Температурная стабильность транзисторных схем

Влияние температуры. При расчете и конструировании аппара­туры с транзисторами и полупроводниковыми диодами необходимо учитывать, что параметры отдельных образцов этих приборов даже одного и того же типа различны и, кроме того, в зна­чительной мере и по-разному изменяются при изменениях темпе­ратуры.

На работу транзисторной схемы существенно влияют изменения постоянной составляющей тока коллектора I _к, так как эти измене­ния вызывают изменение коэффициента усиления и входного сопро­тивления транзистора. Вместе с тем при увеличении тока I _к возра­стает падение напряжения на сопротивлении нагрузки в цепи кол­лектора и, следовательно, уменьшается напряжение коллектор-эмиттер U_к.э.. Если оно станет меньше допустимого (для большинства германиевых транзисторов U_к.н.≈ 0,5 В), то рабочая точка перейдет в нелинейную область коллекторных характеристик и возрастут не­линейные искажения.

Большое повышение температуры вызывает недопустимый пере­грев электронно-дырочных переходов транзисторов, что может при­вести к выходу последних из строя.

Постоянная составляющая тока коллектора I _к зависит от тока смещения базы I _б, существенной компонентой которого является обратный ток коллекторного перехода I _к0. Величина этого тока ма­ло зависит от напряжения на коллекторе, однако сильно различается у транзисторов даже одного и того же типа; вместе с тем величина I _к0 при изменении температуры коллекторного перехода изменяется по экспоненциальному закону: при повышении температуры на каж­дые 10 град ток I _к0 германиевого транзистора увеличивается при­мерно в 1,5−2 раза, а кремниевого — в 2,5−3 раза.

Увеличение обратного тока 1 _к0с ростом температуры ведет к возрастанию величины постоянной составляющей тока коллектора I _к. При этом изменение последней не превышает величины изменения обратного тока δI _к ≈ δI _к0 только в таких схемах, где входной элек­трод транзистора получает смещение от отдельного источника пи­тания и сопротивление в цепи базы мало. Во всех других схемах, изменение постоянной со­ставляющей тока коллектора может значительно превышать измене­ние обратного тока δI _к0, а это может оказать весьма существенное влияние на работу транзисторного каскада.

Коэффициент нестабильности. Влияние температуры на режим работы транзисторного каскада оценивают с помощью так называе­мого коэффициента нестабильности S_н, который представляет собой отношение допустимого изменения тока коллектора δI _к к вызвавше­му его изменению обратного тока коллекторного перехода δI _к0, т. е.

(3-20).

Чем меньше S _н, тем слабее влияют на режим работы каскада колебания температуры. В соответствии со сказанным выше коэф­фициент нестабильности зависит от схемы подачи смещения на управляющий электрод транзистора: для схем с двумя источниками питания при малом сопротивлении в цепи этого электрода S _н≈l, а для всех других схем S _н>1.

Иметь приемлемую в эксплуатации температурную стабильность тока коллектора в схеме с одним источником питания, т. е. получить достаточно малую величину S _н, можно только при условии техниче­ски грамотного построения такой схемы. Удовлетворительную ста­бильность режима работы схемы ОЭ можно получить, включая в цепь эмиттера транзистора резистор R_э и подавая смещение на ба­зу с делителя напряжения из резисторов R_см и R_б (рис. 3. 1, в и г).

Принципы улучшения температурной стабильности. Стабилиза­ция тока коллектора в схемах по рис. 3.1, в и г достигается действием отрицательной обратной связи по постоянному току, сущность кото­рой заключается в следующем. Резисторы R_б и R_э можно рассматри­вать как включенные последовательно между базой и эмиттером. Падение напряжения на резисторе R_б, от проходящего по нему тока делителя создает на эмиттерном переходе прямое смещение. Вместе с тем падение напряжения на резисторе R_э, возникающее вследствие прохождения по нему тока эмиттера, создает на эмиттерном перехо­де обратное смещение. Результирующее смещение на эмиттерном переходе получается прямым и равным разности напряжений на ре­зисторах R_б и R_э.

При увеличении тока коллектора (следовательно, и тока эмит­тера) вследствие повышения температуры падение напряжения на резисторе R _э увеличивается, прямое смещение на эмиттерном пере­ходе становится меньше, а это ведет к уменьшению тока коллектора: имеет место действие, обратное действию температуры, схема стре­мится возвратиться в исходное состояние.

В схемах по рис. 3. 1, д и е механизм действия отрицательной об­ратной связи по постоянному току иной: при увеличении коллектор­ного тока постоянная составляющая напряжения на нагрузочном резисторе в цепи коллектора возрастает и напряжение между кол­лектором и эмиттером уменьшается. Так как коллектор соединен с базой через резистор R_cw, то одновременно снижается напряжение между базой и эмиттером, т. е. прямое смещение на эмиттерном пе­реходе. Последнее вызывает уменьшение коллекторного тока. При понижении температуры наблюдаются обратные явления. Последние две схемы, особенно схема по рис. 3.1, е, в отношении температурной стабильности значительно хуже, чем схемы на рис. 3.1, в и г.

Расчет каскадов. Пользуясь формулами табл. 3.5, можно рассчи­тать цепи питания транзисторных каскадов с заданными коэффици­ентами нестабильности S _н, а также определить значения S_н таких каскадов с известными сопротивлениями резисторов (на схемах в табл. 3.5 конденсаторы, шунтирующие резисторы в цепях эмиттеров, и конденсаторы развязывающих цепей не показаны).

 

 

 

 

Продолжение таблицы 3.5

 

Парамет­ры	Основные соотношения	Номер формулы
Sн			3-26а
Sн	~	.. ~	(3-26б)
Rэ					(3-27)
Rсм			(3-28)
R б			(3-29a)
R б	~		(1-29б)

 

Из формул (3-26) непосредственно следует, что коэффициенты нестабильности S_н каскадов по наиболее распространенным схемам Д и Е (соответствуют схемам рис. 3. 1, в и г) при увеличении сопро­тивления резистора R _э в цепи эмиттера и при уменьшении сопро­тивлений резисторов R_б и R _см в делителе напряжения уменьшаются, т. е. стабильность тока коллектора I _к улучшается. Поэтому сопро­тивление резистора R_э целесообразно выбирать возможно большим (не допуская снижения напряжения U_к.э. до величины U_к.н.). При этом приходится увеличивать и сопротивления резисторов R_см и R_б, что ведет к уменьшению потребления тока делителем напряжения и к увеличению входного сопротивления каскада при резистивно-емкостной связи его с предыдущим каскадом (рис. 3.1, е).

Если питание транзисторного каскада осуществляется через ин­дивидуальный развязывающий RС-фильтр, включенный между отри­цательным полюсом источника питания и резистором или катушкой индуктивности в цепи коллектора (транзистор структуры р-п-р, «заземлен» положительный полюс источника питания), то при рас­чете коэффициента нестабильности следует пользоваться формулами (3-26) для схем Ж к И в табл. 3.5, принимая величину R_к за сопро­тивление резистора упомянутого фильтра. Когда же, как показано на схеме Ж, включен резистор междукаскадной связи, то в форму­лу (3-26) следует подставлять значение R_к, равное сумме сопротив­лений резисторов связи и фильтра. Если же резистором междукас­кадной связи является резистор R_к1 (схема И), то при расчете его сопротивление во внимание не принимают.