Рассмотрим влияние этих факторов на приращение тока коллектора . Начнем с влияния изменения , вызванного тепловым смещением проходных характеристик , обозначив при этом приращение тока коллектора как :
,
где - приращение напряжения , равное:
|e|,
где e - температурный коэффициент напряжения (ТКН),
e-3мВ/град., Т - разность между температурой коллекторного перехода
перехода и справочным значением этой температуры (обычно 25C):
,
,
где и соответственно, мощность, рассеиваемая на коллекторном переходе в статическом режиме, и тепловое сопротивление “переход-среда”:
,
.
Ориентировочное значение теплового сопротивления зависит от конструкции корпуса транзистора и обычно для транзисторов малой и средней мощности лежит в следующих пределах:
.
Меньшее тепловое сопротивление имеют керамические и металлические корпуса, большее - пластмассовые.
Отметим, что берется положительным, хотя имеет знак минус, это поясняется на рисунке 2.17.
Определяем приращение тока коллектора , вызванного изменением обратного (неуправляемого) тока коллектора:
,
где приращение обратного тока равно:
,
где a - коэффициент показателя, для кремниевых транзисторов a=0,13.
Следует заметить, что значение, 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 следует пользоваться приводимыми в справочниках температурными зависимостями , либо уменьшать справочное значение примерно на два порядка (обычно для кремниевых транзисторов составляет порядка , и порядка для германиевых, n=(1...9).
Приращение коллекторного тока, вызванного изменением , определяется соотношением:
,
где , отн. ед./град.
Полагая, что все факторы действуют независимо друг от друга, запишем:
.
Для повышения термостабильности каскада применяют специальные схемы питания и термостабилизации. Эффективность таких схем коэффициентом термостабильности, который в общем виде представляется как:
.
Учитывая различный вклад составляющих , разное влияние на них элементов схем термостабилизации, вводят для каждой составляющей свой коэффициент термостабильности, получая выражения для термостабилизированного каскада:
.
Обычно , что обусловлено одинаковым влиянием на и элементов схем термостабилизации:
.
Полученная формула может быть использована для определения 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.
определяется соотношением:
,
т.к. .
Очевидно, что "фиксируется" выбором , 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 ().
Коллекторная термостабилизация. Схема каскада представлена на рисунке 2.19а.
определяется соотношением:
,
т.к. .
Термостабилизация в этой схеме осуществляется за счет отрицательной обратной связи (ООС), введенной в каскад путем включения между базой и коллектором БТ. Механизм действия ООС можно пояснить следующей диаграммой:
,
петля ООС
где символами и показано, соответственно, увеличение и уменьшение соответствующего параметра. Коэффициенты термостабилизации для этой схемы:
,
.
Из этих формул видно, что данная схема имеет лучшую термостабильность ( и меньше единицы), чем схема с фиксированным током базы.
В схеме коллекторной термостабилизации ООС влияет и на другие характеристики каскада, что должно быть учтено. Механизм влияния данной ООС на характеристики каскада будет рассмотрен далее. Схемные решения, позволяющие устранить ООС на частотах сигнала, приведены на рисунках 2.19б,в.
В большинстве случаев, наилучшими свойствами среди простейших (базовых) схем термостабилизации обладает эмиттерная схема термостабилизации показанная на рисунке 2.20.
Эффект термостабилизации в этой схеме достигается:
¨ фиксацией потенциала выбором тока базового делителя .
¨ введением по постоянному току ООС путем включения резистора . На частотах сигнала эта ООС устраняется шунтированием резистора емкостью .
Напряжение определяется как:
.
Механизм действия ООС можно изобразить следующей диаграммой:
петля ООС
где символами и показано, соответственно, увеличение и уменьшение соответствующего параметра. Эскизный расчет эмиттерной схемы термостабилизации маломощного каскада можно проводить в следующей последовательности:
¨ Зададимся током делителя, образованного резисторами R и R :
;
¨ выбираем ,и определяем номинал :
;
¨ определяем потенциал :
;
¨ рассчитываем номиналы резисторов базового делителя:
,
,
где , определяется при расчете сигнальных параметров каскада.
Коэффициенты термостабилизации для этой схемы:
,
.
Здесь - параллельное соединение резисторов и .
Для каскадов повышенной мощности следует учитывать требования экономичности при выборе и .
Анализ полученных выражений показывает, что для улучшения термостабильности каскада следует увеличивать номинал и уменьшать .
Для целей термостабилизации каскада иногда используют термокомпенсацию. Принципиальная схема каскада с термокомпенсацией приведена на рисунке 2.21.
Здесь в цепь базы транзистора включен прямосмещенный диод D, температурный коэффициент стабилизации напряжения (ТКН) которого равен ТКН эмиттерного перехода БТ. При изменении температуры окружающей среды напряжение и напряжение на диоде будет меняться одинаково, в результате чего ток покоя базы останется постоянным. Применение этого метода особенно эффективно в каскадах на кремниевых транзисторах, где основную нестабильность тока коллектора порождает (из-за относительной малости ). Наилучшая реализация этого метода термокомпенсации достигается в ИМС, где оба перехода естественным образом локализуются в пределах одного кристалла и имеют совершенно одинаковые параметры. Возможно применение других термокомпенсирующих элементов и цепей, например, использующих сочетания БТ и ПТ. Большой класс цепей, питающих БТ, составляют схемы с двумя источниками питания, пример одной из них приведен на рисунке 2.22.
По сути, это схема эмиттерной термостабилизации, у которой "жестко" зафиксирован потенциал , , а .
Следует отметить возможность применения данных схем термостабилизации при любой схеме использования БТ в любой комбинации.
2.7. Усилительный каскад на биполярном транзисторе с ОБ
Вариант схемы каскада с ОБ с эмиттерной схемой термостабилизации приведен на рисунке 2.23, схема каскада для частот сигнала - на рисунке 2.24.
Каскад с ОБ называют еще "повторителем тока", т.к. коэффициент передачи по току этого каскада меньше единицы:
.
При подаче на эмиттер положительной полуволны синусоидального входного сигнала будет уменьшаться ток эмиттера, а, следовательно, и ток коллектора. В результате падение напряжение на уменьшится, а напряжение на коллекторе увеличится, т.е. произойдет формирование положительной полуволны выходного синусоидального напряжения. Таким образом, каскад с ОБ не инвертирует входной сигнал.
Анализ работы усилительного каскада с ОБ по входным и выходным динамическим характеристикам можно провести аналогично разделу 2.5.
Для расчета параметров каскада с ОБ по переменному току используем методику раздела 2.3, а БТ представлять моделью предложенной в разделе 2.4.1.
Представим каскад с ОБ схемами для областей СЧ, ВЧ и НЧ (рисунок 2.25а,б,в):
Проведя анализ, получим для области СЧ:
,
где ;
,
где , обычно .
.
Эти соотношения получены в предположении, что низкочастотное значение внутренней проводимости транзистора много меньше и . Это условие (если не будет оговорено особо) будет действовать и при дальнейшем анализе усилительных каскадов на БТ. Такое допущение справедливо потому, что БТ является токовым прибором и особенно эффективен при работе на низкоомную нагрузку.
В области ВЧ получим:
,
где - постоянная времени каскада в области ВЧ, определяемая аналогично ОЭ.
,
где - выходная емкость каскада, .
,
т.е. модуль входной проводимости уменьшается с ростом частоты, что позволяет сделать вывод об индуктивном характере входной проводимости каскада с ОБ на ВЧ. Количественно индуктивную составляющую входного импеданса можно оценить следующим образом:
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22
