5.5.5. Цепи смещения электронных ламп

Цепи смещения и стабилизации тока ЭЛ в режиме "А" практически такие же, как и у ПТ. Наибольшее применение получили схемы автоматического смещения (как на рис. 5.36, реже, как на рис. 5.38). В мощных каскадах, работающих в режиме "В", используются схемы с фиксированным напряжением смещения на управляющей сетке (от дополнительного источника питания).

5.5.6. Особенности цепей питания операционных усилителей

Операционный усилитель (ОУ) – многокаскадный усилитель постоянного тока (УПТ). В параграфе 5.2, посвященном способам включения УЭ, УП и ОУ, отмечалось, что у ОУ имеются два вывода для подключения биполярного (двойного) источника питания. Это означает, что ОУ питается от двух источников питания с одинаковыми по величине и противоположным по знаку постоянными напряжениями и относительно общего провода (земли) ОУ. Это позволяет при нулевом входном напряжении на входах ОУ обеспечивать нулевое значение выходного напряжения и получать на выходе ОУ биполярное напряжение при подаче на вход биполярного сигнала. Следует отметить, что в принципе ОУ может питаться и от однополярного источника питания, но при этом получение нулевого выходного напряжения достигается с помощью других, более сложных и менее экономичных схемных решений (а без обеспечения нуля выходное напряжения будет однополярным). Если по стабильности и пульсациям источники питания не удовлетворяют требованиям со стороны ОУ, то их подключают к ОУ через стабилизирующие цепочки из стабилитронов и резисторов и (рис. 5.42)

Рис. 5.42

В реальных ОУ из-за асимметрии схемы по двум его сигнальным входам при отсутствии сигнала на входах (нулевое входное напряжение) на выходе может действовать напряжение, отличное от нуля. Это отличие характеризуется напряжением смещения , которое нужно подать на один из входов ОУ, чтобы получить на выходе нулевое напряжение. Оно обычно указывается в

Рис. 5.43

справочнике для конкретного ОУ. Если операционные усилители используются в качестве блоков (каскадов) в более сложном усилителе (или в другом устройстве) переменного тока, где они разделяются емкостями, то это напряжение смещения не играет большой роли. Но в случае использова-

Рис. 5.44

ния ОУ для усиления сигналов с постоянной составляющей возникает необходимость в устранении влияния этого . Если у ОУ нет специальных выводов для балансировки (установки нуля), то постоянное напряжение для компенсации этого подается на один из входов ОУ, как, например, показано на рис. 5.43. Если у ОУ имеются специальные выводы для подачи постоянного напряжения для компенсации этого (для подключения элементов балансировки или, иначе говоря, для "установки нуля" на выходе), то подача напряжения компенсации осуществляется по схеме, приведенной на рисунке 5.44.

5.6. Графоаналитический метод анализа и расчета усилительных каскадов

Графоаналитический метод анализа и расчета усилительных каскадов основан на использовании статических характеристик УЭ, показывающих взаимосвязь между токами и напряжениями на его электродах при отсутствии нагрузки, и сводится к графическому построению на них соответствующих динамических характеристик для требуемого сопротивления нагрузки УЭ с одновременным построением временных диаграмм токов и напряжений на его электродах при отсутствии и наличии сигнала и расчету по ним всех электрических показателей УЭ в схеме и всего каскада в целом. Все это делается для таких частот сигнала, на которых можно пренебречь возможным влиянием на работу схемы инерционных свойств УЭ и реактивных (т. е. частотно-зависимых) элементов схемы, что обычно выполняется в области средних частот каскадов.

Покажем это на примере основополагающих схем однотактных каскадов с гальванической (непосредственной) связью УЭ с нагрузкой, работающих в режиме "А" (рис. 5.4). Все эти графические построения для этих схем приведены на рис. 5.45,а,б,в,г (для схемы на БТ) и рис. 5.46,а,б (для схемы на ПТ). Но прежде чем рассматривать эти построения, выскажем два общих замечания, которые будут учитываться в дальнейших рассуждениях.

Первое замечание касается характера нагрузки УЭ и заключается в следующем. Поскольку при анализе и расчете каскадов под действием сигнала токи принято представлять в виде суммы постоянных и переменных составляющих и показывать пути (цепи) протекания для каждой из них, то различают сопротивления нагрузки УЭ по постоянному и переменному токам и . Поэтому строятся динамические характеристики по постоянному и по переменному токам. На практике в зависимости от конкретных схем каскадов могут быть следующие три случая:

1. – в каскадах с гальванической связью УЭ с нагрузкой;

2. – в каскадах с резисторно-конденсаторной связью УЭ с нагрузкой;

3. – в каскадах с трансформаторной связью УЭ с нагрузкой.

В схемах рис. 5.4, для которых приведены рис. 5.45,а,б,в,г и 5.46,а,б, выполняется первое условие .

Второе замечание затрагивает различия между БТ и ПТ и сводится к следующему. Поскольку свойства БТ, всегда работающего со входными токами, характеризуются выходными, проходными (передаточными) и входными характеристиками, а свойства ПТ, работающего без входных токов (то есть управляемого входным напряжением), характеризуются только выходными и проходными (передаточными) характеристиками, то в каскадах на БТ приходится строить четыре вида динамических характеристик, то есть выходную (рис. 5.45, а) или конкретно для БТ , проходную (рис.5.45, б) или конкретно , входную (рис.5.45, в) или иначе и сквозную (рис. 5.45, г) или иначе , причем или (где и – ЭДС и выходное сопротивление тракта, предшествующего УЭ), а в каскадах на ПТ строят только два вида динамических характеристик, то есть выходную (рис. 5.46, а) или конкретно для ПТ и проходную (рис. 5.46, б) , т. е. . Следует подчеркнуть, что все динамические характеристики жестко взаимосвязаны и строятся в вышеперечисленном порядке "от нагрузки": сначала выходная с учетом требуемого сопротивления нагрузки, а потом все остальные по ее точкам. Эта взаимосвязь отражена на рис. 5.45,а,б,в,г и рис. 5.46,а,б.

Рассмотрим порядок построений динамических характеристик, изображенных на рис. 5.45,а,б,в,г для каскада на БТ, полагая, что тип БТ уже выбран и, следовательно, его статические характеристики известны. Отметим здесь попутно, что выбор типов УЭ каскадов осуществляется на первом этапе проектирования любого мнгокаскадного усилителя, то есть при выборе и обосновании его структурной схемы, и производится по допустимой мощности рассеяния на коллекторе , допустимому значению напряжения на коллекторе , допустимому значению коллекторного тока и предельной частоте , которые у выбираемого транзистора должны быть не меньше аналогичных параметров, но вычисленных по соответствующим формулам на основании таких данных как мощность (или напряжение, или ток) сигнала на выходе каскада (или , или ), сопротивление нагрузки каскада , высшая рабочая частота каскада, коэффициент частотных

Рис. 5.45

искажений на высшей рабочей частоте каскада и максимальная температура окружающей среды .

Выходная динамическая характеристика по постоянному току (рис. 2.1, а) строится на семействе выходных статических характеристик по уравнению выходной цепи УЭ по постоянному току , которое выражает взаимосвязь тока и напряжения коллектора при наличии сопротивления нагрузки. Это уравнение прямой и для ее построения на семействе выходных статических характеристик достаточно найти координаты двух точек: 1) при будет ; 2) при будет . Соединяя эти точки, получим выходную динамическую характеристику по постоянному току, которая называется нагрузочной прямой по постоянному току. По ней выбирают режим покоя, т. е. координаты точки покоя , , , характеризующие ток и напряжение коллектора и ток базы БТ при отсутствии сигнала (см. рис.5.45,а). Здесь следует отметить, что нередко режим покоя, то есть значения , , выбирают без построения нагрузочной прямой по постоянному току, а ориентируясь на указанные в справочнике данные БТ. При этом в выходном каскаде ориентируются на полное использование УЭ по напряжению и току, для чего берут , , где – максимально допустимое коллекторное напряжение, а – максимально допустимая мощность рассеяния на коллекторе применяемого БТ, указываемые в справочнике. В предварительных же каскадах часто берут указываемые в справочнике типовые значения , (типовой режим покоя), что позволяет при расчете непосредственно использовать приводимые в справочнике параметры БТ.

Через выбранную точку покоя будет проходить выходная динамическая характеристика по переменному току , так как при появлении сигнала рабочая точка УЭ начинает свои перемещения из точки покоя. Строится она по уравнению выходной цепи УЭ по переменному току, которое удобно представить в виде: и . Это тоже прямая линия, что позволяет построить ее по двум точкам. Одна из них уже известна – это точка покоя с координатами , . Другую удобно найти на оси напряжений, то есть при : при этом, получая из первого уравнения равенство и подставляя его во второе уравнение, находим вторую координату точки на оси напряжений . Поскольку для нашей схемы (рис. 5.4) , то запись для второй координаты может быть представлена в виде . Это означает, что выходная динамическая характеристика (нагрузочная прямая) по переменному току в нашем случае будет совпадать с ранее построенной нагрузочной прямой по постоянному току (рис.5.45,а).

Проходная динамическая характеристика обычно строится только по переменному току (рис. 5.45,б) по точкам нагрузочной прямой по переменному току. На рис. 5.45,а,б для этого взяты точки 0, 1, 2, 3, 4. По этой динамической характеристике, ориентируясь на середину ее линейного участка, уточняются координаты точки покоя , , , а также выбирается максимально допустимая амплитуда тока входного сигнала и соответствующие ей значения и , а также, с учетом нагрузочной прямой по переменному току, амплитуда напряжения сигнала на выходе БТ и отдаваемая им мощность сигнала (см. рис. 5.45,а,б). К сказанному можно добавить, что по проходной динамической характеристике удобно пояснять принцип работы УЭ в схеме.

Входная динамическая характеристика (рис. 5.45,в) по переменному току должна строиться на семействе входных статических характеристик. Но поскольку в справочниках обычно приводятся только две входные статические характеристики (одна при , другая при типовом значении ), то за входную динамическую характеристику с допустимой погрешностью принимают входную статическую характеристику при . На нее и наносят выбранные ранее точки с выходной и проходной динамических характеристик (см. рис. 5.45,в). По входной динамической характеристике находят постоянное напряжение на базе БТ (напряжение смещения) , общий размах входного напряжения ( ), входную мощность сигнала, входное сопротивление УЭ, а также коэффициент усиления по мощности:

,

, .

И, наконец, сквозная динамическая характеристика (рис.5.45,г) строится по точкам нагрузочной прямой и входной динамической характеристики с использованием выражения , где для рассматриваемой схемы , а . По сквозной динамической характеристике с помощью специального графоаналитического метода пяти ординат, подробно описанному в литературе, вычисляют коэффициент гармоник , характеризующий нелинейные искажения, вносимые УЭ. Она также позволяет найти требуемую для максимального использования УЭ по току и напряжению амплитуду ЭДС сигнала , которая для рассматриваемой схемы будет .

Перейдем к рассмотрению графических построений, приведенных на рис.5.46,а,б для схемы рис. 5.4 на ПТ. Объем этих построений существенно меньше, чем в схеме на БТ, так как из-за отсутствия входных токов строятся только выходные (рис. 5.46, а) и проходные (рис. 5.46, б) динамические характеристики. Порядок построения этих динамических характеристик не отличается от порядка построения выходных и проходных динамических характеристик для БТ. По ним выбирают положение точки покоя ( , , ) и определяют амплитуды изменения тока стока и напряжения стока , а также находят отдаваемую ПТ мощность сигнала и . Что касается коэффициента гармоник , то в этом случае он вычисляется специальным графоаналитическим методом пяти ординат по проходной динамической характеристике, которая выполняет роль сквозной динамической характеристики.

Для большего понимания порядка и физической сущности представленных на рис. 5.45а,б,в,г и рис. 5.46,а,б графических построений рассмотрим по ним принцип действия схем на рис. 5.4, начиная с состояния покоя и кончая работой при поступлении сигнала. При этом будем подчеркивать сходство и отличия процессов в этих схемах. В состоянии покоя (до момента времени t₁) в обеих схемах действуют только постоянные напряжения и токи: в схеме на БТ во входной цепи (в цепи базы) действуют напряжение смещения и ток смещения , в выходнй (коллекторной) цепи протекает постоянный ток и на коллекторе действует постоянное напряжение (рис. 5.45,а,б,в,г); в схеме же на ПТ во входной цепи (в цепи затвора) действует только напряжение смещения (входного тока нет), в выходной (стоковой) цепи протекает ток и на стоке действует постоянное напряжение (рис.5.46,а,б). Смещение в обеих схемах подбирают так, чтобы точка покоя находилась примерно в середине линейной части проходных динамических характеристик БТ и ПТ в месте наибольшей крутизны: это позволяет более полно использовать линейную часть динамических характеристик БТ и ПТ путем подачи на их входы максимально допустимого сигнала и получить от БТ и ПТ большую мощность и большее усиление сигнала при минимуме нелинейных искажений. Подчеркнем, что в схеме на БТ в состоянии покоя потребляется мощность не только по коллекторной цепи , часть которой выделяется на коллекторе БТ, вызывая его

Рис. 5.46

нагрев, но и со стороны входа , часть которой выделяется на входе БТ; в схеме же на ПТ потребления мощности на входе нет (ПТ управляется только напряжением), а по стоковой цепи потребляется мощность , часть которой выделяется на стоке ПТ, приводя к повышению его температуры.

При поступлении в момент времени t₁ сигнала от источника сигнала рабочая точка БТ и ПТ будет перемещаться по динамическим характеристикам вверх при положительной полуволне и вниз при отрицательной полуволне входного сигнала, вызывая изменения напряжений и токов во входных и выходных цепях УЭ.

При этом в схеме на БТ мгновенные значения напряжения и тока на базе будут описываться выражениями

, ,

а мгновенные значения коллекторного тока и коллекторного напряжения соответственно выражениями

,

,

где переменные составляющие коллекторного тока с амплитудой и коллекторного напряжения с амплитудой отображают усиленный сигнал.

В схеме же на ПТ напряжение на затворе описывается выражением

,

а мгновенные значения стокового тока и стокового напряжения соответственно выражениями

,

,

где переменные составляющие стокового тока и стокового напряжения с амплитудами и отображают усиленный сигнал на выходе ПТ.

Приведенные выражения для мгновенных значений токов и напряжений для БТ и ПТ соответствуют временным диаграммам токов и напряжений на рис. 5.45,а,б,в,г и 5.46,а,б. Из них следует, что рассмотренные схемы с ОЭ и ОИ инвертируют усиливаемый сигнал.

Здесь полезно подчеркнуть, что представление изменяющихся под действием входного сигнала токов и напряжений УЭ в виде суммы постоянных (средних) и переменных составляющих, показ путей их протекания в схеме с указанием сопротивлений нагрузки УЭ для постоянного тока и переменного тока является эффективным приемом при анализе и расчете каскадов. В рассматриваемых схемах пути протекания постоянных и переменных составляющих выходного тока (коллекторного или стокового) совпадают и сопротивления и будут одинаковыми и равными .

Из графических построений на рис. 5.45,а,б,в,г и 5.46,а,б и приведенных выше выражений находят все основные электрические показатели рассмотренных схем на БТ и ПТ.

Для схемы на БТ основными показателями являются мощность сигнала на выходе УЭ , отдаваемая в нагрузку, мощность сигнала на входе УЭ , затрачиваемая на его управление, коэффициенты усиления по току , напряжению и мощности :

; ; ;

; .

Для схемы же на ПТ, управляемого напряжением, основными показателями будут только мощность сигнала на выходе ПТ и коэффициент усиления по напряжению :

; ,

где – динамическая крутизна ПТ (крутизна проходной динамической характеристики ПТ в точке покоя).

В выходных каскадах стремятся выбирать равным оптимальному значению, при котором УЭ отдает наибольшую мощность сигнала . В предварительных же каскадах выбирают таким, чтобы получить большее усиление сигнала по напряжению, току и мощности.

Рассмотренный порядок построения динамических характеристик для схем однотактных каскадов с гальванической (непосредственной) связью БТ и ПТ с нагрузкой, работающих в режиме "А" (рис. 5.4), сохраняется и для однотактных каскадов с резисторно-конденсаторной связью УЭ с нагрузкой (рис.5.17), где , так как , а , и для однотактных каскадов с трансформаторной связью УЭ с нагрузкой (рис. 5.18), где , так как (где – малое сопротивление витков первичной обмотки трансформатора), а (где – коэффициент трансформации, – КПД трансформатора). Отличие будет только в том, что нагрузочная прямая по переменному току не будет совпадать с нагрузочной прямой по постоянному току: в случае она пойдет через точку покоя круче, а в случае положе нагрузочной прямой по постоянному току.

В заключение этого раздела отметим кратко особенности построения динамических характеристик в двухтактных (дифференциальных) каскадах при работе их в режимах "А" и "В". Эти каскады представляют собой своеобразную комбинацию двух однотактных каскадов, называемых в этом случае плечами двухтактного каскада. УЭ этих плечей работают на общую нагрузку, обеспечивая в ней вдвое большую мощность по сравнению с однотактным каскадом, причем в режиме "А"УЭ работают одновременно, а в режиме "В" (в котором в целях повышения КПД точка покоя УЭ выбирается не в середине линейного участка проходной динамической характеристики, как это делается в режиме "А", а на нижнем конце ее) – поочередно, каждый в течение полупериода сигнала. Расчет этих каскадов графоаналитическим методом ведется на основе построений динамических характеристик для одного плеча. При этом для двухтактного каскада в режиме "А" порядок построений остается таким же, как это было рассмотрено раньше для однотактного каскада, с той лишь разницей, что от одного плеча нужно получить вдвое меньшую мощность, чем задано на весь двухтактный каскад, а при расчете коэффициента гармоник графоаналитическим методом пяти ординат учитывается присущая этим каскадам компенсация четных гармоник, приводящая к уменьшению К_г по сравнению с однотактным каскадом.

Что касается двухтактного каскада в режиме "В", в котором точка покоя УЭ каждого плеча выбирается на нижнем конце идеализированной проходной динамической характеристики, так что в идеальном режиме "В" (а в реальном режиме "В" ) и УЭ работают поочередно, каждый в течение "своей" половины периода сигнала, то, ведя построения динамических характеристик на семействе статических характеристик УЭ одного плеча, получают результаты сразу для всего двухтактного каскада. При этом порядок построений динамических характеристик в целом не отличается от рассмотренного выше с той лишь разницей, что нагрузочная прямая по постоянному току не строится, так как координаты точки покоя на семействе выходных статических характеристик будут и , и нагрузочная прямая по переменному току проводится из этой точки под наклоном, определяемом величиной : другую точку находят на оси токов с координатами и . Коэффициент гармоник рассчитывается графоаналитическим методом пяти ординат с учетом специфики режима "В".

И, наконец, несколько замечаний в отношении схем каскадов с ОБ (ОЗ) и ОК (ОС), однотактные варианты которых с гальванической (непосредственной) связью УЭ с нагрузкой приведены на рис. 5.5 и 5.6.

Для схем с ОК (ОС) построение всех динамических характеристик проводится так же, как и для рассмотренных ранее схем с ОЭ (ОИ) (см. рис. 5.45,а,б,в,г и 5.46,а,б). Но при расчете по этим построениям основных показателей УЭ в схеме с ОК (ОС) учитывают влияние на некоторые из них ( , , , ) действующей в такой схеме ООС, то есть воздействие всего выходного напряжения сигнала ( , ) на вход схемы (по терминологии общей теории ООС это будет ООС параллельная по выходу,то есть по напряжению, и последовательная по входу). В этом случае, для того, чтобы во входных и выходных цепях УЭ действовали рассчитанные по рис. 5.45,а,б,в,г и 5.46,а,б переменные составляющие токов и напряжений, на вход схем с ОК (ОС) нужно подавать сигнал с амплитудой (а не , как это было в схеме с ОЭ или ОИ), которая больше в раз:

.

Поэтому коэффициент усиления по напряжению в схеме с ОК (ОС) будет тоже в раз меньше, чем в схеме с ОЭ (ОИ):

.

По этой причине и коэффициент усиления по мощности при ОК будет в раз меньше, чем при включении с ОЭ:

.

По этой же причине входное сопротивление схемы с ОК будет в раз больше, чем при включении с ОЭ:

.

По терминологии и понятиям общей теории ООС фигурирующая здесь величина является глубиной ООС при коротком замыкании со стороны входа каскада, которая получается из более общего выражения для сквозной глубины ООС: (так как коэффициент передачи напряжения в цепи ООС для схемы с ОК (ОС) равен единице , а коэффициент передачи напряжения входной цепи , входящий в сквозной коэффициент усиления схемы без ООС , при коротком замыкании со стороны входа схемы тоже равен единице ).

Выходное же сопротивление УЭ в схеме с ОК (ОС) из-за влияния ООС будет меньше, чем при включении с ОЭ (ОИ) в сквозную глубину обратной связи, вычисленной при холостом ходе со стороны выхода схемы:

.

Что касается схем с ОБ (ОЗ), то здесь построения и расчеты можно вести одним из двух способов. Первый и наиболее целесообразный способ состоит в том, что все построения динамических характеристик выполняются на семействах статических характеристик для включения УЭ с ОБ (ОЗ). При этом динамические характеристики определяются следующими зависимостями: выходная , проходная , входная и сквозная . По выполненным построениям вычисляются все электрические показатели УЭ в схемах с ОБ (ОЗ). При втором способе можно поступить так, как это было изложено выше для схем с ОК (ОС), то есть построить все динамические характеристики для включения с ОЭ (ОИ), рассчитать по ним все электрические показатели УЭ, а затем, пользуясь теорией ООС, учесть влияние действующей в схемах с ОБ (ОЗ) ООС (последовательной по выходу и параллельной по входу) на некоторые из них ( , , , ). Она уменьшает , и в сквозную глубину ООС, вычисленную при холостом ходе со стороны входа схемы ( ; и ) и увеличивает в сквозную глубину ООС, вычисленную при коротком замыкании со стороны выхода схемы : .

В заключение следует отметить, что все сказанное в отношении схем на ПТ применимо к схемам и на ЭЛ, так как их электрические характеристики практически совпадают.