книги из ГПНТБ / Воронков Э.Н. Основы проектирования усилительных и импульсных схем на транзисторах учеб. пособие [для сред. спец. учеб. заведений]

Г л а в а VI

УС И Л И Т Е Л И постоянного ТОКА

§6. I. ОСОБЕННОСТИ УСИЛИТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Усилителями постоянного тока называют усилители, коэффи­ циент усиления которых не уменьшается при снижении частоты вплоть до нуля. Такие усилители без искажений усиливают сколь угодно медленно меняющиеся сигналы.

Для того чтобы обеспечить необходимую частотную характе­ ристику, в усилителях постоянного тока осуществляется гальва­ ническая связь между каскадами: вход последующего каскада соединяется с выходом предыдущего непосредственно или через сопротивления.

Гальваническая связь обусловливает две основные особен­ ности усилителей постоянного тока, которые должны учитываться при их проектировании: 1) необходимость согласования потен­ циальных уровней источника сигнала и входа усилителя; 2) медленное самопроизвольное изменение выходного тока тран­ зистора (дрейф), которое может быть воспринято как измене­ ние сигнала.

Главной задачей при разработке усилителей постоянного тока на транзисторах является рациональное построение схемы усилителя, обеспечивающее уменьшение дрейфа до допустимой величины во всем рабочем диапазоне температур при обеспече­ нии всех прочих требований, которые обычно предъявляются к усилителям.

Основной причиной дрейфа выходного тока является измене­ ние параметров транзистора с температурой. Кроме того, на по­ ложение рабочей точки могут сказываться колебания напряже­ ния источников питания и хаотическая ползучесть параметров транзистора. Однако температурный дрейф является наиболь­ шим, поэтому при проектировании схемы температурный дрейф должен учитываться в первую очередь.

Абсолютную величину дрейфа в транзисторном каскаде можно характеризовать приращением коллекторного тока, кото­ рое может быть рассчитано по формуле (4.17), использовав­ шейся при анализе нестабильности транзисторного каскада. Как видно из формулы, абсолютный дрейф зависит от коэффициента нестабильности и будет уменьшаться при увеличении сопротивле­ ния в цепи эмиттера и уменьшении сопротивления в цепи базы.

Часто стабильность усилителей постоянного тока характери­

где бUBX и 6/вх — напряжение и ток приведенного дрейфа.

80

§ 6.2. ОДНОТАКТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

На рис. 6. 1 показана схема двухкаскадного одиотактного усилителя постоянного тока с непосредственной связью между каскадами. В этой схеме потенциал базы второго транзистора выравнивается с потенциалом коллектора первого транзистора с помощью резистора Я32 - В многокаскадных усилителях по­ стоянного тока типа, показанного на рис. 6.1, потенциал коллек­ тора будет возрастать от каскада к каскаду на величину коллек­ торного напряжения, соответственно должен возрастать и потен-

циал эмиттера. Повысить потенциал эмиттера можно при уве­ личении Яэ или тока через него, последнее предпочтительнее, поскольку с возрастанием Я3 падает усиление каскада. Часто, чтобы поднять потенциал эмиттера, последовательно с Я3 вклю­ чают опорные диоды (рис. 6.2). Резистор Я0 служит для задания тока через опорный диод в тех случаях, когда ток эмиттера для этого недостаточен.

Рассмотрим температурный дрейф для усилителя, приведен­ ного на рис. 6.1. При увеличении температуры увеличивается коллекторный ток первого транзистора, что приведет к умень­ шению потенциала базы второго транзистора и, следовательно, к уменьшению его коллекторного тока. Это уменьшение тока может частично или полностью компенсировать температурное приращение тока коллектора второго транзистора. Таким обра­ зом, в усилителях с четным числом каскадов компенсируется тепловой дрейф.

Схема усилителя постоянного тока (см. рис. 6.1) принци­ пиально не отличается от схемы усилителя переменного тока, поэтому расчет таких параметров как коэффициенты усиления по току и напряжению, а также входное и выходное сопротивле­

81

ния может проводиться по тем же формулам, что и для усили­ телей переменного тока (4.24), (4.25), (4.28). Однако, поскольку в схеме усилителя постоянного тока сопротивление в цепи эмит­ тера не шунтируется емкостью, оно должно учитываться. По­ этому в расчетные формулы вместо гэ нужно подставлять

(гэ+Яэ). Тогда

•/?вх.т= Л5+ (г3+ У?э) (ß + 1).

Отрицательная обратная связь через сопротивление приводит к значительному возрастанию входного сопротивления усилителя постоянного тока и вследствие этого к уменьшению коэффи­ циента усиления каскада по напряжению

в цепи коллектора (в многокаскадных уси­ лителях в качестве Rn служит входное со­ противление следующего каскада).

Таким образом, для того чтобы каскад обладал усилением по напряжению, необходимо, чтобы

R n > R s.

R ’

Как правило, наибольшее отношение —— удается получить

для первых каскадов усилителя.

§ 6.3. ДВУХТАКТНЫЕ (БАЛАНСНЫЕ) УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Втранзисторных усилителях постоянного тока так же, как

ив ламповых, большое распространение получили параллельно­ балансные усилительные каскады. Схема такого каскада с тран­

абсолютный дрейф в нагрузке в левой и правой половине схемы одинаковый, то общий дрейф в нагрузке будет равен нулю. Рас­ смотрим это подробнее.

тора первого и второго транзисторов. Используя эквивалентную схему каскада, можно найти ток

[ __ IK\RK — hilRy."

ÄK'+ t f K" + tf„

82

Дрейф в нагрузке, который возникнет при изменении коллекторного тока транзисторов, запишем так:

где Д/кI и Д/к2 — приращения токов в рабочем диапазоне темпе­ ратур, которые могут быть определены для каждой половины схемы по формуле (4.17)*.

Чтобы дрейф был минимальным, необходимо брать транзи­ сторы Т\ и Т2 с наиболее близкими параметрами.

Сигнал в балансном каскаде может подаваться симметрично

* При расчете коэффициента у, входящего в формулу (4.17), следует условно разделить Rs на два параллельно включенных резистора и отнести каждый из них к соответствующей половине схемы. Тогда Rai—Rw—ZRo-

83

тенциалов, обусловленные разбросом параметров транзисторов или сопротивлении, могут привести к увеличению тока через и запиранию одного из транзисторов. Чтобы повысить стабиль­

ность каскада, в цепь эмиттера часто включают дополнительное сопротивление, которое может быть использовано и для баланси­ ровки каскада, как в схеме рис. 6.4. Следует однако учитывать, что через R0 осуществляется отрицательная обратная связь, по­ этому усиление каскада будет меньше [см. формулу (6.2)].

§ 6.4. СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

Широкое распространение усилители постоянного тока на­ шли в схемах стабилизаторов напряжения. Стабилизаторами на­ пряжения называют устройства, поддерживающие постоянным напряжение на выходе при изменении величины входного напря­ жения и нагрузки в определенных пределах. Простейшая схема стабилизатора приведена на рис. 6. 5. Стабилизированное напря­ жение получают с помощью стабилитрона Д, избыточное напря­ жение выделяется на последовательно включенном резисторе R.

сится к так называемым параметрическим стабилизаторам, так как его действие основано на нелинейности вольт-амперной ха­ рактеристики прибора. Такие схемы имеют ограниченное приме­ нение вследствие малой мощности рассеяния и относительно большого сопротивления диода на участке пробоя (для кремние­ вых стабилитронов до 100 Ом).

Более совершенным является стабилизатор с использованием транзистора (рис. 6.6). Опорное напряжение задается включен­ ным в цепь базы стабилитроном. Регулирующим элементом является транзистор. Если выходное напряжение увеличится, то между эмиттером и базой напряжение также увеличится, это вызовет увеличение тока коллектора и, следовательно, увеличе­ ние падения напряжения на резисторе R и уменьшение падения напряжения на транзисторе, в результате выходное напряжение сохранится постоянным. Стабилизирующие свойства данной схемы более высоки по сравнению со схемой на одном стабили­ троне. При использовании транзистора схема может пропускать

84

ток в ß раз больший, чем ток, пропускаемый в схеме с одним стабилитроном, поскольку источник опорного напряжения вклю­ чен в цепь базы транзистора, а не непосредственно в цепь на­ грузки.

Транзистор включен по схеме с общим коллектором. Коэффи­ циент усиления по напряжению эмиттерного повторителя близок к единице и, таким образом, выходное напряжение приблизи­ тельно равно входному, т. е. опорному напряжению и не зависит

билизатор этого типа позволяет работать с нагрузкой, содержа­ щей источник напряжения. Напряжение стабилизируется как при отдаче мощности в нагрузку, так и при потреблении стаби­ лизатором мощности от нагрузки.

Недостатком стабилизатора параллельного типа является низкая эффективность его вследствие рассеяния значительной мощности на последовательно включенном баластном резисторе JR. Поэтому параллельные стабилизаторы применяют в основном,

рующий и нагрузочный токи находятся в прямой зависимости, что обусловливает высокий КПД схемы, мало зависящий от изменения нагрузки.

Принципиальная схема стабилизатора последовательного типа приведена на рис. 6.7. В этой схеме последовательно с на­ грузкой включен транзистор Ти внутреннее сопротивление кото­ рого изменяется таким образом, что выходное напряжение остается постоянным. Схема стабилизирует напряжение как при колебаниях входного напряжения, так и при изменении тока на­ грузки. Это достигается сравнением опорного и фактического

85

значения напряжений. Опорное напряжение можно получить от кремниевого стабилитрона. В качестве фактического можно использовать часть выходного напряжения. Сравнение произво­ дится на сравнивающем элементе транзистора Т2. Разность на­ пряжений усиливается и воздействует на внутреннее сопротив­ ление транзистора Гь включенного последовательно с нагрузкой таким образом, чтобы скомпенсировать возникающие отклонения выходного напряжения. Величина выходного напряжения регу­ лируется изменением величины фактического напряжения, пода­ ваемого с выхода стабилизатора на базу сравнивающего тран­ зистора. Таким образом, значение выходного напряжения стаби­ лизатора определяется делителем R3R4 .

Резистор R 1, с одной стороны, является нагрузкой транзи­ стора Г2 и, чем больше его величина, тем выше усиление каскада и меньше выходное сопротивление стабилизатора; с другой сто­ роны, это сопротивление задает ток смещения регулирующего транзистора и должно иметь небольшую величину для получения широкого диапазона регулирования стабилизатора. Поэтому при выборе R 1 следует принять компромиссное решение.

Ток стабилитрона определяется резистором R2 . При отсутст­ вии этого резистора через стабилитрон протекает эмиттерный ток сравнивающего транзистора (порядка 1 мА). Величина этого тока недостаточна для задания режима стабилитрона, а его изменение может вызвать нестабильность опорного напря­ жения.

Основными параметрами стабилизатора являются выходное напряжение, максимальный ток нагрузки, дрейф выходного на­ пряжения и КПД. КПД стабилизатора определяется как отно­ шение мощности в нагрузке к номинальной входной мощности

Ц = ^ пь'х/—. Кроме того, параметрами, характеризующими ста-

ДіхАх

билизатор, являются коэффициент стабилизации К с~ ■ пх X

А ” вых

X 100-процентное изменение входного питающего напряжения по отношению к процентному изменению выходного напряжения при постоянной нагрузке, и выходное сопротивление стабилиза­

тора /?вЫХ= А^-?Ы* — изменение выходного напряжения при из- д/н

менении тока нагрузки при постоянном входном напряжении. После нескольких преобразований коэффициент стабилизации можно записать в виде Кс = КиП, где Ки — коэффициент усиле­ ния по напряжению транзистора Т2. Таким образом, для хоро­ шей стабилизации требуется большое усиление транзистора Т2, поэтому на практике обычно применяют две, три или более уси­ лительных ступеней. Так, например, при /(=100 и при колеба­ ниях входного напряжения на 10% колебание выходного напря­ жения составит 0,1%. а внутреннее сопротивление источника питающего напряжения уменьшится в 100 раз.

86

На рис. 6.8 приведена схема стабилизатора с дополнитель­ ным усилительным элементом (усилителем постоянного тока), выполненным на транзисторе Т2. Часть выходного напряжения

транзисторе Г3. Регулирующим элементом схемы является тран­ зистор Г,. При уменьшении выходного напряжения на величину Д£Лшх его часть, равная пД{УВЬ1Х, подается на транзистор Т3. Воз­ растание потенциала на базе транзистора Т3 относительно эмит­ тера вызывает снижение тока коллектора, а следовательно, уве-

^ 2

личение отрицательного напряжения на коллекторе. Это способ­ ствует увеличению тока базы и коллектора усилительного транзистора Т2, а также увеличению тока базы и коллектора регулирующего транзистора Т\. Сопротивление регулирующего транзистора уменьшается, вследствие чего уменьшается падение напряжения на нем и увеличивается напряжение на выходе, компенсируя первоначальное уменьшение. При увеличении выход­ ного напряжения схема работает аналогично.

При очень малом токе нагрузки ток в базе транзистора Т\ может уменьшиться до значения /к0 и тем самым вызвать запи­ рание транзистора Т2. Во избежание запирания включается рези­ стор До, по которому протекает ток, компенсирующий Ік0'.

В схеме стабилизатора, представленной на рис. 6.9, колеба­ ния выходного напряжения можно свести к минимуму введением стабилизированного питания транзистора Т2. Кроме того, в этой схеме максимально снижено внутреннее сопротивление Rm по­ средством введения в цепь регулировки напряжения, пропор­ ционального току нагрузки. Плавная регулировка выходного напряжения может быть осуществлена с помощью потенцио­

87

метра, включенного в цепь базы транзистора Г2. При переме­ щении движка потенциометра Я$ вверх (см. схему) выходное напряжение будет уменьшаться. Очевидно, снизить выходное напряжение ниже опорного в данной схеме невозможно.

Более низкие напряжения мож­ но получить при введении спе­ циального источника напряже­ ния + Е (рис. 6.10). В этом слу­ чае опорное напряжение уста­ навливается выше уровня «ну­ левого потенциала» схемы. Вы­ ходное напряжение в этой схе­ ме определяется выражением

Яя

Яі '

Расчет схемы стабилизатора

Рассчитаем стабилизатор последовательного типа, приведен­ ный на рис. 6.8. Исходные данные при расчете стабилизатора следующие:

коэффициент стабилизации /Сс; выходное напряжение £/вых; максимальный ток нагрузки /н.макс; выходное сопротивление Явы*',

максимальное и минимальное значения входного напряжения

и вх.макс II Uвх .мин-

Сначала, пользуясь расчетными соотношениями, следует вы­ брать тип транзисторов.

1. Предельно допустимый ток коллектора регулирующего

т р а Н З И С Т О р а Т, Л <.максI-^/н.макс-

2. Предельно допустимое напряжение регулирующего тран­ зистора ТI £/к.э.макс^> Б^вх.макс ^вых-

3.Предельно допустимая мощность рассеяния на коллекторе регулирующего транзистора.

4.Предельно допустимый ток коллектора транзистора в уси­

где / к0' — максимальный обратный ток коллекторного перехода при максимальной рабочей температуре.

83

5.Предельно допустимое напряжение транзистора усили­ тельного Каскада Нк.э.макс2~ Нк.э.максЬ

6.Предельно допустимая мощность рассеяния транзистора

уСИЛИТеЛЬИОГО каскада Рк.мансг^ Нк.э.максг^к.максг- 7. Предельно допустимый ток коллектора транзистора срав­

нивающего каскада І к максз> ( + / ДаѴ где ßMIIH2 — мини-

\Рмин2 /

мальная величина коэффициента усиления по току транзистора Т2, а /ді — ток, протекающий через сопротивление R\\

8. Предельно допустимое напряжение транзистора сравни­

ного каскада и Ноп— опорное напряжение на стабилитроне. Так как Пэ.б! и Hg.62 значительно меньше Ноп, ими можно пренебречь.

9. Предельно допустимая мощность транзистора сравниваю­ щего каскада / \ цакс8 > (у ' ^ с2 + Лц)

10.С увеличением коэффициента усиления по току регули­ рующего и усилительного транзисторов коэффициент стабилиза­ ции возрастает.

Остальные элементы схемы рассчитываются в следующем порядке.

11.Определяется значение R\. Резистор R\ выбирается из условия обеспечения максимального усиления каскада, с одной стороны, и обеспечения максимального тока регулирующего кас­ када, с другой стороны.

Оптимальное значение определяется из следующих соотно­ шений:

ного каскада, а ßMfrai и ßMiraa — минимально возможные значения коэффициентов усиления транзисторов регулирующего и усили­ тельного каскадов соответственно; максимальное падение на­ пряжения на R\, UR[ приблизительно равно максимальному на­ пряжению между эмиттером и коллектором регулирующего транзистора.

Следовательно,

Л'іD _— £П?2 — к.э.максіРминіРмин2

11 н.макс

12.Определяется R2 из следующих соотношений:

89