Multiplicatorul de tensiune bază-emițător ( multiplicatorul Vbe ) este o sursă de tensiune de referință electronică cu două ieșiri proporțională cu tensiunea de la joncțiunea emițătorului polarizat direct a unui tranzistor bipolar (Vbe). Cel mai simplu multiplicator Vbe constă dintr-un divizor de tensiune rezistiv , care stabilește factorul de multiplicare și un tranzistor bipolar controlat de acesta. Când multiplicatorul Vbe este conectat la o sursă de curent, căderea de tensiune pe multiplicator, ca și Vbe însuși, este complementară temperaturii absolute : cu creșterea temperaturii, aceasta scade conform unei legi apropiate de liniară. Multiplicatorul Vbe este echivalent cu un lanț de diode semiconductoare polarizate direct, cu toate acestea, spre deosebire de acesta, factorul de multiplicare al circuitului tranzistorului poate lua orice valoare întreagă sau fracțională mai mare de unu și poate fi ajustat printr-un rezistor de reglare. .
Funcția principală a multiplicatorului Vbe este stabilizarea temperaturii treptelor de ieșire ale amplificatoarelor de putere bazate pe tranzistoare bipolare și MIS . Tranzistorul multiplicator, montat pe radiatorul tranzistorilor de ieșire (sau direct pe tranzistorul de ieșire sau cipul circuitului integrat), monitorizează temperatura acestora și ajustează continuu tensiunea de polarizare , care stabilește punctul de funcționare al etapei.
Cel mai simplu multiplicator Vbe este o rețea cu două terminale constând dintr-un tranzistor bipolar T1 controlat de un divizor de tensiune R1R2. Rezistența internă a circuitului în care este conectat acest dispozitiv cu două terminale trebuie să fie suficient de mare pentru a limita curentul de colector T1 la un nivel sigur; în circuitele practice, curentul prin multiplicator este de obicei dat de sursa de curent . Rezistența divizorului este aleasă suficient de mică, astfel încât curentul de bază al lui T1 care curge prin R2 să fie mult mai mic decât curentul divizorului. În aceste condiții, tranzistorul este supus unui feedback negativ, datorită căruia tensiunea colector-emițător T1 (Vce) este setată la un nivel proporțional cu tensiunea de la joncțiunea sa emițător (Vbe). Coeficientul de temperatură (TCC) Vce și rezistența internă dintre colector și emițător Rce respectă aceeași relație:
Vce = k Vbe ; TKH (Vce) = dRce/dT = k dRbe/dT ≈ −2,2 k mV/K la 300 K; Rce \u003d k (v t / I e ) , unde factorul de multiplicare k = 1+R 2 /R 1 , iar v t este potenţialul de temperatură proporţional cu temperatura absolută (pentru siliciu la 300 K este de aproximativ 26 mV) [1] [2] [3] .Caracteristica curent-tensiune (CV) a unui multiplicator idealizat Vbe coincide cu caracteristica IV a unui tranzistor într-o conexiune de diodă, întinsă [comm. 1] de-a lungul axei tensiunii de k ori.
|
Pentru utilizarea în amplificatoare de putere de înaltă calitate, rezistența internă a unui multiplicator simplu Vbe este inacceptabil de mare. Modificările inevitabile ale curentului care circulă printr-un astfel de multiplicator schimbă tensiunea peste el cu zeci de mV; deplasarea punctului de funcționare al etajului de ieșire, optimizat pentru un minim de distorsiune neliniară , cu o asemenea valoare crește inevitabil distorsiunea [5] [4] . O soluție simplă și eficientă la această problemă este includerea unui rezistor R3 în circuitul colector T1, a cărui valoare este egală cu rezistența internă a multiplicatorului [6] . La o primă aproximare, întreaga tensiune de eroare, proporțională cu curentul colectorului, scade peste acest rezistor; tensiunea de ieșire a multiplicatorului, luată de la colector și emițător T1 (Vce), nu mai depinde de curentul care curge [6] . Caracteristica reală I–V a multiplicatorului îmbunătățit Vbe are un caracter neliniar, dar foarte apropiat de liniar. La selectarea optimă a lui R3, tensiunea de ieșire la punctul de funcționare este maximă, iar cu o modificare a curentului scade ușor, scade ușor [4] . R3 necesită doar selecția prin experiență, deoarece rezistența internă a unui tranzistor real poate fi de două sau mai multe ori mai mare decât cea calculată [7] .
O altă modalitate de a reduce rezistența internă este utilizarea unei perechi de tranzistori complementare cu feedback local. Senzorul de temperatură din acesta este tranzistorul T1, al cărui curent este limitat de valoarea Vbe * R3. La atingerea acestui prag, se deschide tranzistorul T2, care degajă curentul în exces în jurul lui T1 [8] . Circuitul nu necesită optimizarea valorii lui R3 (depinde numai de valoarea țintă a curentului prin T1), reduce rezistența internă a multiplicatorului cu un ordin de mărime pe întreaga gamă de curenți de funcționare și depinde puțin de câștigul de curent al tranzistoarelor [8] [9] . Principalele sale dezavantaje sunt complicația nedorită a unui nod critic și probabilitatea de auto-excitare , care este inerentă tuturor circuitelor cu feedback cu mai multe bucle [8] [10] . Pentru a preveni autoexcitarea, de obicei este suficient să derivați ieșirea multiplicatorului cu un condensator; pentru stabilitate garantată, în serie cu emițătorul T2 este inclus un rezistor de balast de aproximativ 50 ohmi. În acest caz, rezistența de ieșire crește, dar nu depășește 2 ohmi [10] .
La frecvențe înalte, eficiența feedback -ului în jurul tranzistorului scade, impedanța multiplicatorului Vbe crește [7] . De exemplu, într-un multiplicator de tranzistor tipic 2N5511 (frecvența de tăiere a amplificarii curente 100 MHz), frecvența de tăiere peste care rezistența multiplicatorului devine inductivă este de 2,3 MHz [7] . Pentru a neutraliza acest fenomen, este suficient să derivați multiplicatorul Vbe cu o capacitate de 0,1 μF (în practică sunt utilizate capacități în intervalul 0,1 ... 10 μF) [7] .
|
Legătura rigidă dintre tensiunea de ieșire a celui mai simplu multiplicator Vbe și coeficientul său de temperatură poate fi întreruptă în mai multe moduri.
Pentru a reduce TKN pentru k suficient de mare , doi multiplicatori simpli Vbe sunt conectați în serie. Tensiunea totală a unui astfel de circuit este setată egală cu tensiunea de polarizare necesară, dar numai unul dintre tranzistori (T1) este instalat pe radiatorul etajului de ieșire. Al doilea tranzistor (T2), situat pe placa de circuit imprimat, monitorizează temperatura aerului din carcasă și practic nu afectează funcționarea tranzistoarelor de ieșire.
O modalitate alternativă de reducere a TCR la mare k este înlocuirea rezistorului R2 cu o conexiune în serie a unui rezistor și a unei surse de tensiune de referință stabilizate termic (ION), de exemplu, o bandgap TL431 de ≈2,5 V. Valoarea absolută a TCR este încă determinat de divizorul de tensiune R1R2, dar tensiunea la bornele unui astfel de multiplicator este mai mare decât tensiunea celui mai simplu multiplicator Vbe, cu valoarea tensiunii ION. În circuitele cu k mic , creșterea tensiunii poate fi redusă la valorile necesare de câteva sute de mV folosind un divizor de tensiune separat [11] . În mod similar, puteți crește TKN - pentru aceasta, creșterea de tensiune este inclusă în brațul inferior al divizorului, între emițătorul tranzistorului și R1. Valoarea sporului de tensiune nu poate depăși Ube (în practică se folosesc tensiuni de 0 ... 400 mV), deci divizorul la ieșirea ION este obligatoriu [12] .
În multiplicatoarele de joasă tensiune cu k=2…4, tensiunea la bornele de intrare ale multiplicatorului (1,3…3,0 V) nu este suficientă pentru a alimenta un ION integrat tipic pentru o tensiune de 2,5 V. În astfel de circuite, ION este alimentat prin intermediul propriului robinet de la magistrala de alimentare, iar curentul ION este stabilizat de o sursă de curent separată sau prin legarea ( bootstrapping ) la ieșirea unei cascade puternice [13] .
Marea majoritate [15] [16] a amplificatoarelor de putere cu frecvență audio cu tranzistori (UMZCH) sunt construite conform schemei Lin modificate . Etapa de ieșire a unui astfel de UMZCH este un emițător follower push-pull în modul AB sau B pe tranzistoare bipolare complementare sau un follower sursă pe tranzistoare MIS complementare cu un canal orizontal sau vertical. În practică, repetoarele bipolare constau de obicei din două sau trei trepte de amplificare a curentului conectate în serie, repetoarele pe structurile MIS constau dintr-o etapă preliminară (driver) pe tranzistoare bipolare și o etapă MIS de ieșire [17] [com. 2] . În proiectele anilor 1960, circuitele rezistoare-diodă au fost folosite pentru a seta și a stabiliza curentul de repaus al etajului de ieșire; după publicarea lui Arthur Bailey în Wireless World în mai 1968 [18] [comm. 3] în acest scop, aproape fără alternativă, s-au folosit multiplicatori de tranzistori Vbe [19] . Într-un UMZCH tipic de acest fel, multiplicatorul Vbe este inclus în circuitul de ieșire al etapei de amplificare a tensiunii (VEC), al cărui curent (aproximativ 3 ... 10 mA) este setat de sursa de curent [20] [21 ]. ] . Tranzistorul multiplicator Vbe este montat pe radiatorul tranzistorilor de ieșire și acționează ca un senzor : cu o creștere a temperaturii radiatorului, propriul Vbe și odată cu acesta scade tensiunea la bornele multiplicatorului.
Configurația multiplicatorului Vbe depinde, în primul rând, de tipul de tranzistori de ieșire, care determină cerințele pentru tensiunea de polarizare Vcm și coeficientul său de temperatură (TKC):
În mod ideal, Vbe-ul unui senzor ar trebui să urmărească continuu Vbe-ul tranzistorilor de ieșire, cu o anumită schimbare inevitabilă din cauza rezistenței termice a designului. În cascade reale pe tranzistoare discrete, timpul de stabilire a echilibrului termic este măsurat în minute sau zeci de minute [27] [28] . Este deosebit de mare în designul tradițional, când tranzistorul-senzor este atașat la radiatorul tranzistorilor de ieșire. Tranzistorul-senzor, fixat direct pe corpul unui tranzistor puternic, reacționează considerabil mai rapid la schimbările de temperatură - cu același șurub care fixează tranzistorul puternic de radiatorul [29] [10] . Cel mai scurt timp de stabilire, de ordinul unui minut, este caracteristic tranzistoarelor puternice cu senzor de temperatură încorporat [30] [comm. 5] . Gama de astfel de dispozitive este prea restrânsă; Circuitul UMZCH este încă dominat de tranzistoare convenționale, nesenzorizate [32] .
Multiplicatorul Vbe este o unitate structurală critică a UMZCH: defecțiunile de proiectare sau defecțiunile aleatoare ale multiplicatorului pot duce, cu o mare probabilitate, la supraîncălzirea catastrofală a tranzistoarelor de ieșire. Prin urmare, în practică, circuitele multiplicatoare simple bazate pe un set minim de componente sunt de preferat [8] . Cea mai puțin fiabilă componentă a multiplicatorului - rezistența de reglare - ar trebui să fie plasată în brațul inferior al divizorului de tensiune (între bază și emițător T1), astfel încât atunci când glisorul se rupe, multiplicatorul reduce , mai degrabă decât crește, tensiunea de polarizare. iar curentul de repaus [33] .