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 — I_к0.

Существуют три основных фактора, влияющих на изменении I_к0 под действием температуры: при увеличении температуры, во-первых, увеличивается напряжение U_бэ0, во-вторых, обратный ток коллекторного перехода I_кбо, и, в третьих, возрастает коэффициент H_21э.

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 ?I_к0. Начнем с влияния изменения U_бэ0, вызванного тепловым смещением проходных характеристик I_к=f(U_бэ), обозначив при этом приращение тока коллектора как ?I_к01:

?I_к01 = S₀·?U_бТ ,

где ?U_бТ — приращение напряжения U_бэ0, равное:

?U_бТ = |?^T|·?Т,

где ?^T — температурный коэффициент напряжения (ТКН),

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

?Т = T_пер – T_спр,

T_пер = T_сред + P_кR_T,

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

P_к = I_к0·U_к0,

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

R_T = (0,1…0,5) град./мВт.

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

Отметим, что ?I_к01 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 ?I_к02, вызванного изменением обратного (неуправляемого) тока коллектора ?I_кбо:

?I_к02 = ?I_кбо·(H_21э + 1),

где приращение обратного тока ?I_кбо равно:

?I_кбо = I_кбо(T_спр)·[exp(??T) – 1],

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

Следует заметить, что значение I_кбо, 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 ?I_к02 следует пользоваться приводимыми в справочниках температурными зависимостями I_кбо, либо уменьшать справочное значение I_кбо примерно на два порядка (обычно I_кбо для кремниевых транзисторов составляет порядка (n·10^-7…n·10^-6) А, и порядка (n·10^-6…n·10^-5) А для германиевых, n=(1…9).

Приращение коллекторного тока, вызванного изменением H_21э, определяется соотношением:

?I_к03 = H_21э·(I_кбо + I_б0),

где ?H_21э = k_T·H_21э·?T, k_T ? 0,005 отн. ед./град.

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

?I_к0 = ?I_к01 + ?I_к02 + ?I_к03.

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

S_T = ?I_{к0 стаб}/?I_к0.

Учитывая различный вклад составляющих ?I_к0, разное влияние на них элементов схем термостабилизации, вводят для каждой составляющей свой коэффициент термостабильности, получая выражения для термостабилизированного каскада:

?I_{к0 стаб} = S_T1?I_к01+ S_T2?I_к02 + S_T3?I_к03.

Обычно S_T2?S_T3, что обусловлено одинаковым влиянием на ?I_к02 и ?I_к03 элементов схем термостабилизации:

?I_{к0 стаб} = S_T1?I_к01+ S_T2(?I_к02 + ?I_к03).

Полученная формула может быть использована для определения ?I_к0 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

R_б определяется соотношением:

т.к. E_к>>U_бэ0.

Очевидно, что I_б0 "фиксируется" выбором R_б, 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 (S_T2?1).

Коллекторная термостабилизация. Схема каскада представлена на рисунке 2.19а.

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

R_б определяется соотношением:

т.к. U_к0>>U_б0.

Термостабилизация в этой схеме осуществляется за счет отрицательной обратной связи (ООС), введенной в каскад путем включения R_б 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 (S_T1 и S_T2 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 U_б выбором тока базового делителя I_д>>I_б0, U_б?const.

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

Напряжение U_бэ0 определяется как:

U_бэ0 = U_б – U_Rэ.

Механизм действия ООС можно изобразить следующей диаграммой:

T^??I^?_к0?U^?_Rэ?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 R_б1 и R_б2:

I_д = (3…10)I_б0;

? выбираем U_Rэ = (0,1…0,2)E_к ? (1…5) В, и определяем номинал R_э:

? определяем потенциал U_б:

U_б = U_Rэ + U_бэ0;

? рассчитываем номиналы резисторов базового делителя:

R_б1 = U_б/I_д,

где E_к=U_к0+U_Rэ+I_к0R_к, Rк определяется при расчете сигнальных параметров каскада.

Коэффициенты термостабилизации для этой схемы:

S_T1 ? 1/(1 + S₀·R_э),

Здесь R₁₂ — параллельное соединение резисторов R_б1 и R_б1.

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

Анализ полученных выражений показывает, что для улучшения термостабильности каскада следует увеличивать номинал R_э 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 U_бэ0 и напряжение на диоде ??₀ будет меняться одинаково, в результате чего ток покоя базы I_б0 останется постоянным. Применение этого метода особенно эффективно в каскадах на кремниевых транзисторах, где основную нестабильность тока коллектора порождает ?U_бТ (из-за относительной малости ?I_кбо). 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 U_б,

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

Оглавление книги