Меню

Напряжение смещение ток покоя

Практические аспекты ОУ. Напряжение смещения, ток смещения, дрейф

У реальных операционных усилителей по сравнению с «идеальной» моделью есть некоторые недостатки. Реальное устройство отличается от идеального дифференциального усилителя. У него может быть смещение как у аналогового измерительного устройства, которое не обнуляется. Входы могут потреблять ток. Характеристики могут дрейфовать с возрастом и температурой. Эти недостатки могут привести к незначительным ошибкам в одних приложениях и недопустимым ошибкам в других приложениях. В некоторых случаях эти ошибки могут быть компенсированы. Иногда требуется более высокое качество и более дорогостоящее устройство.

Напряжение смещения

Другой практической проблемой для производительности операционного усилителя является смещение напряжения. То есть влияние наличия выходного напряжения на величину, отличную от нуля, когда два входных вывода закорочены вместе. Помните, что операционные усилители – это, прежде всего, дифференциальные усилители: они должны усиливать разность напряжений между двумя входными выводами и не более того. Когда разность входных напряжений точно равна нулю, мы (в идеале) ожидаем, что на выходе будет точно нулевое напряжение. Однако в реальном мире это случается редко. Даже если рассматриваемый операционный усилитель имеет нулевой коэффициент усиления синфазного сигнала (бесконечный CMRR), выходное напряжение может быть не равным нулю, когда оба входа закорочены вместе. Это отклонение называется смещением выходного уровня операционного усилителя.

Смещение выходного напряжения операционного усилителя Смещение выходного напряжения операционного усилителя

Идеальный операционный усилитель выдает ровно ноль вольт, когда оба входа закорочены вместе и соединены с землей. Тем не менее, большинство стандартных операционных усилителей будут сдвигать свое выходное напряжение в сторону уровня насыщения, либо отрицательного, либо положительного. В приведенном выше примере выходное напряжение насыщается при значении положительных 14,7 вольт, чуть меньше, чем +V (+15 вольт) из-за предела положительного насыщения этого конкретного операционного усилителя. Поскольку смещение приводит выходное напряжение к точке полного насыщения, нельзя сказать, какое смещение напряжения присутствует на выходе. Если раздельный источник питания +V/-V был достаточно высокого напряжения, кто знает, может быть, выходное напряжение составляло бы несколько сотен вольт из-за влияния смещения!

По этой причине напряжение смещения обычно выражается через эквивалентную величину дифференциального входного напряжения, создающего этот эффект. Другими словами, мы предполагаем, что операционный усилитель является идеальным (без смещения вовсе), и небольшое напряжение прикладывается последовательно с одним из входов, чтобы заставить выходное напряжение в ту или иную сторону отойти от нуля. Поскольку дифференциальные коэффициенты усиления операционных усилителей настолько велики, значение «входного напряжения смещения» необязательно должно учитывать то, что мы видим с закороченными входами:

Входное напряжение смещения Входное напряжение смещения

Напряжение смещения будет приводить к небольшим ошибкам в любой схеме на операционных усилителях. Итак, как мы компенсируем его? В отличие от синфазного коэффициента усиления, производители обычно предусматривают средства устранения смещения в корпусных операционных усилителях. Обычно два дополнительных вывода на корпусе операционного усилителя зарезервированы для подключения внешнего «подстроечного» потенциометра. Эти выводы обозначаются как смещение нуля и используются следующим обобщенным образом:

Схема смещения нуля операционного усилителя Схема смещения нуля операционного усилителя

На одиночных операционных усилителях, таких как 741 и 3130, выводы смещения нуля – это выводы 1 и 5 на 8-выводном DIP корпусе. Другие модели операционных усилителей могут использовать другие выводы для смещения нуля и/или потребовать немного отличающиеся схемы подключения подстроечного потенциометра. Некоторые операционные усилители вообще не предоставляют выводов смещения нуля! Подробности смотрите в технических описаниях от производителей.

Ток смещения

Входы операционного усилителя имеют чрезвычайно высокие импедансы. То есть входные токи, поступающие или выходящие из двух входных сигнальных выводов операционного усилителя, чрезвычайно малы. Для большинства целей анализа схем на операционном усилителе мы относимся к ним так, как будто их вообще нет. Мы анализируем схему, как если бы ток, входящий или выходящий из входных выводов, был равен абсолютному нулю.

Однако эта идиллическая картина не совсем верна. Операционные усилители, особенно операционные усилители с биполярными транзисторами на входах, должны пропускать некоторый ток через свои входные выводы, чтобы их внутренние схемы были правильно смещены. Эти токи, логично, называются токами смещения. При определенных условиях токи смещения операционного усилителя могут вызывать проблемы. Следующая схема иллюстрирует одно из этих проблемных условий:

Усиление сигнала с термопары Усиление сигнала с термопары

На первый взгляд мы не видим никаких явных проблем с этой схемой. Термопара, создающая небольшое напряжение, пропорциональное температуре (на самом деле, напряжение пропорционально разнице температур между измерительным переходом и «опорным» переходом, сформированным при соединении проводов сплава термопары с медными проводами, ведущими к операционному усилителю), управляет операционным усилителем либо в положительную, либо в отрицательную сторону. Другими словами, это своего рода схема компаратора, сравнивающая температуру между переходом на конце термопары и опорным переходом (около операционного усилителя). Проблема заключается в следующем: проводная петля, образованная термопарой, не обеспечивает путь для обоих входных токов смещения, поскольку оба тока пытаются идти одним и тем же путем (либо в операционный усилитель, либо из него).

Эта схема компаратора не будет работать Эта схема компаратора не будет работать

Чтобы эта схема работала должным образом, мы должны соединить с землей один из входных проводов, таким образом обеспечивая путь к (или из) точке земли для обоих токов:

Эта схема компаратора будет работать Эта схема компаратора будет работать

Эта проблема необязательно очевидна, но очень реальна!

Входные токи смещения могут вызвать проблемы другим способом: нежелательные падения напряжения на сопротивлениях схемы. Возьмем для примера следующую схему:

Влияние входного тока смещения на работу повторителя напряжения Влияние входного тока смещения на работу повторителя напряжения

Мы ожидаем, что схема повторителя напряжения, такая как приведенная выше, точно воспроизводит на выходе входное напряжение. Но что насчет сопротивления последовательно с источником входного напряжения? Если есть какой-либо ток смещения через неинвертирующий (+) вход, он вызовет некоторое падение напряжения на Rвх, таким образом, напряжение на неинвертирующем входе будет не соответствовать фактическому значению Vвх. Токи смещения обычно находятся в диапазоне микроамперов, поэтому падение напряжения на Rвх будет не очень большим. Одним из примеров приложения, где входное сопротивление (Rвх) может быть очень большим, является то, которое имеет электроды pH-пробника, где один электрод содержит ионно-проницаемый стеклянный барьер (очень плохой проводник с сопротивлением в миллионы ом).

Если бы мы на самом деле строили схему на операционном усилителе для измерения напряжения на pH электроде, мы бы, вероятно, захотели использовать операционный усилитель с входами на полевых (FET или MOSFET, IGFET) транзисторах, вместо операционного усилителя с входами на биполярных транзисторах (для уменьшения входного тока смещения). Но даже тогда, могут оставаться небольшие токи смещения, которые могут вызывать ошибки измерений, поэтому мы должны найти какой-то способ уменьшить их с помощью хорошего проектирования.

Один из способов сделать это основан на предположении, что два входных тока смещения будут одинаковыми. В действительности, они часто близки к тому, чтобы быть одинаковыми, разница между ними называется током входного смещения. Если они одинаковы, тогда мы должны иметь возможность убрать влияние падения напряжения на входном сопротивлении, вставив сопротивление равной величины последовательно с другим входом, например:

Устранение влияния падения напряжения на входном сопротивлении Устранение влияния падения напряжения на входном сопротивлении

При добавлении в схему дополнительного сопротивления выходное напряжение будет ближе к Vвх, чем раньше, даже если есть некоторое смещение между этими двумя входными токами.

И для схемы инвертирующего усилителя, и для схемы неинвертирующего усилителя компенсирующий резистор помещается последовательно с неинвертирующим (+) входом, чтобы компенсировать падения напряжения в цепи делителя из-за тока смещения.

Установка компенсирующего резистора в схему неинвертирующего усилителя Установка компенсирующего резистора в схему неинвертирующего усилителя Установка компенсирующего резистора в схему инвертирующего усилителя Установка компенсирующего резистора в схему инвертирующего усилителя

В любом случае значение компенсирующего резистора определяется путем вычисления параллельного сопротивления R1 и R2. Почему значение равно параллельному эквиваленту R1 и R2? При использовании теоремы суперпозиции для определения того, насколько большое падение напряжения будет создаваться током смещения инвертирующего (-) входа, мы рассматриваем ток смещения, как если бы он исходил от источника тока внутри ОУ и закорачивал все источники напряжения (Vвх и Vвых). Это дает два параллельных пути для тока смещения (через R1 и через R2, оба на землю). Мы хотим дублировать эффект тока смещения на неинвертирующем (+) входе, поэтому значение резистора, которое мы выбираем для вставки последовательно с этим входом, должно быть равно R1 параллельно с R2.

Читайте также:  Магнитная проницаемость сердечника трансформатора тока

Связанная с этим проблема, которую иногда испытывают учащиеся при изучении построения схем на операционных усилителях, вызвана отсутствием соединения источника питания с общей землей. Для правильной работы ОУ необходимо, чтобы какой-либо вывод источника питания постоянного напряжения был общим с точкой «земли» входного сигнала(ов). Это обеспечивает полный путь для токов смещения, тока(ов) обратной связи, а также для (выходного) тока нагрузки. Возьмем для примера следующую схему, показывающую источник питания, правильно соединенный с землей:

Отрицательная обратная связь с делителем напряжения на примере модели операционного усилителя Отрицательная обратная связь с делителем напряжения на примере модели операционного усилителя

Здесь стрелки обозначают путь протекания токов через батареи источника питания, как для питания внутренних схем операционного усилителя («потенциометр» внутри него, который управляет выходным напряжением), так и для питания петли обратной связи из резисторов R1 и R2. Предположим, что точка земли этого «раздельного» источника питания постоянного напряжения была удалена. Эффект от этого будет огромен:

Отрицательная обратная связь с делителем напряжения на примере модели операционного усилителя. Средняя точка земли у источника питания удалена. Отрицательная обратная связь с делителем напряжения на примере модели операционного усилителя. Средняя точка земли у источника питания удалена.
Соединение источника питания с землей обязательно для работы схемы!

Никакие электроны не могут протекать в или из выходного вывода операционного усилителя, потому что путь к источнику питания заканчивается «тупиком». Таким образом, никакие электроны не протекают ни через точку земли слева от R1, ни через петлю обратной связи. Это фактически делает операционный усилитель бесполезным: он не может ни поддерживать ток через петлю обратной связи, ни через соединенную с землей нагрузку, поскольку нет никакого соединения какой-либо точки источника питания с землей.

Токи смещения также останавливаются, поскольку они полагаются на путь к источнику питания и обратно к входному источнику через землю. На следующем рисунке показаны токи смещения (только), когда они проходят через входные выводы операционного усилителя, через выводы баз входных транзисторов и, в конечном счете, через вывод(ы) источника питания и обратно на землю.

Пути протекания входных токов смещения в схеме на операционном усилителе Пути протекания входных токов смещения в схеме на операционном усилителе.
Пути протекания токов смещения показаны через источник питания

Без опорной точки земли на источнике питания токи смещения не будут иметь полного пути в схеме, и они будут остановлены. Поскольку биполярные транзисторы являются устройствами, управляемыми током, это также делает бесполезным входной каскад операционного усилителя, так как оба входных транзистора будут вынуждены уйти в режим отсечки из-за полного отсутствия тока базы.

Резюме

  • Входы операционного усилителя обычно проводят очень малые токи, называемые токами смещения, и необходимые для правильного смещения первого транзисторного усилительного каскада в схеме операционного усилителя. Токи смещения не большие по величине (в диапазоне микроампер), но достаточно большие, чтобы вызывать проблемы в некоторых приложениях.
  • Токи смещения на обоих входах должны иметь пути для протекания к одной из «шин» источника питания или к земле. Недостаточно просто обеспечить проводящий путь от одного входа к другому.
  • Чтобы устранить любые напряжения смещения, вызванные током смещения, протекающим через сопротивления, просто добавьте эквивалентное сопротивление последовательно с другим входом операционного усилителя (так называемое компенсирующее сопротивление). Эта корректирующая мера основана на предположении, что два входных тока смещения будут равны.
  • Любое неравенство между токами смещения в операционном усилителе составляет то, что называется током входного смещения.
  • Для правильной работы операционного усилителя важно, чтобы на каком-либо выводе источника питания была опорная точка земли, чтобы сформировать полные пути для токов смещения, тока обратной связи и тока нагрузки.

Дрейф

Будучи полупроводниковыми устройствами, операционные усилители подвергаются незначительным изменениям в поведении при изменениях рабочей температуры. Любые изменения в производительности ОУ, связанные с температурой, относятся к категории дрейфа операционного усилителя. Параметры дрейфа могут быть указаны для токов смещения, напряжения смещения и т.п.. Для более подробной информации смотрите техническое описание на конкретный операционный усилитель от производителя.

Чтобы свести дрейф операционного усилителя к минимуму, мы можем выбрать операционный усилитель, имеющий минимальный дрейф, и/или мы можем сделать всё возможное, чтобы поддерживать рабочую температуру как можно более стабильной. Последнее действие может включать в себя обеспечение некоторой формы управления температурой для внутренней части оборудования, в которой размещается операционный усилитель(и). Это не так странно, как может показаться на первый взгляд. Известно, что, например, в стандартных лабораторных опорных генераторах точного напряжения иногда используются «печи» (термостаты) для поддержания чувствительных компонентов (таких как стабилитроны) при постоянной температуре. Если требуется высокая точность при обычных факторах стоимости и гибкости, это может быть вариант, на который стоит обратить внимание.

Резюме

Операционные усилители, будучи полупроводниковыми устройствами, подвержены изменениям температуры. Любые изменения в производительности усилителя, возникающие в результате изменения температуры, известны как дрейф. Дрейф лучше всего минимизировать с помощью управления температурой окружающей среды.

Источник

Стабилизация положения точки покоя в транзисторных каскадах

date image2014-02-02
views image8556

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Нестабилизированные схемы смещения

На практике получили распространение два способа обеспече­ния заданного положение рабочей точки по постоянному току:

— схема смещения фиксированным током базы;

— схема смещения фиксированным напряжением базы.

Смещение фиксированным током базы осуществляется путём включения резистора с большим сопротивлением Rб между базой и источником электропитания Ек (рисунок 1.20, а). Это создает путь для постоянной составляющей тока базы, т.е. для тока смещения Iбо от +Eк→(э-б)VT→Rб→-Eк.

Ток смещения Iбо создает на входном сопротивлении транзистора напряжение смещения Uбэо, составляющее доли вольт. Сопротивление Rб значительно больше входного, а Uбэо во много раз меньше Ек.

Поэтому, определяя ток смещения, можно пренебречь величиной Uбэо по сравнению с Ек. Тогда получим Iбо = (Ек — Uбэо) / Rб ≈ Ек/Rб = const, (1.36)

т.е. ток базы действительно является фиксированным, не завися­щим от тока коллектора и параметров транзистора.

Недостаток данной схемы является нестабильность режима выход ной цепи, поэтому фиксированное смещение током базы в чистом виде (без специальных мер для стабилизации тока коллектора) в практических схемах не нашло применение.

Смещение фиксированным напряжением базы осуществляется с помощью делителя напряжения, состоящего из резисторов Rб1 и Rб2 (рисунок 1.20,6). Делитель подключается к источнику электропита­ния Ек, а напряжение с Rб2 поступает на базу и является напряже­нием смещения Uбэо.

Ток Iд, потребляемый делителем от источника электропитания, значительно больше тока базы Iбо, протекающего вместе с Iд по Rб1 откуда Uбэо = Ек·[ Rб2/(Rб1+Rб2)] = const. ( 1.37)

Таким образом, напряжение смещения действительно не зависит от тока коллектора и параметров транзистора, т.е. является фиксирован­ным.

Для того чтобы осуществлялось смещение фиксированным напряжением базы, сопротивление Rб2 должно быть значительно меньше входного сопротивления транзистора. Это уменьшает общее входное сопротивление каскада, что является недостатком схемы.

В усилительных каскадах с полевыми транзисторами электропитание выходных цепей осуществляется так же, как и в каскадах на биполярных транзисторах.

При отсутствии сигнала на входе усилителя значение выходного тока должно быть постоянным, т.е. положение рабочей точки в исходном состоянии должно быть неизменным — стабильным. Однако в ре­зультате действия различных внешних факторов режим работы усилительного элемента оказывается нестабильным. Причинами неста­бильного режима работы усилительного элемента являются: измене­ние температуры окружающей среды, нестабильность напряжения ис­точников электропитания, разброс параметров

усилительных элементов и др. Особенно сильно влияет режим работы усилительного элемента повышение температуры окружающей среды, вызывающее резкое из­менение начального тока коллектора Iк.н. Так, при увеличении тем­пературы на каждые 10°С Iк.н. возрастает в 2 раза у германиевых транзисторов и в 3 раза у кремниевых. В результате ток покоя коллек­тора Iко увеличивается в несколько раз.

Читайте также:  Нагревание магния в токе кислорода

Таким образом, простые схемы смещения не обеспечивают необхо­димой стабильности режима транзистора. Поэтому в транзисторных усилителях обычно применяют различные способы стабилизации ре­жима работы усилительного элемента.

а-фиксированная током базы;

б- фиксированная напряжение базы

Рисунок 1.20- Схемы нестабилизированные смещения рабочей точки транзистора

Параметрическая стабилизация режима . Принцип параметрической стабилизации заключается, в том. что смещение создается с по­мощью термозависимых элементов, имеющих отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Это нелинейные элементы, у ко­торых с повышением температуры сопротивление уменьшается, так что напряжение на нем понижается, а, следовательно, уменьшается и сме­щение. Вызванное этим уменьшение тока коллектора может полно­стью скомпенсировать то его увеличение, которое происходит за счёт повышения температуры. Таким образом, при правильном подборе параметров схемы можно добиться полной компенсации температурных изменений тока коллектора и получить коэффициент нестабильности S=0.

Схемы параметрической стабилизации с применением терморе­зистора или термистора Rm приведена на рисунке 1.21, а.

Принцип работы данной схемы заключается в том, что с повыше­нием температуры общее сопротивление нижнего плеча делителя Rб2, содержащего терморезистор Rt, уменьшается, что вызывает уменьше­ние смещения Uбэо и препятствует увеличению тока коллектора Iко. Чтобы температура терморезистора изменялась одновременно с темпе­ратурой стабилизированного транзистора, их надо располагать в непосредственной близости друг к другу (обычно на радиаторе охлаж­дения транзистора).

Большим недостатком данной схемы является их значительная тепловая инерционность.

Рисунок 1.21 — Параметрическая стабилизация режима транзистор

Параметрическая стабилизация с помощью полупроводниковых диодов (или кремниевых стабилитронов) может быть осуществлена путем включения их в нижнее плечо делителя, создающего смещение на базе. При включении диода в прямом направлении (рисунок 1.21,б) температурная зависимость сопротивления его р-п — перехода имеет почти такой же характер, как для эмиттерного перехода транзистора, поскольку они созданы из одних и тех же исходных материалов. Здесь смещением является прямое напряжение на диоде (прямое сопротивле­ние диода выполняет роль Rб2). С повышением температуры прямая ветвь вольтамперная характеристики диода сдвигается влево так же, как входная характеристика транзистора (рисунок 1.22), и уменьше­ние приложенного извне напряжения смещения дает хорошую термо­компенсацию. Вместо диода может быть использован эмиттерный переход транзистора, у которого база и коллектор соединены вместе; при этом можно добиться еще большой точности термокомпенсации.

Преимуществом применения диодов и транзисторов в диодном включении перед терморезисторами является то, что тепловая инер­ция диода примерно соответствует тепловой инерции транзисторов.

Недостаток данной схемы уменьшение входного сопротивления каскада, так как сопротивление диода переменному току в прямом направлении очень мало. Этот недостаток устраняется при включении дио­да последовательно с источником сигнала.

Диод, применяемый для термокомпенсации, надо располагать вблизи транзистора, чтобы они одновременно нагревались.

Наиболее простой способ стабилизации исходного режима транзистора — коллекторная стабилизация (рисунок 1.23,а). Эта схема от­личается от схемы смещения фиксированным током базы тем, что резистор Rб, соединенный с базой, подключается вторым концом к коллектору, а не к источнику электропитания. Поэтому падение напря­жения на ней можно считать равным напряжению коллектора Uko, если пренебречь малым падением напряжением на эмиттерном пере­ходе по сравнению с Uko. Ток смещения равен:

т.е. зависит от тока коллектора.

Если, например, с повышением температуры ток коллектора увели­чивается, то возрастает и ток эмиттера, увеличивается падение напря­жение на коллекторные нагрузки Rk, понижается напряжение Uko, а, следовательно, уменьшается ток смещения Iбо. Это вызывает умень­шение тока коллектора Iко.

Итак, возрастание тока коллектора в итоге всех процессов приво­дит к уменьшению смещения, а это препятствует росту Iко, который таким образом стабилизируется.

В данной схеме действует параллельная отрицательная обратная связь по постоянному напряжению. Коллекторная стабилизация дейст­вует более эффективно только при большом сопротивлении нагрузки Rk и когда уменьшается по величине сопротивление Rб.

Схема коллекторной стабилизации положение исходной рабочей точки применяется редко. Она проста, экономична, но не обеспечивает достаточную стабилизацию положения исходной рабочей точки.

Рисунок 1.23 — Схемы стабилизации напряжения коллекторная ( а) и эмиттерная стабилизация (б)

Эмиттерная стабилизация осуществляется включением резистора Rэ между эмиттером и общим проводом и обычно применяется на основе схемы с фиксированным напряжением базы (рисунок 1.23,б). На сопротивлении делителя Rб2 создается фиксированное напряже­ние база — общий провод Uбо. На сопротивлении эмиттерной стабилизации Rэ током покоя эмиттера Iэо создается падение напряжения эмиттера — общий провод Uэо. при этом напряжение смещения база -эмиттер Uбэо равно разности. Следовательно:

Если с повышением температуры возрастает ток коллектора, то увеличивается Iэо и падение напряжение на Rэ, а напряжение сме­щение Uбэо уменьшается, что препятствует росту Iко; следовательно, ток коллектора стабилизируется.

В данной схеме действует последовательная отрицательная обрат­ная связь по постоянному току эмиттера.

Эмиттерная стабилизация действует тем эффективнее, чем мень­ше Rб2, а, следовательно, и общее сопротивление делителя боль­ше Rэ. При этом даже очень малое изменения коллектора вызовут существенные изменения смещения, повысит точность стабилизации ис­ходного режима и степень уменьшения коэффициента нестабильности S.

В схеме на рисунке 1.23,б параллельно резистору Rэ может быть включен блокировочный конденсатор Сэ большой ёмкости для иск­лючения отрицательной обратной связи по переменному току. Если желательно использовать последовательную обратную связь и по переменному току, то Сэ в схему не включается. При этом уменьша­ется усиление, но стабилизируется выходной ток сигнала и коэффициент усиления тока Ki, а также увеличивается входное сопротивле­ние.

Схема эмиттерной стабилизации рабочей точки транзистора при­меняется часто. Она обеспечивает более высокую стабилизацию поло­жения рабочей точки.

Еще лучшую стабилизацию рабочей точки обеспечивает комбини­рованная схема (рисунок 1.24,а), где используется отрицательная об­ратная связь как по току, так и по напряжению. В этой схеме резисто­ры обратной связи Rэ и Rф шунтированы конденсаторами Сэ и Сф для устранения обратной связи по переменному току.

Рисунок 1.24 — Схема стабилизации комбинированная (а) и комбинированная на полевом транзисторе

Схемы стабилизации исходного положения рабочей точки с помощью отрицательной обратной связи применимы только в усилителях, работающих в режиме класса А, в котором постоянная составляющая выходного тока транзистора не зависит от амплитуды усиливаемого сигнала.

В режиме класса В, при котором среднее значение тока покоя зависит от амплитуды усиливаемого сигнала, применяют смещение фиксированным напряжением базы, а стабилизация исходного положения рабочей точки осуществляется схемах термо­компенсации.

Недостатком схем стабилизации с применением обратной связи является дополнительный расход мощности источника электропитания на элементах обратной связи.

Схема истокового автоматического смещения работает так, напряжение смещения создается током протекающего через резистор Rh. Оно подается на затвор через резистор R2. сопротивление которого можно выбирать очень большим (1. 100 МОм), поскольку ток зат­вора очень мал и падения напряжения на нем по существу нет.

Стабилизация тока покоя выходной цепи по этой схеме осуще­ствляется следующим образом: при возрастании выходного тока покоя под действием дестабилизирующих факторов величивается падение напряжения на резисторе Rh, транзистор начинает закрываться и ток покоя выходной цепи уменьшается.

Источник

Смещение ламп выходного каскада

Напряжение смещения влияет на характер звука, правильную работу и срок службы ламп выходного каскада. Опытный пользователь может сам отрегулировать фиксированное напряжение смещения при замене ламп. В противном случае нужно доверить это дело специалисту. Рэндалл Смит из “Mesa Boogie” говорит: «за 12 лет активного ремонта гитарных усилителей одной из наиболее частых проблем является неправильная настройка Bias, либо его отклонение из-за вибрации».

Фиксированное смещение лампы

Автоматическое смещение лампы

Что такое смещение (bias)

Лампа усиливает сигнал, поданный на её управляющую сетку. Она будет делать это при наличии на сетке более отрицательного напряжения относительно катода. Тем самым регулируется количество электронов, которые проникают сквозь сетку на пути от катода к аноду. Меняя напряжение на сетке, мы можем менять напряжение на выходе (аноде). Существует две разновидности смещения:

  • Резистор между минусом источника питания и сеткой лампы сам устанавливает оптимальное отрицательное напряжение. Сопротивление этого резистора подбирается индивидуально для каждой конкретной лампы. При автоматическом смещении на катодном резисторе рассеивается относительно большая мощность, которая могла быть отдана в нагрузку. В качестве компенсации приходится увеличивать напряжение питания выходных ламп, что приводит к снижению КПД.
  • Фиксированное смещение подразумевает одно и то же отрицательное напряжение, которое настраивается переменным резистором на определенную величину. Такой тип позволяет получить более высокую мощность в ущерб качеству звука. Напряжение может формироваться через отдельный выпрямитель и обмотку силового трансформатора, поэтому практически не зависит от величины анодного напряжения, как в случае с автосмещением.
Читайте также:  Какое бывает действие электрического тока

Push-Pull усилители

Двухтактный выходной каскад, также известный как класс «В» или «АВ», способен обеспечивать достаточно серьезную выходную мощность, в отличие от однотакта (single ended). В таком каскаде одна лампа (или несколько включенных параллельно) используется для восходящей части волны, а другая – для нисходящей части исходного сигнала. Очень похоже на качели, проталкивающие ток в акустическую систему через выходной трансформатор. Для достижения максимальной эффективности фиксированный bias сделан крайне отрицательным, вплоть до того момента, когда лампы могут усиливать только положительную полуволну – это известно как смещение вблизи отсечки.

В чистом классе «В» проблемы начинаются при переходе сигнала через нулевое значение. Лампы по своей природе имеют нелинейную характеристику – в наибольшей степени это проявляется в драйверном каскаде. Здесь появляются искажения типа «ступенька» (crossover distortion), возникающие при переходе сигнала через «ноль». Степень отклонения от линейной зависимости характеризуются общим коэффициентом гармоник (Кг).

Лучший способ противостоять таким искажениям – сделать одновременное усиление в области нулевого значения. Другими словами, отрицательная полуволна начнет усиливаться в тот момент, когда сигнал находится в верхней части амплитуды. То же самое должно происходить и в обратном направлении. Чем идеальнее соблюдение этого правила, тем больше усилитель приближается к классу «АВ» и «А».

Настройка смещения ламп выходного каскада

Как убедиться в правильной настройке смещения? Нужно измерить напряжение на катодном резисторе, подсоединив плюсовой щуп мультиметра к катоду лампы, а минусовой – на общий провод (минус питания). Для 6П14П это значение равно -6,5 В, для 6П3С равно -14 В. В схеме с фиксированным смещением можно отрегулировать нужное отрицательное напряжение с помощью переменного резистора или подбором номинала постоянного сопротивления. Таким образом, устанавливается ток покоя оконечного каскада.

При недостаточном напряжении смещения выходные лампы будут сильнее нагреваться и быстрее придут в негодность. От блока питания потребуется большая мощность, чем требуется.

При чрезмерно отрицательном напряжении смещения нелинейные искажения типа «ступенька» станут отчетливо слышны. Это также может повредить лампы тем самым образом, когда они используются в течение длительного времени без перерыва.

Особенно важен одинаковый ток покоя в лампах драйвера и оконечника. В противном случае на выходном трансформаторе будет дисбаланс по постоянному току. И усилитель не будет отдавать всю полезную мощность в нагрузку.

Ламповый усилитель 100 Вт на 6П3С

Возраст лампы и отклонения в смещении

Как известно, все лампы в процессе эксплуатации изнашиваются, начиная звучать блекло. Важным фактором в длительности эксплуатации является пропускная способность, или трансдуктивность. Она определяет силу тока, которую проводит лампа при заданном напряжении на управляющей сетке. Старые лампы со временем проводят меньший ток, нежели новые. Естественно, в процессе эксплуатации смещение может выходить из заданных значений, поскольку гитарные комбики подвержены также и механическим вибрациям.

Вот почему ламповые усилители нуждаются в небольшой профилактике хотя бы раз в 3-5 лет, и уж тем более после замены ламп.

Дата публикации: 27 December 2019

Другие интересные статьи

Назначение дросселя в ламповом усилителе

Назначение дросселя в ламповом усилителе

Что такое электромагнитный дроссель и какую функцию он выполняет в блоке питания лампового усилителя. Основные характеристики дросселя как сглаживающего фильтра в системе электропитания лампового УНЧ — это сопротивление обмотки, постоянный ток и индуктивность. Большее значение Генри будет иметь большую фильтрацию.

Гитарный кабинет 210, процесс изготовления

Гитарный кабинет 210, процесс изготовления

Помимо практического знания звуковых характеристик открытого и закрытого корпуса, и базового понимания резонансных свойств акустических систем, я мало что знаю о строительстве гитарных кабинетов. Поэтому полагаюсь на внутренний инстинкт и удачные образцы некоторых самодельных и промышленных вариантов.

Радиолампы или электронные лампы: устройство и виды

Радиолампы или электронные лампы: устройство и виды

Обзор популярных радиоламп для аудиотехники и музыкальной аппаратуры. Популярные лампы для предварительного и оконечного каскада. Принцип работы электровакуумных приборов. Классификация радиоламп по количеству электродов. Размеры баллонов и влияние на звук.

Источник



Смещение и точка покоя транзистора

До сих пор мы предполагали, что напряжение источника входного сигнала положительно и больше, чем напряжение база–эмиттер транзистора. Рассмотренные схемы усилителей (рис. 3.5, 3.8) будут нормально работать только при этом условии. Однако, напряжение входного сигнала чаще всего бывает переменной полярности.

Чтобы усиливать также и отрицательные полуволны напряжения и тока, нужно пропустить в цепи база–эмиттер постоянный ток от дополнительного источника – ток смещения базы, или ток покоя базы iб0. Этот ток будет задавать некоторый постоянный уровень тока коллектора iк0ток покоя коллектора (рис. 3.10), а также соответствующие уровни выходного напряжения и тока – так называемую рабочую точку транзистора. Ее еще называют точкой покоя. Транзистор находится в рабочей точке при отсутствии сигнала на входе усилителя.

Ток входного сигнала суммируется с током смещения базы, вызывая увеличение тока коллектора при положительном входном сигнале и уменьшение тока коллектора при отрицательном входном сигнале. Таким образом, происходят колебания тока коллектора, а также тока и напряжения выхода усилителя вокруг точки покоя (рис. 3.10). Точку покоя обычно выбирают посередине между режимами отсечки и насыщения, чтобы обеспечить максимальную амплитуду сигнала на выходе усилителя. Ток нагрузки эмиттерного повторителя при этом равен половине от максимально возможного (от тока в режиме насыщения), а напряжение на выходе усилителя напряжения равно половине напряжения источника. Такой усилитель называется усилителем класса А.

В качестве источника тока смещения базы обычно используют делитель напряжения. На рис. 3.11 этот делитель образуют резисторы R1 и R2.

Рис. 3.11. Усилительный каскад на биполярном

Усилительный каскад, как правило, отделен по постоянному току от источника входного сигнала и от нагрузки усилителя конденсаторами Свх. и Свых. Благодаря этим конденсаторам вход и выход усилителя не влияют на рабочую точку транзистора. Емкость этих конденсаторов выбирается достаточно большой – такой, чтобы сопротивление конденсатора Свх. на рабочих частотах было намного меньше, чем входное сопротивление усилителя, а сопротивление конденсатора Свых. было намного меньше, чем выходное сопротивление усилителя. То есть, начиная с некоторой частоты, конденсаторы должны легко пропускать переменную составляющую тока.

Рис. 3.12. Эквивалентная схема каскада.

Конденсатор Сэ обычно также присутствует в схеме каскада. Он уменьшает полное сопротивление цепи эмиттера, что в соответствии с рассуждениями, использованными для анализа усилителя напряжения, увеличивает коэффициент усиления каскада по напряжению. Сопротивление конденсатора Сэ должно быть намного меньше сопротивления Rэ: .

Для расчета входного и выходного сопротивления каскада нарисуем эквивалентную схему каскада для переменного тока рис. 3.12. При этом будем пренебрегать малыми сопротивлениями конденсаторов.

Как и у простейшего усилителя напряжения, выходное сопротивление каскада равно Rк.

Как и у эмиттерного повторителя, входное сопротивление транзистора со стороны базы равно (1+β)Rэ. Оно велико по сравнению с сопротивлением резисторов делителя R1 и R2, и оно включено параллельно с R1 и R2, поэтому входное сопротивление каскада примерно равно сопротивлению параллельно включенных резисторов R1 и R2: .

Зная входное и выходное сопротивления каскада, получаем требования к конденсаторам Свх. и Свых.: , .

Источник