Температурная стабилизация режимов в транзисторных усилителях. Особенности работы усилителя на полевом транзисторе.

Как отмечалось в гл. 10, параметры транзистора в большой степени зависят от температуры окружающей среды, что отражается на выходных параметрах усилителей. Для стабилизации параметров усилителя обычно применяют так называемые обратные связи.

Обратной связью называют такую связь между элементами усилительного устройства, при которой часть энергии выходного сигнала поступает на вход устройства. В усилителях значение энергии выходного сигнала существенно превышает значение энергии входного сигнала, а потому обратная связь (ОС) оказывает заметное влияние на их характеристики.

Виды обратных связей. Различают два вида обратных связей: 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, 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 дестабилизирует работу усилительного устройства, поскольку любые незначительные изменения выходного параметра приводятся каналом ПОС к предельным их значениям.

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 создается, как правило, емкостными 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.

Способы температурной стабилизации. Температурная стабилизация обеспечивается отрицательной обратной связью, позволяющей удерживать теплозависимые параметры транзистора в исходном состоянии независимо от внешних воздействий. Для биполярных транзисторов таким основным параметром является ток покоя коллектора I_Kп, а для полевых — ток покоя стока I_Сп. В зависимости от способов температурной стабилизации транзисторных усилителей различают эмиттерную (истоковую для полевых приборов), коллекторную (стоковую) и комбинированную стабилизации, из которых наибольшее распространение на практике нашел эмиттерный способ стабилизации.

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

(11.2)

где I_KБ0 - обратный (тепловой) ток коллекторного перехода.

С повышением температуры окружающей среды наблюдается заметный рост теплового тока (с увеличением температуры приблизительно на каждые 10°С значение тока I_KБ0 удваивается). Это в соответствии с (11.2) вызывает смещение точки покоя в зону больших значений коллекторного тока (например, в точку П' на рис. 11.7, а). В результате начинают появляться нелинейные искажения выходного сигнала, ухудшающие работу усилителя.

Для возможности принудительного удержания коллекторного тока покоя на заданном уровне в цепи постоянного тока (см. рис. 11.6, б) используют резистор R_Э, реализующий ООС по току. Механизм воздействия ООС (эмиттерной стабилизации) проявляет себя следующим образом. Рассмотренное выше увеличение коллекторного тока покоя под действием температурных изменений вызывает соответствующее увеличение тока эмиттера покоя, так как

Это обусловливает увеличение падения напряжения на эмиттерном резисторе, поскольку

В то же время возрастание напряжения на эмитерном резисторе приводит к снижению положительного потенциала на базе транзистора VT, а следовательно, и тока базы покоя. Это и обеспечивает уменьшение коллекторного тока покоя, требуемое для компенсации температурного роста тока I_KБ0. Необходимо отметить, что эмиттерный резистор отрицательной связи вызывает одновременно и нежелательный эффект снижения коэффициента усиления для входного сигнала u₁(t) цепи переменного тока усилителя (рис. 11.6, в). Для устранения этого недостатка служит конденсатор С_Э, шунтирующий резистор R_Э, как показано на полной схеме типового усилителя (см. рис. 11.6, а).

Аналогичным образом проявляет себя и механизм истоковой стабилизации в транзисторных каскадах, использующих полевые приборы.

Особенности работы усилителя на полевом транзисторе. Усилители на полевых транзисторах имеют большое входное сопротивление и потому находят широкое применение в качестве предварительных усилителей. Типичная схема усилителя на полевом транзисторе с n-каналом и управляющим р-n-переходом приведена на рис. 11.9, а. Здесь полевой транзистор включен по схеме с общим истоком, что позволяет получить усиление входного сигнала как по току, так и по напряжению (аналог схемы с общим эмиттером для биполярного транзистора).

Рис. 11.9. Принципиальная схема усилительного каскада на полевом транзисторе (а) и соответствующие ей цепи постоянного (б) и переменного (в) токов; стокозатворная характеристика полевого транзистора (г)

Цепь усилителя включает в себя следующие элементы: резистор R_C (стока), назначение которого аналогично назначению R_K в усилителях на биполярных транзисторах; резистор R_И (истока), обеспечивающий температурную стабилизацию цепи транзистора VT за счет действия последовательной ООС по току; резистор R_н, имитирующий входное сопротивление следующего каскада; резистор R_З (затвора), способствующий замыканию указанной выше последовательной цепи ООС по току. Одновременно с этим на R_З во входной цепи транзистора VT под действием входного сигнала u₁(t) формируется управляющее воздействие переменного тока. Конденсатор С_И шунтирует резистор R_И по переменному току

что исключает уменьшение усиления каскада по переменному току. Разделительные конденсаторы С_р1 и С_р2 выполняют те же функции, что и в транзисторном усилителе на биполярном транзисторе.

По аналогии с усилителем на биполярном транзисторе рассматриваемую схему (см. рис. 11.9, а) можно также представить в виде двух компонентов: цепи постоянного тока (рис. 11.9, 6), предназначенной для задания требуемого режима покоя; цепи переменного тока (рис. 11.9, в), обеспечивающей усиление переменной составляющей входного сигнала.

Рис. 11.9. Принципиальная схема усилительного каскада на полевом транзисторе (а) и соответствующие ей цепи постоянного (б) и переменного (в) токов;стокозатворная характеристика полевого транзистора (г)