М.Х. Джонс - Электроника практический курс, страница 6

Поданный на одну из обкладок, переменный сигнал изменяет ее потенциал много раз в секунду и, таким образом, передается с одной обкладки на другую. В то же время постоянное напряжение дает возможность конденсатору накопить заряд, соответствуюший новой разности потенциалов на его обкладках, и поэтому оно не передается.

Время, необходимое для установления новой разности потенциалов, зависит от постоянной времени цепи, которая должна быть больше периода передаваемого переменного напряжения самой низкой частоты. Более подробно этот вопрос обсуждается в главе 8. В рассматриваемом простом усилителе напряжения постоянные времени цепей с разделительными коиденсаторами емкостью 10 мкФ обеспечивают передачу переменного напряжения без ослабления вплоть до 10 Гц. Знак плюс на рисунке у одной из обкладок конденсатора является указанием, как подключать электролитические коиденсаторы, у которых изолируюший диэлектрический слой представляет собой чрезвычайно тонкую пленку окиси алюминия, полученную электролитическим осаждением.

Такие конденсаторы имеют большие емкости при малых размерах и низкой цене, но должны включаться в схему с учетом полярности, за исключением конденсаторов специального типа — неполярных конденсаторов. 1.6.5 Стабилизация рабочей точки Серьезный недостаток схемы на рис. 1.18(Ь) состоит в том, что напряжение коллектора в режиме покоя целиком зависит от величины и транзистора, в то время как численные значения этого параметра имеют большой разброс у различных экземпляров транзисторов одного типа. Например, при типичном значении й для транзистора ВС107, равном 200, изготовители указывают, что оно может изменяться в пределах от 90 до 450.

Изменение Ь сдвигает рабочую точку по постоянному току. Например, если коэффициент Ь, равен 100 вместо 200, то при этом потечет ток коллектора, равный 0,5 мА, а не ! мА, и падение напряжения на Я, составит только 2,35 В вместо 4,7 В. Увеличение напряжения на коллекторе в режиме покоя означает, что выходное напряжение в схеме может изменяться в сторону увеличения только на 2 В, а не на 4 В (возможно изменение выходного напряжения в сторону уменьшения до 6 В, но от этого мало пользы, когда положительные прирашения ограничены).

30 Усиление и транзисторы Последствия использования транзистора с й = 400 еше более серьезны. В этом случае ток коллектора удвоится до 2 мА. Простое вычисление показывает, что все 9 В питания будут падать на резисторе Я, . Говорят, что транзистор находится в насыщении. Практически между коллектором и эмиттером остается небольшое напряжение порядка 0,2 В. Любое дальнейшее увеличение тока базы почти ни к чему не приводит; действительно, падение напряжения на Я, не может превышать 1' Поскольку при насыщении транзистора потенциал коллектора фактически равен потенциалу земли, схема теперь не пригодна для линейного усиления: невозможны изменения выходного напряжения в сторону уменьшения. Состояние насышения будет рассмотрено в параграфе !.7.

Возвращаясь к линейному усилителю на рис. 1.18(а), можно сказать, что необходимо некоторое усовершенствование схемы, чтобы повысить ее устойчивость к изменениям и Даже если бы у нас была возможность отбирать транзисторы с йгг = 200, а это очень дорого прн массовом выпуске схем, й увеличивается с ростом температуры, так что схема все равно не была бы надежной. На рис. 1.19 показано очень простое, но эффективное улучшение. Вместо того, чтобы подключать резистор Я непосредственно к 1', мы, уменьшив сопротивление вдвое, полключнм его к коллектору (Р' = *г" /2). Теперь, благодаря этому, ток базы в режиме покоя зависит от коллекторного напряжения в режиме покоя.

Даже при увеличении н транзистор не может попасть в насыщение: если коллекторное напряжение падает, то также падает ток базы, «придерживая» коллекторный ток. И наоборот, если и уменьшается, коллекторное напряжение в режиме покоя возрастает, увеличивая ток 7л . Ток базы определяется теперь соотношением и, как и прежде, )„= р.„— Д„Г,Я,. Объединяя эти равенства, получим сь = 1е йнь.Яь/Рл Если Я и Ял имеют значения, указанные на рис. 1.19, и и = 100, то =6 В; если н = 400, то г' =3 В. Хотя здесь все еще положение рабочей точки меняется, это не существенно, пока для получения больших сигналов не требуется иметь возможно ббльшие пределы изменения выходного напряжения. Схема, приведенная на рис.

1.19, будет работать при изменении параметров транзисторов в очень широком лиапазоне и является полезным усилителем напряжения общего назначения. Принцип построения схемы с автокомпенсацией изменений Н является просто примером отрицательной обратной связи, которая представляет собой одно из самых важных понятий в электронике и будет рассмотрена в главе 4. Усилитель напряжения 31 ге с Рис. 1.19. Усилитель напряжения со стабилизацией рабочей точки.

1.б. б Стабилизированный усилитель напряжения Для некоторых применений даже относительно небольшие изменения положения рабочей точки, имеющиеся в схеме на рис. 1.19, недопустимы. Если режим по постоянному току должен практически не зависеть от Л можно использовать схему стабилизированного усилителя, показанную на рис. 1.20. Первым характерным признаком этой схемы является наличие резистора Я, в цепи эмиттера, а это означает, что потенциал эмиттера больше не равняется потенциалу земли, а немного выше его и равен 1,Я,, где 1 — ток эмиттера. Второе отличие состоит в том, что вместо единственного резистора для задания базового тока определенной величины применен делитель напряжения Яо Я„фиксируюший потенциал базы относительно земли. Ток делителя напряжения на порядок выше тока базы, так что последний слабо влияет на потенциал базы.

Так как переход база — эмиттер смешен в прямом направлении, на нем падает небольшое напряжение (у кремниевого транзистора приблизительно 0,6 В), так что потенциал эмиттера ниже потенциала базы на 0,6 В. Итак, если 1" — потенциал базы относительно земли, а И вЂ” потенциал эмиттера относительно земли, то Ус = 1в 0,6. Но Е Е 3 ' поэтому Ря -0,6 1ь —— Яз Следовательно, ток эмиттера 1 определяется выбором величин Р' и Я, . При сопротивлениях резисторов Я, и Яи указанных на рис. 1.20, потенци- 32 Усиление и транзисторы +ив ов Рис. 1.20.

Стабилизированный усилитель с змиттерным резистором. ал базы зафиксирован на уровне 1,6 В; поэтому потенциал эмиттера равен приблизительно 1,0 В, обеспечивая требуемый ток эмиттера 1 мА при сопротивлении эмиггерного резистора 1 кОм. Поскольку 6=(с+ ~и ~и ~~ ~с имеем: Е С' Следовательно, ток коллектора также примерно равен 1 мА. Интересно отметить, что в приведенном расчете схемы отсутствует коэффициент а транзистора. Фактически единственным параметром транзистора, имеюшгеим какое-либо значение в этой схеме, является напряжение К которое принято равным 0,6 В и изменяется очень мало (<0,1 В) от одного транзистора к другому.

При расчете стабилизированной схемы падение напряжения на эмиттерном резисторе должно быть больше возможных изменений напряжения К но не настолько большим, чтобы заметно уменьшить амплитуду выходного сигнала (напряжение на коллекторе теперь может изменяться только между К и Р' а не между 1' и потенциалом земли). Обычно подходяшим является напряжение 1 В. Конденсатор большой емкости С, шунтирует эмиттерный резистор для того, чтобы на эмиттере не появлялось переменное напряжение. Без С, усиление напряжения очень сильно упадет из-за отрицательной обратной связи, поскольку переменное напряжение на резисторе Я, вычитается из входного сигнала. Режим насыщения 33 1.6.

7 Измерение каэффициенн2а усиления напряжения Удобный способ измерения коэффициента усиления состоит в том, что на вход усилителя подается сигнал от генератора синусоидальных сигналов, а затем с помошью осциллографа измеряется выходной сигнал р', и сравнивается с входным сигналом р'.. Коэффициент усиления напряжения равен и.„, А„= —. Для схем, рассмотренных в этой главе, коэффициент усиления напряжения имеет величину порядка!50 — 200. Теоретический расчет коэффициента усиления проводится в главе 6.

1.7 Режим насыщения Между простой переключаюшей схемой, рассмотренной в начале главы (в параграфе 1.2), и обсуждавшимся только что линейным усилителем имеется очевидное различие. В нормально работаюшем линейном усилителе коллекторный ток всегда прямо пропорционален базовому току. В переключаюшей схеме, такой как на рис. 1.2!, коллекторный ток определяется, главным образом, напряжением питания Г и сопротивлением нагрузки ЯиМы кратко упоминали о насышении, как о нежелательном режиме в усилителе напряжения, но это состояние является достаточно важным и заслуживает дальнейшего обсуждения.

за яа Рнс. 1.21, т)ллюстрапня режима насышення. Транзистор действует как ключ для включения лампы. 3 зак. 4729. 34 Усиление и транзисторы Рассмотрим, что происходит с коллекторным током в схеме на рис. 1.21, если базовый ток постепенно увеличивается, начиная от нуля. Когда ключ 5, разомкнут, базовый ток не течет и ток коллектора ничтожно мал. Замыкание 5, приводит к появлению тока базы 1е = У /Я, где мы пренебрегли разностью потенциалов на переходе база-эмиттер.

Ток коллектора, протекающий по нагрузке зги равен! = л У /зг . Для конкретной схемы, приведенной на рисунке, при а„г = 100 и при максимальном значении Я (50 кОм) получим: 100 1О, 50000 Паление напряжения на Я определяется произведением Я,1 и в нашем случае равно 50 х 0,02 = 1 В. Транзистор при этом находится в линейном рехсиме; уменьшение Яе приводит к увеличению тока базы, увеличению тока коллектора и, следовательно, к увеличению падения напряжения на Яе В этих условиях схема могла бы быть использована как усилитель напряжения. Теперь рассмотрим случай, когда В ге е' и ток базы равен У У 1е = Следовательно, коллекторный ток равен Ьее Р;, Ут 1с = Ь„Я, )1, ' С точки зрения нагрузки транзистор ведет себя как пара контактов ключа.

Из закона Ома следует, что ток нагрузки в этой ситуации не может превышать величины Усе/А,. Поэтому дальнейшее увеличение тока базы не может увеличить ток коллектора, который определяется теперь только сопротивлением нагрузки и напряжением питания. Транзистор находится в насыщении. На практике при насыщении транзистора между коллектором и эмнттером всегда остается небольшое напряжение, обычно обозначаемое У,„„. Как правило, оно меньше 1 В и может доходить до 0,1 В у транзисторов, специально предназначенных для работы в качестве ключей. Обычно У, „„ уменьшается по мере того, как через переход база-эмиттер течет все больший ток, то есть в случае, когда отношение тока коллектора 1 к току базы 1 становится значительно меньше, чем коэффициент усиления тока транзистора Ь, Грубо говоря, глубокое насыщение (малое значение Уел,„ч) имеет место, когда 1г Нсг — <— 1и 5 Для схемы типа той, какая показана на рис.

!.21, когда ток базы задается просто подключением резистора к источнику питания, мы выбираем Режим насыщения 35 йв ауге — < —. 5 Следовательно, для схемы на рис. 1.21, принимая типичное для транзистора 2Х3053 (аналог КТ630Б — Прим. перев.) значение коэффициента усиления тока Ь = 150, имеем Яе 150 — е< — =30. т( 5 Следовательно, при Я = 50 Ом мы выбираем Яе< 30 х50Ом = 1,5 кОм. Итак, если в качестве нагрузки используется лампа с сопротивлением 50 Ом, то для ее эффективного включения нам следует выбрать сопротивление базового резистора меньше 1,5 кОм.

Если это невозможно, когда, например, в качестве Яе используется фоторезистор с минимальным сопротивлением 1О кОм, то следует воспользоваться схемой Дарлингтона, чтобы увеличить коэффициент усиления тока. Если транзистор работает с током коллектора, близким к максимальному, и нужно поддержать напряжение К,„„на уровне долей вольта, то из-за уменьшения Ь может понадобиться базовый ток больше, чем 1 / 10. Возможно покажетсЯ неожиданным, что Рсд„и может быть много меньше, чем напряжение К, которое у кремниевого транзистора равно примерно 0,6 В.