Схемотехника аналоговых электронных устройств - [6]

Проанализируем вопрос влияния температуры на стабильность режима покоя БТ, конкретно — I_к0.

Существуют три основных фактора, влияющих на изменении I_к0 под действием температуры: при увеличении температуры, во-первых, увеличивается напряжение U_бэ0, во-вторых, обратный ток коллекторного перехода I_кбо, и, в третьих, возрастает коэффициент H_21э.

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 ΔI_к0. Начнем с влияния изменения U_бэ0, вызванного тепловым смещением проходных характеристик I_к=f(U_бэ), обозначив при этом приращение тока коллектора как ΔI_к01:

ΔI_к01 = S₀·ΔU_бТ ,

где ΔU_бТ — приращение напряжения U_бэ0, равное:

ΔU_бТ = |ε^T|·ΔТ,

где ε^T — температурный коэффициент напряжения (ТКН),

ε^T ≈ –3мВ/град., ΔТ — разность между температурой коллекторного перехода перехода T_пер и справочным значением этой температуры T_спр (обычно 25°C):

ΔТ = T_пер – T_спр,

T_пер = T_сред + P_кR_T,

где P_к и R_T соответственно, мощность, рассеиваемая на коллекторном переходе в статическом режиме, и тепловое сопротивление “переход-среда”:

P_к = I_к0·U_к0,

Ориентировочное значение теплового сопротивления зависит от конструкции корпуса транзистора и обычно для транзисторов малой и средней мощности лежит в следующих пределах:

R_T = (0,1…0,5) град./мВт.

Меньшее тепловое сопротивление имеют керамические и металлические корпуса, большее — пластмассовые.

Отметим, что ΔI_к01 берется положительным, хотя ε^T имеет знак минус, это поясняется на рисунке 2.17.

Рисунок 2.17. Тепловое смещение проходных характеристик БТ

Определяем приращение тока коллектора ΔI_к02, вызванного изменением обратного (неуправляемого) тока коллектора ΔI_кбо:

ΔI_к02 = ΔI_кбо·(H_21э + 1),

где приращение обратного тока ΔI_кбо равно:

ΔI_кбо = I_кбо(T_спр)·[exp(αΔT) – 1],

где α — коэффициент показателя, для кремниевых транзисторов α=0,13.

Следует заметить, что значение I_кбо, 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 ΔI_к02 следует пользоваться приводимыми в справочниках температурными зависимостями I_кбо, либо уменьшать справочное значение I_кбо примерно на два порядка (обычно I_кбо 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 H_21э, определяется соотношением:

ΔI_к03 = H_21э·(I_кбо + I_б0),

где ΔH_21э = k_T·H_21э·ΔT, k_T ≈ 0,005 отн. ед./град.

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

ΔI_к0 = ΔI_к01 + ΔI_к02 + ΔI_к03.

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

S_T = ΔI_{к0 стаб}/ΔI_к0.

Учитывая различный вклад составляющих ΔI_к0, разное влияние на них элементов схем термостабилизации, вводят для каждой составляющей свой коэффициент термостабильности, получая выражения для термостабилизированного каскада:

ΔI_{к0 стаб} = S_T1ΔI_к01+ S_T2ΔI_к02 + S_T3ΔI_к03.

Обычно S_T2≈S_T3, что обусловлено одинаковым влиянием на ΔI_к02 и ΔI_к03 элементов схем термостабилизации:

ΔI_{к0 стаб} = S_T1ΔI_к01+ S_T2(ΔI_к02 + ΔI_к03).

Полученная формула может быть использована для определения ΔI_к0 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

R_б определяется соотношением:

т.к. E_к>>U_бэ0.

Очевидно, что I_б0 "фиксируется" выбором R_б, 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 (S_T2≈1).

Коллекторная термостабилизация. Схема каскада представлена на рисунке 2.19а.

Рисунок 2.19. Каскад с коллекторной термостабилизацией (а) и его варианты (б, в)

R_б определяется соотношением:

т.к. U_к0>>U_б0.

Термостабилизация в этой схеме осуществляется за счет отрицательной обратной связи (ООС), введенной в каскад путем включения R_б между базой и коллектором БТ. Механизм действия ООС можно пояснить следующей диаграммой:

T^⇑⇒I^⇑_к0⇒U^⇓_к0⇒I^⇓_б0⇒I^⇓_к0,

↑←←←←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 (S_T1 и S_T2 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.