Термостабилизация режима каскада на биполярном транзисторе

Параметры БТ в значительной мере подвержены влиянию внешних факторов (температуры, радиации и др.). В то же время, одним из основных параметров усилительного каскада является его стабильность. Прежде всего, важно, чтобы в усилителе обеспечивался стабильный режим покоя.

Проанализируем вопрос влияния температуры на стабильность режима покоя БТ, конкретно - .

Существуют три основных фактора, влияющих на изменении под действием температуры: при увеличении температуры, во-первых, увеличивается напряжение , во-вторых, обратный ток коллекторного перехода , и, в третьих, возрастает коэффициент .

Рассмотрим влияние этих факторов на приращение тока коллектора . Начнем с влияния изменения , вызванного тепловым смещением проходных характеристик , обозначив приращение тока коллектора как :

,

где - приращение напряжения , равное:

|e | ,

где e - температурный коэффициент напряжения (ТКН),

e -3мВ/град., Т - разность между температурой коллекторного перехода

перехода и справочным значением этой температуры (обычно 25 C):

,

,

где и соответственно, мощность, рассеиваемая на коллекторном переходе в статическом режиме, и тепловое сопротивление “переход-среда”:

,

.

Ориентировочное значение теплового сопротивления зависит от конструкции корпуса транзистора и обычно для транзисторов малой и средней мощности лежит в следующих пределах:

.

Меньшее тепловое сопротивление имеют керамические и металлические корпуса, большее - пластмассовые.

Определяем приращение тока коллектора , вызванного изменением обратного (неуправляемого) тока коллектора :

,

где приращение обратного тока равно:

,

где a - коэффициент показателя, для кремниевых транзисторов a=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).

Приращение коллекторного тока, вызванного изменением , определяется соотношением:

,

где , отн. ед./град.

Полагая, что все факторы действуют независимо друг от друга, запишем:

.

Для повышения термостабильности каскада применяют специальные схемы питания и термостабилизации. Эффективность таких схем коэффициентом термостабильности, который в общем виде представляется как:

.

Учитывая различный вклад составляющих , разное влияние на них элементов схем термостабилизации, вводят для каждой составляющей свой коэффициент термостабильности, получая выражения для термостабилизированного каскада:

.

Обычно , что обусловлено одинаковым влиянием на и элементов схем термостабилизации:

.

Полученная формула может быть использована для определения усилительного каскада при любой схеме включения в нем БТ.

Рассмотрим основные схемы питания и термостабилизации БТ.

определяется соотношением:

,

т.к. .

Очевидно, что "фиксируется" выбором , при этом ослабляется влияние первого фактора нестабильности тока коллектора (за счет смещения проходных характеристик). Коэффициенты термостабилизации для этой схемы таковы:

,

.

Отсюда видно, что данная схема имеет малую эффективность термостабилизации ( ).

Коллекторная термостабилизация. Схема каскада представлена на рисунке 2.19а.

определяется соотношением:

,

т.к. .

Термостабилизация в этой схеме осуществляется за счет отрицательной обратной связи (ООС), введенной в каскад путем включения между базой и коллектором БТ. Механизм действия ООС можно пояснить следующей диаграммой:

,

петля ООС

где символами и показано, соответственно, увеличение и уменьшение соответствующего параметра. Коэффициенты термостабилизации для этой схемы:

,

.

Из этих формул видно, что данная схема имеет лучшую термостабильность ( и меньше единицы), чем схема с фиксированным током базы.

В схеме коллекторной термостабилизации ООС влияет и на другие характеристики каскада, что должно быть учтено. Механизм влияния данной ООС на характеристики каскада будет рассмотрен далее. Схемные решения, позволяющие устранить ООС на частотах сигнала, приведены на рисунках 2.19б,в.

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

¨ фиксацией потенциала выбором тока базового делителя .

¨ введением по постоянному току ООС путем включения резистора . На частотах сигнала эта ООС устраняется шунтированием резистора емкостью .

Напряжение определяется как:

.

Механизм действия ООС можно изобразить следующей диаграммой:

петля ООС

где символами и показано, соответственно, увеличение и уменьшение соответствующего параметра. Эскизный расчет эмиттерной схемы термостабилизации маломощного каскада можно проводить в следующей последовательности:

¨ Зададимся током делителя, образованного резисторами R и R :

;

¨ выбираем ,и определяем номинал :

;

¨ определяем потенциал :

;

¨ рассчитываем номиналы резисторов базового делителя:

,

,

где , определяется при расчете сигнальных параметров каскада.

Коэффициенты термостабилизации для этой схемы:

,

.

Здесь - параллельное соединение резисторов и .

Для каскадов повышенной мощности следует учитывать требования экономичности при выборе и .

Анализ полученных выражений показывает, что для улучшения термостабильности каскада следует увеличивать номинал и уменьшать .

Здесь в цепь базы транзистора включен прямосмещенный диод D, температурный коэффициент стабилизации напряжения (ТКН) которого равен ТКН эмиттерного перехода БТ. При изменении температуры окружающей среды напряжение и напряжение на диоде будет меняться одинаково, в результате чего ток покоя базы останется постоянным. Применение этого метода особенно эффективно в каскадах на кремниевых транзисторах, где основную нестабильность тока коллектора порождает (из-за относительной малости ). Наилучшая реализация этого метода термокомпенсации достигается в ИМС, где оба перехода естественным образом локализуются в пределах одного кристалла и имеют совершенно одинаковые параметры. Возможно применение других термокомпенсирующих элементов и цепей, например, использующих сочетания БТ и ПТ. Большой класс цепей, питающих БТ, составляют схемы с двумя источниками питания,пример одной из них приведен на рисунке 2.22.

По сути, это схема эмиттерной термостабилизации, у которой "жестко" зафиксирован потенциал , , а .

Следует отметить возможность применения данных схем термостабилизации при любой схеме использования БТ в любой комбинации.