Feedback & Vergütung

Der Hauptzweck des Vorspannungsnetzwerks besteht darin, Kollektor-Basis-Emitter-Spannungs- und Strombeziehungen im Betriebspunkt der Schaltung herzustellen (der Betriebspunkt wird auch als Ruhepunkt, Q-Punkt, No-Signal-Punkt, Leerlaufpunkt bezeichnet). oder statischer Punkt). Da Transistoren selten an diesem Q-Punkt arbeiten, werden die grundlegenden Vorspannungsnetzwerke im Allgemeinen als Referenz oder Ausgangspunkt für den Entwurf verwendet.

Die tatsächliche Schaltungskonfiguration und insbesondere die Vorspannungsnetzwerkwerte werden auf der Grundlage dynamischer Schaltungsbedingungen (gewünschter Ausgangsspannungshub, erwarteter Eingangssignalpegel usw.) ausgewählt. Sobald der gewünschte Betriebspunkt festgelegt ist, ist die nächste Funktion des Vorspannungsnetzwerks um die Verstärkerschaltung an dieser Stelle zu stabilisieren. Das Basisvorspannungsnetzwerk muss die gewünschten Stromverhältnisse bei Vorhandensein von Temperatur- und Stromversorgungsänderungen und möglichem Transistorwechsel aufrechterhalten.

In einigen Fällen müssen Frequenzänderungen und Änderungen, die erneut durch die Komponente verursacht werden, auch durch das Vorspannungsnetzwerk ausgeglichen werden. Dieser Prozess wird allgemein als Vorspannungsstabilisierung bezeichnet. Durch eine ordnungsgemäße Vorspannungsstabilisierung wird die Verstärkerschaltung auf dem gewünschten Betriebspunkt (innerhalb praktischer Grenzen) gehalten und ein thermisches Durchgehen verhindert.

Stabilitätsfaktor 'S'

Es ist definiert als die Änderungsrate des Kollektorstroms gegenüber dem Rückwärtssättigungsstrom, wobei β und V _BE konstant bleiben . Es wird ausgedrückt als

$$ S = \ frac {\ mathrm {d} I_c} {\ mathrm {d} I_c} $$

Vorspannungsstabilisierungsmethoden

Das Verfahren, den Betriebspunkt unabhängig von Temperaturänderungen oder Variationen der Transistorparameter zu machen, ist bekannt als stabilization. Es gibt verschiedene Schemata zur Bereitstellung einer Vorspannungsstabilisierung von Festkörperverstärkern. Alle diese Schemata führen zu einer Form von negativem Feedback. Das heißt, jede Stufe in Transistorströmen erzeugt eine entsprechende Spannungs- oder Stromänderung, die dazu neigt, die anfängliche Änderung auszugleichen.

Es gibt zwei grundlegende Methoden zur Erzeugung einer negativen Rückkopplung: eine inverse Spannungsrückkopplung und eine inverse Stromrückkopplung.

Inverse-Voltage-Feedback

Die folgende Abbildung zeigt das grundlegende inverse Spannungsvorspannungsnetzwerk. Der Emitter-Basis-Übergang ist durch die Spannung am Übergang von R ₁ und R _{2 in} Vorwärtsrichtung vorgespannt . Der Basis-Kollektor-Übergang ist durch die Differenz zwischen den Spannungen am Kollektor und an der Basis in Sperrrichtung vorgespannt.

Normalerweise hat der Kollektor eines widerstandsgekoppelten Verstärkers eine Spannung, die etwa halb so hoch ist wie die des Versorgungswiderstands (R ₃ ), der zwischen Kollektor und Basis geschaltet ist. Da die Kollektorspannung positiv ist, wird ein Teil dieser Spannung zur Basis zurückgeführt, um die Vorwärtsvorspannung zu unterstützen.

Die normale (oder Q-Punkt-) Vorwärtsvorspannung am Emitter-Basis-Übergang ist das Ergebnis aller Spannungen zwischen Emitter und Basis. Mit zunehmendem Kollektorstrom wird über R _L ein größerer Spannungsabfall erzeugt . Infolgedessen nimmt die Spannung am Kollektor ab, wodurch die Spannungsrückkopplung zur Basis durch R ₃ verringert wird . Dies verringert die Vorwärtsvorspannung von Emitter und Basis, reduziert den Emitterstrom und senkt den Kollektorstrom auf seinen normalen Wert. Da der Kollektorstrom anfänglich abnimmt, findet eine entgegengesetzte Aktion statt, und der Kollektorstrom wird auf seinen normalen Wert (Q-Punkt) angehoben.

Jede Form von negativer oder inverser Rückkopplung in einem Verstärker neigt dazu, sich allen Änderungen zu widersetzen, selbst denen, die durch das zu verstärkende Signal erzeugt werden. Diese inverse oder negative Rückkopplung verringert und stabilisiert tendenziell die Verstärkung sowie unerwünschte Änderungen. Dieses Prinzip der Stabilisierung der Verstärkung durch Rückkopplung wird bei mehr oder weniger allen Arten von Verstärkern angewendet.

Inverse-Current-Feedback

Die folgende Abbildung zeigt ein charakteristisches Inversstrom-Vorspannungsnetzwerk (Emitter-Rückkopplung) unter Verwendung eines NPN-Transistors. Stromrückkopplungen werden in Festkörperverstärkern häufiger verwendet als Spannungsrückkopplungen. Dies liegt daran, dass Transistoren hauptsächlich strombetriebene Geräte und keine spannungsbetriebenen Geräte sind.

Die Verwendung eines Emitter-Rückkopplungswiderstands in jedem Vorspannungskreis kann wie folgt zusammengefasst werden: Der Basisstrom hängt von der Spannungsdifferenz zwischen der Basis und dem Emitter ab. Wenn die Differenzspannung verringert wird, fließt weniger Basisstrom.

Das Gegenteil ist der Fall, wenn das Differential erhöht wird. Der gesamte Strom fließt durch den Kollektor. Die Spannung fällt über den Emitterwiderstand ab und ist daher nicht vollständig abhängig. Mit zunehmendem Kollektorstrom nehmen auch der Emitterstrom und der Spannungsabfall am Emitterwiderstand zu. Diese negative Rückkopplung neigt dazu, die Differenz zwischen der Basis und dem Emitter zu verringern, wodurch der Basisstrom verringert wird. Der niedrigere Basisstrom neigt wiederum dazu, den Kollektorstrom zu verringern und den anfänglichen Kollektorstrom auszugleichen.

Vorspannungskompensation

In Festkörperverstärkern werden häufig Kompensationstechniken verwendet, um die Drift des Betriebspunkts zu verringern, wenn der Verlust der Signalverstärkung in einer bestimmten Anwendung nicht tolerierbar ist. Um eine maximale Vorspannung und thermische Stabilisierung bereitzustellen, können sowohl Kompensations- als auch Stabilisierungsverfahren zusammen angewendet werden.

Die folgende Abbildung zeigt eine Diodenkompensationstechnik, bei der sowohl die Diodenkompensation als auch die Selbstvorspannungsstabilisierung verwendet wurden. Wenn sowohl die Diode als auch der Transistor vom gleichen Typ sind, haben sie über die Schaltung den gleichen Temperaturkoeffizienten. Hier ist die Diode in Vorwärtsrichtung vorgespannt. KVL für die gegebene Schaltung kann ausgedrückt werden als -

$$ I_c = \ frac {\ beta [V - (V_ {BE} - V_o)] + (Rb + Rc) (\ beta + 1) ICO} {Rb + Rc (1 + \ beta)} $$

Aus der obigen Gleichung geht hervor, dass $ V_ {BE} $ der VO-Temperatur folgt und Ic keinen Einfluss auf Variationen in $ V_ {BE} $ hat. Dies ist eine effektive Methode, um den Betriebspunkt des Transistors aufgrund der Variation von $ V_ {BE} $ zu berücksichtigen.

Temperaturkompensationsgerät

Wir können auch ein temperaturempfindliches Gerät verwenden, um Schwankungen der internen Eigenschaften des Transistors auszugleichen. Der Thermistor hat einen negativen Temperaturkoeffizienten, was bedeutet, dass sein Widerstand mit steigender Temperatur exponentiell abnimmt. Die folgende Abbildung zeigt eine Schaltung, die einen Thermistor (R _T ) verwendet, um den Anstieg des Kollektorstroms aufgrund einer Änderung von $ V_ {BE} $, ICO oder β mit der Temperatur zu verringern.

Wenn die Temperatur steigt, nimmt R _T ab und der durch R _T in R _E eingespeiste Strom nimmt zu. Der Aktionsspannungsabfall über R _E ist in die entgegengesetzte Richtung, um den Transistor in Sperrrichtung vorzuspannen. R _T wirkt so, dass es dazu neigt, den Anstieg des IC zu kompensieren, der aufgrund des Temperaturanstiegs zunimmt.