Рассмотренный выше случай смещения рабочей точки с помощью сопротивления R _б (фиксированное смещение) имеет преимущество – простота выполнения. Его недостаток – плохая стабильность положения рабочей точки.

       Нестабильность рабочей точки прежде всего проявляется при колебаниях температуры. Рассмотрим влияние температуры на характеристики транзистора.

       Температурная нестабильность выходных характеристики транзистора объясняется зависимостью параметров транзистора от температуры. Это, во-первых, зависимость I _Т от температуры (при повышении температуры тепловой ток растёт экспоненциально), во-вторых, зависимость коэффициента усиления по току B от температуры: B растёт с повышением температуры.

       Температурная нестабильность входных характеристик тока объясняется температурной зависимостю I _ТЭ. Известно, что чем меньше I _ТЭ, тем больше так называемая зона нечувствительности на входных характеристиках.

Температурную нестабильность входных характеристик принято количесвтенно оценивать температурным коэффициентом:

Обычно ε составляе около -2 мВ/град.

       Расчёт стабильности рабочей точки сводится к определению . Для этого нужно при анализе выразить I _к через температурно зависимые параметры. Обычно учитывают параметры B , I _ко (отражают смещение выходных характеристик). Для отображения входных характеристик представляют ВАХ в виде, представленном на рисунке ниже, и характеризуют одним параметром: U _бэА.

Ранее было получено выражение

 (1).

Переходим к приращениям:

(2).

       Рассмотренная ранее простейшая схема с единственным сопротивлением R _б обеспечивает независимый от T ток базы и называется схемой с фиксированным током базы.

Следовательно, для этой схемы при колебаниях температуры , тогда получаем:

.

Коэффициент передачи  в коллекторную цепь, имеющий смысл частной производной , обозначим через S и назовём коэффициентом нестабильности. В схеме с фиксированным током базы

S имеет максимальное значение , и в этом заключается главный недостаток такой схемы смещения.

Как видно из рисунка, с повышением температуры выходные характеристики смещаются вверх, и тогда рабочая точка может оказаться в насыщении. Поэтому более распространены схемы смещения с термостабилизацией рабочей точки. Одна из самых популярных схем изображена на рисунке.

Идея термостабилизации здесь в том, что при повышении температуры увеличивается I _к, но ток базы не остаётся постоянным, а уменьшается.

При T =70° C характеристика пойдёт выше, и ток базы равен некоторой величине I _бА ’. Рабочая точка занимает положение A’, лишь немного отличающееся от A. В самом деле, . Очевидно, что:

.

       Если , что обеспечивается, если делитель R₁ – R₂ низкоомный, то увеличение  приводит к уменьшению U _эб, а следовательно и к уменьшению тока I _б (если пренебречь смещением входных характеристик, то правомочно для германиевых транзисторов).

Таким образом чисто качественное рассмотрение позволяет сделать вывод, что для увеличения стабильности рабочей точки нужно увеличивать R _э и брать низкоомный делитель, а это значит, что надо уменьшать

.

       При высокоомном делителе  и при уменьшении I _б U_{R 2} увеличивалось бы, что снижало бы эффект термостабилизации.

Лекция 21.

       Перейдём к количественному рассмотрению стабилизации.

, где .

Так как , получаем

Найдём отсюда  и подставим его в (2):

.

Выразим  в явном виде:

 (3),

где  (4)

Таким образом, .

S – коэффициент нестабильности, по-прежнему имеющий смысл производной . Варажения (3) и (4) оказываются достаточно общими и справедливыми для различных схем смещения.

       Так для схемы на германиевых транзисторах с фиксированным током базы R _э =0, R _б достаточно велико, членом с  можно пренебречь, . Из (4) видно, что увеличение R _э и уменьшение R _б приближают S к 1. В пределе S =1 при  и . В этом идеальном случае:

.

       Поэтому S можно ещё определить как отношение  в реальной схеме к  в схеме с идеальной термостабилизацией.

       Практически получить  в схемах с одним источником питания  не удастся. Действительно, увеличение R _э приводит к неразумному использованию E _к: большая его часть падает на R _э и снижает динамический диапазон выходного напряжения. Уменьшение R _б снижает входное сопротивление каскада, так как:

.

Кроме того, чтобы при  не снижалось усиление каскада, R _э шунтируют конденсатором C _э, при этом бесполезного падения напряжения сигнала на R _э­ не будет. C _э должно быть достаточно большим, чтобы постоянная времени перезаряда этого конденсатора превышала бы в несколько раз период самых низкочастотных составляющих сигнала.

       Подобная же схема смещения используется и при включении транзистора по схеме ОБ и ОК.

ОБ: отличие от ОЭ только в том, что C _б заземляет по переменному току базу, а не эмиттер.

ОК: если R _э больше либо равно требуемому сопротивлению, то цепь  отсутствует и блокировочного конденсатора не нужно; если R _э мало, то для повышения стабильности включают  и шунтируют его C _э. Расчёт цепей смещения при наличии термостабилизации производят следующим образом:

Исходные данные: определено положение рабочей точки, т.е. I _бА, I _кА, U _кА, U _эбА.

а) Выбирается R _э так, чтобы падение напряжения на нём не превышало 10-25% от E _к, то есть:

.

б) Задаются коэффициентом нестабильности S (рекомендуется около 4). Тогда емеем два уравнения с двумя неизвестными R ₁ и R ₂:

1. , где .

2. .

Из 1) находим R _б:

; ; .

Из 2) находим R ₁:

(пренебрегаем U _эбА).

в) Определяем R ₂ из выражения для R _б:

.

Пример. Задано E _к =15 В, I _бА =20 мкА, α=0,98.

.

Задаёмся S = 4.

.

.

.

       Из этого примера видно, что R _вх каскада будет меньше . В тех случаях, когда к R _вых предъявляются жёсткие требования, то задают не S, а R _б, находят R ₁ и R ₂ и проверяют получившееся S. Пусть . Тогда:

.

.

.

       Другой используемой на практике схемой термостабилизации является изображённая на рисунке ниже.

По заданной рабочей точке (U _кА, I _бА) определяется R _б:

.

В этой схеме по R _к протекает ток . При увеличении температуры  а , и как следствие . То есть рост I _к здесь тоже замедлен из-за уменьшения I _б. К этой схеме применяются полученные для  и S формулы (3) и (4), только вместо R _э в эти формулы подставляется сопротивление R _к.

       Следует отметить, что повышение стабильности положения рабочей точки является следствием применения в рассматриваемых схемах отрицательной обратной связи. В предыдущей схеме:

, то есть на входе схемы присутствовало напряжение , зависящее от выходного тока. С помощью C _э обратная связь на переменном токе устарнялась и снижения усиления не было. В последней схеме выход связан со входом непосредственно через R _б. Наличие обратной связи снижает усиление. Чтобы этого не происходило, можно применить следующую схему (см. рисунок).

По постоянному току здесь нет отличия от предыдущей схемы, если . По переменному току обратная связь устраняется с помощью конденсатора C, заземляющего среднюю точку делителя R ₁ – R ₂.

       Схема со связью базы и коллектора через R _б применяется реже, так как здесь трудно добиться желательного S, ибо R _к и R _б выбираются из других соображений, а не исходя из требуемой стабильности.

       В случае схемы ОБ и при двух источниках питания достикается S =1.

Лекция 22.

Действительно, здесь и S =1.

То есть именно эту схему можно считать идеальной с точки зрения стабильности положения рабочей точки. Добиться S <1 можно только используя цепи термокомпнсации.

В качестве R ₂ используется термочувствительный элемент (терморезистор или полупроводниковый диод) с отрицательным ТК.

Термокомпенсация используется реже, так как трудно подбирать термочувствительные жлементы с нужным ТК.

В заключение несколько разновидностей рассматриваемых схем.

Следует отметить, что вывод о желательности уменьшения R _б в полной мере относится к схемам на германиевых транзисторах. В схемах с кремниевыми транзисторами I _ко настолько мал, что членом с  в выражении (3) можно пренебречь. Тогда большую роль в нестабильности положения рабочей точки начинает играть член с . Если пренебречь , то

 (знак «+», так как ε отрицательно).

       Тогда для уменьшения  нужно увеличивать как R _э, так и R _б. Для принятия окончательного решения о R _б нужно при кремниевых транзисторах оценить относительный вклад в  членов с  и с , то есть знать величину ε и температурную зависимость коэффициента B.