5. Температурные свойства транзистора. Оценка термостабильности

Внешние температурные воздействия способны значительно сместить положение рабочей точки транзистора и изменить параметры каскада. Для определения температурной нестабильности тока коллектора или расчета номиналов элементов цепей питания, обеспечивающих заданную температурную нестабильность, должны быть известны пределы изменения температуры p-n перехода БТ. При отсутствии радиатора, что характерно для слаботочных БТ, температураp-n перехода определяется как , где− температура окружающей среды, − тепловое сопротивление промежутка переход-окружающая среда (справочный параметр БТ [7, 8]), − постоянная рассеиваемая мощность коллектора в рабочей точке.

В диапазоне рабочих температур каскада от дотемпература перехода будет изменятся в интервале отдо:

, . (57)

Значение не должно превышать предельного справочного значения температурыp-n перехода.

Влияние температуры на статические характеристики БТ определяется следующими факторами.

1. Изменение коэффициента передачи тока базы

С повышением температуры перехода параметрувеличивается на (0,3…0,4)% на 1º сверх 25ºС и уменьшается на (0,15…025)% на 1º при ее понижении, считая от 25ºС. Крайние в интервале температур значения равны

, .(58)

При этом изменение коэффициента передачи тока в интервале температур

. (59)

Номинальное значение коэффициента передачи тока определяется как среднее геометрическое его справочных величини[7, 8]:.

2. Изменение обратного тока коллектора

Обратный тока коллектора БТ зависит от температуры перехода нелинейно , и его изменениенаходиться как

, (60)

где − значение обратного тока коллектора при температуре 25º (справочный параметр БТ [7, 8]).

Изменения обратного тока коллектора и коэффициента передачи тока базы вызывают изменение тока коллектора, равное . Так как, то

.

Полученное выражение можно записать в виде , где

. (61)

Следовательно, температурные изменения обратного тока коллектора и коэффициента передачи тока базы по своему воздействию на усилительный каскад равноценны изменению тока базы на величину. Таким образом, температурную реакцию усилительного каскада, обусловленную приведенными выше двумя факторами нестабильности, можно эквивалентно отобразить фиктивным источником токав цепи базы идеального БТ на рис. 36.

Резистор характеризует сопротивление цепей питания, подключенных к базе. Величина этого сопротивления определяется в соответствии с рис. 37.

Из-за наличия базового делителя напряжения часть тока фиктивного источника тока (рис. 36) ответвляется в сопротивление , а через вывод базы протекает оставшаяся доля, пропорциональная, гдевходное сопротивление транзистора. Эта часть температурного тока базы управляет током коллектора, который в этих условиях изменяется на

.(62)

3. Тепловое смещение напряжения перехода база-эмиттер

При повышении тепературы перехода база-эмиттер БТ характеристика прямой передачи смещается почти параллельно со скоростью 2,1 мВ на 1º изменения температуры (рис. 38). То есть с ростом температуры те же значениясоответствуют меньшим значениям напряжениях. Эффект теплового смещения характеристики можно выразить в эквивалентной форме, считая саму характеристику неподвижной (т.е. БТ− идеальным), а его температурную реакцию моделируя фиктивным источником постоянного напряжения в базовой цепи (рис. 39), величина которого

. (63)

Тепловое смещение напряжения базы вызывает изменение коллекторного тока. Поскольку в реальной схеме имеются цепи питания базовой цепи (), часть напряжения источникабудет падать на сопротивлении, а на база-эмиттерный переход попадет оставшаяся его часть, пропорциональная. Поэтому результирующее изменение тока коллектора определяется как

.(64)

Итоговая температурная нестабильность коллекторного тока находится как сумма всех нестабильностей, вызванныхизменениями обратного тока коллектора, коэффициента передачи тока базы и тепловым смещением напряжения перехода база-эмиттер,

.(65)

Для расчета температурной нестабильности более сложных схем используют тот же подход, просто учитывая в моделях на рис. 36 и рис. 39 дополнительные элементы схемы. Например, для схемы с эмиттерной термостабилизацией (рис. 20, 25) эквивалентная схема реакции каскада на температурное воздействие будет выглядеть, как показано на рис. 40.

Заметим, что при пересчете во входную цепь сопротивление увеличилось враза. Это отражение того факта, что напряжение напропорционально.

При наличии часть теплового изменения напряжения базыи тока базы, приходящаяся на сопротивление(входное сопротивление транзистора), будет значительно меньше, чем в случае его отсутствия. То есть с ростомувеличивается температурная стабильность каскада. Нестабильность коллекторного тока для такой схемы находится как сумма нестабильностей, вызванных влияниеми, с учетом коэффициентов деления, обусловленных наличиеми

.

Приведя подобные, получим

. (66)

Улучшить термостабильность каскада можно путем оптимизации значений сопротивлений и. Но если свсе ясно сразу – с ростом значениятермостабильность увеличивается, то длятакой однозначности нет. Уменьшениеснижает влияние на каскад нестабильности базового тока, но одновременно увеличивается чувствительность каскада к изменению. Увеличениеприводит к обратной ситуации. Очевидно, чтонеобходимо выбирать учитывая соотношения значений величин,,. Для оценки влияниянапредставим (66) в виде

.

Анализируя числитель и знаменатель, видим что для снижения при, т.е. присопротивлениенадо брать как можно меньшим и наоборот.

При расчете каскада с учетом термостабильности в исходных данных задается параметр − максимально допустимый коэффициент нестабильности коллекторного тока в процентах.Оптимизацию значений ив каскаде осуществляют до тех пор, пока полученный коффициент температурной нестабильности не станет меньше допустимого, либо пока не будет выяснено, что данное схемотехническое решение не позволяет получить нужной термостабильности.

Приведем алгоритм расчета усилительного каскада с учетом требований термостабильности на примере каскада с эмиттерной термостабилизацией (рис. 20, 25).

1. Рассчитывается .

2. Задается ток в цепи базового делителя .

3. Рассчитываются значения сопротивлений базового делителя и.

4. Определяется температурная нестабильность коллекторного тока и коэффициент температурной нестабильности.

5. Если полученный , увеличиваем сопротивлениев (1,5…2) раза. Чем выше значение, тем меньше становиться температурная нестабильность. С другой стороны с ростомуменьшается максимальная амплитуда выходного напряжения каскада. Поэтому пределы увеличенияполностью определяются требованиями к максимальному уровню выходной амплитуды сигнала. Единственный способ увеличить, не снижая уровня выходного сигнала, – повысить напряжение питания.

6. Для новых, больших значений повторяем расчет сопротивлений плеч базового делителя и коэффициента температурной нестабильностипока не уложимся в требование, либо пока не достигнем максимально допустимого значения. Эти расчеты удобно осуществлять в математической программеMathCAD, в которой единожды введенные формулы автоматически пересчитываются при новых исходных данных.

7. Если увеличение до максимальных значений не привело к выполнению требований по термостабильности, пробуем оптимизировать сопротивления делителяи. При выполнении условия росту термостабильности способствовует увеличение сопротивления. Для этого нужно уменьшать ток базового делителя. Здесь мы ограничены условием. Еслиросту термостабильности будет способствовать снижение сопротивленияДля этого нужно увеличивать ток делителя. Ограничением для снижения сопротивленияявляются требования к потребляемому каскадом току ( растет – растет и общий потребляемый ток). Другие ограничения связаны со снижением сквозного коэффициента усиления, поскольку низкое значение сопротивления будет шунтировать входной сигнал.

8. Если оптимизация ине привела к выполнению требований по термостабилизации, нужно использовать другие схемы стабилизации рабочей точки.