Стабилизация параметров усилительного каскада

В процессе эксплуатации усилительные каскады подвергаются воздействию различных дестабилизирующих факторов, основными среди которых являются:

- изменение температуры и других климатических условий эксплуатации;

- колебания напряжения питания;

- старение элементов;

- разброс параметров однотипных элементов в случае их замены.

Все эти факторы приводят к изменению параметров и характеристик усилителей, отклонению их значений от заданных величин. Поэтому при проектировании усилительных каскадов необходимо решить вопрос стабилизации их параметров, который в основном достигается за счет схемотехнических решений.

Основное влияние на стабильность параметров любого электронного устройства оказывают усилительные элементы. Это обусловлено тем, что за счет их усилительных свойств незначительное изменение их параметров ведет к существенному изменению токов и напряжений в схеме.

В подавляющем большинстве случаев влияние дестабилизирующих факторов проявляется в отклонении начальных токов и напряжений от расчетной величины, то есть в смещении положения ИРТ на ВАХ усилительного элемента. Следовательно, решив задачу стабилизации РТ в статическом режиме (режиме покоя), можно существенно повысить стабильность параметров и характеристик усилителя.

Нестабильность положения рабочей точкиусилительного элемента может приводить к его тепловой неустойчивости, то есть к саморазогреву вплоть до разрушения кристалла вследствие возникновения тепловой положительной обратной связи. Все это заставляет принимать специальные меры по стабилизации положения рабочей точки. Кроме этого смещение ИРТ относительно своего положения, заданного при проектировании, может вызывать существенные нелинейные искажения сигнала на выходе усилителя при больших уровнях входного сигнала.

В биполярном транзисторе наибольшее дестабилизирующее действие на ток коллектора оказывают изменения:

- обратного тока I_КБО коллекторного перехода;

- коэффициента передачи тока базы b_ст;

- напряжения U_БЭ.

Обратный ток коллектора I_КБО сильно зависит от температуры и с ее повышением удваивается на каждые 10° С для германиевых и на каждые 5° С для кремниевых транзисторов. Для маломощных германиевых транзисторов при комнатной температуре ток I_КБО составляет единицы – десятки микроампер, а для кремниевых – сотые доли микроампера.

Коэффициент передачи тока базы транзистора b_ст, как и обратный ток коллектора, при увеличении температуры также увеличивается. Такое увеличение составляет около 0,5% на градус. Но более существенны изменения b_ст, связанные с производственным разбросом этого параметра. Как правило, производственный разброс b_ст составляет 10 ... 50%.

Замена транзистора в каскаде или его старение может вызывать изменение требуемого значения напряжения U_БЭ, с помощью которого задают ток коллектора в исходной РТ. При повышении температуры требуемое значение U_БЭ уменьшается со скоростью около 2,5 мВ/град. Производственный разброс характеристик по U_БЭ обычно составляет не более 50 мВ.

Повышение стабильности положения ИРТ на ВАХ транзистора усилительного каскада возможно за счет подбора транзистора, обеспечения его охлаждения, а также за счет выбора схемы стабилизации.

Наиболее известны три схемы стабилизации рабочей точки:

- с фиксированным током базы;

- с коллекторной стабилизацией;

- с эмиттерной стабилизацией.

Схема усилительного каскада с фиксированным током базы показана на рисунке 2.28.

Рисунок 2.28 – Схема каскада с базовой стабилизацией

В рассматриваемой схеме для тока базы в соответствии со вторым законом Кирхгофа можно записать

, (2.56)

откуда ток базы равен

, (2.57)

поскольку обычно и_БЭ << Е_п.

Сопротивление резистора R_б, как правило, мало изменяется при изменении температуры. Поэтому при стабильном напряжении питания изменения коллекторного тока относительно его значения в расчетной ИРТ будут вызваны, в основном, изменениями b_ст и I_КБО, поскольку известна связь между током базы и током коллектора, определяемая выражением

.

Схема с фиксированным током базы на практике применяется редко по следующим причинам:

- при воздействии дестабилизирующих факторов изменяются величины b_ст и I_КБО, что приводит к изменению тока коллектора и, соответственно, положения ИРТ;

- для каждого значения b_ст (например, при замене транзистора) необходимо подбирать соответствующее значение резистора R_б, что с практической стороны очень неудобно.

Схема с коллекторной стабилизацией (рисунок 2.29) отличается от предыдущей схемы (рисунок 2.28) наличием резистора R_к в цепи базового смещения.

Рисунок 2.29 – Схема каскада с коллекторной стабилизацией

Приведенная выше схема обеспечивает более хорошую стабилизацию исходного положения РТ. В этой схеме имеет место параллельная ООС по напряжению (выход схемы – коллектор транзистора соединен со входом схемы – базой транзистора через цепь ООС, образованную резистором R_б), благодаря которой в случае увеличения тока коллектора возрастает падение напряжения на резисторе R_к и, соответственно, уменьшается постоянное напряжение на базе, равное и_БЭ = и_КЭ. Это, в свою очередь, уменьшает ток базы, равный , а, следовательно, и ток коллектора, стремясь возвратить его к исходному значению.

Таким образом, в схеме с коллекторной стабилизацией, за счет ввода параллельной ООС по напряжению обеспечивается повышение стабильности исходной рабочей точки. Основным недостатком рассмотренной схемы является то, что введение параллельной ООС приводит к уменьшению коэффициента усиления тока усилительного каскада.

Наиболее удачной и наиболее распространенной на практике является схема с эмиттерной стабилизацией (приведена на рисунке 2.30).

Рисунок 2.30 – Схема каскада с эмиттерной стабилизацией

Эффект стабилизации в рассматриваемой схеме обеспечивается введением последовательной ООС по току, которая создается резистором R_э, включенным в цепь эмиттера. Из анализа схемы следует, что на базе транзистора с помощью резисторного делителя R1, R2 задается некоторое постоянное напряжение и_R2, равное

,

которое обеспечивает заданное положение рабочей точки. При этом согласно второму закону Кирхгофа

. (2.58)

Если ток коллектора по какой-либо причине увеличится, то возрастет падение напряжения на резисторе R_э (так как i_К » i_Э). Его приращение приведет к уменьшению напряжения и_БЭ и, следовательно, к уменьшению тока базы транзистора i_Б. Сопротивления резисторов R1 и R2 выбирают таким образом, что изменение тока i_Б практически не влияет на величину напряжения u_R2, то есть это напряжение остается неизменным. Поэтому уменьшение тока базы приводит к уменьшению тока i_Э, а, следовательно, и к уменьшению тока i_К, стремясь возвратить его к прежнему значению.

Наличие блокировочного конденсатора С_б (при правильном подборе его емкости) исключает действие ООС на переменном токе в пределах полосы пропускания усилителя. Поэтому добавление резистора R_э практически не приводит к уменьшению коэффициента усиления напряжения.