Ток базы¶
Ток базы — постоянный или медленно меняющийся ток, протекающий через базовый (эмиттерный или коллекторный) вывод транзистора в схеме с общим эмиттером или общим коллектором. В транзисторных усилителях ток базы задаёт рабочую точку каскада и определяет режим работы перехода база-эмиттер. От его величины зависят усиление, линейность, потребляемая мощность и шумовые характеристики усилителя.
¶Назначение и роль в схеме
В биполярном транзисторе ток базы $I_B$ связан с током коллектора $I_C$ через коэффициент усиления по току $\beta$ (h21э):
$$I_C = \beta \cdot I_B$$
Поскольку $\beta$ зависит от тока и температуры, стабилизация рабочей точки осуществляется за счёт выбора тока базы и обратной связи по постоянному току. Ток базы задаётся резисторной цепью смещения либо источником опорного напряжения.
¶Способы задания тока базы
¶Резистивное деление напряжения
Наиболее распространённая схема — делитель напряжения на двух резисторах $R_1$ и $R_2$ между коллектором (или шиной питания) и землёй. Напряжение на базе определяется как:
$$U_B \approx U_{CC} \cdot \frac{R_2}{R_1 + R_2}$$
Ток базы при этом:
$$I_B = \frac{U_B - U_{BE}}{R_{вх}}$$
где $U_{BE} \approx 0{,}6$–$0{,}7$ В для кремниевых транзисторов, $R_{вх}$ — входное сопротивление каскада. Такая схема проста, но ток базы зависит от $\beta$, поэтому для стабильной рабочей точки выбирают ток делителя в 5–10 раз больше тока базы.
¶Эмиттерный резистор
Включение резистора $R_E$ в цепь эмиттера создаёт отрицательную обратную связь по постоянному току. При росте $I_C$ (и, следовательно, $I_B$) падение напряжения на $R_E$ увеличивается, уменьшая $U_{BE}$ и ток базы. Это стабилизирует рабочую точку от изменений $\beta$ и температуры.
¶Стабилитрон и источник опорного напряжения
Для высокоточных схем применяют стабилитрон или прецизионный источник (например, на операционном усилителе), обеспечивающий фиксированное напряжение на базе независимо от колебаний напряжения питания.
¶Ток базы в полевых транзисторах
В МОП-транзисторах ток стока задаётся напряжением затвора, а ток затвора практически равен нулю (течение через изолятор отсутствует). В транзисторах со структурой JFET ток затвора определяется обратносмещённым переходом и составляет единицы–десятки наноампер. Поэтому в полевых схемах говорят о токе затвора, а не о токе базы.
¶Измерение и контроль
Ток базы измеряют встроенным вольтметром-амперметром или косвенным методом — по падению напряжения на резисторе в цепи базы. При наладке усилителей ток базы подбирают подстроечным резистором смещения так, чтобы ток коллектора соответствовал расчётному значению рабочей точки.
¶Влияние на параметры усилителя
| Параметр | Зависимость от тока базы |
|---|---|
| Рабочая точка | Прямая: $I_C = \beta I_B$ |
| Входное сопротивление | Уменьшается с ростом $I_B$ |
| Коэффициент усиления | Максимум в оптимальном диапазоне $I_C$ |
| Потребляемая мощность | Растёт пропорционально $I_B$ |
| Шум | Растёт при увеличении тока |
Слишком малый ток базы переводит транзистор в режим отсечки или близкий к нему, вызывая искажения сигнала. Слишком большой ток приводит к насыщению, росту мощности рассеяния и перегреву кристалла.
¶Применение
Ток базы учитывается при проектировании биполярных усилителей, ключевых схем на транзисторах, датчиков и преобразователей сигналов. В интегральных схемах токи баз транзисторов задаются токовыми зеркалами, обеспечивающими стабильность рабочих точек каскадов.
¶Источники
- Дворянинов В. И. «Транзисторные усилители»
- Фролов В. Ф. «Теория и расчёт транзисторных усилителей»
- Гуревич А. Г. «Транзисторные усилители»
- Справочник по расчёту транзисторных схем