А.ПЕТРОВ, г.Могилев.

(Окончание. Начало в №№4-11/11)

Генераторы стабильного тока
В современных УМЗЧ широко используется ряд типовых схем: дифференциальный каскад (ДК), отражатель тока ("токовое зеркало"), схема сдвига уровня, каскод (с последовательным и параллельным питанием, последний также называют "ломаным каскодом"), генератор стабильного тока (ГСТ) и др. Их правильное применение позволяет значительно повысить технические характеристики УМЗЧ. Например, благодаря применению ГСТ в операционных усилителях, многие из них могут работать в широком диапазоне питающих напряжений (К157УД2 — ±1,5...±18 В).

Усилитель напряжения (УН) УМЗЧ, выполненный по несимметричной схеме, является однотакт-ным. Чтобы УН имел достаточную нагрузочную способность для раскачки ВК, его ток покоя выбирают от 3 до 20 мА (зависит от входного сопротивления ВК). Если входное сопротивление ВК высокое и стабильное, то достаточно и 3 мА.

Предположим, при питании ±40 В необходим ток УН 10 мА. Тогда при активной нагрузке требуется резистор сопротивлением 4 кОм. Для увеличения размаха неискаженного сигнала можно разбить этот резистор на два и к средней точке подключить конденсатор с выхода усилителя (так называемую "вольтодобавку"). Это решение широко использовалось на первых порах развития схемотехники УМЗЧ. Понятно, что на таком малом сопротивлении нагрузки невозможно получить большой коэффициент усиления УН. Выходом из положения является применение в качестве нагрузки ГСТ.

Оценку параметров основных схем ГСТ сделаем с помощью моделирования. Будем исходить из того, что ГСТ является нагрузкой УН и включен параллельно ВК. Исследуем его свойства с помощью методики, аналогичной исследованиям ВК.
В качестве нагрузки ГСТ служит идеальный генератор тока GI1 (рис.62). Для поддержания нулевого потенциала на выходе использован интегратор на микросхеме DA1. Ток источника GI1 устанавливается такой величины, чтобы интегратор справлялся со своей задачей, а это будет в том случае, если на выходе DA1 постоянное напряжение не будет превышать ±13 В (лучше ±5 В). Как и при исследовании ВК, в качестве источника сигнала возьмем генератор GU1 с выходным сопротивлением, перестраиваемым от 100 Ом до 10,1 кОм с шагом 2 кОм.

Выходное сопротивление ГСТ зависит от напряжения Эрли транзистора: чем больше это напряжение, тем выше сопротивление. Как правило, биполярные п-р-п-транзисто-ры имеют в 1,5...2 раза большее напряжение Эрли, чем р-п-р-тран-зисторы. Схема ГСТ на рис.62 наиболее часто используется в эмит-терной цепи дифференциального каскада. Иногда для уменьшения рассеиваемой мощности на транзисторе в цепь коллектора включают резистор такого сопротивления, чтобы на нем падало 1/2...2/3 ипит. Применение стабилитрона в качестве источника опорного напряжения позволяет для получения тока в несколько миллиампер использовать достаточно высокоомный резистор R3 в цепи эмиттера, что, в свою очередь, позволяет получить ГСТ с достаточно высоким выходным сопротивлением Rout- При измерении R^ сопротивление резистора R1 увеличивалось до тех пор, пока напряжение на нем не снижалось на 6 дБ. Получившаяся величина R1 и принималась за выходное сопротивление ГСТ, хотя на самом деле оно выше, так как параллельно ГСТ включен резистор R5. Входная емкость ГСТ Qn расчитывалась по формуле:



где f0 - граничная частота (f0=7,3 МГц). Конденсатор С2 выполняет две функции: уменьшает шумы стабилитрона VD1 и закорачивает базу транзистора VT1 на минусовой источник питания и, тем самым, устраняет влияние базо-коллекторной емкости транзистора, что способствует увеличению выходного сопротивления и снижению входной емкости.

Вносимые таким ГСТ искажения на частоте 20 кГц не превышают 0,06% (только вторая гармоника). При R1=100 Ом искажения снижаются в 100 раз (до 0,0006%). Использование прецизионных стабилитронов позволяет повысить термостабильность ГСТ и стабильность тока при изменениях напряжения питания. Для температурной компенсации базо-эмиттёрного перехода транзистора последовательно с прецизионным стабилитроном можно включить диод.

В ГСТ для ДК можно использовать достаточно высоковольтный стабилитрон, в то время как для ГСТ, предназначенного для нагрузки УН, это приведет к значительному недоиспользованию напряжения питания, особенно, если УН и ВК питаются от одного источника. Поэтому в ГСТ для УН чаще всего делают ГСТ по схеме на рис.63. Иногда вместо двух диодов используют светодиод. Температурная стабильность светодиодов примерно такая же, как и р-п-перехо-дов диода (около-0,3%/град). Количество диодов и резистор R3 определяют ток ГСТ, в данном случае 6 мА.

Этот ГСТ имеет отрицательный температурный коэффициент тока, так как один диод компенсирует снижение базо-эмиттерного напряжения транзистора VT1, а второй диод
вызывает перекомпенсацию. Второй недостаток такого ГСТ — низкая стабильность при изменении питающего напряжения, особенно при малых токах через диоды. Выходное сопротивление ГСТ также относительно невелико, а вносимые искажения достаточно велики.

Тем не менее, ГСТ по аналогичным схемам выпускаются в качестве законченных устройств в микросхемном исполнении,например, PSSI2021SAY в корпусе SOT-353. Выходной ток ИМС — в пределах 0,015...50 мА (выставляется с помощью внешнего резистора), рабочее напряжение — 75 В, рассеиваемая мощность — 335 мВт.



При стабилизированном питании УМЗЧ можно заменить один диод резистором (рис.64), в этом случае выходной ток ГСТ мало зависит от температуры. Конденсатор С2 замыкает на землю базо-кол-лекторную емкость транзистора и, тем самым, повышает выходное   сопротивление ГСТ. Вносимые искажения стали даже меньше, чем в схеме на двух диодах. Входная емкость также очень мала, всего 1 пФ (f0=16,6 МГц, Rout=400 кОм, Kthd=0,08%). Термостабильность такого ГСТ можно еще повысить, если заменить диод на транзистор в диодном включении.

В тех случаях, когда ВК имеет высокое входное сопротивление, имеет смысл повысить и сопротивление ГСТ. В этом случае поможет каскодный ГСТ (рис.65).
Конденсатор С2 замыкает базу транзистора VT1 на шину питания и исключает ООС через базо-коллек-торную емкость. В результате, выходное сопротивление получается более 2 МОм (f0=16 МГц, Rout=2,45 МОм, Cin=1 пФ, Kthd=0,02%).

На рис.66 показана типовая схема ГСТ с ООС по току выхода. Если положительная ОС по току выхода уменьшает выходное сопротивление (в УМЗЧ можно даже сделать его отрицательным), то отрицательная ОС, наоборот, его повышает. Несмотря на предельную простоту, параметры этой схемы (f0=12,5 МГц, Rout=1.58 МОм, Cin=1,3 пФ, KThd=0,03%) примерно такие же, как и у предыдущей. К достоинствам этой схемы мож...