5.1. Методы термостабилизации положения рабочей точки транзистора

Существуют два основных метода термостабилизации:

• компенсационный,

• метод с использованием ООС.

Компенсационный метод термостабилизации положения рабочей точки

основан на том, что в схему усилителя вводят один или несколько термозависимых элементов, параметры и характеристики которых при изменении температуры изменяются таким образом, чтобы компенсировать уход рабочей точки.

Например, в схеме с ОЭ термозависимыми можно сделать сопротивления

R_К, R_Э, R_б1 и R_б2 (рис.5.3).

50

EК

RК

Rб1 _Cр

Cр

_Iд RН

^Rб2 RЭ CЭ

Рис.5.3. Схема ОЭ с термозависимыми элементами

Сопротивления R_б1 и R_б2 образуют делитель напряжения, на который с одной стороны подаётся напряжение питания E_П, а с другой стороны снимается напряжение база-эмиттер U_БЭ0 по постоянному току (рис.5.4).

		Rб1
EК								UБЭ
		Rб2

Рис.5.4. Входной делитель напряжения

Зависимость сопротивления R_б2 от температуры имеет вид (рис.5.5).

R

T^O

Рис.5.5. Зависимость сопротивления резистора от температуры

51

Чтобы проанализировать влияние термозависимого сопротивления R_б2

рассмотрим входную статическую характеристику (рис.5.6).

IБ

EК2 EК1

р.т.’

dIБ(T)

^IБ0 р.т.

UБЭ0 U^БЭ

Рис.5.6. Изменение положения р.т. при изменении температуры в схеме с

термокомпенсацией с использованием термозависимого сопротивления R_б2

Из рис.5.6 следует, что если увеличение температуры приводит к увеличению тока базы и тока коллектора, то за счёт снижения величины сопротивления R_б2 уменьшится напряжение U_БЭ0.

Часто в качестве термозависимого элемента используют диод в прямом включении, поскольку сопротивление диода в ограниченном диапазоне температур имеет линейную зависимость от температуры.

Достоинством компенсационного метода термостабилизации является то,

что схема не усложняется (простота), а, следовательно, не изменяется конструкция усилителя – не увеличивается вес и габариты.

• недостаткам следует отнести:

• Компенсация возможна в ограниченном диапазоне температур, поэтому метод является не универсальным. Это обусловлено зависимостью характеристик термозависимого элемента от температуры, а также зависимостью параметров и характеристик самого транзистора от температуры.

52

• Метод компенсации сопровождается увеличением нелинейных искажений, вследствие нелинейности характеристики термозависимого элемента.

• Ограниченный выбор термоэлементов. Очень сложно бывает подобрать

термоэлементы к каскаду таким образом, чтобы стабилизировать выбранную рабочую точку.

Следует отметить, что в зависимости оттого, что собирается стабилизировать разработчик (какой элемент делать термозависимым) меняется трассировка печатной платы и более ничего. Таким образом, этот метод не требует затрат дополнительной энергии. Трассировка печатной платы осуществляется таким образом, чтобы термозависимый элемент находился как можно ближе к активному элементу с тем, чтобы изменение температуры для обоих элементов было одинаковым.

Метод термостабилизации положения рабочей точки транзистора с использованием ООС основан на введении ООС на постоянном токе.

Достоинствами метода являются:

• метод универсален, то есть позволяет работать во всем температурном диапазоне работы усилителя;

• применение ООС улучшает все параметры усилителя, кроме коэффициента усиления.

Недостатки метода:

• метод основан на введении дополнительных элементов, а, следовательно, увеличиваются вес и габариты усилителя, но самое главное увеличивается и потребляемая энергия (уменьшается КПД).

Однако, несмотря на имеющийся недостаток, этот метод используют чаще,

чем компенсационный метод термостабилизации.

53

В рамках метода с использованием ООС различают три основные схемы термостабилизации:

1. схема базовой стабилизации,

2. схема коллекторной стабилизации,

3. схема эмиттерной стабилизации.

1. Схема базовой стабилизации рабочей точки (рис.5.7).

EП

Rб

RК

URБ

Cр

IБ

Cр

IЭ

UБЭ

Рис.5.7. Схема базовой стабилизации рабочей точки: E_П const , U_Rб I _Б R_б

Предположим, что увеличилась температура окружающей среды. При

возрастании температуры растет базовый ток I_Б и, как следствие, напряжение

база-эмиттер U БЭ0	EП	URб	уменьшается,	при	этом транзистор
подзакрывается	и	ток	базы	IБ	уменьшается

(T I _Б U _{R б} U _БЭ E_П U _Rб I_Б ).

Преимуществом схемы является простота, а недостатком – низкое качество стабилизации.

2) Схема коллекторной стабилизации рабочей точки (рис.5.8). Схема коллекторной стабилизации сложнее, поскольку содержит больше элементов.

54

EП

R К’

^IК _т.А C К ’

RК

Rб C_р

C^р UА

UБЭ

Рис.5.8. Схема коллекторной стабилизации рабочей точки

При увеличении температуры увеличивается коллекторный ток I_К .

Следовательно, увеличивается напряжение U_{RК '} R_К ' I_К . Напряжение в т.А

уменьшается, поскольку U _А E_П U_{RК '}. Напряжение U _БЭ U _А U_Rб

уменьшается, следовательно, р.т. смещается влево на входной характеристике.

Следовательно, коллекторный ток I_К уменьшается

(T I _К U _{RК '} U _А U _БЭ I_К ).

С изменением R_К ' меняется глубина ООС – чем больше фактор ООС, тем лучше стабилизация, но больше потери энергии источника питания на цепи ООС.

Конденсатор C ' шунтирует	R ' на переменном токе (	1				R ')
К	К	CК '			К

для устранения ООС на переменном токе (что позволяет сохранить коэффициент усиления каскада для сигнала).

В такой схеме (рис.5.8) можно менять эффективность стабилизации выбирая R_К ' и R_б (две степени свободы) таким образом, чтобы рабочая точка оставалась неизменной.

55

3) Схема эмиттерной стабилизации рабочей точки (рис.5.9).

EК

Rб1

RК

Cр

UБ

Cр

UБЭ

Rб2

RЭ

CЭ

IЭ

Рис.5.9. Схема эмиттерной стабилизации рабочей точки

C

шунтирует R по переменному току (

1

R ) и ООС по

Э

Э

CЭ

Э

переменному току исчезает.

При возрастании температуры растет ток эмиттера I_Э , а, следовательно,

растет и потенциал эмиттера U_RЭ . При этом напряжение база-эмиттер U_БЭ

снижается, так	как U Б U R	U БЭ UR . Ток		базы	и ток	коллектора
	б 2		Э
уменьшаются,	следовательно,		уменьшается	и	ток	эмиттера
(T I Э U RЭ U БЭ			IЭ ). Проведенный анализ справедлив

при условии, что U_Б const, которое выполняется при увеличении тока протекающего через сопротивления базового делителя R_б1 и R_б2.

Качество стабилизации в этой схеме (рис.5.9) лучше, чем в предыдущих схемах (рис.5.7 и 5.8). Стабильность схемы повышается при увеличении сопротивления R_Э и большей точности выполнения условия U_Б const .

Увеличение сопротивления R_Э ограниченно допустимым увеличением падения постоянного напряжения на сопротивлении R_Э (эта часть напряжения потеряна для усиления на переменном токе – запас по усилению) и,

соответственно, уменьшению эффективности использования напряжения

питания E_П :

56

EП U R	U Вых UКЭ	5 10В U R	UНЧ коррекции .	(5.4)
К		Э
Повышение	стабильности	UБ const за	счет увеличения	тока делителя

ограничено возникающим при этом снижением входного сопротивления

каскада R			R1	R2		, а также	допустимым	увеличением	потребляемой
			R R
Вх
			1	2
мощности	каскада.				Постоянство		напряжения	UБ const достигается		при
выполнении условия:
						I Дел 3 5 IБ .			(5.5)
5.3. Методика инженерного расчёта элементов эмиттерной
						термостабилизации
Дано: напряжение питания EП							и выбрана рабочая точка –		IБ0, IЭ0 ,	IК0,

^UКЭ0^{, U}БЭ0^.

Найти: R_Э, R_б1, R_б2.

1) Задаемся величиной падения напряжения на сопротивлении эмиттера –

21. _RЭ 0,10 0,15 E_П .

2. Определяем величину сопротивления R_Э ^URЭ _IЭ0 .

2. Определяем потенциал на базе транзистора U _Б U _RЭ U_БЭ0 (см. рис.5.3).

2. Задаемся величиной тока делителя I _Дел 3 5 I_Б0 (согласно условию 5.5).

5) Находим сопротивления базового делителя: U _Rб2 U_Б, следовательно

R_б2 ^UБ _IДел ; U _{Rб 1} E_П U_Rб2 , следовательно, R_б1 ^{( EП} _I ^{URб2 )} .

Дел

4. Особенности задания рабочей точки и термостабилизации ПТ

• усилительных устройствах достаточно часто применяются полевые транзисторы. Полевыми транзисторами (ПТ) называются полупроводниковые усилительные приборы, принцип работы которых основан на использовании

57

подвижных носителей зарядов одного типа – либо электроны, либо дырки (рис.

5.10).

Рис.5.10. Обозначение и технологическая схема транзистора

Особенности ПТ (относительно биполярного транзистора (БТ)):

1. ПТ – активный элемент (АЭ), управляемый напряжением (р.т. задаётся напряжениями на выводах), в отличие от БТ, который является АЭ, управляемым током (р.т. задаётся токами). ПТ были разработаны на замену лампам – используются носители одного типа, а регулировка осуществляется потенциалом затвора, который определяет пропускную способность канала исток-сток.

2. К особенностям ПТ следует отнести большое входное сопротивление R_Вх по сравнению с БТ. Это обусловлено особенностями технологии создания таких транзисторов.

3. ПТ может работать без специальных цепей, задающих р.т. Например, рабочий режим ПТ определяется напряжением покоя сток-исток U_С и током покоя стока I_С .

4. Эквивалентная схема ПТ предполагает использование модели с распределенными параметрами. Это обусловлено тем, что область затвора и канала у ПТ представляют собой распределенную RC-цепь. Однако, такая модель очень сложна при использовании её в инженерных расчетах. Поэтому обычно в инженерных расчетах применяют эквивалентную схему ПТ на сосредоточенных элементах, которая с удовлетворительной для эскизного проектирования точностью аппроксимирует усилительные свойства ПТ независимо от его типа.

Рассмотрим схему с общим истоком (ОИ) (рис.5.11).

58

EП

RС

Cр

Cр

VT

RН

CН

RЗ

CИ

RИ

Рис.5.11. Схема ОИ

Чем больше сопротивление затвора R_З, тем больше входное сопротивление всего каскада R_Вх , поскольку входное сопротивление каскада определяется как параллельное соединение сопротивлений затвора и входного сопротивления ПТ:

RВх RЗ ||	1	.	(5.6)
	Y
	11

Следует отметить, что в любых схемах обязательно нужно предусматривать пути протекания постоянного входного тока. Если убрать сопротивление затвора, то схема работать не будет, поскольку не будет тока для задания рабочей точки.

Для задания рабочей точки необходимо задаться значениями:

ток истока ( J_И0), ток затвора ( J_З0), ток стока ( J_С0 ).

При этом должно быть обеспечено требуемое значение напряжений затвор-исток и сток-исток:

U

И J И0 RИ,

J

R ,

U

З

З0

(5.7)

З

U

U

J

R J

R .

U

И

З

И 0

З0

ЗИ

И

З

Матрица параметров ПТ имеет вид:

Y11	Y12		0	0	(5.8)
Y21	Y22		S	yi

59

Из уравнений (5.7) и матрицы (5.8) следует, что входной ток ПТ очень мал,

поскольку входное сопротивление очень большое: J _З0 R_З J _И0 R_И . Поэтому справедливо приближенное равенство U _ЗИ J _И0 R_И. Такая схема называется схемой с автосмещением: ток истока, протекая через сопротивление истока создает на нем падение напряжения, которое прикладывается к сопротивлению затвора (задаёт рабочую точку). Кроме того, по аналогии со схемой ОЭ сопротивление истока создаёт ООС.

У БТ с увеличением температуры для любой рабочей точки (точки покоя)

все токи также увеличиваются. У ПТ ток затвора крайне мал, и связан с температурой по сложному закону. Например, при увеличении температуры на каждые 10^оС ток затвора увеличивается почти в 2,5 раза. Температурная нестабильность тока стока ПТ при росте температуры I _С f t^оС обусловлена

следующими факторами:

• увеличением тока стока за счет теплового смещения проходных характеристик (как и в БТ) при малых значениях тока покоя стока I_C0;

• уменьшением тока стока за счет уменьшения удельного сопротивления канала исток-сток в широком диапазоне изменения тока покоя стока I_C0.

Таким образом, у ПТ существует термостабильная р.т. У ПТ на сквозной характеристике существует область, где при увеличении температуры ток увеличивается, и область где при увеличении температуры ток уменьшается

(рис.5.12). Следовательно, существует область компенсации. При выборе рабочей точки необходимо максимально приближаться к термостабильной рабочей точке.

60

^{2) R}И р.т. ^RИт/с

Рис.5.12. Сквозные характеристики ПТ при изменении температуры

Ток стока зависит от температуры:

		dJС	dJ	З RЗ dEЗ S		(5.9)
				.
				1 S RИ
Потребуем выполнения условия:
		dJ С dJСДоп.				(5.10)
Допустимая нестабильность тока стока определяется по нагрузочным
прямым	на	выходных		характеристиках,	либо	задаётся	–
dJ С Доп 10 15 % JС0. Исходя из записанного					требования	к максимально

допустимому изменению тока стока определим термостабильное сопротивление истока (7.13):

RИт/c		J	З RЗ EЗ		1	.	(5.11)
			J СДоп		S

Выражение (5.11) определяет величину сопротивления в цепи истока R_И ,

необходимую для термостабилизации р.т. в заданном температурном диапазоне с учётом допустимого изменения тока стока dJ_СДоп . В результате получается

две величины сопротивления истока:	RИр.т. и RИт/с . Следовательно, возможны
два варианта:
1) RИ р.т. RИт/с – это наилучший	случай, когда при установке в схему

сопротивления R_Ир.т. обеспечивается термостабилизация лучше заданной.

– в этом случае придётся модифицировать схему для

обеспечения заданной термостабилизации (рис.5.13).

61

EП

RС

Cр

Cр

VT

RЗ

RИ р.т.

CИ

R’И т/с

Рис.5.13. Схема ОИ с модифицированной цепью истока

Сопротивление RИр.т. обеспечивает необходимое

для задания рабочей

точки падение напряжения на сопротивлении затвора.

Сопротивление RИ'т/с

обеспечивает увеличение сопротивления истоковой цепи до необходимого для

обеспечения заданной термостабилизации – R_{И т/ с} R_{И р.т.} R_И'_т/с.

Дополнительным достоинством данной схемы (рис.5.13) является увеличенное входное сопротивление.