Стабильность показателей АЭУ

Технические показатели и характеристики любых устройств, к сожалению, не остаются постоянными ввиду нестабильности па­раметров составляющих элементов: пра изменении температуры, напряжения и гока пи гения, а также от экземпляра к экземпляру (производственный разброс) и вследствие старения. Наиболее нестабильны параметры транзисторов. Для важнейших показате­лей максимальные нестабильности нормируются техническими ус­ловиями. Обычно задастся допустимая относительная нестабиль­ность того или иного показателя, т. е. отношение абсолютного при­ращения данного показателя к его номинальному значению.

При отыскании нестабильности какого-либо технического пока­зателя устройства принято использовать понятие чувствительно­сти (параметрической),

которая по существу представляет отношение относительных нестабильностей интересующего нас показателяy н параметра х как источника нестабильности. Безразмерная величина называется чувствительностью показателяук изменению параметра х.

Интересующий нас показатель может быть не обязательно па­раметром устройства (например, коэффициентом усиления), но и какой-либо функцией (например, передаточной). В последнем слу­чае чувствительность тоже является функцией. Частную производ­ную ду/дх называют функцией чувствительности или коэф­фициентом влияния параметра х на величину y.

Тема 1.2 Методы обеспечения режима работы биполярных и полевых транзисторов в каскадах усиления

1.2.1 Схема с фиксированным током базы

Рисунок 1.10 Схема с фиксированным током базы

Для нормальной работы любого усилительного каскада необходимо установить определенные токи и напряжения в входной и выходной цепях транзистора при отсутствии входного сигнала. Такой режим называют статическим(режим по посто­янному току, режим покоя). Значения постоянных составляющих токов и напряжений определяются источниками питания во входной и выходной цепях усилителя.

В практических схемах отдельный источник смещения во входной цепи используется редко, а вводятся дополнительные элементы смещения (обычно рези­сторы), на которые подается напря­жение от источника смещения в вы­ходной цепи. Рассмотрим основные способы обеспечения режима по по­стоянному току в схеме с ОЭ. Основ­ным требованием при этом является обеспечение постоянства выбранного режима покоя при изменении тем­пературы и замене транзистора.

В схеме на рис. 1.10 режим по по­стоянному току задается с помощью резисторов и источника питания. Смещение эмиттерного перехо­да осуществляется за счет протека­ния тока базы от источника питания через резистор . Уравнение Кирхгофа для входной цепи имеет вид:

.

При этом (эмиттерный переход открыт). Тогда

, (2.1)

откуда следует, что начальный ток базы не зависит от транзи­стора и определяется только внешними параметрам и . Поэтому такой метод обеспечения режима работы транзистора по по­стоянному току называется смещением фиксированным током базы.

Недостатками данной схемы являются:

1)трудность обеспечения режима покоя в выходной цепи при установке транзисторов с допустимым промышленным раз­бросом параметра без изменения сопротивления резистора :

(2.2)

Ток не зависит от параметров транзистора, а точка по­коя в выходной цепи может оказаться или в области насыщения или вблизи границы режима отсечки;

2) не учитывается изменение обратного коллекторного тока транзистора от температуры. Схема с фиксированным током базы может быть использована для работы в диапазоне изменения температур, не превышающем 10...20 °С.

1.2.2 Схема с фиксированным напряжением база – эмиттер

Рисунок 1.11 Схема с фиксированным напряжением базы

В схеме на рис. Режим покоя обеспечивается фиксированным напряжением на базе транзистора с помощью источника питания и делителя из резисторов и .

Сопротивления резисторов и при заданном начальном токе базы , соответствующем напряжению , определяют по формулам

где — ток делителя, который выбирается из условия обеспече­ния необходимой стабильности режима работы; .

Напряжение

не зависит от параметров транзистора. В связи с этим такой спо­соб задания режима по постоянному току называют смещением фиксированным напряжением базы.

С увеличением температуры токи и изменяются практически одинаково, что приводит к увеличению . Точка покоя перемещается в сторону режима насыщения. Для обеспе­чения температурной стабилизации усилительных каскадов ис­пользуют обратные связи по постоянному току или постоянному напряжению, которые снижают действие дестабилизирующих температурных факторов.

1.2.3 Схемы с температурной стабилизацией

На рис. 1.12, а представлена схема с коллекторной стаби­лизацией. Ее отличие от схемы (рис. 1.10) состоит в том, что резистор подключен к коллекторному выводу транзистора с напряжением , а не к источнику питания. В этом случае ток смещения определяется так:

Физический смысл коллекторной температурной стабилиза­ции заключается в следующем. При повышении температуры коллекторный ток увеличивается, а напряжение уменьшается. Это приводит к уменьшению потенциала базы, а следователь­но, к уменьшению тока базы и коллекторного тока , кото­рый стремится к своему первоначальному значению. Таким образом, это существенно ослабляет влияние температуры на ха­рактеристики усилительного каскада.

а)

б)

Рисунок 1.12 Схемы транзисторного каскада

.

Это приводит к уменьшению напряжения на эмиттерном переходе, что вызывает уменьшение базового тока , в результате чего ток коллектора также уменьшается, стремясь возвра­титься к своему первоначальному значению.

Введение резистора при отсутствии конденсатора из­меняет работу усилительного каскада не только в режиме покоя, но и при наличии входного сигнала. Переменная составляющая эмиттерного тока создает на резисторе падение напряжения, так называемое напряжение обратной связи(ОС), которое уменьшает усиливаемое напряжение, подводимое к транзистору:

Коэффициент усиления усилительного каскада будет умень­шаться. Для ослабления влияния отрицательной обратной связи по переменному току параллельно резистору включается кон­денсатор . Ёмкость конденсатора выбирают таким образом, чтобы в полосе пропускания усилителя его сопротивление было значительно меньше . При этом падение напряжения на парал­лельном соединении и от переменной составляющей тока эмиттера будет незначительным.

Таким образом, режим покоя можно обеспечить:

· заданием требуемого тока базы с помощью резистора с большим сопротивлением (рис. 1.12,а);

· заданием потенциала базы с помощью делителя напряже­ния или получением за счет включения (1.12,б).

1.2.4 Стабильность рабочей точки

Разброс параметров транзисторов одной серии значительно затрудняет проектирование стабильных усилительных устройств. Кроме того, параметры биполярных транзисторов сильно зависят от внешних факторов: изменения температуры, радиационного воздействия. Все это приводит к смещению рабочей точки на ВАХ.

Качество температурной стабилизации схемы определяется выбором положения исходной рабочей точки и ее стабильностью при изменении температуры. На положение рабочей точки при увеличении температуры сильное влияние оказывают: обратный ток коллекторного перехода , который возрастает; напряжение , которое уменьшается; коэффициент передачи тока базы, который также возрастает.

Поэтому температурную нестабильность схемы можно оце­нить полным приращением тока коллектора по формулам

(2.3)

(2.4)

Исходя из (2.14), запишем

(2.5)

Подставив в (2.15) значение приращения тока базы , получим уравнение

(2.6)

где – коэффициент токораспределения;

решив которое относительно найдем

(2.7)

Величину называют коэффициентом температурной нестабильности.

Коэффициент температурной нестабильности показывает, во сколько раз изменение тока покоя больше в данном каскаде, чем в идеальном стабилизированном устройстве. Чем меньше S, тем стабильнее усилительный каскад.

Учитывая, что полное приращение коллекторного тока с учетом коэффициента нестабильности будет равно

(2.8)

Формула (2.18) может быть использована для определения усилительного каскада для любой схемы включения биполяр­ного транзистора.

Выполнив анализ коэффициента нестабильности, получим предельные значения S. При каскад будет обладать наилучшей стабильностью, а при — плохой. Таким образом, в зависимости от соотношения и значение коэффициента температурной нестабильности изменяет­ся от до . Следовательно, для получения максимальной стабильности нужно стремиться к выполнению условия или к выполнению неравенства

(2.9)

Условие (2.9) является желательным при создании ста­бильных усилительных каскадов, однако уменьшение значения сопротивления ограничивается снижением входного сопротив­ления каскада. На практике удовлетворительные результаты получаются при , которым соответствуют 5и .

Приращение коллекторного тока за счет изменения напряжения учитывается в (2.8) слагаемым , причем , где –ТКН, являющийся отрицательной величиной, что учитывается в выражении (2.8) знаком минус перед . Это указывает на то, что с ростом температуры изменение приводит к уменьшению приращения коллекторного тока.

Изменение коллекторного тока за счет приращения ко­эффициента усиления транзистора по току учитывается , обычно