В связи с тенденцией к миниатюризации влияние температуры на силовую электронику становится более заметным, чем когда-либо. Если вы сталкиваетесь с колебаниями температуры в вашей схеме, вам может потребоваться система стабилизации для поддержания постоянной температуры и минимизации шума в отклике схемы.
Один из подходов заключается в использовании оптоэлектронной схемы с чувствительным элементом с отрицательным температурным коэффициентом и термоэлектрическим охлаждающим компонентом. Однако более экономичным и не менее эффективным решением является замена некоторых постоянных резисторов резисторами с сопротивлениями, зависящими от температуры, которые автоматически компенсируют колебания температуры.
Схема, показанная на Рисунке 1, представляет собой широкополосный усилительный каскад, построенный на основе полевого транзистора с p-n переходом (JFET). Подобные схемы обычно используются для преобразования тока фотодиода в сигнал напряжения. Благодаря полевому транзистору, включенному в цепь обратной связи неинвертирующего усилителя, такая конфигурация позволяет линейно регулировать усиление в диапазоне до трех порядков. Эта схема подробно описана в руководстве по применению мощных MOSFET AN-6603 компании onsemi [1].
 | |
| Рисунок 1. | Рассматриваемая схема (обычно используемая, например, для преобразования тока фотодиода в напряжение) представляет собой широкополосный усилительный каскад на основе JFET (J113). Линейность функции управления достигается с помощью JFET в цепи обратной связи неинвертирующего усилителя. |
Но как насчет колебаний температуры? Благодаря очень мощному SPICE-симулятору LTspice [2], малосигнальный анализ схемы на Рисунке 1 по переменному току (от 1 Гц до 1 ГГц) очень прост, а обусловленный температурой (от –50 °C до 125 °C) паразитный эффект может быть непосредственно представлен на Рисунке 2.
 | |
| Рисунок 2. | Причина показанного здесь изменения коэффициента усиления при изменении температуры может быть связана с температурными коэффициентами крутизны JFET J113 (SPICE-параметр BETATCE). |
В руководстве по применению компании onsemi признается, что усиление этой схемы зависит от температуры, что является результатом присущей JFET чувствительности к температуре. В руководстве также кратко упоминается, что этот эффект может быть смягчен использованием кремниевого резистора в качестве резистора обратной связи R3, но никаких дополнительных указаний не содержится. Отсутствие подробностей заставило автора искать более понятное решение.
К сожалению, широко используемая серия кремниевых резисторов KTY81 (компонент с положительным температурным коэффициентом) была снята с производства в 2023 году, и в настоящее время не имеет четкого аналога – по крайней мере, насколько известно автору. Так что же можно использовать вместо них?
В качестве одной из альтернатив можно использовать терморезистор TFPT0603 для поверхностного монтажа, представляющий собой никелевый резистивный элемент на подложке из оксида алюминия с хорошо описанным положительным температурным коэффициентом.
Основная причина изменения коэффициента усиления, показанного на Рисунке 2, заключается в температурном коэффициенте крутизны характеристики JFET J113, как это указано в его SPICE-модели. Частичная коррекция достигается заменой резистора R3 на TFPT0603, температурный коэффициент которого составляет 4110 ± 400 ppm/K.
Обе версии схемы – исходная и модифицированная с использованием резистора TFPT – показаны на Рисунке 3. Для обеспечения точности моделирования были учтены все соответствующие допуски: на значения сопротивлений, на температурные коэффициенты постоянных резисторов и самого TFPT. При моделировании эти параметры изменялись случайным образом. Для обеспечения достоверного сравнения допустимые отклонения номиналов, как для постоянного резистора, так и для TFPT, были заданы равными ±0.5%.
 | |
| Рисунок 3. | Показаны исходная (слева) и модифицированная (справа) версии схемы широкополосного усилительного каскада. |
На Рисунке 4 показано существенное улучшение температурной стабильности версии, компенсированной с помощью TFPT0603.
 | |
| Рисунок 4. | Синие кривые (представляющие схему с TFPT) показывают значительное снижение обусловленных изменениями температуры как амплитудных, так фазовых шумов, по сравнению с зелеными кривыми, представляющими исходную схему с постоянным резистором. |
Таким образом, простая модификация схемы может при разумных затратах эффективно снизить температурные помехи и повысить общую стабильность системы.