3.5. Обеспечение устойчивости рабочей точки при влиянии внешних дестабилизирующих факторов

В реальных радиоэлектронных устройствах транзисторные усилительные каскады функционируют не в тех идеально-тепличных условиях, которые до сих пор подразумевались при анализе схем, а подвержены достаточно жесткому влиянию множества зачастую непредсказуемых факторов. Таких, например, как: температура окружающей среды, колебания питающего напряжения, наличие в пространстве значительных электрических или магнитных полей, создающих паразитные наводки в цепях, и т.п. Все эти воздействия могут дестабилизировать рабочие точки транзисторных схем, что сопровождается ухудшением их параметр ров и в конечном итоге приводит к прекращению выполнен ими предназначенных функций.

Для предотвращения данных явлений в стандартные цепи смещения вводятся дополнительные звенья и применяются специальные элементы, компенсирующие вредные воздействия. Чаще всего используются следующие два метода:

• включение нелинейных элементов, нейтрализующих температурный (и прочий) дрейф параметров транзистора (метод параметрической стабилизации);

• создание в каскаде специальных цепей обратной связи по постоянному току или напряжению, обеспечивающих возврат рабочей точки в исходное состояние в случае ее смещения.

Рассмотрим оба этих варианта по порядку.

Метод параметрической стабилизации

Как уже говорилось, указанный метод базируется на использовании в транзисторных каскадах специальных элементов, характеристики которых зависят от внешних возмущающих воздействий, причем изменения параметров этих элементов должны компенсировать изменения параметров транзисторного каскада. В качестве примера рассмотрим схему с эмиттерно-базовой стабилизацией, приведенную на рис. 3.15. В этой схеме преправильном выборе терморезисторов можно добиться хорошей компенсации температурных колебаний параметров транзистора. Но применение терморезисторов не всегда удобно, да и понятие "правильный выбор" часто требует уточнения. Поэтому для начала прояснив, что же происходит с биполярным транзистором при колебаниях температуры.

П ри росте температуры из-за уменьшения падения напряжения на p-n-переходах транзистора также растут и токи через эти переходы. Особенно сильно увеличиваются токи и Iз₀ определяющие режим работы каскада по постоянному току. На рис. 3.16 представлены графики, отражающие влияние температуры на статические характеристики каскадов с ОЭ и ОБ.

Из представленных характеристик видно, что для сохранения неизменным выходного тока I_Ко необходимо по мере роста температуры снижать напряжение начального смещения .

В схеме на рис. 3.15 для этого служат терморезисторы, но очевидной является возможность использования других полупроводниковых приборов с температурной зависимостью падения напряжения на них. Например, в схеме на рис. 3.17 в цепь делителя включен прямосмещенный эмиттерный переход транзистора VТ2 со свойствами, аналогичными свойствам транзистора VТ1. Т.е., когда температура растет и требуется снижение напряжения смещения U_ЭБ1о, это осуществляется за счет уменьшения падения напряжения U_ЭБ2о на эмиттерном переходе транзистора VТ2.

Вместо транзистора VТ2 можно использовать и обычный диод в прямом включении, как показано на рис. 3.18.

При желании метод параметрической стабилизации применим и для нейтрализации других (нетемпературных) внешних влияний. Например, известно, что при низких температурах падают напряжения практически любых широко распространенных химических источников питания.

Поэтому в носимой аппаратуре приходится учитывать влияние данного фактора, если мы хотим обеспечить ее работоспособность в широком диапазоне погодных условий.

Р ассмотрим схему на рис. 3.18. При падении напряжения питания уменьшается значение тока I_Ко транзистора, а также незначительно снижается его начальное смещение (здесь следует учитывать, что прямосмещенный диод VD1 работает как стабилитрон, т.е. напряжение на нем слабо зависит от величины протекающего тока).Поскольку снижается напряжение U_КЭо транзистора, снижаются и его усилительные способности как усилителя слабых переменных сигналов. Для компенсации всех этих факторов можно в цепь смещения транзистора включить еще один диод, как показано на рис. 3.19. Теперь при снижении температуры напряжение U_БЭ() будет расти быстрее, чем это необходимо только для температурной компенсации изменений напряжений и токов в самом транзисторе. Будет компенсироваться также и падение напряжения питания, и коэффициент усиления каскада в целом останется неизменным. Очевидно, что падение напряжения на двух диодах может превысить предел, необходимый для напряжения U_БЭо используемого транзистора. Поэтому в цепь эмиттера обязательно включается резистор , создающий также и ООС по току нагрузки, дополнительно стабилизирующую рабочую точку каскада.

Рис. 3.20. Различные способы включения термостабилизирующих элементов в цепи смещения транзисторных каскадов

На рис. 3.20 приведены еще некоторые возможные варианты включения термокомпенсирующих элементов в транзисторные каскады. Параметрическая стабилизация может использоваться не только в схемах с ОЭ. Никто не мешает нам применять нелинейные элементы и в любых других цепях смещения.