Feedback e compensazione

Lo scopo fondamentale della rete di polarizzazione è stabilire le relazioni tra tensione collettore-base-emettitore e corrente nel punto di funzionamento del circuito (il punto di funzionamento è anche noto come punto di riposo, punto Q, punto di assenza di segnale, punto di inattività, o punto statico). Poiché i transistor raramente operano in questo punto Q, le reti di polarizzazione di base sono generalmente utilizzate come riferimento o punto di partenza per la progettazione.

La configurazione effettiva del circuito e, in particolare, i valori della rete di polarizzazione vengono selezionati sulla base delle condizioni dinamiche del circuito (oscillazione della tensione di uscita desiderata, livello del segnale di ingresso previsto, ecc.) Una volta stabilito il punto operativo desiderato, la funzione successiva della rete di polarizzazione è per stabilizzare il circuito dell'amplificatore a questo punto. La rete di polarizzazione di base deve mantenere le relazioni di corrente desiderate in presenza di variazioni di temperatura e alimentazione e l'eventuale sostituzione del transistor.

In alcuni casi, anche le variazioni di frequenza e le variazioni causate dal componente devono essere compensate dalla rete di polarizzazione. Questo processo è generalmente indicato come stabilizzazione del bias. Una corretta stabilizzazione del bias manterrà il circuito dell'amplificatore al punto di funzionamento desiderato (entro limiti pratici) e impedirà la fuga termica.

Fattore di stabilità 'S'

È definita come la velocità di variazione della corrente del collettore rispetto alla corrente di saturazione inversa, mantenendo costanti β e V _BE . È espresso come

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

Metodi di stabilizzazione del bias

Il metodo per rendere il punto di lavoro indipendente dalle variazioni di temperatura o dalle variazioni dei parametri dei transistor è noto come stabilization. Esistono diversi schemi per fornire la stabilizzazione del bias degli amplificatori a stato solido. Tutti questi schemi comportano una forma di feedback negativo. Ovvero, qualsiasi stadio nelle correnti dei transistor produce una corrispondente variazione di tensione o corrente che tende a controbilanciare la variazione iniziale.

Esistono due metodi fondamentali per produrre feedback negativo, feedback a tensione inversa e feedback a corrente inversa.

Feedback a tensione inversa

La figura seguente mostra la rete di polarizzazione della tensione inversa di base. La giunzione emettitore-base è polarizzata in avanti dalla tensione alla giunzione di R ₁ e R ₂ . La giunzione base-collettore è polarizzata inversamente dal differenziale tra le tensioni al collettore e alla base.

Normalmente, il collettore di un amplificatore accoppiato a resistenza si trova ad una tensione circa la metà di quella del resistore di alimentazione (R ₃ ), collegato tra il collettore e la base. Poiché la tensione del collettore è positiva, una parte di questa tensione viene restituita alla base per supportare la polarizzazione diretta.

La polarizzazione diretta normale (o punto Q) sulla giunzione emettitore-base è il risultato di tutte le tensioni tra l'emettitore e la base. Come il collettore aumenta attuali, una caduta di tensione maggiore viene prodotto attraverso R _L . Di conseguenza, la tensione sul collettore diminuisce, riducendo il feedback di tensione alla base tramite R ₃ . Ciò riduce la polarizzazione diretta emettitore-base, riducendo la corrente dell'emettitore e abbassando la corrente del collettore al suo valore normale. Poiché si verifica una diminuzione iniziale della corrente del collettore, si verifica un'azione opposta e la corrente del collettore viene aumentata al suo valore normale (punto Q).

Qualsiasi forma di feedback negativo o inverso in un amplificatore ha la tendenza ad opporsi a tutti i cambiamenti, anche a quelli prodotti dal segnale che viene amplificato. Questo feedback inverso o negativo tende a ridurre e stabilizzare il guadagno, così come il cambiamento indesiderato. Questo principio di stabilizzazione del guadagno mediante feedback viene utilizzato in più o meno tutti i tipi di amplificatori.

Feedback corrente inversa

La figura seguente mostra una caratteristica rete di polarizzazione a corrente inversa (emettitore - feedback) che utilizza un transistor NPN. Il feedback di corrente è più comunemente usato del feedback di tensione negli amplificatori a stato solido. Questo perché i transistor sono principalmente dispositivi azionati in corrente, piuttosto che dispositivi azionati in tensione.

L'uso di una resistenza emettitore-feedback in qualsiasi circuito di polarizzazione può essere riassunto come segue: La corrente di base dipende dal differenziale di tensione tra la base e l'emettitore. Se la tensione differenziale viene abbassata, fluirà meno corrente di base.

L'opposto è vero quando il differenziale è aumentato. Tutta la corrente scorre attraverso il collettore. La tensione scende attraverso la resistenza dell'emettitore e quindi non è completamente dipendente. All'aumentare della corrente del collettore, aumenteranno anche la corrente dell'emettitore e la caduta di tensione attraverso il resistore dell'emettitore. Questo feedback negativo tende a diminuire il differenziale tra la base e l'emettitore, abbassando così la corrente di base. A sua volta, la corrente di base inferiore tende a diminuire la corrente del collettore e controbilanciare gli aumenti iniziali della corrente del collettore.

Compensazione di pregiudizi

Negli amplificatori a stato solido, quando la perdita di guadagno del segnale è intollerabile in una particolare applicazione, vengono spesso utilizzate tecniche di compensazione per ridurre la deriva del punto operativo. Al fine di fornire la massima polarizzazione e stabilizzazione termica, possono essere impiegati insieme metodi di compensazione e stabilizzazione.

La figura seguente mostra la tecnica di compensazione del diodo che utilizzava sia la compensazione del diodo che la stabilizzazione autobias. Se sia il diodo che il transistor sono dello stesso tipo, hanno lo stesso coefficiente di temperatura attraverso il circuito. Qui, il diodo è polarizzato in avanti. KVL per il circuito dato può essere espresso come -

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

È chiaro dall'equazione precedente che $ V_ {BE} $ segue VO rispetto alla temperatura e Ic non avrà effetto sulle variazioni di $ V_ {BE} $. Questo è un metodo efficace per prendersi cura del punto di lavoro del transistor a causa della variazione di $ V_ {BE} $.

Dispositivo di compensazione della temperatura

Possiamo anche utilizzare un dispositivo sensibile alla temperatura per compensare le variazioni delle caratteristiche interne del transistor. Il termistore ha un coefficiente di temperatura negativo, il che significa che con l'aumento della temperatura, la sua resistenza diminuisce in modo esponenziale. La figura seguente mostra un circuito che utilizza il termistore (R _T ) per ridurre l'aumento della corrente del collettore a causa della variazione di $ V_ {BE} $, ICO o β con la temperatura.

Quando la temperatura aumenta, R _T diminuisce e la corrente alimentata attraverso R _T in R _E aumenta. La caduta di tensione dell'azione su R _E è nella direzione opposta per invertire la polarizzazione del transistor. R _T agisce in modo da tendere a compensare l'aumento di IC, che aumenta per l'aumento della temperatura.