Az alap-emitter feszültségszorzó ( multiplier Vbe ) egy kétkimenetű elektronikus referenciafeszültség-forrás , amely arányos a bipoláris tranzisztor (Vbe) előrefeszített emittercsatlakozásánál fennálló feszültséggel . A Vbe legegyszerűbb szorzó egy ellenállásos feszültségosztóból áll , amely beállítja a szorzótényezőt, és egy bipoláris tranzisztorból, amelyet ez irányít. Ha a Vbe szorzót egy áramforráshoz csatlakoztatjuk, a szorzón, akárcsak magán Vbe-n, a feszültségesés komplementer az abszolút hőmérséklethez : a hőmérséklet növekedésével a lineárishoz közeli törvény szerint csökken. A Vbe szorzó egyenértékű egy előre előfeszített félvezető diódák láncával , azonban ezzel ellentétben a tranzisztoráramkör szorzótényezője bármely egynél nagyobb egész vagy tört értéket vehet fel, és hangoló ellenállással állítható. .
A Vbe szorzó fő funkciója a bipoláris és MIS tranzisztorokon alapuló teljesítményerősítők kimeneti fokozatainak hőmérséklet-stabilizálása . A kimeneti tranzisztorok hűtőbordájára (vagy közvetlenül a kimeneti tranzisztorra vagy integrált áramköri chipre) szerelt szorzótranzisztor figyeli azok hőmérsékletét, és folyamatosan szabályozza az előfeszítő feszültséget , amely beállítja a fokozat működési pontját.
A legegyszerűbb Vbe szorzó egy kétterminális hálózat , amely egy T1 bipoláris tranzisztorból áll, amelyet R1R2 feszültségosztó vezérel. Annak az áramkörnek a belső ellenállásának , amelybe ez a kétpólusú eszköz csatlakoztatva van, elég nagynak kell lennie ahhoz, hogy a T1 kollektoráramot biztonságos szintre korlátozza; a gyakorlati áramkörökben a szorzón átmenő áramot általában az áramforrás adja meg . Az osztó ellenállását elég kicsire kell megválasztani ahhoz, hogy az R2-n átfolyó T1 alapáram sokkal kisebb legyen, mint az osztóáram. Ilyen körülmények között a tranzisztor negatív visszacsatolásnak van kitéve, aminek következtében a T1 kollektor-emitter feszültség (Vce) az emitter csomópontjának feszültségével (Vbe) arányos szintre van állítva. A hőmérsékleti együttható (TCC) Vce és a belső ellenállás a kollektor és az Rce emitter között ugyanazt az összefüggést követi:
Vce = k Vbe ; TKH (Vce) = dRce/dT = k dRbe/dT ≈ -2,2 k mV/K 300 K-en; Rce \u003d k (v t / I e ) , ahol a szorzótényező k = 1+R 2 /R 1 , és v t az abszolút hőmérséklettel arányos hőmérsékleti potenciál ( szilícium esetében 300 K-en körülbelül 26 mV) [1] [2] [3] .Egy idealizált Vbe szorzó áram-feszültség karakterisztikája (CV) egybeesik a tranzisztor IV karakterisztikájával diódakapcsolatban, feszített [komm. 1] a feszültségtengely mentén k - szor.
|
Kiváló minőségű teljesítményerősítőkben való használathoz egy egyszerű Vbe szorzó belső ellenállása elfogadhatatlanul magas. Az ilyen szorzón átfolyó áram elkerülhetetlen változásai több tíz mV-tal eltolják a feszültséget; a minimális nemlineáris torzításra optimalizált végfok működési pontjának eltolása egy ilyen értékkel elkerülhetetlenül növeli a torzítást [5] [4] . A probléma egyszerű és hatékony megoldása, ha a T1 kollektoráramkörbe egy R3 ellenállást építünk be, amelynek értéke megegyezik a szorzó belső ellenállásával [6] . Az első közelítés szerint a teljes hibafeszültség, arányos a kollektorárammal, leesik ezen az ellenálláson; a szorzó kimeneti feszültsége a kollektorból és a T1 emitterből vett (Vce) már nem függ az átfolyó áramtól [6] . A továbbfejlesztett Vbe szorzó tényleges I–V karakterisztikája nemlineáris, de nagyon közel áll a lineárishoz. Az R3 optimális megválasztásával a kimeneti feszültség a működési ponton maximális, az áramerősség változásával enyhén csökken, simán csökken [4] . Az R3 csak tapasztalati kiválasztást igényel , mivel egy valódi tranzisztor belső ellenállása kétszer vagy többször is nagyobb lehet, mint a számítotté [7] .
A belső ellenállás csökkentésének másik módja a helyi visszacsatolású komplementer tranzisztorpár használata. A benne lévő hőmérséklet-érzékelő a T1 tranzisztor, amelynek áramát a Vbe * R3 érték korlátozza. Amikor ezt a küszöböt elérjük, kinyílik a T2 tranzisztor, amely a túláramot T1 körül söntöli [8] . Az áramkör nem igényli az R3 értékének optimalizálását (csak a T1-en áthaladó áram célértékétől függ), nagyságrenddel csökkenti a szorzó belső ellenállását az üzemi áramok teljes tartományában, és kevéssé függ a tranzisztorok áramerősítése [8] [9] . Fő hátránya a kritikus csomópont nemkívánatos komplikációja és az öngerjesztés valószínűsége , amely minden többhurkos visszacsatolású áramkörben velejárója [8] [10] . Az öngerjesztés megakadályozására általában elegendő a szorzó kimenetét kondenzátorral söntelni; a garantált stabilitás érdekében egy körülbelül 50 ohmos előtétellenállást tartalmaznak sorba a T2 emitterrel. Ebben az esetben a kimeneti ellenállás nő, de nem haladja meg a 2 ohmot [10] .
Magas frekvenciákon a tranzisztor körüli visszacsatolás hatékonysága csökken, a Vbe szorzó impedanciája nő [7] . Például egy tipikus 2N5511 tranzisztoros szorzóban (áramerősítési vágási frekvencia 100 MHz) az a vágási frekvencia, amely felett a szorzóellenállás induktívvá válik , 2,3 MHz [7] . Ennek a jelenségnek a semlegesítéséhez elegendő a Vbe szorzót 0,1 μF kapacitással söntölni (a gyakorlatban a 0,1 ... 10 μF tartományba eső kapacitásokat alkalmazzák) [7] .
|
A legegyszerűbb Vbe szorzó kimeneti feszültsége és hőmérsékleti együtthatója közötti merev kapcsolat többféleképpen megszakítható.
A kellően nagy k TKN csökkentésére két egyszerű Vbe szorzót kell sorba kötni. Az ilyen áramkör teljes feszültsége megegyezik a szükséges előfeszítő feszültséggel, de csak az egyik tranzisztor (T1) van felszerelve a kimeneti fokozat hűtőbordájára. A második tranzisztor (T2), amely a nyomtatott áramköri lapon található, figyeli a levegő hőmérsékletét a tokban, és gyakorlatilag nem befolyásolja a kimeneti tranzisztorok működését.
Alternatív módja a TCR csökkentésének nagy k esetén, ha az R2 ellenállást egy ellenállás és egy termikusan stabilizált referenciafeszültség-forrás (ION) soros csatlakozására cseréljük, például ≈2,5 V TL431 sávszélességgel . A TCR-t továbbra is az R1R2 feszültségosztó határozza meg, de az ilyen szorzókapcsokon a feszültség nagyobb , mint a legegyszerűbb Vbe szorzó feszültsége, az ION feszültség értékével. Kis k értékkel rendelkező áramkörökben a feszültségnövelés több száz mV-os szükséges értékre csökkenthető egy külön feszültségosztóval [11] . Hasonlóképpen növelheti a TKN-t - ehhez a feszültségnövelés az osztó alsó karjába kerül, a tranzisztor emittere és az R1 között. A feszültségnövelés értéke nem haladhatja meg az Ube-t (a gyakorlatban 0 ... 400 mV feszültséget használnak), ezért az ION kimeneten kötelező az osztó [12] .
A k=2…4-es kisfeszültségű szorzóknál a szorzó bemeneti kapcsain a feszültség (1,3…3,0 V) nem elegendő egy tipikus integrált ION 2,5 V feszültségű táplálásához. Az ilyen áramkörökben az ION saját leágazásán keresztül kapja meg a tápellátást a teljesítménybuszról, és az ION-áramot egy külön áramforrás vagy egy erős kaszkád kimenetéhez kötve ( bootstrapping ) stabilizálja [13] .
A tranzisztoros hangfrekvenciás teljesítményerősítők (UMZCH) túlnyomó többsége [15] [16] a módosított Lin-séma szerint épül fel . Az ilyen UMZCH kimeneti fokozata egy push-pull emitter követő AB vagy B üzemmódban a komplementer bipoláris tranzisztorokon vagy egy forráskövető a komplementer MIS tranzisztoron vízszintes vagy függőleges csatornával. A bipoláris átjátszók a gyakorlatban általában két vagy három sorba kapcsolt áramerősítő fokozatból állnak, az MIS struktúrák átjátszói a bipoláris tranzisztorokon lévő előfokozatból (driver) és egy kimeneti MIS fokozatból állnak [17] [comm. 2] . Az 1960-as évek tervezésében ellenállás-dióda áramköröket használtak a végfok nyugalmi áramának beállítására és stabilizálására; Arthur Bailey 1968. májusi Wireless World -ben megjelent publikációja után [18] [comm. 3] erre a célra, szinte alternatíva nélkül, Vbe [19] tranzisztor-szorzót használtak . Egy tipikus ilyen típusú UMZCH-ban a Vbe szorzó a feszültségerősítő fokozat (VEC) kimeneti áramkörében található, amelynek áramát (kb. 3 ... 10 mA) az áramforrás állítja be [20] [21 ] ] . A Vbe szorzótranzisztor a kimeneti tranzisztorok hűtőbordájára van felszerelve, és érzékelőként működik : a hűtőborda hőmérsékletének növekedésével a saját Vbe-je, és ezzel együtt a szorzókapcsokon a feszültség is csökken.
A Vbe szorzó konfigurációja mindenekelőtt a kimeneti tranzisztorok típusától függ, amely meghatározza a Vcm előfeszítési feszültség és hőmérsékleti együttható (TKC) követelményeit:
Ideális esetben egy szenzor Vbe-jének folyamatosan követnie kell a kimeneti tranzisztorok Vbe-jét, bizonyos elkerülhetetlen eltolódással a kialakítás hőellenállása miatt . A diszkrét tranzisztorok valós kaszkádjaiban a termikus egyensúly létrejöttéhez szükséges időt percekben vagy tíz percekben mérik [27] [28] . Különösen nagy a hagyományos kivitelben, amikor a tranzisztor-érzékelő a kimeneti tranzisztorok hűtőbordájára van rögzítve. A közvetlenül egy erős tranzisztor testére rögzített tranzisztor-érzékelő észrevehetően gyorsabban reagál a hőmérséklet-eltolódásokra - ugyanazzal a csavarral, amely az erős tranzisztort a hűtőbordához rögzíti [29] [10] . A legrövidebb, egy perc nagyságrendű beállási idő a beépített hőmérséklet-érzékelővel rendelkező erős tranzisztorokra jellemző [30] [comm. 5] . Az ilyen eszközök köre túl szűk; Az UMZCH áramköröket továbbra is a hagyományos, nem érzékelős tranzisztorok uralják [32] .
A Vbe szorzó az UMZCH kritikus szerkezeti egysége: a tervezési hibák vagy véletlenszerű szorzóhibák nagy valószínűséggel a kimeneti tranzisztorok katasztrofális túlmelegedéséhez vezethetnek. Ezért a gyakorlatban előnyben részesítik az egyszerű, minimális komponenskészleten alapuló szorzóáramköröket [8] . A szorzó legkevésbé megbízható alkatrészét - a hangoló ellenállást - a feszültségosztó alsó karjába kell helyezni (a bázis és a T1 emitter közé), hogy a csúszka törésekor a szorzó csökkentse , nem pedig növeli az előfeszítő feszültséget. és a nyugalmi áram [33] .