Стабилизация режима работы транзисторов по постоянному току

Транзисторный каскад сохраняет работоспособность лишь в том случае, если ток покоя выходной цепи не выходит за определенные пределы при изменении температуры, старении, замене транзистора. Ток коллектора транзистора:

, (1)

где - статический коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ, - начальный ток коллектора при отключении эмиттера транзистора. – тепловой ток неосновных носителей через p-n переход – обратный ток коллектора. может меняться в 2-3 раза от одного экземпляра к другому. резко зависит от температуры (на 10⁰ вдвое у герм. транзисторов, втрое у кремниевых).

Для стабилизации режима работы транзисторов по постоянному току используются специальные схемы стабилизации, так назыв. коллекторная и эмиттерная стабилизация. Которые осуществляют стабилизацию точки покоя с помощью ООС.

Коллекторная стабилизация.

Как осуществляется стабилизация?

В данной схеме параллельная ООС по напряжению. Напряжение ООС снимается с коллектора транзистора.

В состоянии покоя напряжение на резисторе :

. (2)

Отсюда

. (3)

Из (3) видно, что если, например, ток коллектора стремится увеличиться (например, из-за увеличения температуры), то падение напряжения на увеличится, в результате чего уменьшится напряжение на и увеличится ток базы , что препятствует возрастанию тока .

Схема коллекторной стабилизации проста и экономична, но имеет некоторые недостатки. Согласно (3) эффект коллекторной стабилизации тем выше, чем больше сопротивление . Поэтому каскад хорошо работает лишь при условии

(4)

и поэтому при увеличении сопротивления увеличивается требуемое напряжение источника питания. Другой недостаток – наличие нежелательной ООС по переменному току через , которое уменьшает входное сопротивление и усиление каскада. Для устранения этого недостатка используется такая схема:

т.е. делят на две приблизительно равные части и между ними и общим проводом включают блокировочный конденсатор большой емкости.

Изобразим схемы коллекторной стабилизации выходного тока при включенном транзисторе с ОБ и ОК.

(5)

(6)

Рассмотреть самим как происходит стабилизация в этих схемах, записать падение напряжения на и рассмотреть аналогично изложенному выше.

Коллекторная стабилизация обеспечивает стабильность рабочего режима при небольших изменениях (в 1,5-2 раза) и изменениях температуры на 20-30⁰С.

Более высокую стабильность точки покоя дает схема эмиттерной стабилизации.

Эмиттерная стабилизация.

Стабилизация осуществляется благодаря последовательной ООС по току, получаемой при включении в цепь эмиттера.

Напряжение смещения:

(7)

Ток делителя выбирают во много раз больше тока , при этом напряжение практически не зависит от . Рассмотрим, как работает стабилизация.

Положим, что стремится возрасти (например, из-за увеличения температуры). Это приведет к увеличению напряжения на и, следовательно, к уменьшению . Транзистор частично закроется, уменьшится и, следовательно, уменьшится ток .

Для устранения ООС по переменному току, снижающей коэффициент усиления, шунтируют конденсатором большой емкости, практически закорачивающей для частот сигнала (сопротивление конд. мало).

Из выражения (7) видно, что стабилизация схемы усиливается с ростом , но с ростом увеличивается требуемая мощность. Обычно берут

(8)

в каскадах мощного усиления,

(9)

в каскадах предварительного усиления.

(10)

Сопротивление резистора рассчитывается по формуле (обычно ):

, (11)

где (12)

в каскадах мощного усиления,

(13)

в каскадах предварительного усиления.

(14)

, (15)

где - минимальная температура окружающей среды.

ОБ

ОК

Эмиттерная стабилизация позволяет обеспечить стабильность тока покоя при изменении параметра в (5÷10) раз и при изменении температуры на (70÷100)⁰С.

Возможно использование в одном каскаде и эмиттерной и коллекторной стабилизации.

ООС по постоянному току создается с помощью сопротивления эмиттера и .

Воспользуемся законом Кирхгофа:

. (16)

Если стремится увеличится, то увеличится напряжение на резисторе , следовательно уменьшится напряжение, прикладываемое к делителю , уменьшится напряжение на , а т.к. , то оно уменьшится, с одной стороны из-за уменьшения на и увеличения напряжения на . А уменьшение препятствует увеличению тока.

Термокомпенсированная стабилизация.

В схемах с температурной компенсацией в цепях смещения используются термокомпенсирующие элементы: терморезисторы или п/п диоды.

С ростом температуры сопротивление резистора падает, что уменьшает величину напряжения смещения , компенсируя рост тока покоя .

В качестве терморезисторов могут применяться непроволочные резисторы с отрицательным температурным коэффициентом.

Для температурной компенсации может быть использован п/п диод.

Повышение температуры вызывает уменьшение прямого сопротивления диода, что приводит к уменьшению смещения , при этом возрастание компенсируется.

Недостаток метода – устраняет только те изменения тока покоя, которые вызваны изменением температуры.

Схемы термокомпенсации применяются в двухтактных выходных каскадах, работающих в режиме В, где требуется получение низкого напряжения смещения. Кроме того, включение в цепь эмиттера токостабилизирующего резистора сильно снижает КПД.

Диодную стабилизацию широко применяют в интегральных усилителях. В ИМС делают так называемые диодные стабилизаторы напряжений и токов

Лекция