5.5. Цепи питания усилительных элементов

5.5.1. Общие сведения

Как отмечалось в параграфе 5.3, режим работы УЭ определяется в основном положением рабочей точки (точки покоя) на вольтамперных характеристиках УЭ, которое обеспечивается режимом питания УЭ по постоянному току, то есть подачей во входную цепь (на управляющий электрод относительно эмиттирующего электрода) и выходную цепь (на управляемый электрод относительно эмиттирующего электрода) постоянных напряжений и токов от источника питания:

• для БТ это будут , (напряжение и ток смещения базы) и , (постоянное напряжение и постоянный ток коллектора);

• для ПТ это будут (напряжение смещения в цепи затвора) и , (постоянное напряжение и постоянный ток стока);

• для ЭЛ это будут (напряжение смещения в цепи управляющей сетки) и , (постоянное напряжение и постоянный ток анода).

Задача обеспечения режима УЭ по постоянному току и стабилизация этого исходного режима решается с помощью цепей питания УЭ. При этом возможные отклонения от заданного режима под воздействием различных дестабилизирующих факторов (изменение температуры, старение УЭ и разброс их параметров, изменение напряжений питания УЭ и т. д.) не должны превышать допустимых значений.

При построении цепей питания УЭ в многокаскадных усилителях стремятся обойтись одним источником питания.

5.5.2. Цепи питания управляемых электродов усилительных элементов – коллекторов, стоков, анодов

Постоянные питающие напряжения на управляемые электроды УЭ относительно эмиттирующих электродов подают в зависимости от вида каскадов через резисторы, генераторы стабильного тока (ГСТ), трансформаторы и т. п. При этом в многокаскадных усилителях цепи питания управляемых электродов всех каскадов подключают к общему источнику питания параллельно. Напряжение общего источника питания выбирают, ориентируясь на каскад с наибольшим питающим напряжением (выходной каскад). При этом питающие напряжения для предварительных каскадов получают из путем "гашения" излишков на сопротивлениях развязывающих фильтров в цепях питания предварительных каскадов (см. ниже). В ламповых усилителях с использованием экранированных электронных ламп питание их экранных сеток осуществляется также от общего источника питания. Если лампа работает в режиме "А", то постоянное напряжение на экранную сетку подается с помощью сопротивления в экранной цепи , при этом между экранной сеткой и общим проводом (или катодом) включается блокировочный конденсатор достаточно большой емкости для предупреждения ООС по экранной цепи за счет . Если же лампа работает в режиме "В", то питание на экранную сетку подается с помощью делителя питающего напряжения, образованного сопротивлениями и , с которого и снимается постоянное напряжение на экранную сетку . При этом, как и в режиме "А", должен включаться конденсатор .

Напряжение источника питания в зависимости от назначения и мощности усилителя обычно составляет единицы и десятки вольт в усилителях на БТ и ПТ (как в дискретном, так и в интегральном исполнении), десятки и сотни вольт в ламповых усилителях сравнительно небольшой мощности, единицы киловольт в очень мощных ламповых усилителях.

Общий источник питания должен обеспечивать ток , равный сумме токов всех каскадов многокаскадного усилителя.

Принцип параллельного питания каскадов многокаскадного усилителя от общего источника питания является целесообразным как с технической, так и с экономической точек зрения. Он применяется не только в усилительных устройствах, но и в других устройствах РС, РВ и ТВ. При этом нужно только иметь в виду, что за счет общего источника питания может возникать паразитная обратная связь между каскадами, которая может ухудшить показатели многокаскадного усилителя и даже привести к его самовозбуждению. Суть этой проблемы можно пояснить, например, по структурной схеме трехкаскадного усилителя (рис. 5.19), в котором каждый каскад собран по однотактной схеме на БТ структуры "n-p-n" при включении с ОЭ в режиме "А" (или на ПТ с каналом "n"-типа, или на ЭЛ при включении их соответственно с ОИ и ОКат).

Пусть на вход усилителя поступает синусоидальный сигнал u_вх1=U_m.вх1^.sin_ct. Каждый каскад в процессе усиления сигнала будет инвертировать его (поскольку БТ включены с ОЭ). При этом ток сигнала выходной цепи каждого каскада, протекая через общий источник питания, создает на его внутреннем сопротивлении Z_в переменное падение напряжения с частотой сигнала. Наибольшее падение напряжения создает большой ток сигнала выходного (в данной схеме – третьего) каскада U_ос3=I_вых3^.Z_в. В однокаскадных усилителях этим напряжением можно пренебречь ввиду малости по-сравнению с выходным напряжением сигнала каскада. В многокаскадных же усилителях оно вместе с питающим напряжением поступает по цепям питания в выходные и входные цепи всех каскадов, усиливается ими, создает выходной ток и падение напряжения на Z_в. В результате образуются петли паразитной ОС, что ухудшает показатели усилителя, а при выполнении условий баланса фаз и амплитуд в какой либо из петель может привести к самовозбуждению усилителя. Как видно из временных диаграмм на рис. 5.19 условие баланса фаз выполняется по входу второго каскада, то есть в этой петле будет действовать положительная ОС. Если при этом в этой петле выполнится и условие баланса амплитуд, то схема самовозбудится.

Для ослабления паразитной обратной связи за счет общего источника питания принимают специальные защитные меры:

1. Уменьшают внутреннее сопротивление источника питания , для чего источник питания шунтируют блокировочным конденсатором большой емкости (см. на схеме пунктиром), а если этого недостаточно или потребуется

Рис. 5.19

нереально большая емкость, то применяют сложные электронные стабилизаторы питающего напряжения с очень малым внутренним сопротивлением (что усложняет и удорожает устройство);

2. Применяют в цепях питания развязывающие (интегрирующие) R_фС_ф-цепочки (на высоких частотах -цепочки).

Развязывающие -цепочки практически всегда используют в многокаскадных усилителях: это просто, недорого и эффективно. В схемах применяется последовательное, параллельное и комбинированное (смешанное) включение -цепочек (последнее – при числе каскадов больше трех). Наиболее выгодным с точки зрения ослабления является последовательное включение цепочек (см. на рис. 5.19 пунктирные цепочки и ). В этом случае к ослабляющему действию цепочки добавляется ослабляющее действие цепочки . При параллельном включении цепочку включают в питающую шину только второго каскада (помечено крестиком). Механизм действия -цепочки поясняется рисунком5.20. Как видно, -цепочка представляет собой частотнозависимый делитель переменного напряжения паразитной ОС U_ос. Под действием в цепочке протекает ток

,

который создает на емкости падение напряжения

.

Очевидно, что , так как часть теряется на . Отношение называется коэффициентом развязки -цепочки. После подстановки сюда выражения для получается расчетное выражение для коэффициента развязки -цепочки

. (5.6)

Как видно, коэффициент развязки будет тем больше, чем больше постоянная времени -цепочки . При выборе и принимают во внимание, что с увеличением емкости увеличиваются габариты и стоимость конденсатора, а с увеличением увеличиваются потери питающего напряжения на нем . Обычно задаются падением постоянного напряжения на порядка . В питающую цепь выходного каскада -цепочку для развязки обычно не включают, так как из-за большого постоянного тока выходного каскада даже на малом будет большое падение напряжения .

Цепочка кроме развязки одновременно выполняет другую полезную функцию – осуществляет дополнительное сглаживание пульсаций питающего напряжения выпрямителя (рис. 5.21), которые проявляют себя как фон на выходе усилителя (см. раздел о собственных помехах усилителей).

Рис. 5.20 Рис. 5.21

Механизм ослабления напряжения пульсаций аналогичен механизму ослабления напряжения паразитной обратной связи , и расчетное выражение для коэффициента сглаживания пульсаций аналогично выражению для коэффициента развязки (5.6) с той лишь разницей, что в нем вместо частоты сигнала будет частота пульсаций :

. (5.7)

Здесь , где , – число фаз выпрямления выпрямителя (обычно ).

И, наконец, следует назвать еще одну полезную функцию -цепочек в питающих цепях усилителей. В широкополосных и импульсных усилителях -цепочки используются для коррекции АЧХ и ФЧХ в области низких частот и ПХ в области больших времен.

Как видно, роль простейших -цепочек в питающих цепях усилителей, трудно переоценить: это эффективное, простое и недорогое схемотехническое средство для развязки каскадов по цепям питания, для сглаживания пульсаций источника питания и для коррекции АЧХ и ФЧХ в области нижних частот и ПХ в области больших времен.

В заключение следует отметить, что в питающих цепях УПТ, в том числе ОУ, вместо цепочки включают цепочку из и полупроводникового стабилитрона VD (вместо конденсатора ), хорошо показавшего себя в отношении стабилизации питающего напряжения, ослабления пульсаций и паразитной ОС, но потребляющего постоянный ток от источника питания.