6,8 кОм

Рис. 2.40.

рис. 2.40. Определенное улучшение стабильности можно получить, если напряжение смещения подавать с коллектора, а не от источника (/кк- Напряжение на базе превышает потенциал земли на величину падения напряжения на диоде; так как напряжение смещения снимается с делителя 10 : 1, то напряжение на коллекторе превышает потенциал земли на величину, gg

равную падению напряжения на ,

диоде, увеличенному в 11 раз,

т. е, составляет ~7 В. Эта схема уменьшает склонность к насыщению (которая может возникнуть, например, если коэффициент р будет необычно большим) за счет того, что при уменьшении коллекторного напряжения уменьшается напря- [[-жение смещения на базе. Эту схему можно использовать в тех случаях, когда не нужна высокая стабильность. Точка покоя (выхода) подверл^ена дрейфу примерно на 1 В за счет изменений температуры окружающей среды. Это связано с тем, что напряжение между базой и эмиттером имеет большой температурный коэффициент. Большей стабильностью обладает схема, в которой петля обратной связи охватывает несколько каскадов усиления. Примеры вы увидите там, где речь пой-

дет об обратной связи.

-Г Т Т Для того чтобы понять, как рабо-

тает эта схема, нужно внимательнее ЗЗкОм рассмотреть обратную связь. Напри-

мер, обратная связь уменьшает входной и выходной импедансы. Для входного сигнала сопротивление /?, умень-шено за счет усиления по напряжению, которым обладает каскад. В данном случае резистор Ri эквивалентен резистору с сопротивлением 200 Ом, один конец которого заземлен. В следующей главе мы рассмотрим обратную связь более подробно, и тогда вы сможете определить коэффициент усиления по напряжению и входной и выходной импедансы данной схемы.

Отметим, что сопротивление резистора смещения базы можно увеличить, и тогда увеличится входной импеданс схемы, но ток базы

Ю мкФ

6,8 ком

Рис. 2.4!

я Где (/кк выражено в вольтах,- Прим. ред.

же нельзя будет считать пренебрежимо малым. Можно, наприме;?, взять такие резисторы: /?i=220 кОм и /?2=33 кОм. Другая возможность состоит в том, что в цепь обратной связи можно включить шунтирующий конденсатор, как показано на рис. 2.41. При этом удается избавиться от обратной связи (а следовательно, и от пониженного входного импеданса) на частотах сигнала.

Некоторые замечания относительно смещения и усиления. Первое важное замечание касается усилительных каскадов с заземленным эмиттером: создается впечатление, что коэффициент усиления по напряжению можно увеличить за счет увеличения тока покоя, так как собственное сопротивлениеэмиттера гэ уменьшается при увеличении тока. Однако, хотя гэ и уменьшается при увеличении коллекторного тока, для получения того же самого рабочего напряжения на коллекторе приходится использовать меньший коллекторный резистор, и в результате выигрыша нет. На самом деле можно показать, что в усилителе с заземленным эмиттером, смещенным так, что напряжение покоя составляет 0,5 (/кк> коэффициент усиления по напряжению для малого сигнала равен К=20 (/к:к независимо от величины тока покоя (рабочего тока).

Упражнение 2.10. Докажите, что сделанное выше утверждение справедливо.

Если требуется увеличить коэффициент усиления каскада по напряжению, то можно, например, в качестве активной нагрузки использовать источник тока. Так как источник тока обладает очень большим импедансом, то на одном каскаде можно получить коэффициент усиления по напряжению, равный 1000 и выше. Такой подход не пригоден в схемах со смещением, которые мы рассмотрели выше; каскад должен являться частью схемы, охваченной общей петлей обратной связи по постоянному току. Об этом мы поговорим в следующей главе. Внешняя нагрузка такого усилителя обязательно должна быть велика, в противном случае усиление, полученное за счет большого коллекторного сопротивления, будет потеряно. В качестве такой высокоомной нагрузки можно использовать эмиттерный повторитель, полевой транзистор или операционный усилитель.

В радиочастотных усилителях, предназначенных для резонансного усиления в узкой полосе частот, в качестве коллекторной нагрузки принято использовать параллельный LC-контур; в этом случае можно получить очень большой коэффициент усиления по напряжению, так как на частоте сигнала 1С-контур обладает большим импедансом (как источник тока), а его импеданс по постоянному току мал. LC-контур можно перестраивать, и благодаря резонансной характеристике он подавляет сигналы, лежащие за пределами рабочего диапазона. К преимуществам этой схемы можно отнести также возможность получения

размаха выходного сигнала, равного 2(уккт и возможность использования трансформаторной связи.

Упражнение 2.11. Разработайте резонансный усилительный каскад с общим эмиттером для частоты 10 кГц. Используйте в схеме шунтированный эмиттерный резистор и установите ток покоя величиной 1 ftk. Пусть {Укк=+15 В, а L=1,0 мГн; параллельно LC-контуру подключите резистор 6,2 кОм, с тем чтобы получить Q= 10 (ширина полосы 10%, см. разд. 1.22). Для межкаскадной связи используйте на входе конденсатор.

2.13, Токовые зеркала

От схемы смещения с использованием согласованной пары транзисторов легко перейти к так называемому токовому зеркалу (рис. 2.42). Работа токового зеркала программируется путем задания коллекторного тока транзистора Г,. Напряжение Us Для Ti устанавливается в

т

41SB

Тг I Токовое I зеркало

Нагрузка

Управляющий (входной) ток 7рр

Рис. 2.42. Классическая схема токового эер-, кала на основе согласованной пары биполярных транзисторов.

Нагрузка 14,4 КОМ

Рис. 2.43.

соответствии с заданным током, температурой окружающей среды и типом транзистора. В результате оказывается заданным режим схемы, и транзистор Tj, согласованный с транзистором Г, (лучше всего использовать монолитный сдвоенный транзистор), передает в нагрузку такой же ток, что задан для Ti. Небольшими базовыми токами можно пренебречь.

Одно из достоинств описанной схемы состоит в том, что ее диапазон устойчивости по напряжению равен (/ .к вычетом нескольких десятых долей вольта, так как нет падения напряжения на эмиттерном резисторе. Кроме того, во многих случаях удобно задавать ток с помощью тока. Легче всего получить управляющий ток / с помощью резистора (рис. 2.43). В связи с тем что эмиттерные переходы транзисторов представляют собой диоды, падение напряжения на которых мало по сравнению с (/кК резистор 14,4 кОм формирует управляющий, а следовательно, и выходной ток величиной 1 мА. Токовые зеркала

Рис. 2.44.

МОЖНО использовать в тех случаях, когда в транзисторной схеме необходим источник тока. Их широко используют при проектировании интегральных схем, когда: а) под рукой есть много согласованных транзисторов и б) разработчик хочет создать схему, которая бы работала в широком диапазоне питаюш,их напряжений. Существуют даже

безрезисторные интегральные операционные усилители, в которых режимный ток всего усилителя задается с помощью одного внешнего резистора, а токи отдельных внутренних усилительных каскадов формируются с помощью токовых зеркал.

Недостатки токовых зеркал, обусловленные эффектом Эрли.

Простое токовое зеркало обладает отш недостатком: выходной ток несколько изменяется при изменении выходного напряжения, т. е. выходное сопротивление схемы не бесконечно. Это связано с тем, что при заданном токетранзистора Тг напрял<ение (/бэ слегка меняется в зависимости от коллекторного напряжения (проявление эффекта Эрли); иначе говоря, график зависимости коллекторного тока от напряжения между коллектором и эмиттером при фиксированном напряжении между базой и эмиттером не является горизонтальной линией (рис. 2.44). Практически ток может изменяться приблизительнс на 25% в диапазоне устойчивой работы схемы, т. е. характеристики такой схемы существенно хуже, чем характеристики рассмотренного выше источника тока с эмиттерным резистором.

Если же нужен более высококачественный источник тока (чаи1е всего таких требований не возникает), то подойдет схема, показанная на рис. 2.45, Эмиттерные резисторы выбраны таким образом, что падение напряжения на J

них составляет несколько десятых долей вольта; такая схема - гораздо лучший ис-

точник тока, так как в ней изменения на-прян<ения {/бэ, обусловленные изменениями напряжения {/к.э. оказывают пренебрежимо малое влияние на выходной ток. В этой схеме также следует пспользовать согласованные транзисторы,

1,0 кОм

-+20 В 1,0 КОМ

18 ком

Рис. 2.45,

Токовое зеркало Уилсона. На рис. 2.46 представлено еще одно токовое зеркало, обеспечивающее высокую степень постоянства выходного тока. Транзисторы Ti и та включены как в обычном токовом зеркале. Благодаря транзистору Тз потенциал коллектора транзистора Ti фиксирован и на удвоенную величину падения напряжения на диоде ниже, чем напряжениепитания(/ккТакоевключение позволяет

яр

подавить эффект Эрли в транзисторе Гь коллектор которого теперь служит для задания режима работы схемы; выходной ток определяется транзистором Tj. Транзистор Тз не влияет на баланс токов, если его базовый ток пренебрежимо мал; его единственная функция состоит в том, чтобы зафиксировать потенциал коллектора Т^. В результате в токо-задающих транзисторах Ti и Га падение напряжения на эмиттерных переходах фиксированы; транзистор Тз можно рассматривать как элемент, который просто передает выходной ток в нагрузку, напряжение на которой является переменным (аналогичный прием используют при кас-кодном включении, которое мы рассмотрим позже). Кстати, транзистор Тз не обязательно согласовывать с транзисторами Ti и Т^ .

Нагрузка

Рис. 2.46. Токовое зеркало Уилсона.

Влияние изменений напряжения на нагрузке на выходной ток подавлено за счет каскодного включения транзистора Т. которое позволяет уменьшить изменения напряжения У 5э транзистора ЗЧ.

Схемы с несколькими выходами и коэффициенты отражения тока.

Схему токового зеркала можно построить так, что вытекающий выходной ток (или втекающий - в случае использования транзисторов п - р - п-типа) будет передаваться в несколько нагрузок. О том, как эта идея воплощается в жизнь, дает представленная на рис. 2.47 схема. Отметим, что если один из транзисторов - источников

-+г/кк

управляющий ток

Рис. 2.47.

Нагрузка Z

Рис. 2.48.

h vCvC.

Нагрузка!

Нагрузка г

тока переходит в режий насыщения (в том случае, например, когда отключается его нагрузка), то его база будет отбирать повышенный ток из общей линии, соединяющей базы всех транзисторов, и в связи с этим уменьшаются остальные выходные токи. Положение можно улучшить, если включить в схему еще один транзистор (рис. 2.48).

Еще одно достоинство чтой схемы - уменьшение влияния базовых токов на точность передачи входною тока в нагрузку,-Ярил<. рчд.

На рис. 2.49 представлены два варианта многовыходового токового зеркала. Эти схемы отражают удвоенный (или половинный) управляю-

Управляющий

а

Рис. 2.49.

Нагрузка

-С

Управляющий

ток

б

Нагрузка

щий ток. При разработке токовых зеркал в интегральных схемах коэффициент отражения тока задают путем выбора размеров (площадей) эмиттерных переходов.

Еще один способ получения выходного тока, кратного управляющему, состоит во включении дополнительного резистора в цепь эмит-

КОМ

Нагрузиа

Управляющий шок

Рис. 2.50. Снижение выходного тока о помощью э.миттерного резистора.

тера выходного транзистора (рис. 2.50). Если схема работает с токами различной плотности, то, согласно уравнению Эберса - Молла, разность напряжений (/бэ зависит только от отношения плотностей токов. Для согласованных транзисгороа отношение коллекторных токов раз-

НО отношению плотностей токов. График на рис. 2.51 позволяет определить разность напряжений между базой и эмиттером в подобном случае и полезен при разработке токовых зеркал с неединичным отражением.

0,1 0,2 hilh\

Рис. 2.51. Зависимость отношения коллекторных токов в согласованных парах транзисторов от разности база-эмиттерных напряжений.

Упражнение 2.12. Покажите, что токовое зеркало с неединичным отражением, показанное на рис. 2.50, работает так, как мы описали.

НЕКОТОРЫЕ ТИПЫ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ 2.14. Двухтактные выходные каскады

В этой главе уже было отмечено, что если в эмиттерном повторителе Используется транзистор п - р - п-типа, то ток не может втекать в схему, если же используется транзистор р - п - р-типа, то ток не может вытекать. В результате повторитель с несимметричным выходом, в котором используются расщепленные источники питания, а ток покоя имеет большую величину, при двуполярном сигнале может работать только на заземленную нагрузку (такие схемы называют иногда усилителями класса А). Ток покоя должен быть по крайней мере таким же большим, как максимальный выходной ток при пиковых значениях сигнала, в результате схема в состоянии покоя рассеивает большую мощность. Например, на рис. 2.52 показана схема повторителя, который работает на нагрузку с сопротивлением 8 Ом и мощностью до 10 Вт. Повторитель Г] на транзисторе р - п - р-типа служит для Того, чтобы снизить требования к мощности входного сигнала схемы и скомпенсировать напряжение смещения (7бэ в транзисторе Га (напря-

жение О В на входе дает О В на выходе). Конечно, для простоты Ti можно было бы Опустить. Большой источник тока, используемый в качестве нагрузки в цепи s.vmTTepa Гь служит для того, чтобы обеспечить достаточный базовый ток для Га при пиковом значении сигнала.

+ 15В

Входной к сигнал

8 0м Громкоговоритель

-зов

Рис. 2.52.

Резистор в цепи эмиттера не используют потому, что он должен был бы иметь слишком малое сопротивление (50 Ом или меньше), для того чтобы при пиковом значении сигнала можно было гарантировать базовый ток Тг, равный по крайней мере 50 мА; при этом ток нагрузки был бы максимальным, а падение напряжения на резисторе минимальным; результирующий ток покоя Ti оказался бы чрезмерно большим.

Выходной сигнал схемы может изменяться в диапазоне ±15 В (пиковые значения) и отдавать в нагрузку требуемую мощность (эффективное напряжение 9 В на со- противлении 8 Ом). Однако в отсут-

ствие сигнала выходной транзистор рассеивает мощность 55 Вт, а эмит- терный резистор - еще ПО Вт. Для усилителен такого типа, принадлежащих к классу А (транзистор всегда в открытом состоянии), характерно, что мощность, рассеиваемая в состоянии покоя,во много раз превышает максимальную выходную мощность; схема оставляет желать лучшего, особенно если речь идет о системах, связанных с большим выделением мощности. На рис. 2.53 показана двухтактная схема повторителя, которая работает аналогичным образом. Транзистор Т^ открыт при положительных значениях сигнала, а транзистор Тг - при отрицательных.

Входной сигнал

-15 В

Рис. 2.53.

При нулевом входном напряжении коллекторного тока нет и мощность не рассеивается. При выходной мощности 10 Вт каждый транзистор рассеивает мощность менее 10 Вт.

Переходные искажения в двухтактных каскадах. Предыдущей схеме присуще следующее свойство: выходной сигнал отслеживает входной сигнал с разницей на величину падения напряжения (/бэ; на положительном интервале входного сигнала выходное напряжение примерно на 0,6 В меньше, чем входное, на отрицательном интервале наоборот. Для синусоидального входного сигнала выходной сигнал будет таким, как показано на рис. 2.54. На языке радиотехники такое искажение сигнала называется переходным искажением. Лучше всего немного сместить двухтактный каскад в состояние проводимости, как показано на рис. 2,55 (еще один метод устранения переходного искажения связан с использованием обратной связи, хотя он имеет некоторые недостатки)

Резисторы смещения R переводят диоды в состояние проводимости, благодаря этому напряжение на базе превышает входное напряжение на величину падения напряжения на диоде, а напряжение на базе Га на величину падения напряжения на диоде меньше, чем входное напряжение. Теперь, когда входной сигнал проходит через нуль, проводящим транзистором вместо Тг становится Ti; один из выходных тран-

Рис. 2.54.

Входной

зисторов всегда открыт. Резистор R выбран так, чтобы обеспечивался необходимый базовый ток в выход-Выходной ных транзисторах при пиковых значениях выходного сигнала. Например, если используются источники питания ±20 В, а нагрузка имеет сопротивление 8 Ом и мощность 10 Вт для синусоидального сигнала, пиковое базовое напряжение составляет около 13,5 В, а пиковый ток нагрузки 1,6 А. Допустим, что коэффициент р транзистора равен 50 (мощн)ые транзисторы обычно имеют меньший коэффициент усиления по току, чем малосигнальные транзисторы), тогда для получения базового тока, равного 32 мА, потребуются базовые рристоры с сопротивлением 220 Ом (при пиковом

Правильнее всего комбинировать эти методы,- Прим. ред.

Рис. 2.55.

т

50 Ом

470 Ом

®

Уотанов-ка смещения

10м

значении сигнала ток базы будет определяться напряжением 6,5 В, равным разности 13,5 В и напряжения источника питания

Температурная стабильность двухтактных усилителей класса В, Рассмотренный выше усилитель (иногда такие схемы называют усилителями класса В, при этом имеют в виду, что каждый транзистор находится в открытом состоянии только в течение половины периода входного сигнала) имеет один серьезный недостаток: он ие обладает температурной стабильностью. По мере того как выходные транзисторы нагреваются (когда приложен входной сигнал, они нагреваются, так

как рассеивают мощность), напряжение t/вэ начинает убывать, а коллекторный ток покоя - возрастать. Выделяющееся при этом дополнительное тепло усугубляет положение и повышает вероятность того, что в схеме разовьется неконтролируемая тепловая положительная обратная связь (эта вероятность зависит от ряда факторов: насколько велик радиатор для отвода тепла, совпадает ли температура диодов с температурой транзисторов и др.). Даже если этого не произойдет и схема не выйдет из строя, необходимо обеспечить более падежное управление ее работой; обычно прибегают к схеме, показанной на рис. 2.56.

Для примера здесь показан случай, когда входной сигнал снимается с коллектора предшествующего каскада; резистор выполняет двойную функцию; он является коллекторным резистором транзистора Ti и формирует ток для смещения диодов и смещающего резистора в основной двухтактной схеме. Резисторы Rg и R обычно имеют сопротивление несколько ом или ниже; они амортизируют критическое смещение тока покоя: напряжение между базами выходных транзисторов должно быть немного больше, чем удвоенное падение напряжения на диоде; дополнительное падение напряжения обеспечивает регулируемый резистор смещения R (его часто заменяют еще одним диодом). Падение напряжения иа резисторах R и R составляет несколько десятых долей вольта, благодаря этому температурное изменение напряжения (7бэ не приводит к быстрому возрастанию тока (чем больше падение напряжения на R и R, тем менее чувствителен к температуре ок) и схема работает стабильно. Стабильность увеличивается, если диоды имеют тепловой контакт с выходными транзисторами (или их радиаторами).

--- т.

Рис, 2.56.