Дьюб Динеш С. Электроника - схемы и анализ (2008) (1095413), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Чтобы пояснить это правило, рассмотрим схему усилителя, показанную на рис. 4.0, а. Для анализа на постоянном токе, когда конденсаторы рассматриваются как бесконечно большое сопротивление, схема сокращается до вида, показанного на рис. 4.0, б. Темы, рассмотренные в этой главе: понятие нагрузочной линии; выбор рабочей точки; стабилизация рабочей точки и как ее достичь при проектировании схемы; различные методики проектирования схем смещения; анализ схем усилителей на постоянном токе.
~~~~~4 Глава 4. Проектирование и анализ схем на постоянном токе +Нос Рис. 4.0. Схема усилителя +нос в в„ вз б) а) 4.1. Нагрузочная линия и рабочая точка 'с фа). Усс = 1сВс+~'св (41) нвв В схеме (см. рис. 4.1) Ъ'сс и Вс имеют фиксированные значения (константы), а ток 1с и напряжение Ъсе меРис. 4.1. Усилитель с общим змиттером (ОЭ), использующий лна ис- няются при наложении малого перементочника постоянного тока (батареи) ного напряжения сигнала на постоянное напряжение на входе.
Преобразование уравнения (4.1) дает следующее выражение: — рск 1'сс 1с = + —. гьС лтС Это уравнение прямой линии (сравните со стандартным уравнением у = ах + о). Бе график приведен на рис. 4.2. Обратите внимание на точки пересечения линии с осями х и у. Прямая, выраженная уравнением (4.2), наложенная на график коллекторных кривых транзистора (рис. 4.3), называется нагрузочной линией. (4.2) Прежде чем взяться за проектирование, полезно будет узнать о нагрузочной линии и выборе правильной рабочей точки, т.
е. как выбрать правильные величины постоянного тока коллектора (1с) и постоянное напряжение коллектор-змиттер в транзисторной схеме. Рассмотрим прототип схемы усилителя с ОЭ (рис. 4.1). Сумма напряжений в коллекторной вс цепи (выходной контур) дает простое выражение (закон напряжений Кирхго- б,б.
Л рр„р б, 1Оф На нагрузочной линии можно !с отметить области отсечки и насыщения. Эти области обсуждались !С1 ! = РСС в гл. 3. Вспомним, что в обеих областях выходной ток Хс почти не зависит от входного тока, что Наклон = -1/Нс является нежелательным для линейных схем. Например, для усилителя, мы стремимся к точному воспроизведению входного сигна- 1!сс рсе ла на выходе (точнее, усиленного сигнала).
Это возможно, если толь- Рис. 4.2. Наклон нагрузочной линии и точко 1п меняется согласно входному ки ее пересечения с осями сигналу. Поэтому в усилительных схемах работа транзистора в областях отсечки и насьпцения запрещена. Рабочей точкой может быть любая точка, расположенная между областями отсечки и насьпцения. Рис. 4.3. Сннусоидальные изменения тока Гс н нелряиения 1'си ноэле точки Ч на нагрузочной ЛИНИИ !с !лют! !с 1п~аю тсечки !со кснз 1 1 Предположим, что точка 9 выбрана как рабочая точка. Что это означает? Это означает, что мы выбрали напряжение источника постоянного тока и сопротивления резисторов на схеме (см. рис. 4.1) так, что при отсутствии переменного сигнала постоянный ток коллектора равен 1С1-„! и постоянное напряжение 1ск равно Усн1„1, это показано на рис. 4.3. 1с1з и 1бсебр называются соответственно током покоя и напряжением покоя.
Когда сигнал переменного тока подается на усилитель, коллекторный ток ~~~~06 Глава 4. Проектирование и анализ схем на постоянном токе колеблется вокруг точки Хсо. Так как коллекторный ток меняется, напряжение коллектор — эмиттер есв в соответствии с уравнением (4.2) тоже меняется вблизи точки 1 сво. Эти изменения показаны на рис. 4.3. Поскольку рабочая точка по ряду причин может сместиться с первоначально выбранной позиции, при выборе рабочей точки должны быть соблюдены определенные критерии. Известно, что коллекторный ток 1с, по уравнениям (3.11) и (3.12), приведенным в гл. 3, равен 1с = ДХв+ РХсво, где ~3 (такой же, как и Д~,) — коэффициент передачи тока, 1сво — обратный ток транзистора в схеме с общей базой.
Коли будут меняться (1 (при замене транзистора или в результате старения прибора при продолжительной эксплуатации) или 1сво (в соответствии с вышеприведенным уравнением), изменится ток коллектора и рабочая точка сместится. Приведем пример. Предположим, что выбран ток коллектора Хсо = 1 мА при комнатной температуре (25 'С) и обратный ток 1сво = = 1 мкА. Где окажется рабочая точка при температуре 75 'С? Вспомним, что Хсво удваивается на каждые 10 'С, и при 75 'С 1сво 30 мкА. Пусть 13 = 100 не меняется от температуры и времени — значит, в вышеприведенном уравнении член ДХв постоянен.
Далее имеем АХс =,9 Ысво = Хс(75 'С) — 1с(25 'С) = 100(30 мкА — 1 мкА) = = 100 х 30 мкА = 3 мА. Следовательно, при 75 'С Хсо = 1+ 3 = 4 мА, что указывает на значительное смещение. Оно может переместить рабочую точку в сторону области насыщения (рис. 4.4, а). При других условиях точка Я может сместиться в направлении области отсечки (рис. 4.4, б). На обоих рисунках наблюдаются искажения формы сигнала коллекторного тока. Эти сигналы тока создадут искаженные формы напряжения на нагрузке. Ясно, что в обоих случаях сигнал на выходе усилителя будет искажен. Поэтому было бы правильным при проектировании схемы выбрать и поддерживать значения тока и напряжения покоя где-то в середине нагрузочной линии. Более того, при меняющихся состояниях входного сигнала рабочая точка должна оставаться только в активной области. Точка 1е не должна смещаться в область насьпцения или отсечки в течение всего периода сигнала.
Хотя это условие для схем малого сигнала менее строгое. Можно ли измерить стабильность смещающей цепи? Да, если знать коэффициент стабильности схемы, который мы рассмотрим ниже. б.б. К бб б б 107) в) !с КСЕО ! ! 1с б) ~ОС г ь отсечки КСЕО Рнс. 4.4. а) — работа вблизи точки насьнненнл дает искаженный выходной сигнал; б) — работа вблизи точки отсечки дает искаженный выходной сигнал 4.2. Коэффициент стабильности Для определения стабильности схемы можно воспользоваться независимостью значений тока и напряжения покоя ()с~) и ткскс)) от изменения температуры или от коэффициента передачи тока д, или от рнн (падение напряжения на переходе база — эмиттер).
Коэффициенты стабильности Я, 7 о н Уб можно записать как Я = д1с(д1сво, У = д)с)д)З, Ял = д)с)д~Ьк. ~~~~~8 Глава 4. Проектирование и анализ схем на постоянном токе Существует общее правило: схемы, стабильные по одному типу отклонения (скажем, по д), также показывают стабильность и по другим типам отклонений. Поэтому достаточно рассмотреть только один из этих трех коэффициентов стабильности. Так как (4.3) Хс =ДХВ+ДХсво, то дифференцируя это уравнение по 1с, имеем дХВ дХсво дХв Х д 1 =Р— +)1 = Р— Хо+в дХс д1с д1с )у 1 — ДдХВ/дХС (4.4) Уравнение (4.4) дает коэффициент стабильности для схемы с ОЭ.
Зная коэффициент передачи тока д транзистора и зависимость входного тока 1в от выходного тока 1с (т. е. значение члена д1в/д1с в уравнении (4.4)), можно оценить коэффициент стабильности схемы. Важно отметить, что входной ток может зависеть от выходного тока только при условии введения в схему отрицательной обратной связи. Также запомните, что чем больше коэффициент стабильности, тем нестабильнее схема.
Наивысшая стабильность достигается при Я = 1, теоретически минимальном значении Я. Для хорошей стабильности коэффициент Я должен быть в диапазоне от 1 до 10. Пример 4.1. Коэффициент стабильности для любой схемы с ОЭ можно получить в общем виде Я = д/(1 — д(дХВ/дХс)). Показать, что для схемы (рис. 4.5) его можно выразить как д(11е+ Вв) ОпЕ + 11В Решение. Применив во входном контуре схемы закон Кирхгофа для напряжений, т.е. просуммировав напряжения, получим РСС = пВХВ + пЕХЕ Я 1 ВЕ 1е вв где еве — напряжение перехода база — эмиттер (который можно принять постоянным) и 1е — ток через Ве. Далее 1е = 1с + Хв, следовательно, уравнение принимает вид: 1 сс = 1ВЯВ + пв) + 1сЛе + 1 Ве.
ДифФеренцирование по 1с дает Рис. 4.5. дХВ дХ — пе 0=(НВ+~е) д1 +~е или ХР. Р ~69)) тодставляя зто соотношение в формулу д = д/[1 — д(д)В/д1с)), получаем искозый результат, а именно: д (Рчн + )ЕВ) дЛВ +иВ 4.3. Расчет схем смещения Рассмотрим схемы фиксированного смещения. Фиксированное смещение На рис. 4.6, а изображена схема усилителя с общим змиттером (ОЭ) и питанием от двух батарей (двух источников постоянного тока).
На рис. 4.6, б приведена видоизмененная схема, на которой показано только по одному выводу от каждой батареи. Считается, что второй вывод ззземлен. На практике достаточно одной батареи, а в двух отдельных батареях нет необходимости. Такая схема показана на рис. 4.6, в. Ясно, что в таком еду~а~ Ивв = рсс. +рвв +нос Вв Ев рсе усе в) б) в) Рис. 4.6. Схема с ОЭ с питзниеи от двух батарей (а). Тв ие схема, но с одним выводом от батарей (считвется, что второй вывод батареи звземлен) (б). Обычно применяемая схема с ОЭ с питанием от одной батареи.
Здесь РРРвв = Рсс (е) Для наглядности применения закона напряжений Кирхгофа входную часть схемы ( рис. 4.6, в) представим как на рис. 4,7. Имеем 1'СС 1ВхьВ + 1 ВЕ или (4.5) 1В = [9РСС 1 ВЕ)) хьВ РСС) хьВ. ( 110 Глава 4. Проектирование и анализ схем на постоянном токе се Пример 4.2. В схеме на рис. 4.8 асс = 12 В, Вс = 800 Ом, Д = 100. Найти требуемое сопротивление резистора ВВ, при котором напряжение смещения $с = 4 В. Ъвв кремниевого транзистора равно 0,7 В.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
