Температурная стабилизация исходного режима работы усилителя

ВОПРОС №2

Одним из требований, предъявляемых к усилителю, является усиление сигнала с минимальным или допустимым уровнем нелинейных искажений. Для этого на электроды УЭ должны быть поданы напряжения соответствующей величины и полярности.

Как отмечалось выше, одним из недостатков транзисторов является сильная зависимость их параметров от температуры.

Такая зависимость может привести к значительным изменениям основных характеристик усилителя: увеличению нелинейных искажений сигнала, изменению коэффициента усиления, превышению допустимой мощности рассеивания и выходу транзистора из строя. Поэтому стабилизация рабочей точки транзистора значительно важнее стабилизации рабочей точки электронной лампы.

Особенно сильно изменяется обратный ток коллектора I_0К. Изменение этого тока вызывает резкое изменение тока коллектора при заданном токе (напряжении) базы.

В схеме с ОЭ коллекторный ток I_К определяется выражением

Iк = β₀ ∙ I_б + (β₀+1) ∙ I_0К , (3.13)

где I_0К – неуправляемый (обратный) ток запертого коллекторного перехода,

I_б – ток базы,

β₀ – коэффициент передачи постоянного тока в схеме с ОЭ.

При увеличении температуры возрастает и обратный ток коллектора I_0К и вносит из области коллектора в область базы электроны. В результате, в базе накапливаются отрицательные заряды и разность потенциалов на участке «база-эмиттер» увеличивается. Это приводит к увеличению коллекторного и эмиттерного токов. Возрастание тока I_К оказывается в (β₀ +1) раз больше, чем увеличение тока I_0К. Поэтому температурные свойства транзисторов оцениваются, прежде всего, по величине обратного тока I_0К. Так в германиевых транзисторах ток I_0К увеличивается примерно в 2 раза при повышении температуры на каждые 11⁰С. В кремниевых транзисторах этот ток возрастает еще быстрее, но его влияние сказывается меньше из-за очень малой начальной величины.

Изменение обратного тока I_0К, а вследствие этого и изменение тока коллектора I_К, проявляется в перемещении выходных статических характеристик I_К = f (U_K) в сторону изменения коллекторного тока. При повышении температуры начальный ток коллектора резко возрастает по экспоненциальному закону и одновременно семейство характеристик смещается вверх.

На рисунке 3.4 представлено семейство выходных характеристик при двух значениях температуры. Перемещение характеристик при изменениях температуры приводит к нестабильности рабочей точки, которая начнет перемещаться по нагрузочной прямой для постоянного тока (точки А₁ и А₂).

С повышением температуры рабочая точка перемещается вверх по нагрузочной прямой (А₂), с уменьшением – вниз (А₁).

Перемещение рабочей точки под влиянием роста температуры может быть настолько велико, что она выйдет за пределы рабочей области характеристик. Это вызовет не только увеличение уровня нелинейных искажений (К_Г ≠ 0 – коэффициент гармоник), но и резкое изменение исходного тока коллектора I_К.

I_K I_K I_K

К_Г ≠0

I_K2 t

А₂

A₁K_Г =0 t

I_K1

U_K1 U_K2 E_K U_K

Рис. 3.4. Влияние температуры на местоположение рабочей точки

При чрезмерном увеличении тока коллектора и недостаточном теплоотводе это может привести к физическому разрушению транзистора. В целом, температурная нестабильность может вызывать:

– снижение КПД,

– перегрев транзистора,

– падение коэффициента усиления,

– рост нелинейных искажений.

Для температурной стабильности рабочей точки необходимо применять схемные решения, с помощью которых происходило бы автоматическое выравнивание рабочего режима независимо от индивидуальных параметров транзистора. Для этого применяются внутрикаскадные, междукаскадные и комбинированные отрицательные обратные связи (ООС). Стабилизация может быть коллекторной, эмиттерной и комбинированной.