Лекция 9. Влияние температуры на работу транзистора в режиме нагрузки. Схемы термостабилизации
Как было отмечено в лекции 1, полупроводниковые материалы обладают отрицательной зависимостью удельного сопротивления от температуры. С ростом температуры прямое и обратное сопротивление p—nпереходов уменьшается, а токи переходов растут (рис. 9.1).
Рис. 9.1. Влияние температуры на вид вольтамперной характеристики p—nперехода
На рис. 9.1 пунктирной линией показано изменение положения прямой и обратной ветвей вольтамперной характеристики с ростом температуры. Следует отметить, что изменение температуры полупроводника может быть вызвано как влиянием окружающей температуры, так и разогревом самого полупроводника при протекании токов нагрузки.
Поскольку транзистор представляет собой два близко расположенных и влияющих друг на друга p—nперехода, изменение температуры сильно влияет на режим работы транзистора.
С ростом температуры возрастает ток коллектора, в результате чего в режиме нагрузки снижается напряжение на коллекторе, и рабочая точка смещается ближе к области насыщения.
С уменьшением температуры снижается ток коллектора, растёт напряжение на коллекторе, и рабочая точка смещается ближе к области отсечки. В результате искажается форма синусоиды выходного сигнала – теряется качество работы усилителя.
Для снижения влияния температуры в схемах усилителей применяют цепи термостабилизации. Эти цепи образуют отрицательные обратные связи (ООС), стабилизирующие режим работы транзистора по постоянному току. В результате влияния цепей термостабилизации рабочая точка усилителя удерживается в выбранном при расчёте схемы положении, и в некотором диапазоне температур режим работы усилителя практически не изменяется.
Различают два способа термостабилизации режима работы усилителя: с ООС по току базыи с ООС понапряжению база-эмиттер.
9.1. Схема термостабилизации с оос по току базы
Схема усилителя ОЭ с цепью термостабилизации с ООС по току базы представлена на рис. 9.2. Отличие данной схемы от схемы по рис. 8.1 заключается в изменении подключения резистора смещения – вместо подключения к источнику питания резистор Rсмподключён к коллектору транзистора. В результате ток базы в рабочей точкеIБ0будет зависеть от напряженияUКЭ0.
Рис. 9.2. Схема усилителя ОЭ с цепью термостабилизации с ООС по току базы
Рассмотрим работу схемы. Как было отмечено выше, с ростом температуры возрастает ток коллектора, в результате чего в режиме нагрузки снижается напряжение на коллекторе
. (9.1)
Ток базы теперь зависит от напряжения на коллекторе, и с уменьшением напряжения на коллекторе также уменьшается
. (9.2)
Ток коллектора, в свою очередь, зависит от тока базы, и с уменьшением тока базы будет уменьшаться
. (9.3)
Из выражений (9.1)…(9.3) можно записать последовательность зависимостей:
,
растёт температура, растёт ток коллектора, уменьшается напряжение на коллекторе, уменьшается ток базы, уменьшается ток коллектора. То есть, действие вызвало пропорциональное противодействие. Это называется отрицательной обратной связью по току базы. Цель термостабилизации достигнута.
Преимущество такой схемы термостабилизации заключается в её простоте. В схему не добавляется никаких новых деталей, изменяется только точка подключения резистора смещения Rсм.
Однако схема обладает существенным недостатком. Поскольку коэффициент передачи тока базы у транзисторов даже в одной партии имеет разброс до 20…30%, для каждого транзистора придётся индивидуально подбиратьRсм. Критерий правильного выбора величиныRсм – напряжение на коллекторе в рабочей точкеUКЭ0.
Другим недостатком будет ограниченный диапазон температур, в котором достигается термостабилизация. Поэтому схема термостабилизации с ООС по току базы применяется в простейших транзисторных схемах, где решающим фактором служит простота конструкции, а температура изменяется в диапазоне от 0 0 до +35 0 С.
Источник
1.2.4. Термостабилизация усилительного каскада
Важной особенностью полупроводников является сильная зависимость коэффициента усиления от температуры, например напряжение U БЭ изменяется на 2 . . . 2,5 мВ на 1 градус, а I КБ удваивается при изменении температуры на 5 . . . 7 ◦ С для кремниевых и 8 . . . 10 ◦ С для германиевых транзисторов [ 4 ]. Подобные изменения приводят к смещению рабочей точки и появлению нелинейных искажений.
Для компенсации воздействия температуры в схему усилительных каскадов вводят цепи термостабилизации, принцип действия которых основан на механизме обратных связей.
Обратная связь (ОС) –– воздействие выходной цепи на входную, когда часть выходного сигнала подаётся на вход.
Различают положительную обратную связь (ПОС), когда выходной сигнал складывается с входным (фазы сигналов совпадают) и отрицательную обратную связь (ООС), когда выходной сигнал вычитается из входного (сигналы находятся в противофазе).
В усилителях широко применяются ООС с целью увеличения стабильности работы усилителя и уменьшения нелинейных искажений, однако следует учитывать, что ООС снижает коэффициент усиления каскада. ПОС применяются, в основном, в генераторах, в усилителях они приводят к самовозбуждению –– неконтролируемому росту коэффициента усиления. В усилительных каскадах ПОС обычно являются паразитными –– самопроизвольно возникающие ОС, являющиеся ошибками проектирования.
В усилительных каскадах с общим эмиттером, обычно, термостабилизация осуществляется путем создания ООС на базе резистора R Э (рис. 1.20 ).
Рассмотрим термостабилизацию усилительного каскада с ОЭ более подробно.
1.2. Усилительной каскад с общим эмиттером (ОЭ)
При отсутствии входного сигнала, напряжение между базой и эмиттером определяется по II закону Кирхгофа:
где U 20 = I 20 R 2 , U Э0 = I Э0 R Э падение напряжения на резисторах R 2 и
R Э соответственно. При повышении температуры,
возрастает концентрация основных носителей заряда и увеличиваются токи базы и коллектора, что приво-
дит к увеличению U БЭ и, как следствие, смещению 22рабочей точки. В результате увеличения I Э возрастает величина падения напряжения U Э0 =
= I Э0 R Э , а разность U БЭ0 = U 20 − U Э0 уменьшается (рис. 1.21 ), в результате
чего рабочая точка смещается в исходное положение.
При снижении температуры происходит обратный процесс –– концентрация носителей заряда (в ре-
зультате рекомбинации), токи базы и коллектора уменьшаются, что приводит к уменьшению U БЭ . В результате уменьшения I Э уменьшается и U Э0 = I Э0 R Э , а разность U БЭ0 = U 20 − U Э0 увеличивается, в результате чего рабочая точка смещается в исходное положение.
Помимо стабилизации рабочей точки, R Э оказывают серьёзное воздействие на работу усилительного каскада.
Во первых , резистор R Э находится в цепи коллектор–эммитер, и участвует в формировании нагрузочной характеристики:
E К = U КЭ0 + I R 0 ( R К + R Э ).
При выборе величины сопротивления R Э , необходимо учитывать два взаимоисключающих фактора:
1. Термостабилизация осуществляется тем лучше, чем выше глу-
бина обратной связи (т. е., чем выше ток делителя I Д и выше сопротивление R Э ).
2. Чем выше величина сопротивления R Э , тем больше на нём происходит падение напряжения и тем ниже КПД каскада.
Для уменьшения воздействия на нагрузочную характеристику R Э выбирается равным 1 . . . 2 В, что для биполярных транзисторов соответствует 10 . . . 30 % от E К :
в согласованном режиме работы транзистора.
В связи с тем, что R Э участвует в формировании нагрузочной характеристики, её, после определения R Э , необходимо скорректировать.
Во вторых , на R Э происходит падение переменной составляющей выходного напряжения (которая и является полезным выходным сигналом) что приводит к уменьшению коэффициента усиления.
Для нейтрализации воздействия R Э на выходной сигнал параллельно ему ставится шунтирующий 8 конденсатор C Э , что приводит к тому, что переменная составляющая сигнала практически без потерь проходит через конденсатор (т. к. сопротивление конденсатора с ростом частоты резко уменьшается).
Для того, чтобы конденсатор C Э осуществлял шунтирование резистора R Э , необходимо, чтобы емкостное сопротивление X C Э конденсатора было значительно ниже R Э на всём диапазоне частот, на которых работает усилительный каскад. Величина емкостного сопротивления обратно пропорциональна частоте и с ростом частоты уменьшается.
Следовательно, при определении величины ёмкости C Э нам необходимо ориентироваться на наименьшую рабочую частоту каскада, кото-
рой является нижняя граничная частота f Н . Обычно достаточно, чтобы сопротивление X C Э на f Н было в 5 . . . 10 раз меньше R Э :
Отсюда C Э , в микрофарадах, равно:
C Э = (1 . . . 2)2π f Н R Э , мкФ.
8 Шунт –– элемент, сопротивление которого, в заданном диапазоне частот, значительно меньше сопротивления шунтируемого элемента, к которому шунт включается параллельно
1.2. Усилительной каскад с общим эмиттером (ОЭ)
1.2.5. Графоаналитический метод расчёта усилительного каскада
При расчёте графоаналитическим методом часть характеристик каскада находится аналитически, путём вычисления по известных выражениям, а другая –– на основе графических построений, образец которых приведён на рис. 1.22 .
Для определения характеристик каскада с помощью графических построений необходимо взять из справочника входные и выходные характеристики выбранного транзистора и расположить их как показано на рис. 1.22 (обратите внимание–– входная характеристика берётся только для U КЭ = 5 В и поворачивается на 90 ◦ против часовой стрелки), после чего строятся оси для переходной характеристики ( I К ( I Б )).
На выходных характеристиках выделяется рабочая область, ограниченная максимальными током ( I К max ), напряжением ( U КЭ max ) и мощностью ( P К max ), а затем строится нагрузочная линия cd , на которой выбираются точки a и b , посередине между которыми находится рабочая точка A . Участок нагрузочной линии cd между точками a и b
Рис. 1.22. Графоаналитический метод расчёта
не должен пересекать ограничительные линии максимальных значений, кроме того, отрезок ab должен находится на линейных участках выходных характеристик.
На входной характеристике отмечаются точки, соответствующие токам базы, для которых построены выходные характеристика ( I Б0 , I Б1 , . . ., I Б n ). Затем строится переходная характеристика I К ( I Б ), для построения которой берутся значения токов базы, для которых имеются выходные характеристики, а токи коллектора определяются в точках пересечения нагрузочной характеристики с входной характеристикой, построенной для соответствующего тока базы.
В ряде случаев диапазон токов базы, для которых имеются выход-
Рис. 1.23. Коррекция входных зависимостей.
1.2. Усилительной каскад с общим эмиттером (ОЭ)
ные характеристики, не соответствует диапазону токов базы входной характеристики –– максимальный ток базы, для которого построена выходная зависимость I К ( U КЭ ) может находиться на узком начальном участке входной характеристики, либо выходить далеко за её пределы. В первом случае нужный участок входной характеристики строится в большем´ масштабе (обычно этот участок имеет нелинейный характер, но в данном случае мы пренебрежём возникающими искажениями), а во втором, входная характеристика экстраполируется прямой линией до необходимых значений (рис. 1.23 ). Наличие подобных ситуаций достаточно легко обнаружить путём сравнения единиц измерения токов базы на входных и выходных характеристиках (обычно это мили– или микроамперы) –– если порядки не совпадают (например на входных характеристиках это микрамперы, а на выходных–– милиамперы), то будет необходимо провести преобразования.
На основе проведённых построений, мы можем получит параметры усилителя как по постоянному ( I Б0 , I К0 , U БЭ0 , U КЭ0 ), так и по
переменному ( I Б m , I К m , U БЭ m , U КЭ m ) току.
Остальные параметры усилительного каскада с ОЭ определяются в соответствии с порядком расчёта, приведённым в следующем разделе.
2.1. Расчёт параметров транзистора
1. Для полученного в задании транзистора найти входные и выходные характеристики для схемы с общим эмиттером. Для этого можно воспользоваться прилагаемыми к данному пособию их копиями или специализированными справочниками, например [ 3 ]. Эти характеристики необходимо перенести в свою работу (или на отдельный, прилагаемый к ней, лист).
Помимо входных и выходных характеристик необходимо иметь значения I Б , U КЭ max , I К max , P К max и C К
2. Графическим методом определить h –параметры транзистора для схемы с общим ОЭ (см. раздел 1.1.4 на стр. 11 ).
Источник