2.6. Термостабілізація режиму каскаду на біполярному

транзисторі

Параметри БТ значною мірою схильні до впливу зовнішніх чинників (температури, радіації і ін.). В той же час, одним з основних параметрів підсилювального каскаду є його стабільність. Перш за все, важливо, щоб в підсилювачі забезпечувався стабільний режим спокою.

Проаналізуємо питання впливу температури на стабільність режиму спокою БТ, конкретно - .

Існують три основні чинники, що впливають на зміні під дією температури: при збільшенні температури, по-перше, збільшується напруга по-друге, зворотний струм колекторного переходу і, в третіх, зростає коефіцієнт .

Для анализа реальный транзистор можно представить в виде идеального, у которого параметры не зависят от температуры, а температурную зависимость смоделировать включением внешних источников напряжения и тока (рисунок 2.16).

Розглянемо вплив цих чинників на приріст струму колектора . Почнемо з впливу зміни викликаного тепловим зсувом прохідних характеристик позначивши при цьому приріст струму колектора як :

,

де - приріст напруги рівне:

| | ,

де  - температурний коефіцієнт напруги (ТКН)

 -3мВ/град., Т - різниця між температурою колекторного переходу

переходу і довідковим значенням цієї температури (зазвичай 25 C):

,

,

де і відповідно, потужність, що розсіюється на колекторному переході в статичному режимі, і тепловий опір “перехід-середовище”:

,

.

Орієнтовне значення теплового опору залежить від конструкції корпусу транзистора і зазвичай для транзисторів малої і середньої потужності лежить в наступних межах:

.

Менший тепловий опір мають керамічні і металеві корпуси, більше - пластмасові.

О тметим, что берется положительным, хотя имеет знак минус, это поясняется на рисунке 2.17.

Визначаємо приріст струму колектора викликаного зміною зворотного (некерованого) струму колектора :

,

де приріст зворотного струму рівно:

,

де  - коефіцієнт показника, для кремнієвих транзисторів =0,13.

Следует заметить, что значение , приводимое в справочной литературе, особенно для транзисторов средней и большой мощности, представляет собой сумму тепловой составляющей и поверхностного тока утечки, последний может быть на два порядка больше тепловой составляющей, и он практически не зависит от температуры. Следовательно, при определении следует пользоваться приводимыми в справочниках температурными зависимостями , либо уменьшать справочное значение примерно на два порядка (обычно для кремниевых транзисторов составляет порядка , и порядка для германиевых, n=(1...9).

Приріст колекторного струму, викликаного зміною визначається співвідношенням:

,

де

Вважаючи, що всі чинники діють незалежно один від одного, запишемо:

.

Для підвищення термостабільності каскаду застосовують спеціальні схеми живлення і термостабілізації. Ефективність таких схем коефіцієнтом термостабільності, який в загальному вигляді представляється як:

.

Враховуючи різний внесок складових різний вплив на них елементів схем термостабілізації, вводять для кожної складової свій коефіцієнт термостабільності, отримуючи вирази для термостабилизированного каскаду:

.

Зазвичай що обумовлене однаковим впливом на і елементів схем термостабілізації:

.

Отримана формула може бути використана для визначення підсилювального каскаду при будь-якій схемі включення в нім БТ.

Розглянемо основні схеми живлення і термостабілізації БТ.

Термостабілізація фіксацією струму бази. Схема каскаду представлена на малюнку 2.18.

визначається співвідношенням:

,

оскільки .

Очевидно, що "фіксується" вибором при цьому ослабляється вплив першого чинника нестабільності струму колектора (за рахунок зсуву прохідних характеристик). Коефіцієнти термостабілізації для цієї схеми такі:

,

.

Звідси видно, що дана схема має малу ефективність термостабілізації ( ).

Колекторна термостабілізація. Схема каскаду представлена на малюнку 2.19а.

визначається співвідношенням:

,

оскільки .

Термостабілізація в цій схемі здійснюється за рахунок негативного зворотного зв'язку (ООС), введеного в каскад шляхом включення між базою і колектором БТ. Механізм дії ООС можна пояснити наступною діаграмою:

,

п етливши ООС

де символами і показано, відповідно, збільшення і зменшення відповідного параметра. Коефіцієнти термостабілізації для цієї схеми:

,

.

З цих формул видно, що дана схема має кращу термостабільність ( і менше одиниці), чим схема з фіксованим струмом бази.

У схемі колекторної термостабілізації ООС впливає і на інші характеристики каскаду, що повинне бути враховане. Механізм впливу даної ООС на характеристики каскаду буде розглянутий далі. Схемні рішення, що дозволяють усунути ООС на частотах сигналу, приведені на малюнках 2.19б,в.

В большинстве случаев, наилучшими свойствами среди простейших (базовых) схем термостабилизации обладает эмиттерная схема термостабилизации показанная на рисунке 2.20.

Ефект термостабілізації в цій схемі досягається:

 фіксацією потенціалу вибором струму базового дільника .

 введенням по постійному струму ООС шляхом включення резистора . На частотах сигналу ця ООС усувається шунтуванням резистора ємкістю .

Напруга визначається як:

.

Механізм дії ООС можна зобразити наступною діаграмою:

п етливши ООС

де символами і показано, відповідно, збільшення і зменшення відповідного параметра. Ескізний розрахунок емітерної схеми термостабілізації малопотужного каскаду можна проводити в наступній послідовності:

 Задамося струмом дільника, утвореного резисторами R і R :

;

 вибираємо ,и визначуваний номінал :

;

 визначуваний потенціал :

;

 розраховуємо номінали резисторів базового дільника:

,

,

де

Коефіцієнти термостабілізації для цієї схеми:

,

.

Тут - паралельне з'єднання резисторів і .

Для каскадів підвищеної потужності слід враховувати вимоги економічності при виборі і .

Аналіз отриманих виразів показує, що для поліпшення термостабільності каскаду слід збільшувати номінал і зменшувати .

Для цілей термостабілізації каскаду іноді використовують термокомпенсацию. Принципова схема каскаду з термокомпенсацией приведена на малюнку 2.21.

Тут в ланцюг бази транзистора включений прямозміщений діод D, температурний коефіцієнт стабілізації напруги (ТКН) якого рівний ТКН емітерного переходу БТ. При зміні температури навколишнього середовища напруга і напруга на діоді мінятиметься однаково, внаслідок чого струм спокою бази залишиться постійним. Застосування цього методу особливе ефективно в каскадах на кремнієвих транзисторах, де основну нестабільність струму колектора породжує (із-за відносної трохи ). Якнайкраща реалізація цього методу термокомпенсации досягається в ІМС, де обидва переходи природним чином локалізуються в межах одного кристала і мають абсолютно однакові параметри. Можливе застосування інших термокомпенсирующих елементів і ланцюгів, наприклад, що використовують поєднання БТ і ПТ. Великий клас ланцюгів, живлячих БТ, складають схеми з двома джерелами живлення, приклад однієї з них приведений на малюнку 2.22.

По суті, це схема емітерної термостабілізації, у якої "жорстко" зафіксований потенціал

Слід зазначити можливість застосування даних схем термостабілізації при будь-якій схемі використання БТ в будь-якій комбінації.