Методы стабилизации режимов мощных усилителей

по дисциплине «Основы радиоэлектроники и связи» 
 
 
 
 

Методы  стабилизации режимов мощных усилителей  
 
 

Москва 2011 г.

  Усилителями называют устройства, предназначенные для усиления электрических сигналов (колебаний) за счет источников электрического питания с помощью активных элементов ≈ транзисторов, электронных ламп, туннельных диодов.

  По  виду усиливаемых электрических сигналов различают усилители гармонических и импульсных сигналов. Усилители гармонических сигналов служат для усиления периодических сигналов различной величины и формы. В процессе усиления сигналов важно сохранить их частотный спектр и амплитудные соотношения всех гармонических составляющих. К этой группе относят микрофонные, радиовещательные, магнитофонные и другие усилители.

  Усилители импульсных сигналов используют для  усиления периодических и непериодических  импульсных сигналов различной формы  с допустимой степенью искажения  их формы. Для выполнения этого требования в процессе усиления сигналов необходимо сохранить их частотный спектр, а также амплитудные и фазовые соотношения усиливаемых колебаний.

  В зависимости от значений усиливаемых частот и ширины их полосы усилители бывают постоянного и переменного тока, низкой и высокой частоты, широкополосные и узкополосные (избирательные).

  Усилители постоянного тока усиливают не только постоянный ток, но и медленные электрические  его колебания, а усилители переменного тока только переменную составляющую сигналов. Первые усилители используют в автоматике и телемеханике, измерительной технике и счетно-решающих устройствах, а вторые ≈ в радиотехнических устройствах.

  Усилители низкой частоты применяют для  усиления колебаний звукового спектра (от 20 Гц до 20 кГц) в радиовещании, аппаратуре проводной связи и других устройствах. Для получения хорошего звучания достаточно передавать более узкую (от 50 до 10000 Гц) полосу частот, в пределах которой можно осуществить малоискаженную передачу полезного сигнала.

  Усилители высокой частоты используют для усиления радиочастот от сети килогерц и выше (например, в радиопередающих и радиоприемных устройствах для усиления модулированных колебаний).

  Широкополосные  и избирательные (полосовые) усилители применяют соответственно для усиления сигналов в широкой (от нескольких герц до нескольких мегагерц) и узкой полосе частот в устройствах импульсной связи, телевидения и радиолокации.

  По  типу усилительного элемента электронные усилители разделяют на транзисторные, диодные (на туннельных диодах) и ламповые.

  Усилители на электронных лампах обеспечивают усиление сигналов в широкой полосе частот, с низким уровнем шумов и отсутствием чувствительности к температурным и климатическим изменениям. Однако лампы имеют ограниченный срок службы (до 5000 ≈ 10000 ч) и потребляют значительную энергию.

  Усилители на полупроводниковых элементах, имеющие неограниченный срок службы (десятки тысяч часов), безынерционны, устойчивы к вибрации, тряске, экономичны. Их недостатками являются разброс параметров однотипных транзисторов, большая температурная зависимость, относительно высокий уровень собственных шумов. Усилительные каскады на однотипных элементах различаются схемой и режимом работы усилительных элементов. 

  Способы обеспечения рабочего режима транзистора

  Электропитание  цепей коллектора обычно осуществляется от общего источника постоянного тока (гальванической батареи или выпрямителя переменного напряжения сети). Для устранения межкаскадных связей применяют развязывающие RС-фильтры. Нужный рабочий режим (рабочую. точку) транзистора в усилительном каскаде устанавливают подачей на базу относительно эмиттера фиксированного напряжения смещения, которое можно получить от коллекторного источника питания через делитель напряжения или гасящее сопротивление.

  Рис. 1. Схемы подачи фиксированного смещения

  а ≈ с помощью делителя, б ≈ через гасящий резистор, в ≈ фиксированным током

  Способы подачи смещения. Фиксированное смещение можно осуществлять фиксированным  током или напряжением. Смещение фиксированным напряжением база ≈ эмиттер создается от общего источника Ек делителем R1R2 (рис. 1, а). Ток делителя I_д создает на резисторе R2 падение напряжения, которое действует в проводящем направлении к эмиттерному p-n-переходу. Чтобы смещение оставалось неизменным при колебаниях температуры или смене транзистора, сопротивление резистора R2 желательно выбирать небольшим. Однако при этом снижается входное сопротивление усилителя. В зависимости от выходной мощности и режима работы каскада ток делителя I_д= (2- 5)Iоб. С увеличением тока I_д возрастает потребление энергии и снижается кпд каскада. Этот способ смещения применяется в усилителях режима В при малых колебаниях температуры.

  В схеме с ОЭ смещение фиксированным током базы от общего источника осуществляется через большое гасящее сопротивление резистора R1 (рис. 1,6). Начальный ток базы 1_0б = (Е_К ≈ U₀₆)/R1. Если не учитывать напряжение U₀б из-за его незначительности (I_об=Ex/R1), следует, .что ток базы зависит только от внешних параметров. В схеме с ОЭ ток базы I_Об характеризуется коэффициентом передачи Р=I_к/I_б, который различен у однотипных транзисторов, поэтому схема с фиксированным током базы малопригодна для серийной аппаратуры, а также чувствительна к температурным колебаниям. В схеме с ОБ режим смещения задается фиксированным током (рис. 1,0), проходящим через эмиттерный переход и резистор R1. Конденсатор Сб разделяет постоянную и переменную составляющие тока. Через этот конденсатор по переменной составляющей база получает нулевой потенциал, поскольку для этой составляющей сопротивление конденсатора Xc<Rl, потенциал базы близок к нулю. В приведенных схемах смещение на транзистор подается как параллельно источнику сигнала (см. рис. 1, а), так и последовательно с ним (см. рис. 1,6, в). Для отделения (по постоянному току) выхода источника сигнала от управляющего электрода транзистора в схемы включают разделительный конденсатор С1 (см. рис. 1, а, б).

  Термостабилизация рабочей точки. Температурная стабилизация режима работы усилителя достигается введением в схему отрицательной обратной связи по току, напряжению или комбинированной. Для стабилизации рабочей тонки при изменениях температурного режима работы транзистора схемы усилителей дополняют элементами эмиттерной и коллекторной стабилизации.

  Эмиттерная  стабилизация режима осуществляется с помощью ООС по постоянному току через эмиттерный резистор R_э (рис. 2,а). При прохождении через резистор R_a тока I_э значительно уменьшается напряжение, которое действует в противофазе с фиксированным напряжением смещения, снимаемым с резистора R2 делителя R1R2, С повышением температуры возрастает ток I_э, что вызывает увеличение тока Iб и Iк. При этом возрастает напряжение Uл_э=I_эRэ на резисторе R_a, вследствие чего автоматически повышается результирующий потенциал на базе Eбэ= ≈ U_R2+U_R9, что вызывает уменьшение токов I_э, Iб и Iк. Емкость С_э блокирует по переменному току резистор R₉, благодаря чему устраняется падение напряжения сигнала на резисторе, исключается ООС по переменному току и сохраняется постоянство коэффициента усиления каскада.

  Коллекторная  стабилизация осуществляется с помощью ООС по напряжению, которая достигается подключением резистора R1 непосредственно к коллектору транзистора (рис. 2, б). При повышении температуры и возрастании тока I_к (от исходного значения I_Ок) увеличивается падение напряжения на резисторе R_K и соответственно уменьшается (по абсолютному значению) напряжение на коллекторе и_кэ=Е_к ≈ I_KR_K и базе, что вызыват снижение тока базы Iб, а следовательно, и тока I_к, который стремится возвратиться к своему исходному значению I_ок,

  Рис. 2. Схемы температурной стабилизации режима транзистора:

  а ≈ эмиттерная с помощью ООС по току, б ≈ коллекторная с ООС по напряжению, в ≈ комбинированная с ООС по току и напряжению

  Более высокую стабильность работы обеспечивают схемы с комбинированной ООС потоку и напряжению (рис. 2, б). Обычно комбинированная обратная связь вводится лишь для постоянного тока. Чтобы исключить обратную связь по переменному току, резистор Л_э (элемент ООС по току) шунтируют конденсатором С_э большой емкости.

  Термокомпенсация  рабочей точки. Температурная компенсация  режима предусматривает в схемах использование нелинейных элементов, параметры которых зависят от температуры. В качестве нелинейных (температурно-зависимых) элементов служат терморезисторы, диоды, транзисторы.

  Рис. 3. Схемы температурной компенсации:

  а ≈ с терморезистором, б ≈ с терморезистором и линейными резисторами, в ≈ с диодом

  В делитель, подключенный к базе (рис. 3, а), вместо резистора R2 включают терморезистор, который при нормальной температуре имеет сопротивление, необходимое для установления начального рабочего режима. При этом через коллектор проходит требуемый ток покоя. При повышении температуры сопротивление терморезистора уменьшается, напряжение между базой и эмиттером снижается, вследствие чего ток покоя коллектора остается постоянным. Для компенсации разброса параметров транзисторов и получения требуемой характеристики термочувствительного элемента включают линейные (лучше переменные) резисторы R2, R3 (рис. 3, б) последовательно с терморезистором и параллельно ему.

  Терморезисторы  обладают неодинаковой с транзистором температурной инерционностью. Лучшие результаты при компенсации получают при включении диода в качестве термочувствительного элемента (рис. 3, s). Температурные коэффициенты напряжения ТКН эмиттерно-базового перехода транзистора и диода, включенного в прямом направлении, одинаковы. Можно подобрать приборы с одним и тем же температурным изменением обратных токов, что обеспечит более полную компенсацию.

  Диод V2 в схеме компенсирует температурный сдвиг входной характеристики транзистора. С повышением температуры уменьшается падение напряжения на диоде в проводящем направлении, следовательно, уменьшается напряжение смещения во входной цепи транзистора. Обратный ток коллекторного перехода Iк.обр транзистора компенсируется диодом V2, обратный ток которого противоположен обратному току транзистора.