Stabilizacja punktu pracy tranzystora

Właściwą pracę tranzystora w układzie wzmacniacza zapewnia się dzięki wybraniu odpowiedniego punktu pracy tranzystora. Wybór punktu pracy jest podyktowany żądanym wzmocnieniem układu, war­tością: wzmocnionego napięcia, mocy oddawanej do obciążenia, po­ziomem szumów, zniekształceń nieliniowych, impedancji wejściowej oraz parametrami granicznymi tranzystora, takimi jak: dopuszczalne napięcie zasilające, prąd maksymalny kolektora oraz moc maksymalna strat w kolektorze. Punkt pracy tranzystora określa się przez dobór odpowiedniego prądu kolektora i napięcia między kolektorem a emi­terem. Tranzystor może pracować w układzie WE, WB i WC (wspólnego emitera, bazy lub kolektora). Układ WE jest najczęściej stosowany, gdyż uzyskuje się w nim największe wzmocnienie mocy. Na rys. 2.5 przedstawiono najprostszy schemat wzmacniacza tranzystorowego w układzie WE. Na własności tranzystora, a tym samym i na punkt jego pracy istotny wpływ ma temperatura. Odbiorniki radiowe pracują w dość szerokim zakresie temperatury (można przyjąć — 40°...60°C). Zmiana punktu pracy tranzystora może spowodować, że wzmac­niany sygnał, mieszczący się na liniowym odcinku charakterystyki tranzystora, zo­stanie przesunięty do nieliniowej części tej charakterystyki. Spowoduje to powstanie zniekształceń nieliniowych wzmacnianego sygnału. Wzrost temperatury powoduje zwiększenie prądu kolektora, co może doprowadzić do przekroczenia dopuszczalnej mocy strat w kolektorze i w końcowym efekcie do zniszczenia tranzystora. Zmiana temperatury ma wpływ na wartość: napięcia baza-emiter UBe wzmocnienia prądowego p*o, prądu wstecznego złącza kolektor-baza Icbo- Zmiany parametrów tranzystorów w funkcji temperatury zależą od technologii wykonania tranzystorów. Ze wzrostem temperatury, przy stałej wartości prądu bazy, maleje napięcie baza-emiter. Zmiana ta wynosi —1,7... —2,7 mV/°C. Dokładna wartość zmian napięcia baza-emiter zależy od rodzaju półprzewodnika, jak i od wartości prądu bazy. W układzie przedstawionym na rys. 2.5 obniżenie napięcia baza-emiter, wskutek wzrostu temperatury, spowoduje zwiększenie prądu bazy IB. Prąd kolektora zależy od prądu bazy zgodnie z zależnością Zwiększenie prądu IB spowoduje za­tem zwiększenie prądu kolektora Ic. Układ wzmacniacza z rys. 2.5 nie za­pewnia stabilizacji punktu pracy. Wy Ze wzrostem temperatury wzrasta współczynnik wzmocnienia prądowe­go. Wzrost temperatury powoduje zwiększenie prądu wstecznego / złącza kolektor-baza. Stabilizację punktu pracy tran­zystora można uzyskać stosując inne układy zasilania tranzystora (np. z rys. 2.6). Dla uproszczenia rozważań przyjmijmy, że prąd płynący przez rezystory Rl i R2 jest znacznie większy od prądu bazy. Założenie to pozwala przyjąć, że spadek na­pięcia na rezystorze R2 zależy od stosunku wartości rezystancji rezy­storów Rl i R2 oraz od napięcia zasilania. Przyjmiemy, że ze wzrostem temperatury zwiększa się prąd kolektora. Ponieważ w przybliżeniu prąd emitera jest równy prądowi kolektora (IE = Ic -\- IBzzIc), więc zwięk­szy się i prąd emitera. Zgodnie z prawem Ohma wzrośnie napięcie na rezystancji emitera RF Ponieważ spadek napięcia na z wcześniej przyjętym założeniem), U BEy którego wartość jest określona rezystorze R2 jest stały (zgodnie więc obniży się napięcie baza-emiter wzorem uBE = uH2-uE Obniżenie napięcia baza-emiter UBE spowoduje zmniejszenie prądu bazy, co w efekcie końcowym spowoduje zmniejszenie prądu kolektora do poprzedniej wartości. Rezystor emiterowy RE jest zablokowany przez kondensator C3. Kon­densator C3 stanowi zwarcie dla prądów zmiennych. Przy braku kon­densatora C3 na rezystorze emiterowym powstanie napięcie zmienne, zwane napięciem ujemnym sprzężenia zwrotnego, powodujące zmniejsze­nie wzmocnienia układu. Rezystancje Ä,, Ä2» ustalające punkt pracy tranzystora, można obliczyć przyjmując dla danego typu tranzystora prąd /, i napięcie zasilania układu. Powyżej został omówiony wpływ temperatury na parametry tran­zystorów bipolarnych. Tranzystory polowe złączowe cechują się tym, że mają jeden określony punkt pracy, dla którego parametry tranzystora nie zależą od zmian temperatury (rys. 2.7). Omawiany punkt pracy nosi nazwę punktu autokom-pensacji. Dla napięć bramki wyższych od Uosj ze wzrostem temperatury zwiększa się prąd drenu, natomiast dla napięć bramki mniejszych od Uaat ze wzrostem temperatury prąd drenu maleje. Ze względu na stawiane wymaga­nia wzmacniaczowi, nie zawsze można wybrać punkt pracy tranzystora w punkcie autokompensacji. Przy wyborze innego punktu pracy należy stosować układy ze stabilizacją punktu pracy od zmian temperatury. Przy obliczaniu rezystancji rezystorów usta­lających punkt pracy tranzystora postępuje się w podobny sposób jak w przypadku tranzystorów bipolarnych. Metody zasilania i stabilizacji punktu pracy tranzystorów polowych z izolowaną bramką nie różnią się w istotny sposób od układów z tranzy­storami bipolarnymi. Projektując obwody zasilania i stabilizacji punktu pracy (również i dla tranzystorów polowych złączowych) należy uwzględ­nić rodzaj kanału (P czy N)u. Należy również uwzględnić, że tranzystory polowe z izolowaną bramką mogą być „normalnie załączone" (przy £/GS = 0, JD>0) lub „normalnie wyłączone" (przy U(;s = 0, ID = 0).