Аналоговые электронные устройства (стр. 3 )

Значит ток изменяется не только при изменении , но и при изменении С повышением температуры перехода параметр увеличивается на (0,3…0,4)% на 1° сверх 25° и уменьшается (0,15…0,25)% на 1° при ее понижении, считая от 25°.

С учетом влияния изменения температуры перехода и технологического разброса при 10% отбраковке крайние расчетные значения оказываются равными

,

, (2.15)

и

. (2.16)

Реальный БТ работающий в диапазоне температур, можно заменить идеальным, режим работы которого абсолютно стабилен, а влияние температуры на его режим учесть с помощью трех дестабилизирующих факторов , и (рис.2.4). На этом рисунке генератор тока отображает совместное влияние и на ток коллектора. Выражение для можно получить из (2.14), взяв производную от по и , полагая и , получим

где
(2.17)

Зная величины возмущающих источников и и способ (схему) подачи питающих напряжений на электроды транзистора, можно определить приращение . В общем случае

(2.18)

где , - коэффициенты нестабильности, характеризующие чувствительность тока коллектора соответственно к изменению , и напряжения .

Эти коэффициенты имеют четкий физический смысл: - коэффициент усиления схемы по постоянному току; - проводимость прямой передачи схемы по постоянному току. Чем меньше и , тем стабильнее схема. У высокостабильных схем =1,2…2, =0,1…1мСим.

2.3. Температурная нестабильность режима полевого транзистора

Как у всех приборов, построенных на основе полупроводниковых структур, свойства полевого транзистора (ПТ), а значит и его режим работы зависит от температуры.

С увеличением температуры уменьшается контактное напряжение , возникающее на границе соприкосновения двух сред с разным типом электропроводности. Уменьшение с ростом температуры при приводит к увеличению эффективного сечения канала, т. е. к росту тока . Но с увеличением температуры уменьшается подвижность носителей зарядов из-за сокращения длины их свободного пробега. Это происходит за счет более частого столкновения носителей зарядов с атомами кристалла, у которых с возрастанием температуры возрастает амплитуда колебаний относительно равновесного состояния. Уменьшение подвижности носителей зарядов приводит к уменьшению тока . Таким образом, при изменении температуры на ток стока действуют два противоположно направленных дестабилизирующих фактора: один вызывает увеличение тока стока, а второй – уменьшение. Это позволяет путем соответствующего выбора положения рабочей точки добиться их взаимной компенсации (рис.2.5). В точке В происходит взаимная компенсация описанных эффектов и ток стока не меняется. У ПТ с управляющим р-п-переходом точка “В” смещена относительно напряжения отсечки на 0,6 B, а для МДП ПТ - на величину (0,8¸3,9)B. Влияние температуры на проходные характеристики можно приписать некоторому эквивалентному изменению напряжения .

Уменьшение больших значений токов стока, с увеличением температуры обуславливает отсутствие у ПТ вредного явления самоперегрева, характерного для БТ, у которых повышение температуры приводит к росту тока коллектора и к еще большему разогреву коллекторного перехода.

У ПТ с управляющим р-п-переходом ток обратно включенного перехода, т. е. ток затвора составляет , а у МДП-транзисторов -. Поэтому у МДП-транзисторов влиянием температурных изменений тока на режим работы пренебрегают. Для ПТ с управляющим р-п-переходом зависимость от температуры рассчитывается по формуле (2.9). Используя эквивалентную схему на рис.2.6 (для МДП-транзисторов ), можно для любого устройства на ПТ найти приращение (нестабильность)

(2.19)

где - коэффициенты нестабильности, имеющие тот же физический смысл, что и для БТ.

2.4. Методы стабилизации

Существуют два метода стабилизации режима работы УЭ:

- параметрический (компенсация температурных изменений);

- автоматический (при помощи ООС).

В первом случае используются элементы, сопротивления которых зависят от температуры: терморезисторы, полупроводниковые диоды, стабилитроны. Например, на рис.2.7 в качестве такого элемента используется диод. При изменений температуры статическая характеристика диода сдвигается примерно так же, как и зависимость на рис.2.3. Если через диод пропустить постоянный ток , то, например, при повышений температуры зависимость сдвигается влево, при этом напряжение снизится приблизительно до такого значения, при котором ток (рис.2.3) практически не изменяется.

Достоинство параметрического способа стабилизации - это возможность достижения полной стабилизации режима работы УЭ.

Недостатки:

¨ позволяет уменьшить только температурную нестабильность режима;

¨ требует, как правило, не только подбора подходящего термозависимого элемента, но и регулировку режима для каждого отдельного каскада;

¨ требует хорошего теплового контакта между УЭ и термозависимым элементом.

Автоматический способ стабилизации основан на свойствах ООС. Его достоинства: универсальность, т. е. стабилизация режима осуществляется вне зависимости от того, что является причиной нестабильности (изменение температуры, напряжения питания или старения УЭ); хорошая серийнопригодность.

2.5. Обобщенная схема задания и стабилизации рабочей точки

Конкретные схемы задания и стабилизации рабочей точки, которые будут рассмотрены ниже, являются частными случаями обобщенных схем, представленных на рис.2.8. Здесь - полные сопротивления на постоянном токе цепей, внешних относительно соответствующих электродов; - эквивалентные источники ЭДС, определяемые напряжениями в точках 1,2 и 3 при отключенном транзисторе. Путем подбора значений внешних ЭДС и сопротивлений необходимо обеспечить не только исходный режим работы при комнатной температуре, но и стабильность этого режима в диапазоне температур, т. е. обеспечить требуемые значения коэффициентов нестабильности и (2.18) и (2.19).

Анализ схем, изображенных на рис.2.8 и рис.2.9 позволил получить расчетные состояния для исходного режима работы УЭ и коэффициентов нестабильности.

Для БТ (рис.2.8 ,а и рис.2.9, а) при

(2.20)

или

, (2.21)

, (2.22)

. (2.23)

Для ПТ (рис.2.7,б и рис.2.8,б):

, (2.24)

или

, (2.25)

, (2.26)

. (2.27)

Здесь - координаты рабочей точки (точки покоя) при комнатной температуре; - значение параметров также при комнатной температуре.

Выражения (2.20)… …(2.27) позволяют рас-считать величины внешних элементов по заданному или выбранному исходному режиму работы и его стабильности.

2.6. Схема эмиттерной стабилизации

Схема эмиттерной стабилизации (рис.2.10) является самой распространенной схемой. Стабилизация осуществляется за счет последовательной ООС по току, возникающей из-за наличия в схеме резистора . Если , то потенциал базы относительно общего провода жестко фиксирован, т. е. не зависит от параметров транзистора, а значит и от температуры. Работой транзистора управляет напряжение .

Если под действием какого-либо дестабилизирующего фактора увеличивается ток коллектора, то это приводит к увеличению падения напряжения на резисторе и к уменьшению напряжения, что препятствует возрастанию тока коллектора.

Конденсатор используется для ослабления ООС по переменному току, так как при его отсутствии будет уменьшаться коэффициент усиления каскада.

Для получения расчетных соотношений необходимо привести схему эмиттерной стабилизации к обобщенной схеме (рис.2.8, а).

Сравнивая эти две схемы, и применяя теорему об эквивалентном генераторе к участку цепи, подсоединенному к зажиму 1, будем иметь

; ; ; ; ; .

Подставляя эти выражения в (2.20), (2.21), (2.22) и (2.23), можно получить соотношение, связывающее исходный режим работы транзистора и его нестабильность с , , и .

Для повышения стабильности режима необходимо уменьшать коэффициенты нестабильности и . Это можно сделать, увеличив , так как при этом возрастает глубина ООС. Действительно, при ®¥ из (2.22) и (2.23) следует, что =1, а =0. Однако, при увеличении на нем будет теряться большая доля напряжения источника питания, а, значит, уменьшается напряжение в рабочей точке и допустимая амплитуда сигнала . Чтобы выяснить влияние сопротивления на стабильность схемы, следует обратить внимание на то, что с уменьшением коэффициент будет уменьшаться, а – возрастать. Физически это объясняется тем, что с уменьшением будет увеличиваться влияние и уменьшаться вклад в нестабильность коллекторного тока (рис. 2.8, а). Кроме того, с уменьшением будет увеличиваться глубина последовательной ООС, что способствует повышению стабильности. Чтобы выбрать сопротивление , найдем с учетом (2.22) и (2.23)

Значит, если

или

, (2.28)

то для повышения стабильности необходимо уменьшать и наоборот.

Пример 2.1

По известным параметрам транзистора КТ363Б: Ом, , , и заданным граничным значением температуры окружающей

среды , определены величины

=0,172В, =41,5мкА и Ом.

Таким образом, для большинства практических схем уменьшение Rб способствует улучшению их стабильности. Однако, уменьшение приводит к уменьшению входного сопротивления каскада и к возрастанию тока делителя, т. е. к ухудшению энергетических показателей каскада.

Данная схема обеспечивает работоспособность каскада в диапазоне температур 80…100°С.

2.7. Схема коллекторной стабилизации

В этой схеме (рис. 2.11) стабилизация осуществляется за счет параллельной ООС по напряжению. Пусть под действием дестабилизирующего фактора возрос ток коллектора, а, значит, и ток эмиттера и уменьшилось напряжение , что привело к снижению тока базы . Уменьшение же тока базы вызывает снижение тока коллектора . Иными словами, изменение тока коллектора встречает противодействие со стороны ООС.

Так как через резистор протекает ток , т. е. фактически эмиттерный ток, то для расчета нестабильности коллекторного тока можно использовать выражение для эмиттерной стабилизации, заменяя в них на .

Однако, данная схема обеспечивает меньшую стабильность, чем эмиттерная. Это обусловлено большим сопротивлением .Кроме того, из-за наличия в схеме параллельной ООС по переменному току, каскад обладает низким входным сопротивлением.

В силу перечисленных причин этот способ стабилизации используется сравнительно редко.

Наиболее эффективной является эмиттерно-коллекторная стабилизация, которая из-за сложности (большое число элементов, сравнительно высокое напряжение питания) находит ограниченное применение.

2.8 Цепи питания полевых транзисторов

2.8.1. Цепи питания с фиксацией напряжения на затворе

Для получения требуемого (фиксированного) напряжения на затворе применяют делитель напряжения и (рис. 2.12).

Так как ПТ с управляющим р-n-переходом имеет разную полярность напряже-ний и , то питание необходимо осуществлять от двух источников питания (рис. 2.12, а). У МДП-транзисторов с индуцированным каналом (рис. 2.12, б) полярность этих напряжений совпадает, поэтому требуется один источник питания (рис. 2.12, б). ПТ со встроенным каналом могут работать с напряжением , полярность которого может совпадать или не совпадать с полярностью напряжения . Они могут работать и при =0.

Сравнивая схемы на рис 2.12 с обобщенной схемой на рис. 2.8, б и, воспользовавшись выражениями (2.24)…(2.27), получим:

, (2.29)

, (2.30)

, (2.31)

где

Значит, для ПТ с управляющим р-n переходом

,(2.32)

а для МДП – транзистора

. (2.33)

Таким образом, для повышения стабильности необходимо уменьшать результирующее сопротивление постоянному току в цепи затвора и при =const выбрать ПТ с меньшей крутизной.

2.8.2. Схемы истоковой стабилизации

Эти схемы (рис.2.13) обладают лучшей стабильностью, чем цепи на рис. 2.12, так как за счет резистора имеет место последовательная ООС по току (как в схеме с эмиттерной стабилизацией). Для схемы на рис. 2.13, а

, (2.34)

а для схемы на рис. 2.13, б

. (2.35)

Сравнивая схемы истоковой стабилизации с обобщенной схемой на рис. 2.8, б, получим

(2.36)

(2.37)

где - глубина ОС на постоянном токе; - для схемы на рис. 2.13, б.

Для повышения стабильности надо увеличивать,т. е. увеличивать глубину ООС и уменьшать .

2.9. Генераторы стабильного тока

Рассмотренные в предыдущих разделах автоматические способы стабилизации режима в аналоговых интегральных микросхемах (ИМС) не желательны, так как они требуют применение высокоомных резисторов, занимающих большую площадь, и конденсаторов большой емкости, которые не возможно реализовать в интегральном исполнении. Поэтому в аналоговых ИМС для задания режима и его стабилизации используется параметрический метод.

Наиболее распространенными функциональными элементами, служащими для задания и стабилизации режима в аналоговых ИМС, являются генераторы стабильного тока (ГСТ). ГСТ должен обеспечивать стабильный ток, независящий от параметров цепи (температуры, изменения напряжения питания и нагрузки), т. е. в идеале он должен обладать бесконечно большим динамическим (по переменному току) выходным сопротивлением. Для реализации ГСТ в микросхемах обычно используют два и более транзисторов, параметры которых идентичны. На рис. 2.14, а приведена схема ГСТ, которая нашла большое применение в аналоговых ИМС.

Так как транзистор VT1 включен как диод, то напряжения база-эмиттер транзисторов VT1 и VT2 будут совпадать. Поскольку эти транзисторы – интегральные (имеющие и незначительный разброс параметров), то отношение их эмиттерных, а значит, и коллекторных токов будет равно отношению площадей их эмиттерных областей:

. (2.38)

Пренебрегая токами баз и вводя обозначение , получим . На практике k выбирают в диапазоне 1…5. Таким образом, ток следит за током и точно отображает любое его изменение. Поэтому данная схема получила название токовое зеркало.

Поскольку VT1 используются в диодном включении, то ток I1 можно застабилизировать с требуемой точностью путем задания его с помощью внешних элементов: источника питания и резистора . Из схемы на рис. 2.14 следует, что

, так как .

При изменении температуры

, (2.39)

где .

Таким образом, подбирая нужное значение , можно обеспечить требуемую стабильность , значит и . Данная схема позволяет достичь температурной стабильности порядка 5 %.

Если транзисторы VT1 и VT2 имеют идентичную геометрию (т. е. k=1), то учет базовых токов и приводит к соотношению

=-(+) (2.40)

или

. (2.41)

Значит, даже при полной стабильности опорного тока , ток ГСТ будет меняться за счет изменения базовых токов.

Температурную стабильность ГСТ можно повысить, если вместо двух транзисторов использовать три (рис. 2.14, б).

В этой схеме ток базы VT2 вначале вычитается из опорного тока , а затем возвращается в базу опорного транзистора VT1, тем самым поддерживая на постоянном уровне токи и при изменениях базового тока. Напряжение база-эмиттер VT3 фиксирует смещение опорного транзистора VT1, который в свою очередь стабилизирует уровень тока VT2. Как показывает анализ схемы:

(2.42)

При и разбросе параметров не более 20% отличие от не превышает 0,5%. Кроме того, данная схема имеет более высокое выходное сопротивление, чем схема на рис. 2.14, а.

Недостатком схем с диодным смещением является ограниченность отношения площадей эмиттеров транзисторов (). Поэтому при k>5 желательно применять схему с резисторным смещением (рис. 2.13, в), в которой для фиксации токов используется отношение сопротивлений, а не площадей эмиттеров.

Пренебрегая током базы VT2, получим

(2.43)

или

. (2.44)

Из (2.44) следует

. (2.45)

Если , то