Рис. 4.26. Электрическая схема (а) и рабочие (нагрузочные) характеристики (б) для усилителя с полевым транзистором в схеме с ОИ:

_{1 — нагрузочная прямая для переменного тока; 2 — нагрузочная прямая для постоянного тока}

При выборе рабочей точки следует учитывать несколько факторов. В общем можно сказать, что рабочая точка должна быть выбрана таким образом, чтобы при работе транзистора с предполагаемой амплитудой входного сигнала удовлетворялись следующие основные требования: нелинейные искажения должны быть минимальны; выделяющаяся в транзисторе мощность не должна превышать допустимой мощности рассеяния; напряжения и токи не должны превышать максимальных значений.

Указанные выше условия должны удовлетворяться во всем диапазоне температур, в котором будет работать транзистор, причем нельзя превышать температуру, оговоренную заводом-изготовителем. Температура влияет на параметры транзистора, ход его характеристик и положение рабочей точки.

При заданной амплитуде входного сигнала нелинейные искажения относительно невелики в том случае, если рабочая точка выбрана так, что используемый отрезок нагрузочной прямой (для переменного тока, если усиливается переменный сигнал) не проходит через область, в которой наблюдаются нелинейности характеристик.

При работе с малыми сигналами выбор положения рабочей точки не очень критичен и нелинейные искажения малы. При больших сигналах выбор рабочей точки весьма существен и часто критичен. Если нужно обеспечить работу с минимально возможными искажениями, то рабочую точку выбирают вблизи середины используемого отрезка нагрузочной прямой, причем обычно сопротивление нагрузки и напряжение питания подбирают так, чтобы этот отрезок лежал в пределах линейного участка стоковой характеристики.

Рассеиваемая в транзисторе мощность (мощность потерь) определяется как произведение тока на напряжение коллектора (стока) в рабочей точке: Р = I_к·U_к. Выделение мощности в транзисторе вызывает увеличение его температуры, что приводит к изменению параметров, а в случае превышения допустимых границ может вызвать порчу транзистора.

Примерный вид характеристик транзистора с указанием ограничений при выборе рабочей точки представлен на рис. 4.27.

Рис. 4.27. Выходные характеристики полевого транзистора с областью выбора на них рабочей точки:

_{1 — допустимая область работы; 2 — ограничение из-за нелинейности; 3 — ограничение из-за максимальной мощности потерь Рпот = Iс·Uси; 4 — ограниченно по напряжению из-за пробоя}

Температура транзистора значительно сильнее влияет на параметры биполярных транзисторов, чем полевых. В разной степени изменению подвержена все параметры. Особенно заметен рост коэффициента h_21э при увеличении температуры, а также рост обратных токов, например ток I_кбо для кремниевых транзисторов удваивается при повышении температуры на 6 °C.

Полевой транзистор обладает меньшей зависимостью от температуры, однако четко прослеживается убывание тока I_с при увеличении температуры.

Примерный вид характеристик биполярного транзистора для разных температур представлен на рис. 4.28.

Рис. 4.28. Характеристики биполярного транзистора при 25 и 105 °C

Зависимость параметров транзистора от температуры, а следовательно, изменение токов вызывают меньшие или большие изменения положения рабочей точки. Может случиться, что под влиянием температуры рабочая точка сместится так, что появятся сильные искажения или будет превышена максимальная мощность потерь.

Для предотвращения подобных явлений часто прибегают к использованию схем стабилизации рабочей точки.

Это схемы, обеспечивающие соответствующие постоянные напряжения на электродах транзистора, т. е. устанавливающие заранее выбранную рабочую точку, называемую статической или в состоянии покоя. Схемы питания содержат источники напряжений и цепи, через которые эти напряжения подводятся к транзистору, например цепи резистивных делителей напряжения.

Подача напряжений через делители позволяет: обеспечить на электроде транзистора требуемое напряжение при использовании источника с постоянным напряжением питания, питать все электроды данного транзистора или схемы, состоящей из ряда транзисторов, от одного общего источника, обеспечить подбор сопротивления источника, «видимого» со стороны транзистора. Обычно источник питающего напряжения имеет малое внутреннее сопротивление, которое, будучи подключено ко входу транзистора, нагружает дополнительно источник управляющего сигнала. Для предотвращения этих нежелательных явлений между источником и электродами транзистора используют резисторы.

Проще всего обеспечить установку рабочей точки транзистора, т. е. подать на его электроды смещение, если соединить соответствующие электроды с источником напряжения посредством отдельных резисторов (рис. 4.29).

Рис. 4.29. Простейшие схемы питания транзистора, включенного по схеме с ОБ (а) и ОЭ (б)

Для схемы ОБ (рис. 4.29, а) для входной цепи имеем

E_э — I_э·R_э — U_эб = 0

Из этой зависимости при заданном Е_э и определенном (для выбранной рабочей точки) токе I_э можно определить сопротивление резистора R_э, необходимое для смещения перехода эмиттер — база, соответствующее рабочей точке. Для кремниевых транзисторов можно принять U_эб = 0,7 В.

Для схемы ОЭ (рис. 4.29, б) для входной цепи имеем следующую зависимость:

E_б — I_б·R_б — U_бэ = 0

Для определения сопротивления резистора R_б ток I_б определяют из характеристик транзистора для заданной рабочей точки либо из следующих соотношений:

I_б = I_к/h_21э; I_б = I_э/1 + h_21э

Можно использовать более простое решение, показанное рис. 4.30, для которого достаточно одного источника питания.

Рис. 4.30. Схема питания транзистора с ОЭ при использовании одного источника

Для схемы ОБ (рис. 4.29, а) имеём:

E_к — I_к·R_к — U_кб = 0