книги / Электронные усилители
..pdfТаким 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
за—коллектор), резистор нагрузки R H к отрицательному |
полюсу |
|
источника. Протекая |
через резистор RH, ток / ко создает |
на нем |
падение напряжения / к0 R |
между |
|
Все напряжение |
источника питания распределяется |
|
транзистором и нагрузкой: |
|
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
коллекторного тока / к0 является |
бесполезной потерей напряжения |
|
источника питания. |
|
в последова |
Переменная составляющая выходного тока / к~ |
||
тельной схеме протекает по цепи: |
эмиттер—коллектор транзисто |
|
ра через нагрузку, источник питания к эмиттеру. |
усилительного |
|
Параллельная схема питания |
выходной цепи |
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,
нагрузку |
эмиттер. |
|
|
Конденсатор Ср не допускает протекания постоянной |
состав |
||
ляющей коллекторного тока / к0 |
через нагрузку, но пропускает пе |
||
ременную составляющую / к~ |
оказывая ей незначительное сопро |
||
тивление. |
|
|
|
Дроссель |
L AP не допускает протекания переменной составляю |
||
щей I к через |
источник питания, а постоянной составляющей ока |
||
зывает незначительное сопротивление. |
|
||
В результате такого разделения цепей токов 1К0 и / к~ |
не про |
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
тельным относительно эмиттера, у |
транзисторов типа п—р—п — |
положительным. Его значение составляет обычно порядка 0,1 |
|
0,5 В для германиевых и 0,5 |
1,0 В для кремниевых транзис |
торов. |
|
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.
3.2. РЕЖИМЫ РАБОТЫ УСИЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Режим работы усилительного элемента — это состояние усили тельного элемента, которое характеризуется значениями токов в его цепях при подаче на его электроды постоянных напряжений от источников питания.
При отсутствии сигнала на входе каскада в цепях усилительно го элемента протекают постоянные токи и действуют только пос тоянные напряжения. Такое состояние усилительного элемента на зывают режимом покоя или исходным. Так, например, в исходном
2* |
;j |
35 |
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
казано |
на рис. 3.4, б. Угол отсечки при этом получается меньше |
|
90° При отсутствии сигнала ток от источника |
питания в режиме |
|
класса |
С не протекает и КПД выходной цепи |
получается выше, |
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-
t
a
ностью открыт, и тогда через него протекает максимальный ток, либо полностью закрыт, и тогда ток через него не протекает.
В этом режиме потери энергии внутри усилительного элемента очень малы и КПД большой (близкий к единице).
38
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
ности тока базы / б0 |
нужно, чтобы ток, |
протекающий |
через дели |
тель / д, значительно |
превышал ток базы / бо (т. е. должно быть: |
||
^д>/бо)- Для этого |
надо уменьшать |
сопротивление |
резисторов |
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
водниковые диоды. |
делителя |
В схеме, приведенной на рис. 3.5, а, в нижнее плечо |
|
смещения включен терморезистор R T с отрицательным |
темпера |
турным коэффициентом. Принцип температурной компенсации о помощью терморезистора состоит в следующем. С повышением тем
пературы увеличивается ток покоя коллектора / ко • |
Одновременно |
с этим уменьшается сопротивление терморезистора R |
вследствие |
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
резистор R 1 . Ток |
коллектора / к0 |
в этой схеме протекает по цепи: |
|||||
т}-£к, эмиттер—база—коллектор, |
резистор R„ , —Е к |
. Ток |
базы |
||||
/ бо протекает по цепи: + £ к , эмиттер—база, резистор R1, |
резис |
||||||
тор R н, —Е к. Ток эмиттера / э0 |
является суммой токов коллекто |
||||||
ра / ко и базы I бо 5 /905 |
= 1 ко |
|
|
образом. |
При |
||
Процесс стабилизации происходит следующим |
|||||||
возрастании тока коллектора / ко |
увеличивается падение напряже |
||||||
ния на резисторе |
R „ |
и потенциал |
коллектора |
понижается. Это |
|||
понижение потенциала |
с коллектора |
по цепи обратной |
связи че |