МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
по курсу
«СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ»
Часть 4. «Обеспечение и стабилизация режима работы транзисторов по постоянному току»
4. Обеспечение и стабилизация режима работы транзисторов по постоянному току
4.1. Цепи питания, обеспечивающие режим работы транзисторов по постоянному току. Значение этих цепей
При разработке АЭУ качественное проектирование и размещение источников питания и цепей питания имеет большое значение. Это важно как при обеспечении режимов работы транзисторов на постоянном токе, так и при использовании АЭУ с реальными сигнальными воздействиями. Неправильно спроектированные цепи питания и неправильно размещенные элементы блоков питания приводят:
– к неоправданно большому падению потенциалов на шинах питания и как следствие этого уход от расчетного положения ИРТ усилительных элементов;
– к появлению "шумов" в виде мешающего сигнала (наводки от сети питания). Подобный "шум" на практике может оказаться более существенным, чем внутренний шум радиокомпонентов и приводить к нестабильному положению ИРТ.
Появление неоправданно большого падения потенциала на шинах вызвано тем, что, например:
– площадь поперечного сечения проводников имеет малую величину, соответственно в этом случае проводники будут иметь большое сопротивление;
– неправильное подключение каскадов усилителя к шинам питания;
– непродуманная разводка цепей питания (слишком длинные шины).
На рис.4.1 приведена эквивалентная схема подключения двух усилительных каскадов к шинам питания.
Рис.4.1
Допустим, что усилительный каскад (УК2) является усилителем мощности и соответственно потребляет большую мощность, а УК1 – маломощный усилительный каскад. В этом случае, если не учесть сопротивление шин питания, результаты расчета положения ИРТ в первом усилительном каскаде (УК1) будут сильно отличаться от экспериментально полученных за счет падения потенциалов на шинах питания.
Пусть величина напряжения источника питания равна Eп, тогда потенциал на зажимах подключения питания к каскаду УК1 будет определяться выражением:
,
где:
—
напряжение источника питания;
—
сопротивления шины питания;
—
сопротивления шины земли;
—
токи, потребляемые первым и вторым
усилительными каскадами.
Из выражения видно, что увеличение сопротивлений шин питания и земли приводит к уменьшению напряжения питания подаваемого на первый усилительный каскад. Это может привести к нарушению положения ИРТ, если не принять специальных мер.
Пример 4.1.Применительно к структурной схеме усилителя, представленной на рис.4.1, оценить напряжение питания первого усилительного каскада при условии, чтоRш2=Rз2= 0,5Ом ,IУК2= 500мА, Еп= 5В,Rш1=Rз1= 0Ом.
Решение.Согᐻасно условий можно
записать
.
Таким образом, напряжение питания,
подаваемое на первый усилительный
каскад, меньше на 0,5В из-за наличия
существенных по величине сопротивлений
шин питания и замли и неправильного
подключения каскадов к источнику
питания.
Пример 3.2.На рис.4.2 приведена электрическая схема усилительного каскада УК1 на постоянном токе. ПустьRш2=Rз2= 0,1Ом,IУК2= 1А,Eп= 5 В.
Рис.4.2
Рассчитать изменение тока эмиттера транзистора VT при изменении напряжения питания на усилительном каскаде, за счет падения потенциала на шинах питания и земли.
Решение.На основании примера 4.1 можно записатьEпУК1=Eп– 0,2=4,8В.
Считаем, что Iб.тр<<Iдел, гдеIб.тр—ток базы транзистора, аIдел.—ток делителя (ток, протекающий через сопротивления R1 и R2). Тогда в ходе расчетов ток базы транзистора учитывать не будем, а ток делителя будем считать равнымIдел=0,5мА. Пусть приEпУК1=Eпимеем, что напряжение на переходе база-эмиттер транзистора равноUбэ=0,7В. Для этого случая найдем значения резисторовR1 иR2:
R2=(Uбэ/Iдел)=0,7/0,5=1,4кОм;R1=(Eп–Uбэ)/Iдел=(5–0,7)/0,5=8,6кОм.
При изменении напряжения питания усилительного каскада (считаем, что EпУК1=4,8В) получим изменение и тока делителя :
Iдел=EпУК1/(R1+R2)=4,8/(1,4+8,6)=0,48мА.
В этом случае падение потенциала на резисторе R2 будет равно:
UR2=Iдел*R2=0,48*1,4=0,672В.
В первом случае (EпУК1=5В) имеем, чтоIэ1=I0*exp(Uэб1/mт), а во втором случае (EпУК1= 4,8 В) имеем, чтоIэ2=I0*exp(Uэб2/mт). Учитывая это можно найти отношение токов эмиттера транзистора для первого и второго случаев:
(Iэ1/Iэ2)=[exp(Uэб1/mт)]/[exp(Uэб2/mт)]=exp[(Uэб1–Uэб2)/mт]=
=exp[(0,7–0,672)/mт]=exp(0,028/mт).
Поскольку изменение потенциала на переходе база-эмиттер транзистора в 0,028В соизмеримо с температурным потенциалом, то можно записать, что:
Iэ13*Iэ2.
Таким образом, для рассматриваемой схемы усилительного каскада, отклонение напряжения питания на 0,2 В приводит к изменению тока эмиттера транзистора в 3 раза.
Из выше приведенных примеров можно видеть, что с целью снижения влияния сопротивления шин питания и земли на устойчивую работу АЭУ, их необходимо проектировать с малым сопротивлением. При расчетах усилительных каскадов необходимо учитывать падение потенциалов на шинах питания и земли. В ответственных схемах можно использовать устройства локальной стабилизации напряжения питания усилительных каскадов (параметрические стабилизаторы).
При плохо продуманной разводке цепей питания усилительных устройств могут возникнуть помехи, наводимые на схему, например, от источников питания. Сигнал помехи может попасть в усилительный прибор по линиям питания или по линиям ввода и вывода полезных сигналов. Помехи могут попасть в схему через емкостную связь между проводами (электростатическая связь) или за счет электромагнитной связи элементов схемы с замкнутыми контурами линий связи, либо через короткие отрезки проводов, выступающих в роли передающих и приемных антенн.
Для исключения (более точно – для снижения) помех, поступающих по линиям питания лучше всего делать ставку на комбинацию линейных радиочастотных фильтров и подавителей переходных процессов в линии переменного тока. Проектируя схемы необходимо стремиться к снижению емкостных связей между элементами усилительных устройств и других устройств. Весьма важно не иметь "кольцевых" шин питания и земли. Достаточно часто используются различного рода экранирующие поверхности для защиты от помех ответственных узлов.