fon3

Предварительные усилители и их температурная стабилизация

Источниками электрических сигналов обычно являются источники с маломощным выходным сигналом. Это микрофоны, магнитофонные головки, приемные антенны и пр. Напряжение на выходе у них очень мало - порядка от единиц микровольт до десятков миливольт. Такой сигнал не раскачает громкоговоритель и поэтому он должен быть усилен.

Для этого применяются электронные усилители, которые обычно состоят из нескольких каскадов усиления.
Первые каскады усилителя называют предварительными усилителями и они усиливают сигнал до такой величины, чтобы обеспечить нормальную работу выходного каскада ( усилителя мощности ). Это входное номинальное напряжение усилителя мощности составляет обычно 0,5...1,0 вольт.
Так же предварительные усилители служат для согласования выходных сопротивлений источников сигнала с входным усилителей мощности.
Прежде чем подавать на предварительный усилитель сигнал, нужно чтобы каждый каскад любого усилителя был настроен на определенный режим по постоянному току, а именно правильно обеспечить рабочую точку транзисторов в каждом каскаде.
Основными требованиями к любой схеме, обеспечивающей рабочую точку транзистора являются:
- схема должна работать от одного источника питания;
- должно быть обеспечено соответствующее напряжение смещения;
- должна быть обеспечена соответствующая цепь для переменного сигнала, чтобы он мог воздействовать на управляющий эмиттерный переход.
Рассмотрим схемы предварительных усилителей с различными способами подачи напряжения смещения на вход каскада.

Предварительный усилитель с фиксированным напряжением

На рис.1,2 приведены предварительные усилители с фиксированным напряжением на транзисторах разной проводимости, у которых голубыми линиями обозначены пути прохождения постоянного базового Iбп и в β раз большего коллекторного тока покоя Iкп.
Здесь выбор нужной рабочей точки усилителя производится с учетом того, чтобы входное сопротивление каскада было как можно большим для согласования с выходным сопротивлением источника сигнала. При этом амплитуда источника сигнала не искажается и не уменьшается на входе предварительного усилителя, что очень важно, т.к. этот сигнал и так очень мал.
Для достижения большого входного сопротивления предварительного усилителя нужно выбирать рабочую точку с малым базовым током (Iб), потому что оно обратно пропорционально входному сопротивлению (Rвх=Uбэ/Iб). Так же, чтобы получить как можно меньший уровень шумов транзистора, выбирают режим работы с небольшим эмиттерным (коллекторным) током ( см. " Коэффициент шума", рис.11) Из-за того, что первый каскад предварительного усилителя будет работать в "легком" режиме, его величина амплитуды усиленного сигнала может не хватить для нормальной работы усилителя мощности. Поэтому предварительный усилитель может состоять из нескольких последовательных усилительных каскадов.
predvarit ucilitel1 В схемах на рис.1,2 напряжение смещения на базу подается через резистор R1. Чем больше значение этого резистора, тем будет меньше базовый ток покоя Iбп.
predvarit ucilitel2 В этом случае Iбп будет равен:
Iбп=Е/(R1+Rбэ),
где Rбэ - сопротивление управляющего перехода, а он намного меньше значения R1 и им можно пренебречь. Тогда коэффициент усиления будет равен:
β=Iкп/Iбп=Iкп·R1/Е,
отсюда
R1=β·Е/Iкп.
К примеру, определим значение Iбп, значения резисторов R1 и , используя в схеме на рис.2 транзистор МП42Б с β = 50, Е = 6 В у которого в выбранной рабочей точке А (рис.3) Iкп =1mA и Uк-э = 2В:
Iбп = Iкп/β = 1/50 = 0,02 mA;
R1 = β·Е/Iкп = 50·6/1·10ˉ³ = 300 кОм;
Rк = (Е - Uк-э)/Iкп = 6 - 2 / 1·10ˉ³ = 4 кОм.

На рис.4,5 показано как проходят в усилителе входной (от генератора) Г1 и выходной переменные токи (красные линии ).
predvarit ucilitel3 Значение конденсатора С1 выбирается таким, чтобы для входного сигнала самой низкой частоты емкостное сопротивление Хс1 (Xc=1/2πfC) было значительно меньше сопротивления управляющего перехода Rбэ по переменному току. Так же емкости конденсаторов С2 и С3 должны быть достаточно большими, чтобы иметь минимальное сопротивление для выходного сигнала.
На рисунках видно, что выходной I~вых разветвляется по и , который представляет собой входное сопротивление следующего каскада по переменному току, т.е. и для переменной составляющей соединены параллельно. Поэтому получается, что для усилителя резистор является нагрузочным для постоянноой составляющей, а для переменной составляющей R~ нагрузки будет состоять из двух параллельно соединенных сопротивлений и . Поэтому:
R~=Rк·Rн/Rк+Rн.
А так как усиление каскада тем больше, чем больше его нагрузочное сопротивление по переменной составляющей, то сопротивление следующего каскада не должно быть малым.
К примеру, если Rк = 4 кОм, а Rн = 1 кОм, то R~ = 800 Ом. А если Rк = 4 кОм, Rн = 4 кОм, то R~ = 2 кОм, т.е. усиление будет больше чем в два раза. Но не всегда можно увеличить входное сопротивление следующего каскада. Тогда можно повысить выходное сопротивление предыдущего каскада за счет увеличения в нем Rк, но при этом нужно следить, чтобы Uкэ было не менее 1÷2 В.
Рассматриваемые выше схемы имеют существенный недостаток - зависимость режима транзистора от температуры. Ниже посмотрим, как от этой зависимости избавиться.

Температурная стабилизация рабочей точки предварительного усилителя

Большой неприятностью транзисторов является их температурная зависимость. В них при изменении температуры резко - примерно в два раза на каждые десять градусов - увеличивается обратный коллекторный ток Iко, создаваемый собственными (неосновными) зарядами (см."Параметры транзисторов"), что приводит к резкому изменению режима и параметров транзистора.
Разные схемы включения транзистора в предварительных усилителях по-разному меняют свой режим под влиянием изменения температуры.
Так при схеме с ОБ Iко только прибавляется к основному коллекторному току , а поскольку намного больше Iко, то Iко мало влияет на .
В схемах с ОЭ и ОК происходит все по другому, где проходит по базово-эмиттерному переходу и поэтому оказывает влияние на режим транзистора через входную цепь. В итоге получается, что Iко увеличивается от повышения температуры и еще усиливается в β раз. На примере посмотрим, к чему приводит увеличение Iко.
Возьмем германиевый транзистор ГТ108 c β = 50 и, предположим, что при комнатной температуре 20˚С ток Iко = 10 μА, тогда при t˚ = 70˚С Iко увеличивается до 320 μА. При усилении еще в 50 раз получается Iко = 0,32 mА·50 = 16 mА.
predvarit ucilitel4 Это очень большая величина. Ведь нормальный Iбп маломощного транзистора составляет 2 - 5 mА. Из-за появления большого коллекторного тока все семейство статических характеристик (рис.6) при нагревании транзистора резко сдвинется вверх и рабочий участок нагрузочной прямой (рабочие точки А-В) уменьшится (A'-B'). Следовательно, уменьшится коллекторная переменная составляющая тока и переменное напряжение на нагрузке, меньше станет усиление каскада. Усиление может уменьшаться до такой степени, что каскад вообще перестанет усиливать.
Получается как в сказке: чем дальше - тем страшнее. Что бы ничего "страшного" не случилось, для температурной стабилизации рабочей точки применяют различные схемы с отрицательной обратной связью.

Предварительный усилитель с параллельной отрицательной обратной связью

Эта схема (рис.7,8.) похожа на рассмотренную ранее (рис.1,2), только базовый резистор R1 подсоединен не непосредственно к источнику питания, а к коллектору. Благодаря такому соединению получается параллельная отрицательная обратная связь (ток обратной связи вводится "параллельно" в цепь база - коллектор), которая улучшает температурную стабильность каскада.
predvarit ucilitel5 Если, допустим, при нагреве транзистора Iкп начнет увеличиваться, падение напряжение на тоже начнет увеличиваться, что приведет к уменьшению Uкэ по абсолютной величине. Напряжение, подаваемое на вход предварительного усилителя через резистор R1 уменьшится, что приведет к уменьшению Iбп и Iкп.
Если происходит уменьшение Iкп тогда базовый и коллекторный токи увеличиваются и режим работы предварительного усилителя стабилизируется.
Значение базового резистора определяется по формуле:
R1 = β·(E - Rк·Iкп)/Iкп
Пример:
найти значение R1, если E = 9 В, Rк = 3 кОм, Iкп = 1 mA, β = 100.
R1 = 100(9 - 3·10³·1·10ˉ³)/1·10ˉ³ = 600 кОм.
В этой схеме коллекторное сопротивление рассчитывается с учетом того, что коллекторное напряжение Uк-э должно быть не менее 1-2 вольт.
Допустим Uк-э = 3 В,
тогда
Rк = (Е - Uк-э)/Iкп = 9 - 3 / 1·10ˉ³ = 6 кОм.

Предварительный усилитель с последовательной отрицательной обратной связью

predvarit ucilitel6

Эта схема (рис.9,10) на практике используется чаще всего, поскольку она обеспечивает наилучшую температурную стабильность предварительного усилителя. Здесь напряжение смещения обеспечивается делителем напряжения из резисторов R1, R2 и эмиттерным сопротивлением . Кроме того, обеспечивает и отрицательную обратную связь, которая улучшает температурную стабильность каскада. В режиме покоя в предварительном усилителе протекают три тока: через делитель , базы Iбп и коллекторный Iкп.
Напряжение смещения Uбэп равно разности между падением напряжения на R2 и : Uбэп=UR2-URэ. При нормальном режиме транзистора падение напряжения на R2 должно быть всегда больше падения напряжения на . В германиевых транзисторах эта разница 0,1 - 0,4 В, а в кремниевых - 0,4 - 0,8 В.
При повышении температуры транзистора увеличиваются Iкп и, соответсвенно, падение напряжения на резисторе , что приводит к уменьшению смещения на базе Uбэп. Транзистор прикрывается и коллекторный ток уменьшается, режим предварительного усилителя стабилизируется. Резистор выбирают обычно от 500 Ом до 5 кОм, причем, при бОльших значениях температурная стабильность каскада лучше.
Значения резисторов делителя находят из соотношений:
R1=E-Uбэп)/(Iд+Iбп),
R2=Uбэп/Iд.
Чаще всего R1 = 10 кОм ÷ 100 кОм, R2 = 3 кОм ÷ 29 кОм, а Rк = 1 кОм ÷ 6 кОМ.
Обычно выбирают в пределах Iд≈(2÷5)Iбп. Оно не должно быть слишком большим по двум причинам:
во-первых, из соображения экономичности, т.к. чем больше , тем мощнее должен быть источник питания Е;
во-вторых, резистор R2 делителя включен параллельно входному сопротивлению транзистора, и, кроме того, при малом внутреннем сопротивлении источника питания, можно считать, что резисторы R1 и R2 включены параллельно друг другу.
predvarit ucilitel7 Вот поэтому для того, чтобы входной резистор был достаточно большим (несколько килоом) должно выполняться неравенство:
R1·R2/(R1+R2)>>Rвх.
На рис.11 показаны цепи по которым протекает переменный входной и выходной токи в предварительном усилителе. Конденсатор С3 большой емкости (порядка десятков микрофарад) шунтирует для того, чтобы отвести переменный ток от этого сопротивления и устранить отрицательную обратную связь по переменной составляющей.

<< Предыдущая Cледующая >>

Вверх

radionet