El multiplicador de voltaje base-emisor ( multiplicador Vbe ) es una fuente de voltaje de referencia electrónica de dos salidas proporcional al voltaje en la unión del emisor con polarización directa de un transistor bipolar (Vbe). El multiplicador Vbe más simple consta de un divisor de voltaje resistivo , que establece el factor de multiplicación, y un transistor bipolar controlado por él. Cuando el multiplicador Vbe está conectado a una fuente de corriente, la caída de tensión en el multiplicador, como el mismo Vbe, es complementaria a la temperatura absoluta : al aumentar la temperatura, disminuye según una ley casi lineal. El multiplicador Vbe es equivalente a una cadena de diodos semiconductores con polarización directa , sin embargo, en contraste con él, el factor de multiplicación del circuito del transistor puede tomar cualquier valor entero o fraccionario mayor que uno, y puede ajustarse mediante una resistencia de sintonización .
La función principal del multiplicador Vbe es la estabilización de la temperatura de las etapas de salida de los amplificadores de potencia basados en transistores bipolares y MIS . El transistor multiplicador, montado en el disipador de calor de los transistores de salida (o directamente en el transistor de salida o en el chip del circuito integrado), controla su temperatura y ajusta continuamente el voltaje de polarización , que establece el punto de funcionamiento de la etapa.
El multiplicador Vbe más simple es una red de dos terminales que consta de un transistor bipolar T1 controlado por un divisor de voltaje R1R2. La resistencia interna del circuito en el que se conecta este dispositivo de dos terminales debe ser lo suficientemente grande como para limitar la corriente del colector T1 a un nivel seguro; en los circuitos prácticos, la corriente a través del multiplicador suele estar dada por la fuente de corriente . La resistencia del divisor se elige lo suficientemente baja para que la corriente de base de T1 que fluye a través de R2 sea mucho menor que la corriente del divisor. En estas condiciones, el transistor está sujeto a retroalimentación negativa, por lo que el voltaje colector-emisor T1 (Vce) se establece en un nivel proporcional al voltaje en su unión de emisor (Vbe). El coeficiente de temperatura (TCC) Vce y la resistencia interna entre el colector y el emisor Rce obedecen a la misma relación:
Vce = k Vbe ; TKH (Vce) = dRce/dT = k dRbe/dT ≈ −2,2 k mV/K a 300 K; Rce \u003d k (v t / I e ) , donde el factor de multiplicación k = 1+R 2 /R 1 , y v t es el potencial de temperatura proporcional a la temperatura absoluta (para el silicio a 300 K es aproximadamente 26 mV) [1] [2] [3] .La característica corriente-voltaje (CV) de un multiplicador idealizado Vbe coincide con la característica IV de un transistor en una conexión de diodo, estirada [comm. 1] a lo largo del eje de tensión por k veces.
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Para uso en amplificadores de potencia de alta calidad, la resistencia interna de un simple multiplicador Vbe es inaceptablemente alta. Los cambios inevitables en la corriente que fluye a través de dicho multiplicador desplazan el voltaje a través de él en decenas de mV; cambiando el punto de operación de la etapa de salida, optimizado para un mínimo de distorsión no lineal , por tal valor inevitablemente aumenta la distorsión [5] [4] . Una solución sencilla y eficaz a este problema es incluir en el circuito colector T1 una resistencia R3 cuyo valor sea igual a la resistencia interna del multiplicador [6] . En una primera aproximación, todo el voltaje de error, proporcional a la corriente del colector, cae a través de esta resistencia; el voltaje de salida del multiplicador, tomado del colector y emisor T1 (Vce), ya no depende de la corriente que fluye [6] . La característica real I-V del multiplicador mejorado Vbe tiene un carácter no lineal, pero muy cercano a la linealidad. Con la selección óptima de R3, el voltaje de salida en el punto de operación es máximo, y con un cambio en la corriente disminuye levemente, disminuye suavemente [4] . R3 requiere solo la selección por experiencia, ya que la resistencia interna de un transistor real puede ser dos o más veces mayor que la calculada [7] .
Otra forma de reducir la resistencia interna es usar un par de transistores complementarios con retroalimentación local. El sensor de temperatura que contiene es el transistor T1, cuya corriente está limitada por el valor Vbe * R3. Cuando se alcanza este umbral, se abre el transistor T2, que desvía el exceso de corriente alrededor de T1 [8] . El circuito no requiere optimización del valor de R3 (depende solo del valor objetivo de la corriente a través de T1), reduce la resistencia interna del multiplicador en un orden de magnitud en todo el rango de corrientes operativas y depende poco de la ganancia de corriente de los transistores [8] [9] . Sus principales desventajas son la complicación indeseable de un nodo crítico y la probabilidad de autoexcitación , que es inherente a todos los circuitos con retroalimentación de bucle múltiple [8] [10] . Para evitar la autoexcitación, suele ser suficiente derivar la salida del multiplicador con un condensador; para garantizar la estabilidad, se incluye una resistencia de balasto de unos 50 ohmios en serie con el emisor T2. En este caso, la resistencia de salida aumenta, pero no supera los 2 ohmios [10] .
A altas frecuencias, la eficiencia de la retroalimentación alrededor del transistor disminuye, la impedancia del multiplicador Vbe aumenta [7] . Por ejemplo, en un transistor multiplicador 2N5511 típico (frecuencia de corte de amplificación de corriente de 100 MHz), la frecuencia de corte por encima de la cual la resistencia del multiplicador se vuelve inductiva es de 2,3 MHz [7] . Para neutralizar este fenómeno, basta con derivar el multiplicador Vbe con una capacidad de 0,1 μF (en la práctica, se utilizan capacidades en el rango de 0,1 ... 10 μF) [7] .
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La conexión rígida entre el voltaje de salida del multiplicador más simple Vbe y su coeficiente de temperatura se puede romper de varias maneras.
Para reducir el TKN para k suficientemente grande , se conectan en serie dos multiplicadores simples Vbe. El voltaje total de dicho circuito se establece igual al voltaje de polarización requerido, pero solo uno de los transistores (T1) está instalado en el disipador de calor de la etapa de salida. El segundo transistor (T2), ubicado en la placa de circuito impreso, controla la temperatura del aire en la caja y prácticamente no afecta el funcionamiento de los transistores de salida.
Una forma alternativa de reducir el TCR en gran k es reemplazar la resistencia R2 con una conexión en serie de una resistencia y una fuente de voltaje de referencia (ION) térmicamente estabilizada, por ejemplo, una banda prohibida TL431 de ≈2.5 V. El valor absoluto de la TCR todavía está determinado por el divisor de voltaje R1R2, pero el voltaje en los terminales de dicho multiplicador es mayor que el voltaje del multiplicador más simple Vbe, por el valor del voltaje ION. En circuitos con k pequeño , el refuerzo de voltaje se puede reducir a los valores requeridos de varios cientos de mV usando un divisor de voltaje separado [11] . De manera similar, puede aumentar el TKN; para esto, el aumento de voltaje está incluido en el brazo inferior del divisor, entre el emisor del transistor y R1. El valor del aumento de voltaje no puede exceder Ube (en la práctica, se usan voltajes de 0 ... 400 mV), por lo que el divisor en la salida ION es obligatorio [12] .
En los multiplicadores de bajo voltaje con k=2…4, el voltaje en los terminales de entrada del multiplicador (1,3…3,0 V) no es suficiente para alimentar un ION integrado típico para un voltaje de 2,5 V. En tales circuitos, el ION es alimentado a través de su propio grifo desde el bus de alimentación, y la corriente ION se estabiliza mediante una fuente de corriente separada o mediante la vinculación ( arranque ) a la salida de una potente cascada [13] .
La gran mayoría [15] [16] de los amplificadores de potencia de frecuencia de audio de transistores (UMZCH) se construyen de acuerdo con el esquema Lin modificado . La etapa de salida de dicho UMZCH es un seguidor de emisor push-pull en modo AB o B en transistores bipolares complementarios o un seguidor de fuente en transistores MIS complementarios con un canal horizontal o vertical. En la práctica, los repetidores bipolares generalmente consisten en dos o tres etapas de amplificación de corriente conectadas en serie, los repetidores en estructuras MIS consisten en una etapa preliminar (controlador) en transistores bipolares y una etapa MIS de salida [17] [comm. 2] . En los diseños de la década de 1960, se utilizaron circuitos de diodo de resistencia para establecer y estabilizar la corriente de reposo de la etapa de salida; después de la publicación de Arthur Bailey en Wireless World en mayo de 1968 [18] [comm. 3] para este propósito, casi sin alternativa, se utilizaron multiplicadores de transistores Vbe [19] . En un UMZCH típico de este tipo, el multiplicador Vbe está incluido en el circuito de salida de la etapa de amplificación de voltaje (VEC), cuya corriente (alrededor de 3 ... 10 mA) es establecida por la fuente de corriente [20] [21 ] . El transistor multiplicador Vbe está montado en el disipador de calor de los transistores de salida y actúa como un sensor : con un aumento en la temperatura del disipador de calor, su propio Vbe, y con él el voltaje en los terminales del multiplicador, disminuye.
La configuración del multiplicador Vbe depende, en primer lugar, del tipo de transistores de salida, que determina los requisitos para el voltaje de polarización Vcm y su coeficiente de temperatura (TKC):
Idealmente, la Vbe de un sensor debería rastrear continuamente la Vbe de los transistores de salida, con algún cambio inevitable debido a la resistencia térmica del diseño. En cascadas reales sobre transistores discretos, el tiempo para establecer el equilibrio térmico se mide en minutos o decenas de minutos [27] [28] . Es especialmente grande en el diseño tradicional, cuando el transistor-sensor está conectado al disipador de calor de los transistores de salida. El transistor-sensor, fijado directamente en el cuerpo de un potente transistor, reacciona notablemente más rápido a los cambios de temperatura, con el mismo perno que sujeta el potente transistor al disipador de calor [29] [10] . El tiempo de establecimiento más corto, del orden de un minuto, es característico de los transistores potentes con un sensor de temperatura incorporado [30] [comm. 5] . El rango de tales dispositivos es demasiado estrecho; El circuito UMZCH todavía está dominado por transistores convencionales sin sensores [32] .
El multiplicador Vbe es una unidad estructural crítica del UMZCH: las fallas de diseño o las fallas aleatorias del multiplicador pueden, con una alta probabilidad, provocar un sobrecalentamiento catastrófico de los transistores de salida. Por lo tanto, en la práctica, son preferibles los circuitos multiplicadores simples basados en un conjunto mínimo de componentes [8] . El componente menos confiable del multiplicador, la resistencia de sintonización, debe colocarse en el brazo inferior del divisor de voltaje (entre la base y el emisor T1), de modo que cuando se rompa el control deslizante, el multiplicador reduzca , en lugar de aumentar, el voltaje de polarización. y la corriente de reposo [33] .