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.
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.
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
Rк, 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 ).
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 Rк и Rн, который представляет собой входное сопротивление следующего каскада по
переменному току, т.е. Rк и Rн для переменной составляющей соединены параллельно.
Поэтому получается, что для усилителя резистор Rк является нагрузочным для постоянноой составляющей, а для
переменной составляющей R~ нагрузки будет состоять из двух параллельно соединенных
сопротивлений Rк и Rн . 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 Iк,
а поскольку Iк намного больше Iко, то Iко мало влияет
на Iк .
В схемах с ОЭ и ОК происходит все по другому, где Iк 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.
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.
Если, допустим, при нагреве транзистора Iкп начнет увеличиваться, падение напряжение на
Rк 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
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 Rэ. Кроме того, Rэ
обеспечивает и отрицательную обратную связь, которая улучшает температурную стабильность каскада. В режиме покоя в предварительном усилителе протекают три
тока: через делитель Iд, базы Iбп и коллекторный Iкп.
Напряжение смещения Uбэп равно разности между падением напряжения на R2 и Rэ:
Uбэп=UR2-URэ. При нормальном режиме транзистора падение напряжения на R2
должно быть всегда больше падения напряжения на Rэ. 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 Rэ, что приводит к уменьшению смещения на базе Uбэп. Транзистор
прикрывается и коллекторный ток уменьшается, режим предварительного усилителя стабилизируется.
Резистор Rэ 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 Iд 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 Iд, 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.
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 Rэ для того, чтобы отвести переменный ток от этого сопротивления и устранить отрицательную обратную связь по
переменной составляющей.
| << Предыдущая | Cледующая >> |