Электроника:Полупроводники/Биполярные транзисторы/Обратная связь в транзисторах с биполярным переходом (ТБП)

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Обратная связь в транзисторах с биполярным переходом (ТБП)

Если некоторый процент выходного сигнала усилителя подключён к входу (тогда получается, что усилитель усиливает часть своего выходного сигнала), мы имеем так называемую обратную связь.

Виды обратной связи

Обратная связь бывает двух видов: положительная (также называемая регенеративная обратная связь) и отрицательная (также называемая дегенеративная обратная связь).

Положительная обратная связь

Усиливает направление изменения выходного напряжения усилителя, в то время как отрицательная обратная связь делает прямо противоположное.

Всем хорошо знакомый пример обратной связи происходит в системах громкой связи – когда кто-то держит микрофон слишком близко к колонке, транслирующей звук с этого же микрофона: в результате динамик издаёт отвратительный пронзительный «скрежет», как будто кто-то крайне громко водит вилкой по тарелке – исключительно раздражающий ультразвук, немедленно вызывающий чувство дискомфорта и тревоги. Это происходит потому, что система аудиоусилителя обнаруживает и усиливает собственный шум. Это частный пример положительной (регенерирующей) обратной связи, поскольку любой звук, обнаруживаемый микрофоном, усиливается и превращается в более громкий звук динамиком, который затем снова обнаруживается микрофоном, и так далее… Результатом является постоянно увеличивающийся шум, который будет расти до тех пор, пока система не достигнет «точки насыщения» и не сможет дальше генерировать ещё больше громкости.

Под впечатлением этого специфического неприятного примера можно задаться вопросом: а возможно ли какое-либо полезное использование обратной связи в усилительных схемах? Если мы вводим положительную или регенеративную обратную связь в схему усилителя, она имеет тенденцию создавать и поддерживать колебания, частота которых определяется значениями компонентов, обрабатывающих сигнал обратной связи от выхода к входу. Это один из способов сделать схему, генерирующей переменный ток из постоянного. Осцилляторы – весьма полезные схемы, поэтому обратная связь имеет для нас определённое практическое применение.

Отрицательная обратная связь

С другой стороны, отрицательная обратная связь оказывает «демпфирующее» (глушащее, амортизирующее) воздействие на усилитель: если выходной сигнал увеличивается по величине, сигнал обратной связи оказывает уменьшающееся влияние на вход усилителя, тем самым препятствуя изменению выходного сигнала. В то время как положительная обратная связь ведёт схему усилителя к точке нестабильности (усиливает колебания), отрицательная обратная связь ведёт её в противоположном направлении: к точке стабильности.

Схема усилителя, снабжённая некоторой отрицательной обратной связью, не только более стабильна, но и меньше искажает форму входного сигнала и, как правило, способна усиливать более широкий диапазон частот. Плата за эти преимущества (исходя даже из самого названия, у отрицательной обратной связи ведь должна же быть обратная сторона медали, не так ли?) – уменьшается коэффициент усиления. Если часть выходного сигнала усилителя «возвращается» на вход, чтобы противодействовать любым изменениям на выходе, потребуется бо́льшая амплитуда входного сигнала для приведения выхода усилителя к той же амплитуде, что и раньше. Это уменьшенное усиление и есть. Однако такие преимущества, как стабильность, меньшие искажения и бо́льшая полоса пропускания, стоят того, чтобы для многих приложений пойти на компромисс в виде снижения усиления. Давайте рассмотрим простую усилительную схему и посмотрим, как мы можем ввести в неё отрицательную обратную связь:

Рис. 1. Усилитель с общим эмиттером без обратной связи.

Конфигурация этого усилителя представляет собой общий эмиттер со схемой смещения из резисторов R₁ и R₂. Конденсатор соединяет V_Вход с усилителем, так что источник сигнала не имеет постоянного напряжения, налагаемого на него цепью делителя напряжения R₁//R₂. Резистор R₃ служит для управления усилением напряжения. Мы могли бы опустить его для максимального усиления напряжения, но поскольку такие базовые резисторы часто встречаются в схемах усилителей с общим эмиттером, мы оставим его в этой схеме.

Как и все усилители с общим эмиттером, этот усилитель инвертирует входной сигнал. Другими словами, положительное входное напряжение вызывает уменьшение выходного напряжения или движение к отрицательному, и наоборот.

Подключим на ключевых участках к схеме осциллографы и взглянем на осциллограммы:

Рис. 2. Усилитель с общим эмиттером, без обратной связи, с эталонными формами сигналов для сравн

ения. Поскольку выход является инвертированным или зеркальным отображением входного сигнала, любое соединение между выходным (коллекторным) проводом и входным (базовым) проводом транзистора приведёт к отрицательной обратной связи:

Рис. 3. Отрицательная обратная связь коллектора уменьшает выходной сигнал.

Сопротивления R₁, R₂, R₃ и R_{Обр.связь} действуют вместе как сеть смешивания сигналов, так что напряжение, наблюдаемое на базе транзистора (относительно «земли»), является средневзвешенным значением входного напряжения и напряжения обратной связи, в результате чего наблюдается понижение амплитуды в сигнале, идущем на транзистор. Таким образом, схема усилителя на рисунке 2 выше будет иметь пониженное усиление по напряжению, но при этом улучшенную линейность (уменьшенные искажения) и увеличенную полосу пропускания.

Однако резистор, соединяющий коллектор с базой, – не единственный способ ввести отрицательную обратную связь в эту схему усилителя. Другой метод (немного более сложный для понимания) включает размещение резистора между выводом эмиттера транзистора и «землёй»:

Рис. 4. Обратная связь эмиттера: другой метод введения отрицательной обратной связи в схему.

Этот новый резистор обратной связи понижает напряжение пропорционально току эмиттера, проходящего через транзистор, и делает это таким образом, чтобы противодействовать влиянию входного сигнала на переход база/эмиттер транзистора. Давайте внимательнее рассмотрим переход эмиттер/база и посмотрим, чем отличается этот новый резистор на рисунке 5 ниже.

При отсутствии резистора обратной связи, соединяющего эмиттер с «землёй» на рисунке 5.а ниже, любой уровень входного сигнала (V_Вход), проходящего через связующий конденсатор, и цепь резисторов R₁//R₂//R₃ будет воздействовать непосредственно на переход база/эмиттер, как входное напряжение транзистора (V_БЭ). Другими словами, без резистора обратной связи V_БЭ равно V_Вход. Следовательно, если V_Вход увеличивается на 100 мВ, то V_БЭ увеличивается на 100 мВ: изменение одного равно изменению другого, поскольку два напряжения равны друг другу.

Теперь давайте рассмотрим эффекты вставки резистора (R_{Обр.связь}) между выводом эмиттера транзистора и «землёй»:

Рис. 5. (а) Без обратной связи; (б) наличие обратной связи от эмиттера.

Форма волны сигнала на коллекторе инвертирована относительно базы. На 5.б форма волны эмиттера синфазна (эмиттерный повторитель) с базой, а не находится в фазе с коллектором. Следовательно, сигнал эмиттера вычитается из выходного сигнала коллектора.

Обратите внимание, как падение напряжения на R_{Обр.связь} складывается с V_БЭ, чтобы равняться V_Вход. С R_{Обр.связь} в контуре V_Вход—V_БЭ, V_БЭ больше не будет равняться V_Вход. Мы знаем, что R_{Обр.связь} будет понижать напряжение, пропорциональное эмиттерному току, который, в свою очередь, контролируется базовым током, который, в свою очередь, управляется напряжением, падающим на переходе база/эмиттер транзистора (V_БЭ). Таким образом, если V_Вход будет увеличиваться в положительном направлении, это приведёт к увеличению V_БЭ, вызывая больший базовый ток, вызывая больший коллекторный ток (нагрузки), вызывая больший эмиттерный ток и вызывая падение большего напряжения обратной связи на R_{Обр.связь}. Однако это увеличение падения напряжения на резисторе обратной связи вычитается из V_Вход, чтобы уменьшить V_БЭ, так что фактическое увеличение напряжения для V_БЭ будет меньше, чем увеличение напряжения V_Вход. Увеличение V_Вход на 100 мВ больше не будет приводить к полному увеличению на 100 мВ для V_БЭ, потому что два напряжения не равны друг другу.

Следовательно, входное напряжение имеет меньшее влияние на транзистор, чем раньше, и коэффициент усиления по напряжению для усилителя уменьшается: а это именно то, что мы ожидали от отрицательной обратной связи.

В практических схемах с общим эмиттером отрицательная обратная связь – не просто роскошь, а средство передвижения; это необходимость для стабильной работы. В идеальном мире мы могли бы построить и эксплуатировать транзисторный усилитель с общим эмиттером без отрицательной обратной связи и получить полную амплитуду V_Вход на переходе база/эмиттер транзистора. Это дало бы нам большой выигрыш по напряжению. К сожалению, соотношение между напряжением база/эмиттер и током база/эмиттер изменяется с температурой, как и предсказывает «уравнение диода». По мере нагрева транзистора будет меньше прямого падения напряжения на переходе база/эмиттер для любого заданного тока. Это вызывает проблему, поскольку сеть делителей напряжения R₁//R₂ предназначена для обеспечения правильного тока покоя через базу транзистора, чтобы он работал в любом желаемом классе работы (в этом примере я показал усилитель, работающий в режиме класса A). Если соотношение напряжение/ток транзистора изменяется с температурой, величина напряжения смещения постоянного тока, необходимая для желаемого класса работы, изменится. Горячий транзистор потребляет больше тока смещения при той же величине напряжения смещения, заставляя его нагреваться ещё больше, потребляя ещё больше тока смещения. В результате получаем тепловой разгон.

Однако усилители с общим коллектором не страдают от теплового разгона. Почему? Ответ связан с отрицательной обратной связью:

Рис. 6. Усилитель с общим коллектором (эмиттерным повторителем)

. Обратите внимание, что нагрузочный резистор усилителя с общим коллектором установлен в том же месте, что и резистор обратной связи в последней цепи на рисунке выше 5.б: между эмиттером и «землёй». Это означает, что единственное напряжение, приложенное к переходу база/эмиттер транзистора, – это разница между V_Вход и V_Выход, что приводит к очень низкому коэффициенту усиления по напряжению (обычно близкому к 1 для усилителя с общим коллектором). Для этого усилителя невозможен тепловой разгон: если ток базы увеличивается из-за нагрева транзистора, ток эмиттера также увеличивается, что приводит к большему падению напряжения на нагрузке, что, в свою очередь, вычитается из V_Вход, чтобы уменьшить падение напряжения между базой и эмиттером. Другими словами, отрицательная обратная связь, обеспечиваемая размещением нагрузочного резистора, делает проблему теплового разгона самокорректирующейся. В обмен на значительно сниженный коэффициент усиления по напряжению мы получаем превосходную стабильность и защиту от теплового разгона.

Добавляя резистор «обратной связи» между эмиттером и «землёй» в усилителе с общим эмиттером, мы делаем усилитель немного менее похожим на «идеальный» усилитель с общим эмиттером и немного больше похожим на усилитель с общим коллектором. Величина резистора обратной связи обычно немного меньше нагрузки, что сводит к минимуму количество отрицательной обратной связи и сохраняет довольно высокий коэффициент усиления по напряжению.

Ещё одно преимущество отрицательной обратной связи, отчётливо проявляющееся в схеме с общим коллектором, состоит в том, что она снижает зависимость коэффициента усиления по напряжению усилителя от характеристик транзистора. Обратите внимание, что в усилителе с общим коллектором коэффициент усиления по напряжению почти равен единице (= 1), независимо от β транзистора. Это означает, среди прочего, что мы могли бы заменить транзистор в усилителе с общим коллектором на транзистор с другим β и не увидеть каких-либо значительных изменений коэффициента усиления по напряжению. В схеме с общим эмиттером коэффициент усиления по напряжению сильно зависит от β. Если бы мы заменили транзистор в схеме с общим эмиттером на другой с другим β, коэффициент усиления по напряжению для усилителя значительно изменился бы. В усилителе с общим эмиттером, оснащённом отрицательной обратной связью, усиление по напряжению всё ещё будет зависеть от транзистора β до некоторой степени, но не в такой степени, как раньше, что делает схему более предсказуемой, несмотря на изменения в транзисторе β.

Тот факт, что мы должны ввести отрицательную обратную связь в усилитель с общим эмиттером, чтобы избежать теплового разгона, является неудовлетворительным решением. Можно ли избежать теплового разгона, не подавляя изначально высокое усиление по напряжению усилителя? Лучшее из двух решений этой дилеммы станет для нас доступным, если мы внимательно рассмотрим проблему: усиление напряжения, которое мы должны минимизировать, чтобы избежать теплового разгона, – это усиление напряжения постоянного тока, а не усиление напряжения переменного тока. В конце концов, не входной сигнал переменного тока подпитывает тепловой разгон: это напряжение смещения постоянного тока, необходимое для определённого класса работы: этот сигнал постоянного тока покоя, который мы используем, чтобы «обмануть» транзистор (по сути, устройство постоянного тока) для усиления сигнала переменного тока. Мы можем подавить усиление постоянного напряжения в схеме усилителя с общим эмиттером, не подавляя при этом усиление переменного напряжения, если найдём способ заставить отрицательную обратную связь работать только с постоянным током. То есть, если мы возвращаем только инвертированный сигнал постоянного тока с выхода на вход, но не инвертированный сигнал переменного тока.

Эмиттерный резистор обратной связи обеспечивает отрицательную обратную связь, понижая напряжение, пропорциональное току нагрузки. Другими словами, отрицательная обратная связь достигается путём вставки импеданса в путь тока эмиттера. Если мы хотим возвращать постоянный ток (не переменный), нам нужен импеданс, который будет высоким для постоянного тока, но низким для переменного тока. Какая схема имеет высокий импеданс для постоянного тока, но низкий импеданс для переменного тока? Конечно же, фильтр верхних частот!

Подключив конденсатор параллельно резистору обратной связи на рисунке ниже, мы создаём ту самую ситуацию, которая нам нужна: путь от эмиттера к «земле» проще для переменного тока, чем для постоянного.

Рис. 7. Восстановление высокого напряжения переменного тока путём добавления смещения параллельно с обратной связью.

Новый конденсатор «шунтирует» переменный ток от эмиттера транзистора к «земле», так что никакое заметное переменное напряжение не будет падать с эмиттера на «землю» для «обратной связи» со входом и подавления усиления напряжения. С другой стороны, постоянный ток не может проходить через конденсатор смещения и поэтому должен проходить через резистор обратной связи, понижая напряжение постоянного тока между эмиттером и «землёй», что снижает коэффициент усиления постоянного напряжения и стабилизирует реакцию усилителя на постоянном токе, предотвращая тепловой пробой. Поскольку мы хотим, чтобы реактивное сопротивление этого конденсатора (X_Конд.) было как можно более низким, смещение должно быть относительно большим. Поскольку полярность на этом конденсаторе никогда не изменится, для этой задачи безопасно использовать поляризованный (электролитический) конденсатор.

Другой подход к проблеме отрицательной обратной связи, уменьшающей коэффициент усиления по напряжению, заключается в использовании многокаскадных усилителей, а не однотранзисторных. Если ослабленное усиление одного транзистора недостаточно для поставленной задачи, мы можем использовать более одного транзистора, чтобы компенсировать уменьшение, вызванное обратной связью. Пример схемы, показывающей отрицательную обратную связь в трёхкаскадном усилителе с общим эмиттером:

Рис. 8. Обратная связь вокруг «нечётного» числа каскадов с прямым соединением с общим эмиттером создаёт отрицательную обратную связь.

Путь обратной связи от конечного выхода к входу проходит через единственный резистор R_{Обр.связь}. Поскольку каждый каскад представляет собой усилитель с общим эмиттером (таким образом, инвертирующий), нечётное количество каскадов от входа к выходу будет инвертировать выходной сигнал; обратная связь будет отрицательной (дегенеративной). Относительно большой объём обратной связи может быть использован без ущерба для усиления по напряжению, потому что три каскада усилителя для начала обеспечивают большое усиление.

Поначалу такая философия дизайна может показаться не элегантной и, возможно, даже контрпродуктивной. Разве это не довольно грубый способ преодолеть потерю усиления, понесённую из-за использования отрицательной обратной связи, просто восстановить усиление, добавляя этап за этапом? Какой смысл создавать огромное усиление по напряжению с использованием трёх транзисторных каскадов, если мы всё равно собираемся ослабить все это усиление с помощью отрицательной обратной связи? Дело в повышении предсказуемости и стабильности схемы в целом, хотя поначалу это может быть не очевидно. Если три транзисторных каскада предназначены для обеспечения произвольно высокого коэффициента усиления по напряжению (в десятки тысяч или более) без обратной связи, будет обнаружено, что добавление отрицательной обратной связи приводит к тому, что общий коэффициент усиления по напряжению становится менее зависимым от конкретного звена в каскаде, и примерно равняется простому отношению R_{Обр.связь} / R_Вход. Чем больше коэффициент усиления по напряжению в схеме (без обратной связи), тем точнее коэффициент усиления по напряжению будет приблизительно соответствовать R_{Обр.связь} / R_Вход после установления обратной связи. Другими словами, усиление напряжения в этой схеме фиксируется номиналами двух резисторов и не более того.

Это преимущество для массового производства электронных схем: если усилители с предсказуемым усилением могут быть построены с использованием транзисторов с широко варьируемыми значениями β, это упрощает выбор и замену компонентов. Это также означает, что коэффициент усиления усилителя мало меняется при изменении температуры. Этот принцип стабильного управления усилением с помощью усилителя с высоким коэффициентом усиления, «прирученного» отрицательной обратной связью, возводит подобные электронные схемы почти в ранг произведений искусства, называемых операционными усилителями (ОпУс). Вы можете узнать больше об этих схемах в следующих главах этой книги!

Итог

• Обратная связь – это связь выхода усилителя с его входом.
• Положительная или регенеративная обратная связь имеет тенденцию делать схему усилителя нестабильной, что приводит к колебаниям сигнала (переменному току). Частота этих колебаний во многом определяется компонентами сети обратной связи.
• Отрицательная или дегенеративная обратная связь имеет тенденцию делать схему усилителя более стабильной, так что её выход изменяется меньше для данного входного сигнала, чем без обратной связи. Это снижает коэффициент усиления усилителя, но имеет то преимущество, что уменьшает искажения и увеличивает полосу пропускания (диапазон частот, с которым может работать усилитель).
• Отрицательная обратная связь может быть введена в схему с общим эмиттером путём соединения коллектора с базой или путём вставки резистора между эмиттером и «землёй».
• Резистор «обратной связи» между эмиттером и «землёй» обычно используется в схемах с общим эмиттером как профилактическая мера против теплового разгона.
• Отрицательная обратная связь также имеет то преимущество, что усиление напряжения усилителя больше зависит от номиналов резистора и меньше зависит от характеристик транзистора.
• Усилители с общим коллектором имеют много отрицательной обратной связи из-за размещения нагрузочного резистора между эмиттером и «землёй». Эта обратная связь обеспечивает чрезвычайно стабильный коэффициент усиления по напряжению усилителя, а также его устойчивость к тепловому разгону.
• Коэффициент усиления по напряжению для схемы с общим эмиттером можно восстановить без ущерба для устойчивости к тепловому разгону, подключив конденсатор смещения параллельно с эмиттерным «резистором обратной связи».
• Если усиление по напряжению усилителя произвольно велико (десятки тысяч или больше), а отрицательная обратная связь используется для уменьшения усиления до разумных уровней, будет обнаружено, что усиление будет примерно равно R_{Обр.связь} / R_Вход. Изменения в транзисторе β или других значениях внутренних компонентов мало повлияют на коэффициент усиления по напряжению при работе обратной связи, в результате чего усилитель будет стабильным и простым в конструкции.