Цепи термостабилизации. Диод — датчик температуры

Выше при описании многих устройств уже делался акцент на проблеме температурной стабилизации режимов их работы. Это важно и для источников опорного напряжения, и для контуров, перестраиваемых варикапами, и для разнообразных схем ограничителей, логарифмических преобразователей и т.д. Причиной неустойчивости параметров тех либо иных узлов радиоэлектронной аппаратуры при изменении температуры является в первую очередь температурная зависимость физических свойств полупроводниковых материалов и электрических переходов, применяемых в полупроводниковых приборах. Для компенсации этой зависимости используются, как правило, различные нелинейные элементы, включаемые определенным образом в электрические цепи, обеспечивающие рабочие режимы основных температурно-зависимых компонентов. Логично, что в качестве компенсирующих нелинейных элементов часто применяются полупроводниковые приборы (диоды и транзисторы), температурная зависимость параметров которых аналогична температурной зависимости основных компонентов. Вопрос заключается лишь в том, каким образом включить во вспомогательные цепи компенсирующий элемент так, чтобы не нарушить режим работы узла и обеспечить нейтрализацию температурных факторов.

Известно, что при заданном токовом режиме падение напряжения на прямосмещенном диоде будет уменьшаться с ростом температуры и увеличиваться при ее уменьшении. Это может быть использовано для стабилизации режима работы транзисторных усилителей, выполненных по различным схемам. Достаточно включить диод (или цепь из нескольких соединенных последовательно диодов) в делитель напряжения, задающий режим работы транзистора по постоянному току. На рис. 3.8-1 приведен пример такого решения в высокочастотном усилителе, выполненном по схеме с общей базой.

Рис. 3.8-1. Усилительный каскад на транзисторе по схземе с ОБ с диодной температурной компенсацией

Работа схемы происходит следующим образом. При нормальной температуре рабочий режим усилителя устанавливается делителем напряжения \(R2\), \(VD1\), \(VD2\) (использование диодов, кроме прочего, гарантирует высокую стабильность напряжения на базе транзистора вне зависимости от тока базы) и резистором \(R1\), который подбирают исходя из требуемого для конкретного транзистора коллекторного тока. Известно, что при понижении температуры (например, в случае эксплуатации данного усилителя в тяжелых погодных условиях) и стабильном значении напряжения эмиттер-база в схеме с общей базой будет наблюдаться заметное уменьшение эмиттерного и коллекторного токов и, как следствие, падение общего коэффициента усиления каскада. Однако поскольку в цепи базового делителя присутствуют диоды, то с уменьшением температуры падение напряжения на них будет возрастать, соответственно будет возрастать и напряжение на эмиттерном переходе транзистора. Эмиттерный ток при этом будет оставаться практически неизменным или даже несколько вырастет, что обычно полезно для компенсации незначительного падения коэффициента усиления каскада из-за падения напряжения на коллекторном переходе (это происходит из-за повышения напряжения на базе транзистора, а также из-за падения при уменьшении температуры окружающей среды выходного напряжения химических источников питания, часто применяемых в носимой аппаратуре).

Аналогичное решение может быть применено в схеме усилителя с общим эмиттером (рис. 3.8‑2).

Рис. 3.8-2. Усилительный каскад на транзисторе по схеме с ОЭ с диодной температурной компенсацией

Чаще всего диоды используются в двухтактных усилительных каскадах (рис. 3.8-3), помимо температурной компенсации здесь они обеспечивают значительное уменьшение нелинейных искажений. Очень важно, чтобы эти диоды имели максимально возможный тепловой контакт с выходными транзисторами каскада. При необходимости количество последовательно включенных диодов может быть увеличено.

Рис. 3.8-3. Включение диодов на входе двухтактного усилителя

Рис. 3.8-4. Мощный оконечный каскад УМЗЧ с термостабилизирующими диодами

Мощный усилительный каскад по схеме на рис. 3.8-4 также включает цепь термостабилизации тока покоя выходных транзисторов. Она состоит из диодов \(VD1\), \(VD2\) (может применяться и большее количество диодов).

Очевидно, что помимо температурной компенсации, диоды могут использоваться для непосредственного измерения температуры. Пример схемы электронного термометра с диодом в качестве основного чувствительного элемента представлен на рис. 3.8-5.

Рис. 3.8-5. Электронный термометр с диодным датчиком