Отрицательная обратная связь в усилителях

Транзисторы, будучи полупроводниковыми приборами, имеют два существенных недостатка. Первый связан с уже отмеченной принципиально нелинейной зависимостью тока коллектора от управляющего напряжения. Второй недостаток заключается в том, что характеристики транзистора сильно зависят от температуры. В частности, с ростом температуры возрастает неуправляемый ток коллектора /_ко, связанный с генерацией пар «электрон—дырка» (он увеличивается в два раза при повышении температуры на каждые 10°С). В зависимости от температуры изменяется коэффициент передачи тока транзистора (3. Это приводит к уходу рабочей точки р от своего первоначального положения, изменению коэффициента усиления и опять же к нелинейным искажениям выходного напряжения.

Существенное снижение нелинейных искажений обеспечивает использование в усилителях отрицательной обратной связи. При этом часть выходного сигнала подается обратно на вход, с тем чтобы противодействовать входному сигналу. Вследствие этого, естественно, уменьшается усиление. Однако с помощью отрицательной обратной связи можно добиться, чтобы усиление практически не зависело от нелинейной передаточной характеристики транзистора и в основном определялось соотношением омических сопротивлений.

Схема, приведенная на рис. 2.6, использует отрицательную обратную связь, но току. Она обеспечивает компенсацию нелинейных искажений и термостабилизацию рабочей точки. Элементом, обеспечивающим эту связь, является резистор в эмиттерной цепи /?_э. Пусть увеличение коллекторного тока вызвано увеличением напряжения /7_ВЭ. Это приведет к увеличению падения напряжения на R₃. Поскольку это напряжение приложено к эмиттеру транзистора, его рост приводит к уменьшению напряжения между базой и эмиттером транзистора и противодействует, таким образом, усилению. Следовательно, введение резистора R₃ обеспечивает отрицательную обратную связь (ООС). Поскольку она вызвана протеканием эмиттерного тока, ее называют последовательной ООС по току.

Рис. 2.6. Схема с отрицательной обратной связью, но току Приближенно можно считать, что приращение напряжения на Щ' равно приращению напряжения на R₃ (см. работу эмиттерного повторителя):

В связи с тем, что через R_K протекает практически тот же ток, что и через R₃, то и изменение падения напряжения Д U_R на сопротивлении R_K будет больше, чем соответствующее изменение Д[/_Кэ на сопротивлении R_:) в R_K / R₃ раз. Следовательно, коэффициент усиления по напряжению схемы с ООС приближенно определяется как.

Как видим, коэффициент усиления уже не зависит от параметров транзистора, а определяется только соотношением омических сопротивлений R_K и к_э.

Положим теперь, что увеличение тока коллектора вызвано повышением температуры. Поскольку потенциал на базе транзистора при этом не изменяется, приращение Л.и_Я) приведет к уменьшению управляющего напряжения и_БЭ и снижению тока базы, а следовательно, и тока коллектора. Ток коллектора, таким образом, стабилизируется.

Для отвода от резистора R_:) переменной составляющей тока эмиттера /_э_ включают шунтирующий конденсатор С_э достаточно большой емкости (десятки микрофарад), сопротивление которого Х_с = ½л/С_э для переменного тока составляет небольшую величину.

Пример 2.2.

Рассчитать каскад с общим эмиттером с отрицательной обратной связью по току для транзистора, характеристики которого представлены на рис. 2.5. Напряжение Е_К = 20 В, режим работы по постоянному току определен точкой р. Коэффициент передачи базового тока транзистора р = 50.

Решение. В соответствии с положением рабочий точки р падение напряжения на транзисторе U_K3p= 10 В, ток 1_Кр= 10 мА. Примем коэффициент усиления по напряжению схемы k = 10.

Определим величины сопротивлений резисторов R_K и R₃. Суммарное сопротивление резисторов R_K + R₃=(E_K — U_K3p) /I_Kp = (20 — 10) / 0,01 = 1000 Ом. Для обеспечения коэффициента k = 10 отношение Д_к / R₃= 10. Решив систему двух уравнений.

получим Д_к= 909 Ом, R_r) = 91 Ом. С учетом ряда предпочтительных номиналов резисторов Е24 (см. приложение 3) номиналы резисторов Л'_к и R₃ составят /ф = 910 Ом, /?_э= 9Юм.

Определим напряжения (/-, и t/_B. Падение напряжения на R₃ составит.

По входной характеристике определяем напряжение в рабочей точке р:

Тогда напряжение U_B = U₃ + U_h3p= 0,91 + 0,2 = 1,11 В.

Определим величины сопротивлений делителя R'_V), /?f' исходя из коэффициента передачи базового тока. Так как (3 = 50, ток 1_Бр = / Р = 0,01 / 50 = 0,0002 Л. Примем ток делителя /_д = 51_Бр = 5 • 0,0002 = 0,001А. Чтобы обеспечить напряжение [/_ь= 1,11 В, величина сопротивления

В соответствии с рядом Е24 номинал R? = 1,1 кОм и падение напряжения на нем составит 1,1 В. При напряжении питания Е_к= 20 В на резисторе R'_b должно падать напряжение

Ток через резистор Таким образом, величина сопротивления R_Б составит Ом. В соответствии с рядом Е24 номинал R'_h = 16 кОм.