Тема: Методи забезпечення і стабілізація режиму роботи підсилювального каскаду

Самостійна робота № 15

Початкове положення робочої точки на динамічній характеристиці підсилювального каскаду при відсутності вхідних сигналів зумовлюється сукупністю постійних складових струмів і напруг у вихідному (І _{0 С} , U _{0 C} ) і вхідному (І _{0 B} , U _{0 B} ) колах. Забезпечення робочого режиму транзистора тісно пов'язано зі стабілізацією режиму спокою підсилювального каскаду в цілому.

Нестабільність положення робочої точки інтегрального транзистора може бути спричинена нестабільністю напруги джерела живлення, старінням елементів ІMС, дрейфом параметрів мікросхеми. Однак найбільший вплив на зміщення робочої точки чинить температурна нестабільність параметрів елементів ІMС.

Під впливом зміни температур и зміщуються статичні характеристики транзистора. З ростом температури змінюється колекторний, (вихідний) струм І _С, приріст якого обумовлений, головним чином, підвищенням зворотного струму колекторного переходу та коефіцієнта передачі за струмом транзистора h _{21 B} (h _{21 Е} ). Крім того, теплове зміщення характеристик транзистора зумовлене зміною напруги U_ЕВ на емітерному переході.

Оскільки колекторний струм є функцією трьох змінних І _С = φ (І^*_С0 , h _{21 Е} , U_ЕВ), то його приріст виразимо повним диференціалом

(1)

Частинні похідні в рівнянні (1)

(2)

характеризують швидкість зростання І_С під дією дестабілізуючих факторів.

У гібридних ІMС, де є можливість використати резистори і конденсатори великих номіналів, режим спокою і його термостабілізація здійснюються за допомогою резистивних кіл зміщення й введення місцевих кіл негативного зворотного зв'язку. В напівпровідникових ІMС, де застосування резисторів з великим опором утруднене (планарні резистори займають велику площу), а застосування конденсаторів великих ємностей практично неможливе, використовують параметричні методи температурної стабілізації положення робочої точки. Оскільки в напівпровідникових ІMС застосовують кремнієві транзистори, то вплив зміни струму І_С на їх температурну стабільність не має вирішального значення і його не враховують.

Схема параметричної стабілізації режиму транзисторного каскаду VТ2 за допомогою транзистора VТ1 в діодному ввімкненні показана на рис. 1, а. Це одна з найпоширеніших базових схем інтегральної схемотехніки, відома під назвою генератора стабільного струму. Звичайно колектор транзистора VТ2 вмикається в колі емітерів підсилювальних каскадів (наприклад, в колі емітерів диференційного підсилювача), забезпечуючи дані кола стабільним струмом І_С = І₀. Характеристики транзисторів VТ1 і VТ2 відрізняються лише в межах розкиду їх статичних параметрів.

Беручи до уваги, що в однотипних транзисторів температурна нестабільність коефіцієнтів передачі за струмом і , однакова, запишемо відносну температурну нестабільність колекторного струму І_{С 2} транзистора VТ2:

(3)

де і – відхилення напруг на емітерних переходах тран­зисторів VТ1 та VТ2.

При цьому припускають, що температурна нестабільність теплових струмів емітерних переходів однакова: .

Рисунок 1 -

З рівняння (3) випливає, що при рівних напругах на емітерних переходах обох транзисторів, а також однакових їх відхиленнях для схеми з паралельним вмиканням емітерних переходів маємо

. (4)

Отже, відносна нестабільність струмів транзисторів VТ1 і VТ2 однакова, тобто в такій парі транзисторів струм І_{С 2}наслідує струм І_{С 1}і відбувається «дзеркальне відображення» струмів. Таку схему (рис. 1, а) називають «струмовим дзеркалом».

Таким чином, щоб стабілізувати струм І_{С 2}= І ₀, необхідно стабілізувати з достатньою точністю струм І_{С 1}, відхилення якого, зумовлені температурною нестабільністю параметрів транзистора, визначаються рівнянням

Δ І_{С 1}= – Δ U_{BE 1}/ R – Δ І_{B 1} – Δ І_{B 2},

Через те, що Δ І_{B 1}≈ Δ І_{С 1} /h _{2І Е 1} і Δ І_{B 2}≈ Δ І_{С 2} /h _{21 Е 2}≈ Δ І_{С 1} І_{С 2} / h _{21 Е 2} І_С1,

(5)

З виразу (5) випливає, що нестабільність колекторного струму транзистора VТ2 зумовлюється нестабільністю напруги емітерного переходу (Δ І_{С 1} ≈ Δ U_{BE 1}/ R), яка для кремнієвих транзисторів становить 1,7 – 2 мВ/°С. Тому заданий режим роботи транзистора VТ l і його колекторний струм І_{С 1}(а отже, струм І_{С 2})можливо забезпечити і стабілізувати відповідним добором зовнішніх елементів: резистора R і напруги Е:

(6)

(7)

де ΔW = 1,12 В – ширина забороненої зони кремнію; δ _т = Δ Т / Т, δ_R = Δ R / R, δ _C = Δ I_C2 / I_C2 – відносна зміна температури, опору резистора R і колекторного струму транзистора VТ2 відповідно. Розраховують елементи R і Е за формулами (6) і (7) при заданих значеннях δ _т, δ_R, δ _C, Δ E, I_C2.

За схемою на рис. 1, а можливо стабілізувати режим диференційного підсилювача вмиканням колекторного кола транзистора VТ2 в загальне емітерне коло диференційного каскаду. Крім стабілізації режиму, така схема дозволяє вагомо підвищити рівень подавлення синфазної завади, не знижуючи підсилення корисного вхідного сигналу. При цьому якість джерела стабільного струму тим вища, чим більший його вихідний опір.

Підвищити вихідний опір до опору колекторного переходу r _Сможна введенням негативного зворотного зв'язку за струмом, вмикаючи в коло емітера транзистора VТ2 резистор R_{Е 2}(рис. 1, б).Крім того, введення негативною зворотного зв'язку знижує чутливість джерела сигналу до змін напруги джерела живлення Е. Для того, щоб транзистор VТ2 не працював у режимі дуже малих струмів, в коло емітера транзистора УТ1 вмикають резистор невеликого опору R_{Е 1}, При цьому потенціал бази транзистора VТ2 підвищується, що забезпечує підвищення емітерного струму цього транзистора.

Рисунок 2 –

На рис. 2, а показана схема джерела стабільного струму (так звана «струмова двійка»), яка відрізняється від розглянутих раніше тим, що при такому ввімкненні транзистор VТ2, що генерує струм І ₀ цього каскаду, навіть при низьких напругах живлення не входить у режим насичення. Тому можна використовувати низьковольтні джерела живлення (±2...3 В).

Струм І_С2 = І ₀ знаходять з рівняння

І_С2 = U_ВЕ1 / R_Е2. (8)

При цьому резистор R_Е2 в колі емітера транзистора VТ2 служить для передачі сигналу негативного зворотного зв'язку в базу транзистора VТl. Завдяки негативному зворотному зв'язку джерело струму має високий вихідний опір. Крім того, в такій схемі струм I_С2 = I ₀ майже не залежить від напруги живлення, хоча змінюється при коливаннях температури. Щоб уникнути впливу температурних змін, як резистор R_Е2 негативного зворотного зв'язку за струмом використовують транзистор VТЗ (рис. 5.2, б). Цей транзистор в діодному вмиканні задає режим роботи транзистора VТ2, термостабілізуючи колекторний струм І_С1, що зумовлює високу термостабільність колекторного струму I_С2 = I ₀.