Обратная связь и компенсация

Основная цель цепи смещения - установить взаимосвязь между напряжением и током коллектор-база-эмиттер в рабочей точке схемы (рабочая точка также известна как точка покоя, точка Q, точка отсутствия сигнала, точка холостого хода, или статическая точка). Поскольку транзисторы редко работают в этой точке Q, основные схемы смещения обычно используются в качестве эталона или отправной точки для проектирования.

Фактическая конфигурация схемы и особенно значения сети смещения выбираются на основе динамических условий схемы (желаемый размах выходного напряжения, ожидаемый уровень входного сигнала и т. Д.). Как только желаемая рабочая точка установлена, следующей функцией сети смещения является для стабилизации схемы усилителя на этом этапе. Базовая схема смещения должна поддерживать желаемое соотношение токов при изменении температуры и питания, а также при возможной замене транзистора.

В некоторых случаях изменения частоты и изменения, снова вызванные компонентом, также должны компенсироваться сетью смещения. Этот процесс обычно называют стабилизацией смещения. Правильная стабилизация смещения будет поддерживать схему усилителя в желаемой рабочей точке (в практических пределах) и предотвратит тепловой пробой.

Фактор устойчивости S

Он определяется как скорость изменения тока коллектора относительно тока обратного насыщения при сохранении постоянных β и V _BE . Это выражается как

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

Методы стабилизации смещения

Метод обеспечения независимости рабочей точки от изменений температуры или параметров транзисторов известен как stabilization. Существует несколько схем стабилизации смещения твердотельных усилителей. Все эти схемы используют форму отрицательной обратной связи. То есть любой каскад транзисторных токов вызывает соответствующее изменение напряжения или тока, которое стремится уравновесить первоначальное изменение.

Существует два основных метода создания отрицательной обратной связи: обратная связь по напряжению и обратная связь по току.

Обратная связь по напряжению

На следующем рисунке показана базовая схема цепи обратного смещения. Переход эмиттер-база смещен в прямом направлении напряжением на переходе R ₁ и R ₂ . Переход база-коллектор имеет обратное смещение из-за разницы между напряжениями на коллекторе и базе.

Обычно коллектор усилителя с резистивной связью находится под напряжением примерно вдвое меньше напряжения питающего резистора (R ₃ ), подключенного между коллектором и базой. Поскольку напряжение коллектора положительное, часть этого напряжения передается по обратной связи на базу для поддержки прямого смещения.

Нормальное (или точка Q) прямое смещение на переходе эмиттер-база является результатом всех напряжений между эмиттером и базой. Когда ток коллектора увеличивается, на R _L возникает большее падение напряжения . В результате напряжение на коллекторе уменьшается, уменьшая обратную связь по напряжению с базой через R ₃ . Это уменьшает прямое смещение эмиттер-база, уменьшая ток эмиттера и понижая ток коллектора до его нормального значения. Когда происходит начальное уменьшение тока коллектора, происходит противоположное действие, и ток коллектора повышается до своего нормального (точка Q) значения.

Любая форма отрицательной или обратной обратной связи в усилителе имеет тенденцию противодействовать всем изменениям, даже тем, которые производятся усиливаемым сигналом. Эта обратная или отрицательная обратная связь имеет тенденцию к уменьшению и стабилизации усиления, а также к нежелательным изменениям. Этот принцип стабилизации усиления посредством обратной связи используется почти во всех типах усилителей.

Обратно-токовая обратная связь

На следующем рисунке показана характерная схема смещения обратного тока (эмиттер-обратная связь), использующая транзистор NPN. Обратная связь по току используется чаще, чем обратная связь по напряжению в твердотельных усилителях. Это связано с тем, что транзисторы - это в основном устройства, работающие от тока, а не от напряжения.

Использование сопротивления эмиттер-обратная связь в любой цепи смещения можно резюмировать следующим образом: Базовый ток зависит от разности напряжений между базой и эмиттером. Если дифференциальное напряжение понижено, ток базы будет меньше.

Обратное верно, когда дифференциал увеличивается. Весь ток течет через коллектор. Напряжение на эмиттерном резисторе падает и поэтому не полностью зависит. Когда ток коллектора увеличивается, ток эмиттера и падение напряжения на резисторе эмиттера также увеличиваются. Эта отрицательная обратная связь имеет тенденцию к уменьшению разницы между базой и эмиттером, тем самым снижая ток базы. В свою очередь, более низкий базовый ток имеет тенденцию уменьшать ток коллектора, а уравновешивание начального тока коллектора увеличивается.

Компенсация смещения

В твердотельных усилителях, когда потеря усиления сигнала недопустима в конкретном приложении, часто используются методы компенсации, чтобы уменьшить дрейф рабочей точки. Чтобы обеспечить максимальное смещение и термостабилизацию, методы компенсации и стабилизации могут использоваться вместе.

На следующем рисунке показана методика диодной компенсации, в которой используются как диодная компенсация, так и стабилизация самосмещения. Если и диод, и транзистор одного типа, то они имеют одинаковый температурный коэффициент в цепи. Здесь диод смещен в прямом направлении. KVL для данной схемы можно выразить как -

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

Из приведенного выше уравнения ясно, что $ V_ {BE} $ следует за VO относительно температуры, и Ic не будет иметь никакого влияния на изменения в $ V_ {BE} $. Это эффективный способ позаботиться о рабочей точке транзистора из-за изменения $ V_ {BE} $.

Устройство компенсации температуры

Мы также можем использовать некоторые чувствительные к температуре устройства для компенсации изменений внутренних характеристик транзистора. Термистор имеет отрицательный температурный коэффициент, что означает, что с повышением температуры его сопротивление экспоненциально уменьшается. На следующем рисунке показана схема, в которой используется термистор (R _T ) для уменьшения увеличения тока коллектора из-за изменения $ V_ {BE} $, ICO или β в зависимости от температуры.

Когда температура увеличивается, R _T уменьшается, а ток, подаваемый через R _T в R _E, увеличивается. Падение напряжения срабатывания на R _E имеет направление, противоположное обратному смещению транзистора. R _T действует так, чтобы компенсировать увеличение IC, которое увеличивается из-за повышения температуры.