Násobič napětí báze-emitor ( násobič Vbe ) je dvouvýstupový elektronický referenční zdroj napětí úměrný napětí na přechodu emitoru s předpětím bipolárního tranzistoru (Vbe). Nejjednodušší násobič Vbe se skládá z odporového děliče napětí , který nastavuje multiplikační faktor, a jím řízeného bipolárního tranzistoru. Když je násobič Vbe připojen ke zdroji proudu, úbytek napětí na násobiči, stejně jako samotný Vbe, je komplementární k absolutní teplotě : s rostoucí teplotou klesá podle zákona blízkého lineární. Násobič Vbe je ekvivalentní řetězci polovodičových diod s dopředným předpětím , avšak na rozdíl od něj může multiplikační faktor tranzistorového obvodu nabývat jakýchkoli celočíselných nebo zlomkových hodnot větších než jedna a lze jej upravit pomocí ladícího odporu . .
Hlavní funkcí násobiče Vbe je teplotní stabilizace koncových stupňů výkonových zesilovačů na bázi bipolárních a MIS tranzistorů . Násobičový tranzistor namontovaný na chladiči výstupních tranzistorů (nebo přímo na výstupním tranzistoru či čipu integrovaného obvodu) hlídá jejich teplotu a plynule upravuje předpětí , které nastavuje pracovní bod stupně.
Nejjednodušší násobič Vbe je dvousvorková síť tvořená bipolárním tranzistorem T1 řízeným děličem napětí R1R2. Vnitřní odpor obvodu, ve kterém je toto dvousvorkové zařízení zapojeno, musí být dostatečně velký, aby omezil kolektorový proud T1 na bezpečnou úroveň; v praktických obvodech je proud přes násobič obvykle dán zdrojem proudu . Odpor děliče je zvolen dostatečně nízký, aby základní proud T1 protékající R2 byl mnohem nižší než proud děliče. Za těchto podmínek je tranzistor vystaven negativní zpětné vazbě, díky které je napětí kolektor-emitor T1 (Vce) nastaveno na úroveň úměrnou napětí na jeho přechodu emitoru (Vbe). Teplotní koeficient (TCC) Vce a vnitřní odpor mezi kolektorem a emitorem Rce se řídí stejným vztahem:
Vce = k Vbe ; TKH (Vce) = dRce/dT = k dRbe/dT ≈ -2,2 k mV/K při 300 K; Rce \u003d k (v t / I e ) , kde multiplikační faktor k = 1+R 2 /R 1 a vt je teplotní potenciál úměrný absolutní teplotě ( pro křemík při 300 K je přibližně 26 mV) [1] [2] [3] .Proudově napěťová charakteristika (CV) idealizovaného násobiče Vbe se shoduje s IV charakteristikou tranzistoru v zapojení diody, protažené [comm. 1] podél osy napětí k krát.
|
Pro použití ve vysoce kvalitních koncových zesilovačích je vnitřní odpor jednoduchého násobiče Vbe nepřijatelně vysoký. Nevyhnutelné změny proudu protékajícího takovým násobičem posouvají napětí na něm o desítky mV; posunutí pracovního bodu koncového stupně, optimalizovaného na minimum nelineárního zkreslení , o takovou hodnotu nevyhnutelně zvyšuje zkreslení [5] [4] . Jednoduchým a efektivním řešením tohoto problému je zařazení rezistoru R3 do kolektorového obvodu T1, jehož hodnota se rovná vnitřnímu odporu násobiče [6] . K první aproximaci celé chybové napětí, úměrné kolektorovému proudu, klesne přes tento odpor; výstupní napětí násobiče, odebrané z kolektoru a emitoru T1 (Vce), již nezávisí na protékajícím proudu [6] . Vlastní I–V charakteristika vylepšeného multiplikátoru Vbe má nelineární, ale velmi blízký lineární charakter. Při optimální volbě R3 je výstupní napětí v pracovním bodě maximální a se změnou proudu mírně klesá, plynule klesá [4] . R3 vyžaduje pouze výběr na základě zkušeností, protože vnitřní odpor reálného tranzistoru může být dvakrát i vícekrát vyšší než vypočítaný [7] .
Dalším způsobem, jak snížit vnitřní odpor, je použití komplementárního tranzistorového páru s lokální zpětnou vazbou. Teplotní čidlo v něm je tranzistor T1, jehož proud je omezen hodnotou Vbe * R3. Po dosažení této prahové hodnoty se otevře tranzistor T2, který převede přebytečný proud kolem T1 [8] . Obvod nevyžaduje optimalizaci hodnoty R3 (závisí pouze na cílové hodnotě proudu přes T1), řádově snižuje vnitřní odpor násobiče v celém rozsahu provozních proudů a málo závisí na proudové zesílení tranzistorů [8] [9] . Jeho hlavní nevýhodou je nežádoucí komplikace kritického uzlu a pravděpodobnost samobuzení , která je vlastní všem obvodům s vícesmyčkovou zpětnou vazbou [8] [10] . K zabránění samobuzení obvykle postačí bočník výstupu násobiče kondenzátorem; pro zaručenou stabilitu je v sérii s emitorem T2 zařazen předřadný odpor asi 50 ohmů. V tomto případě se výstupní odpor zvýší, ale nepřesáhne 2 ohmy [10] .
Při vysokých frekvencích klesá účinnost zpětné vazby kolem tranzistoru, roste impedance násobiče Vbe [7] . Například u typického tranzistorového násobiče 2N5511 (mezní frekvence proudového zesílení 100 MHz) je mezní frekvence, nad kterou se odpor násobiče stává indukčním , 2,3 MHz [7] . K neutralizaci tohoto jevu stačí bočník násobiče Vbe s kapacitou 0,1 μF (v praxi se používají kapacity v rozsahu 0,1 ... 10 μF) [7] .
|
Pevné spojení mezi výstupním napětím nejjednoduššího násobiče Vbe a jeho teplotním koeficientem lze přerušit několika způsoby.
Pro zmenšení TKN pro dostatečně velké k jsou dva jednoduché násobiče Vbe zapojeny do série. Celkové napětí takového obvodu je nastaveno tak, aby se rovnalo požadovanému předpětí, ale pouze jeden z tranzistorů (T1) je instalován na chladiči koncového stupně. Druhý tranzistor (T2), umístěný na desce plošných spojů, hlídá teplotu vzduchu ve skříni a prakticky neovlivňuje činnost výstupních tranzistorů.
Alternativní způsob, jak snížit TCR při velkém k , je nahradit rezistor R2 sériovým zapojením rezistoru a tepelně stabilizovaného zdroje referenčního napětí (ION), například TL431 bandgap ≈2,5 V. Absolutní hodnota TCR je stále určeno děličem napětí R1R2, ale napětí na svorkách takového násobiče je větší než napětí nejjednoduššího násobiče Vbe, o hodnotu napětí ION. V obvodech s malým k lze zvýšení napětí snížit na požadované hodnoty několika set mV pomocí samostatného děliče napětí [11] . Podobně můžete zvýšit TKN - k tomu je napěťový boost zařazen ve spodním rameni děliče, mezi emitorem tranzistoru a R1. Hodnota napěťového boostu nemůže překročit Ube (v praxi se používají napětí 0 ... 400 mV), proto je dělič na výstupu ION povinný [12] .
V nízkonapěťových násobičích s k=2…4 napětí na vstupních svorkách násobiče (1,3…3,0 V) nestačí k napájení typického integrovaného ION pro napětí 2,5 V. V takových obvodech je ION napájen přes vlastní odbočku z napájecí sběrnice a ION proud je stabilizován samostatným zdrojem proudu nebo navázáním ( bootstrappingem ) na výstup výkonné kaskády [13] .
Naprostá většina [15] [16] tranzistorových audiofrekvenčních výkonových zesilovačů (UMZCH) je postavena podle upraveného Lin schématu . Výstupním stupněm takového UMZCH je push-pull emitorový sledovač v režimu AB nebo B na komplementárních bipolárních tranzistorech nebo zdrojový sledovač na komplementárních MIS tranzistorech s horizontálním nebo vertikálním kanálem. Bipolární zesilovače se v praxi obvykle skládají ze dvou nebo tří sériově zapojených proudových zesilovacích stupňů, opakovače na strukturách MIS se skládají z předstupně (budiče) na bipolárních tranzistorech a výstupního stupně MIS [17] [comm. 2] . V návrzích z 60. let se pro nastavení a stabilizaci klidového proudu koncového stupně používaly obvody odpor-dioda; po publikaci Arthura Baileyho v Wireless World v květnu 1968 [18] [comm. 3] pro tento účel byly téměř bez alternativy použity tranzistorové násobiče Vbe [19] . V typickém UMZCH tohoto druhu je násobič Vbe zařazen do výstupního obvodu stupně zesílení napětí (VEC), jehož proud (asi 3 ... 10 mA) je nastaven zdrojem proudu [20] [21 ] . Násobičový tranzistor Vbe je namontován na chladiči výstupních tranzistorů a funguje jako snímač : s nárůstem teploty chladiče klesá jeho vlastní Vbe a s ním i napětí na svorkách násobiče.
Konfigurace násobiče Vbe závisí především na typu výstupních tranzistorů, který určuje požadavky na předpětí Vcm a jeho teplotní koeficient (TKC):
V ideálním případě by měl Vbe snímače nepřetržitě sledovat Vbe výstupních tranzistorů s určitým nevyhnutelným posunem kvůli tepelnému odporu konstrukce. V reálných kaskádách na diskrétních tranzistorech se čas k ustavení tepelné rovnováhy měří v minutách nebo desítkách minut [27] [28] . Je zvláště velký v tradičním provedení, kdy je tranzistorový snímač připojen k chladiči výstupních tranzistorů. Tranzistor-snímač, upevněný přímo na těle výkonného tranzistoru, znatelně rychleji reaguje na teplotní posuny – pomocí stejného šroubu, který připevňuje výkonný tranzistor k chladiči [29] [10] . Nejkratší doba ustálení, řádově jedna minuta, je charakteristická pro výkonné tranzistory s vestavěným teplotním čidlem [30] [comm. 5] . Rozsah takových zařízení je příliš úzký; Obvodům UMZCH stále dominují konvenční, nesnímané tranzistory [32] .
Násobič Vbe je kritickou konstrukční jednotkou UMZCH: konstrukční chyby nebo náhodné poruchy násobiče mohou s vysokou pravděpodobností vést ke katastrofálnímu přehřátí výstupních tranzistorů. Proto jsou v praxi preferovány jednoduché násobící obvody založené na minimální sadě součástek [8] . Nejméně spolehlivá součást násobiče - ladicí rezistor - by měla být umístěna ve spodním rameni děliče napětí (mezi základnou a emitorem T1), takže když se jezdec rozbije, násobič sníží , spíše než zvýší, předpětí. a klidový proud [33] .