Arbeitspunkteinstellung und Stabilisierung
Werbung
EDT-Referat 1992/93 4HNB Schott Markus Arbeitspunkteinstellung und Stabilisierung bei Kleinsignaltransistorverstärkern Durch die Temperaturabhängigkeit und die Exemplarstreung der Transistorkennwerte kann es zu einer mehr oder weniger starken Arbeitspunktverschiebung (IC, UCE) kommen, welche Verzerrungen oder bei Transistoren, die größere Eigenwärme erzeugen, unter Umständen sogar thermische Zerstörung zur Folge haben. Temperatrurabhängige Transistorkennwerte: UBE: Mit steigendere Temperatur wird die für einen bestimmten Strom benötigte Spannung UBE an der leitenden Emitterdiode kleiner. Die erforderliche Spannung UBE nimmt um etwa 2mV/K wie die Flußspannung bei einer normalen Diode ab. (Da die Ladungsträgerbeweglichkeit mit steigender Temperatur zunimmt wird die Flußspannung kleiner.) (siehe Bild 1) ICB0: Bei Germaniumtransistoren im µA-Bereich. Bei Siliziumtransistoren im nA-Bereich. Muß bei Siliziumtransitoren nur bei höheren Sperrschichttemperaturen bertücksichtigt werden. ICB0 verdoppelt sich bei einer Temperaturerhöhung um 10K. Der Sperrstrom entsteht überwiegend durch thermisch gebildete Ladungsträgerpaare. (siehe Bild 2) B: Die Stromverstärkung B wächst etwa mit 1%/K mit steigender Temperatur. (siehe Bild 3) Es kann aber auch durch Exemplarstreungen zu mehr oder weniger starken Abweichungen vom gewünschten Arbeitspunkt kommen. Streung von: -UBE -B siehe Bild 1 siehe Bild 3 Um den Arbeitspunkt trotz Temperaturschwankungen und Exemplarstreungen möglichst stabil auf seinem Sollwert beizubehalten gibt es folgende Möglichkeiten: Temperaturabhängige Widerstände Heißleiter oder Dioden im Basisteiler. Die nötige UBE-Spannung soll je K Temperaturzunahme um 2-3mV sinken. (Maßnahme gegen Temperaturänderungen) Gleichstromgegenkopplung über eine oder mehere Stufen. Stabilisiert sowohl gegen Exemplarstreuung als auch gegen Temperaturänderungen Kombination von Gleichstromgegenkopplung und temeraturabhängigen Basisteiler ARBEITSPUNKTEINSTELLUNG MIT BASISSPANNUNGSTEILER Ub R1 Ub RC Uce Ui R2 Da die Eingangskennlinie exponentiell verläuft ergibt schon eine kleine Änderung der Spannung UBE eine relativ große Änderung des Basisstromes. Deshalb erfolgt die genaue Einstellung des Arbeitspunktes bei dieser Schaltung zweckmäßigerweise durch ein Potentiometer anstelle von R1. Da bei dieser Schaltung keine besonderen Maßnahmen zur Stabilisierung des Arbeitspunktes gegen Temperaturschwankungen ergriffen wurden, ist die Lage des Arbeitspunktes nicht sehr temperaturstabil. Erhöht sich zum Beispiel die Temperatur des Transistors, so ergibt sich in Folge der größeren Ladungsträgerbeweglichkeit eine steilere Eingangskennlinie und ein geringerer Widerstand. Es fließt also ein höherer Basisstrom und damit auch ein höherer Kollektorstrom. Der Spannungsabfall am Kollektorwiderstand RC wird größer und der Spannungabfall UCE am Transistor kleiner. Um den ursprünglichen Basisstrom und damit auch den ursprünglichen Kollektorstrom und die ursprüngliche Kollektor-Emitterspannung wieder herzustellen, müßte die Basis-Emitterspannung auf einem kleineren Wert zurückgeregelt werden. Dies geschieht jedoch nicht, da der niederohmige Spannungsteiler R1 und R2 die Spannung UBE konstant hält. Die nicht erfolgte Zurückregelung der Spannung UBE bei erhöhter Temperatur wirkt wie eine tatsächlich erfolgte Erhöhung der Spannung UBE bei konstanter Temperatur . Daß der soeben beschriebene Temperatureinfluß auf den Arbeitspunkt erheblich sein kann soll folgendes Beispiel zeigen: geg.: R C = 6 k 8 U B = 12V I C = 1mA T = 20° C ± 10° C ges.: U CE bei T = 20° C ± 10° C U CE = U B − R C ⋅ I C = 12 − 6.8 = 5. 2V bei T = 20° C dU BE 2 mV =− dT °C VD = ∆T=±10°C → Ube=±20mV RC I = C = S ⋅ R C = 40 ⋅ 6.8 = 270 1 UT gm ∆UCE=VD⋅∆UBE=270(±20mV)=±5.4V UCE=UCErest=0.2V bei T=30°C →UCE=5.2+5.4=10.6V bei T=10°C Da bei dieser Schaltung UCE stark von der Temperatur abhängt ist sie nur als Schaltverstärker brauchbar. ARBEITSPUNKTEINSTELLUNG MIT BASISVORWIDERSTAND Ub Ub R1 RC Ib Uce Ube Der Unterschied zur vorhergehend Schaltung besteht darin, daß hier der Arbeitspunkt nicht durch einen niederohmigen Spannungsteiler eingestellt wird, der eine konstante Spannung UBE erzeugt, sondern durch einen hochohmigen Basisvorwiderstand, der eine konstanten Basisstrom fließen läßt. Der Arbeitspunkt wird daher nicht durch die Temperaturdrift von UBE beeinflußt. Eine starke Temperaturabhängigkeit des Arbeitspunktes wird jedoch durch eine andere Ursache hervorgerufen: Da in dieser Schaltung kein Widerstand parallel zur Basis-Emitterstrecke liegt, muß der Kollektor-Basisreststrom ICBO voll über die Basis-Emitterstrecke nach Masse abfließen und kann nicht, wie in der Schaltung mit Basisspannungsteiler zum größten Teil außerhalb des Transistors über den niederohmigen Widerstand R2 nach Masse abfließen. Da der Sperrstrom ICB0 sehr stark temperaturabhängig ist, wirkt er wie ein exponentiell zunehmender zusätlicher Basisstrom, der eine erhebliche Arbeitspunktdrift verursachen kann. Für den Kollektorstrom gilt: I C = B ⋅ ( I B + I CBO ) Bsp.: Siliziumtransistor BC109B ICB0<8pA ICB0<47nA RC = 25°C 100°C ICB0<257pA ICB0<15µA 55°C 150°C U B − U CE = 7 k → R C = 6k 8 ± 5% IC IB = IC = 3µ3 Bm R1 = U B − U BE = 3M 45 → R1 = 3M 3 ± 5% IB ges.:∆IC, ∆UCE bei T=+30°C Temperaturabhängigkeit von B vernachlässigt. I CB0 ( T) = I CBO (150° ) F G∆T IJK 2H6 I CB0 = I CB055°C − I CB0 25°C = 257 pA − 8 pA = 0. 249 nA ∆I C = B( − ∆U BE + ∆I CB0 ) = 450(18 + 0. 249 )nA = 8. 2µA R1 Bei einem Ruhestrom von IC=1mA ist ∆IC vernachlässigbar. Anders werden die Verhältnisse bei höheren Temperaturen: 2. 75mV + 47 nA ) = 42µA 3M 3 2.125mV ∆I C = 450 + 15µA = 6.8 mA 3M 3 ∆I C = 450( Bei T=100°C F G H Bei T=150°C IJ K Diese Temperaturabhängige Arbeitspunktverschiebung wirkt sich bei Germaniumtransistoren noch stärker aus da der Reststrom ICB0 hier viel größer ist als bei Siliziumtransistoren. Bei dieser Schaltung wirkt sich aber auch die Exemplarstreung von B, UBE und R aus: R1min=3M135 RCmin=6k46 R1max=3M465 RCmax=7k14 F U −U G HR F U −U G HR I C max = Bmax B BE min 1min I C min = Bmin BE max B 1max UBEmin=0.5V UBEmax=0.8V IJ= 1.65mA K IJ= 0.65mA K Bmax 450 = = 2. 25 Bmin 200 I Cmax 1. 65 = = 2.54 I Cmin 0. 65 UCEmin=UB-ICmax⋅RCmax=0.2V UCEmax=UB-ICmin⋅RCmin=7.8V Man erkennt das die Arbeitspunktschwankungen infolge von Exemplarstreuung und Widerstandstoleranzen sehr groß sind. Sie werden aber zum größten Teil durch die Streuung von B verursacht. Bei einer ungünstigen Dimensionierung wie in diesem Beispiel kann de Fall eintreten, daß UCE gleich der Restspannung UCErest wird. Es ist damit eine einwandfreie Funktionsweise der Schaltung nicht immer gewährt (siehe Bild AP) ARBEITSPUNKTSTABILISIERUNG DURCH TEMPERATURKOMPENSATION Ub Ub R1 R1 Ub Ub RC RC Uce Ui Uce Ui R2 a) Heißleiter Rh R2 b) Diode In der Schaltung a findet ein NTC-Widerstand Verwendung, desen Widerstandswert mit steigender Tempertatur sinkt. R2 dient der Anpassung des Temperaturganges des Heißleiters. In der Schaltung b dient eine Diode der Kompensation. Die Halbleiterdiode hat grundsätzlich den gleichen Temperaturgang wie die Basis-Emitter-Diode des Transistors und vermag es deshalb insbesonders den Temperaturgang der Spannung UBE zu kompensieren. Um den Eingangswiderstand der Schaltung für das Signal durch die Diode nicht zu sehr verkleinern, wird die Reihenschaltung aus Diode und Widerstand R2 verwendet. Bei jeder Kompensations-schaltung ist dafür zu sorgen, das der Transistor und das temperaturabhängige Kombinationselement möglichst die gleiche Temperatur besitzen. ARBEITSPUNKTSTABILISIERUNG DURCH STROMGEGENKOPPLUNG (Emitterschaltung) Ub Ub R1 RC Ic Ib-Icbo Ube Iq Ua U2 R2 Ue RE CE Bei dieser Schaltung bewirkt der Widerstand RE bei Zunahme des Kollektorstroms bei Temperaturerhöhung ein Abnehmen der Spannung UBE und verhindert dadurch den Stromanstieg. Die Ausgangsgröße Ic wirkt auf den Eingang: Stromgegenkopplung Ic erzeugt am Widerstand RE die Spannung UE=I⋅RE. Mit dem Spannungsteiler R1, R2 wird die Spannung U2=UBE+UE eingestellt, welche konstant bleibt. Erhöht sich nun die Temperatur, so steigt der Strom um ∆IC an und bewirkt damit eine Zunahme vonUE um ∆UCE=∆IC⋅RE. Da U2=UBE+UE konstant ist muß UBE um den gleichen Betrag abnehmen wie UE zunimmt: ∆UE=∆UBE=2mV/K Da UBE abnimmt, wird ein weiterer Stromanstieg verhindert. Damit ist IC begrenzt auf: ∆I C = ∆U E 2 mV / K = RE RE Ist RE=1k und ∆T=10k so ist IC=20µA Ist IC=2mA so ist ∆I C = 1% IC Dieses Beispiel zeigt, daß RE die Güte der Stabilisierung bestimmt. Je größer RE ist desto stabiler ist der Arbeitspunkt. Bei einer kleinen Stromerhöhung bewirkt RE bereits das erforderliche Absinken von UBE. Man muß aber auch UC=UB-IC⋅RC betrachten. Eine kleine Änderung von IC kann eine große Änderung von UC herbeiführen, wenn RC sehr groß ist. ∆UC=∆IC⋅RC ∆U C ∆U BE ∆I ⋅ R R VD = C C = C ∆I C ⋅ R E R E Man betrachtet daher die Driftverstärkung VD = Die Driftverstärkung gibt an, um wievielmal größer die Änderung der Kollektorspannung ist im Vergleich zur Änderung der Spannung UBE. Je kleiner die Driftverstärkung ist, desto besser ist die Stabilisierung. Die Stabilität der Schaltung ist daher umso besser, je größer RE zu RC gewählt wird, bzw. umso größer UE gewählt wird. UE geht aber für die Aussteuerung verloren, kann daher nicht beliebig groß gewählt werden. (siehe Bild AP) UE=1V VD=10 RE=0.1RC Durch den Widerstand RE wird aber auch die Wechselspannungsverstärkung kleiner. Man kann dem entgegenwirken, indem man den Widerstand RE teilweise oder ganz mit einem Kondensator überbrückt. Der herausragende Vorteil der Schaltung ist zweifellos, daß keinerlei Abgleich sowohl für die Einstellung des Arbeitspunktes als auch für die Stabilisierung erforderlich ist. Die Schaltung regelt jede Änderung selbstätig aus. Die Streuwerte von der Stromverstärkung B und dem Reststrom ICB0 spielen, wenn der Basisspannungsteiler niederohmig ist, im allgemeinen nur eine geringe Rolle. ARBEITSPUNKTSTABILISIERUNG DURCH STROMGEGENKOPPLUNG MIT VERBESSERTER TEMPERATURSTABILITÄT Ub R1 Ub RC Uce Ui R2 Anstelle des Spannungsteilerwiderstandes R2 wird eine Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes und einer Diode geschalten. Durch diese Maßnahme soll der nachteilige Einfluß des temperaturabhängigen Kollektor-Basis-Reststrom ICB0 vermindert werden. Da der Kollektor-Basis-Reststrom ICBO zu ca. 90% (bei Iq=10⋅IB) durch den Spannungsteilerwiderstand R2 fließt, wird bei steigender Temperatur der Spannungsabfall an R2 größer. Da die Diode jedoch im Gegensatz zum Widerstande einen negativen Temperaturkoefizienten hat, wird sie bei höherer Temperatur niederohmiger, so daß der höhere Spannungsabfall an R2 durch das Verhalten der Diode teilweise ausgeglichen wird. Voraussetzung für die Wirksamkeit dieser Maßnahme ist ein enger Wärmekontakt zwischen Diode und Transistor (Montage auf gemeinsamen Kühlblech). ARBEITSPUNKTSTABILISIERUNG DURCH SPANNUNGSGEGENKOPPLUNG Ub RC R1 Ua Ue Eine Verbesserung der Stabilität gegenüber der einfachen Schaltung mit Basisvorwiderstand erreicht man, wenn man diesen nicht an die Versorgungsspannung UB, sondern an den Kollektor anschließt. Mit zunehmendem Kollektorstrom sinkt UCE und damit gleichzeitig UR1 und IB. F G H U B = I C ⋅ R C + R1 ( I B − ICB0 ) + U BE = IC R C + IC = 1 RC + R1 B bU B − U BE + R 1 ⋅ I CB0 IJ K R1 − R1 ⋅ I CB0 + U BE B g IC = B 1+ B⋅ RC R1 ⋅ F U −U G HR B + I CBO 1 Die Arbeitrspunktstabilität ist umso besser, je größer das Produkt B ⋅ B⋅ BE IJ K RC ist R1 RC >1 R1 Bei dieser Schaltung erfolgt die Arbeitspunktstabilisierung durch die Gegenkopplung selbstätig, und erfordert keinen Abgleich. Zur Arbeitspunkteinstellung muß aber die Stromverstärkung B bekannt sein, welche infolge der Exemplarstreuung und Temperaturänderung streut, und sich dadurch ungünstig auf den Arbeitspunkt auswirkt. ARBEITSPUNKTSTABILISIERUNG DURCH KOMBINATION VON STROM- UND SPANNUNGSGEGENKOPPLUNG Ub RC Ic R1 Iq+Ib-Icbo Ib-Icbo Ube Iq Ua U2 R2 RE Manchmal findet man auch eine Kombination beider Gegenkopplungsarten. Man erreicht damit eine weitere Verbesserung der Stabilität. Die Gegenkopplung für Wechselspannung läßt sich durch Überbrücken des Emitterwiderstandes mit einem genügend großen Kondensator verhindern. Nicht so einfach ist es, die Wechselstromgegenkopplung, die durch Verbindung von R1 mit dem Kollektor ensteht zu verhindern. Eventuell, wenn störend, R1 in zwei Widerstände unterteilen und den Mitelpunkt über einen Kondensator mit Masse verbinden. U − U BE IC = 2 + I CB0 RE U B = R C ⋅ ( I C + I q + I B − I CBO ) + R1 ⋅ ( I q + I B − I CB0 ) + R 2 ⋅ I q U U + R E ⋅ IC Iq = 2 = BE R2 R2 I I U B = R C ⋅ I C + I q + C − I CB0 + R 1 ⋅ I q + C − I CB0 + R 2 ⋅ I q B B R + R1 U + R E ⋅ IC U B = IC ⋅ R C + C + BE ⋅ ( R 1 + R 2 + R C ) − I CB0 ( R1 + R C ) B R2 U B = IC IC = F G H F G H FR + R ⋅G H IJ K C C IJ F K G H IJ K IJ K U + R1 R E + ⋅ ( R 1 + R 2 + R C ) + BE ⋅ ( R 1 + R 2 + R C ) − I CBO ⋅ ( R1 + R C ) R2 B R2 R1 + R 2 + R C + I CB0 ⋅ ( R 1 + R 2 ) R2 R R R C + 1 + E ⋅ ( R1 + R 2 + R C ) B R2 U B − U BE ⋅ Temperatureinfluß: ∆I C = R1 + R 2 + R C + ∆I CB0 ⋅ ( R 1 + R 2 ) R2 R R R C + 1 + E ⋅ ( R1 + R 2 + R C ) B R2 − ∆U BE ⋅
