Многокаскадные усилители температурная стабилизация режима работы

Как правило,
усилители состоят из нескольких каскадов,
при этом каждый отдельный каскад в
составе усилителя выполняет свои
функции. На рис.2.10,а приведена структурная
схема многокаскадного усилите­ля, а
на рис.2.10,б — реальная схема двухкаскадного
усилителя с RC-связью.

Входное устройство
служит для передачи сигнала от источника
во входную цепь каскада предварительного
усиления. В качестве входного устройства
могут быть использованы конденсаторы,
резисторы, транс­форматоры. Входным
устройством на рис.2.10,б является
конденсатор С₁,
который обеспечивает прохождение только
переменной составляющей сигнала на
вход первого каскада.

Каскады
предварительного усиления
служат для усиления тока, нап­ряжения
или мощности сигнала до значения,
необходимого для подачи на вход мощного
усилителя. Для уменьшения нелинейных
искажений в них почти всегда используется
режим класса А. Транзисторы обычно
включаются по схеме с общим эмиттером.

Мощный усилитель
предназначен для отдачи в нагрузку
сигнала тре­буемой мощности и может
состоять из нескольких каскадов. Иногда
мощный усилитель называют оконечным.
Управляющий элемент здесь мо­жет
работать как в режиме А, так и в В.

Выходное устройство
необходимо для передачи сигнала из
выходной цепи оконечного усилителя в
нагрузку. В качестве выходного устройс­тва
используют трансформаторы, конденсаторы
(как на рис.2.10,б), резисторы. Трансформаторы
служат для согласования выходного
сопро­тивления оконечного усилителя
с сопротивлением нагрузки. Трансфор­маторы
и конденсаторы позволяют также разделить
переменную и посто­янную составляющие
выходного усиленного сигнала.

Межкаскадные
связи служат
для передачи сигнала с выхода предыду­щего
каскада на вход последующего, осуществляя
одновременно функции разделительных
элементов. Основные виды межкаскадных
связей — непосредственная, емкостная,
трансформаторная и дроссельная. Иногда
используется комбинация этих связей.
Усилительные каскады называют по типу
использованной в нем связи: каскад
с RC-связью (рис.2.10,б), трансформаторный
каскад и т.д.

2.9. Усилители постоянного тока

Усилителями
постоянного тока (УПТ) называют такие
устройства, кото­рые способны усиливать
не только переменные, но и постоянные
сос­тавляющие напряжения и тока.
Низшая рабочая частота таких усилите­лей
нулевая, а верхняя может быть любой,
вплоть до очень высокой.

Частотная
характеристика УПТ равномерна (рис.2.11).
В таких уси­лителях используется
только гальваническая связь между
каскадами. Отсутствие реактивных
элементов приводит к тому, что через
усили­тель могут одновременно проходить
полезный сигнал и сигнал помехи,
обусловленный различного рода
электрическими процессами, чаще всего
нестационарного характера. Такими
процессами могут быть, например, изменение
во времени характеристик и параметров
транзисторов из-за изменения условий
окружающей среды либо с течением времени,
неста­бильность напряжения источника
питания и др. В результате этого на
выходе усилителя появляются ложные
сигналы не отличающиеся от по­лезных.

Непостоянство
выходного напряжения при неизменном
уровне входно­го сигнала, обусловленное
влиянием помех, называется дрейфом
нуля усилителя.

При построении
практических схем УПТ принимают меры
для борьбы с дрейфом нуля, а именно,
жесткая стабилизация источников питания,
использование отрицательных обратных
связей, применение балансных
(дифференциальных) и компенсационных
схем.

УПТ — наиболее
распространенный тип усилительных
устройств в вы­числительной технике.
Они имеют много разновидностей
(дифференци­альные, операционные,
усилители с преобразованием сигнала и
др.).

Дифференциальные
усилители (ДУ).
Другое название их — параллель­но-балансные
каскады.

Принцип работы
балансной схемы можно пояснить на
примере четы­рехплечевого моста,
схема которого представлена на рис.2.12.
Если выполняется условие R₁R₃
= R₂R₄,
т.е. мост сбалансирован, то в наг­рузочном
резисторе R_н
ток равен нулю. Баланс не нарушится и в
том случае, если будет изменяться
напряжение Е.

На рис.2.13 представлена
схема простейшего дифференциального
каскада, которая аналогична схеме
рис.2.12, если резисторы R₂
и R₃ заменить
транзисторами Т₁
и Т₂
и считать, что R₁
= R_к1,
а R₄
= R_к2.
Сопротивления резисторов R_к1
и R_к2
выбирают равными, а транзисторы Т₁
и Т₂
с идентичными характеристиками. В этом
случае схема симмет­рична.

В отсутствие
сигнала напряжение на выходе U_вых12
равно нулю. Поскольку схема симметрична,
всякое одновременное изменение
харак­теристик транзисторов (за счет
изменения температуры или из-за ста­рения)
вызовет одинаковое изменение токов в
обоих плечах, поэтому разбаланса схемы
не произойдет и дрейф выходного напряжения
будет практически равен нулю.

Рассмотрим, как
изменится состояние схемы при подаче
на входы 1 и 2 сигналов: равных по значению
и синфазных; равных по значению и
противофазных (дифференциальных).

На вход ДУ поданы
синфазные сигналы.
Потенциалы баз транзисторов изменятся
на одну величину. Ток через резистор R_э
поровну распреде­лится между плечами
ДУ, и потенциалы коллекторов изменятся
на одно и то же значение. Напряжение на
выходе будет равно нулю. Таким об­разом,
идеальный ДУ не пропускает на выход
синфазный сигнал.

На вход ДУ поданы
дифференциальные сигналы.
Входное напряжение U_вх12
между точками 1 и 2 будет равно разности
этих сигналов. Пос­кольку схема
симметрична, половина этого входного
напряжения будет приложена к эмиттерному
переходу одного транзистора (со знаком
плюс), а другая половина — к эмиттерному
переходу другого транзис­тора (со
знаком минус). В результате этого
приращения токов в пле­чах схемы будут
одинаковы, но с разными знаками. Потенциал
коллек­тора одного транзистора
увеличится, а другого уменьшится на
одно и то же значение. На выходе ДУ между
точками а и б появится выходное напряжение.
Таким образом, дифференциальный сигнал,
поданный на вход ДУ, вызывает появление
усиленного сигнала на выходе.

В идеальных ДУ за
счет подавления синфазного сигнала
дрейфа нуля не существует, в реальных
ДУ он присутствует, но очень незначителен
по сравнению с дифференциальным
(полезным) сигналом.

Качество ДУ
оценивают коэффициентом подавления
синфазного сигна­ла К_псс
= К_Д/К_С,
где К_Д
— коэффициент усиления дифференциального
сигнала; К_С
— коэффициент усиления синфазного
сигнала. ДУ считается хорошим, если К_псс
> 10⁴
— 10⁵.

Поскольку в основе
работы ДУ лежит идеальная симметричность
его плеч, а выполнить это практически
возможно только при микроэлект­ронном
исполнении, наиболее широко ДУ используются
в интегральных микросхемах.

Операционным
усилителем
(ОУ) называют усилитель постоянного
тока с дифференциальным входным каскадом,
с очень высоким и стабильным коэффициентом
усиления (от 1000 до 100000), широкой полосой
пропус­кания сигнала (f_в
= 10 — 100 МГц), высоким входным сопротивлением
(R_вх
> 10 кОм), малым выходным сопротивлением
(R_вых
< 100 Ом), ма­лым дрейфом нуля, высоким
коэффициентом подавления синфазных
сигна­лов, несимметричным выходом.
Таким образом, это высококачественный
универсальный усилитель.

Условное обозначение
ОУ показано на рис.2.14,а, а его амплитуд­ная
характеристика — на рис.2.14,б.

Вход 1 называют
прямым, т.к. сигнал на выходе и сигнал
на этом входе имеют одинаковую полярность.
Вход 2 называют инвертирующим, т.к. сигнал
на выходе имеет противоположную
полярность по отношению к сигналу на
этом входе. Питание ОУ осуществляется
от двухполярного источника со средней
точкой (рис.2.14,в), это дает возможность
по­лучить на выходе ОУ двухполярный
сигнал. Существуют различные вари­анты
подачи входного сигнала (на один из
входов, между двумя входа­ми, два
различных сигнала). Часто сигнал подают
на неинвертирующий вход, а через
инвертирующий вход ОУ охватывают
глубокой ОС. В этом случае можно получить
устройства с различными свойствами,
которые будут определяться параметрами
цепи ОС. С помощью такого ОУ можно
осуществлять математические операции
(умножение, интегрирование, дифференцирование,
сравнение и др.). Операционный усилитель
являет­ся универсальным устройством
аналоговых (линейных) интегральных
микросхем.

Типовая схема ОУ
показана на рис.2.15. В ней имеется: два
диффе­ренциальных каскада на
транзисторах Т₁,
Т₂
и Т₃,
Т₄
(каскады пред­варительного усиления);
переходный однотактный каскад на
транзисто­ре Т₅
и выходной каскад на транзисторах Т₆
и Т₇,
выполненный по схеме эмиттерного
повторителя. Диоды обеспечивают
температурную стабилизацию.

Соседние файлы в папке Эл_ка2

• #

  12.03.201543.33 Кб17Backup_of_СТР5~1.CDR

• #
• #

  12.03.201516.77 Кб27СТР10~1.CDR

• #

  12.03.201515.81 Кб13СТР14~1.CDR

• #

  12.03.201518.09 Кб13СТР16~1.CDR

• #

  12.03.201527.59 Кб15СТР20~1.CDR

• #

  12.03.201513.23 Кб13СТР24~1.CDR

В предыдущей статье мы рассмотрели принцип работы усилителя звука на транзисторах и рассчитали основные его параметры. Однако рассмотренная ранее схема УМЗЧ не обладает температурной стабильностью, то есть с изменением температуры может нарушиться режим работы ее по постоянному току. В конечном итоге подобные нарушения могут привести к искажению выходного сигнала.

Главным образом это связано с тем, что у любого биполярного транзистора (БТ), даже когда он заперт, протекает обратный ток коллектора Iко. Естественно при условии, что к выводам коллектор-эмиттер подано питание. Величина Iко не превышает единиц микроампер. Но все же значение его всегда приводится в справочниках или даташитах.

Сам по себе Iко не опасен ввиду его ничтожно малого значения. Но неприятность состоит в том, что его величина сильно зависит от температуры. При возрастании температура на 10 °С значение Iко увеличивается приблизительно в два раза! Поэтому без применения специальных мер по стабилизации тока покоя коллектора Iкп его значение будет изменяться в зависимости от температуры окружающей среды, не говоря уже от температуры нагрева полупроводникового прибора, вызванной потерями мощности при протекании тока нагрузки.

Природа увеличения Iко состоит в том, что с ростом температуры увеличивается число собственных свободных зарядов в полупроводнике. Эти заряды под действием приложенного электрического поля от источника питания приобретают упорядоченное движение, то есть электрический ток, который протекая по пути через pn-переход эмиттер-база, вызывает на нем дополнительной падение напряжения и приоткрывает полупроводниковый прибор. В результате рабочая точка подымается вверх по нагрузочной прямой и влечет за собой соответствующие искажения информации.

Обратная связь в транзисторных усилителях

Повысить стабильность работы усилителя звука при воздействии на него температурного фактора можно за счет введения обратной отрицательной связи.

Обратная связь – это воздействие выходного сигнала ВыхС, как правило, части его, на входной ВхС. Если от ВхС отнимается часть ВыхС, то такая связь называется отрицательной. В случае, когда к ВхС прибавляется часть от ВыхС, связь называется обратной положительной. Но эту тему мы развивать не будем, и сразу перейдем к схемам.

Чаще всего на практике применяются две схемных решения, позволяющие стабилизировать работу полупроводникового прибора.

Первая схема отличается от рассмотренной лишь тем, что резистор базы подсоединяется не к плюсу источника питания, а к коллектору полупроводникового прибора VT.

Рассмотрим, как она работает. Резистором Rб устанавливается ток покоя коллектора Iкп. Теперь, допустим, температура нагрева транзистора VT возросла, соответственно возрос и обратный неуправляемый ток Iко, то есть прибор еще дополнительно несколько приоткрылся. Это эквивалентно тому, что сопротивление его снизилось, а сопротивление Rк осталось прежним, поэтому согласно второму закону Кирхгофа произойдет перераспределение напряжений между VT и Rк. В результате этого снизится потенциал в точке подсоединения базового резистора Rб, соответственно снизится потенциал и на баз VT, поэтому последний несколько призакроется, то есть вернется в исходное состояние значение Iкп.

Упрощенно механизм работы данной схемы можно пояснить, если полупроводниковый прибор заменить эквивалентный сопротивлением.

Посмотри внимательно на Rк и Rт, они образуют делитель напряжения и если они равны, то в точке подключения Rб потенциал будет равен половине приложенного питания Uип. Для нашего случая потенциал в рассматриваемой точке равен 4,5 В.

Теперь представим, что Iкп вырос с 1 мА до 1,5 мА. Я специально беру завышенное значение, чтобы более наглядно объяснить суть происходящего процесса.

Увеличение Iкп свидетельствует о том, что общее сопротивление цепи снизилось. Но поскольку Rк не может уменьшиться, так как это реальный резистор, то значит, снизится эквивалентное сопротивление Rт. Вследствие этого 9 В перераспределятся по-новому между указанными резисторами.

Падение напряжения на Rк, согласно закону Ома, станет равным:

U_Rк = Iкп Rк = 1,5 мА∙4,5 кОм = 6,75 В.

Оставшееся U → 9 — 6,75 = 2,25 В будет приложено к VT.

Перерисуем условную схему с новыми значениями перераспределенных напряжений.

Таким образом потенциал в точке подключения Rб снизится с 4,5 В до 2,25 В, то есть в два раза. Уменьшение потенциала на Rб приведет к снижению потенциала и на базе транзистора. В результате этого он станет призакрываться. Это будет происходить до тех пор, пока Iкп снова не установиться равным 1 мА.

Обратная ситуация будет происходить, если Iкп покоя коллектора начнет снижаться. Такая ситуация может возникнуть, если электронное устройство вынести на мороз, поскольку при снижении температуры снижается концентрация собственных свободных зарядов, а соответственно и Iкп.

Я на этом так подробно остановился лишь потому, что в большинстве случаев в подобных схемах усилителей мощности звуковой частоты (УМЗЧ) обратные отрицательные связи построены и работают на рассмотренном принципе.

Сопротивление в цепи коллектора Rк, конденсаторы С1 и С2 рассчитывается точно также, как и для предыдущей схемы. Сопротивление Rб рассчитывается следующим образом:

Однако данная конфигурация усилителя не обладает особо высокой стабильностью, но, тем не менее, успешно применяется во многих электронных устройствах в виду своей простоты и экономичности. Широкого распространения рассмотренная структура схемы в усилителях звука (УМЗЧ) не получила поскольку отрицательная обратная связь воздействует не только на постоянную составляющую, но и на переменную, что приводит к ослаблению последней, а соответственно и полезной информации. Поэтому на практике получила наибольшее распространение схема с эмиттерной обратной отрицательной связью. Она обладает наибольшей температурной стабильностью.

Классическая схема усилителя мощности звуковой частоты УМЗЧ

Здесь мы видим, добавились три резистора Rб1, Rб2 и Rэ, а также емкость Cэ. Рассмотрим их назначение.

Наиболее простой и эффективный способ поддержания режима работы транзистора по постоянному току – это подать фиксированное значение напряжения на его базу, что осуществляется с помощью резисторов Rб1 и Rб2, которые параллельно подсоединены к Uип и представляют делитель напряжение источника питания. Вместе с Rэ резисторы делителя устанавливают необходимое значение напряжения смещения Uсм. Кроме того, посредством Rэ формируется обратная отрицательная связь, назначение которой ми уже знаем. Uсм образуется разностью U_Rб2 и U_Rэ.

При нагревании транзистора VT возрастает ток покоя коллектора Iкп, соответственно возрастает падение напряжения на Rэ. В результате чего снижается величина Uсм, поэтому VT призакрывается.

Резистор Rэ шунтируется конденсатором Сэ достаточно большой емкости, чтобы исключить обратную отрицательную связь по переменному току, то есть чтобы переменная составляющая эмиттерного тока не снижалась на Rэ.

Емкость Сэ обычно применяют от 10 мкФ и выше. Осталось определить номиналы трех сопротивлений: Rб1, Rб2 и Rэ.

Существуют несколько подходов к определению сопротивления указанных резисторов, но мы пойдем самым простым путем.

Падение напряжения на резисторе Rэ обычно рекомендуют принимать 1/5 от величины на Rк. Поскольку на Rк оно равно приблизительно половине от Uип, то есть 4,5 В, то напряжение на Rк примем 4,5/5 = 0,9 В. Тогда при заданном значении Iкп = 1 мА, сопротивление Rэ равно:

Чтобы определить значения Rб1 и Rб2 изначально задаются величиной тока, протекающего через делитель Iд. Как правило, его принимают равным 0,3 от Iкп. Поэтому и мы примем Iд = 0,3 мА. Падение U на нижнем резисторе делителя Rб2 должно быть больше U на Rэ на величину падения напряжения на эмиттерном переходе, которое в среднем равно 0,6 В. Поэтому U на Rб2 должно быть меньше суммы падений напряжений на переходе транзистора и на Rэ. Отсюда

Теперь определим Rб2.

Сопротивление Rб1 равно разности Uип и U_Rб2 деленной на Iд:

Стандартных номиналов расчетных значений сопротивлений Rб1 и Rб2 нет, поэтому выбираем ближайшие номиналы из стандартного ряда: 5,1 кОм и 24 кОм. Более точная установка Iкп осуществляется переменным резистором, включенным последовательно с Rб1.

В данной статье мы рассмотрели однокаскадный усилитель звука на транзисторе, но для усиления сигнала с микрофона потребуется еще один аналогичный каскад, который мы соберем в следующей статье.

Температурная стабилизация

Cтраница 1

Температурная стабилизация обеспечивается выбором близких значений токов IR2 и / кз с учетом того, что температурные коэффициенты изменений данных токов имеют разный знак.
 [1]

Температурная стабилизация представляет собой ответственнейшую задачу проектирования и включает ряд взаимосвязанных вопросов.
 [3]

Температурная стабилизация всех схем обеспечивается резистором R. Напряжение участка база — эмиттер образуется делителями Ri, RZ — Последовательное питание часто применяется в каскодных соединениях двух транзисторов.
 [5]

Температурная стабилизация достигается с помощью термистора, который создает компенсирующее смещение на базе. Последовательная эмиттерная отрицательная обратная связь не применяется для температурной компенсации, так как эмиттерное сопротивление снизило бы постоянную составляющую напряжения коллектор-эмиттер, что, в свою очередь, уменьшит усиление мощности.
 [6]

Температурная стабилизация усилителя обеспечивается благодаря глубокой отрицательной обратной связи по постоянному току. Переменным резистором R17 подбирают оптимальное напряжение коллектор — эмиттер транзистора Т2, оно составляет 4 5 В.
 [7]

Температурная стабилизация точек перегиба в этой схеме достигается включением транзисторов VT1 и VT4, работающих в диодном режиме. Транзистор VT4 компенсирует температурный сдвиг напряжения эмиттер-база ( Уэ. Когда VT2 и VT3 насыщаются, изменение напряжения Иэ. В этом случае падения напряжения на резисторах R3 и R5 равны [ / упр.
 [9]

Температурная стабилизация транзисторных усилителей может осуществляться при помощи схем с термозависимыми сопротивлениями и схем отрицательной обратной связи по переменному и постоянному токам.
 [11]

Температурная стабилизация многокаскадных усилителей при трансформаторной и емкостной связях между каскадами достигается стабилизацией каждого отдельного усилительного каскада. Очень эффективны глубокие отрицательные обратные связи, охватывающие несколько каскадов. Они стабилизируют как режим по постоянному току, так и коэффициент усиления усилителя.
 [13]

Температурная стабилизация многокаскадных усилителей на транзисторах может быть достигнута и при непосредственной связи между каскадами. В таких схемах рекомендуется чередовать каскады с общим эмиттером и общим коллектором, при этом температурные изменения токов / Л0б транзисторов в разных каскадах взаимно компенсируются. Схема такого усилителя приведена на рис. 3.6. Поскольку напряжения U, U3Z и Uза примерно одинаковы, достаточно стабилизировать коллекторное напряжение первого каскада.
 [15]

Страницы:  

   1

   2

   3

   4

   5