Транзисторный каскад: как удержать режим при изменении температуры

Усилитель должен увеличивать сигнал, но сначала ему нужно задать исходный режим. Что произойдёт с токами, если транзистор нагреется, хотя входной сигнал не изменился? Именно этот вопрос помогает понять раздел о транзисторных каскадах в учебнике Ружицкого 1969 года. Проследим, как цепь смещения реагирует на изменение тока и почему рядом с ней приходится обсуждать конденсаторы, выполняющие совсем разные задачи. [A1] [A2]

Сигнал меняется, а исходный режим должен оставаться устойчивым

Ружицкий перечисляет три включения транзистора: с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором. Здесь речь пойдёт о первом. Эмиттер служит общим электродом для входной и выходной цепей. Автор связывает распространение этого включения с усилительными свойствами и возможностью согласовать каскады без специальных согласующих трансформаторов. В описании также используется общий источник питания. Это особенности рассматриваемого решения, а не рейтинг всех усилительных схем. [A1]

В рисунке учебника каскад с общим эмиттером сопоставлен с ламповым: положительному отклонению на входе соответствует противоположное отклонение выходного напряжения. Фаза меняется на половину периода. Но по этому признаку ещё нельзя судить, насколько устойчиво смещение. Фаза показывает соотношение входного и выходного колебаний. Для оценки температурной устойчивости надо проследить другое изменение: что делает сама цепь, когда нагрев сдвигает её режим. [A1] [A2]

Полезно мысленно убрать полезное колебание из рассуждения. Вопрос об усилении на время исчезнет, а вопрос о токах транзистора останется. Так легче увидеть, зачем каскаду нужна стабилизация даже до обсуждения формы и частоты сигнала. [A2]

Как изменение тока вызывает противодействие

Параметры транзистора зависят от температуры. При неудачном режиме увеличение токов эмиттера и коллектора может сопровождаться саморазогревом и повреждением прибора. Поэтому недостаточно сказать: «На базу подано смещение». Нужно понять, как оно изменится вместе с состоянием транзистора. В учебнике эту задачу решает отрицательная обратная связь: первоначальное изменение вызывает ответ, который ему противодействует. [A2]

Ружицкий сопоставляет смещение от отдельной батареи и от источника коллекторной цепи. В варианте с обратным воздействием коллектора причинная цепочка начинается с роста коллекторного тока. На нагрузочном резисторе увеличивается падение напряжения. Изменившиеся напряжения коллектора и базы уменьшают ток эмиттера, а это противодействует дальнейшему росту коллекторного тока. Важен весь путь от первоначального изменения до ответного воздействия. [A2]

Проверим объяснение вопросом: какая связь вернула изменение коллекторного тока к цепи смещения? Если этот шаг пропущен, останется только название «отрицательная обратная связь», без механизма. Сама температурная зависимость транзистора при этом никуда не исчезает. Меняется реакция каскада на неё: цепь получает возможность ослаблять вызванный нагревом сдвиг режима. [A2]

Почему резистор и конденсатор нельзя объединить в одну роль

Другой вариант получает смещение от резистивного делителя. Автор отдельно замечает, что делитель расходует мощность. Значит, выбор цепи смещения касается не только режима транзистора, но и затрат энергии в самой цепи. Одно достоинство решения ещё не описывает всех его свойств. [A3]

Далее в книге рассматривается эмиттерная стабилизация с резистором и шунтирующим конденсатором. Автор сопоставляет эту ячейку с автоматическим смещением лампового каскада и отмечает: без шунтирующего конденсатора каскад охвачен отрицательной обратной связью. Поэтому фраза «резистор с конденсатором стабилизируют каскад» слишком сильно сокращает объяснение. Нужно различать действие резистора и роль конденсатора, который его шунтирует. [A3]

Это полезная проверка при чтении схемы в учебнике: можем ли мы объяснить, почему автор отдельно оговаривает наличие конденсатора? Если считаем обе детали взаимозаменяемыми, это замечание теряет смысл. Здесь речь идёт о понимании книжного варианта, а не о предложении удалить деталь из работающего усилителя. [A3]

Межкаскадная связь отвечает за другую сторону работы

Переходный конденсатор между каскадами выполняет другую задачу. В описанной аппаратуре небольшое входное сопротивление требует достаточно большой переходной ёмкости. При её уменьшении ослабевает усиление нижних частот. Поэтому устойчивое смещение ещё не обещает одинаковой передачи всего звукового диапазона. Состояние транзистора может быть устойчивым, а межкаскадная связь всё равно будет по-разному передавать разные частоты. [A4]

Теперь три вопроса можно задать раздельно. Как соотносятся фазы входного и выходного сигналов? Что препятствует температурному изменению режима? Как переходная ёмкость влияет на нижние частоты? Такое разделение помогает читать одну схему, не приписывая одному элементу решение всех задач сразу. Это качественный разбор исторического объяснения; расчёт рабочей точки, питание, подбор номиналов и сборка требуют других данных. [A1] [A2] [A3] [A4]

Источник: Ю. А. Ружицкий. Электроакустика и усилительные устройства. 2-е изд., испр. Москва: Высшая школа, 1969.