книги из ГПНТБ / Богомолов А.М. Судовая полупроводниковая электроника

точку на входных характеристиках на участок, имею­ щий меньшую кривизну, в результате чего нелинейные искажения уменьшаются. Такой режим работы транзи­ стора, при котором в начальной рабочей точке базовый ток не равен нулю, а имеет небольшое положительное значение, называется режимом класса АВ. В режиме класса АВ коллекторный ток в режиме покоя существен­ но выше неуправляемого коллекторного тока /к. э.о , а на­ пряжение на коллекторе UK.3.0 несколько меньше на­ пряжения коллекторного питания Ек.

Однотактные усилители класса А применяются в основном в каскадах предварительного усиления и вы­ полняют функцию усилителей напряжения. В выходных каскадах усилительных схем применяются двухтактные усилители класса В, класса АВ и, очень редко, класса А. Еще реже применяются двухтактные усилители класса С. В этом режиме усиления в начальной рабочей точке транзисторы усилителя надежно заперты за счет введе­ ния цепи запирающего смещения. Для этого режима ха­ рактерно превышение времени закрытого состояния трио­ дов над временем их токового состояния. Усилители класса С имеют высокий КПД и используются в тех слу­ чаях, когда допустимо значительное искажение сигнала.

§2. Стабилизация рабочей точки усилителя

Врежиме линейного усиления коллекторный переход транзистора смещен в запирающем направлении и через

него протекает незначительный обратный ток / к.0. Этот ток в базовой цепи триода распределяется в соответст­ вии с первым законом Кирхгофа между общим сопро­ тивлением резистивных элементов R6, подключенных к базе транзистора и входным сопротивлением транзи­

стора Д вх (рис. 27, б).

Если внешние сопротивления в базовой цепи отсут­ ствуют, то обратный ток коллектора полностью прохо­ дит в базу транзистора, в результате чего в коллектор­ ной цепи протекает ток:

71

Рис. 27. Нестабильность рабочей точки усилительного каскада на транзисторе:

коллекторный ток не равен нулю, а имеет некоторую ве­ личину, меняющуюся в зависимости от степени шунти­

ком коллектора / к.э.0, вызывает сдвиг начальной рабо­ чей точки транзистора, или, иными словами, нестабиль­ ность рабочей точки.

Для уменьшения неуправляемого тока коллектора в эмиттерную цепь транзистора вводят добавочный ре­

ния входа транзистора.

72

может служить мерой температурной нестабильности каскада.

так же, как производную коллекторного тока транзисто­ ра по обратному току коллектора:

Рис. 28. Термостабилизация транзисторного усилителя включением эмиттерного резистора:

а — принципиальная схема термостабилизированного усилителя; б — схе­ мы замещения термостабилизированного усилителя

73

далее по / к.о выражение для коллекторного тока, полу­ чить формулу для 5.

Гораздо проще, однако, в этой схеме замещения не учитывать ток / г, задаваемый ветвью установки рабо­ чей точки, и определять непосредственно неуправляемую

гается за счет уменьшения коэффициента усиления кас­

када.

Принято считать величину S равную 4-у7 наиболее оптимальной.

В усилительных схемах с большой величиной коллек­ торного сопротивления RK для температурной стабили­ зации рабочей точки может применяться отрицательная

74

уменьшения влияния обратного тока коллектора на кол­ лекторный ток, но и компенсацией обратного тока кол­ лектора с помощью вспомогательного источника тока. Температурный коэффициент этого источника должен быть равен температурному коэффициенту обратного тока коллектора.

Компенсационный элемент можно включать в коллек­ торную цепь полупроводникового триода (рис. 30, а), либо в базовую цепь (рис. 30, б, в). В качестве компен­ сационного элемента применяют транзистор, полупро­ водниковый диод либо термистор (полупроводниковое температурочувствительное сопротивление с отрицатель­ ным температурным коэффициентом). Естественная температурная компенсация выполняется в двухкаскад­ ных усилителях с резистивной межкаскадной связью (рис. 30, г). Для того чтобы двухкаскадный усилитель обладал свойствами температурной компенсации, необхо­ димо, чтобы транзисторы последовательно соединенных каскадов усилительной схемы были включены в следую­ щем сочетании: а) общий эмиттер — общий эмиттер; б) общий эмиттер — общий коллектор; в) общий

75

Рис. 30. Температурная компенсация обратного тока коллектора:

пенсация обратно смещенным диодом в цепи смещения; г — естественная температурная компенсация в двухкаскадном усилителе с резистивной связью

коллектор — общая база; г) общая база — общий эмит­ тер; д) общая база — общий коллектор.

В двухкаскадных усилителях с резистивной межкас­ кадной связью при других сочетаниях включения тран­ зисторов компенсации обратного тока коллектора не происходит, и даже наоборот, температурная нестабиль­ ность коллекторного тока значительно выше, чем у одно­ каскадного усилителя. Однако двухкаскадные усили­ тельные схемы с перечисленными сочетаниями включе­

76

ния транзисторов теряют свойство термокомпенсации при использовании транзисторов с различным типом проводимости. И наоборот, сочетания схем включения транзисторов, дающие низкую температурную стабиль­ ность при использовании транзисторов различного типа проводимости, становятся термокомпенсированными.

§ 3. Расчет усилительного каскада класса А

Вначале определяется сопротивление коллекторного резистора через требуемый коэффициент усиления по напряжению:

Необходимо помнить при этом, что максимальное сопротивление RK ограничивается некоторым допусти­ мым паразитным падением напряжения UK. неуПр, разви­ вающимся за счет действия обратного тока коллектора:

Далее необходимо задаться величиной падения нап­ ряжения на эмиттерном резисторе Иэ.р.т= т Е к и найти коллекторный ток рабочей точки.

По величинам / к . Р.т и £Л>.Р. т определяется сопротивле­ ние эмиттерного резистора:

Из формулы (52) следует, что

i — i - i + P

77

Коэффициент mi используется при определении ве­ личины RCMпо формуле (59) и величины Rp. т = тх R CM.

Входное сопротивление усилителя с учетом влияния цепи входного делителя определяется:

Яб + ^иэ

Уместно отметить, что в формулах (54) и (61) в це­ лях упрощения не учитывается зависимость входного сопротивления транзистора h n3 от нагрузки выходной цепи.

Это допущение по сравнению с представлением не­ линейного сопротивления h\\3 его фиксированным пас­ портным значением является не столь уж грубым. Кро­ ме того, в данной методике расчета предполагается, что эмиттерный резистор Яэ шунтирован конденсатором большой емкости, благодаря чему сопротивление R3 не влияет на входное сопротивление каскада по переменно­ му току.

§ 4. Частотные особенности многокаскадных низкочастотных усилителей с емкостной связью

Емкости, содержащиеся в схеме усилительного кас­ када (емкость связи, емкость, шунтирующая эмиттерное сопротивление, а также паразитные емкости входной и выходной цепи), влияют на форму амплитудно-частот­ ной и фазово-частотной характеристики усилителя,

78

уменьшая коэффициент усиления на границах частот­ ного диапазона, а также вызывая фазовый сдвиг выход­ ного сигнала, зависящий от частоты.

Однако, поскольку усилители, применяемые в схемах автоматики, в основном низкочастотные, то влиянием паразитных емкостей на верхнюю границу частотного

эмиттерной цепи на нижнюю границу частотного диапазона.

На средних частотах влиянием емкостей также мож­ но пренебречь и считать коэффициент усиления по нап­ ряжению и коэффициент усиления по току зависящим только от величин сопротивлений резистивных элемен­ тов схемы. При всех частотах на коэффициент усиления схемы сильно влияет эквивалентное сопротивление цепи входного делителя R 6. Для повышения коэффициента усиления желательно, чтобы эквивалентное сопротивле­ ние цепи входного делителя было намного больше вход­ ного сопротивления схемы по переменному току:

^вх ~ (1 + Р) г 3 .

При всех частотах коэффициент усиления по току и коэффициент усиления по напряжению схемы зависят прямо пропорционально от коэффициента усилителя транзистора |3. На очень низких частотах на коэффи­ циент усиления сильно влияют частотные свойства ем­ костной цепи связи.

Если задана нижняя частота шн и коэффициент ча­ стотных искажений на этой частоте Мн, то можно найти минимальную величину постоянной времени реостатно­ емкостной связи:

Постоянная времени цепи связи определяется как произведение емкости Ссв на сумму сопротивления ис­ точника сигнала 7?ги эквивалентного входного сопротив­ ления усилителя (рис. 31, а).

79

Отсюда минимальную величину емкости связи можно определить как

Если источником сигнала является выходная цепь транзисторного усилителя, то величину Rr можно при­ нять равной сопротивлению коллекторной цепи этого каскада: R r = RK-

Если усилитель низкой частоты с емкостной связью состоит из N однотипных каскадов, то нижняя гранич­ ная частота всего усилителя сон.л’ будет выше граничной частоты о)„ отдельного каскада. При однотипных кас­ кадах допустимо считать, что

влияет на частотные свойства усилителя, ограничивая его нижнюю частоту.

Задаваясь коэффициентом частотных искажений М н на некоторой нижней частоте «„ частотного диапа­ зона, можно определить минимальную величину блоки­ ровочной емкости Сэ по следующей формуле:

80