"Схемотехника аналоговых электронных устройств" - читать интересную книгу автора (Красько А. С.)
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 #916;Iк0. Начнем с влияния изменения Uбэ0, вызванного тепловым смещением проходных характеристик Iк=f(Uбэ), обозначив при этом приращение тока коллектора как #916;Iк01:
#916;Iк01 = S0·#916;UбТ ,
где #916;UбТ — приращение напряжения Uбэ0, равное:
#916;UбТ = |#949;T|·#916;Т,
где #949;T — температурный коэффициент напряжения (ТКН),
#949;T #8776; –3мВ/град., #916;Т — разность между температурой коллекторного перехода перехода Tпер и справочным значением этой температуры Tспр (обычно 25°C):
#916;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 #916;Iк01 берется положительным, хотя #949;T имеет знак минус, это поясняется на рисунке 2.17.
где #945; — коэффициент показателя, для кремниевых транзисторов #945;=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 #916;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·10-7…n·10-6) А, и порядка (n·10-6…n·10-5) А для германиевых, n=(1…9).
Приращение коллекторного тока, вызванного изменением H21э, определяется соотношением:
#916;Iк03 = H21э·(Iкбо + Iб0),
где #916;H21э = kT·H21э·#916;T, kT #8776; 0,005 отн. ед./град.
Полагая, что все факторы действуют независимо друг от друга, запишем:
#916;Iк0 = #916;Iк01 + #916;Iк02 + #916;Iк03.
Для повышения термостабильности каскада применяют специальные схемы питания и термостабилизации. Эффективность таких схем коэффициентом термостабильности, который в общем виде представляется как:
ST = #916;Iк0 стаб/#916;Iк0.
Учитывая различный вклад составляющих #916;Iк0, разное влияние на них элементов схем термостабилизации, вводят для каждой составляющей свой коэффициент термостабильности, получая выражения для термостабилизированного каскада:
Полученная формула может быть использована для определения #916;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. Eкgt;gt;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#8776;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. Uк0gt;gt;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:
где символами #8657; и #8659; 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 термостабилизации показанная на рисунке 2.20.
Рисунок 2.20. Каскад с эмиттерной термостабилизацией
Эффект термостабилизации в этой схеме достигается:
где символами #8657; и #8659; показано, соответственно, увеличение и уменьшение соответствующего параметра. Эскизный расчет эмиттерной схемы термостабилизации маломощного каскада можно проводить в следующей последовательности:
#9670; Зададимся током делителя, образованного резисторами Rб1 и Rб2:
где Eк=Uк0+URэ+Iк0Rк, Rк определяется при расчете сигнальных параметров каскада.
Коэффициенты термостабилизации для этой схемы:
ST1 #8776; 1/(1 + S0·Rэ),
Здесь R12 — параллельное соединение резисторов Rб1 и Rб1.
Для каскадов повышенной мощности следует учитывать требования экономичности при выборе Iд и URэ.
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 #916;#966;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 #916;UбТ (из-за относительной малости #916;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#8776;1/H21э.
Следует отметить возможность применения данных схем термостабилизации при любой схеме использования БТ в любой комбинации.
