
и 
:
; 
.
Изложенная процедура расчета является приближенной и базируется на трех ключевых моментах. Во-первых, напряжение питания в 3-5 раз превышает напряжение коллектор-эмиттер. Во-вторых, напряжение на резисторе в цепи эмиттера примерно равно напряжению коллектор-эмиттер. И, наконец, ток резистора 
должен в 10-100 раз превышать ток базы. В дальнейшем номиналы элементов уточняются по результатам моделирования спроектированной цепи.
Координаты рабочей точки транзистора 
, 
. Коэффициент усиления тока базы 
.
Выберем напряжение питания
.
Напряжение резистора в цепи эмиттера примем равным напряжению коллектор-эмиттер: 
.
Сопротивление резистора 
.
Максимальный ток базы
.
Ток делителя напряжения 
- 
.
Сопротивление делителя
.
Напряжение на резисторе 
.
Рассчитаем сопротивление резисторов 
и 
:
; 
.
При сборке схем использовать модели n-p-n транзисторов Q2N3904 или Q2N2222 из библиотеки EVAL.slb. Примеры схем можно найти в файлах W2_2_1, W2_2_2 в папке EMF\Labs.