BIAS в электронике - с чем его едят?

Рассказывая о внутренней организации микросхем, в частности SA612, мне встречалось сокращение BIAS. Обычно кроме четырех букв - никаких сведений, как, например, на схеме.

Рис. 1.

Как ни пытал я Википедию, ничего хорошего не вышло. Она отправляла меня к общечеловеческим проблемам социологии :) Но общий смысл вычленялся и здесь: BIAS это "является неотъемлемой тенденцией процесса поддерживать определенные результаты." А проще - эта система стабилизации чего-то. В электронике это чаще всего ток или напряжение.

Теперь все стало понятно, ведь BIAS применялся еще в ламповой технике для стабилизации напряжение на сетках ламп, да и сейчас используют :https://www.kombik.com/blog/read/chto-takoe-bias-i-zachem-on-lampovomu-usilitelju/.

А вот с применением в транзисторной технике я встретился с BIAS в книге В.А. Васильева "Простые транзисторные супергетеродины".

Рис. 2. Обложка книги.

Эта книжечка была выпущена в 1971 году, но я ее купил в букинистическом позже, где-то году в 1975. Основной фишкой схем, приведенных в книжке, была диодная система стабилизации тока баз транзисторов. Вот одна из схем:

Рис. 3. Схема супергетеродинного приемника на 4-х транзисторах.

На схеме видно, что общим проводом является не плюс батареи, а точка соединения диода Д2, резистора R7 и конденсатора С17. Это напоминает искусственную среднюю точку, при однополярном питании операционных усилителей. Рассмотрим работу схемы стабилизации.

Рис. 4. Схема стабилизации с помощью диодов.

Ее работа основано на свойстве диода, включенном в прямом направлении. При определенных значениях тока через диод падение напряжения на нем остается практически постоянным (для германиевых диодов - около 0,3 В, для кремниевых - около 0,7 В).

На рис. 4А на трех включенных последовательно германиевых диодах напряжение будет около 1 В, и оно будет мало меняться при изменении напряжения питания от 4,5 до 9 В. Если мы будем с помощью этого напряжения и R2 определять начальный ток германиевого транзистора VT1. При неизменном токе базы ток коллектора транзистора мало зависит от напряжения питания.

Входное сопротивление каскада будет меньше сопротивления R2, поэтому в схеме на рис. 1 входы каскадов включены к части витков резонансных контуров.

Но теория теорией, а проверить на практике не мешает. Так как применение германиевых транзисторов сейчас мало, я собрал схему, изображенную на рис. 2Б. Диоды взял КД503, а транзистор - КТ316В.

Рис. 3. Внешний вид платы.

В начале измерил напряжение на диодах.

Рис. 4. Результаты измерения напряжения на цепочке диодов.

Правый мультиметр измеряет напряжение питания, левый - напряжение на диодах. Как видно, при изменении напряжения питания в два раза (от 4,5 до 9 В) напряжение на диодах изменяется на 145 мВ или почти на 3%. А теперь замеряю напряжение на эмиттере транзистора.

Рис. 5. Результаты измерения напряжения на эмиттере транзистора.

В этом случае напряжение на эмиттере транзистора изменилось больше - на 184 мВ, т.е. примерно на 4%.

А какой смысл стабилизировать ток базы? Давайте взглянем на рисунок 6.

Рис. 6. Зависимость наличия искажений от выбора рабочей точки транзистора.

На графиках рис. 6Б рабочая точка выбрана правильно, и искажений как для малого, так и для большого сигнала нет. Но представим, что эта рабочая точка выбрана при свежей батарейке (например 9 В). Тогда при разряде батарейки рабочая точка будет "съезжать" в область меньших значений базового тока (рис. 6А). А этом случае для малого входного сигнала искажений нет, но при его увеличении в выходной сигнал начинает ограничиваться снизу. Если мы выберем правильную рабочую точку при сниженном напряжении питания, то когда мы поставим свежую батарейку, рабочая точка уйдет вверх, и ограничение сигнала может появиться сверху. Если же мы стабилизируем ток базы транзистора, то его рабочая точка не будет смещаться при изменении напряжения питания. Кроме того, при этом стабилизируется коэффициент усиления каскада и уменьшается его зависимость от коэффициента усиления используемого транзистора.

Вот поэтому BIAS широко применяют в микросхемах. Но в них чаще всего сейчас используются не диодные стабилизаторы, а так называемые генераторы тока, выполненные на транзисторах (как на биполярных, так и на полевых). Схема простейшего генератора тока на полевом транзисторе - на рис. 7.

Рис. 7. Генератор тока на полевом транзисторе.

Ток, протекающий через транзистор, можно регулировать с помощью резистора R1, и максимальным он будет, если сопротивление R1 = 0. Но в этой схеме большое значение имеют параметры самого транзистора, которые имеют большой разброс. Поэтому чаще используют более сложные схемы, например, токовые зеркала.

Так, базовое зеркало (рис. 8) состоит из пары согласованных биполярных транзисторов, изготовленных (или установленных) в непосредственной близости друг от друга, и поэтому их характеристики отслеживают изменения друг друга в зависимости от температуры и времени.

Рис. 8. Схема токового зеркала на биполярных транзисторах

Резисторы в эмиттерных цепях транзисторов создают отрицательную обратную связь по току, что с одной стороны, приводит к улучшению термостабилизирующих свойств узла, а с другой, позволяет в широких пределах регулировать соотношения токов транзисторов.

Примером использования токовых зеркал для стабилизации тока базы является схема операционного усилителя.

Рис. Схема операционного усилителя типа 741.

Токовые зеркала выделены красными рамками. От токового зеркала питаются базы транзисторов Q3, Q4, включенных в дифференциальный усилитель.

Всем здоровья и успехов.