Термостабилизация режима каскада на БТ

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 при этом 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.

Термостабилизация фиксацией тока базы.Схема каскада представлена на рисунке 2.18.

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.

Эффект термостабилизации в этой схеме достигается:

¨ 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 .

Для целей термостабилизации каскада иногда используют термокомпенсацию.Принципиальная схема каскада с термокомпенсацией приведена на рисунке 2.21.

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.