Температурная стабилизация усилителей

Характеристики транзисторов сильно зависят от температуры по следующим причинам:

1. За счет термогенерации резко увеличивается число неосновных носителей, что может вывести режим усилителя за пределы линейных участков.

2. При изменении температуры меняются коэффициенты передачи тока a и b.

3. С ростом температуры экспоненциально увеличивается обратный ток коллектора:

где А=0,09 — для германиевых транзисторов, а А=0,13 — для кремниевых. Проходя по переходу база-коллектор, I_ко вызывает дополнительное смещение рабочей точки. Поэтому работа с фиксированным смещением, как показано на рис. 2.9, допустима лишь в случаях, когда температурные условия эксплуатации транзистора стабильны. Для большинства же технических средств промышленной электроники необходимо работать в широком температурном диапазоне.

Коэффициент нестабильности S является показателем изменения положения точки покоя усилителя при изменении температуры и от разброса параметров транзистора. Для увеличения стабильности положения точки покоя используют специальные схемы формирования смещения транзистора.

Эмиттерная стабилизация иллюстрируется рис. 2.13. В цепь эмиттера транзистора врезается резистор R_эпадение напряжения на котором R_эI_э образует напряжение отрицательной обратной связи по постоянному току I_к:

Увеличение эмиттерного тока из-за роста температуры приводит к увеличению напряжения обратной связи, что автоматиче­ски уменьшит U_бэ и призакроет транзистор. Такая стабилизация не устраняет совсем нестабильность положения точки покоя, но сильно ее уменьшает. Коэффициент нестабильности схемы с эмиттером стабилизацией:

где .

Стабильность тем лучше, чем больше R_э, и меньше R. На практике R_э = (0,1–0,3) R_к. Схема используется при колебаниях температуры до 100°С. Недостаток эмиттерной стабилизации — снижение коллекторного напряжения за счет падения напряжения на R_э. Для компенсации этого снижения приходится повышать E_к.

Эмиттерная емкость С_э шунтирующая резистор R_э, устраняет влияние отрицательной обратной связи на коэффициент усиления. Она выбирается такой, чтобы на самых низких усиливаемых частотах X_сэ << R_э.

При отсутствии стабилизации S = (l+b) очень велико. В идеальной стабильной схеме S = 1. Практически приемлемо S = 2–7.

Коллекторная стабилизация показана на рис. 2.14. В этой схеме напряжение отрицательной обратной связи подается через R_б, которое одновременно обеспечивает смещение транзистора:

Если в схеме эмиттерной стабилизации используется обратная связь по току, то в схеме коллекторной стабилизации — обратная связь по напряжению. Эта обратная связь эффективна лишь при достаточно больших R_к и обеспечивает удовлетворительную стабилизацию точки покоя при изменении температуры не более чем на 20–30°С.

Для того чтобы переменная составляющая коллекторного напряжения не попадала в цепь базы и не ослабляла усиления, R_б разбивают на два резистора и включают фильтрующую емкость С_ф (рис. 2.15). Емкость можно подключить к любому полюсу источника питания. При этом величина емкости выбирается из условия:

где w_н — низшая частота усилителя.

Схема коллекторной стабилизации менее эффективна, чем эмиттерная, но в ней не происходит снижения U_к.

Наилучшей стабильностью обладают усилители, содержащие цепи как эмиттерной, так и коллекторной стабилизации. На рис. 2.16 показан вариант реализации схемы с коллекторной и эмиттерной стабилизацией. Здесь меньшая часть коллекторного сопротивления выделена в R_ф. При этом наряду с коллекторной стабилизацией осуществляется фильтрация коллекторного питания.

Рассмотренные методы стабилизации рабочей точки не всегда обеспечивают достаточную стабильность в широком диапазоне температур и при разбросе параметров транзисторов. В связи с этим разработаны схемы стабилизации усилителей с использованием нелинейных термочувствительных элементов: терморезисторов, полупроводниковых диодов и транзисторов. Такие элементы могут включаться как в цепь коллектора, так и в цепь базы. При этом параметры термозависимого элемента подбираются такими, чтобы компенсировать изменение тока I_к или напряжения U_к. С этой целью последовательно или (и) параллельно с термосопротивлением включают дополнительные резисторы для подгонки параметров.

Часто в качестве термокомпенсирующего элемента используют полупроводниковые диоды, работающие в нелинейной части своей характеристики. Нелинейность диода близка к нелинейности транзистора, поэтому стабилизация получается удовлетворительной. Схема с использованием термостабилизирующего диода показана на рис. 2.17. В этой схеме диод смещен в прямом направлении и при изменении температуры на нем будет меняться величина падения напряжения в прямом направлении.

Полная термокомпенсация усилителей на практике затруднена из-за невозможности полностью синхронизировать температуру транзистора и термокомпенсирующего элемента.

2.5. Усилительный каскад на транзисторе по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель)

Схема отличается от усилителя с ОЭ отсутствием коллекторного резистора R_к и эмиттерной емкости С_э (рис. 2.18). Выходной сигнал снимается с R_э. Каскад обладает стопроцентной отрицательной обратной связью по напряжению. Резисторы смещения R_б¢. и R_б " определяют ток смещения в цепи базы. Его выбирают таким, чтобы рабочая точка покоя находилась на середине линейного участка выходной вольтамперной характеристики. Иногда с целью повышения входного сопротивления резистора R_б¢ не ставят вообще. Схема называется эмиттерным повторителем, т.к. выходное напряжение совпадает с входным по фазе и почти равно ему по амплитуде. Эмиттерный повторитель представляет интерес не как усилительное устройство, а как схема согласования сопротивления, т.к. он обладает высоким входным и низким выходным сопротивлениями.

Схема замещения ненагруженного каскада приведена на рис. 2.19. Работа каскада описывается системой уравнений:

Решая эту систему относительно U_вых, получим:

Следовательно, U_вых всегда меньше U_вх, а это значит, что схема не усиливает напряжение, K_U <1.

Для нагруженного каскада с учетом внутреннего сопротивления источника сигнала R_вн выражение для коэффициента усиления имеет вид:

Практически K_U = 0,9–0,99.

Входное сопротивление каскада:

Т.к. K_U » 1, то входное сопротивление каскада R_вх, намного больше входного сопротивления транзистора h₁₁. Обычно значения R_вх составляют сотни килоом.

Выходное сопротивление каскада:

Для распространенных транзисторов R_вых эмиттерных повторителей составляет десятки Ом. Большое входное и малое выходное сопротивления являются достоинством схемы, которая может быть использована для согласования усилителей с низкоомной нагрузкой. При этом каскад ОК ставится в качестве оконечного каскада многокаскадного усилителя. Он может также использоваться в первом каскаде для согласования усилителя с высокоомным источником сигнала.

Температурная стабилизация каскада ОК происходит автоматически за счет наличия отрицательной обратной связи по выходному напряжению.

Коэффициент усиления каскада по току велик:

В режиме холостого хода:

Для увеличения входного сопротивления и усиления по току в схемах эмиттерного повторителя может использоваться составной транзистор, как это показано на рис. 2.20. В таком каскаде ; ; . Здесь b₁ и b₂ коэффициенты усиления транзисторов Т₁ и T₂.