Температурная стабильность усилителя с ОЭ

Рассмотрим три варианта схемы усилителя с ОЭ, отличающиеся величиной напряжения смещения U_Б и, соответственно, напряжением U_Э, и приближенно оценим температурную стабильность каждого из вариантов.

Рис. 6.1. К оценке температурной стабильности вариантов схем усилителя с ОЭ
с разными коэффициентами усиления

Для удобства сравнения схем величины R_Э выбраны в них таким образом, чтобы ток покоя во всех трех вариантах. В этом случае величина R_К во всех вариантах одинакова и обеспечивает выполнение условия симметричности выходного сигнала: . Собственное сопротивление эмиттерного перехода для всех вариантов схем, а коэффициент усиления получается равным 10, 80 и 285 для первого, второго и третьего вариантов соответственно.

Поскольку сопротивление в коллекторе транзистора значительно больше, чем в эмиттере, пренебрежем падением напряжения на эмиттерном сопротивлении. Тогда можно считать, что ток, соответствующий режиму насыщения, для всех схем будет равен: (транзистор полностью открыт, все напряжение источника питания практически падает на ). Увеличению будет соответствовать такое же увеличение , т.е. . Тогда соответствующие напряжения для вариантов схемы будут равны 2 В, 0,2 В и 0,02 В.

Согласно модели Эберса – Молла в транзисторе при фиксированном напряжении на базе с ростом температуры происходит уменьшение на 2,1 мВ/°С и, следовательно, повышение . Однако в первом варианте схемы невозможно повышение до (точнее – до 1,8 В, если не пренебрегать падением напряжения на эмиттерном сопротивлении), так как всегда .

Рис. 6.2. К оценке повышения потенциала эмиттера до величины,
соответствующей насыщению, при фиксированном напряжении смещения U_Б
и уменьшении U_БЭ с ростом температуры

Во втором варианте U_Э.НАС = 0,2 В < U_Б = 0,7 В, т.е. с ростом температуры возможно повышение до U_Э.НАС. Увеличение U_Э до 0,2 В (на 100 мВ) достигается при росте температуры на »47 °С, что соответствует уменьшению U_БЭ на 2,1 мВ/°С ´ 47 °С » 100 мВ.

В третьем варианте U_Э.НАС = 0,02 В < U_Б = 0,61 В также возможно и достигается при росте температуры всего на 5 °С, так как повышение U_Э на 10 мВ соответствует уменьшению U_БЭ на 2,1 мВ/°С ´ 5 °С » 10, 5 мВ.

Данный анализ показывает, что малая величина напряжения смещения U_Б и, соответственно, низкий потенциал эмиттера U_Э негативно влияют на температурную стабильность схемы.

Таким образом, приближенная оценка температурной стабильности усилителя с ОЭ может быть выполнена следующим образом:

1. Определяется .

2. Находится .

3. Определяется разность .

4. Оценивается диапазон изменения температуры для активного режима

Однако такая оценка температурной стабильности становится невозможной для усилителя с заземленным эмиттером, для которого всегда U_Э = 0. Таким образом, при R_Э ® 0 и, соответственно, U_Э ® 0 приращение означает практическую неработоспособность схемы с заземленным эмиттером, что не соответствует реальной действительности. Поэтому для оценки температурной стабильности схемы с заземленным эмиттером, как и в случае оценки коэффициента усиления, следует учитывать собственное сопротивление эмиттера и рассматривать ее как эквивалентную схему с эмиттерным сопротивлением r_Э.

а б

Рис. 6.3.Усилитель с заземленным эмиттером (а) и его эквивалентная схема (б)

В этом случае можно воспользоваться рассмотренной выше методикой, приближенно оценивая по эквивалентной схеме . В результате для усилителя с заземленным эмиттером при и, соответственно, токе покоя в режиме насыщения происходит увеличение тока покоя в два раза, так как . Это означает, что в его эквивалентной схеме возрастает также приблизительно в два раза, т.е. на 25 мВ, поскольку .

Таким образом, , что гарантирует для переход усилителя с заземленным эмиттером в насыщение при изменении температуры на 12 °С. Очевидно, что можно не учитывать лишь при . В противном случае .

Так, для третьего варианта схемы температурная стабильность определяется более точно: и соответственно , а не 5 °С, как было определено без учета .

В заключение отметим, что более строго оценка температурной стабильности должна исходить не из установившегося режима насыщения, а из его начала, при котором усилительные свойства каскада уже начинают пропадать. Поэтому температурный диапазон для усилителя будет несколько ниже, чем полученный по приближенной, рассмотренной выше, оценке.

6.2. Пример расчета усилителя с ОЭ с шунтируемым резистором
эмиттерной цепи и заданным коэффициентом передачи

Шунтирование резистора в эмиттерной цепи позволяет обеспечить одновременно как высокий коэффициент усиления, так и температурную стабильность схемы. Рассматриваемый вариант очень удобен для расчета усилителя с заданным коэффициентом передачи .

На рис. 6.4 приведены схемы с и , которые обладают температурной стабильностью, соответствующей первой схеме рис. 6.1, имеющей .

Рис. 6.4. К расчету схемы с шунтируемым дополнительным резистором в эмиттерной цепи

Методика расчета заключается в следующем:

1. Задаемся током покоя и выбираем таким образом, чтобы .

2. Выбираем таким образом, чтобы обеспечить требуемый , где .

3. Выбираем R¢_Э из условия U_Э = I_ОК(R_Э + R¢_Э) » 0,1 U_К для обеспечения температурной стабильности схемы.

4. Определяем напряжение смещения U_Б = U_Э + 0,6 В (для n-p-n-транзистора).

5. Выбираем сопротивления R₁, R₂ для цепи смещения (на схеме она не показана) с учетом эквивалентного сопротивления делителя R_ДЕЛ = R₁||R₂ £ 0,1 R_Б » » 0,1 b (R_Э + R¢_Э) и с учетом обеспечения требуемого U_Б.

6. Выбираем C_Э из условия |Z_С| = r_Э R¢_Э при .

Следящая связь

Входное сопротивление ЭП и усилителя с ОЭ в основном определяется эквивалентным сопротивлением делителя, задающего смещение. Это сопротивление является, как правило, относительно небольшим.

Так, например, для схемы ЭП, приведенного на рис. 6.5, , где , а . При в данной схеме .

Значительно увеличить схемы для частот сигнала позволяет метод следящей связи. Он заключается в подведении напряжения смещения от делителя к базе транзистора через дополнительный резистор, который через конденсатор соединяется с эмиттером. В результате напряжение и ток сигнала в дополнительном резисторе оказываются равными нулю, а, значит, его сопротивление и соответственно входное сопротивление схемы на частотах сигнала резко возрастают.

Рассмотрим схему ЭП со следящей связью (рис. 6.5). Делитель с эквивалентным сопротивлением создает смещение , которое через дополнительный резистор подводится к базе. Так как ток базы мал, то падение напряжения на пренебрежимо мало.

а б

Рис. 6.5. ЭП (а) и применение для него метода следящей связи (б)

Общее сопротивление , и , приведенное к базе, составляет: при .

Входной сигнал поступает на базу транзистора и одновременно на первый вывод , а при на частотах на второй вывод подается . В результате падение напряжения сигнала на , ток сигнала через него , что эквивалентно , а значит, и всей схемы на частотах сигнала до .

Аналогичным образом следящая связь может быть реализована и в усилителе с ОЭ для повышения его входного сопротивления.