7.2. Методы термостабилизации положения рабочей точки транзистора

Существуют два основных метода термостабилизации:

• компенсационный,

• метод с использованием ООС.

Компенсационный метод термостабилизации положения рабочей точки основан на том, что в схему усилителя вводят один или несколько термозависимых элементов, параметры и характеристики которых при изменении температуры изменяются таким образом, чтобы компенсировать уход рабочей точки.

Например, в схеме с ОЭ термозависимыми можно сделать сопротивления R_К, R_Э, R_б1 и R_б2 (рис. 7.3).

Рис.7.3. Схема ОЭ с термозависимыми элементами

Сопротивления R_б1 и R_б2 образуют делитель напряжения, на который с одной стороны подаётся напряжение питания E_П, а с другой стороны снимается напряжение база-эмиттер по постоянному току (рис. 7.4).

Рис.7.4. Входной делитель напряжения

Зависимость сопротивления R_б2 от температуры имеет вид (рис. 7.5).

Рис.7.5. Зависимость сопротивления резистора от температуры

Чтобы проанализировать влияние термозависимого сопротивления R_б2 рассмотрим входную статическую характеристику (рис. 7.6).

Рис.7.6. Изменение положения р.т. при изменении температуры в схеме с термокомпенсацией с использованием термозависимого сопротивления R_б2

Из рис. 7.6 следует, что если увеличение температуры приводит к увеличению тока базы и тока коллектора, то за счёт снижения величины сопротивления R_б2 уменьшится напряжение .

Часто в качестве термозависимого элемента используют диод в прямом включении, поскольку сопротивление диода в ограниченном диапазоне температур имеет линейную зависимость от температуры.

Достоинством компенсационного метода термостабилизации является то, что схема не усложняется (простота), а, следовательно, не изменяется конструкция усилителя – не увеличивается вес и габариты.

К недостаткам следует отнести:

1. Компенсация возможна в ограниченном диапазоне температур, поэтому метод является не универсальным. Это обусловлено зависимостью характеристик термозависимого элемента от температуры, а также зависимостью параметров и характеристик самого транзистора от температуры.

2. Метод компенсации сопровождается увеличением нелинейных искажений, вследствие нелинейности характеристики термозависимого элемента.

3. Ограниченный выбор термоэлементов. Очень сложно бывает подобрать термоэлементы к каскаду таким образом, чтобы стабилизировать выбранную рабочую точку.

Следует отметить, что в зависимости оттого, что собирается стабилизировать разработчик (какой элемент делать термозависимым) меняется трассировка печатной платы и более ничего. Таким образом, этот метод не требует затрат дополнительной энергии. Трассировка печатной платы осуществляется таким образом, чтобы термозависимый элемент находился как можно ближе к активному элементу с тем, чтобы изменение температуры для обоих элементов было одинаковым.

Метод термостабилизации положения рабочей точки транзистора с использованием оос основан на введении оос на постоянном токе.

Достоинствами метода являются:

• метод универсален, то есть позволяет работать во всем температурном диапазоне работы усилителя;

• применение ООС улучшает все параметры усилителя, кроме коэффициента усиления.

Недостатки метода:

• метод основан на введении дополнительных элементов, а следовательно увеличиваются вес и габариты усилителя, но самое главное увеличивается и потребляемая энергия (уменьшается КПД).

Однако, несмотря на имеющийся недостаток, этот метод используют чаще, чем компенсационный метод термостабилизации.

В рамках метода с использование ООС различают три основные схемы термостабилизации:

1) схема базовой стабилизации,

2) схема коллекторной стабилизации,

3) схема эмиттерной стабилизации.

1) Схема базовой стабилизации рабочей точки (рис.7.7).

Рис.7.7. Схема базовой стабилизации рабочей точки: ,

Предположим, что увеличилась температура окружающей среды. При возрастании температуры растет базовый ток и, как следствие, напряжение база-эмиттер уменьшается, при этом транзистор подзакрывается и ток базы уменьшается ( ).

Преимуществом схемы является простота, а недостатком – низкое качество стабилизации.

2) Схема коллекторной стабилизации рабочей точки (рис.7.8). Схема коллекторной стабилизации сложнее, поскольку содержит больше элементов.

Рис.7.8. Схема коллекторной стабилизации рабочей точки

При увеличении температуры увеличивается коллекторный ток . Следовательно, увеличивается напряжение . Напряжение в т.А уменьшается, поскольку . Напряжение уменьшается, следовательно, р.т. смещается влево на входной характеристике. Следовательно, коллекторный ток уменьшается ( ).

С изменением меняется глубина ООС – чем больше фактор ООС, тем лучше стабилизация, но больше потери энергии источника питания на цепи ООС.

Конденсатор шунтирует на переменном токе ( ) для устранения ООС на переменном токе (что позволяет сохранить коэффициент усиления каскада для сигнала).

В такой схеме (рис 7.8) можно менять эффективность стабилизации выбирая и (две степени свободы) таким образом, чтобы рабочая точка оставалась неизменной.

3) Схема эмиттерной стабилизации рабочей точки (рис.7.9).

Рис.7.9. Схема эмиттерной стабилизации рабочей точки

шунтирует по переменному току ( ) и ООС по переменному току исчезает.

При возрастании температуры растет ток эмиттера , а, следовательно, растет и потенциал эмиттера . При этом напряжение база-эмиттер снижается, так как . Ток базы и ток коллектора уменьшаются, следовательно, уменьшается и ток эмиттера ( ). Проведенный анализ справедлив при условии, что , которое выполняется при увеличении тока протекающего через сопротивления базового делителя и .

Качество стабилизации в этой схеме (рис. 7.9) лучше, чем в предыдущих схемах (рис. 7.7 и 7.8). Стабильность схемы повышается при увеличении сопротивления и большей точности выполнения условия .

Увеличение сопротивления ограниченно допустимым увеличением падения постоянного напряжения на сопротивлении (эта часть напряжения потеряна для усиления на переменном токе – запас по усилению) и, соответственно, уменьшению эффективности использования напряжения питания :

.

(7.4)

Повышение стабильности за счет увеличения тока делителя ограничено возникающим при этом снижением входного сопротивления каскада , а также допустимым увеличением потребляемой мощности каскада. Постоянство напряжения достигается при выполнении условия (7.5).

.

(7.5)