1119

Проблема температурной стабилизации транзисторов

Конспект

Физика

Энергетическая диаграмма n полупроводника. Температурный дрейф выходной характеристики. Эмиттерная стабилизация режима. Коллекторная стабилизация режима. Характеристика терморезистора и его графическое обозначение. Термостабилизация режима терморезистором. Динамический режим работы транзисторов.

Русский

2013-01-06

348 KB

86 чел.

Проблема температурной стабилизации транзисторов.

При эксплуатации транзисторов на кристалле транзистора выделяется мощность , которая не может рассеяться в окружающее пространство. Транзистор нагревается. Температура окружающей среды в реальных условиях не остается постоянной и может изменяться в значительных пределах (зима -  лето). Это приводит как к нагреву, так и охлаждению кристалла. Мы уже знаем, что проводимость полупроводника сильно зависит от температуры и это сказывается на работе любого полупроводникового прибора. Особенно остра эта проблема для транзистора, который начинает искажать сигнал или же вообще перестает его усиливать.

Остановимся на этой проблеме подробнее. На рис. 1 приведена энергетическая диаграмма n полупроводника со всеми разрешенными зонами.

              Рис. 1 Энергетическая диаграмма n полупроводника

Напомним некоторые положения. Энергетический зазор  ∆Wп мал и уже при комнатной температуре с примесных уровней Wп электроны уходят в зону проводимости. Этим, собственно,  и объясняется преобладание свободных электронов в n кристалле.  

При нагреве кристалла электроны в валентной зоне получают дополнительную энергию, переходят в зону проводимости, оставляя после себя свободное место  - дырку. Этот процесс ранее мы называли «генерация электронно – дырочных пар».  В результате становится много электронных носителей и дыпочных носителей. Был n полупроводник, а стал i полупроводник, в котором наличие примеси не ощущается.   

Количество электронов в зоне проводимости почти сравняется с количеством дырок в валентной зоне. Если был  p-n переход, происходит трансформация проводимости  n в i и p в I и переход исчезает. Полупроводниковый  прибор, диод, транзистор и т. д. прекратит свое существование. Ориентировочно рабочей диапазон температур для транзисторов Ge от –40 до +50˚С Si от –60 до +100˚С. Но прежде чем это произойдет полный отказ, эти процессы принесут много неприятностей. Это, прежде всего, температурный дрейф входных и выходных характеристик, а также изменение параметров транзистора.

Рассмотрим  биполярный транзистор с ОЭ. Его основное уравнение для токов Ik = β · Iб + (β + 1) · Ik0, где Ik0    ток неосновных носителей закрытого коллекторного перехода, возникающих за счет генерации электронно-дырочных пар. Растет температура кристалла, увеличивается ток Ik0 и в β + 1 раз увеличивается ток коллектора. Происходит дрейф выходных характеристик, рис. 2.

                              

                   Рис. 2 Температурный дрейф выходной характеристики.

Оценивается величина дрейфа коэффициентом нестабильности  S   

                                            ,

который намного больше единицы. На рис. 2 видно, что рабочая точка при 400С выходит из рабочей области характеристик и  транзистор  теряет свои усилительные свойства. Подобным образом ведут себя характеристики при охлаждении транзистора, дрейфуя вниз, что также приводит к нарушению его режима. Чтобы этого не произошло, режим транзистора надо стабилизировать. Считается, что для этого достаточно иметь S=2 – 10.

Заметим, что в схеме ОБ Iк= αIэ+ Ik0 , и коэффициент нестабильности S=1; включение ОБ обладает лучшей температурной стабильностью и, обычно не требует дополнительных мер.

Входная характеристика также подвержена температурному дрейфу (рис. 3). Это объясняется изменением проводимости кристалла. Эти изменения в некоторых случаях следует принимать во внимание, однако по значимости температурных явлений на первом месте стоит всё – таки дрейф выходных характеристик.

Рассмотрим методы температурной стабилизации, применяемые в схемах.

Использование отрицательной обратной связи. Суть данного способа заключается в том, что часть выходного тока или (и) напряжения используется для определения рабочей точки . При изменении температуры дрейфующая выходная величина смещает рабочую точку так, что стабилизирует свое значение. Рассмотрим это подробнее на примере эмиттерной и коллекторной стабилизации.   

                   

      Рис. 3. Температурный дрейф входной характеристики.

Эммиттерная стабилизация. Схемное решение представлено на рис.4.

                                          

                 Рис. 4 Эмиттерная стабилизация режима

Два резистора R1   и R2 образуют простой делитель напряжения, задают напряжение U1 на базе транзистора и следовательно то к базы в рабочей точке Iб0. В эмиттер транзистора включен резистор R3, предназначенный ,прежде всего, для стабилизации хотя он также определяет ток в рабочей точке. Заметим, что ток  определяется напряжением разности U1-U2=,  

Iб0=Uбэ/h11оэ. Рассмотрим, что будет при изменении температуры. Будем полагать, что температура растет. Согласно рассмотренным выше физическим процессам, растет и коллекторный ток. Так как он в основном определяется эмиттерным током, то растет и эмиттерный ток. Падение напряжения на резисторе R3 (U2) увеличивается, Uбэ уменьшается и уменьшается ток базы в рабочей точке. Работа транзистора такова – меньше базовый ток меньше коллекторный ток. Таким образом, ток коллектора стабилизируется и транзистор продолжает нормально работать в схеме.

Эмиттер  в данной схеме выходной электрод. Падение напряжения U2 – часть выходного напряжения, которое подали на вход. Это и есть отрицательная обратная связь по напряжению.  В заключение два замечания: при такой схеме можно достичь значения S=2 – 5, сопротивление в эмиттере часто шунтируют конденсатором большой емкости, чтобы отрицательная обратная связь не снижала коэффициент усиления транзистора на частоте сигнала.

Коллекторная стабилизация. В ней реализуется отрицательная обратная связь по току (рис. 5).

                      

            Рис. 5. Коллекторная стабилизация режима.

Рабочая точка задается напряжением на коллекторе и резистора Rб. Напряжение Uк0 показано на рис. 3. При изменении температуру идет дрейф напряжения Uк0 , при нагревании в сторону уменьшения. Вслед за этим уменьшается и ток базы, Iб0=Uк0/(h11оэ+Rб). Его уменьшение снижает коллекторный ток и, в какой – то мере, восстанавливается рабочая точка. В итоге отметим следующее.

Методы стабилизации обратными связями не дают идеальное восстановление рабочей точки, обычно значение S= 2 – 10.

Применяют совместно эмиттерную и коллекторную стабилизацию.

Применяют обратные связи охватывающие несколько транзисторных каскадов.

Обратная связь должна реализовываться на постоянном токе. На частоте сигнала ее быть не должно, так как это приводит к снижению усилительных свойств транзистора.

Существует другой способ стабилизации режима – применение термозависимых элементов. В качестве последних используются термосопротивления и p-n переходы. Напомним, что терморезистор это полупроводниковое сопротивление, величина которого уменьшается с температурой рис. 6.

                      

Рис. 6 Характеристика терморезистора и его графическое обозначение.

        Температурный дрейф p-n перехода подобен дрейфу входной характеристики транзистора (рис. 3).  На рис. 7 показано включение такого элемента.

                                          

               Рис. 7. Термостабилизация режима терморезистором.

Эффект проявляется следующим образом. При увеличении температуры увеличивается коллекторный ток Ik,  одновременно с этим уменьшается величина терморезистора Rt, что приводит к снижению напряжения на базе Uоб b и определяющий режим ток базы Iснижается. Ток коллектора Ik уменьшается. Таким образом, происходит его стабилизация. Замечания следующие.

Требуется подбор величины резистора, что с учетом разброса параметров бывает весьма сложно сделать.

В принципе коэффициент нестабильности можно получить равным S=0 – 1, что лучше, чем при применении обратных связей.

Применение p-n перехода дает такой же эффект (см. дрейф характеристик на рис. 3). Технология изготовления переходов одинакова и в диодах и в транзисторах. Поэтому данное решение находит применение главным образом в интегральных микросхемах.

Выше речь шла о биполярных транзисторах. Отметим, что основная причина нестабильности – токи неосновных носителей. В полевых транзисторах «работают» основные носители. Поэтому заметных причин температурной нестабильности нет, и не требуется решений для борьбы с ней.

На практике, в рабочем диапазоне температур, полевые транзисторы , как правило, не требуют температурной стабилизации режима.  

Динамический режим работы транзисторов.

При всех схемах включения выходным электродом транзистора является один: коллектор, эмиттер, сток или исток. В цепь этого выходного электрода включается нагрузка, с которой снимается выходное напряжение. нагрузкой может быть  резистор, катушка индуктивности, трансформатор, вход другого транзистора и т. д.. Такое включение транзистора и режим работы называется динамическим.

Как и без нагрузки существует три схемы динамического включения биполярного транзистора: общий эмиттер (ОЭ), общий коллектор (ОК) и общая база (ОБ); и три схемы полевого: общий исток (ОИ), общий сток (ОС) и общий затвор (ОЗ). Все перечисленные включения придают транзистору различные свойства и приведены на рис. 8, 9.

 

Рис. 8. Динамическое включение биполярного транзистора.

       Приведенные схемы определяют тип включения на частоте усиливаемого сигнала. Помимо этого предполагается наличия в них источников питания, которые вводят транзистор в активный режим. В биполярном транзисторе это открытый эмиттерный переход и закрытый коллекторный. В полевом транзисторе закрытый p-n переход «затвор- исток» и стоковый источник обеспечивающий движение носителей от истока к стоку.

       К динамическим параметрам относятся:

- коэффициент усиления по напряжению,

- коэффициент усиления по току,

-  коэффициент усиления по мощности,

- входное сопротивление,

- выходное сопротивление.

Рис. 9 Динамическое включение полевого транзистора с p-n переходом.

На рис. 10 приведено динамическое включение биполярного транзистора по схеме ОЭ. Коллекторный источник обеспечивает закрытое состояние коллекторного перехода, а базовый открытый эмиттерный.

 

Рис.10. Динамическое включение ОЭ

Уравнение Кирхгофа для выхода транзистора будет следующее:

. Установим из него зависимость тока от напряжения на коллекторе, : , это линейная зависимость, которая может быть показана на семействе выходных характеристик в виде прямой линии получившей название «нагрузочная прямая» (рис. 11).

Эти построения нагрузочной прямой позволяют оценить работу транзистора в динамическом режиме: определить, правильно ли выбрана рабочая точка, всегда ли находится усиливаемый  сигнал в рабочей области, не превышены ли предельно допустимые величины. И, наконец, определить ряд динамических параметров, это: Ku=Uвых/Uвх – коэффициент усиления по напряжению, Ki=Iвых/Iвх – коэффициент усиления по току и Kp=Pвых/Pвх – коэффициент усиления по мощности. Про оценке учтем одно очень важное обстоятельство. Все изменения токов и напряжений связаны нагрузочной прямой, все мгновенные значения усиливаемого сигнала находятся только на ней.    


Рис. 11. Нагрузочная прямая на семействе выходных характеристик.

Рассмотрим этапы такой оценки.

  1.  При заданных сопротивлении нагрузки в цепи коллектора и напряжении коллекторного источника питания проведем нагрузочную прямую.
  2.  В рабочей области характеристик на нагрузочной прямой зададим рабочую точку в середине рабочей области.
  3.  Определим ток базы в рабочей точке Iб0.
  4.  Перенесем базовый ток Iб0 на входную характеристику транзистора. На входной характеристики  построим входной сигнал и по его граничным значениям определим максимальное и минимальное значение базового тока , рис.12.
  5.  Найденные токи  Iб1 и Iб2 перенесем на нагрузочную прямую в выходных характеристиках.
  6.  Определим границы выходного сигнала Uвых и Iвых.


Рис. 12. Входной сигнал  на входной характеристики транзистора

  1.  Убедимся в том, что выходной сигнал не выходит за границы рабочей области. В его положении должен быть некоторый запас, так как существует температурный дрейф рабочей точки.
  2.  Если этого не происходит (выходные токи и напряжения вышли за рабочую область), можно рекомендовать следующие корректировки.

           - Уменьшить входной сигнал.

           - Изменить положение рабочей точки посредством изменения          

              сопротивлений в цепи базы.

           - Изменить величину источника питания Ek.

           - Изменить величину нагрузки.

           - Можно и ничего не делать, если искажения сигнала не принципи 

              альны в Вашей задаче.

9.         Определить коэффициенты определяющие качество работы транзи 

           стора Ku, Ki, и Kp=KuKi.


Подобным образом можно анализировать работу в динамическом режиме и полевого транзистора. Построения здесь проще, так как входная характеристика не используется ввиду практически нулевого тока по цепи затвора. На рис. 13 приведено динамическое включение транзистора с p-n переходом и n каналом, другие транзисторы включаются подобным образом. Далее на рис.14 приведены стоковые характеристики с нагрузочной прямой, построенной по тем же правилам, что и при биполярном транзисторе.

     

Рис. 14. Стоковая характеристика и нагрузочная прямая.

 

Нагрузочная прямая построена в соответствии с уравнением Кирхгофа

Ic=(Ec-Uc)/Rc/. В рабочей области характеристик назначена рабочая точка

Uз0,  относительно которой сделаны построения для сигнала. По величине входного сигнала построенного относительно рабочей точки определены граничные значения напряжений на затворе Uзмак и Uзмин. А далее выходные напряжения и токи Uвых, Iвых.

При определении динамических параметров следует учесть основное преимущество полевого транзистора – отсутствие тока по затвору, поэтому Rвх=∞,  Ki= ∞.

Оценка динамического режима для других типов полевых транзисторов производится подобным образом.

Выполнить графические построения изложенные выше можно только при больших величинах сигнала. Если сигнал небольшой, оценка динамических параметров производится с помощью малосигнальных схем замещения. Для биполярного транзистора через h и физические параметры. Для полевого -  через линейные элементы S и Ri. При этом для анализа используются обычные законы электротехники. Приведем примеры того, как это можно сделать. Начнем с биполярного транзистора, используя его схему замещения в h параметрах (рис. 15).

                

Рис. 15. схема замещения транзистора в динамическом режиме.

Ее отличие заключается в во введенном сопротивлении нагрузки Rk. Запишем второе уравнение системы  через h параметры: Iвых=h21Iвх+h22Uвых и выразим через ток Uвых=- IвыхRk. Тогда Iвых=h21Iвх-h22IвыхRk. Не представляет труда из последнего получить выражение для коэффициента усиления по току: Ki=h21/(1+Rk).

Подобным образом определяются и другие динамические параметры. Формулы для них можно найти в справочниках и обширной литературе по транзисторам. Отметим , что выражения для динамических параметров не зависят от схемы включения транзистора, но сами h параметры зависят.

Физические параметры транзистора не зависят от схемы включения и в этом смысле имеют преимущество. На рис.16 показана схема замещения транзистора в динамическом режиме при включении ОБ.


                

Рис. 16. Динамический режим в физических параметрах.

Расчет этой схемы также не представляет трудностей, а формулы находятся в справочной литературе.

Для полевого транзистора схема замещения проще и для включения ОИ на низкой частоте приведена на рис. 17. Элементарный анализ ее дает Кu=SUзRiRc/(Ri+Rc)

                               

        

             Рис. 17. Полевой транзистор в динамическом включении.

Схемы усилителей на транзисторах.

Итог данной темы – схема усилителя на транзисторе, которая должна содержать:

- нагрузочный элемент (резистор),

- цепь определяющую положения на характеристиках рабочей точки,

- цепи температурной стабилизации режима для биполярного транзистора.

Схема усилителя на биполярном транзисторе при популярном включении ОЭ приведена на рис. 18. Один источник питания Ek обеспечивает закрытое состояние коллекторного перехода и открытое эмиттерного (активный режим). Назначение  элементов схемы следующее.

  1.  Сопротивление Rk обеспечивает динамический (усилительный) режим.
  2.  Сопротивление Rэ включено для температурной стабилизации, создает отрицательную обратную связь на постоянном токе.
  3.  Сопротивления R1 и R2 образуют делитель напряжения, задающий напряжение и ток базы в рабочей точке. Их величины определяют режим транзистора: Iоб, Uоб, Uok, Iок.
  4.  Сэ – блокирующий конденсатор, включенный параллельно сопротивлению Rэ  и имеющий достаточно большую величину уничтожает обратную связь на частоте сигнала и сохраняет усилительные свойства транзистора.
  5.  Сб, Ск – разделительные конденсаторы, которые отделяют полезное переменное напряжение от постоянного напряжения.

                        Рис. 18. Усилитель на транзисторе (ОЭ).

Схема усилителя на полевом транзисторе показана на рис.19. Здесь для примера взят транзистор с p-n переходом и n каналом. Один источник питания Ес обеспечивает режим работы по стоку и затвору.


                  Рис. 19. Усилитель на полевом транзисторе.

Назначение элементов схемы следующее.             

- Rс – сопротивление нагрузки, создает динамический режим.

- Rн – задает рабочую точку. Падение напряжения  от протекающего тока истока    

по полярности является обратным для p-n перехода. Его величина определяет Uзи0.

 R3 – сопротивление для подачи напряжения Uзи0.на затвор.

  С3 и Сс – разделительные конденсаторы большой емкости для отделения

         переменного сигнала от постоянного напряжения.

  Си – конденсатор, шунтирующий сопротивление Rи; убирает отрицательную  

         обратную связь, снижающую коэффициент усиления.

Другие типы полевых транзисторов в практических схемах требуют также одного источника питания и их схемотехника включения подобна.


      
W   Зона проводимости

           Электрон

         

        Wф

        Wп    ∆Wп

      ∆W

 запрещенная

       зона

   

         дырка

валентная зона

+

+

-

-

Iб

     400С          200С

             Uбэ

           R2

      

                  Iб0

R1

 Uбэ

   R3

U1   U2

                                  E

         Ik           Rk

          Uk0

          Rб

Rt

R

t

Uоб

Rt

Iоб

                   -Ek

 Ik               Rk

      Uk

-Eб

                        Не рабочая область

        характеристик

 Ik  нагрузочная                                     Iб4

 прямая

Ек/Rk

                  Pkmax              

                                             Iб1

                  

     Iok       Iоб   

                                                                      

     Iб2    

         Uкэ

   Uok     Ек     

     Uвых

Iб

Iб1

Iоб

Iб2

   Uоб                 Uбэ

                    Uвх

 

U3

     Ri                       Rс

    +

         Ek

      R1       Rk

         Uвых

     Ск

Uвх                  Iоб

 +   Uok

Cб

     R2   Rэ       Сэ

    +

         Eс

              Rс

         Uвых

Uвх      Сс

                   

 +   n - канал 

Cз

     R3  Rн       Сн


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

43011. Расчет контрольно-измерительного приспособления КП 4ОУ-1297 69 KB
  Данное контрольно-измерительное приспособление предназначено для контроля среднего диаметра винта рулевого управления. На этой операции необходимо строго выдерживать диаметральный размер при нарезании винтовой резьбы для последующего его шлифования.
43012. Математическая модель процесса флотации 803.5 KB
  Характеристика метода флотации Из всех известных методов обогащения в производстве хлорида калия KCl из сильвинитовых руд наиболее широкое распространение получил метод флотации. Однако такое определение исходит только из внешней стороны процесса и не отражает сущности явлений происходящих при флотации. Различают три основных вида флотации – пленочную масляную и пенную.
43013. Способы изготовления и монтажа строительных конструкций 1.73 MB
  Стропильные фермы изготавливаются из прокатных профилей: верхний и нижний пояса из широкополочных тавров, решетка из уголков таврового сечения. Стержни в узлах приваривают полуавтоматом в среде СО2. На монтаж ферма поступает из нескольких отправочных марок. Монтажный стык осуществляется на сварке.
43014. Рентабельность производства продукции сельского хозяйства и пути ее роста на примере ООО «Алексеевское» Горьковского района Омской области 464 KB
  Для определения эффективности использования всех вложений в основные и оборотные фонды применяют рентабельность производственных фондов исчисляемая по следующей формуле: Рф = Пб Фосн фоб 1 где Рф – рентабельность производственных фондов Пб – прибыль балансовая руб. Рс = П : Сп 100 2 где Рс – рентабельность продукции П – прибыль от реализации продукции руб. Сп – полная себестоимость реализованной продукции руб.[2] Следующий показатель рентабельности – рентабельность вложений в предприятие...
43015. Технология и организация перевозки грузов морем 745 KB
  Транспортной характеристикой груза называется свойство товара, которое проявляется в процессе транспортировки и определяет этот процесс. В транспортную характеристику груза входят: физико-химические свойства, объемно-массовые показатели, тара, упаковка, режимы хранения, перегрузки и перевозки. Совокупность конкретных качественных и количественных показателей транспортной характеристики груза называется транспортным состоянием груза.
43017. Грузовой план морского судна 681.5 KB
  Решение данных задач обеспечивается грузовым планом судна который является комплексным мероприятиям при максимальной эффективности использования судна. Для этого должны быть решены следующие вопросы: краткое описание внешних условий протекания рейса; определение чистой грузоподъемности и количества поднимаемых грузов; расчет распределенной массы грузовых отсеков и помещений составление плана комплектации грузов и графическое изображение грузового плана;...
43018. Разработка предложений по созданию логистической системы 661 KB
  Поиск, обработка и анализ информации по поставщикам – весьма трудоемкий и долгий процесс. Если организация ищет поставщика для важной в стратегическом плане продукции, то необходимо помнить, что плохой поставщик может вызвать гораздо больше проблем, чем плохие материалы. Окончательный выбор поставщика производится лицом, принимающим решение, и не может быть полностью формализован. Тем не менее, существуют стандартные этапы решения этой задачи.
43019. ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ЗООПАРКА 504.5 KB
  В реляционной модели данных основным элементом представления о данных является отношение. Отношение задает информацию об объектах одного типа и хранится в виде таблицы. В столбцах таблицы сосредоточены различные характеристики этих объектов - атрибуты. Атрибут - определенная часть информации о некотором объекте. Строки таблицы предназначены для описания значений всех атрибутов отдельного объекта.