Kantaemitterin jännitekerroin ( kertoja Vbe ) on kaksilähtöinen elektroninen referenssijännitelähde , joka on verrannollinen bipolaaritransistorin (Vbe) myötäjännitteisen emitteriliitoksen jännitteeseen . Yksinkertaisin kerroin Vbe koostuu resistiivisestä jännitteen jakajasta , joka asettaa kertoimen, ja sen ohjaamasta bipolaarisesta transistorista. Kun kertoja Vbe on kytketty virtalähteeseen, kertoimen, kuten itse Vbe, yli oleva jännitehäviö täydentää absoluuttista lämpötilaa : lämpötilan noustessa se pienenee lain mukaan, joka on lähellä lineaarista. Vbe-kerroin vastaa eteenpäin esijännitettyjen puolijohdediodien ketjua , mutta toisin kuin se, transistoripiirin kertoimella voi olla mikä tahansa kokonaisluku tai murtoluku, joka on suurempi kuin yksi, ja sitä voidaan säätää viritysvastuksella .
Vbe - kertoimen päätehtävä on bipolaarisiin ja MIS - transistoreihin perustuvien tehovahvistimien lähtöasteiden lämpötilan stabilointi . Kertojatransistori, joka on asennettu lähtötransistorien jäähdytyselementtiin (tai suoraan lähtötransistoriin tai integroituun piiripiiriin), tarkkailee niiden lämpötilaa ja säätää jatkuvasti bias-jännitettä , joka asettaa vaiheen toimintapisteen.
Yksinkertaisin Vbe-kerroin on kaksinapainen verkko , joka koostuu bipolaarisesta transistorista T1, jota ohjataan jännitteenjakajalla R1R2. Piirin, johon tämä kaksinapainen laite on kytketty, sisäisen resistanssin on oltava riittävän suuri rajoittamaan kollektorivirran T1 turvalliselle tasolle; Käytännön piireissä kertoimen läpi kulkeva virta annetaan yleensä virtalähteestä . Jakajan resistanssi valitaan riittävän pieneksi, jotta R2:n läpi kulkeva T1:n kantavirta on paljon pienempi kuin jakajavirta. Näissä olosuhteissa transistori altistuu negatiiviselle takaisinkytkemiselle, jonka vuoksi kollektori-emitterijännite T1 (Vce) asetetaan tasolle, joka on verrannollinen sen emitteriliitoksen jännitteeseen (Vbe). Lämpötilakerroin (TCC) Vce ja sisäinen vastus kollektorin ja emitterin Rce välillä noudattavat samaa suhdetta:
Vce = k Vbe ; TKH (Vce) = dRce/dT = k dRbe/dT ≈ -2,2 k mV/K lämpötilassa 300 K; Rce \u003d k (v t / I e ) , jossa kerroin k = 1+R 2 /R 1 ja v t on absoluuttiseen lämpötilaan verrannollinen lämpötilapotentiaali ( piille 300 K:ssa noin 26 mV) [1] [2] [3] .Idealisoidun kertoimen Vbe virta-jänniteominaisuus (CV) osuu yhteen diodiliitännässä olevan transistorin IV-ominaiskäyrän kanssa, venytettynä [comm. 1] jännitysakselia pitkin k kertaa.
|
Korkealaatuisissa tehovahvistimissa käytettäessä yksinkertaisen kertoimen Vbe sisäinen resistanssi on liian korkea. Tällaisen kertoimen läpi kulkevan virran väistämättömät muutokset siirtävät sen yli olevaa jännitettä kymmenillä mV; epälineaarisen vääristymän minimiin optimoidun pääteasteen toimintapisteen siirtäminen tällaisella arvolla lisää vääristymää väistämättä [5] [4] . Yksinkertainen ja tehokas ratkaisu tähän ongelmaan on sisällyttää kollektoripiiriin T1 vastus R3, jonka arvo on yhtä suuri kuin kertoimen sisäinen resistanssi [6] . Ensimmäisen likiarvon mukaan koko virhejännite, verrannollinen kollektorivirtaan, putoaa tämän vastuksen yli; kertojan lähtöjännite, joka on otettu kollektorista ja emitteristä T1 (Vce), ei ole enää riippuvainen virtausvirrasta [6] . Parannetun kertoimen Vbe varsinaisella I–V-ominaisuudella on epälineaarinen, mutta hyvin lähellä lineaarista luonnetta. R3:n optimaalisella valinnalla lähtöjännite toimintapisteessä on maksimi, ja virran muutoksella se pienenee hieman, laskee tasaisesti [4] . R3 vaatii vain kokemuksellista valintaa , koska todellisen transistorin sisäinen resistanssi voi olla kaksi tai useampia kertoja suurempi kuin laskettu [7] .
Toinen tapa vähentää sisäistä vastusta on käyttää täydentävää transistoriparia paikallisella takaisinkytkellä. Sen lämpötila-anturi on transistori T1, jonka virtaa rajoittaa arvo Vbe * R3. Kun tämä kynnys saavutetaan, transistori T2 avautuu, mikä ohittaa ylimääräisen virran T1:n ympärille [8] . Piiri ei vaadi R3:n arvon optimointia (se riippuu vain T1:n kautta kulkevan virran tavoitearvosta), vähentää kertoimen sisäistä vastusta suuruusluokkaa koko käyttövirtojen alueella ja riippuu vähän transistorien virtavahvistus [8] [9] . Sen tärkeimmät haitat ovat kriittisen solmun ei-toivottu komplikaatio ja itseherätyksen todennäköisyys , mikä on luontaista kaikille piireille, joissa on monisilmukkainen takaisinkytkentä [8] [10] . Itseherätyksen estämiseksi riittää tavallisesti kertojan ulostulon shuntointi kondensaattorilla; taatun vakauden takaamiseksi noin 50 ohmin liitäntävastus sisältyy sarjaan T2-emitterin kanssa. Tässä tapauksessa lähtövastus kasvaa, mutta ei ylitä 2 ohmia [10] .
Korkeilla taajuuksilla takaisinkytkennän tehokkuus transistorin ympärillä laskee, kertojan Vbe impedanssi kasvaa [7] . Esimerkiksi tyypillisessä 2N5511-transistorikertojassa (virranvahvistuksen rajataajuus 100 MHz) rajataajuus, jonka yläpuolella kerroinvastus muuttuu induktiiviseksi , on 2,3 MHz [7] . Tämän ilmiön neutraloimiseksi riittää, että Vbe-kerroin shuntoidaan 0,1 μF:n kapasitanssilla (käytännössä käytetään kapasitanssit alueella 0,1 ... 10 μF) [7] .
|
Yksinkertaisimman kertoimen Vbe lähtöjännitteen ja sen lämpötilakertoimen välinen jäykkä yhteys voidaan katkaista monella tavalla.
TKN:n pienentämiseksi riittävän suurelle k :lle kytketään sarjaan kaksi yksinkertaista kertojaa Vbe. Tällaisen piirin kokonaisjännite asetetaan yhtä suureksi kuin vaadittu bias-jännite, mutta vain yksi transistoreista (T1) on asennettu lähtöasteen jäähdytyselementtiin. Toinen piirilevyllä sijaitseva transistori (T2) valvoo ilman lämpötilaa kotelossa eikä käytännössä vaikuta lähtötransistorien toimintaan.
Vaihtoehtoinen tapa pienentää TCR:ää suurella k :lla on korvata vastus R2 vastuksen ja termisesti stabiloidun referenssijännitelähteen (ION) sarjakytkennällä, esimerkiksi TL431 -kaistavälillä ≈2,5 V. TCR määräytyy edelleen jännitteenjakajalla R1R2, mutta jännite tällaisen kertojan navoissa on suurempi kuin yksinkertaisimman kertojan Vbe jännite ION-jännitteen arvolla. Piireissä, joissa k on pieni , jännitteenkorotus voidaan pienentää vaadittuihin useisiin satoihin mV arvoihin käyttämällä erillistä jännitteenjakajaa [11] . Vastaavasti voit lisätä TKN:ää - tätä varten jännitteen lisäys sisältyy jakajan alavarteen, transistorin emitterin ja R1:n väliin. Jännitteen lisäyksen arvo ei saa ylittää Ubea (käytännössä käytetään jännitteitä 0 ... 400 mV), joten ION-lähdön jakaja on pakollinen [12] .
Pienjännitteisissä kertoimissa, joissa k = 2…4, jännite kertoimen tuloliittimissä (1,3…3,0 V) ei riitä antamaan virtaa tyypilliselle integroidulle ION:lle 2,5 V:n jännitteellä. Tällaisissa piireissä ION on saa virtansa oman ottonsa kautta tehoväylästä, ja ION-virta stabiloidaan erillisellä virtalähteellä tai sitomalla ( bootstrapping ) voimakkaan kaskadin lähtöön [13] .
Suurin osa [15] [16] transistoriäänitaajuustehovahvistimista ( UMZCH ) on rakennettu muokatun Lin -kaavan mukaan . Tällaisen UMZCH:n lähtöaste on push-pull- emitteriseuraaja AB- tai B-moodissa komplementaarisissa bipolaarisissa transistoreissa tai lähdeseuraaja komplementaarisissa MIS-transistoreissa , joissa on vaaka- tai pystykanava. Bipolaariset toistimet koostuvat käytännössä yleensä kahdesta tai kolmesta sarjakytketystä virran vahvistusasteesta, MIS-rakenteiden toistimet koostuvat bipolaaristen transistoreiden esiasteesta (driver) ja lähtö-MIS-asteesta [17] [comm. 2] . 1960-luvun suunnittelussa vastus-diodipiirejä käytettiin pääteasteen lepovirran asettamiseen ja stabilointiin; Arthur Baileyn julkaisun jälkeen Wireless Worldissä toukokuussa 1968 [18] [comm. 3] tähän tarkoitukseen käytettiin lähes ilman vaihtoehtoja transistorikertoja Vbe [19] . Tyypillisessä tämän tyyppisessä UMZCH:ssa Vbe-kerroin sisältyy jännitevahvistusasteen (VEC) lähtöpiiriin, jonka virran (noin 3 ... 10 mA) asettaa virtalähde [20] [21 ] ] . Kertojatransistori Vbe on asennettu lähtötransistorien jäähdytyselementtiin ja toimii anturina : jäähdytyselementin lämpötilan noustessa sen oma Vbe ja sen mukana jännite kertojan navoissa laskee.
Kertoimen Vbe konfiguraatio riippuu ensinnäkin lähtötransistorien tyypistä, joka määrittää vaatimukset esijännitteelle Vcm ja sen lämpötilakertoimelle (TKC):
Ihannetapauksessa anturin Vbe:n tulisi jatkuvasti seurata lähtötransistoreiden Vbe:tä, jossa on väistämätön muutos rakenteen lämpövastuksen vuoksi . Diskreettien transistorien todellisissa kaskadeissa lämpötasapainon saavuttamiseen kuluva aika mitataan minuutteina tai kymmeninä minuutteina [27] [28] . Se on erityisen suuri perinteisessä suunnittelussa, kun transistori-anturi on kiinnitetty lähtötransistorien jäähdytyselementtiin. Transistori-anturi, joka on kiinnitetty suoraan voimakkaan transistorin runkoon, reagoi huomattavasti nopeammin lämpötilan muutoksiin - samalla pultilla, joka kiinnittää tehokkaan transistorin jäähdytyselementtiin [29] [10] . Lyhin asettumisaika, luokkaa yksi minuutti, on ominaista voimakkaille transistoreille, joissa on sisäänrakennettu lämpötila-anturi [30] [comm. 5] . Tällaisten laitteiden valikoima on liian kapea; UMZCH-piirejä hallitsevat edelleen perinteiset, anturittomat transistorit [32] .
Vbe-kerroin on UMZCH:n kriittinen rakenneyksikkö: suunnitteluvirheet tai satunnaiset kertoimen viat voivat suurella todennäköisyydellä johtaa lähtötransistorien katastrofaaliseen ylikuumenemiseen. Siksi käytännössä yksinkertaiset kerroinpiirit, jotka perustuvat vähimmäiskomponenttijoukkoon, ovat suositeltavia [8] . Kertoimen vähiten luotettava komponentti - viritysvastus - tulisi sijoittaa jännitteenjakajan alavarteen (kannan ja emitterin T1 väliin), jotta kun liukusäädin rikkoutuu, kertoja pienentää bias-jännitettä sen sijaan, että se lisää sitä. ja lepovirta [33] .