Температурная стабилизация усилителей

Существенным недостатком транзисторов является зависимость их параметров от температуры. При повышении температуры транзистора увеличивается I_к за счет возрастания числа не основных носителей заряда в полупроводнике. Это приводит к изменению коллекторных характеристик транзистора. При увеличении I_к на ∆I_к коллекторное напряжения уменьшается на ∆U_к = R_к ∆I_к (рисунок 2.13).

Это вызывает смещение рабочей точки на коллекторной и переходной характеристиках (из П1 вП2). В некоторых случаях повышение температуры может вывести рабочую точку за пределы линейного участка переходной характеристики и нормальная работа усилителя нарушается. Поэтому для температурной стабилизации усилителей используется специальные меры или способы. Их два:

- эмиттерная стабилизация;

- коллекторная стабилизация.

 

Рисунок 2.13 – Зависимость характеристик транзистора от температуры

 

Эмиттерная температурная стабилизация

Для уменьшения влияния температуры на характеристику усилительного каскада с ОЭ в цепь эмиттера включают резистор R_э, шунтированный конденсатором. В цепи базы для создания начального напряжения смещения между базой и эмиттером ставится делитель R₁ / R₂ (рисунок 2.14).

Напряжение U_бэ зависит от сопротивления резисторов:

U_бэ = E_к R₂ / (R₁ + R₂) − R_э I_э,

Где первый член уравнения есть потенциал базы, а второй – потенциал эмиттера.

Рисунок 2.14 – Схема УК с эмиттерной температурной стабилизацией

При наличии R_э увеличение эмиттерного тока I_э = I_б + I_к из-за повышения температуры приводит к возрастанию падения напряжения на R_э. Это вызывает снижение потенциала базы по отношению к потенциалу эмиттера, т. е. U_бэ уменьшается, а, следовательно, уменьшаются I_э и I_к.

 

Конечно, уменьшение I_к за счет R_э не может полностью скомпенсировать рост I_к за счет повышения температуры, но влияния температуры на I_к при этом во много раз снижается.

Однако введение R_э изменяет работу усилительного каскада. Переменная составляющая эмиттерного тока i_э создает на резисторе дополнительное падение напряжения U_э = R_э i_э, которое уменьшает усиливаемое напряжение, подводимое к транзистору:

U_бэ = U_вых − R_э i_э

Коэффициент усиления усилительного каскада при этом будет уменьшаться. Это явления называется отрицательной обратной связью. Для ослабления ООС параллельного R_э включают емкость С_э, сопротивление которой намного меньше R_э. При этом падение напряжения на участке R_э − С_э от переменной составляющей i_э будет незначительным, поэтому усиливаемое напряжения практически равно входному:

U_бэ ≈ U_вх

Недостатком эмиттерной стабилизации является необходимость повышения напряжения питания коллекторной цепи, т. к. при включении R_э U_к уменьшается за счет падения напряжения на R_э.

 

Коллекторная температурная стабилизация

В этом случае напряжение обратной связи подается из коллекторной цепи в цепь базы с помощью резисторов R₁ и R_к, включенных между коллектором и базой транзистора (рисунок 2.15).

Рисунок 2.15 – Схема УК с коллекторной температурной стабилизацией

При повышении температуры I_к увеличивается, а U_к уменьшается. Это приводит к снижению потенциала базы, а, следовательно, к уменьшению I_к0 и I_к, который стремится к своему первоначальному значению. В результате I_кн, U_к изменяются незначительно. Т. е. введение резисторов R₁ и R_к приводит к существенному ослаблению влияния температуры на характеристики УК.

Чтобы составляющая коллекторного напряжения не попадала в цепь базы, в УК используют фильтры.

Усилитель с коллекторной стабилизацией обладает меньшей стабильностью, чем усилитель с эмиттерной стабилизацией, но он не требует повышения напряжения питания коллекторной цепи.