Обратная связь в транзисторных усилителях

5.1. Применение отрицательной обратной связи

Отрицательная обратная связь применяется в транзисторных усилителях для тех же целей, что и в усилителях с электронными лампами. Она уменьшает нелинейные искажения, улучшает частотную характеристику, увеличивает отношение сигнала к помехам, стабилизирует усиление усилителя, изменяет входное и выходное сопротивления. Однако в -транзисторных усилителях использование отрпцательной обратной связи затруднительнее, чем в ламповых, так как вследствие худших частотных и фазовых характеристик на верхних частотах транзисторные усилители с обратной связью более склонны к самовозбуждению, чем ламповые. Поэтому обеспечение устойчивости транзисторного усилителя сложнее, чем лампового. В транзисторных усилителях, как и в ламповых, отрицательная обратная связь осуществляется введением части выходного сигнала во входную цепь. Обратная связь здесь разделяется на связь по напряжению, связь по току, последовательную и параллельную, так же как и в ламповых схемах.

Отрицательную обратную связь в транзисторных усилителях можно разделить на две группы:

а) имеющую место в самой схеме каскада,

б) намеренно вводимую в усилитель для изменения его свойств При введении отрицательной обратной связи в усилитель для

изменения его свойств необходимую глубину обратной связи он редсляют, исходя из нул<пого изменения свойств усилителя (входного и выходного сопротивлений, коэффициента гармоник, стабилизации усиления и др.).

Рассмотрим наиболее часто встречающиеся схемы каскадов, в которых имеет место отрицательная обратная связь: каскад с коллекторной стабилизацией, каскад с неблокированным сопротивлением /?э , эмиттерный повторитель, инверсный каскад с разделенной нагрузкой, инверсный каскад с эмиттериой связью и ДР

5.2. Каскад с коллекторной стабилизацией

В каскаде с коллекторной стабилизацией (рис. 5.1) имеет место параллельная по в.ходу отрицательная обратная связь по напряжению, уменьшающая входное и выходное сопротивле-

нт

ист

<

ISuxm

а----0-1

и8аст=Щзт

нэт

Рис. 5 1. Схема транзисторного каскада с коллекторной стабилизацией

ния, коэффициент гармоник, коэффициент усиления тока. В таком каскаде

г г I г г I и нэт f Овчт (с. \\

Jexm = I бт-rJR ~ J6m I------ K)

Вследствие этого входное сопротивление каскада уменьшается:

\ С' бэ т I

(5.2)

Уменьшение входного сопротивления снижает напряжение сигнала между базой и эмиттером Uбэт до величины U бэт Коэффициент гармоник такого каскада определяется через коэффициент гармоник обычного каскада /с, следующим образом:

х\ - /c,-if . (5.3)

ибэ т

Коэффициент усиления тока каскада определяется выражением

(5.4)

5.3. Каскад с неблокированным сопротивлением R

Включение н цепь эми1гсра транзистора сопротивления эмиттерной стабилизации Rэ , исблокирояанного конденсатором (рис 5 2), создает в усилительном каскаде последовательную

отрицательную обратную связь по току, уменьшающую коэфф циент усиления /Сер каскада, его коэффициент гармоник к щ неизменной выходной мощности, динамическую входную емкость Свхл ; входное и выходное сопротивления каскада при этом воз-

я---0-

т

- -И-,

Рис 5 2 Схема транзисторного каскада с небло-кированнон емкостью сопротивлением R , , к примеру 51

растают. Вследствие уменьшения входной динамической емкости частотная характеристика предыдущего каскада на верхних частотах улучшается.

Так как в таком каскаде

и'вхт- С/бэт ~\ Оэт = и бэт + hm Яэ , (5 5)

ТО перечисленные выше показатели изменяются следующим образом:

Кг =

1+S,

С'вхт

(5.6)

1+(1+р)

RbxR ВХ О э + (i-f Р)/?э R вых ~ R вых ОЭ (1+5д /?э)

где 5д и Sc - динамическая и сквозная крутизны характеристики эмиттерного тока соответственно, определяемые через статический коэффициент усиления тока р при включении с общим эмиттером формулами

1+Р . 1 + р

(5 7)

Р вх ОЭ Rhct~{~ R вх оь

здесь R - сопротивление источника сигнала для рассчитываемого каскада.

При введении в эмиттер одного из каскадов транзисторного усилителя сопротивления Ra нешунтированного большой емко-

.ью, напряжение сигнала на выходе уси тителя снижается лишь gl + 5c/?3 раз, что во столько же раз заставляет увеличивать усиление усилителя, хотя коэффициент усиления напряжения каскада с нешунтированпым падает сильнее, а именно в l-tSR раз. Сказанное обьясняется тем, что введение в эмиттер нешунтирован-лого емкостью сопротив тения R уве^тнчивает входное сопротив-тенне транзистора, в результате чего напряжение сигнала на его \+S,R,

входе возрастает в-. - раз Из вышесказанного следует, что

блокировочный конденсатор Сэ не всегда может оказаться необходимым, так как потеря усиления (вместе с предыдущим каскадом) может быть и не столь }ж значительной.

Пример 5.Т. Пересчитаем реостатный каскад предварительного усиления примера 4 !, работающий на мощный каскад примера 3,1, при условии отсутствия блокировочной емкости Сэ в цепи эмиттера мощного каскада Схему каскада предварительного усиления оставим без изменений

В этом случае коэффициент чсиления мощного каскада Кср от влияния уменьщается в (l+SRs ) раз, т е в (1-1-2,08 4,22) =9,78 раза, так как аля мощною каскада примера 3 1

Однако, дая почучекия от каскада прежгген выходггой мощности коэффициент у^-иления пpeдвapтельного усилителя потребуется увелггчггть то1ько в (l+SRa ) = =-2,56 раза При неизменной выходггой мощности амплитуда тока сигнала во входной цепи мощного транзистора при включенном Ra потребуется та же, т е 12,9 .иа, а входное сопротивление транзистора переменному току возрастет до Р'вхоэ

вхоэ- /?вхоэ + (1-f р)/?э = 10,1-f( 1 + 20)4,22 -98,7

94,7

т е в-уоу- 9,78 рао Амплитуда входного напряжения сигнала t/вхт требуется в 9 78 раза больще

f/вхт = 0,13 9,78-1,27 в Тот же результат получим, определив /7,jxm о ф-ле (5 5)

U\sm - fsw + Zs и/?э =0,13 + 0 271 4,22= 1,27 8,

так кэк

hm-hrn (1+Р) = 12,9 10-3(1+20) =0,271 а Испочьзуя ф-льг (5 6), найдем что при отсутстрии конденсатора С в каскаде мощного усиаення его коэ6ф,щ!Рнг гармочик и входг>ая диггамическая емкость хменьщается до значений

ие ~l+ScRa~ 1+0,369-4,22

S 1±Ё - +20 =0 369-

~ Z? cT- А-вхоэ 47,1+10,1 в

С -

Свхя 2,82 . 10-6

/? 4 22

1 + (1 + Р)--и^ 1 + (1+20).

/?вхоэ 10,1

= 0,288 10-6 = 0,288 мкф.

Рассмотрим, как изменятся данные реостатного каскада предварительного усиления, работающего на мощный каскад. Значение /к т при отсутствии С составит

вх т сл

вх т сл

вхтсл

= 12,9. 10-+ {}Щ + (}ЕЛ \ 68 / \ 360 /

+ (-Ь£1) =40,7 . 10-=>а = 40,7лга, \ 288 /

а необходимый ток покоя коллектора трапзистора реостатного каскада /ко=(1,05-+1,2)/кт=1,1 40,7 = 44,7 ма. Определим Rk , взяв падение напряжения на нем так же, как и в приме ре 4.1, равным 0,4£к :

0,4£к 0,4-11

17 10-3 =98,5 ом (станд 100 ож)

!е Rk op сильно отлт ния , необходимо уточнить значения >кт и /кО

/ко 44,

Так как найденное ранее Rk op сильно отличается от полученного значе-

/кт - /в

, / вх nt сл \ j / вх nt сл \ , lttxm сл\ J29 . 1О-З4. \ /?2сл / \ /?1сл / \ /?к /

\ 68 / \ 360 /

1.27 100

= 47,8 10-За = 47,8лга,

/ко=(1,05--1,2)/к, =1,1 47,853 ма.

Здесь транзистор П15А уже непригоден и в каскаде придется использовать более мощный транзистор с максимальным током коллектора больше 53 ма (например, 1Т403)

Рассчитаем коэффициент частотных искажений рассчитыйаемого реостатного каскада на верхних частотах, определив сначала к :

Рделсл РвхТрсл

Rk /?лелсл + Rk РвхТрсл + Рдел сл Рвх Тр сл

100 57,1 98,72

100 57,1 + 100 . 98,72 + 57,1 98,72 1

= 26,6 ом.

М, = = У 1 + (6,28/ Со . Рэкв)

<

<У1 + (6,28 5000 0,288 Ю-е 26,6)21,03,

следовательно, частотные искажения в области верхних частот у каскада предварительного усиления при отсутствии Сэ в каскаде мощного усиления сильно уменьшились.

Расчет остальных данных каскада предварительного усиления производится так же, как и в примере 4 1.

Можно при отсутствии С э в каскаде мощного усиления и не применять в предыдущем каскаде более мощный транзистор, а использовать в нем транзистор типа ГНЗ-П15, но предыдущий каскад в этом случае придется сделать трансформаторным, рассчитав его на выходную мощность-

/вых-=0,5[;вх т сл/вх m сл - 0,5-1,27 12,9 Ю' = 8,2- Ю-з вт = 8,2 мет.

5.4. Эмиттерный повторитель

Эмиттерный повторитель представляет собой каскад с последовательной (по входу) отрицательной обратной связью по напряжению, увеличивающей входное сопротивление, уменьшающей выходное сопротивление, входную динамическую емкость н коэффициент гармоник каскада. Эмиттерный повторитель обыч-,[0 применяют в качестве входного каскада усилителя в тех случаях, когда входное сопротивление каскада с общим эмиттером оканзшается недостаточным.

Входгюе сопротивление транзистора R x к , его динамическая входная емкость C ок , выходное сопротивление Rem ок , коэффициент усиления тока Кт н напряженпя К, коэффициент гармоник Кг Ок для эмиттерного повторителя с достаточной точностью можно найти по следующим приближенным формулам:

RbkoCi R~

1 ~ а

г 0.16 0,16 1 г П-

~/>р(/?в.об+?~) 1+Р ~/,р(/?вхо6 /?а~)

D Двх ОЭ !~ R ист д 1 П С) п\

Доы\ Ок--\ - i ~ ° Аист 1,1

1 /?э^

R:~{1 I Р) Ra

>НХ 09 h /?Э~ ( 1 I М /?ВХ06; /?Э~

R ист ~Ь вх ОЭ { R ис-1~\~ R ВХ оэ) (1 )

/?ист1 i?Bxos г /?э~(1+Р) Ч^ Ст-Ь/?вхоэ)(1-я)+/?э

(5.8)

где аир - статические коэффициенты усиления тока

для включения с общей базой и обшнм эмиттером,

/?вхоэ и /?пхоб - входные сопротивления транзистора переменному току в точке покоя при включении с общим эмиттером и общей базой; R и С, - сопротивление нагрузки эмиттерной цепи переменному току и емкость нагрузки цепи эмиттера, равная Сих д следующего за повторителем каскада; /? ст и - сопротивление источника сигнала переменному току с учетом цепи подачн смещения и коэффициент гармоник транзистора в том же режиме, но при включении с общим эмиттером. /?ихтрсл - в'одное сопротивление транзистора следующею каскада.

9 3iK ЮЧ9 (29

Прн ]icnOvii.30BaHiin эмиттерного повторителя в качестве входного каскада для повышення входного сопротивления и снижения уровня шумов (что важно в каскадах с малым уровнем сигнала) напряжение коллектор- эмнттер 6кэо берут не более 2-3 в, а ток покоя коллектора - меньше рекомендуемого в § 4.2 значения в 1 ма.

Делитель подачи смещения эмнттерной стабилизации, обычно имеющийся в эмпттерном повторителе (сопротивления Ri и R2 на рис. 5.3), рассчитывают как и в обычном каскаде с общим эмиттером. Этот делитель, мало влияющий на входное сопротивление каскада с общим эмиттером, обычно не позволяет реализовать высокое входное сопротивление транзистора эмиттерного повторителя. Для повышения входного сопротивления эмиттерного повторителя можио увеличить сопротивление делителя, но это у.худшпт стабильность точки покоя; повысить входное сопротивление можно также, уменьшив ток покоя коллектора до 0,3-0,5 ма (прн ннзкочастотно.м транзисторе). Дальнейшее снижение тока покоя сильно уменьшит ро.

Для расчета частотной характеристики эмиттерного повторителя и вносимых им искажений на низших и высших рабочих частотах пригодны ф-лы (4.8) - (4.10). В усилителях звуковой частоты прн нспользованш! эмиттерного повторителя в качестве входного каскада в ф-лах (4.8) - (4.10) полагают:

0 R вых nv. R

А вых -

Р BUX ОК г Rb п Р вых Р вх п А вых г А вх

(5.9)

Вследствие очень низкого выходного сопротивления эмиттерного повторителя значение Ржв у него получается много ниже, чем у обычного реостатного каскада с общим эмиттером, а его частотная характеристика на верхних частотах оказывается очень хорошей.

Для снижения напряжения между выходными электродами или защиты выходной цепи э.мнттерного повторителя от паразитной связи через источник питания в его выходную цепь иногда включают сопротивление /?ф с конденсатором Сф ; такая цепочка, корректирующая в обычном реостатном каскаде низкие частоты, в повторителях вносит дополнительные частотные искажения на нижних частотах.

Пример 5.2. Рассчитаем эмиттерт.ги повторитель, имеющий следующие Д'И'-ные н =90 гч, /в - 5000 гц, Л1 1,04 Гокр мин --ЮС Гик м,кс = Ь^О С Напряжение питания каскада Як - 8 Нагрузкой jMniTepnoio поигориюля служит входная цепь каскада предварительного чсилрния (на транзисторе ППЛ), рассчитанная в примере 4 2

Схема эмиттерною повторителя ичображена па рис 5 3 Для о иютипиости применяем в нем трапзпстор И15Л, данные которою иривеаены п примере 4 1 Соглас1ю сказанному в§ 54 берем U къо -2,5 я, / ко - I Дли jroro положено

ния точки покоя по статическим характеристикам П15А для включения с общим эмиттером находим Ueo =0,12 в, /?вхоэ =1800 ом (рис. 4,3). Сопротивление Ra эмиттерного повторителя равно ,

0,5 . 10-3

-1--

-}-J-par

1 rp

I I >

Рис 5 3 Схема эмиттерного повторителя, к примеру 5 2

Опредепим сопротивление нагрузки цепи эмиттера переменному току:

дел сл /?вх Тр сл ,

1<э~ =

3 /? дел сл -Ь /?вх Тр сл t дел сл Rbx Тр сл

11 000 8800 1170

где

11 000 8800+11 000

п 1с1 2сл

Адсл сл

1170 + 8800 1170 33 000 12 000

=965 ом.

= 8800 ом.

1сл + /?2сл 33 000+12 000 Входное сопротивление транзистора в эмнттерном повторителе составит

вх об -

42 + 965 1-0,98

50 300 ОМ.

де /?вх б , равное 42 ом, найдено по входной статической характеристике I115A для включения с общей базой и /кОи/эО =0,5 ма Если сопротивление источника сигнала /?ист Для рассчитываемого каскада равно 50 кол, то выходное сопротивление транзистора в эмиттерном повторителе равно

/?вых ок /?вх об + /?ист (1 - Ямин) = 42 + 50 ООО (1 - 0,98) = 1042 ом, а коэффициенты усиления тока и напряжения составят:

1 Rs 1 965

1 -К

о

мин R вхТр (

1-0,98 965

/?вхоб+/?э~ 42 + 965 Входное напряжение сигнала Ubx т равно.

11,7 10-3

К 0,959

1170 = 0,959.

= 41,25,

и вхтсл ,

= 12,2 . 10-3 е.

Расчет стабилизации проведем с учетом замены транзистора, задавшись зна чением R2.

/?2=(310)/?вх ок = 7-50300=352 100ож(станд. 0,33 Л1ом).

Так же, как и в примере 4 2, для Гп макс =Гокр макс =30°С по ф-лам (1 щ и (I 17) найдем t/бэОмакс =0,142 в, иш мин =0,098 в. /кн макс =20лка, =82000 Ол1 Расчет/кОмакс и С/кэО инн производим по ф-лам (120), полагая /?к=0, в результате получаем /кОмакс =0,665 ма, ОкзО мин =0,835 в, что допустимо Емкость конденсатора связи Сс находим по ф-ле (4 6), рассчитав /?вых эп и Нвхсл :

о /?э/?выхок 11 000-1042

= Rs+ /?вв,хок 11 000+1042 =2

п /?вхоэ/?делсл 1 170 - 8800 .q6q -

/?вхоэ+ /?делс. ~ 1170 + 8800 -10Ь0ол1.

Значение М„с в расчете Сс берем равным 1,03, оставив на кон;кнсатор входной цепи М„ =1,01, что дает Сс =14,25 мкф Конденсатор Сс берем электролитический с емкостью, ие менее рассчитанной Емкость, нагружающая эмиттерный повторитель, и его коэффициент частотных искажений иа высшей рабочей частоте равны.

Сд ~ Сэд сл -f- о--h Ск сл (1 -\ Ксл) =

Угрмнн Авхобсл

= 2 . iQ6 31 8 10 (1+6,65) =2,9 - 10-90 = 2900 п0

(здесь /?вхобсл определено по статической входной характеристике транзистора П15А при включении с общей базой и 1эОя,1нО ~1 ма)\

Мв = = у 1+(6,28/вСо/?экв)2 < 1/1 +(6,28 5000 - 2,9 - IQ-X

Х500)2= 1,001,

где

о Рвыхок /?э~ 1042 - 965

Квыхок+Л^- 1042 + 965

Таким образом, рассчитанный эмиттерный повторитель имеет входное сопротивление

О /?вх ок/?делЭП 50 300 65 600

~ /?вхок + .делэп ~ 50 300 + 65 600 входное напряжение сигнала t/вхт =12,2 же и входной ток сигнала

- - - -28 555- 10- = 0.43 10-3 а.

Рассчитаем емкость входного конденсатора С и частотные искажения на верхних частотах входной цепи эмиттерного повторителя

0,159 0,159

/ (/?,шх+/?вхсл)1/Ж'-н 1 90(50 000 + 28 500)1,012-= 0,159 1O-R0,

где

/?вых = Rnc. =50 ООО ом, /?дел ЭП = j

82 000 330 000

- 82 000+330 ООО =65 600ол,/?вхсл =/?вхэп =28500 ом

=У1+(шзСо/?,кв) = У 1+(6,28-5000-133-10-12- 18150)2 1,002, где

+2900(1-0,98) =0,133 . 10-9(;6-133 п(;6

2 . 106(42 + 965) и

п . /?исг/вхсл 50 000 28 500

/? ст+вхсл 50000 + 28500 - о^-

5.5. Инверсные каскады с разделенной нагрузкой и эмиттерной связью

Среди транзисторных бестрансформаторных инверсных каскадов одним из наиболее распространенных является каскад с разделенной нагрузкой. В таком каскаде половина нагрузки транзистора включена в цепь коллектора, другая половина - в цепь эмиттера. Выходной сигнал, снимаемый между коллектором и общим проводом, здесь имеет противоположную полярность с сигналом между эмиттером и общим проводом. Так как нижнее нлечо схемы представляет собой эмиттерный повторитель, в котором имеет место глубокая отрицательная обратная связь, коэффициент

усиления напряжения такого каскада /С= xmi выхтг всегда

вх m вх m

меньше единицы. Входное сопротивление, коэффициенты усиления тока и напряжения, коэффициент гармоник и динамическая входная емкость такого каскада определяются практически теми же выражениями, что и для эмиттерного повторителя. Сопротивления Rk и Ra в таком'каскаде рассчитывают, задавшись допустимым падением на них напряжения питания, как и в обычном реостатном каскаде Ток покоя цепи коллектора определяют, исходя из необходимой переменной составляющей коллекторного тока, обеспечивающей работу следующего каскада так же, как и в реостатном каскаде Емкости конденсаторов связи Сс здесь рассчитывают обычным образом, исходя из допустимых частотных искажений на низпюй рабочей частоте, остальные детали инверсного каскада с разделенной нагрузкой рассчитывают так же, как в обычном реостатном каскаде.

Пример 5. 3. Рассчитаем транзисторный инверсный каскад с разделенной нагрузкой, работающий на двухтактный каска т мощного усиления со схемой, ана-