Температурная стабилизация усилителей

Существенным недостатком транзисторов является зависимость их параметров от температуры. При повышении температуры транзистора увеличивается I_К за счет возрастания числа неосновных носителей заряда в полупроводнике. Это приводит к изменению коллекторных характеристик транзистора. При увеличении I_К на ∆I_К коллекторное напряжение уменьшается на ∆U_К = R_К · ∆I_К (рисунок 14).

I_К

U_К

ΔU_К

ΔI_К

П1

П2

Рисунок 14 – Зависимость характеристик транзистора от температуры

Это вызывает смещение рабочей точки на коллекторной и переходной характеристиках (из П1 в П2). В некоторых случаях повышение температуры

может вывести рабочую точку за пределы линейного участка переходной характеристики и нормальная работа усилителя нарушается. Поэтому для температурной стабилизации усилителей принимаются специальные меры или используются два способа:

– эмиттерная стабилизация;

– коллекторная стабилизация.

Эмиттерная температурная стабилизация

Для уменьшения влияния температуры на характеристику усилительного каскада с ОЭ в цепь эмиттера включают резистор R_Э, шунтированный конденсатором. В цепи базы для создания начального напряжения смещения между базой и эмиттером ставится делитель R₁ / R₂ (рисунок 15).

Напряжение U_Б-Э зависит от сопротивления резисторов:

U_Б-Э = E_К R₂ / (R₁ + R₂) − R_Э I_Э,

г

–E_К

де первый член уравнения есть потенциал базы, а второй – потенциал эмиттера.

R_Г

E_Г

U_вх

R₂

R₁

R_Э

R_Н

R_К

С_P1

С_P2

VT

С_Э

+

~

U_вых

Рисунок 15 – Схема усилительного каскада

с эмиттерной температурной стабилизацией

При наличии R_Э увеличение эмиттерного тока I_Э = I_Б + I_К из-за повышения температуры приводит к возрастанию падения напряжения на R_Э. Это вызывает снижение потенциала базы по отношению к потенциалу эмиттера, т. е. U_Б-Э уменьшается, а, следовательно, уменьшаются I_Э и I_К. Конечно, уменьшение I_К за счет R_Э не может полностью скомпенсировать рост I_К за счет повышения температуры, но влияние температуры на I_К при этом во много раз снижается. Однако введение R_Э изменяет работу усилительного каскада. Переменная составляющая эмиттерного тока i_Э создает на резисторе дополнительное падение напряжения U_Э = R_Э ∙ i_Э, которое уменьшает усиливаемое напряжение, подводимое к транзистору:

U_Б-Э = U_вых − R_Э ∙ i_Э.

Коэффициент усиления усилительного каскада при этом будет уменьшаться. Это явление называется отрицательной обратной связью (ООС). Для ослабления ООС параллельно R_Э включают емкость С_Э, сопротивление которой намного меньше R_Э. При этом падение напряжения на участке R_Э − С_Э от переменной составляющей i_Э будет незначительным, поэтому усиливаемое напряжение практически равно входному:

U_Б-Э ≈ U_вх.

Недостатком эмиттерной стабилизации является необходимость повышения напряжения питания коллекторной цепи, так как при включении R_Э U_К уменьшается за счет падения напряжения на R_Э.

Коллекторная температурная стабилизация

В этом случае напряжение обратной связи подается из коллекторной цепи в цепь базы с помощью резисторов R₁ и R_К, включенных между коллектором и базой транзистора (рисунок 16).

При повышении температуры I_К увеличивается, а U_К уменьшается. Это приводит к снижению потенциала базы, и, следовательно, к уменьшению и I_К, который стремится к своему первоначальному значению. В результате I_Кн, U_К изменяются незначительно, т. е. введение резисторов R₁ и R_К приводит к существенному ослаблению влияния температуры на характеристики УК.

R₁

R_К

R_г

E_г

U_вх

U_вых

R_н

C_P1

C_P2

–E_К

+

VT

~

Рисунок 16 – Схема усилительного каскада

с коллекторной температурной стабилизацией

Чтобы составляющая коллекторного напряжения не попадала в цепь базы, в УК используют фильтры.

Усилитель с коллекторной стабилизацией обладает меньшей стабильностью, чем усилитель с эмиттерной стабилизацией, но он не требует повышения напряжения питания коллекторной цепи.