Влияние температуры на режим работы транзисторов в каскадах усиления

В связи с тем, что транзисторы являются полупроводниковыми приборами, в которых количество носителей тока (электронов и дырок) зависит от температуры, возникает необходимость стабилизации их токов и напряжений в режиме покоя. Наибольшее влияние оказывает на режим работы транзистора температурная зависимость обратного тока базы. Изменение тока базы D I_{0 б} в интервале температур D t⁰ С приводит к изменению тока коллектора в h_21э раз, т.е. DI_k0 = DI_0б h_21Э.

Семейство выходных характеристик и нагрузочная прямая, поясняющие принцип температурной нестабильности положения рабочей точки

Изменение коллекторного тока покоя при изменении температуры приводит к уходу положения рабочей точки от первоначально установленного значения. На рис. 3.26 новое положение рабочей точки обозначено как РТ (D t ^o C). При увеличении тока покоя коллектора происходит уменьшение напряжения покоя и, наоборот, при уменьшении температуры растет напряжение покоя коллектора, а ток покоя уменьшается. Действительно, из уравнения нагрузочной характеристики для точки покоя имеем:

U_к0 = Е_п – I_к0 R_К.

Из уравнения нагрузочной характеристики очевидно, что при увеличении температуры растет I _к0, а U _к0 уменьшается, и наоборот. Отсюда следует, что для стабилизации рабочей точки необходимо: при увеличении температуры – уменьшать, а при уменьшении – увеличить ток базы транзистора так, чтобы ток покоя коллектора оставался постоянным. Существует несколько методов реализации такого «механизма» изменения тока базы.

Термостабилизация с помощью терморезистора. Терморезистор обладает обратной вольтамперной характеристикой, т.е. с увеличением температуры его сопротивление уменьшается. Если такой резистор подключить в нижнее плечо делителя подачи смещения, то при увеличении температуры будет уменьшаться напряжение смещения базы транзистора. Действительно, с увеличением температуры уменьшается сопротивление терморезистора R _t, следовательно, уменьшается и падение напряжения на нем, определяющее напряжение смещения. Это приводит к уменьшению тока смещения базы, и ток покоя коллектора сохраняет некоторую стабильность.

Достоинством этого метода является то, что терморегулирующий элемент подключен в цепь с малым потреблением тока. Поэтому такой способ термостабилизации рабочей точки применяется в основном в каскадах усиления мощности.

Недостатком этого способа является невысокая степень стабилизации положения рабочей точки из-за несоответствия температурных зависимостей обратного тока базы и сопротивления терморезистора. В каскадах усиления мощности бытовой радиоэлектронной аппаратуры в качестве термостабилизирующих элементов используются полупроводниковые диоды в прямом включении, т.е. p–n -переходы. Использование p–n -переходов в качестве термостабилизирующих элементов позволяет получить стабильную работу транзистора в широком диапазоне температур, так как температурные зависимости прямого падения напряжения на p–n -переходе и участке база – эмиттер транзистора практически совпадают.

Схема включения термостабилизирующих полупроводниковых диодов

Коллекторная термостабилизация рабочей точки. При коллекторной термостабилизации рабочей точки транзистора напряжение смещения (следовательно, и ток смещения) формируется напряжением покоя коллектора транзистора

, U_см = I_б0 R_{вх тр},

где R_{вх тр} – входное сопротивление транзистора в области выбранной рабочей точки.

Из уравнения нагрузочной характеристики следует, что увеличение тока коллектора приводит к уменьшению напряжения на коллекторе транзистора U_К0. Так как напряжение смещения на базу транзистора подается с коллектора транзистора, то при росте температуры будет падать напряжение смещения и пропорционально этому напряжению – ток смещения базы. Схема каскада усиления при этом несколько похожа на схему, где подача смещения на базу транзистора осуществляется с фиксированным током базы. Схемы отличаются только тем, что в последнем случае сопротивление R_б, определяющее значение фиксированного тока базы, подключается к коллектору транзистора, а не к источнику питания каскада Е_к.

При коллекторной термостабилизации с коллектора транзистора часть выходного напряжения передается на его базу (через сопротивление R _б образуется обратная связь входа транзистора с его выходом).

Эмиттерная термостабилизация. В каскадах усиления бытовой радиоэлектронной аппаратуры в основном используется эмиттерная термостабилизация. При этом входное сопротивление каскада практически не зависит от степени стабилизации рабочей точки.

Известно, что ток (и напряжение) смещения определяется напряжением U _б0, приложенным между базой и эмиттером транзистора в режиме покоя, т.е. когда отсутствует усиливаемый сигнал. На рис. изображен каскад с фиксированным напряжением смещения, следовательно, оно определяется падением напряжения на сопротивлении делителя R_д2. Обозначим это напряжение U_{R д2}. Из рис. следует, что оно определяется как сумма двух напряжений

U_{R д2} =U_б0 + U_Rэ.

Из уравнения для U_{R д2} можно определить значение напряжения смещения базы

U_б0 = U_{R д2} – U_Rэ = U_{R д2} – I_э×R_э = U_{R д2} – (I_к0 + I_б0) R_э.

Из полученного выражения следует, что увеличение тока коллектора, наблюдаемое при повышении температуры, приводит к увеличению второй слагаемой и уменьшению напряжения смещения U_б0, следовательно, к температурной стабильности положения рабочей точки.

Схема каскада усиления с эмиттерной термостабилизацией

В этой схеме, как и в схеме с коллекторной термостабилизацией, имеет место нежелательная обратная связь. Эта связь также уменьшает коэффициент усиления каскада. Чтобы устранить ее влияние на коэффициент усиления каскада, резистор R _э шунтируют конденсатором С _э, т.е. блокируют.

Режимы работы транзистора (классы работы): А, АБ, В, С и D. Рассматриваемые RC – усилители обычно работают в режиме А. В режиме А ток коллектора всегда больше нуля (i_к > 0). При этом он увеличивается или уменьшается в зависимости от входного сигнала. В режиме В ток I_кн =0, поэтому ток коллектора может только увеличиваться. При синусоидальном входном сигнале в цепи коллектора протекают положительные полуволны тока. Режим АВ является промежуточным между режимами А и В. В режиме С на вход транзистора подается начальное запирающее напряжение, поэтому в цепи коллектора в каждый период входного сигнала ток протекает в течение времени, меньшего чем половина периода. Режимом D называют ключевой режим работы (транзистор находится или в режиме насыщения, или в режиме отсечки).