Термостабилизация режимов работы в биполярном транзисторе

В биполярных транзисторах выходным током может быть как ток коллектора, так и ток эмиттера, что зависит от схемы включения транзистора, (с ОЭ, ОК и ОБ). В усилителях наибольшее распространение получили схемы включения транзисторов с ОЭ и ОБ, где выходным током является ток коллектора. Необходимо помнить, что ток коллектора создается за счет экстракции неосновных носителей зарядов, которые возникают благодаря генерации при внешнем энергетическом воздействии (чаще температурном). Изменение температуры приводит к изменению коллекторного тока и характеристик транзистора. Например, для германия /?-я-переход практически исчезает при 90— 100°С, для кремния при 160—200 °С. В диапазоне меньших температур изменение параметров и характеристик транзисторов может привести к смещению точки покоя, появлению отсечек тока и в результате к потере работоспособности схемы. Кроме того, изменение температуры приводит к изменению малосигнальных параметров транзисторов. Следует помнить, что, помимо повышения температуры окружающей среды, основной причиной нагрева является мощность (в виде тепла), рассеиваемая коллекторным переходом при протекании коллекторного тока.

Очевидно, что температура />-я-перехода всегда больше температуры окружающей среды. Для транзисторов, работающих с крайне малыми мощностями (намного меньше допустимых), температуру коллекторного перехода можно принять равной температуре окружающей среды. При работе транзистора с значительными выходными мощностями необходимо снижать температуру коллекторного перехода путем установки транзистора на дополнительный теплоотвод и строить схемные решения стабилизации его режима работы. Следовательно, в каскадах на биполярных транзисторах необходима температурная стабилизация режима работы, что позволяет снизить влияние изменения температуры на положение рабочей точки покоя.

Изменения температуры влияют на ток покоя в транзисторе, так как:

  • — изменяется обратный ток коллекторного перехода /КБ обр: в германиевых транзисторах он удваивается примерно на каждые 10 °С; в кремниевых транзисторах он очень мал, но в них большую роль играют токи утечки коллекторного перехода и термогенерации;
  • — изменяется напряжение на эмиттерном переходе С/ЭБ, а так как температурный коэффициент напряжения (ТКН) при прямом смещении имеет отрицательное значение, то при возрастании температуры на А/0 напряжение на переходе уменьшается, и ток базы увеличивается;
  • — изменяются дифференциальные коэффициенты передачи тока эмиттера (а) и базы (Р); при увеличении температуры коэффициенты растут, растет обратный ток коллектора и происходит его разогрев, что может привести к тепловому пробою коллекторного перехода.

Степень изменения тока покоя коллектора за счет указанных факторов принято оценивать коэффициентом температурной нестабильности коллекторного тока

где Д/к обр — изменение коллекторного тока за счет дестабилизирующих факторов; Д/К(5=1) — изменение тока покоя коллектора в схеме со стабилизацией, в схеме с S = 1 дестабилизирующие факторы компенсированы.

Таким образом, коэффициент S показывает, во сколько раз в рассматриваемой схеме температурные изменения больше, чем в стабилизированной схеме при S = 1. Следовательно, чем меньше S,

тем схема стабильнее. Для стабилизации рабочей точки при изменении температуры применяют дополнительные цепи термостабилизации или термокомпенсации.

Схемы термостабилизации реализуют, вводя в транзисторный каскад отрицательную обратную связь по току или напряжению. Соответственно различают эмиттерную и коллекторную термостабилизацию по постоянному току.

Наиболее распространена схема эмиттерной стабилизации. На рис. 9.34 приведены эти схемы для вариантов включения транзистора с ОБ, ОЭ и ОК соответственно.

В цепь эмиттера включают резистор R3 (конструктивная нагрузка). Ток эмиттера создает на нем падение напряжения ?/R3 = = /3Л3. Прямое смещение на эмиттерном переходе п-р-п-транзистора в схеме с ОЭ равно

С увеличением температуры возрастает ток /э и падание напряжения t/R3. Прямое смещение t/B3 снижается, что уменьшает токи транзистора.

Стабилизация тем лучше, чем больше сопротивление Яэ, но при увеличении Л3 снижаются коллекторное напряжение и коэффициент усиления. В этом случае необходимо повышать напряжение

Схемы эмиттерной термостабилизации в усилительных каскадах со смещением фиксированным напряжением с делителя напряжения

Рис. 9.34. Схемы эмиттерной термостабилизации в усилительных каскадах со смещением фиксированным напряжением с делителя напряжения: а — в схеме с ОБ; б — в схеме с ОЭ; в — в схеме с ОК питания UK. Это основной недостаток схемы эмиттерной стабилизации.

Такое схемное решение называется стабилизацией точки покоя эмиттерной последовательной отрицательной обратной связью по постоянному току.

Схема смещения фиксированным током базы и коллекторной термостабилизации с ООС по напряжению в усилительном каскаде с ОЭ

Рис. 9.35. Схема смещения фиксированным током базы и коллекторной термостабилизации с ООС по напряжению в усилительном каскаде с ОЭ

В схеме коллекторной стабилизации (рис. 9.35) между коллектором и базой включают резистор R1. Через него часть напряжения коллекторной цепи подается на базу. При увеличении температуры и росте токов /к обр и /Б обр возрастают падения напряжения на RK и R1 и соответственно уменьшаются напряжения смещения на эмиттерном и коллекторном переходах. Из-за уменьшения смещения на переходах транзистора снижаются и токи транзистора. Для схемы на рис. 9.35 прямое смещение эмиттерного перехода и обратное смещение коллекторного перехода определяются по формулам:

Стабилизация рабочей точки тем выше, чем меньше сопротивление базового резистора R и чем больше Лк. Увеличение RK приводит, как и в предыдущем решении, к уменьшению коэффициента усиления каскада, а уменьшение сопротивления базового резистора R снижает входное сопротивление каскада. При малом значении R происходит практически шунтирование коллекторного перехода и соединение входа с выходом в обход усилительного элемента. Поэтому такая схема стабилизации дает удовлетворительные результаты при высокоомном сопротивлении, включенном в цепь коллектора, и неприемлема при малом сопротивлении RK.

Такое схемное решение называют стабилизацией точки покоя коллекторной параллельной отрицательной обратной связью по постоянному напряжению.

Более высокую стабильность работы обеспечивают схемы с комбинированной ООС по току и напряжению (рис. 9.36).

Однако даже при стабильном режиме работы транзистора с изменением температуры происходит изменение то- ка коллектора Д/к обр = Д/к обрД, что необходимо учитывать при проектировании усилителей, создавая определенный запас ухода точки покоя. В каскадах с термостабилизацией цепи стабилизации положения рабочей точки потребляется дополнительная мощность от источника питания и ухудшаются усилительные свойства каскада. Потери мощности в цепях стабилизации могут составлять от 20 до 100% мощности коллекторной цепи. Поэтому в ряде каскадов (особенно выходных) приходится применять специальные меры, которые дают возможность стабилизировать без существенного потребления мощности. К таким мерам относится термокомпенсация точки покоя.

Схема смещения фиксированным напряжением с делителя напряжения и термостабилизацией с комбинированной ООС по току и напряжению в схеме с ОЭ

Рис. 9.36. Схема смещения фиксированным напряжением с делителя напряжения и термостабилизацией с комбинированной ООС по току и напряжению в схеме с ОЭ

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >