Усилитель звука на транзисторах #2. Температурная стабилизация

В предыдущей статье мы рассмотрели принцип работы усилителя звука на транзисторах и рассчитали основные его параметры. Однако рассмотренная ранее схема УМЗЧ не обладает температурной стабильностью, то есть с изменением температуры может нарушиться режим работы ее по постоянному току. В конечном итоге подобные нарушения могут привести к искажению выходного сигнала.

Главным образом это связано с тем, что у любого биполярного транзистора (БТ), даже когда он заперт, протекает обратный ток коллектора Iко. Естественно при условии, что к выводам коллектор-эмиттер подано питание. Величина Iко не превышает единиц микроампер. Но все же значение его всегда приводится в справочниках или даташитах.

Сам по себе Iко не опасен ввиду его ничтожно малого значения. Но неприятность состоит в том, что его величина сильно зависит от температуры. При возрастании температура на 10 °С значение Iко увеличивается приблизительно в два раза! Поэтому без применения специальных мер по стабилизации тока покоя коллектора Iкп его значение будет изменяться в зависимости от температуры окружающей среды, не говоря уже от температуры нагрева полупроводникового прибора, вызванной потерями мощности при протекании тока нагрузки.

Природа увеличения Iко состоит в том, что с ростом температуры увеличивается число собственных свободных зарядов в полупроводнике. Эти заряды под действием приложенного электрического поля от источника питания приобретают упорядоченное движение, то есть электрический ток, который протекая по пути через pn-переход эмиттер-база, вызывает на нем дополнительной падение напряжения и приоткрывает полупроводниковый прибор. В результате рабочая точка подымается вверх по нагрузочной прямой и влечет за собой соответствующие искажения информации.

Обратная связь в транзисторных усилителях

Повысить стабильность работы усилителя звука при воздействии на него температурного фактора можно за счет введения обратной отрицательной связи.

Обратная связь – это воздействие выходного сигнала ВыхС, как правило, части его, на входной ВхС. Если от ВхС отнимается часть ВыхС, то такая связь называется отрицательной. В случае, когда к ВхС прибавляется часть от ВыхС, связь называется обратной положительной. Но эту тему мы развивать не будем, и сразу перейдем к схемам.

Чаще всего на практике применяются две схемных решения, позволяющие стабилизировать работу полупроводникового прибора.

Первая схема отличается от рассмотренной лишь тем, что резистор базы подсоединяется не к плюсу источника питания, а к коллектору полупроводникового прибора VT.

Рассмотрим, как она работает. Резистором Rб устанавливается ток покоя коллектора Iкп. Теперь, допустим, температура нагрева транзистора VT возросла, соответственно возрос и обратный неуправляемый ток Iко, то есть прибор еще дополнительно несколько приоткрылся. Это эквивалентно тому, что сопротивление его снизилось, а сопротивление Rк осталось прежним, поэтому согласно второму закону Кирхгофа произойдет перераспределение напряжений между VT и Rк. В результате этого снизится потенциал в точке подсоединения базового резистора Rб, соответственно снизится потенциал и на баз VT, поэтому последний несколько призакроется, то есть вернется в исходное состояние значение Iкп.

Упрощенно механизм работы данной схемы можно пояснить, если полупроводниковый прибор заменить эквивалентный сопротивлением.

Посмотри внимательно на Rк и Rт, они образуют делитель напряжения и если они равны, то в точке подключения Rб потенциал будет равен половине приложенного питания Uип. Для нашего случая потенциал в рассматриваемой точке равен 4,5 В.

Теперь представим, что Iкп вырос с 1 мА до 1,5 мА. Я специально беру завышенное значение, чтобы более наглядно объяснить суть происходящего процесса.

Увеличение Iкп свидетельствует о том, что общее сопротивление цепи снизилось. Но поскольку Rк не может уменьшиться, так как это реальный резистор, то значит, снизится эквивалентное сопротивление Rт. Вследствие этого 9 В перераспределятся по-новому между указанными резисторами.

Падение напряжения на Rк, согласно закону Ома, станет равным:

U_Rк = Iкп Rк = 1,5 мА∙4,5 кОм = 6,75 В.

Оставшееся U → 9 — 6,75 = 2,25 В будет приложено к VT.

Перерисуем условную схему с новыми значениями перераспределенных напряжений.

Таким образом потенциал в точке подключения Rб снизится с 4,5 В до 2,25 В, то есть в два раза. Уменьшение потенциала на Rб приведет к снижению потенциала и на базе транзистора. В результате этого он станет призакрываться. Это будет происходить до тех пор, пока Iкп снова не установиться равным 1 мА.

Обратная ситуация будет происходить, если Iкп покоя коллектора начнет снижаться. Такая ситуация может возникнуть, если электронное устройство вынести на мороз, поскольку при снижении температуры снижается концентрация собственных свободных зарядов, а соответственно и Iкп.

Я на этом так подробно остановился лишь потому, что в большинстве случаев в подобных схемах усилителей мощности звуковой частоты (УМЗЧ) обратные отрицательные связи построены и работают на рассмотренном принципе.

Сопротивление в цепи коллектора Rк, конденсаторы С1 и С2 рассчитывается точно также, как и для предыдущей схемы. Сопротивление Rб рассчитывается следующим образом:

Однако данная конфигурация усилителя не обладает особо высокой стабильностью, но, тем не менее, успешно применяется во многих электронных устройствах в виду своей простоты и экономичности. Широкого распространения рассмотренная структура схемы в усилителях звука (УМЗЧ) не получила поскольку отрицательная обратная связь воздействует не только на постоянную составляющую, но и на переменную, что приводит к ослаблению последней, а соответственно и полезной информации. Поэтому на практике получила наибольшее распространение схема с эмиттерной обратной отрицательной связью. Она обладает наибольшей температурной стабильностью.

Классическая схема усилителя мощности звуковой частоты УМЗЧ

Здесь мы видим, добавились три резистора Rб1, Rб2 и Rэ, а также емкость Cэ. Рассмотрим их назначение.

Наиболее простой и эффективный способ поддержания режима работы транзистора по постоянному току – это подать фиксированное значение напряжения на его базу, что осуществляется с помощью резисторов Rб1 и Rб2, которые параллельно подсоединены к Uип и представляют делитель напряжение источника питания. Вместе с Rэ резисторы делителя устанавливают необходимое значение напряжения смещения Uсм. Кроме того, посредством Rэ формируется обратная отрицательная связь, назначение которой ми уже знаем. Uсм образуется разностью U_Rб2 и U_Rэ.

При нагревании транзистора VT возрастает ток покоя коллектора Iкп, соответственно возрастает падение напряжения на Rэ. В результате чего снижается величина Uсм, поэтому VT призакрывается.

Резистор Rэ шунтируется конденсатором Сэ достаточно большой емкости, чтобы исключить обратную отрицательную связь по переменному току, то есть чтобы переменная составляющая эмиттерного тока не снижалась на Rэ.

Емкость Сэ обычно применяют от 10 мкФ и выше. Осталось определить номиналы трех сопротивлений: Rб1, Rб2 и Rэ.

Существуют несколько подходов к определению сопротивления указанных резисторов, но мы пойдем самым простым путем.

Падение напряжения на резисторе Rэ обычно рекомендуют принимать 1/5 от величины на Rк. Поскольку на Rк оно равно приблизительно половине от Uип, то есть 4,5 В, то напряжение на Rк примем 4,5/5 = 0,9 В. Тогда при заданном значении Iкп = 1 мА, сопротивление Rэ равно:

Чтобы определить значения Rб1 и Rб2 изначально задаются величиной тока, протекающего через делитель Iд. Как правило, его принимают равным 0,3 от Iкп. Поэтому и мы примем Iд = 0,3 мА. Падение U на нижнем резисторе делителя Rб2 должно быть больше U на Rэ на величину падения напряжения на эмиттерном переходе, которое в среднем равно 0,6 В. Поэтому U на Rб2 должно быть меньше суммы падений напряжений на переходе транзистора и на Rэ. Отсюда

Теперь определим Rб2.

Сопротивление Rб1 равно разности Uип и U_Rб2 деленной на Iд:

Стандартных номиналов расчетных значений сопротивлений Rб1 и Rб2 нет, поэтому выбираем ближайшие номиналы из стандартного ряда: 5,1 кОм и 24 кОм. Более точная установка Iкп осуществляется переменным резистором, включенным последовательно с Rб1.

В данной статье мы рассмотрели однокаскадный усилитель звука на транзисторе, но для усиления сигнала с микрофона потребуется еще один аналогичный каскад, который мы соберем в следующей статье.