Системы смещения транзисторов: базовое, коллекторное и делитель напряжения

Определение

Смещение транзистора — это процесс подачи питания, необходимый для усиления входного переменного сигнала, при котором транзистор остаётся в активном режиме, не переходя в отсечку или насыщение. Оно обеспечивает установку рабочей точки (Q-точки) вблизи середины статической нагрузочной прямой, что позволяет транзистору корректно воспроизводить входной сигнал без искажений.

Необходимость смещения

Корректное смещение транзистора выполняет две важные задачи:

1. Обеспечивает прямое смещение перехода «эмиттер-база» и обратное смещение перехода «коллектор-база» на протяжении всего периода входного сигнала.
2. Стабилизирует рабочую точку (Q-точку) при изменениях температуры, колебаниях параметров транзистора и естественном старении элементов схемы.

Первое условие гарантирует линейный режим работы транзистора, позволяя поддерживать требуемый ток коллектора (Ic), а также обеспечивает необходимые значения напряжений:

• V_BE=0,7 В для кремниевых (Si) транзисторов и 0,3 В для германиевых (Ge),
• V_CE=1 В для кремниевых и 0,5 В для германиевых транзисторов.

Второе условие предотвращает тепловой разгон, когда повышение температуры может привести к дальнейшему росту тока коллектора и вызвать выход транзистора из строя.

Методы установки смещения

В схемах усилителей на транзисторах смещение может осуществляться с помощью двух источников питания: V_BB и V_CC. При этом V_BB обычно задаёт смещение перехода «эмиттер-база», а V_CC служит для смещения перехода «коллектор-база». Однако на практике чаще всего используют лишь один источник (V_CC), который обеспечивает смещение обоих переходов транзистора одновременно.

Среди наиболее распространённых способов организации смещения транзистора можно выделить следующие:

1. Базовое смещение (также называемое жёстким или фиксированным смещением).
2. Базовое смещение с обратной связью по коллектору (часто упоминается как «смещение с коллекторной обратной связью»).
3. Смещение с делителем напряжения (также именуемое «автоматическим смещением» или «самосмещением»).

Базовое смещение

Базовое смещение транзистора, также называемое жёстким или фиксированным смещением — это один из самых простых методов подачи смещения на базу биполярного транзистора. В этой схеме на базу транзистора подается фиксированное напряжение с помощью резистора, соединённого напрямую с источником питания. Такой способ обеспечивает начальное смещение, необходимое для работы транзистора в активном режиме.

Однако у этого метода есть существенный недостаток — он не учитывает колебания параметров транзистора, таких как коэффициент усиления по току (β). Поскольку ток базы определяется только номиналом резистора и напряжением питания, любые изменения характеристик транзистора или внешних условий, например температуры, приводят к изменению рабочей точки. Это делает схему нестабильной, что особенно критично для усилительных каскадов.

Простота проектирования и минимальное количество компонентов делают этот метод привлекательным для начального понимания принципов работы транзистора, но в реальных схемах он редко используется из-за нестабильности рабочей точки. Чтобы улучшить стабильность, применяют более сложные схемы смещения, такие как коллекторная обратная связь или смещение с делителем напряжения.

Принципиальная схема

На рисунке показана схема базового смещения для NPN-транзистора. Данную конфигурацию нередко называют «схемой фиксированного смещения». В такой реализации задействованы два отдельных источника постоянного тока: V_BB и V_CC. Однако более практичный подход заключается в использовании единственного источника (V_CC).

В этом случае оба резистора — в базе и в коллекторе — подключены к положительной шине питания V_CC. Чтобы упростить схему, вместо батареи часто указывают условное окончание линии с заданным напряжением.

Преимущества и недостаки базового смещения

Базовое смещение характеризуется крайне простой схемой, поскольку для него требуется всего один резистор R_B. Расчёт и подбор его параметров выполняются без сложностей, а нужные условия смещения можно быстро откорректировать. Дополнительным плюсом такого решения считается отсутствие внешнего резистора в эмиттерной цепи, что позволяет снизить нагрузку на источник питания и избежать лишних потерь. Однако главным недостатком данной конфигурации остаётся её высокая зависимость от коэффициента усиления транзистора β, который заметно изменяется при колебаниях температуры. Подобная нестабильность может сильно сдвигать рабочую точку Q, делая базовое смещение непригодным в качественных усилительных каскадах. Кроме того, при существенных изменениях β возрастает риск теплового разгона. Тем не менее этот метод часто используют в цифровых схемах, где транзистор служит ключом и работает в режимах отсечки и насыщения, поэтому стабильность его рабочего пункта не играет решающей роли.

Коэффициент стабильности (Stability Factor) в схеме базового смещения

В основе схемы базового (фиксированного) смещения лежит стандартная конфигурация транзистора с общим эмиттером (ОЭ). Известно, что для транзистора в конфигурации ОЭ коэффициент стабильности (обычно обозначаемый S) можно выразить формулой (1+β), где β — коэффициент передачи тока базы.

Следовательно, для схемы базового смещения коэффициент стабильности будет:

S = 1 + \beta

Такое высокое значение коэффициента стабильности отражает сильную зависимость рабочей точки от колебаний β и температуры, что является одним из ключевых недостатков базового смещения в усилительных каскадах.

Базовое смещение с обратной связью по коллектору

Базовое смещение с обратной связью по коллектору, также известное как смещение с коллекторной обратной связью, представляет собой улучшенную версию фиксированного смещения, в которой резистор базы подключен не к источнику питания, а к коллектору транзистора. Такой подход создаёт отрицательную обратную связь, благодаря чему схема становится более стабильной по сравнению с жёстким смещением.

Принцип работы заключается в том, что при увеличении тока коллектора напряжение на коллекторе уменьшается, что, в свою очередь, снижает напряжение смещения на базе. Это автоматически ограничивает рост тока базы и, соответственно, стабилизирует рабочую точку транзистора. Такая обратная связь частично компенсирует влияние температурных изменений и разброса параметров транзисторов, что делает схему более надёжной.

Несмотря на улучшенную стабильность, этот метод всё же не обеспечивает полной независимости рабочей точки от коэффициента усиления по току (β). Хотя обратная связь уменьшает влияние изменений β, оно всё же остаётся. Кроме того, выбор номиналов резисторов требует тщательного расчёта, чтобы достичь компромисса между стабильностью и усилением.

Благодаря своей простоте и улучшенным характеристикам эта схема чаще используется в сравнении с фиксированным смещением, но всё же уступает по надёжности более продвинутому методу — смещению с делителем напряжения.

Принципиальная схема

На рисунке представлена схема постоянного смещения, где базовый резистор (R_B) включается не к шине V_CC, как в классической базовой схеме, а непосредственно к коллектору транзистора. Благодаря этому коллекторное напряжение выполняет роль смещающего для перехода «база—эмиттер».

Резистор R_B действует как элемент обратной связи (feedback resistor). Он снижает влияние изменений в коэффициенте усиления по току (β), обеспечивая более стабильную рабочую точку (Q).

Смещение от коллектора к базе (Collector to Base Bias) представляет собой эффективный способ уменьшить зависимости от параметров транзистора и термических колебаний, повышая надёжность работы усилительного каскада или переключающей схемы.

Преимущества и недостатки смещения «коллектор база»

Метод смещения «коллектор база» примечателен тем, что для его реализации требуются всего два резистора (R_B и R_C), что упрощает конструкцию по сравнению с другими способами. Кроме того, такая схема обеспечивает некоторую стабилизацию рабочей точки за счёт взаимодействия напряжений V_BE и V_CB. Когда из-за повышения температуры растёт коллекторный ток и увеличивается падение напряжения на R_C, напряжение на коллекторе (V_C) снижается, что уменьшает V_CB. В результате базовый ток (I_B) уменьшается и «возвращает» коллекторный ток (I_C) к исходному уровню, тем самым компенсируя отклонения, вызванные температурным ростом.

В то же время данная схема не даёт идеальной стабилизации, потому что температурные колебания и старение деталей всё же могут вносить свои искажения в режим работы транзистора, хотя и в меньшей мере по сравнению с жёстким базовым смещением. Кроме того, «коллектор база» вводит отрицательную обратную связь, которая уменьшает коэффициент усиления каскада. Во время положительного полупериода входного сигнала возрастание коллекторного тока приводит к увеличению падения напряжения на R_C, а значит, к снижению напряжения и тока на базе, что ограничивает коллекторный ток и частично уменьшает выходной сигнал.

Смещение с делителем напряжения

Смещение с делителем напряжения, также известное как автоматическое или самосмещение, является одним из наиболее стабильных и широко применяемых методов задания рабочей точки биполярного транзистора. В этой схеме используются два резистора, соединённые последовательно между источником питания и землёй, которые образуют делитель напряжения. Средняя точка этого делителя подключается к базе транзистора, обеспечивая стабильное напряжение смещения.

Основное преимущество такого метода заключается в том, что напряжение на базе транзистора становится менее зависимым от параметров самого транзистора, включая коэффициент усиления по току (β). В отличие от базового смещения или схемы с обратной связью по коллектору, где рабочая точка может значительно изменяться из-за колебаний параметров транзистора или температурных изменений, делитель напряжения обеспечивает более предсказуемую и устойчивую работу.

Дополнительную стабильность в такой схеме обеспечивает эмиттерный резистор, который создаёт отрицательную обратную связь. При увеличении тока коллектора напряжение на эмиттере возрастает, что уменьшает базо-эмиттерное напряжение и ограничивает дальнейшее увеличение тока. Это значительно снижает влияние температурных изменений и разброса параметров транзистора.

Хотя такая схема требует большего числа компонентов и более сложных расчётов при проектировании, она широко применяется в усилителях и других электронных схемах, где важна высокая стабильность рабочей точки. Именно по этой причине смещение с делителем напряжения считается самым надёжным методом среди всех трёх вариантов.

Принципиальная схема

Схема делителя напряжения широко используется для стабилизации работы транзисторов. В ней резисторы R₁ и R₂ формируют делитель, подключенный к источнику V_cc, что позволяет создать необходимый уровень напряжения для смещения перехода база-эмиттер. Это улучшает работу транзистора, обеспечивая стабильность и предсказуемость параметров. Дополнительно эмиттерный резистор (R_e) повышает устойчивость постоянного тока.

Сравнение цепей смещения