В данных схемах используются элементы сопротивление которых зависит от температуры (например терморезисторы). Один из вариантов такой схемы приведен на Рис. 6.10.
Рис. 6.10 – схема температурной компенсации.
Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) для резистора Rt должен быть меньше 0, для того чтобы при увеличении температуры, напряжение U10 уменьшалось, обеспечивая тем самым устойчивость точки покоя.
Для подбора Rt, его заменяют переменным сопротивлением и снимают зависимость R(t°). После этого выбирают Rt с соответствующей зависимостью.
Терморезистор можно также ставить и вместо RЭ, однако ТКС при этом должен быть больше 0.
Для количественной оценки используют коэффициент температурной нестабильности.
;
где DIК0 – изменение тока коллектора каскада в заданном диапазоне изменения t°
DIК1 – изменение тока коллектора в схеме с идеальной температурной стабилизацией.
Учитывается изменение тока коллектора обусловленное всеми дестабилизирующими факторами. Тогда коэффициент температурной нестабильности (КТН) показывает во сколько раз идеальная схема лучше реальной.
Подставив в выражение для ТКН, выражения описывающие изменения тока коллектора в обеих схемах и приняв в качестве идеальной схемы схему с ОБ (т.к. она обладает большей температурной стабильностью) получим:
.
Если RЭ=RФ=0 то:
.
Следовательно схема с ОЭ, по своей температурной стабильности, в b (»30¸40) раз хуже схемы с ОБ. Однако если RЭ®¥ и RФ®¥ то S=1 и схема с ОЭ по свои температурным характеристикам приближается к схеме с ОБ.
7. Нелинейные искажения транзисторных каскадах.
7.1. Причины нелинейных искажений.
7.2. Входные динамические характеристики каскада.
7.3. Методы расчета нелинейных искажений.
7.1. Причины нелинейных искажений.
Под нелинейными искажениями понимают изменение формы выходного сигнала по отношению ко входному. Эти изменения обусловлены нелинейностью входных и выходных характеристик транзистора.
Степень искажения оценивают при помощи коэффициента искажения g. Для его определения используются сквозную характеристику каскада, которая представляет собой зависимость выходного тока от входного напряжения:
.
Вид сквозной характеристики представлен на Рис. 7.1.
Рис. 7.1 – сквозная характеристика каскада.
IВых можно разложить в ряд Фурье:
.
Полезной является только первая гармоника, остальные определяю искажения:
, , .
Так как гармоники более высокого порядка малы, то достаточно оценивать до 4-ой гармоники.
.
При проектировании усилительного каскада задаются gОбщ и обеспечивают, чтобы искажения в усилителе не превышали заданные. Искажения определяются следующими факторами:
¾ Заданные значения входного напряжения;
¾ Нелинейность входной ВАХ транзистора;
¾ Отношение (должно быть как можно больше, но не превышать 1.5 – 2).
¾ Схема включения транзистора.
Рассмотрим зависимость коэффициента искажений gОбщ от отношения , для различных схем включения транзистора. Эти зависимости приведены на Рис. 7.2.
Рис. 7.2 – Зависимость gОбщ от отношения
(а – для схемы с ОБ, б – для схемы с ОЭ).
Как видно из Рис. 7.2. для схемы с ОБ при увеличении отношения , уменьшается коэффициент искажений, а для схемы с ОЭ это отношение не должно превышать 1.5.
7.2. Входные динамические характеристики каскада.
Нагрузкой транзистора по постоянному току является сопротивление RК которая определяет наклон нагрузочной линии по постоянному току. При работе по переменному току транзистор оказывается нагружен RЭкв=RК½½RН. Так как RЭкв<RК то наклон нагрузочной линии меняется (она имеет более крутой наклон). Это можно показать на выходных характеристиках транзистора (см. Рис. 7.3):
Рис. 7.3 – изменение наклона нагрузочной линии на выходных ВАХ для схемы с ОБ.
Здесь линия (1) – нагрузочная линия по постоянному току, а линия (2) – нагрузочная линия по переменному току. Исходя из принципа суперпозиции, нагрузочную линию по переменному току можно перенести в точку покоя (линия (2') Рис. 7.3).
Связи между входными и выходными параметрами (IЭ с IК,IКБ) осуществляют по нагрузочной линии 2'. В связи с этим можно построить динамические характеристики, т.е. характеристики учитывающие изменение выходного напряжения от изменения входного тока.
Построим динамическую входную характеристику для схемы с ОБ (см. Рис. 7.4):
Рис. 7.4 – построение динамической входной характеристики для схемы с ОБ.
Построение динамической входной характеристики осуществляется путем переноса соответствующих точек нагрузочной линии по переменному току, с входных ВАХ транзистора на входные.
Как видно из Рис. 7.4 динамическая входная характеристика для схемы с ОБ более линейна, чем статические характеристики.
Аналогично для сравнения построим динамическую входную характеристику для схемы с ОЭ (Рис. 7.5):
Рис. 7.5 - построение динамической входной характеристики для схемы с ОЭ.
Видно, что динамическая входная характеристика для схемы с ОЭ более нелинейна, чем статические, а это значит, что схема с ОЭ имеет большие искажения, чем схема с ОБ.
Рассмотрим работу схемы усилителя с источником ЭДС и источником тока. Для этого воспользуемся Рис. 7.6:
Рис. 7.6 – оценка нелинейных искажений усилителя при работе с источником ЭДС и источником тока.
На Рис. 7.6 линия (1) – переходная характеристика;
линия (2) – динамическая входная характеристика.
¾ При работе с источником ЭДС (RВн.Ист®0 следовательно нагрузочная линия на входных ВАХ параллельна оси IЭ), из-за нелинейности динамической входной характеристики происходит искажения формы входного тока, а следовательно резкие искажения выходного тока.
¾ В случае работы с источником тока (RВн.Ист®¥), входной ток не искажается, а следовательно обеспечиваются минимальные искажения выходного тока.
В реальных усилителях имеет место промежуточный вариант (RВн.Ист¹0 конечная величина), угол наклона нагрузочной линии на входных ВАХ определяется RВн.Ист (см. Рис. 7.7).
Рис. 7.7 - искажения усилителя при работе с реальным источником.
7.3. Методы расчета нелинейных искажений.
Для расчета нелинейных искажений используют 2 метода:
¾ В режимах близких к линейному (режим класса "А") применяют метод 5-и ординат;
¾ В нелинейном режиме (режим класса "В") применяют метод углов отсечек.
Рассмотрим метод 5-и ординат:
Зависимость тока коллектора от входного напряжения определяется сквозной характеристикой. И из-за искажений, при синусоидальном входном напряжении, получим несинусоидальный ток коллектора, который можно представить рядом Тейлора:
где .
Для получим:
преобразовав получим:
Для того, чтобы достаточно точно рассчитать нелинейные искажения достаточно определить 4 гармоники. Для этого на сквозной характеристике при 5-и значениях wt получим значения 5-и ординат:
1) ; 2)
3) 4)
5)
Графически это представлено на Рис. 7.8:
Рис. 7.8 – определение 5-и ординат.
По полученным значениям 5-и ординат определим Im1, Im2, Im3, Im4 и DI0К:
;
;
;
;
.
После этого можно рассчитать коэффициент нелинейных искажений:
, , .
.
Заключение:
для расчета нелинейных искажений необходимо:
¾ Рассчитать режим работы каскада по постоянному току, и определить угол наклона нагрузочной линии по переменному току;
¾ На основании выходных ВАХ и нагрузочной линии по переменному току, строят переходную характеристику во втором квадранте;
¾ В третьем квадранте на выходных ВАХ строят динамическую выходную характеристику;
¾ На основании динамической входной и переходной характеристик строится сквозная характеристика сквозная характеристика (для конкретного RВн.Ист);
¾ По сквозной характеристике и заданному EВх (при его значениях +Em, -Em, , и 0) устанавливают конкретные значения 5-и ординат (Imax, Imin, I0K, и ) и по формулам рассчитывают гармоники IК;
¾ Определяют коэффициенты искажений каждой гармоники (до 4-ой) и общий коэффициент искажения. Если gОбщ£gЗад расчет оканчивают, иначе применяют меры для понижения коэффициента искажений( увеличивают RВн.Ист, выбирают другой транзистор или смещают рабочую точку на более линейный участок ВАХ).
;
.
.
.
.
, 
, 
.
.
(должно быть как можно больше, но не превышать 1.5 – 2).
.
получим:
получим:
; 2) 
4) 
;
;
;
;
.
, 
и 0) устанавливают конкретные значения 5-и ординат (Imax, Imin, I0K, 
и 
) и по формулам рассчитывают гармоники IК;