Base-emitter spændingsmultiplikator ( multiplikator Vbe ) er en elektronisk referencespændingskilde med to udgange, der er proportional med spændingen ved den fremadrettede emitterforbindelse af en bipolær transistor (Vbe). Den enkleste multiplikator Vbe består af en resistiv spændingsdeler , som sætter multiplikationsfaktoren, og en bipolær transistor styret af den. Når multiplikatoren Vbe er forbundet til en strømkilde, er spændingsfaldet over multiplikatoren, ligesom Vbe selv, komplementært til den absolutte temperatur : med stigende temperatur falder det ifølge en lov tæt på lineær. Vbe-multiplikatoren svarer til en kæde af fremadrettede halvlederdioder , men i modsætning til den kan multiplikationsfaktoren for transistorkredsløbet antage en hvilken som helst heltal eller brøkværdi større end én og kan justeres af en tuning-modstand .
Vbe-multiplikatorens hovedfunktion er temperaturstabilisering af udgangstrinene på effektforstærkere baseret på bipolære og MIS-transistorer . Multiplikatortransistoren, der er monteret på udgangstransistorernes køleplade (eller direkte på udgangstransistoren eller integrerede kredsløbschip), overvåger deres temperatur og justerer løbende forspændingen , som indstiller scenens driftspunkt.
Den enkleste Vbe-multiplikator er et to-terminalt netværk bestående af en bipolær transistor T1 styret af en spændingsdeler R1R2. Den interne modstand i kredsløbet, hvori denne to-terminal enhed er tilsluttet, skal være stor nok til at begrænse kollektorstrømmen T1 til et sikkert niveau; i praktiske kredsløb er strømmen gennem multiplikatoren normalt givet af strømkilden . Modstanden af deleren er valgt lav nok til, at basisstrømmen af T1, der strømmer gennem R2, er meget lavere end delestrømmen. Under disse forhold er transistoren udsat for negativ feedback, på grund af hvilken kollektor-emitterspændingen T1 (Vce) indstilles på et niveau, der er proportionalt med spændingen ved dets emitterforbindelse (Vbe). Temperaturkoefficienten (TCC) Vce og den interne modstand mellem solfangeren og emitteren Rce overholder samme forhold:
Vce = k Vbe ; TKH (Vce) = dRce/dT = k dRbe/dT ≈ -2,2 k mV/K ved 300 K; Rce \u003d k (v t / I e ) , hvor multiplikationsfaktoren k = 1+R 2 /R 1 , og v t er temperaturpotentialet proportionalt med den absolutte temperatur (for silicium ved 300 K er ca. 26 mV) [1] [2] [3] .Strømspændingskarakteristik (CV) for en idealiseret multiplikator Vbe falder sammen med IV-karakteristikken for en transistor i en diodeforbindelse, strakt [komm. 1] langs spændingsaksen k gange.
|
Til brug i højkvalitets effektforstærkere er den interne modstand af en simpel multiplikator Vbe uacceptabel høj. De uundgåelige ændringer i strømmen, der flyder gennem en sådan multiplikator, flytter spændingen over den med titusinder af mV; forskydning af driftspunktet for udgangstrinnet, optimeret til et minimum af ikke-lineær forvrængning , med en sådan værdi øger uundgåeligt forvrængningen [5] [4] . En enkel og effektiv løsning på dette problem er at inkludere en modstand R3 i kollektorkredsløbet T1, hvis værdi er lig med den indre modstand af multiplikatoren [6] . Til en første tilnærmelse falder hele fejlspændingen, proportional med kollektorstrømmen, over denne modstand; multiplikatorens udgangsspænding, taget fra kollektoren og emitteren T1 (Vce), afhænger ikke længere af den strømmende strøm [6] . Den faktiske I–V-karakteristik af den forbedrede multiplikator Vbe har en ikke-lineær, men meget tæt på lineær karakter. Med det optimale valg af R3 er udgangsspændingen ved driftspunktet maksimal, og med en ændring i strømmen falder den lidt, falder jævnt [4] . R3 kræver kun udvælgelse af erfaring, da den interne modstand af en rigtig transistor kan være to eller flere gange højere end den beregnede [7] .
En anden måde at reducere intern modstand på er at bruge et komplementært transistorpar med lokal feedback. Temperaturføleren i den er transistoren T1, hvis strøm er begrænset af værdien Vbe * R3. Når denne tærskel er nået, åbner transistoren T2, som shunter overskudsstrømmen omkring T1 [8] . Kredsløbet kræver ikke optimering af værdien af R3 (det afhænger kun af målværdien af strømmen gennem T1), reducerer den interne modstand af multiplikatoren med en størrelsesorden over hele området af driftsstrømme og afhænger kun lidt af transistorernes strømforstærkning [8] [9] . Dens vigtigste ulemper er den uønskede komplikation af en kritisk knude og sandsynligheden for selv-excitation , som er iboende i alle kredsløb med multi-loop feedback [8] [10] . For at forhindre selv-excitering er det normalt tilstrækkeligt at shunte udgangen af multiplikatoren med en kondensator; for garanteret stabilitet er en ballastmodstand på ca. 50 ohm inkluderet i serie med T2-emitteren. I dette tilfælde stiger udgangsmodstanden, men overstiger ikke 2 ohm [10] .
Ved høje frekvenser falder effektiviteten af feedbacken omkring transistoren , impedansen af multiplikatoren Vbe øges [7] . For eksempel, i en typisk 2N5511 transistormultiplikator (strømforstærkningsgrænsefrekvens 100 MHz), er grænsefrekvensen, over hvilken multiplikatormodstanden bliver induktiv , 2,3 MHz [7] . For at neutralisere dette fænomen er det nok at shunte Vbe-multiplikatoren med en kapacitans på 0,1 μF (kapacitanser i området 0,1 ... 10 μF bruges i praksis) [7] .
|
Den stive forbindelse mellem udgangsspændingen af den enkleste multiplikator Vbe og dens temperaturkoefficient kan brydes på flere måder.
For at reducere TKN for tilstrækkelig stor k , er to simple multiplikatorer Vbe forbundet i serie. Den samlede spænding af et sådant kredsløb er sat lig med den nødvendige forspænding, men kun en af transistorerne (T1) er installeret på udgangstrinets køleplade. Den anden transistor (T2), der er placeret på printpladen, overvåger lufttemperaturen i kabinettet og påvirker praktisk talt ikke driften af udgangstransistorerne.
En alternativ måde at reducere TCR ved store k er at erstatte modstanden R2 med en serieforbindelse af en modstand og en termisk stabiliseret referencespændingskilde (ION), for eksempel et TL431 båndgab på ≈2,5 V. Den absolutte værdi af TCR bestemmes stadig af spændingsdeleren R1R2, men spændingen ved terminalerne en sådan multiplikator er større end spændingen af den simpleste multiplikator Vbe, med værdien af ION-spændingen. I kredsløb med lille k kan spændingsforstærkningen reduceres til de nødvendige værdier på flere hundrede mV ved hjælp af en separat spændingsdeler [11] . På samme måde kan du øge TKN - til dette er spændingsforstærkningen inkluderet i den nederste arm af divideren, mellem transistorens emitter og R1. Værdien af spændingsforstærkningen kan ikke overstige Ube (i praksis bruges spændinger på 0 ... 400 mV), så divideren ved ION-udgangen er obligatorisk [12] .
I lavspændingsmultiplikatorer med k=2…4 er spændingen ved multiplikatorens indgangsterminaler (1,3…3,0 V) ikke nok til at forsyne en typisk integreret ION for en spænding på 2,5 V. I sådanne kredsløb er ION’en strømforsynes gennem sit eget udtag fra strømbussen, og ION-strømmen stabiliseres af en separat strømkilde eller ved binding ( bootstrapping ) til udgangen af en kraftig kaskade [13] .
Langt de fleste [15] [16] transistorlydfrekvenseffektforstærkere ( UMZCH ) er bygget i henhold til det modificerede Lin-skema . Udgangstrinnet for en sådan UMZCH er en push-pull emitterfølger i AB- eller B-tilstand på komplementære bipolære transistorer eller en kildefølger på komplementære MIS-transistorer med en horisontal eller vertikal kanal. Bipolære repeatere består i praksis normalt af to eller tre serieforbundne strømforstærkningstrin, repeatere på MIS-strukturer består af et fortrin (driver) på bipolære transistorer og et output MIS-trin [17] [komm. 2] . I design af 1960'erne blev modstand-diode kredsløb brugt til at indstille og stabilisere hvilestrømmen af udgangstrinnet; efter Arthur Baileys udgivelse i Wireless World i maj 1968 [18] [komm. 3] til dette formål, næsten uden alternative, blev transistormultiplikatorer Vbe [19] brugt . I en typisk UMZCH af denne art er Vbe-multiplikatoren inkluderet i udgangskredsløbet for spændingsforstærkningstrinnet (VEC), hvis strøm (ca. 3 ... 10 mA) indstilles af strømkilden [20] [21 ] . Multiplikatortransistoren Vbe er monteret på udgangstransistorernes køleplade og fungerer som en sensor : med en stigning i kølepladens temperatur falder dens egen Vbe, og med den spændingen ved multiplikatorterminalerne.
Konfigurationen af multiplikatoren Vbe afhænger først og fremmest af typen af udgangstransistorer, som bestemmer kravene til forspændingen Vcm og dens temperaturkoefficient (TKC):
Ideelt set bør Vbe af en sensor kontinuerligt spore Vbe af output transistorer, med nogle uundgåelige skift på grund af den termiske modstand af designet. I reelle kaskader på diskrete transistorer måles tiden til at etablere termisk ligevægt i minutter eller titusinder af minutter [27] [28] . Den er især stor i det traditionelle design, når transistor-sensoren er fastgjort til udgangstransistorernes køleplade. Transistor-sensoren, der er fastgjort direkte på kroppen af en kraftig transistor, reagerer mærkbart hurtigere på temperaturskift - med den samme bolt, der fastgør den kraftige transistor til kølepladen [29] [10] . Den korteste afbindingstid, i størrelsesordenen et minut, er karakteristisk for kraftige transistorer med en indbygget temperatursensor [30] [komm. 5] . Udvalget af sådanne enheder er for snævert; UMZCH-kredsløb er stadig domineret af konventionelle, ikke-sensorede transistorer [32] .
Vbe-multiplikatoren er en kritisk strukturel enhed af UMZCH: designfejl eller tilfældige multiplikatorfejl kan med stor sandsynlighed føre til katastrofal overophedning af udgangstransistorerne. Derfor er simple multiplikatorkredsløb baseret på et minimumssæt af komponenter i praksis at foretrække [8] . Den mindst pålidelige komponent af multiplikatoren - afstemningsmodstanden - bør placeres i den nederste arm af spændingsdeleren (mellem basen og emitteren T1), så når skyderen går i stykker, reducerer multiplikatoren snarere end øger forspændingen. og hvilestrømmen [33] .