А. Красько - Схемотехника аналоговых электронных устройств

Результирующую АЧХ и ФЧХ каскада в области НЧ можно построить, используя уже упоминавшийся принцип суперпозиции.

В n-каскадном усилителе с одинаковыми каскадами наблюдается эффект сужения полосы рабочих частот, который в области НЧ можно скомпенсировать уменьшением нижней граничной частоты каскадов до .

Параметры БТ в значительной мере подвержены влиянию внешних факторов (температуры, радиации и др.). В то же время, одним из основных параметров усилительного каскада является его стабильность. Прежде всего, важно, чтобы в усилителе обеспечивался стабильный режим покоя.

Проанализируем вопрос влияния температуры на стабильность режима покоя БТ, конкретно — I к 0.

Существуют три основных фактора, влияющих на изменении I к 0 под действием температуры: при увеличении температуры, во-первых, увеличивается напряжение U бэ 0, 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 Δ I к 0. Начнем с влияния изменения U бэ 0, вызванного тепловым смещением проходных характеристик I к = f ( U бэ ), обозначив при этом приращение тока коллектора как Δ I к 01:

Δ I к 01= S 0·Δ U бТ ,

где Δ U бТ — приращение напряжения U бэ 0, равное:

Δ U бТ = |ε T |·Δ Т ,

где ε T — температурный коэффициент напряжения (ТКН),

ε T ≈ –3мВ/град., Δ Т — разность между температурой коллекторного перехода перехода T пер и справочным значением этой температуры T спр (обычно 25°C):

Δ Т = 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 к 0· U к 0,

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 Δ I к 01 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 Δ I к 02, вызванного изменением обратного (неуправляемого) тока коллектора Δ I кбо :

Δ I к 02 = Δ I кбо ·( H 21э+ 1),

где приращение обратного тока Δ I кбо равно:

Δ I кбо = I кбо ( T спр )·[exp(αΔ T ) – 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 Δ I к 02 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:

Δ I к 03 = H 21э·( I кбо + I б 0),

где Δ H 21э= k T · H 21э·Δ T , k T ≈ 0,005 отн. ед./град.

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

Δ I к 0 = Δ I к 01+ Δ I к 02+ Δ I к 03.

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

S T = Δ I к 0 стаб /Δ I к 0.

Учитывая различный вклад составляющих Δ I к 0, разное влияние на них элементов схем термостабилизации, вводят для каждой составляющей свой коэффициент термостабильности, получая выражения для термостабилизированного каскада:

Δ I к 0 стаб = S T 1Δ I к 01+ S T 2Δ I к 02+ S T 3Δ I к 03.

Обычно S T 2≈ S T 3, что обусловлено одинаковым влиянием на Δ I к 02 и Δ I к 03 элементов схем термостабилизации:

Δ I к 0 стаб = S T 1Δ I к 01+ S T 2(Δ I к 02+ Δ I к 03).

Полученная формула может быть использована для определения Δ I к 0 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 бэ 0.

Очевидно, что I б 0"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 T 2≈1).

Коллекторная термостабилизация .Схема каскада представлена на рисунке 2.19а.