ТЕМПЕРАТУРНАЯ НЕСТАБИЛЬНОСТЬ
Итак, мы убедились в необходимости достаточно обоснованного выбора положения работай точки маломощных и, особенно, мощных транзисторов. Но, если не принять специальных мер, то положение этой точки на характеристике самопроизвольно изменится при работе транзистора в результате изменения температуры окружающей среды и нагревания самого транзистора проходящими через него токами.
В цепи коллектора протекает обратный ток IкБо, который зависит от температуры: при повышении температуры на каждые 10° С ток IKБO германиевого транзистора удваивается, а у кремниевых IKБO изменяется в 2,5 раза (правда, по значению этот ток значительно меньше, чем у германиевого транзистора, поэтому кремниевые более температуроустойчивы). Сам по себе ток IКБО незначителен; у маломощных транзисторов он составляет микроамперы, но от него зависит ток коллектора Iк = Iкбо(h21э + 1) Например, если ток IКбо при 20° С составляет 5 мкА, то при 40° С, а это обычная температура внутри работающего транзистора, он возрастает до 20 мкА. И хотя увеличение тока на 16 мкА — это очень мало, ток коллектора изменится (при й31Э= = 25) на ДIк=ДIКБО(h21Э + 1) = 15(25+1) =390 мкА, т. е. почти на 0,4 мА, а это уже заметно, так как рабочий ток коллектора составляет 1 imA.
Рис. 10. Токи и напряжения в транзисторном усилительном каскаде
Увеличение тока коллектора приводит к уменьшению тока базы, поскольку ток базы IБ равен разности токов эмиттера и коллектора. Изменение же тока базы приводит к изменению напряжения на базе, а даже незначительное изменение напряжения база — эмиттер приводит к значительным изменениям токов транзистора. Отсюда понятна зависимость режима работы транзистора от температурного изменения обратного тока коллектора IКБО. Для уменьшения этой зависимости необходимо снизить влияние изменения тока базы на значение напряжения на базе. Если увеличить ток делителя Iд
в цепи базы (рис. 10), то уменьшится зависимость напряжений U± и Uz от тока базы IБ.
Но для этого придется уменьшить сопротивление резисторов R1 и R2, что приведет к увеличению потребления энергии от источника питания и уменьшению входного сопротивления каскада, так как эти резисторы шунтируют цепь базы транзистора. Поэтому на практике ток делителя Iд для маломощных каскадов выбирают из условия: Iд>(5-10)IБ, а для мощных каскадов: Iд>(1-5)IБ. Чтобы не ухудшать КПД каскада, ток Iд выбирают не более 10 — 15% тока коллектора.
Более действенный способ борьбы с температурной нестабильностью транзисторного каскада — включение в эмиттерную цепь резистора R3. При изменении токов Iк и IБ происходит изменение и тока эмиттера Iд. При увеличении тока Iэ
увеличивается и падение напряжения IэRэ
на резисторе RЭ, вследствие чего напряжение между базой и эмиттерам транзистора UБЭ = = — IДR2 + Uэ становится менее отрицательным, что препятствует дальнейшему увеличению тока IЭ. Таким образом в цепи RЭCЭ создается напряжение только за счет постоянной составляющей эмиттерного тока I3, которая зависит от температуры транзистора. С повышением температуры ток эмиттера возрастает, в результате увеличивается напряжение в цепи RЭC3. Но это приводит к уменьшению напряжения между базой и эмиттером транзистора, что сдерживает рост эмиттерного тока. В этом и заключается метод температурной стабилизации режима каскада за счет ООС по постоянному току. Чем ниже граничная усиливаемая частота, тем больше должна быть емкость конденсатора Сэ. На практике в усилителе звуковых частот она должна быть не менее 500 — 1000 мкФ в маломощных каскадах предварительного усиления и 1500 — 2000 мкФ в оконечных трансформаторных мощных каскадах.
Из рис. 10 следует, что чем больше сопротивление резистора R3, тем эффективнее ООС по току и лучше стабилизация. Однако увеличение сопротивления резистора R3 требует увеличения напряжения питания Ек: U Кэ= = — Ek+IkRk+I3RЭ. Падение напряжения на резисторе RB не должно превышать значения U3 = (0,1 — 0,2)EK, тогда Rэ= (0,1 — 0,2)EK/Iэ.
Из этого условия выбирают сопротивление резистора Ra.
Сопротивления резисторов делителя базовой цепи (с учетом рассмотренных условий) можно рассчитать по формулам:
Применяют и другие схемы температурной стабилизации режима (рис.11). Они обеспечивают меньшую стабилизацию, чем схема на рис. 10, но более экономичны в отношении источника питания (так как через резистор R1 протекает только небольшой ток базы). Кроме того они меньше шунтируют входное сопротивление транзистора, а значит, входное сопротивление таких каскадов выше, чем каскада, работающего по схеме на рис. 10. Наконец, для них требуется меньше деталей, что тоже немаловажно.
Рис. 11. Схема каскада с фиксированным током базы (а) и схема усилительного каскада с ООС по коллекторному напряжению (б)
Сопротивление резистора R1 в схеме на рис. 11,a можно подсчитать по формуле R1~EK/IB, а на рис. 11,6 R1=UКЭ/IБ.
