Схема каскада с фиксированным током базы

В схеме с общим эмиттером напряжение источника сигнала подается на базу, а усиленное напряжение снимается с коллектора. Для того, чтобы правильно задать рабочую точку транзистора (обеспечить режим работы транзистора) на базу необходимо подать начальный ток i_б0. Для питания цепей коллектора и базы можно использовать разные источники питания, но это экономически нецелесообразно, поэтому режим транзистора по постоянному току задают от одного источника питания.

В простейшем случае ток на базе транзистора можно задать при помощи резистора. Такой вариант задания рабочего режима транзистора называется схемой с фиксированным током базы. Она применяется только в усилителях класса A. Схема включения транзистора с общим эмиттером с фиксированным током базы приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 Схема усилителя с фиксированным током базы

Расчет каскада всегда начинается с выхода схемы. Сначала задаются током коллектора транзистора, обычно 1 ... 5 мА. Чем меньше его значение, тем экономичней будет усилительный каскад и схема радиоэлектронного устройства в целом. Однако максимум усиления маломощного транзистора бывает обычно при значении коллекторного тока 10 ... 20 мА[3], поэтому задаются меньше этого значения, но стараются не сильно удаляться от него, чтобы не потерять усиление по мощности.

На схеме, приведенной на рисунке 1, ток задается резистором R1, а резистор R2 задает половину питания на коллекторе транзистора VT1. Выбор напряжения на коллекторе, равным половине питания усилительного каскада, связан с нелинейными искажениями на выходе схемы. При выборе напряжения больше половины питания, синусоидальное напряжение на выходе каскада будет обрезаться сверху. Это приведет к уменьшению максимального допустимого напряжения усилителя. При выборе коллекторного напряжения меньше половины питания, синусоидальное напряжение будет обрезаться снизу, что тоже приведет к снижению максимального допустимого напряжения сигнала на выходе каскада. Оптимальным является напряжение, равное половине питания схемы. При постепенном увеличении входного напряжения сигнала, синусоидальное напряжение сигнала на выходе будет одновременно ограничиваться сверху и снизу. Уровень допустимого напряжения сигнала усилительного каскада при этом будет максимальным.

Теперь можно определить значение номинала сопротивления резистора R2. Для этого воспользуемся законом Ома. Падение напряжения на резисторе R2 определим из закона Киргофа. По нему напряжение питания схемы равно сумме падений напряжения на транзисторе и резисторе R2:

U_п = U_кэ + U_R2      (1).

Отсюда можно выразить падение напряжения на резисторе R2:

U_R2 = U_п − U_кэ      (2),

и далее по закону Ома находим сопротивление в цепи коллектора R2:

      (3)

При напряжении питания 5 В и токе коллектора 2,5 мА напряжение U_кэ выбирают равным половине питания 2,5 В и сопротивление резистора R2 получится равным 1 кОм.

Аналогичным образом можно определить сопротивление в цепи базы транзистора — R1. Для этого сначала через h_21э определим ток базы:

      (4),

откуда определим ток базы:

      (5),

И тогда сопротивление в цепи базы R1 будет равно:

      (6),

Обратите внимание, что схема питания транзистора с фиксированным током базы может быть применена в любой из схем включения транзистора: с общим эмиттером, с общей базой или с общим коллектором.

В схеме с общим эмиттером входной сигнал подается на базу транзистора, как это показано на рисунке 2.

Рисунок 2 Схема с фиксированным током базы в каскаде с общим эмиттером

В высокочастотных усилителях (усилителях радиочастоты) возможен вариант, где в качестве нагрузки транзисторного каскада служит дроссель. В этом случае рассчитывать резистор R2 не нужно и схема питания транзистора с фиксированным током базы приобретает вид, показанный на рисунке 3.

Рисунок 3 Схема с фиксированным током базы в каскаде с общим эмиттером

В высокочастотных усилителях часто для преобразования входного и выходного сопротивления транзистора к стандартному значению 50 Ом используются фильтры низкой частоты с различными входным и выходным сопротивлениями. Подобный вариант усилителя с фиксированным током базы в каскаде с общим эмиттером приведен на рисунке 4.

Рисунок 4 Схема с фиксированным током базы в каскаде с общим эмиттером

При этом часть емкости входного фильтра-трансформатора сопротивления вместе с конденсатором C2 образует входная емкость транзистора. Аналогично, выходная емкость транзистора вместе с конденсатором C4 образует емкость выходной согласующей цепи. В усилителях гигагерцового диапазона вместо сосредоточенных индуктивностей и емкостей в составе согласующих устройств применяются отрезки полосковых линий.

В схеме с общей базой входной сигнал подается на эмиттер транзистора. Каскад усилителя с общей базой, реализованный по схеме питания транзистора с фиксированным током базы приведен на рисунке 5.

Рисунок 5 Схема с фиксированным током базы в каскаде с общей базой

Как легко можно увидеть, это схема питания транзистора, приведенная на рисунке 1, в которой входной сигнал подан между базой и эмиттером. Выходное напряжение снимается с резистора R2. Усилители с общей базой применяются в основном на высоких частотах, поэтому вместо резистора R2 удобнее применять дроссель, как это делалось в схеме на рисунке 3. Схема подобного усилителя приведена на рисунке 6.

Рисунок 6 Схема с фиксированным током базы в каскаде с общей базой

В схеме с общим коллектором сигнал подается на базу транзистора, но в отличие от схемы с общим эмиттером выходной сигнал снимается с коллектора транзистора. Это решение позволяет получать минимальное выходное сопротивление усилителя, поэтому чаще всего используется в качестве буферного усилителя для развязки выхода одной схемы от входа другой. Пример схемы с фиксированным током базы для транзистора, включенного с общим коллектором, приведен на рисунке 7.

Рисунок 7 Схема с фиксированным током базы в каскаде с общим коллектором

В качестве недостатка схемы питания транзистора с фиксированным током базы следует отметить нестабильность параметров. Коэффициент усиления транзистора по току может сильно меняться от экземпляра к экземпляру, изменяться от температуры или с течением времени (старение элементов схемы). Обычный разброс коэффициента усиления по току составляет 50 ... 350 (транзистор КТ315Б), а с учетом влияния температуры — 15 ... 350. Отношение максимального значения к минимальному составляет почти 20 раз! Во столько же раз будет меняться и ток потребления. В схемах, приведенных на рисунках 2 и 5 это приведет к полной потере работоспособности, в остальных случаях приводит к изменению коэффициента усиления и перегреву транзисторов.

Для устранения указанных недостатков были разработаны специальные схемы стабилизации рабочего режима транзистора: коллекторная стабилизация и эмиттерная стабилизация режима работы транзистора. В современных микросхемах применяются дифференциальные каскады.

Дата последнего обновления файла 18.07.2018

1. Шило В. Л. "Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре" под ред. Е.И. Гальперина — М.: "Сов. радио" 1974
2. Усилительный каскад на биполярном транзисторе Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
3. ТРАНЗИСТОР КТ315 ХАРАКТЕРИСТИКИ, ЦОКОЛЕВКА, МАРКИРОВКА И ЗАРУБЕЖНЫЕ АНАЛОГИ
4. Характеристики транзистора КТ3102

Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре "Сигнал", Научно производственной фирме "Булат". В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи "Сигнал-201", авиационной системы передачи данных "Орлан-СТД", отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

А.В.Микушин является автором 130 научных и научно-методических работ, в том числе 21 монография и 26 учебников и учебных пособий.