книги из ГПНТБ / Воронков Э.Н. Основы проектирования усилительных и импульсных схем на транзисторах учеб. пособие [для сред. спец. учеб. заведений]

такие факторы, как схема включения и взаимное влияние вход­ ной и выходной цепей транзистора.

На рис. 16.4 представлены вольт-амперные характеристики транзистора (П16) ів зависимости от схемы включения. Кривая первая справа характеризует максимальное напряжение тран­ зистора в схеме «с общей базой» {/„.б, равное напряжению пробоя коллекторного перехода. Кривая первая слева характеризует минимальное пробивное напряжение транзистора ів схеме «с об­ щим эмиттером» t/„.а. Это напряжение значительно меньше на­ пряжения f/к.б и зависит от различных факторов. Это обуслов­ лено большими, чем в схеме ОБ, усилением и связанным с этим более быстрым отпиранием обратным током эмиттерного пере-

ß

разных типов транзисторов имеет различное значение.

Таким образом, при выборе рабочего напряжения транзи­ стора необходимо учитывать, что чем больше коэффициент уси­ ления по току, тем меньше напряжение Ѵа. Между крайними характеристиками Ua и UK,б.о расположены вольт-амперные ха­ рактеристики, соответствующие различным условиям во входной цепи транзистора.

При увеличении сопротивления в цепи базы Re івольт-ампер- ные характеристики будут смещаться к кривой, характеризую­ щей Ua. На рис. 16.5 представлена зависимость отношения

— к'э от сопротивления в цепи базы Re. Как видно из этих б^к.э (/?б= 0)

кривых, если величина Re превышает Re.xp (сопротивление, при

512

жается. В табл. 16.1 приведены значения Я^.кр Для наиболее распространенных типов транзисторов. Как видно из этой таб­ лицы, для транзисторов, изготовленных по диффузионной техно­ логии, величина У?б.Іф выше, чем для сплавных транзисторов.

ратуры окружающей среды (примеры таких зависимостей приве­ дены на рис. 16.7 и 16.8). Для большинства типов транзисторов с ростом температуры окружающей среды предельные напряже­ ния /7І:.Эи Uа резко снижаются, а Uv.б несколько возрастает.

Импульсные перенапряжения нередко бывают опасны, хотя часто сразу не обнаруживаются видимые нарушения работоспо­ собности полупроводниковых приборов. Скрытые изменения свойств приборов, делающие их потенциально ненадежными, все же происходят. Вследствие того, что рабочие объемы полупровод­ никовых приборов очень малы, они могут существенно нагре­ ваться даже за короткое время. Перегреву отдельных совсем jvia-

213

лых участков рабочих областей приборов, кроме того, способст­ вует локализация пробоя за счет имеющихся кристаллических неоднородностей. Локальный перегрев приборов является по­ этому причиной потенциальной ненадежности работы их в им­ пульсных режимах, хотя для некоторых типов полупроводнико­ вых приборов допускается превышение предельных напряжений в импульсном режиме.-

Вследствие всего сказанного рабочее напряжение на коллек­ торе транзистора обычно выбирается ниже предельно допусти­ мого напряжения, взятого с учетом схемы включения, величины запирающего смещения Uо.б резисторов Ra, /?а и емкости Со, а также тем­ пературы окружающей

среды.

равных предельным, не рекомендуется, так как в процессе ра­ боты и хранения пробивное напряжение переходов может умень­ шаться и отсутствие запаса по напряжению приведет в этом слу­ чае к пробою прибора.

Поэтому рекомендуется ограничивать напряжение на коллек­ торе транзистора величиной, не превышающей 0,7 от предельно допустимого с учетом всех рассмотренных факторов.

Рабочее напряжение U3.6 между базой и эмиттером транзи­ стора выбирается из условия, что у транзисторов, изготовленных по сплавной технологии, величина предельно допустимого на­

обычно много меньше £/к.б и составляет величину от нескольких вольт до долей вольта. Для электронных устройств, от которых требуется высокая надежность, рабочее напряжение между эмиттером и базой транзистора выбирается таким, чтобы оно не

214

превышало 0,7 от величины предельно допустимого ІІЭ.б с уче­ том температуры окружающей среды.

При выборе рабочего напряжения на электродах полупровод­ никовых приборов следует учитывать, что при величине напря­ жения питания сравнимой с величиной прямого падения напря­ жения Цщ, (для диодов) или остаточного напряжения в режиме насыщения £/к.п и Uс.п (для транзисторов) резко снижается ста­ бильность схемы.

Рекомендуется выбирать рабочие напряжения, на электродах приборов, по крайней мере, в 5 раз превышающие величины пря­ мого падения напряжения (для диодов) или остаточных напря­ жений в режиме насыщения (для транзисторов).

§16.3. УЧЕТ РАЗБРОСА, НЕСТАБИЛЬНОСТИ

ИДРЕЙФА ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ

Количество исходных материалов, уровень современной тех­ нологии изготовления полупроводниковых приборов не могут обеспечить полную идентичность их параметров. Возможна ва­ риация параметров приборов в зависимости от времени их изго­ товления, не поддающихся учету особенностей технологических процессов. Разброс параметров вокруг номинального значения определяется граничными значениями, указанными в ТУ, откло­ нением в процентах или допуском, ограниченным с одной сто­ роны. В последнем случае имеется в виду то, что отклонение в другую сторону не ухудшает работы практически любой схемы (например, уменьшение / 0бр). Разброс параметров иллюстрируют гистограммы распределения (рис. 16.9), снятие на большом количестве приборов.

Параметры полупроводниковых приборов не остаются неиз­ менными во времени. Под воздействием различных факторов со стороны окружающей среды температура, влага, химические и электрические воздействия и т. д., а также процессов, происхо­ дящих внутри полупроводникового материала — диффузия при­ месей и т. д. наблюдается изменение с той или иной скоростью ■большинства параметров полупроводниковых приборов.

Необходимо различать изменение параметров во времени по характеру проявления. В момент включения и в течение несколь­ ких десятков секунд после подачи электрического режима можно наблюдать отклонение некоторых параметров от номинального значения, так называемая коммутационная нестабильность при включении. Характер нестабильности может быть самым раз­ личным — монотонное убывание, возрастание с уменьшающейся ■скоростью, колебания возле некоторого среднего значения. Неста­ бильность может проявляться и не сразу после включения полу­ проводникового прибора, а на любом этапе его срока службы.

215

У некоторых приборов коммутационная нестабильность мо­ жет также иметь вид резких всплесков тока через обратно сме­ щаемый р—«.-переход; особенно часто это наблюдается в перехо­ дах, изготовляемых методом сплавления. Всплески могут превы­ шать номинальное значение во много раз и действуют в течение 0,1—1 с. Специфической особенностью такой нестабильности

Г восст

является то, что она проявляется только при подаче обратного

быть опасен как для самих приборов, так и для связанных с ним элементов схемы, особенно других полупроводниковых приборов. Например, в схеме, в которой используется последовательное включение, нестабильность обратного тока одного из приборов -может привести к пробою соединенных с ним диодов. Исследова­ ния коммутационной нестабильности на малых временах пока­ зывают, что абсолютное значение выброса тока резко зависит от величины прикладываемого напряжения.

Поэтому для того, чтобы исключить влияние такой нестабиль­ ности на надежность аппаратуры, необходимо снижать величину напряжения. Процессы, вызывающие нестабильность, являются

216

большей частью случайными функциями времени, что не дает возможности полностью отбраковать нестабильные приборы в процессе изготовления. Однако методы контроля технологиче­ ских процессов и параметров полупроводниковых приборов, при­ меняемые в настоящее время, позволяют с большой достовер­ ностью гарантировать сохранение в течение срока службы неста­ бильных параметров в пределах, оговоренных технологическими условиями. У полупроводниковых диодов нестабильности подвер­ жен в основном обратный ток. У транзисторов нестабильными могут быть коэффициент усиления, входное сопротивление, обратный ток. Одной из причин изменения параметров после подачи электрического режима на прибор является разогрев кристалла протекающим током.

Второй тип изменения параметров во времени — деградация является более медленным процессом и проявляется заметно только через длительное время эксплуатации. Деградация ана­ логична старению и носит монотонный характер. Именно дегра­ дация вызывает появление так называемых постепенных или условных отказов полупроводниковых приборов.

Вопросам изменения параметров полупроводниковых прибо­ ров во времени в настоящее время уделяется большое значение. Установлено, что одной из причин изменения является состояние поверхности кристалла и ее взаимодействие с окружающей сре­ дой. Самым действенным способом защиты поверхности от окру­ жающей среды является герметизация корпуса. Однако, даже при полной герметизации имеют место физико-химические про­ цессы, приводящие к нестабильности и дрейфу параметров. Есте­ ственно, что абсолютной герметичности для всех приборов полу­ чить невозможно и, кроме того, она может быть нарушена при несоблюдении правил обращения с полупроводниковыми прибо­ рами, в частности при гибке выводов. При изгибе вывода в не­ посредственной близости к стеклянному изолятору возникающие механические напряжения могут привести к растрескиванию стекла и нарушению герметичности. При этом опасность заклю­ чается в том, что при незначительном нарушении герметичности во время изготовления и испытания аппаратуры катастрофиче­ ского отказа не происходит, но во время эксплуатации такой дефект может проявиться в виде нестабильности параметров. При наличии даже незначительной негерметичности для полу­ проводниковых приборов опасно воздействие спирто-бензиновых смесей, которые обладают намного большей проникающей спо­ собностью, чем вода.

Разброс параметров полупроводниковых приборов, их неста­ бильность и дрейф во времени при конструировании радиоэлек­ тронной аппаратуры могут быть учтены обычными методами, применяемыми для расчета электрических допусков.

Все перечисленные факторы в конечном итоге влияют на отклонение параметров электронного устройства от расчетных,

217

полученных прииспользовании номинальных значений пара­

и произвести необходимый математический анализ, то можно получить связь между отклонением выходного параметра схемы (AN) и отклонением параметров элементов от номинальных IДqi I в виде

схем коэффициенты Л,- могут быть определены численно качест­ венным анализом работы схемы пли экспериментальным методом граничных или матричных испытаний.

Практика показывает, что при детальном анализе работы любой схемы, как правило, можно ограничиться рассмотрением лишь нескольких из общей совокупности параметров элемента,

туациями. Параметры элементов, влияющие на параметры схемы, называют параметрами-критериями.

При конструировании узла или блока необходимо всегда иметь в виду, что часто один и тот же класс схем может харак­ теризоваться различными параметрами-критериями элементов, входящих в него. При этом может оказаться, что путем тех или иных принципиальных изменений схема может быть сделана некритичной к параметрам, проявляющим наибольшую тенден­ цию к нестабильности.

Для обеспечения надежной работы электронных устройств, целесообразно строить схемы отдельных узлов так, чтобы пара­ метрами-критериями для них были параметры полупроводнико­ вых приборов, которые наиболее стабильны во времени, имеют наименьший технологический разброс и меньше зависят от тем­ пературы.

Стабилизация схем на полупроводниковых приборах

Чтобы сохранить величины выходных параметров схем на полупроводниковых приборах в заданных пределах при имею­ щихся условиях эксплуатации, необходимо принять специаль­ ные меры по стабилизации условий работы диодов и транзисто-

218

ров. Как правило, это достигается за счет увеличения числа эле­ ментов схемы.

При решении задачи стабилизации схемы на полупроводни­ ковых приборах необходимо учитывать всю совокупность деста­ билизирующих факторов. В большинстве случаев для полупро­ водниковой схемы дестабилизирующими факторами являются: изменение температуры окружающей среды, изменение темпера­ туры переходов полупроводниковых приборов за счет выделяе­ мой на них мощности, изменение параметров приборов во вре­ мени, действие радиации. В числе дестабилизирующих факторов необходимо также учитывать производственный разброс пара­ метров полупроводниковых приборов, без чего не может быть обеспечена их взаимозаменяемость в электронных схемах.

В общем случае существо задачи стабилизации состоит в со­ здании таких условий; при которых изменение параметров тран­ зисторов минимально сказывается на изменении выходных пара­ метров схемы.

Задача температурной стабилизации состоит в сохранении тепловой устойчивости полупроводниковых приборов и в сведе­ нии к минимуму влияния изменений их параметров под воздей­ ствием температуры на выходные параметры схемы.

Температурная стабилизация полупроводниковой схемы, являющаяся необходимой предпосылкой обеспечения ее надеж­ ной работы, не гарантирует стабильностивыходных параметров схемы при действии всех дестабилизирующих факторов’.

Из изложенного следует, что для обеспечения надежности целесообразно пользоваться методами стабилизации, обладаю­ щими известной универсальностью. С этой точки зрения, для уси­ лительных схем наиболее эффективна стабилизация обратной связью по переменному и постоянному току.

Основные способы температурной стабилизации

1. Питание цепи эмиттера от генератора постоянного тока обеспечивает стабильность режима транзисторного каскада при действии всех дестабилизирующих факторов с точностью до не­ скольких процентов (рис. 16.10).

Схема включения транзисторов по постоянному току, пока­ занная на рис. 16.10, может быть реализована, если сопротивле­ ние постоянному току источника сигнала близко к нулю. Рас­ смотренные схемы стабилизации режима по постоянному току требуют двух источников питания. Схема, показанная на рис. 16.11, свободна от этого недостатка. Величины номиналов схемы рекомендуется выбирать так, чтобы'5 находился в преде­ лах 2—3 (см. § 4.3). В приведенных схемах режим стабилизи­ руется за счет отрицательной обратной связи по току эмиттера. Характерной особенностью их является наличие достаточно боль-

219

шого сопротивления в цепи эмиттера, которое в усилителях переменного тока необходимо шунтировать емкостью.

Учитывая, что выходное сопротивление транзистора со сто­ роны эмиттера бывает, как правило, мало и составляет десятки, а иногда единицы Ом, для усиления низких частот требуется большая емкость в цепи эмиттера. В ряде случаев в многокас­ кадных усилителях применение нескольких конденсаторов боль­ шой емкости неприемлемо по конструктивным соображениям.

транзистора по постоянному току

всхеме с общей базой

2.Стабилизация обратной связью по напряжению коллектора.

Всхеме, приведенной на рис. 16.12, режим стабилизируется обратной связью по напряжению коллектора. Если по перемен­ ному току желательно эту обратную связь устранить, то это мо­ жет быть достигнуто применением значительно меньшей емкости, вполне приемлемой конструктивно, поскольку величина выход­ ного сопротивления в этом случае [і?21І (^і+ ^к)] на два порядка больше выходного сопротивления транзистора со стороны эмит­

тера. Применение двух источников питания в данном случае может быть вполне оправдано отсутствием больших емкостей

всхеме.

3.Стабилизация усилителя с гальванической связью введе­ нием глубокой отрицательной обратной связи по постоянному напряжению. На рис. 16.13 показана схема усилителя, в котором режим, стабилизируется данным методом. Действие отрицатель­

ной обратной связи по переменному напряжению сводится к нулю с помощью емкости С]. Использование стабилитронов-

220

обеспечивает минимальные потери мощности в цепях межкас­ кадной связи.

4. Включение в цепь базы транзистора (между базой и эмит­ тером) сопротивления минимально возможной величины для обеспечения стабильности схемы в широком диапазоне температур.

Обычно для транзистора малой мощности величина сопротивления в цепи базы не должна превышать не­ сколько тысяч Ом, для мощ­ ных транзисторов — несколь­ ко Ом. Чем больше величи­ на сопротивления в цепи базы, тем значительнее из­ менения электрического ре­ жима при изменениях тем­ пературы и тем меньше до­ пустимые коллекторные на­ пряжения.

При нестационарных про­ цессах индуктивность в цепи

базы может оказывать очень большое сопротивление току базы. . Вслёдствие этого применение индуктивности в цепи базы при работе с короткими импульсами или импульсами с крутыми фронтами также вызывает большие сопротивления в цепи базы.

Рис. 16. 13. Стабилизация усилителя с гальванической связью посредством введения отрицательной обратной связи по постоянному напряжению

5. Использование в схемах специальных температурозависи­ мых элементов (например, термисторов или диодов) для, ком­ пенсации температурных изменений параметров полупроводни­ ковых приборов.

221