10.3.3. Схемы с температурной стабилизацией

На рис. 10.10,а представлена схема с коллекторной стабилизацией. Её отличие от схемы (рис. 10.8) состоит в том, что резистор R_б подключен к коллекторному выводу транзистора с напряжением U_кэо, а не к источнику питания U_ип. В этом случае ток смещения I_бо определяется так

.

Физический смысл коллекторной температурной стабилизации заключается в следующем. При повышении температуры коллекторный ток увеличивается, а коллекторное напряжение U_кэо уменьшается. Это приводит к уменьшению потенциала базы, а следовательно, к уменьшению тока базы I_б и коллекторного тока I_ко, который стремится к своему первоначальному значению. Таким образом, это приводит к существенному ослаблению влияния температуры на характеристики усилительного каскада.

Наиболее эффективной является схема с эмиттерной температурной стабилизацией (рис. 10.10,б). Повышение температуры увеличивает ток I_ко, что приводит к увеличению эмиттерного тока . Увеличивается падение напряжения на R_э, с указанной на рис. 10.10,б полярностью. При этом потенциал эмиттера увеличивается, а напряжение база–эмиттер U_бэо уменьшается. Абсолютное значение напряжения U_бэо в такой схеме определяется выражением

.

Это приводит к уменьшению напряжения на эмиттерном переходе, что вызывает уменьшение базового тока I_бо. В результате чего ток коллектора I_ко так же уменьшается, стремясь возвратиться к своему первоначальному значению.

Введение резистора R_э при отсутствии конденсатора С_э изменяет работу усилительного каскада не только в режиме покоя, но и при наличии входного сигнала. Переменная составляющая эмиттерного тока создает на резисторе R_э падение напряжения, так называемое напряжение обратной связи, которое уменьшает усиливаемое напряжение, подводимое к транзистору

.

Коэффициент усиления усилительного каскада будет уменьшаться. Для ослабления влияния отрицательной обратной связи по переменному току параллельно резистору R_э включается конденсатор С_э. Емкость конденсатора С_э выбирают таким образом, чтобы в полосе пропускания усилителя его сопротивление было много меньше R_э. При этом падение напряжения на параллельном соединении R_э и С_э от переменной составляющей тока эмиттера будет незначительным.

Таким образом режим покоя можно обеспечить следующим:

– задание требуемого тока базы с помощью резистора R_б с большим сопротивлением (рис. 10.8);

– задание потенциала базы с помощью делителя напряжения R₁, R₂ или получение I_бо за счет включения R_э.

10.4. Стабильность рабочей точки

Разброс параметров транзисторов одной серии значительно затрудняет проектирование стабильных усилительных устройств. Кроме того параметры биполярных транзисторов сильно зависят от внешних факторов: изменения температуры; радиационного воздействия. Все это приводит к смещению рабочей точки на ВАХ.

Качество температурной стабилизации схемы определяется выбором положения исходной рабочей точки и ее стабильностью при изменении температуры. На стабильность рабочей точки при увеличении температуры сильное влияние оказывают: обратный ток коллекторного перехода I_кбо, который возрастает; напряжение U_бэо, которое уменьшается; коэффициент передачи тока базы, который так же возрастает.

Поэтому температурную нестабильность схемы можно оценить полным приращением тока коллектора по формуле

, (10.13)

. (10.14)

Исходя из (10.14) запишем

. (10.15)

Подставив в (10.15) значение приращения тока базы I_б, получим уравнение

, (10.16)

где  – коэффициент токораспределения;

,

решив которое относительно I_к, найдем

. (10.17)

Величину называют коэффициентом температурной нестабильности.

Коэффициент температурной нестабильности показывает, во сколько раз изменение тока покоя больше в данном каскаде, чем в идеальном стабилизированном устройстве. Чем меньше S, тем стабильнее усилительный каскад.

Учитывая, что , полное приращение коллекторного тока с учетом коэффициента нестабильности будет равно

. (10.18)

Формула (10.18) может быть использована для определения I_к усилительного каскада для любой схемы включения биполярного транзистора.

Выполнив анализ коэффициент нестабильности, получим предельные значения S. При _б=1, S_мин=h_21б, каскад будет обладать наилучшей стабильностью, а при _б=0, S_макс=h_21э, каскад будет обладать плохой стабильностью. Таким образом, в зависимости от соотношения R_э и R_б значение коэффициента температурной нестабильности изменяется от h_21б до h_21э. Следовательно, для получения максимальной стабильности нужно стремиться к выполнению условия _б=1 или к выполнению неравенства

. (10.19)

Выполнение условия (10.19) является желательным при создании стабильных усилительных каскадов, однако уменьшение значения сопротивления R_б ограничивается снижением входного сопротивления усилительного каскада. На практике удовлетворительные результаты получаются при , которым соответствует и .

Приращение коллекторного тока за счет изменения напряжения U_бэо учитывается в (10.18) слагаемым , причем , где  – ТКН, являющийся отрицательной величиной, что учитывается в выражении (10.18) знаком минус перед U_бэо. Это указывает на то, что с ростом температуры, изменение U_бэо приводит к уменьшению приращения коллекторного тока.

Изменение коллекторного тока I_к за счет приращения коэффициента усиления транзистора по току учитывается h_21э, обычно .