книги / Электронные усилители

Таким же образом отрицательная обратная связь уменьшает на выходе напряжения различных помех, возникающих в усилите­ ле. Следует отметить, что отрицательная обратная связь уменьша­ ет только те помехи, которые возникают в самом усилителе, охва­ ченном обратной связью, но не уменьшает помехи, подведенные ко входу усилителя вместе с полезным сигналом. Благодаря умень­ шению внутренних помех расширяется динамический диапазон усилителя. Такое действие отрицательной обратной связи наблю­ дается при всех способах введения и снятия обратной связи.

Контрольные вопросы

1.Назовите виды обратной связи.

2.Какая обратная связь применяется в усилителях?

3.Назовите способы снятия обратной связи с выхода усилителя.

4.Назовите способы введения обратной связи во входную цепь усилителя.

5. Как влияет отрицательная обратная связь на коэффициент усиления и его стабильность?

6.Как изменяет отрицательная обратная связь входное сопротивление уси­ лителя?

7.Как изменяет отрицательная обратная связь выходное сопротивление усилителя?

8.Как влияет отрицательная обратная связь на нелинейные искажения, возникшие в усилителе?

9.Что такое частотно-независимая отрицательная обратная связь?

10.Что такое частотно-зависимая отрицательная обратная связь и как она влияет на характеристики усилителя?

ГЛАВА 3

РАБОТА УСИЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

В КАСКАДЕ

3.1. ПИТАНИЕ УСИЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Питание усилительных элементов в усилительных каскадах осуществляется от выпрямителей и от химических источников тока.

Цепи питания должны обеспечивать: заданный режим работы усилительного элемента по постоянному току; стабилизацию ре­ жима работы усилительного элемента, т. е. уменьшать воздейст­ вие дестабилизирующих факторов.

В многокаскадных маломощных усилительных устройствах обычно используется один выпрямитель, к которому выходные це­ пи подключаются параллельно. Для уменьшения влияния одного каскада на другой через общие цепи питания применяют развязы­ вающие фильтры. В мощных усилителях обычно используют нес­ колько отдельных источников. Переносные усилители питаются от гальванических элементов, аккумуляторов.

На электроды усилительного элемента надо подавать два на­ пряжения: постоянное напряжение на выходной электрод и посто­ янное напряжение (смещения) на управляющий электрод.

Питание выходной цепи усилительного элемента. Постоянное напряжение на коллектор транзистора (и на анод электронной лампы) можно подавать двумя способами: последовательно и па­ раллельно с нагрузкой.

Последовательная схема питания выходной цепи усилительно­ го элемента приведена на рис. 3.1, а. В этой схеме постоянная сос­ тавляющая тока выходной цепи / к0 протекает от положительного полюса источника питания (Ек ) через транзистор (эмиттер—ба­

Ек =={/кэ0~1- ^к0^|1.

Рис. 3.1

Напряжение на коллекторе транзистора составляет разность между напряжением источника питания Е к и падением напряже­ ния на нагрузке / ко ^н, т. е.

UK3Q==EK IKOR«

Падение напряжения на нагрузке от.постоянной составляющей

элемента приведена на рис. 3.1,6. В этой схеме цепи постоянной и переменной составляющих выходного тока разделены. Постоян­ ная составляющая / ко протекает по цепи: от + £ к через транзис-

тор (эмиттер—база—коллектор), дроссель LAP к —Ек Перемен­ ная составляющая коллекторного тока / к протекает по цепи: эмиттер—база—коллектор через разделительный конденсатор Ср,

исходит потерь постоянного напряжения на резисторе нагрузки, а переменная составляющая не протекает в цепи питания. Это явля­ ется преимуществом параллельной схемы по сравнению с последо­ вательной. Но наличие дополнительных деталей — разделитель­ ного конденсатора Ср и блокировочного дросселя L др — усложня­ ет схему, что является ее недостатком.

Напряжение смещения. При выбранном значении постоянного напряжения в выходной цепи усилительного элемента требуемое значение выходного тока в исходном режиме получают путем по­ дачи на управляющий электрод определенного значения постоян­ ного напряжения, называемого напряжением смещения (так как оно смещает рабочую точку покоя (раздел 3.2) в заданный учас­ ток характеристики усилительного элемента).

Значение и полярность напряжения смещения зависят от типа усилительного элемента. Например, у биполярных транзисторов типа р—п—р напряжение смещения на базе должно быть отрица­

У электронных ламп напряжение смещения чаще всего бывает отрицательным и составляет единицы вольт.

Для примера на рис. 3.2 показано, что для смещения рабочей точки в исходном состоянии в точке А на характеристике усили­ тельного элемента следует во входную цепь включить напряжение смещения Е ал.

В общем случае для питания цепей усилительных элементов можно использовать два отдельных источника. Однако на практи­ ке напряжение смещения оказывается во много раз меньше посто­ янного напряжения выходной цепи. Поэтому напряжение смеще­ ния удобно получить от источника постоянного выходного напря­ жения с помощью делителя.

Цепи смещения должны удовлетворять следующим требовани­

ям:

обеспечивать выбранное положение рабочей точки; удерживать исходное положение рабочей точки в допустимых

пределах при воздействии дестабилизирующих факторов. По этим признакам цепи смещения делят на два вида:

нестабилизированные, которые только определяют исходное положение рабочей точки, т. е. устанавливают ее, по не стабили­ зируют в процессе работы;

стабилизированные, устанавливающие исходное положение ра­ бочей точки и удерживающие его в допустимых пределах.

Нестабилизированное напряжение смещения в схемах на бипо­ лярных транзисторах подается от источника коллекторного пита­ ния. Различают два способа такого смещения: фиксированным то­ ком базы; фиксированным напряжением базы.

В схеме смещения фиксированным током базы (рис. 3.3, а) на­ пряжение смещения между базой и эмиттером создается током ба­ зы, протекающим от источника коллекторного питания через со­ противление перехода база—эмиттер и резистор R б

Сопротивление резистора R 6 постоянному току во много разбольше сопротивления перехода база—эмиттер. Поэтому значение тока / бо . определяемое напряжением коллектора Ек и сопротив­ лением R в, остается практически неизменным и не зависит or температуры перехода, старения или замены транзистора. Такая схема подачи напряжения смещения пригодна только для каска­ дов, работающих в режиме класса А (см. раздел 3.2).

Напряжение смещения фиксированным напряжением базы по­ лучают от источника питания коллектора Е к с помощью делителя Rl, R2, как показано на рис. 3.3, б. В этой схеме напряжением сме­ щения является напряжение, создаваемое на резисторе R2 током делителя / д, протекающим по цепи: от + £ к через R2, R1 к —Е к.

Смещение фиксированным напряжением базы можно применять в каскадах, работающих как в режиме класса А, так и в режиме класса В (см. раздел 3.2).

Недостатком такого способа смещения является дополнитель­ ный расход мощности источника питания в делителе.

В усилительных каскадах с полевыми транзисторами питание выходных цепей осуществляется так же, как и в каскадах на бипо­ лярных транзисторах.

Напряжение смещения на входной электрод — затвор — мож­ но не подавать в тех случаях, когда ток стока при отсутствии сме­ щения имеет требуемое значение. Но в большинстве случаев ис­ тинное значение тока выходной цепи / с при отсутствии смещенияотличается от требуемого, т. е. точка покоя находится не в задан­ ной точке характеристики транзистора. Кроме того, ток выходной цепи /с сильно изменяется при замене транзистора и изменении температуры. Поэтому в каскадах на полевых транзисторах приме­ няют смещение со стабилизацией точки покоя.

режиме значение выходного тока усилительного элемента опреде­ ляется ординатой / 0 на рис. 3.2. При подаче на вход усилительного каскада сигнала значение входного тока будет изменяться относи­ тельно точки Л.

Точка (А) на характеристике усилительного элемента, относи­ тельно которой изменяется выходной ток в процессе работы каска­ да, называется рабочей точкой.

Рабочая точка усилительного элемента в исходном его состоя­ нии называется точкой покоя.

Положение рабочей точки на характеристике усилительного элемента в исходном состоянии определяет режим работы усили­ тельного элемента.

В зависимости от положения исходной рабочей точки на вольтамперной характеристике усилительного элемента и от того, какой участок этой характеристики используется для работы, различа­ ют режимы усиления классов Л, В, ЛВ, С и В.

Режим класса Л. В режиме класса Л исходную рабочую точку устанавливают на середине прямолинейного участка характерис­ тики, как показано на рис. 3.2 (точка Л). Амплитуда входного сиг­ нала выбирается такой, чтобы максимальные отклонения рабочей точки, вызываемые действием входного сигнала, не оказывались за пределами этого участка.

Достоинством режима являются малые нелинейные искажения входного сигнала, поскольку усилительный элемент работает а пределах почти прямолинейного участка характеристики. В резуль­ тате форма выходного сигнала почти не отличается от формы

входного сигнала.

Недостатком режима класса Л является низкий КПД выходной цепи т)ВЬ!Х , который составляет:

где Р ~ — полезная выходная мощность сигнала; Р0 — мощность,, расходуемая источником питания в выходной цепи.

Причиной низкого КПД выходной цепи каскада в режиме клас­ са Л является то, что постоянная составляющая выходного тока имеет большое значение и протекает все время — как при сигна­ ле, так и без него.

Из-за низкого КПД режим класса Л применяют в основном в маломощных каскадах: предварительного усиления и оконечных

каскадах малой мощности.

Режим класса В. Режимом класса В называют такой режим работы усилительного элемента, при котором ток от источника пи­ тания в выходной цепи протекает за время, равное примерно поло­ вине периода сигнала.

В режиме класса В исходное положение рабочей точки на вы­ ходной характеристике усилительного элемента выбирается на ее нижнем изгибе, как показано на рис. 3.4, а. Это достигается пода­ чей на управляющий электрод усилительного элемента напряже­

ния смещения, устанавливающего исходную рабочую точку в точ­ ку А. Как видно на рис. 3.4, а, в выходной цепи ток протекает в виде периодической последовательности импульсов. Эти импульсы характеризуются двумя параметрами: амплитудой и углом отсеч­ ки.

Амплитудой импульса называют максимальное значение тока в импульсе.

Углом нижней отсечки называют половину той части периода сигнала, в течение которой протекает выходной ток. Угол отсечки обозначают через 0 и выражают в градусах. В режиме класса В

0 = 9 0 ° На рис. 3.4, а также видно, что форма тока на выходе резко от­

личается от формы сигнала на входе. Поэтому, из-за недопустимо больших нелинейных искажений режим класса В в обычных уси­ лителях использовать невозможно. Его используют в специальных двухтактных усилителях.

Достоинством режима класса В является высокий К.ПД выход­ ной цепи усилителя. Это обусловлено малым значением потреб­ ляемого от источника питания постоянного тока. При отсутствии сигнала на входе ток от источника питания в выходной цепи не протекает. Он появляется только при наличии сигнала на входе. При этом среднее значение / ср тока, потребляемого от источника,

невелико.

Из-за высокого КПД режим класса В применяют в мощных каскадах усилителей.

Режим класса АВ является промежуточным. Исходная рабо­ чая точка в данном режиме устанавливается на характеристике ближе к ее нижнему изгибу. Угол отсечки при этом оказывается несколько больше 90° Применяется этот режим только в двух­ тактных усилителях.

Режим класса С. Режимом класса С называется такой режим работы усилителя, при котором ток в выходной цепи усилительного элемента протекает за время, составляющее меньше половины пе­ риода сигнала.

Исходная рабочая точка в режиме класса С устанавливается на горизонтальной оси координат левее начала вольт-амперной характеристики выходного тока усилительного элемента, как по­

чем в режиме класса В. Но нелинейные искажения оказываются недопустимо большими. Применение двухтактной схемы в ре­ жиме класса С не уменьшает их. Поэтому режим класса С исполь­ зуется только в резонансных усилителях, например в мощных кас­ кадах радиопередающих устройств, где нагрузкой служит коле­ бательный контур.

Режим класса D. Режимом класса D (или ключевым) называ­ ется такой режим, при котором усилительный элемент либо пол-

Режим класса D применяют для усиления импульсных сигна­ лов в ЭВМ, а также в устройствах управления и регулирования. Иногда его используют в усилителях очень большой мощности.

3.3.СТАБИЛИЗАЦИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ТОЧКИ ПОКОЯ

ВТРАНЗИСТОРНЫХ КАСКАДАХ

При отсутствии сигнала на входе усилителя значение выходно­ го тока должно быть постоянным, т. е. положение рабочей точки в исходном состоянии должно быть неизменным — стабильным. Однако в результате действия различных внешних факторов ре­ жим работы усилительного элемента-оказывается нестабильным. Причинами нестабильного режима работы усилительного элемен­ та являются: изменение температуры окружающей среды, неста­ бильность напряжений источников питания, разброс параметров усилительных элементов и др.

Особенно сильно влияет на режим работы усилительного эле­ мента повышение температуры окружающей среды, вызывающее резкое изменение начального тока коллектора / к.н Так, при уве­ личении температуры на каждые 10 °С / к.и возрастает в 2 раза у германиевых транзисторов и в 3 раза у кремниевых. В результате ток покоя коллектора / ко увеличивается в несколько раз. Поэтому смещение фиксированным током базы в усилительной аппаратуре не применяется.

При смещении фиксированным напряжением базы изменение температуры (а также и разброс параметров) меньше изменяет ток покоя коллектора / ко. Но для уменьшения влияния нестабиль­

R1 и R2 , что ведет к шунтированию входной цепи усилительного' элемента.

Таким образом, простые схемы смещения не обеспечивают не­ обходимой стабильности режима транзистора. Поэтому в транзис­ торных усилителях обычно применяют различные способы стаби­ лизации режима работы усилительного элемента.

Схемы стабилизации напряжения смещения. В транзисторных усилителях стабилизация исходного положения рабочей точки осу­ ществляется двумя способами: методом температурной компенса­ ции; применением отрицательной обратной связи.

Схемы смешения с температурной компенсацией содержат термокомпенсируЮЩие элементы: терморезисторы R T или полупро­

турным коэффициентом. Принцип температурной компенсации о помощью терморезистора состоит в следующем. С повышением тем­

чего напряжение смещения снижается и ток коллектора уменьша­ ется. В результате противоположного действия изменения темпе­ ратуры на приращение коллекторного тока отклонения / ко значи­ тельно уменьшаются.

В схеме стабилизации напряжения смещения с помощью дио­ да, представленной на рис. 3.5, б, с повышением температуры уменьшается прямое сопротивление диода VD, что приводит к уменьшению напряжения смещения. При этом возрастание I к0 компенсируется.

Рис. 3.5

Схемы диодной температурной компенсации широко использу­ ются в интегральных усилителях.

Схемы стабилизации напряжения смещения применением отри­ цательной обратной связи приведены на рис. 3.6. В этих схемах в усилительном каскаде создается внешняя цепь отрицательной об­ ратной связи по постоянному току, в результате действия которой с ростом коллекторного тока / ко , вызванным отклонением темпе­ ратуры (или сменой транзистора), уменьшается напряжение сме­ щения, что приводит к уменьшению 1 К!), компенсирующему перво­ начальное его возрастание.

В схеме коллекторной стабилизации (рис. 3.6,а) создана па­ раллельная отрицательная обратная связь по напряжению путем подачи части напряжения с коллектора на базу транзистора через