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 _б1и R _б2(рис.5.3).

 

 

E К

R К

R б1 _{C р}

C р

_{I д} R Н

 

^{R б2} R Э C Э

 

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).

 

		R б1
E К						U БЭ
R б2

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

 

 

Чтобы проанализировать влияние термозависимого сопротивления R _б2

 

рассмотрим входную статическую характеристику (рис.5.6).

 

IБ

EК 2 EК 1

 

р.т.’

 

dIБ (T)

 

^IБ0 р.т.

 

UБЭ 0 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.

 

К 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.

 

 

­ 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.

 

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).

 

E П

R б

R К

UR Б

C р

IБ

C р

I Э

U БЭ

Рис.5.7. Схема базовой стабилизации рабочей точки: E _П const, U_{R б} 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	E П	UR б	уменьшается,	при	этом транзистор
подзакрывается	и	ток	базы	I Б	уменьшается

(T I _Б U _{R б} U _БЭ E _П U _{R б} 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.

 

E П

R К ’

^{I К}_т.А C К ’

R К

R б C _р

 

C ^р UА

U БЭ

 

Рис.5.8. Схема коллекторной стабилизации рабочей точки

 

При увеличении температуры увеличивается коллекторный ток I _К.

 

Следовательно, увеличивается напряжение U_{R К '} R _К ' I _К. Напряжение в т.А

 

уменьшается, поскольку U _А E _П U_{R К '}. Напряжение U _БЭ U _А U_{R б}

 

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

 

Следовательно, коллекторный ток I _К уменьшается

 

(T I _К U _{R К '} 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(			R ')
К	К	C К'	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.

 

 

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

 

E К

R б1

R К

C р

U Б

C р

U БЭ

R б2

R Э

C Э

I Э

Рис.5.9. Схема эмиттерной стабилизации рабочей точки

C

шунтирует R по переменному току (

R)и ООС по

Э

Э

C Э

Э

переменному току исчезает.

 

При возрастании температуры растет ток эмиттера I _Э, а, следовательно,

 

растет и потенциал эмиттера U_{R Э}. 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 R Э U БЭ	I Э).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:

 

E П U R	U Вых U КЭ	5 10 ВU R	U НЧ коррекции .	(5.4)
К		Э
Повышение	стабильности	U Б const за	счет увеличения	тока делителя

 

ограничено возникающим при этом снижением входного сопротивления

 

каскада R			R 1	R 2		, а также	допустимым	увеличением	потребляемой
	R R
Вх
мощности	каскада.	Постоянство	напряжения	U Б const достигается	при
выполнении условия:
						I Дел3 5 I Б.		(5.5)
5.3. Методика инженерного расчёта элементов эмиттерной
						термостабилизации
Дано: напряжение питания E П	и выбрана рабочая точка –	I Б0, I Э0,	I К0,

^U КЭ0^{, U} БЭ0^.

Найти: R _Э, R _б1, R _б2.

 

1) Задаемся величиной падения напряжения на сопротивлении эмиттера –

 

U _{R Э} 0, 10 0, 15 E _П.

2) Определяем величину сопротивления R _Э ^{UR Э} _{I Э0}.

 

3) Определяем потенциал на базе транзистора U _Б U _{R Э} U _БЭ0 (см. рис.5.3).

 

4) Задаемся величиной тока делителя I _Дел 3 5 I _Б0 (согласно условию 5.5).

5) Находим сопротивления базового делителя: U _{R б2} U _Б, следовательно

 

R _б2 ^{U Б} _{I Дел}; U _{R б1} E _П U_{R б2}, следовательно, R _б1^{( E П} _I ^{UR б2)}.

Дел