Как сделать смещение напряжения
Добавил пользователь Евгений Кузнецов Обновлено: 04.10.2024
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.
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.
Вы можете написать сейчас и зарегистрироваться позже. Если у вас есть аккаунт, авторизуйтесь, чтобы опубликовать от имени своего аккаунта.
Примечание: Ваш пост будет проверен модератором, прежде чем станет видимым.
Последние посетители 0 пользователей онлайн
Объявления
времён Бориса Никалаича. Но заземления в проводке нет. Это будет играть какую-то роль в данном случае?
трансформатор может быть и ни при чём, там куча проводов от платы идёт. Попробуйте с землями поиграть. Как? Как получится, масса вариантов.
Трансформатор у вас тороидальный, по идее он не должен давать наводок. Розетки с заземлением или проводка времён царя гороха?
Всё пробовали уже. Кабели меняли в первую очередь. Инструментальные кабели вообще все экранированные, по дефолту. Забыл сказать, эффект конечно слышно в основном только когда включен перегруз (громкость согнала сильно задирается при этом). Когда чистый звук гитары без перегрузов и эффеков - почти не слышно наводок. 100% это наводки от трансформатора. Если поднести гитару на полметра к самому трансу - там вообще такой гул начинается, что затыкай уши.
Что у вас на месте С8? Попробуйте заменить на любой заведомо хороший. Хоть такой же, как С4 поставьте. И проверяйте конденсаторы в ООС (С8 и т.п.) в режиме постоянки тестером. Должно быть 4-8МОм. Не меньше, желательно. Но, в принципе, и 2МОм сойдёт, если нет получше.
36 Ватт!? И сколько можно снять с такого транса? И в каком диапазоне? Тогда уж Ватт на 5 надо ставить Чтоб не тяжело было нести. (У меня ТПП 268 по два в канале. А это почти 120Ватт.)
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.
Push-Pull усилители
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.
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.
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.
Схема инвертирующего усилителя с двухполярным питанием
Базовая схема инвертирующего усилителя с двухполярным питанием выглядит вот так:
В НЕинвертирующем усилителе обратная связь идет по напряжению, а в инвертирующем усилителе — по току.
Коэффициент усиления по напряжению любого усилителя выражается формулой
Итак, что получаем в итоге?
В этом случае ток I2 будет выражаться формулой:
Отсюда находим коэффициент усиления
Так как входное сопротивление инвертирующего входа бесконечно велико, следовательно, ток будет протекать только через цепь R1—>R2. Два разных тока в одной ветви быть не может, поэтому получается, что
В итоге наша формула сокращается и получаем
Пример работы инвертирующего усилителя
Давайте посмотрим, как работает наш усилитель в программе-симуляторе электронных схем Proteus. Здесь мы собираем базовую схему с двухполярным питанием
В Proteus она будет выглядеть вот так:
Насыщение выхода инвертирующего усилителя
Давайте представим себе такую ситуацию. У нас входное переменное напряжение амплитудой 1 В. Коэффициент усиления 50. По нашим расчетам на выходе мы должны получить сигнал амплитудой 50 В. Но как мы получим 50 В, если питание нашего усилителя, допустим, +-15 В? Усиленный сигнал, амплитудой больше чем 15 В, мы получить не сможем. Хотя типичное падение напряжения во внутренних цепях реальных ОУ составляет около 0,5-1,5 В. То есть максимальный размах сигнала, который мы можем получить в данном случае на выходе будет 27-29 Вольт.
Продемонстрируем это в симуляторе Proteus. Итак, давайте на вход подадим синусоидальный сигнал амплитудой в 1 В, а коэффициент усиления сделаем 20, подобрав нужные резисторы. То есть по нашим расчетам мы должны получить синус с амплитудой в 20 Вольт. Смотрим осциллограмму
Подавали на вход синусоиду, а получили на выходе синусоиду с обрезанными верхушками и амплитудой в 14 В. Одна клеточка в данном случае — это 2 В. Как вы видите,сигнал, амплитудой более чем +-Uпит мы получить не сможем. Всегда помните об этом, особенно при конструировании радиоэлектронных устройств.
Ток смещения и смещение выхода
Почему же так важен ток смещения? Давайте еще раз рассмотрим схему
Даже если мы не подаем никакого сигнала на вход, то на выходе у нас все равно будет какое-то маленькое постоянное напряжение. Почему так происходит? Во всем как раз и виноват ток смещения. Он создает падение напряжения на резисторе обратной связи. В данном случае — это резистор R2. А как вы знаете, на большем сопротивлении падает большее напряжение. То есть если номинал сопротивления R2 будет очень большим, то на нем будет падать большое напряжение, которое как раз и пойдет на выход нашего ОУ.
Допустим, ток смещения равен 0,1 мкА, а резистор R2= 1 МОм, то какое падение напряжения будет в этом случае на резисторе? Вспоминаем закон Ома: I=U/R, отсюда U=IR= 0,1 В. То есть на выходе у нас уже будет постоянное напряжение 0,1 В! Подавая на вход такого усилителя полезный сигнал с током смещения в 0,1 мкА , на выходе этот сигнал будет усиливаться и суммироваться с постоянной составляющей в 0,1 В. В нашем случае происходит смещение нулевого уровня. Наглядно — на рисунке ниже.
Способы борьбы с током смещения
В некоторых случаях током смещения можно пренебречь, если он не оказывает сильного влияния на ваши требования по сигналу. Но если все-таки вы разрабатываете какое-либо точное устройство, где выходной сигнал должен строго вписываться в рамки ТЗ, то в этом случае можно прибегнуть к таким способам:
1) Ставить в цепь обратной связи резистор малого номинала.
На малом сопротивлении падает малое напряжение. Следовательно, на выходе уже будет меньшее постоянное напряжение. Стандартный диапазон резисторов от нескольких килоом и до 50 кОм.
2) Ввести в схему компенсирующий резистор
В этом случае он будет определяться по формуле:
Если все-таки выходной сигнал соответствует вашим ожиданиям и без RК , то лучше его не ставить, так как любой резистор вносит шумовые искажения в сигнал. Зачем лишний раз добавлять в схему шум?
3) Использовать ОУ с входными цепями, построенными на полевых транзисторах, либо подбирать ОУ с малыми токами смещения, благо сейчас технологии производства таких ОУ далеко шагнули вперед.
Инвертирующий усилитель с однополярным питанием
Как можно увидеть, сейчас мы питаем наш ОУ однополярным питанием. Что будет, если мы НЕинвертирующий выход посадим на землю?
То есть мы получили базовую схему инвертирующего усилителя, но только с однополярным питанием. Давайте ппросимулируем такую схему. Коэффициент усиления в данном случае будет равен-10, так как мы взяли соотношение резисторов 10 килоом и 1 килоом. Загоняю на вход сигнал амплитудой в 1 В.
Что имеем в итоге на виртуальном осциллографе?
Здесь уже будет использоваться более хитрая формула, а не просто вольтдобавка. Приблизительная формула выглядит вот так:
Итак, мы хотим усилить наш сигнал полностью без среза. Какое же должно быть значение Uвых ? Оно должно иметь значение половины Uпит , чтобы сигнал ходил туда-сюда без срезов. Но также надо учитывать и коэффициент усиления, иначе получится насыщение выхода, о чем мы писали выше.
В нашем случае мы хотим увеличить сигнал амплитудой в 1 В в 10 раз. То есть Uпит должно быть как минимум 20 Вольт. Так как ОУ поддерживают однополярное питание до 32 В, то давайте для красоты выставим Uпит = 30 В. Рассчитываем Uсм :
Проверяем симуляцию, все ок!
Как здесь можно увидеть, желтый выходной сигнал поднялся над нулевым уровнем и усилился без искажений. В данном случае желтый сигнал — это сумма постоянного напряжения и переменного синусоидального сигнала.
То есть получилось что-то типа вот этого:
Хорошо это или плохо, когда в переменном сигнале есть постоянная составляющая, то есть постоянное напряжение? В некоторых случаях это плохо, потому как такой сигнал трудно использовать, и поэтому чаще всего его прогоняют через конденсатор, так как он пропускает через себя только переменный ток и блокирует прохождение постоянного тока. А еще лучше поставить фильтр из дифференцирующей цепи, с помощью которого можно отсекать лишние частоты.
Свойства инвертирующего усилителя
- выходной сигнал усилителя инвертирован по отношению ко входному сигналу
- входное сопротивление такого усилителя равняется сопротивлению R1
- выходное сопротивление очень мало
Принцип работы можете увидеть на видео:
Читайте также: