Стабилизация режима покоя каскада с общим эмиттером
Токи в биполярном транзисторе сильно зависят от температуры окружающей среды, что является общим недостатком полупроводниковых приборов. При нагреве 20°C─30°C, ток коллектора Ik транзистора может измениться.
Выходная характеристика транзистора смещается вверх и точка покоя l3 перемещается вверх по линии нагрузки, в результате чего приращения выходных сигналов могут выйти на нелинейный участок передаточной характеристики, и форма сигнала будет искажена.
Поэтому в транзисторных усилителях необходима стабилизация точек покоя, и усилительные схемы без схем стабилизации практически не применяют.
Стабилизация не только помогает исключить искажение формы сигнала с нелинейностью, но и стабилизировать режим при замене транзистора, т.к. параметры транзистора от экземпляра к экземпляру имеют большой разброс.
Существует 3 основных метода стабилизации работы каскадов:
Термокомпенсация;
Параметрическая стабилизация;
Введение отрицательной обратной связи.
Термокомпенсация
Для температурной коррекции режима работы при помощи терморезисторов, с ростом температуры окружающей среды, необходимо либо уменьшать Rб2, либо увеличивать Rб1. Возможно и одновременное изменение резисторов, при этом Rб2 должен иметь отрицательный коэффициент сопротивления, а Rб1 – положительный.
.
Параметрическая стабилизация
VTk –корректирующий.
Если параметры транзисторов VT1 и VT2 одинаковы, то это позволяет почти полностью убрать изменение Ik покоя, вызванное изменением напряжения Uбэ.
Введение отрицательной обратной связи.
Для стабилизации рабочей точки (точки покоя каскада с общим эмиттером) введем в каскад дополнительный Rэ.
Uэ = Iэ*Rэ ≈ Iк*Rэ при Rн → ∞
Напряжение Uэ является сигналом обратной связи, пропорциональным выходному току транзистора. ( Сигнал обратной связи пропорционален выходному току транзистора Iэ ≈ Iк). В данном случае речь идет об ОС по току.
На входе транзистора происходит вычитание напряжения (Uбэ = Uвх+Uсм ─ Uэ либо
Uбэ = Uвх ─ Uэ ). Поэтому обратная связь является последовательной и отрицательной.
При нагреве транзистора увеличивается его коэффициент усиления β и соответственно Iк покоя, поэтому растёт постоянная составляющая напряжения обратной связи
(Uэ = Iэ*Rэ), уменьшая при этом напряжение базы эмиттера транзистора.
Uбэ =Uсм ─ Uэ, снижая при этом Uбэ , в результате чего уменьшается Uбп.
Следовательно, ОС поддерживает токи транзистора в режиме покоя более стабильными и менее зависящими от температуры.
Стабильность режима возрастает при увеличении Rэ, так как при этом растёт сигнал ОС (при этом уменьшается коэффициент усиления на каскаде).
Каскад с общим коллектором (эмиттерный повторитель)
Uбэ = Uвх ─ Uэ;
Uэ =(Iк + Iб)Rэ;
Благодаря Rэ каскад охвачен стопроцентной последовательной ОС по току и коэффициент усиления его по напряжению близок к единице (от 0,9─0,99). Чем больше коэффициент усиления β транзистора, тем ближе к 1 коэффициент усиления каскада с общим коллектором по напряжению.
В отличии от каскада с ОЭ , схема с общим коллектором (ОК) не инвертирует входной сигнал, т. е. увеличение Uвх приводит к увеличению Uвых , поэтому эту схему называют эмиттерным повторителем.
Входное
сопротивление Rвх=
;
Rвых ≈ ;
Благодаря этим качествам каскад с ОК применяется для согласования высокоомных (маломощных) источников сигнала с высокомощными низкоомными потребителями и для построения каскадов мощных усилителей тока.
Полевой транзистор в схеме с общим истоком
- с двухполярным источником питания:
- с однополярным источником питания:
По сток-затворной характеристике определяют положение рабочей точки покоя l1. Наклон нагрузочной прямой зависит от величины сопротивления резистора Rc и от напряжения питания Ec.
Её строят по двум точкам: Ic = 0 → Ucи = Ec; Ucи = 0 → Ic = Ec / Rc.
Для смещения рабочей точки в положение l1 при нулевом входном сигнале в схеме с двухполярным питанием используется делитель напряжения R1, Rc.
При этом Uз в т.l1 = R2 * (-Ecм)/ R1 +R2.
При однополярном питании используется схема, в которой потенциал затвора «привязан» к общему выводу источника питания через резистор Rз. При Uзи = 0 ток, протекающий от стока к истоку создает падение напряжения на Rи, таким образом потенциал истока становится положительным относительно общего провода, а напряжение затвора оказывается отрицательным относительно истока.
Uз в т. l1 = - RиIи
В схеме с однополярным источником питания присутствует новый элемент: Си. Его назначение – устранение изменения ООС по переменному току, снижающеё Ку. Напряжение на затворе определяется параллельно соединенными Rи и Си.
Симметричный дифференциальный усилительный каскад на биполярных
транзисторах (дифференциальный усилитель)
По принципу построения такой каскад – балансный усилительный мостовой каскад параллельного типа. Обладает высокой стабильностью параметров при воздействии различных дестабилизирующих факторов (изменения температуры окружающей среды, изменения параметров транзисторов во времени). По структуре такой каскад состоит практически из двух каскадов с общим эмиттером, у которых используется общий эмиттерный резистор.
Элементы схемы образуют мост, в одну диагональ которого включен источник питания и напряжением питания, а в другую – сопротивление нагрузки. Условия баланса моста:
(Uвых = 0): RК1 / RVT1 = RК2 / RVT2.
Изменение напряжения питания не приводит к разбалансу моста. Одновременное одинаковое (пропорциональное) изменение RК1 / RVT1 или RК2 / RVT2 также не приводит к разбалансу моста. То есть, если параметры транзисторов идентичны, то изменение температуры приведет к одинаковому изменению токов в обоих транзисторах, а выходное напряжение останется неизменным. То есть, если транзисторы VT1 и VT2 а также резисторы R1 и R2 имеют одинаковые характеристики и зависимости этих характеристик от внешних факторов, то изменение этих факторов не приведет к дрейфу нуля усилителя. При некоторой неидентичности элементов схемы смещение нуля появится, но будет значительно меньше, чем в обычном УПТ. Выходное напряжение (разность потенциалов), которое подается между базами транзисторов VT1 и VT2, называется дифференциальным.
При равенстве входных напряжений Uвх1 и Uвх2 (≠0), ко входу приложено синфазное напряжение. «Полезным» входным напряжением, которое должен усиливать усилитель является Uвх дифференциальное, а синфазное входное напряжение не должно влиять на сигнал усилителя.
Параметры усилителя:
коэффициент усиления дифференциального напряжения;
коэффициент ослабления синфазного сигнала;
входное сопротивление усилителя (для дифференциального сигнала);
выходное сопротивление.
Дифференциальные каскадные УПТ легко соединяются в многокаскадные схемы для повышения коэффициента усиления.
Преимущество:
Если источник сигнала подключен ко входу УПТ двумя длинными проводниками, то на эти провода наводятся электромагнитные помехи, например, сетевые. Эти помехи практически не усиливаются УПТ, так как они наводятся на оба провода одинаково (т.е. являются синфазными). Выходной сигнал под действием этих помех не изменяется.
Т.е. говорят, что дифференциальный УПТ имеет очень высокий коэффициент подавления синфазных помех. Под коэффициентом подавления входных синфазных помех понимают отношение приращений фазного и дифференциального входных напряжений, вызвавших одинаковое изменение выходного сигнала.
Величина коэффициента подавления синфазных помех доходит до 10 000 р.