5.2. Методи забезпечення і стабілізація режиму роботи транзисторного каскаду підсилення

Початкове положення робочої точки на динамічній характеристиці підсилювального каскаду при відсутності вхідних сигналів зу­мовлюється сукупністю постійних складових струмів і напруг у ви­хідному (І_0С, U_0C) і вхідному (І_0B, U_0B) колах. Забезпечення робочого режиму транзистора тісно пов'язано зі стабілізацією режиму спокою підсилювального каскаду в цілому.

Нестабільність положення робочої точки інтегрального тран­зистора може бути спричинена нестабільністю напруги джерела жив­лення, старінням елементів ІMС, дрейфом параметрів мікросхеми. Од­нак найбільший вплив на зміщення робочої точки чинить температурна нестабільність параметрів елементів ІMС.

Під впливом зміни температур и зміщуються статичні характеристики транзистора. З ростом температури змінюється колекторний, (вихідний) струм І_С, приріст якого обумовлений, головним чином, підвищенням зво­ротного струму колекторного переходу та коефіцієнта передачі за струмом транзистора h_21B(h_21Е). Крім того, теплове зміщення характерис­тик транзистора зумовлене зміною напруги U_ЕВ на емітерному переході.

Оскільки колекторний струм є функцією трьох змінних І_С = φ(І^*_С0 , h_21Е , U_ЕВ ), то його приріст виразимо повним диференціалом

(5.1)

Частинні похідні в рівнянні (5.1)

(5.2)

характеризують швидкість зростання І_С під дією дестабілізуючих факторів.

У гібридних ІMС, де є можливість використати резистори і конденсатори великих номіналів, режим спокою і його термостабілізація здійснюються за допомогою резистивних кіл зміщення й введення місцевих кіл негативного зворотного зв'язку. В напівпровідникових ІMС, де засто­сування резисторів з великим опором утруднене (планарні резистори займають велику площу), а застосування конденсаторів великих ємностей практично неможливе, використовують параметричні методи температурної стабілізації положення робочої точки. Оскільки в напівпровідникових ІMС застосовують кремнієві транзистори, то вплив зміни струму І_С на їх температурну стабільність не має вирішального значення і його не вра­ховують.

Схема параметричної стабілізації режиму транзисторного каскаду VТ2 за допомогою транзистора VТ1 в діодному ввімкненні показана на рис. 5.1, а. Це одна з найпоширеніших базових схем інтегральної схемотехніки, відома під назвою генератора стабільного струму. Звичайно колектор тра­нзистора VТ2 вмикається в колі емітерів підсилювальних каскадів (на­приклад, в колі емітерів диференційного підсилювача), забезпечуючи дані кола стабільним струмом І_С = І₀. Характеристики транзисторів VТ1 і VТ2 відрізняються лише в межах розкиду їх статичних параметрів.

Беручи до уваги, що в однотипних транзисторів температурна нестабільність коефіцієнтів передачі за струмом і , однакова, за­пишемо відносну температурну нестабільність колекторного струму І_С2 транзистора VТ2:

(5.3)

де і – відхилення напруг на емітерних переходах тран­зисторів VТ1 та VТ2.

При цьому припускають, що температурна нестабільність теплових струмів емітерних переходів однакова: .

Рис.5.1

З рівняння (5.3) випливає, що при рівних напругах на емітерних перехо­дах обох транзисторів, а також однакових їх відхиленнях для схеми з пара­лельним вмиканням емітерних переходів маємо

. (5.4)

Отже, відносна нестабільність струмів транзисторів VТ1 і VТ2 однакова, тобто в такій парі транзисторів струм І_С2 наслідує струм І_С1 і відбувається «дзеркальне відображення» струмів. Таку схему (рис. 5.1, а) нази­вають «струмовим дзеркалом».

Таким чином, щоб стабілізувати струм І_С2 = І₀, необхідно стабілізувати з достатньою точністю струм І_С1, відхилення якого, зумовлені температурною нестабільністю параметрів транзистора, визначаються рівнянням

ΔІ_С1= – ΔU_BE1/R – ΔІ_B1 – Δ І_B2 ,

Через те, що Δ І_B1 ≈ Δ І_С1 /h_2ІЕ1 і Δ І_B2 ≈ Δ І_С2/h_21Е2 ≈ Δ І_С1І_С2/ h_21Е2 І_С1,

(5.5)

З виразу (5.5) випливає, що нестабільність колекторного струму тран­зистора VТ2 зумовлюється нестабільністю напруги емітерного переходу (ΔІ_С1 ≈ ΔU_BE1/R), яка для кремнієвих транзисторів становить 1,7 – 2 мВ/°С. Тому заданий режим роботи транзистора VТ l і його колектор­ний струм І_С1 (а отже, струм І_С2) можливо забезпечити і стабілізувати відповідним добором зовнішніх елементів: резистора R і напруги Е:

(5.6)

(5.7)

де ΔW = 1,12 В – ширина забороненої зони кремнію; δ_т = ΔТ/Т, δ_R = ΔR/R, δ_C = ΔI_C2/I_C2 – відносна зміна температури, опору резистора R і колекторного струму транзистора VТ2 відповідно. Розраховують елементи R і Е за формулами (5.6) і (5.7) при заданих значеннях δ_т, δ_R, δ_C, ΔE, I_C2.

За схемою на рис. 5.1, а мож­ливо стабілізувати режим дифе­ренційного підсилювача вмиканням колекторного кола транзистора VТ2 в загальне емітерне коло диференційного каскаду. Крім стабілізації режиму, така схема дозволяє вагомо підвищити рівень подавлення синфазної завади, не знижуючи підсилення корисного вхідного сигналу. При цьому якість джерела стабільного струму тим вища, чим більший його вихідний опір.

Підвищити вихідний опір до опору колекторного переходу r_С можна введенням негативного зворотного зв'язку за струмом, вмикаючи в ко­ло емітера транзистора VТ2 резистор R_Е2 (рис. 5.1, б). Крім того, введення негативною зворотного зв'язку знижує чутливість джерела сигналу до змін напруги джерела живлення Е. Для того, щоб транзистор VТ2 не пра­цював у режимі дуже малих струмів, в коло емітера транзистора УТ1 вми­кають резистор невеликого опору R_Е1, При цьому потенціал бази транзис­тора VТ2 підвищується, що забезпечує підвищення емітерного струму цього транзистора.

Рис. 5.2

На рис. 5.2, а показана схема джерела стабільного струму (так звана «струмова двійка»), яка відрізняється від розглянутих раніше тим, що при такому ввімкненні транзистор VТ2, що генерує струм І₀ цього каскаду, навіть при низьких напругах живлення не входить у режим насичення. То­му можна використовувати низьковольтні джерела живлення ( ±2...3 В).

Струм І_С2 = І₀ знаходять з рівняння

І_С2 = U_ВЕ1 /R_Е2. (5.8)

При цьому резистор R_Е2 в колі емітера транзистора VТ2 служить для передачі сигналу негативного зворотного зв'язку в базу транзистора VТl. Завдяки не­гативному зворотному зв'язку джерело струму має високий вихідний опір. Крім того, в такій схемі струм I_С2 = I₀ майже не залежить від напруги жив­лення, хоча змінюється при коливаннях температури. Щоб уникнути впливу температурних змін, як резистор R_Е2 негативного зворотного зв'язку за стру­мом використовують транзистор VТЗ (рис. 5.2, б). Цей транзистор в діодному вмиканні задає режим роботи транзистора VТ2, термостабілізуючи колектор­ний струм І_С1, що зумовлює високу термостабільність колекторного струму I_С2 = I₀.