СТАБИЛИЗАЦИЯ РЕЖИМА ТРАНЗИСТОРНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

А. Буденный, Радио №1/1966, ст.32

В силу ряда физических явлений и особенностей массового про­изводства полупроводниковых приборов наблюдается существенный технологический разброс, а также значительная временная и темпера­турная нестабильность параметров транзисторов. По этой причине за­мена одного транзистора другим, такого же типа, или колебания тем­пературы окружающей среды неред­ко приводят к значительному изме­нению режимов работы аппаратуры на транзисторах.

Основными причинами нестабиль­ности таких параметров, как В — коэффициент усиления по постоян­ному току в схеме с общим эмиттером, обратный ток коллектора I_к0 и входная характеристика U_бэ (I_б), является зависимость их от темпера­туры, старение со временем и техно­логический разброс параметров.

Для предотвращения нежелатель­ных последствий разброса и темпе­ратурной нестабильности параметров транзисторов применяются различ­ные способы стабилизации, позво­ляющие автоматически регулировать режимы работы транзисторов. Хоро­шей стабильностью обладают ка­скады, охваченные глубокой отри­цательной обратной связью по по­стоянному току или напряжению. Ниже приводятся описания несколь­ких основных методов стабилизации режимов, а также практические схе­мы усилительных устройств, где реализуются описываемые методы.

Стабилизация обратной связью по току эмиттера На рис. 1, а приведена схема ка­скада усилителя ПЧ с двумя источ­никами питания. Ток эмиттера тран­зистора T₁ задается постоянным сопротивлением R₃, включенным в цепь эмиттера. Сопротивление ка­тушки L₂ постоянному току очень мало, а поэтому можно считать, что транзистор включен по постоянному току по схеме с общей базой, для которой фактор нестабильности S=1. Стабилизация режима осуществля­ется вплоть до самой высокой тем­пературы, допустимой для данного типа транзисторов (для германиевых транзисторов —до +75° С, для кре­мниевых — до +150° С). Напряжение на конденсаторе С₂ положительно со стороны эмиттера и может колебаться в пределах плюс 0,05—0,35 в в за­висимости от тока эмиттера и тем­пературы.

На рис. 1, б приведена схема ка­скада усилителя НЧ с двумя источ­никами питания, где база транзи­стора T1 подключена к общей шине питания через постоянное сопро­тивления Rб, имеющее относительно большую величину. Ток базы, про­ходя по сопротивлению Rб, вызывает на нем падение напряжения. При комнатной температуре это напря­жение имеет положительный знак, а по мере ее повышения наблюдается уменьшение тока базы, а затем и изме­няется его направление на обратное. Последнее обстоятельство приводит к изменению полярности напряжения на эмиттере относительно общей ши­ны питания, вследствие чего приме­нение электролитического конден­сатора в цепи эмиттера недопустимо. Коэффициент нестабильности S в этой схеме больше единицы и может быть определен по формуле:

При указанных на рис. 1, б номи­налах каскад обеспечивает S = l,35, что ненамного хуже, чем в каскаде по схеме рис. 1,а.

На рис. 1, в и г приведены схемы, обеспечивающие постоянство знака напряжения на эмиттере относитель­но общей шины питания (положи­тельное — рис. 1, в и отрицатель­ное — рис. 1, г). Поэтому в этих схемах (в цепи эмиттера транзистора) можно применить электролитиче­ские конденсаторы.

На рис. 2 изображены две схемы усилительных каскадов, требующих лишь один источник питания. Они могут быть рассмотрены, как схема рис. 1, г, у которой напряжение сме­щения равно нулю (Е_см—0). Стабиль­ность каскадов схем рис. 2 несколько хуже, чем у рассмотренных выше, но вполне достаточна для любитель­ских конструкций. При указанных на схемах номиналах коэффициент нестабильности  S~4, а работоспо­собность каскадов сохраняется вплоть до максимально допустимой температуры, а также они мало чув­ствительны к разбросу параметров транзисторов. Эти схемы значительно проще, чем схемы каскадов с двумя источниками питания, поэтому они могут быть рекомендованы для ис­пользования в радиолюбительской аппаратуре.

Величина емкости конденсатора С_э выбирается исходя из условия устра­нения действия отрицательной обрат­ной связи в полосе пропускания уси­лителя. При этом можно восполь­зоваться приближенной формулой:

Стабилизация обратной связью по напряжению коллектора

На рис. 3 приведена схема каскада с двумя источниками питания, охва­ченная обратной связью по напряже­нию коллектора, которая имеет S = 3—4. Для устранения влияния отрицательной обратной связи в по­лосе усиливаемого сигнала средняя точка сопротивлений R_б2 ^и R_б3 «заземлена» по переменному току через конденсатор большой емкости С₂.

Расчет каскада по схеме рис. 3 может быть произведен в следующей последовательности

Каскад по схеме рис. 3 малочув­ствителен к разбросу параметров и изменению температуры среды. Пре­имуществом схемы являются малая емкость блокирующего конденсатора С₂ и возможность воспроизведения нижних частот до 5 — 10 гц и ниже Недостатком схемы является нали­чие двух источников питания, но для сетевой транзисторной аппара­туры, а также для батарейных схем, содержащих десятки и сотни тран­зисторов, эта схема оказывается наиболее приемлемой.

Совместная стабилизация нескольких каскадов

Обычно схемы усилителей на тран­зисторах являются многокаскад­ными, вследствие чего оказывается возможным совместная стабилиза­ция каскадов, применение которой дает экономию в деталях, а также выигрыш в стабильности.

На рис. 4 приведена схема совме­стной стабилизации двух каскадов. Здесь транзистор Т1 включен по схеме с общим эмиттером, а тран­зистор Т₂ является эмиттерным пов­торителем. Поскольку режим пер­вого транзистора стабилизирован тремя сопротивлениями (R1, R₂ и R₄), то тем самым стабилизировано на­пряжение базы второго транзистора. В свою очередь постоянное на­пряжение на эмиттере транзистора Т₂ практически мало отличается от на­пряжения на его базе, что и обес­печивает стабильность усилителя в целом.

На рис. 5, а приведена принципиальная схема каскодного усили­теля ПЧ на 465 кгц с последователь­ным включением транзисторов по постоянному току. Ток коллектора транзистора T1 стабилизирован де­лителем напряжения в цепи базы (сопротивления R1, R₂ и R₃) и сопро­тивлением R₄ в цепи эмиттера. В свою очередь ток эмиттера транзи­стора Т₂ равен току коллектора Т₁ и, следовательно, стабилен, а напряже­ние на эмиттере Т₂ практически равно напряжению на его базе, оп­ределяемом делителем R1, R₂, R₃, а значит, и напряжения коллектор— эмиттер каждого транзистора ста­билизированы.

При использовании транзисторов типа П15 коэффициент включения контура в цепь коллектора не должен быть больше 0,45, а в цепь базы последующего каскада — не более 0,03. Общий коэффициент усиления каскада по напряжению в этом слу­чае составит около 25. При использо­вании высокочастотных транзисто­ров, например типа П402, П403, коэффициент усиления составит око­ло 130, но для этого коэффициенты включения контура необходимо уве­личить до 1 для коллекторной цепи и до 0,075 для выходной цепи.

На рис. 5,б приведена принципи­альная схема двухкаскадного усили­теля НЧ с последовательным пита­нием, которая во многом похожа на схему рис. 5,а. Особенностью схемы является наличие развязывающих и переходных электролитических конденсаторов. При напряжении источника питания 15—30 в возможно последова­тельное питание трех и более ка­скадов. Примером этого могут слу­жить схемы трехкаскадного резонан­сного усилителя ПЧ (рис. 6,а) и усилителя НЧ на сопротивлениях (рис. 6,6). Каждый из трех каскадов указанных схем включен по схеме с общим эмиттером. В случае необ­ходимости каскады усилителя ПЧ по схеме рис. 6, а могут быть включены по схеме с общей базой, для чего катушки связи L₃ и L₅ должны быть перемещены из базовых цепей в цепи эмиттеров соответствующих тран­зисторов

Сопротивления в цепи делителя на­пряжения базы каждого из транзи­сторов определяют величину кол­лекторного напряжения на каждом из транзисторов. Сопротивление (см. рис. 6,а) определяет постоянное напряжение на сопротивлении Rэ которое выбирается порядка 0,1 Е_к, тем самым задается общий ток всех трех транзисторов. Поэтому величина сопротивления R_э может быть рас­считана по формуле:

Постоянные напряжения на эмит­терах последующих каскадов должны быть выбраны таким образом, чтобы коллекторное напряжение послед­него каскада было наибольшим, но не более 10 в.

Величины базовых сопротивлений могут быть определены по следую­щим формулам

На рис. 7 приведена схема трех­каскадного усилителя НЧ с непо­средственной связью между каска­дами по постоянному току. Такой усилитель может быть применен в медицине в качестве биоусилителя. Его коэффициент усиления по напря­жению, в зависимости от качества транзисторов, может составлять 10.000—50.000. Нижняя граница полосы пропускания при емкости конденсатора С₂=2000 мкф — 2— 3 гц (при более высокой частоте нижней границы полосы пропуска­ния величины конденсаторов С₁ и С₂ могут быть значительно уменьшены). Стабилитроны Д₁, Д₂, Д₄, Д₆ и Д₇ обеспечивают эффективное сглажи­вание пульсаций переменного тока при питании усилителя от выпря­мители.

Рекомендованные выше схемы уси­лителей позволяют применять в них транзисторы со значительным раз­бросом параметров без какого-либо подбора и обеспечивают стабиль­ность режима транзисторов с точ­ностью до 20% при температуре ок­ружающей среды до 50—60° С. Рас­чет этих схем несложен, а некоторое увеличение количества деталей впол­не окупается высокой надежностью в работе.