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_б1 и R_б2 (рис.5.3).

 

 

EК

RК

Rб1 _Cр

Cр

_Iд RН

 

^Rб2 RЭ CЭ

 

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).

 

		Rб1
EК						UБЭ
Rб2

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

EК2 EК1

 

р.т.’

 

dIБ(T)

 

^IБ0 р.т.

 

UБЭ0 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).

 

EП

Rб

RК

URБ

Cр

IБ

Cр

IЭ

UБЭ

Рис.5.7. Схема базовой стабилизации рабочей точки: E_П const , U_Rб 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	EП	URб	уменьшается,	при	этом транзистор
подзакрывается	и	ток	базы	IБ	уменьшается

(T I _Б U _{R б} U _БЭ E_П U _Rб 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.

 

EП

R К’

^IК _т.А C К ’

RК

Rб C_р

 

C^р UА

UБЭ

 

Рис.5.8. Схема коллекторной стабилизации рабочей точки

 

При увеличении температуры увеличивается коллекторный ток I_К .

 

Следовательно, увеличивается напряжение U_{RК '} R_К ' I_К . Напряжение в т.А

 

уменьшается, поскольку U _А E_П U_{RК '}. Напряжение U _БЭ U _А U_Rб

 

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

 

Следовательно, коллекторный ток I_К уменьшается

 

(T I _К U _{RК '} 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	CК '	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).

 

EК

Rб1

RК

Cр

UБ

Cр

UБЭ

Rб2

RЭ

CЭ

IЭ

Рис.5.9. Схема эмиттерной стабилизации рабочей точки

C

шунтирует R по переменному току (

R ) и ООС по

Э

Э

CЭ

Э

переменному току исчезает.

 

При возрастании температуры растет ток эмиттера I_Э , а, следовательно,

 

растет и потенциал эмиттера U_RЭ . 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 RЭ U БЭ	IЭ ). 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 :

 

EП U R	U Вых UКЭ	5 10ВU R	UНЧ коррекции .	(5.4)
К		Э
Повышение	стабильности	UБ const за	счет увеличения	тока делителя

 

ограничено возникающим при этом снижением входного сопротивления

 

каскада R			R1	R2		, а также	допустимым	увеличением	потребляемой
	R R
Вх
мощности	каскада.	Постоянство	напряжения	UБ const достигается	при
выполнении условия:
						I Дел 3 5 IБ .		(5.5)
5.3. Методика инженерного расчёта элементов эмиттерной
						термостабилизации
Дано: напряжение питания EП	и выбрана рабочая точка –	IБ0, IЭ0 ,	IК0,

^UКЭ0^{, U}БЭ0^.

Найти: R_Э, R_б1, R_б2.

 

1) Задаемся величиной падения напряжения на сопротивлении эмиттера –

 

U _RЭ 0,10 0,15 E_П .

2) Определяем величину сопротивления R_Э ^URЭ _IЭ0 .

 

3) Определяем потенциал на базе транзистора U _Б U _RЭ 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 _Rб2 U_Б, следовательно

 

R_б2 ^UБ _IДел ; U _{Rб 1} E_П U_Rб2 , следовательно, R_б1 ^{( EП} _I ^{URб2 )} .

Дел