Книга: Схемотехника аналоговых электронных устройств

2.6. Термостабилизация режима каскада на биполярном транзисторе

2.6. 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 — Iк0.

Существуют три основных фактора, влияющих на изменении Iк0 под действием температуры: при увеличении температуры, во-первых, увеличивается напряжение Uбэ0, во-вторых, обратный ток коллекторного перехода Iкбо, и, в третьих, возрастает коэффициент H21э.


Рисунок 2.16. Тепловая модель БТ

Для анализа реальный транзистор можно представить в виде идеального, у которого параметры не зависят от температуры, а температурную зависимость смоделировать включением внешних источников напряжения и тока (рисунок 2.16).

 Рассмотрим влияние этих факторов на приращение тока коллектора ?Iк0. Начнем с влияния изменения Uбэ0, вызванного тепловым смещением проходных характеристик Iк=f(Uбэ), обозначив при этом приращение тока коллектора как ?Iк01:

?Iк01 = S0·?UбТ ,

где ?UбТ — приращение напряжения Uбэ0, равное:

?UбТ = |?T|·?Т,

где ?T — температурный коэффициент напряжения (ТКН),

?T ? –3мВ/град., ?Т — разность между температурой коллекторного перехода перехода Tпер и справочным значением этой температуры Tспр (обычно 25°C):

?Т = Tпер – Tспр,

Tпер = Tсред + PкRT,

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

Pк = Iк0·Uк0,


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

RT = (0,1…0,5) град./мВт.

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

Отметим, что ?Iк01 берется положительным, хотя ?T имеет знак минус, это поясняется на рисунке 2.17.


Рисунок 2.17. Тепловое смещение проходных характеристик БТ

Определяем приращение тока коллектора ?Iк02, вызванного изменением обратного (неуправляемого) тока коллектора ?Iкбо:

?Iк02 = ?Iкбо·(H21э + 1),

где приращение обратного тока ?Iкбо равно:

?Iкбо = Iкбо(Tспр)·[exp(??T) – 1],

где ? — коэффициент показателя, для кремниевых транзисторов ?=0,13.

Следует заметить, что значение Iкбо, 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 ?Iк02 следует пользоваться приводимыми в справочниках температурными зависимостями Iкбо, либо уменьшать справочное значение Iкбо примерно на два порядка (обычно Iкбо для кремниевых транзисторов составляет порядка (n·10-7n·10-6) А, и порядка (n·10-6n·10-5) А для германиевых, n=(1…9).

Приращение коллекторного тока, вызванного изменением H21э, определяется соотношением:

?Iк03 = H21э·(Iкбо + Iб0),

где ?H21э = kT·H21э·?T, kT ? 0,005 отн. ед./град.

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

?Iк0 = ?Iк01 + ?Iк02 + ?Iк03.

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

ST = ?Iк0 стаб/?Iк0.

Учитывая различный вклад составляющих ?Iк0, разное влияние на них элементов схем термостабилизации, вводят для каждой составляющей свой коэффициент термостабильности, получая выражения для термостабилизированного каскада:

?Iк0 стаб = ST1?Iк01ST2?Iк02 + ST3?Iк03.

Обычно ST2?ST3, что обусловлено одинаковым влиянием на ?Iк02 и ?Iк03 элементов схем термостабилизации:

?Iк0 стаб = ST1?Iк01ST2(?Iк02 + ?Iк03).

Полученная формула может быть использована для определения ?Iк0 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.


Рисунок 2.18. Каскад с фиксацией тока базы

Rб определяется соотношением:


т.к. Eк>>Uбэ0.

Очевидно, что Iб0 "фиксируется" выбором Rб, 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 (ST2?1).

Коллекторная термостабилизация. Схема каскада представлена на рисунке 2.19а.


Рисунок 2.19. Каскад с коллекторной термостабилизацией (а) и его варианты (б, в)

Rб определяется соотношением:


т.к. Uк0>>Uб0.

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

T??I?к0?U?к0?I?б0?I?к0,

?????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 (ST1 и ST2 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.


Рисунок 2.20. Каскад с эмиттерной термостабилизацией

Эффект термостабилизации в этой схеме достигается:

? фиксацией потенциала Uб выбором тока базового делителя Iд>>Iб0, Uб?const.

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

Напряжение Uбэ0 определяется как:

Uбэ0 = UбU.

Механизм действия ООС можно изобразить следующей диаграммой:

T??I?к0?U??U?бэ0?I?б0?I?к0,

?????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 Rб1 и Rб2:

Iд = (3…10)Iб0;

? выбираем U = (0,1…0,2)Eк ? (1…5) В, и определяем номинал Rэ:


? определяем потенциал Uб:

Uб = U + Uбэ0;

? рассчитываем номиналы резисторов базового делителя:

Rб1 = Uб/Iд,


где Eк=Uк0+U+Iк0Rк,  определяется при расчете сигнальных параметров каскада.

Коэффициенты термостабилизации для этой схемы:

ST1 ? 1/(1 + S0·Rэ),


Здесь R12 — параллельное соединение резисторов Rб1 и Rб1.

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

Анализ полученных выражений показывает, что для улучшения термостабильности каскада следует увеличивать номинал Rэ и уменьшать R12.

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


Рисунок 2.21. Каскад с термокомпенсацией

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 Uбэ0 и напряжение на диоде ??0 будет меняться одинаково, в результате чего ток покоя базы Iб0 останется постоянным. Применение этого метода особенно эффективно в каскадах на кремниевых транзисторах, где основную нестабильность тока коллектора порождает ?UбТ (из-за относительной малости ?Iкбо). 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.


Рисунок 2.22. Каскад с двуполярным питанием

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

, а ST12?1/H21э.

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

Оглавление книги


Генерация: 0.032. Запросов К БД/Cache: 0 / 0
поделиться
Вверх Вниз