Схемотехника аналоговых электронных устройств - А. Красько

Аналогичным образом учитывается влияние других разделительных и блокировочных цепей, только для блокировочной эмиттерной цепи постоянная времени приблизительно оценивается величиной τнэ≈Cэ/S0 т.к. сопротивление БТ со стороны эмиттера приблизительно равно 1/S0 (см. подраздел 2.4.1), а влиянием Rэ в большинстве случаев можно пренебречь, т.к. обычно 1/S0<<Rэ.

Результирующую АЧХ и ФЧХ каскада в области НЧ можно построить, используя уже упоминавшийся принцип суперпозиции.

В n-каскадном усилителе с одинаковыми каскадами наблюдается эффект сужения полосы рабочих частот, который в области НЧ можно скомпенсировать уменьшением нижней граничной частоты каскадов до .

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 ΔIк0. Начнем с влияния изменения Uбэ0, вызванного тепловым смещением проходных характеристик Iк=f(Uбэ), обозначив при этом приращение тока коллектора как ΔIк01:

ΔIк01 = S0·ΔUбТ ,

где ΔUбТ — приращение напряжения Uбэ0, равное:

ΔUбТ = |εT|·ΔТ,

где εT — температурный коэффициент напряжения (ТКН),

εT ≈ –3мВ/град., ΔТ — разность между температурой коллекторного перехода перехода Tпер и справочным значением этой температуры Tспр (обычно 25°C):

ΔТ = 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 ΔIк01 берется положительным, хотя εT имеет знак минус, это поясняется на рисунке 2.17.

Рисунок 2.17. Тепловое смещение проходных характеристик БТ

Определяем приращение тока коллектора ΔIк02, вызванного изменением обратного (неуправляемого) тока коллектора ΔIкбо:

ΔIк02 = ΔIкбо·(H21э + 1),

где приращение обратного тока ΔIкбо равно:

ΔIкбо = Iкбо(Tспр)·[exp(αΔT) – 1],

где α — коэффициент показателя, для кремниевых транзисторов α=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 ΔIк02 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:

ΔIк03 = H21э·(Iкбо + Iб0),

где ΔH21э = kT·H21э·ΔT, kT ≈ 0,005 отн. ед./град.

Полагая, что все факторы действуют независимо друг от друга, запишем:

ΔIк0 = ΔIк01 + ΔIк02 + ΔIк03.

Для повышения термостабильности каскада применяют специальные схемы питания и термостабилизации. Эффективность таких схем коэффициентом термостабильности, который в общем виде представляется как:

ST = ΔIк0 стаб/ΔIк0.

Учитывая различный вклад составляющих ΔIк0, разное влияние на них элементов схем термостабилизации, вводят для каждой составляющей свой коэффициент термостабильности, получая выражения для термостабилизированного каскада:

ΔIк0 стаб = ST1ΔIк01+ ST2ΔIк02 + ST3ΔIк03.

Обычно ST2≈ST3, что обусловлено одинаковым влиянием на ΔIк02 и ΔIк03 элементов схем термостабилизации:

ΔIк0 стаб = ST1ΔIк01+ ST2(ΔIк02 + ΔIк03).

Полученная формула может быть использована для определения ΔIк0 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. Eк>>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≈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. Uк0>>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:

T⇑⇒I⇑к0⇒U⇓к0⇒I⇓б0⇒I⇓к0,