Паразитные ОС и способы их устранения

В усилителе часто возникают ОС, не создаваемые специально. Такие ОС называются паразитными. Паразитная ОС может быть отрицательной и положительной. Паразитная отрицательная ОС не приводит к заметному ухудшению показателей усилителя, а даже может их несколько улучшить, поэтому на нее обычно не обращают особого внимания. При положительной ОС существенно ухудшаются технические показатели.

Основными видами паразитной ОС являются:

1) связь через междуэлектродные емкости – этот вид наиболее опасен для усилителей высокой частоты;

2) связь, возникающая в результате индуктивного и емкостного взаимодействия между деталями и проводами усилителя. Устранение этого вида паразитной ОС достигается рациональным расположением элементов схемы, правильным монтажом, экранированием катушек индуктивности, трансформаторов и отдельных проводов;

3) связь через общие источники питания. В многокаскадных усилителях источник питания является общим для всех каскадов. Через его внутреннее сопротивление R_и протекают токи сигнала всех каскадов и на его концах появляется напряжение сигнала U_oc. Хотя это напряжение ничтожно мало по сравнению с напряжением на нагрузке, но попав по цепям питания на вход усилителя оно может, при определенных условиях, резко изменить свойства усилителя или даже превратить его в генератор паразитных колебаний.

Для защиты от паразитных ОС через источник питания применяют следующие меры:

1) уменьшение – внутреннего сопротивления источника питания (R_и);

2) включение в выходной цепи усилителя развязывающих резистивно-емкостных фильтров (наиболее употребительный способ). В некоторых случаях развязывающий фильтр включают в каждый каскад усилителя;

3) применение двухтактного усилительного каскада, работающего в режиме А, в котором переменная составляющая тока сигнала, протекающая через цепь питания и определяющая паразитную ОС, уменьшается примерно в 5 раз по сравнению с однотактным каскадом.

Усилители низкой частоты

Назначение усилителя, в конечном итоге, состоит в получении на заданном сопротивлении нагрузочного устройства требуемой мощности усиливаемого сигнала.

Большинство источников входного сигнала развивают очень низкое напряжение. Подавать его непосредственно на каскад усиления мощности не имеет смысла, так как при таком слабом управляющем напряжении невозможно получить сколько-нибудь значительные изменения выходного тока, а, следовательно, и выходной мощности. Реальный усилитель составляют из нескольких последовательно включенных усилительных каскадов (рис. 1.15).

Первые каскады усилителя работают при относительно малом уровне сигнала. Слабый входной сигнал усиливается с помощью каскадов предварительного усиления (КПУ). Число КПУ зависит как от уровня входного сигнала, так и от уровня сигнала, необходимого для подачи на вход предоконечного каскада усиления (ПОКУ).

Поскольку при проектировании усилителя всегда стремятся уменьшить число каскадов, в каждом из них реализуют по возможности большее усиление. При самом высоком уровне сигнала в усилителе обычно работают оконечный каскад усиление (ОКУ), а иногда и предоконечный, которые должны обеспечить этот высокий уровень. Если на активной нагрузке должен быть получен требуемый уровень выходной мощности, ОКУ называется усилителем мощности. Оконечные каскады усиления часто выполняются по двухтактной схеме, тогда ПОКУ, помимо обеспечения требуемого усиления, выполняет роль согласующего звена между выходом КПУ и входом ОКУ.

1.5. Каскады предварительного усиления

Каскад с ОЭ

В каскадах предварительного усиления на биполярных транзисторах чаще других используется схема с общим эмиттером, которая обладает высоким коэффициентом усиления по мощности. В простейшей схеме усилительного каскада с ОЭ с одним источником питания (рис. 1.16) коллектор транзистора подключен через резистор R_к к источнику питания Е_к, входной сигнал подается на базу транзистора относительно общей точки. Выходной сигнал снимается с коллектора, относительно той же заземленной точки.

Конденсаторы C_p1 и C_p2 играют роль разделительных элементов. Разделительный конденсатор C_p1 служит для предотвращения протекания постоянной составляющей тока базы через источник входного сигнала. С помощью конденсатора C_p2 на выход каскада подается переменная составляющая напряжения U_кэ.

Для нормальной работы любого усилителя необходимо при отсутствии входного сигнала установить определенные токи и напряжения на транзисторе. Этот режим называют статическим или режимом покоя усилительного каскада. Постоянные токи и напряжения в цепях усилительного элемента (УЭ), соответствующие этому режиму называют токами и напряжениями покоя. Они определяют на входных и выходных статических характеристиках УЭ точку покоя (ТП). На рис. 6.17 показана работа каскада усиления при неправильно выбранной рабочей точке покоя.

Резистор R_б (см. рис. 1.16) в цепи базы обеспечивает выбор рабочей ТП на характеристиках транзистора (см. рис. 6.17) и определяет режим работы каскада постоянному току. Значение сопротивления этого резистора рассчитывают по формуле:

.

Цепь протекания постоянных токов в этой схеме:

1) ток эмиттера I_эп протекает по цепи общий провод, «эмиттер – база» транзистора, затем разделяется на ток базы I_бп и ток коллектора I_kп;

2) I_бп протекает через резистор R_б и источник питания Е_к;

₃₎ ток коллектора I_kп протекает через КП транзистора, резистор R_к и источник питания Е_к.

Приведенная схема получила название схемы с фиксированным током базы. Схема с фиксированным током базы отличается минимальным числом деталей и малым потреблением тока от источника питания. Кроме того, большое сопротивление R_б (десятки килоом) практически не влияет на величину входного сопротивления каскада. Но этот способ смещения пригоден лишь тогда, когда каскад работает при малых колебаниях температуры. Кроме того, большой разброс и нестабильность коэффициента передачи (β) даже у однотипных транзисторов делают режим работы каскада весьма не устойчивым при замене транзистора.

Более эффективной является схема с фиксированным напряжением смещения на базе (рис. 6.18). В этой схеме резисторы R₁ и R₂, подключенные параллельно источнику питания Е_к, составляют делитель напряжения. Сопротивления делителя определяется из соотношений:

; .

Ток делителя (I_д) обычно выбирают в пределах:

.

При введении делителя повышается стабильность режима работы схемы, так как изменения тока в цепях эмиттера и коллектора транзистора незначительно влияют на величину напряжения смещения (U_бэп). Вместе с тем ток делителя не следует выбирать слишком большим из соображений экономичности, поскольку чем больше ток I_д тем более мощным должен быть источник питания (E_к).

Так как внутреннее сопротивление источника питания мало, можно считать, что R₁ и R₂ включены параллельно друг другу и параллельно входному сопротивлению транзистора по переменному току. Поэтому необходимо, чтобы

.

То есть делитель, образованный резисторами R₁ и R₂ должен обладать достаточно большим сопротивлением (приблизительно несколько килоом). Иначе входное сопротивление каскада окажется очень малым.

В зависимости от режима работы усилителя по постоянному току и значения входного усиливаемого сигнала различают следующие классы (или режимы) усиления: А, В, АВ, С, Д.

Режим А – это режим работы транзистора, при котором ток через него протекает в течение всего периода входного сигнала. В режиме А амплитуда переменной составляющей выходного тока не может превышать тока покоя в статическом режиме. Он характеризуется малыми нелинейными искажениями и низким КПД, поэтому его используют в КПУ и маломощных выходных каскадах (рис. 6.19, б).

В режиме В (рис. 6.19, в) ток через транзистор протекает в течение половины периода входного синусоидального сигнала, а при отсутствии входного сигнала он равен нулю. Обычно этот режим используют в двухтактных схемах усилителей (в однотактных большие нелинейные искажения). Для уменьшения уровня нелинейных искажений используют промежуточный режим АВ, который отличается от режима В наличием постоянной составляющей в статическом режиме (обычно 5 - 10 % от максимального тока при заданном входном сигнале). Режим АВ также используется в двухтактных схемах (рис. 6.19, в, штриховая линия).

В режиме Сток через транзистор протекает в течение промежутка времени, меньшего половины периода входного сигнала. Этот режим используется в мощных резонансных усилителях, в которых нагрузкой является колебательный контур (рис. 6.19, г).

Режим Д (или ключевой) – это режим, при котором транзистор находится в одном из двух состояний: запертом (режим отсечки) или открытом (режим насыщения).

Таким образом, при отсутствии переменного сигнала на входе усилителя в цепи коллектора протекает постоянный ток (I_кп). Для выходной цепи источника питания Е_к можно записать:

U_кэп = Е_к – I_rпR_к.

Так как напряжение источника питания постоянно, то это равенство выполняется при любых мгновенных значениях тока коллектора (i_к):

U_кэ = Е_к – i_кR_к

Последнее уравнение называют уравнением линии нагрузки по постоянному току. Линию нагрузки проводят на семействе выходных характеристики транзистор с ОЭ между точками с координатами:

U_кэ = 0; ;

I_k = 0; U_кэ = Е_к.

Точка покоя (А) определится, как пересечение линии нагрузки с характеристикой, соответствующей базовому току покоя I_бп (рис. 6.20).

Точка покоя базовой цепи находится на входной характеристике i_б = f(u_бэ) и имеет координаты (U_бэп, I_бп) (рис. 6.20).

Разрешенная область надежной работы транзистора (рис. 6.21) ограничивается максимально допустимыми током коллектора (I_{к max}), напряжением (U_{кэ max}) и рассеиваемой мощностью (P_{к max}). Режим транзистора по постоянному току выбирают так, чтобы под действием максимального входного сигнала ни один из этих параметров не был превышен даже на короткое время.

Линия нагрузки (рис. 6.21) ограничивается точками 1 и 2. За пределами участка 1 – 2 процесс усиления сопровождается значительными нелинейными искажениями. Выше точки 1 наступает насыщение транзистора, и он перестает управляться током базы. Ниже точки 2 транзистор оказывается в режиме отсечки, т.е. также перестает управляться.

1.5.2. Стабилизация режима покоя каскада с ОЭ

Ранее было показано, что изменение температуры вызывает изменение параметров транзистора, в результате чего изменяются его характеристики. Таким образом, при изменении температуры изменяется положение рабочей точки покоя относительно ее первоначального положения, а следовательно, изменяется режим работы транзистора.

Большие изменения тока коллектора покоя могут привести к существенным нелинейным искажениям. Поэтому в практических схемах применяются меры для стабилизации режима покоя.

Наиболее широко применяются ООС по постоянному току или напряжению. Схема с ООС по напряжению или схема с коллекторной температурной стабилизацией (рис. 6.22) отличается от схемы с фиксированным током базы тем, что резистор R_б подключен к коллектору транзистора с напряжением U_кэ = U_кэп, а не к источнику питания. Поэтому сопротивление R_б определяется по формуле:

R_б .

Стабилизация режима покоя происходит следующим образом: при повышении температуры увеличиваются токи I_бп и I_кп, что приводит к изменению потенциала коллектора

U_кэп = Е_к – (I_бп + I_кп) R_к,

а следовательно, и тока базы, и тока коллектора:

I_бп = ; I_кп = β I_бп.

Схема коллекторной температурной стабилизации проста, но имеет ограниченное применение из-за следующего недостатка. Наличие нежелательной ООС по переменному току через резистор R_б, уменьшает входное сопротивление и коэффициент усиления, поэтому эффективность стабилизации будет тем выше, чем больше сопротивление R_к, а это требует увеличения напряжения источника питания (Е_к).

Более эффективной является схема усилительного каскада с ООС по постоянному току (схема с эмиттерной температурной стабилизацией), которая сохраняет работоспособность при колебаниях температуры на (70...100) ^○С (рис. 6.23).

Стабилизация режима по току происходит следующим образом. При увеличении температуры, постоянная составляющая коллекторного тока возрастает. Так как I_э = I_к / α, то увеличение тока I_k приведет к увеличению тока эмиттера (I_э) и падения напряжения на резисторе (R_э). В результате, напряжение U_бэ уменьшится, что приведет к уменьшению тока базы (I_б), а следовательно, и тока коллектора (I_к). Для устранения ООС по переменному току резистор R_э шунтирует конденсатором С_э, сопротивление которого на частоте сигнала должно быть много меньше сопротивления R_э.

Сопротивление резисторов R₁, R₂ и R_э обычно рассчитывают в следующей последовательности:

1) определяют сопротивление резистора

R_э = (0,1...0,3) ;

2) затем, задаваясь значением тока делителя I_д = (2...5) I_бп, определяют сопротивления резисторов:

; .

Уравнение нагрузочной прямой в этом случае имеет вид:

.

При жестких требованиях к температурной стабильности каскадов усиления применяют ООС как по напряжению, так и по току (комбинированную ОС).