3.9. Влияние температуры на режим работы транзисторов в каскадах усиления
В связи с тем, что транзисторы являются полупроводниковыми приборами, в которых количество носителей тока (электронов и дырок) зависит от температуры, возникает необходимость стабилизации их токов и напряжений в режиме покоя. Известно, что в примесных полупроводниках изменение температуры оказывает существенное влияние на концентрацию неосновных носителей. В полупроводниковых приборах неосновными носителями обусловлены обратные токи, протекающие через выводы этих приборов. Наибольшее влияние оказывает на режим работы транзистора температурная зависимость обратного тока базы. Изменение тока базы Д/об в интервале температур Д/° С приводит к изменению тока коллектора в h2h раз, т.е.
Мк0 = Moo h2/3.
Изменение коллекторного тока покоя при изменении температуры приводит к уходу положения рабочей точки от первоначально установленного значения. На рис. 3.26 новое положение рабочей точки обозначено как РТ (Дг°С). При увеличении тока покоя коллектора происходит уменьшение напряжения покоя и, наоборот, при уменьшении температуры растет напряжение покоя коллектора, а ток покоя уменьшается. Действительно, из уравнения нагрузочной характеристики для точки покоя имеем:
Uko = En - IkoRk-
Из уравнения нагрузочной характеристики очевидно, что при увеличении температуры растет /к0, a Uk0 уменьшается, и наоборот. Отсюда следует, что для стабилизации рабочей точки необходимо: при увеличении температуры - уменьшать, а при уменьшении - увеличить ток базы транзистора так, чтобы ток покоя коллектора оставался постоянным. Существует несколько методов реализации такого «механизма» изменения тока базы.
Термостабилизация с помощью терморезистора. Терморезистор обладает обратной вольтамперной характеристикой, т.е. с увеличением температуры его сопротивление уменьшается. Если такой резистор подключить в нижнее плечо делителя подачи смещения (рис. 3.27, я), то при увеличении температуры будет уменьшаться напряжение смещения базы транзистора. Действительно, с увеличением температуры уменьшается сопротивление терморезистора Rx, следовательно, уменьшается и падение напряжения на нем, определяющее напряжение смещения. Это приводит к уменьшению тока смещения базы, и ток покоя коллектора сохраняет некоторую стабильность.
Достоинством этого метода является то, что терморегулирую-щий элемент подключен в цепь с малым потреблением тока. Поэтому такой способ термостабилизации рабочей точки применяется в основном в каскадах усиления мощности.
Недостатком этого способа является невысокая степень стабилизации положения рабочей точки из-за несоответствия температурных зависимостей обратного тока базы и сопротивления терморезистора (см. рис. 3.27, б). Термостабилизация рабочей точки с помощью терморезистора в современной радибэлектронной аппаратуре применяется сравнительно редко, так как при таком способе для лучшего сопряжения температур^ ных зависимостей тока базы и сопротивления терморезистора приходит^ ся вводить в схему дополнительные резисторы. В каскадах усиления мощности бытовой радиоэлектронной аппаратуры в качестве термоста-билизирующих элементов в последнее время используются полупроводниковые диоды в прямом включении, т.е. />-и-переходы (рис. 3.28). Ис* пользование р-п-переходов в качестве термостабилизирующих элементов позволяет получить стабильную работу транзистора в широком диапазоне температур, так как температурные зависимости прямого падения напряжения на /?-/7-переходе и участке база-эмиттер транзистора практически совпадают. При этом отпадает необходимость введения в схему дополнительных резисторов, снижается себестоимость изделия.
Рис. 3.28. Схема включения тер м остаб и л и з и р у ю ид и х полупроводниковых диодов
Коллекторная терм о стабилизация рабочей точки. При коллекторной термостабилизации рабочей точки транзистора напряжение смещения (следовательно, и ток смещения) формируется напряжением покоя коллектора транзистора
6w Q п ' исм 160г^ахтру
где Rex тР ~ входное сопротивление транзистора в области выбранной рабочей точки.
Из уравнения нагрузочной характеристики следует, что увеличение тока коллектора приводит к уменьшению напряжения на коллекторе транзистора UK0. Так как напряжение смещения на базу транзистора подается с коллектора транзистора, то при росте температуры будет падать напряжение смещения и пропорционально этому напряжению - ток смещения базы. Схема каскада усиления при этом несколько похожа на схему, где подача смещения на базу транзистора осуществляется с фиксированным током базы. Схемы отличаются только тем, что в последнем случае сопротивление R6, определяющее значение фиксированного тока базы, подключается к коллектору транзистора, а не к источнику питания каскада Ек (рис. 3, 29, а).
При коллекторной термостабилизации с коллектора транзистора часть выходного напряжения передается на его базу (через сопротивление Rq образуется обратная связь входа транзистора с его выходом). Так как транзистор включен по схеме с общим эмиттером, он переворачивает фазу сигнала на 180°, вследствие чего сигнал на базу транзистора поступает в противофазе со входным, усиливаемым сигналом. Это приводит к уменьшению амплитуды усиливаемого сигнала, следовательно, и амплитуды выходного напряжения. Для устранения влияния нежелательной обратной связи по переменному току в цепь подачи смещения вводят развязывающий /^С^-фильтр (рис. 3.29, б). Тогда переменная составляющая коллекторного тока будет замыкаться (шунтироваться) через конденсатор Входное сопротивление каскада при этом определяется значением сопротивления резистора #б и параллельно соединенным к нему входным сопротивлением транзистора. Ток смещения базы определяется суммой сопротивлений резисторов, т.е. Rf-, = R r, + R(/,.
Емкость конденсатора фильтра Сф выбирается из условия обеспечения требуемой частотной характеристики усилительного каскада в области нижних частот.
Эмиттерная термостабилизация. В каскадах усиления бытовой радиоэлектронной аппаратуры в основном используется эмиттерная термостабилизацйя. При этом входное сопротивление каскада практически не зависит от степени стабилизации рабочей точки. Схема каскада с эмиттерной термостабилизацией приведена на рис. 3.30.
Известно, что ток (и напряжение) смещения определяется напряжением Uqo, приложенным между базой и эмиттером транзистора в режиме покоя, т.е. когда отсутствует усиливаемый сигнал. На рис, 3.30 изображен каскад с фиксированным напряжением смещения, следовательно, оно определяется падением напряжения на сопротивлении делителя Ro2. Обозначим это напряжение URd2 • Из рис. 3.30 следует, что оно определяется как сумма двух напряжений
Uroi ~UnO + Ufa-
Из уравнения для UR <)2 можно определить значение напряжения смещения базы:
Из полученного выражения следует, что увеличение тока коллектора, наблюдаемое при повышении температуры, приводит к увеличению второй слагаемой и уменьшению напряжения смещения Ufl(h следовательно, к температурной стабильности положения рабочей точки.
В этой схеме, как и в схеме с коллекторной термостабилизацией, имеет место нежелательная обратная связь. Эта связь также уменьшает коэффициент усиления каскада. Чтобы устранить ее влияние на коэффициент усиления каскада, резистор R3 шунтируют конденсатором СЭ) т.е. блокируют. Поэтому этот конденсатор называют блокировочным конденсатором. В реальных радиоэлектронных устройствах обрыв в цепи блокировочного конденсатора сопровождается резким уменьшением коэффициента усиления усилителя. В усилителях звуковых частот это проявляется как резкое уменьшение громкости звучания, а в усилителях видеосигналов - как ухудшение контрастности изображения и т.д.
Значение емкости конденсатора Сэ выбирают из условия обеспечения требуемого коэффициента (допустимого завала частотной характеристики) частотных искажений электронного усилителя. Для большинства практических устройств емкость блокировочного конденсатора выбирается из условия XCj < O.IR^ где ХСэ - реактивное сопротивление конденсатора С, на нижней граничной частоте усиливаемого сигнала. Тогда номинал конденсатора можно найти как
J 0,h27iR3FH где F„ - наименьшая частота усиливаемого сигнала.
