Термостабилизация режима работы усилительного каскада.
Параметры полупроводниковых приборов существенно зависят от температуры. В связи с этим, этапы развития полупроводниковой электроники неразрывно связаны с разработкой и совершенствованием схемных решений улучшения термостабильности устройств. Различают два основных способа термостабилизации - это применение термозависимых элементов и использование отрицательной обратной связи. На рисунке 8.6 приведены различные схемные решения стабилизации рабочей точки транзистора с помощью термозависимых элементов.
а б в г д
а, б - терморезистора; в - диода; г - транзистора; д - входные ВАХ.
Рисунок 8.6 - Термостабилизация рабочей точки с помощью
термозависимых элементов
Сущность этого метода заключается в автоматическом изменении положения рабочей точки транзистора таким образом, чтобы скомпенсировать температурные изменения параметров. Если рабочая точка транзистора задается с помощью делителя напряжения (рисунок 8.6а), то напряжение на базе зафиксировано и при изменении температуры рабочая точка из положения 0 переместится в положение 0’ (рисунок 8.6д). Штриховая линия на рисунке соответствует входной характеристике при повышенной температуре. Для устранения этого явления резистор R2 выбирают с отрицательным ТКС и с ростом температуры напряжение на базе транзистора уменьшится; рабочая точка перейдет в положение 0''; базовый ток вернется в исходное состояние и, следовательно, положение рабочей точки на выходной характеристике не изменится. Аналогично будет происходить стабилизация режима работы, если использовать в качестве R1 терморезистор с положительным ТКС. Если рабочая точка задается фиксированным током, но стабилизация достигается использованием в качестве R1 (рисунок 8.6б) терморезистора с ТКС > 0. Недостатком схем стабилизации с помощью терморезисторов является сложность термостабилизации в диапазоне температур, так как законы изменения сопротивления терморезисторов и параметров транзисторов от температуры не совпадают. В связи с этим, в качестве термозависимых элементов используют PN переход, выполненный из такого же материала что и транзистор усилителя. В качестве PN переходов используют диоды (рисунок 8.6в); транзисторы в диодном включении (рисунок 8.6г). Так как напряжение на PN переходе при изменении температуры изменяется обратно, то при увеличении температуры смещения на базе транзистора падает и наоборот; причем закон изменения напряжения в точности соответствует температурным изменениям параметров, особенно это характерно для схемы рисунок 8.6г при условии, что VT1 и VT2 одного типа. При использовании второго способа термостабилизации используют различные виды ООС. На рисунке 8.7 приведены схемы термостабилизации с помощью ООС по току (рисунок 8.7а) и по напряжению (рисунок 8.7б).
а б
Рисунок 8.7 - Термостабилизацииярабочей точки с помощью
отрицательной обратной связи
В схеме (рисунок 8.7а) в цепи эмиттера усилителя добавлена цепочка R4, C3. С помощью этих элементов реализуется ООС по постоянному току. Величина емкости С3 выбирается таким образом, чтобы сопротивление (1/С3) на рабочей частоте равнялась нулю. Таким образом, по переменной составляющей в данной схеме ООС нет и цепочка С3, R4 на коэффициент усиления не влияет. При возрастании температуры происходит увеличение тока базы, тока эмиттера это вызывает увеличение падения напряжения на R4. Напряжение UR4 приложено к переходу база-эмиттер транзистора через резистор R2 обратной полярностью (рисунок 8.7а) и результирующее напряжение на переходе равно
Uбэ = UR2 – UR4
Следовательно, при повышении температуры смещение на базе транзистора уменьшается и базовый ток возвращается в исходное состояние.
В схеме рисунок 8.7б реализована ООС по напряжению. Работает схема следующим образом. Повышение температуры в конечном итоге вызывает рост тока коллектора, это приводит к уменьшению напряжения на коллекторе
Uк = Un – Iк R2.
Так как резистор R1, задающий базовый ток, подключен к коллектору транзистора, то ток базы будет уменьшаться, что и приведет к стабилизации тока коллектора. Ток базы в этой схеме можно определить из соотношения
В этой схеме действует ООС по переменному напряжению. Для ее устранения резистор R1 разбивают на две части и замыкают среднюю точку через емкость большой величины на общую шину (на рисунке 8.7б показано пунктиром).