Принцип работы усилителей. Обратная связь и температурная компенсация в усилителях

Принцип работы усилителей

Принцип работы транзисторного усилителя основан на том, что с помощью небольших изменений напряжения или тока во входной цепи транзистора можно получить значительно большие изменения напряжения или тока в его выходной цепи.
Изменение напряжения эмиттерного перехода вызывает изменение токов транзистора. Это свойство транзистора используется для усиления электрических сигналов.
Для преобразования изменений коллекторного тока, возникающих под действием входных сигналов, в изменяющееся напряжение в коллекторную цепь транзистора включают нагрузку. Нагрузкой чаще всего служит резистор или колебательный контур. Кроме того, при усилении переменных электрических сигналов между базой и эмиттером транзистора нужно включить источник постоянного напряжения, называемый обычно источником смещения, с помощью которого устанавливается режим работы транзистора. Этот режим характеризуется протеканием через его электроды при отсутствии входного электрического сигнала некоторых постоянных токов эмиттера, коллектора и базы. С применением дополнительного источника увеличиваются размеры всего устройства, его масса, усложняется конструкция, да и стоят два источника дороже, чем один. В то же время можно обойтись одним источником, употребляемым для питания коллекторной цепи транзистора.

Обратная связь и температурная компенсация в усилителях.

Различают два вида обратной связи: отрицательную и положительную.

При отрицательной обратной связи (ООС) выходной сигнал в канале ОС оказывается в противофазе с входным сигналом усилителя. В результате этого любые изменения выходного сигнала встречают соответствующие противодействия по каналу ООС, способствуя его ослаблению, что стабилизирует выходной сигнал усилительного устройства при воздействии внешних факторов (температуры, нагрузки и др.).

При положительной обратной связи (ПОС) выходной сигнал в канале ОС совпадает по фазе с входным сигналом устройства, способствуя его усилению. Это дестабилизируетработу усилительного устройства, поскольку любые незначительные изменения выходного параметра приводятся каналом ПОС к предельным их значениям.

Цепь с ОС условно изображена на рисунке 1. Основным ее элементом является усилитель с коэффициентом передачи К(р), а в качестве цепи ОС используется пассивная цепь с коэффициентом передачи (р). На схеме знаком обозначен сумматор входного сигнала и сигнала ОС.

Принимая коэффициент передачи сумматора равным единице, получаем выражение для передаточной функции всей цепи

(1)

где знак «+»» относится к ООС, а «-» -к ПОС.

В соответствии с этой формулой частотные свойства усилительной схемы в равной мере зависят как от функции К(р), так и от характеристики (р) цепи обратной связи. Поэтому, оставляя неизменным основной элемент схемы (К(р)), можно в широких пределах выравнивать частотную характеристику усилителя, изменяя лишь параметры элемента обратной связи ( (р)).

Различают три типа ОС: внутреннюю, внешнюю и паразитную.

Внутренняя ОС проявляет себя в каждом компоненте усилителя из–за функциональной связи между их электрическими и физическими параметрами.

Внешняя ОС обеспечивается включением дополнительных цепей, действие которых направлено на улучшение характеристик усилителя (стабилизацию режима и т.п.).

Паразитная ОС создаётся, как правило, ёмкостными и индуктивными связями, не предусмотренными схемотехническими решениями цепи усилителя, проявляющими себя на больших частотах, и ухудшает характеристики усилителей.

По способу подключения канала ОС к выходной цепи различают обратные связи по напряжению и току.

Отрицательной ОС обеспечивается температурная стабилизация, позволяющая удерживать теплозависимые параметры транзистора в исходном состоянии независимо от внешних воздействий. Для биполярных транзисторов таким основным параметром является ток покоя коллектора, а для полевых – ток покоя стока. В зависимости от способов температурной стабилизации транзисторных усилителей различают эмиттерную (истоковую для полевых транзисторов), коллекторную (стоковую) и комбинированную стабилизации, из которых наибольшее распространение на практике нашёл эмиттерный способ стабилизаци.

Эмиттерная температурная стабилизация. В транзисторных усилителях коллекторный ток покоя IКП в общем случае имеет два компонента

IКП=h21ЭIБП+IКБО, (2)

где IБПО – ток покоя базы;

IКБО – обратный (тепловой) ток коллекторного перехода.

С повышением температуры окружающей среды наблюдается заметный рост теплового тока (с увеличением температуры на каждые 100 С значение тока IКБО приблизительно удваивается). Это вызывает смещение точки покоя в зону больших значений коллекторного тока, что приводит к нелинейным искажениям выходного сигнала.

Для возможности принудительного удержания коллекторного тока IКП на заданном уровне в цепи постоянного тока (рис.2) используют резистор RЭ, реализующий ООС по току. Механизм воздействия ООС (эмиттерной стабилизации) проявляет себя следующим образом. Увеличение коллекторного тока IКП под действием температурных изменений вызывает соответствующее увеличение тока эмиттера IЭП, т.к.

IЭП=IКП+IБП.

Это обуславливает увеличение падения напряжения UЭП на резисторе RЭ, поскольку UЭП=RЭIЭП.

В тоже время возрастание UЭП приводит к снижению положительного потенциала на базе транзистора, а следовательно, и тока базы IБП. Это и обеспечивает уменьшение тока IКП, требуемое для компенсации температурного роста тока IКБО. Необходимо отметить, что резистор RЭ отрицательной связи вызывает одновременно и нежелательный эффект снижения коэффициента усиления для выходного сигнала цепи переменного тока усилителя. Для устранения этого недостатка служит конденсатор СЭ, шунтирующий резистор RЭ (рис.2).

Аналогичным образом проявляет себя и механизм истоковой температурной стабилизациив усилителях на полевых транзисторах.