Главная » Периодика » Безопасность

0123 ... 7

транзисторные усилители

В Оольшинстве рассмотренных в данной брошюре схем используются цепи обратной связи, предназначенные для изменения характеристик усилителей в нужном направлении, создания генераторов, систем стабилизации и авторегулирования.

Положительная обратная связь увеличивает уси.аение, но уменьшает устойчивость усилителя и неблагоприятно сказывается на ряде важнейших параметров. Поэтому в чистом виде положительную обратную связь применяют только в схемах генераторов, а в схемах усилителей ее применяют исключительно редко. Чаще применяют одновременно положительную и отрицательную обратные связи, что дает возможность получить ряд новых свойств.

Отрицательная обратная связь уменьшает усиление, не одновременно значительно улучшает другие важнейшие параметры и характеристики усилителя, что и обусловливает ее широкое применение.

Последовательная отрицательная обратная связь, при которой напряжение обратной связи вычитается из напряжения входного сигнала, увеличивает входное сопротивление усилителя, уменьшает коэффициент усиления напряжения и не меняет коэффициента усиления тока. Параллельная отрицательная обратная связь, при которой ток обратной связи вычитается из входного тока, уменьшает входное сопротивление усилителя, уменьшает коэффициент усиления тока и не меняет коэффициента усиления напряжения. Если сигнал обратной связи пропорционален выходному напряжению, то при включении обратной связи происходит уменьшение выходного («внутреннего») сопротивления усилителя. Если сигнал отрицательной обратной связи пропорционален выходному току, то такая обратная связь увеличивает выходное сопротивление усилителя. Конкретный выбор вида обратной связи определяется тем, в каком направлении требуется изменить параметры усилителя.

Правильно сконструированная цепь отрицательной обратной связи прежде всего делает коэффициент усиления менее зависимым от таких воздействий, как влияние температуры, изменение напряжения питания, изменение параметров нагрузки, смена транзисторов. Уменьшаются нелинейные искажения и увеличивается полоса усиливаемых частот. В большинстве случаев действует закономерность: во сколько раз за счет отрицательной обратной связи упал коэффициент усиления (тока или напряжения), во столько раз меняется в благоприятную сторону интересующий нас параметр - нестабильность усиления, коэффициент нелинейных искажений, входное и выходное сопротивления усилителя. Наилучшие результаты получаются в пределах полосы пропускания исходного уснли-

теля без обратной связи. Вне этой полосы частот, а также вблизи границ ее стабилизирующее и улучшающее действие отрицательной обратной связи снижается. Это связано с фазовыми сдвигами в схеме усилителя и в цепи отрицательной обратной связи, в .силу чего обратная связь перестает быть чисто отрицательной. Наиболее же сильные фазовые сдвиги как раз наблюдаются за пределами полосы пропускания исходного усилителя. Как известно, любая цепочка из одного активного {R) и одного реактивного (L или С) элементов, создающая амплитудно-частотные искажения, одновременно является фазосдвигающей. При изменении частоты от нуля до бесконечности одна такая цепочка со.здает фазовый сдвиг, достигающий я/2 радиан. Две такие цепочки могут дать фазовый сдвиг, равный я, в результате чего чисто отрицательная обратная связь перейдет в чисто положительную со всеми нежелательными последствиями. Однако для усилителя, содержащего вместе с цепью обратной связи две фазосдвигающие цепочки, такой переход может произойти только на нулевой или бесконечно большой частоте, где коэффициент усиления падает до нуля, вследствие чего усилитель не самовозбуждается и на всех частотах сохраняется устойчивость усиления при любой глубине обратной связи. Если же имеются три или более фазосдвигающие цепочки, то переход отрицательной обратной связи в положительную происходит на конечных частотах, близких к границам полосы пропускания усилителя с обратной связью. Это приводит к увеличению неравномерности амплитудно-частотной характеристики усилителя, а при достаточной глубине обратной связи - к самовозбуждению усилителя.

Наиболее склонны к самовозбуждению усилители с одинаковы, ми параметрами фазосдвигающнх цепочек. Соответствующая частотно-фазовая коррекция может повысить устойчивость усиления, однако получить глубокую отрицательную обратную связь в широкой полосе частот при наличии более чем двух фазосдвигающих цепочек затруднительно.

Каждый каскад усиления обычно имеет не менее одной фазосдвигающей цепочки, действующей в области высоких частот, и не менее одной фазосдвигаюшей цепочки. действующей в области низких частот. Цепь отрицательной обратной связи в лучшем случае можно создать без фазосдвигающих элементов. Поэтому нежелателен охват цепью обратной связи более двух каскадов усиления.

Если же число усилительных каскадов велико, то лучше разбить усилитель на отдельные ячейки со своей местной отрицательной обратной- связью. В каждой такой ячейке желательно иметь не более двух каскадов усиления.

Однокаскадный усилитель не всегда можно охватить тем видом обратной связи, который нужен. Получить глубокую отрицательную обратную связь в однокаскадном усилителе не удается по причине недостаточного усиления каскада.

Для однокаскадного усилителя с отрицательной обратной связью справедлива закономерность: во сколько раз под воздействием обратной связи упало усиление, во столько раз увеличивается верхняя граничная частота полосы пропускания и уменьшается нижняя. В двухкаскадном усилителе с отрицательной обратной связью усиление падает быстрее, чем расширяется полоса усиливаемых частот: сказывается действие увеличившихся фазовых сдвигов. Еще меньше расширяется полоса пропускания каскадных усилителей с отрицательной обратной связью.

Таким образом, оптимальное число каскадов в широкополосной усилительной ячейке с отрицательной обратной связью равно двум. Если же при построении усилителя с отрицательной обратной связью преследуется цель не расширения полосы пропускания, а повышения стабильности усиления, то иногда можно охватывать цепью отрицательной обратной связи число каскадов, большее двух.

Цепи нелинейных положительных и отрицательных обратных связей широко используются в схемах генераторов гармонических колебаний для стабилизации амплитуды. В конечном счете увеличение амплитуды в схеме гармонических колебаний генератора всегда ограничивается какими-т* нелинейными эффектами, например за счет уменьшения усиления сигнала генерируемой частоты, связанного с появлением отсечки тока. Однако установившаяся амплитуда колебаний при перестройке частоты может меняться в недопустимо широких пределах. Использование специальной нелинейной цепи, приводящей к резкой зависимости величины положительной обратной связи от амплитуды колебаний, может сделать амплитуду генерируемого сигнала в достаточной мере независимой от разного рода воздействий. Сравнительно легко достигается амплитудная стабильность порядка 1%.

Использование положительной обратной связи в нелинейном усилителе превращает его в триггер с резко выраженными пороговыми свойствами. Такой триггер находит многочисленные применения, в частности для преобразования периодических сигналов в прямоугольные импульсы и для генерации пилообразных и прямоугольных импульсов.

Широкое применение нашли цепи отрицательной обратной связи в различного рода стабилизаторах: напряжения, тока, температуры, частоты вращения и т. д. Во всех этих схемах вырабатывается сигнал управления, являющийся сигналом отрицательной обратной связи, приводящей к стабилизации интересующего параметра.

Подробное изложение общих свойств усилителей с обратными связями с соответствующим математическим обоснованием можно найти в монографиях и учебных пособиях, посвященных теории усилительных схем. В данной брошюре основное внимание уделено практической стороне. Описаны некоторые интересные и малоизвестные схемы с обратными связями. Все схемы и их основные параметры экспериментально проверены автором. Конечно, разброс характеристик транзисторов может привести к некоторым отличиям в полученных результатах при попытке читателя воспроизвести ту или иную схему. Следует также учесть, что ш-рапиональпый монтаж, плохая экранировка или плохая развязка по цепям питания может привести к появлению паразитных обратных связей и к самовозбуждению усилителей. Все описанные схемы исследовались при питании от стабилизированного источника питания с очень малым внутренним сопротивлением и низким уровнем фона переменного тока.

Работоспособность большинства рассмотренных схем мало зависит от типа и характеристик применяемых транзисторов. Например, замена высокочастотных транзисторов низкочастотными и наоборот влияет на параметры схемы в области высоких частот и не сказывается в области низких. Никаких изменений номиналов применимых сопротивлений производить не требуется. Для большинства схем замена германиевых транзисторов на кремниевые и

наоборот также не требует изменений номиналов сопротивлений схемы.

При выборе сопротивлений резисторов ие преследовалась цель получения малого потребляемого тока. Экономичность по питанию можно существенно повысить путем перерасчета схемы. При-этом, естественно, изменятся характеристики и понизится температурная стабильность.

Маломощные усилительные каскады

Как уже отмечалось, оптимальное число усилительных каскадов, которое следует охватывать цепью глубокой отрицательной обратной связи, равно двум. Схема такой усилительной ячейки представлена иа рис. 1. Оба усилительных каскада выполнены по схеме с

общим эмиттером (обеспечива-

Рис. 1.

ющей максимальное усиление) н охвачены последовательной отрицательной обратной связью по напряжению. Напряжение обратной связи снимается с резистора Re, входящего в делитель вы.ходного напряжения. Коэффнциенг передачи напряжения можно рассчитать по приближенной формуле

Напряжение обратной связи используется также для компенсации шунтирующего действия резисторов Ri н R2, включенных в цепи базы первого транзистора и уменьшающих входное сопротивление усилителя. Для этого сигнал обратной связи иа нижний зажим резистора Ri подается непосредственно, а на верхний зажим резистора Лг - через разделительную цепочку.

С выключенной цепью отрицательной обратной связи (резистор Rt. замкнут накоротко) усилитель имеет следующие параметры: коэффициент передачи напряжения - 4300, верхняя граничная частота полосы пропускания 480 кГц, нижняя граничная частота 2500 Гц, входное сопротивление 1 кОм, выходное сопротивление 1 кОм.

Частотные свойства усилителя на высоких частотах заметно зависят от паразитных монтажных емкостей. Особенно важно не увеличивать емкость между выводами базы и коллектора второго транзистора, поскольку она создает во втором каскаде местную частотно-зависнмую обратную связь, действие которой наиболее сильно проявляется иа частотах выше 10 МГц, где она является одной нз причин падения усиления.

Прн размыкании перемычки резистора Rt, коэффициент усиления падает до 100, верхняя граничная частота увеличивается до 12 МГц, нижняя уменьшается до 150 Гц, входное сопротивление увеличивается до 30 кОм, а выходное уменьшается до 60 Ом.

Если увеличить сопротивление резистора R до 110 Ом, то уси< ление уменьшится до 10, верхняя граничная частота станет рав ной 25 МГц, нижняя 43 Гц, входное сопротивление 200 кОм.

Усилитель имеет сравнительно большое входное сопротивление. Однако это сопротивление нелинейно и не стабилизировано. В частности, оно заметно зависит от температуры и напряжения источника питания. Поэтому в цепи из такого усилителя и источника сигнала с внутренним сопротивлением, значение которого мало отличается от входного сопротивления усилителя, нет стабилизации

С, 1,0 н1-

ЗЗОн

гоон

HTSSIE Wk

KT3t5B

Di, 10,0

Рис. 2. -

C, 1,0

КТЗВ1Б

-IBB

10,0

ктзт

t.. М

U ISOm

1h 3k

Рис. 3.

Рис. 4.

коэффициента передачи К=ЧЕ, хотя коэффициент усиления напряжения данного усилителя очень хорошо стабилизируется глубокой отрицательной обратной связью. Кроме того, большие входные сигналы усиливаются с заметными искажениями. Оба нежела-

0123 ... 7