Схемотехника аналоговых электронных устройств

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.

В большинстве случаев, наилучшими свойствами среди простейших (базовых) схем термостабилизации обладает эмиттерная схема термостабилизациипоказанная на рисунке 2.20.

Рисунок 2.20. Каскад с эмиттерной термостабилизацией

Эффект термостабилизации в этой схеме достигается:

◆ фиксацией потенциала U_б выбором тока базового делителя I_д>>I_б0, U_б≈const.

◆ введением по постоянному току ООС путем включения резистора R_э. На частотах сигнала эта ООС устраняется шунтированием резистора R_э емкостью C_э.

Напряжение U_бэ0 определяется как:

U_бэ0 = U_б – U_Rэ.

Механизм действия ООС можно изобразить следующей диаграммой:

T^⇑⇒I^⇑_к0⇒U^⇓_Rэ⇒U^⇓_бэ0⇒I^⇓_б0⇒I^⇓_к0,

↑←←←←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_б1 и R_б2:

I_д = (3…10)I_б0;

◆ выбираем U_Rэ = (0,1…0,2)E_к ≈ (1…5) В, и определяем номинал R_э:

◆ определяем потенциал U_б: