Улучшение транзисторных источников тока

Повышение напряжения U_Э

Влияние изменений напряжения U_БЭможно свести к минимуму, если установить напряжение на эмиттере достаточно большим (по крайней мере 1 В). Тогда изменение напряжения U_БЭ на несколько милливольт не приведет к значительному изменению напряжения на эмиттерном резисторе.

Рассмотрим два случая: 1) ∆ U_БЭ= 10 мВ, U_Э= 0, 1 В, следовательно, ; 2) ∆ U_БЭ= 10 мВ, U_Э= 1 В, следовательно, . Как видно, при изменении U_БЭ на 10 мВ относительное изменение напряжения U_Э во втором случае не превысит 1%.

Температурная компенсация

В данном варианте схемы изменение напряжения U_БЭ на транзисторе Т₂ компенсируется изменением напряжения на эмиттере транзистора Т₁. Оба транзистора имеют аналогичные температурные зависимости. Наличие в схеме компенсации изменений U_БЭ2 можно проследить следующей логической цепочкой с использованием представлений о простейшей модели транзистора:

↑ U_БЭ2→ ↑ U_Б2→ ↑ U_Э1→ ↑ U_БЭ1(при U_Б1= const, заданном делителем R₁, R₂)

→ ↑ I_Б1→ ↑ I_К1→ ↑ I_Э1→ ↑ U_R₃→ ↓ U_Э1→ ↓ U_Б2→ ↓ U_БЭ2 и, наоборот,

↓ U_БЭ2→ ↓ U_Б2→ ↓ U_Э1→ ↓ U_БЭ1→ ↓ I_Б1→ ↓ I_К1→ ↓ I_Э1→ ↓ U_R₃→ ↑ U_Э1→ ↑ U_Б2→ ↑ U_БЭ2.

Здесь и далее приведены следующие условные обозначения: U_БЭ1, U_БЭ2– падение напряжения на переходе база – эмиттер транзистора Т₁и Т₂; U_Б1, U_Б2, U_Э1, U_Э2, U_К1, U_К2 – напряжения относительно земли на базе, эмиттере и коллекторе транзистора Т₁и Т₂ соответственно; U_R₃ – падение напряжения на резисторе R₃. Принятые условные обозначения: «↑ » – увеличение, «↓ » – уменьшение, «→ » – следовательно.

Рис. 4.11. Схема транзисторного источника тока с температурной компенсацией

Каскодная схема

Для данной схемы характерно то, что в цепи эмиттера транзистора Т₁ включен ЭП Т₂. Оба транзистора имеют одинаковые температурные зависимости.

Рис. 4.12. Каскодная схема транзисторного источника тока

В каскодной схеме повышена устойчивость к изменениям тока в нагрузке, в том числе вызванным изменениями напряжения U_БЭ. Пусть U_Б1и U_Б2 – фиксированные напряжения смещения базы для Т₁и Т₂ соответственно.

Тогда наличие компенсации изменений тока в нагрузке I_К1можно проследить следующей логической цепочкой с использованием представлений о простейшей модели транзистора:

↑ I_К1→ ↑ I_Э1→ ↑ I_К2→ ↑ I_Э2→ ↑ U_Э2→ ↓ U_БЭ2 при U_Б2= const→ ↓ I_Б2→ ↓ I_К2→ ↓ I_Э1→ ↓ I_К1

и, наоборот,

↓ I_К1→ ↓ I_Э1→ ↓ I_К2→ ↓ I_Э2→ ↓ U_Э2→ ↑ U_БЭ2 при U_Б2= const→ ↑ I_Б2→ ↑ I_К2→ ↑ I_Э1→ ↑ I_К1.

Устранение зависимости от изменений напряжения питания

Основная идея – это использование напряжения U_БЭпервого транзистора в качестве напряжения, задающего ток для второго транзистора: . В результате можно «отвязать» второй транзистор от источника питания и одновременно уменьшить зависимость U_БЭ от изменений U_КЭ. Уменьшение зависимости U_БЭ от U_КЭ(эффекта Эрли) связано с уменьшением в данной схеме величины U_КЭ1до значения 2U_БЭ.

Рис. 4.13. Схема транзисторного источника тока
с уменьшенным влиянием изменений напряжения питания и эффекта Эрли

Контрольные вопросы к лекции

1. В чем заключаются причины ограничения сигнала в ЭП?

2. Какова последовательность анализа схемы ЭП?

3. Чем характеризуются стабилизаторы напряжения с ЭП?

4. В чем состоит принцип работы транзисторного источника тока?

5. Что такое рабочий диапазон транзисторного источника тока и чем он определяется?

6. Какие способы задания смещения применяют в транзисторном источнике тока?

7. В чем заключаются недостатки транзисторных источников тока и какие способы их устранения существуют?

ЛЕКЦИЯ 5

Усилитель с ОЭ

Рассмотрим источник тока, нагрузкой для которого служит резистор R_К. При подаче напряжения питания U_ККустанавливаются режимы по постоянному току. В результате с делителя R₁, R₂ задается напряжение смещения U_Б, которое определяет потенциал эмиттера U_Э= U_Б– 0, 6 В (для n-p-n-транзистора). Резистор R_Э устанавливает постоянный ток эмиттера , а напряжение на коллекторе становится равным . Для симметричного изменения выходного сигнала в пределах всего динамического диапазона, определяемого напряжением источника питания U_КК, следует задавать U_К= 0, 5U_КК. При этом относительно земли .

Рис. 5.1. Схема усилителя с ОЭ

Если через емкость на базу транзистора подать сигнал u_ВХ= u_Б, то переменное напряжение на эмиттере u_Эповторяет напряжение на базе u_Б и вызывает изменение эмиттерного и (приблизительно такое же изменение) коллекторного тока: . Этому изменению соответствует изменение коллекторного напряжения: . Здесь и далее прописными буквами I, U обозначены постоянные напряжения и токи, строчными буквами i, u − напряжения и токи сигнала.

Таким образом, увеличение напряжения на базе вызывает увеличение коллекторного тока, что приводит к возрастанию падения напряжения на коллекторной нагрузке и, соответственно, к уменьшению напряжения на коллекторе. Коэффициент передачи для данной схемы . Знак «–» говорит о том, что сигнал положительной полярности на входе дает усиленный сигнал отрицательной полярности на выходе. Такая схема называется усилителем с ОЭ с отрицательной обратной связью в цепи эмиттера.

Входное сопротивление схемы усилителя с ОЭ, как и эмиттерного повторителя, определяется входной цепью: , где – эквивалентное сопротивление делителя, а . Выходное сопротивление схемы усилителя с ОЭ определяется сопротивлением нагрузки. Действительно, выходная цепь схемы представляет собой последовательно соединенные сопротивления нагрузки R_К, закрытого коллекторного перехода R_КП, открытого эмиттерного перехода r_Э и эмиттерного сопротивления R_Э.

Рис. 5.2. К оценке выходного сопротивления усилителя с ОЭ

Сопротивлениями r_Э и R_Эможно пренебречь, так как они малы по сравнению с R_КП. Таким образом, выходная цепь фактически представляет собой делитель напряжения , так как .

Анализ схемы усилителя с ОЭ

Проанализируем схему, приведенную на рис. 5.3.

1. Исходя из напряжения питания U_КК= 20 В и значений резисторов делителя R₁ и R₂, определяем напряжение смещения базы транзистора: U_Б= 1, 6 В.

2. Определяем U_Э= U_Б− 0, 6 В = 1 В (для n-p-n-транзистора).

3. Определяем ток покоя

4. Определяем напряжение покоя U_К= U_КК– I_КR_К= 10 В. Проверяем выполнение условия симметричности изменения выходного сигнала. Условие выполняется в пределах максимально возможного динамического диапазона выходного сигнала.

5. Проверяем правильность выбора делителей R₁ и R₂. где R_Б= ß R_Э. Выбор правильный, так как R_ДЕЛ≤ 10 к, а R_Б= 100 к при ß = 100.

6. Определяем частотный диапазон схемы , где – входное сопротивление схемы.

7. Определяем выходное сопротивление схемы: R_ВЫХ≈ R_К= 10 к. Таким образом, схема работает на нагрузку R_Н≥ 100 к = 10 R_К.

8. Определяем коэффициент усиления схемы .

Рис. 5.3. К анализу схемы усилителя с ОЭ

5.1.2. Расчет усилителя с ОЭ
при небольшом коэффициенте усиления (К_U ≤ 10)

Выбор тока покоя I_ОК, соблюдение условия симметричности U_К = 0, 5U_КК, обеспечение достаточно высокого потенциала в эмиттере U_Э » 0, 1U_К, что соответствует R_Э » 0, 1R_К, а также необходимого коэффициента усиления часто находятся во взаимном противоречии и требуют взаимного учета.

В целом может быть рекомендована следующая последовательность расчета:

1. Выбираем ток покоя транзистора .

2. Исходя из условия симметричности U_К= 0, 5U_КК= U_КК– I_ОКR_К, определяем сопротивление R_К.

3. Исходя из требуемого К_U и стремясь одновременно обеспечить величину U_Э= I_ОЭR_Э достаточно высокой для достижения температурной стабильности схемы, выбираем R_Э. Необходимо иметь в виду, что величина U_Э≤ 0, 1U_К не обеспечивает хорошей температурной стабильности усилителя.

4. Определяем напряжение смещения на базе с учетом типа транзистора. Так, для n-p-n-транзистора U_Б= U_Э+ 0, 6 В, а для p-n-p − U_Б= U_Э− 0, 6 В.

5. Выбираем величины сопротивлений делителя R₁ и R₂, исходя из условия где R_Б≈ ß R_Э.

6. Обеспечиваем частотные свойства каскада, выбирая С₁ таким, чтобы , где . Обычно С₁ выбирают с 3–5-кратным запасом для обеспечения единичного коэффициента передачи ФВЧ в заданном диапазоне частот.

5.1.3. Графический метод определения смещения транзистора

В усилителе с ОЭ

По выходным и входным характеристикам транзистора можно определить величину смещения в усилителе. Для схемы с общим эмиттером напряжение на коллекторе относительно земли равно . Данное выражение называют уравнением нагрузочной прямой, которую можно построить на выходных характеристиках.

Для определения первой точки нагрузочной прямой примем U_К= 0 (режим насыщения). Тогда ток коллектора определяется следующим выражением: . Для определения второй точки нагрузочной прямой примем I_K = 0 (режим отсечки). Тогда напряжение на коллекторе . Соединив данные точки, найдем точки А и В – пересечения верхней и нижней выходных характеристик с построенной прямой. Рабочая точка О выбирается посередине отрезка АВ для симметричности изменения выходного сигнала и определяет значения напряжения покоя коллектора U_OK, тока покоя коллектора I_OK и тока покоя базы I_O_Б.

Рис. 5.4. Построение нагрузочной прямой на выходных характеристиках транзистора

Рис. 5.5. Определение напряжения смещения усилителя с ОЭ
по входным характеристикам транзистора

Для определения напряжения покоя базы (напряжения смещения) воспользуемся входной характеристикой транзистора. Отложив на оси ординат значения тока покоя базы I_ОБ и выбирая характеристику, соответствующую напряжению покоя на коллекторе U_ОК, определим напряжение покоя на базе U_ОБ. Зная напряжение покоя базы, можно рассчитать параметры делителя, который поделит напряжение питания U_КК в нужной пропорции и создаст необходимое смещение транзистора.

5.1.4. Схема расщепления фазы
с единичным коэффициентом усиления (парафазный каскад)

С помощью данной схемы можно получить два сигнала одинаковой величины с единичным коэффициентом усиления, но с противоположными фазами.

Рис. 5.6. Парафазный каскад

Для единичного коэффициента усиления сопротивления в коллекторе и в эмиттере должны быть одинаковы. На эмиттере сигнал будет повторяться, а на коллекторе – инвертироваться.

Рис. 5.7. К выбору напряжений коллектора и эмиттера в парафазном каскаде

Для того чтобы сигнал изменялся симметрично, необходимо устанавливать постоянное напряжение коллектора U_K ≈ 0, 75U_КК, а напряжение эмиттера – U_Э≈ 0, 25U_КК.

При данных номиналах схемы ток покоя равен I_OK ≈ I_O_Э= 1 мА, напряжение на эмиттере U_Э= U_Б– 0, 6 В = 5 В, а напряжение на коллекторе U_К= U_КК–
– I_OKR_К= 15 В.

Фазовращатель

Для построения фазовращателя, обеспечивающего изменение фазы выходного сигнала в пределах 0°< φ < 180°, можно использовать парафазный каскад, к выходам которого подключена RC-цепь с регулируемым сопротивлением R. Распределение напряжений в схеме можно показать с помощью векторной диаграммы на полукруге, где u_С – напряжение на конденсаторе, u_R – напряжение на резисторе, u_ВЫХ– результирующее напряжение.

Рис. 5.8. Принцип работы простейшего фазовращателя

Изменяя величину сопротивления, можно менять соотношения напряжений u_R и u_С, а значит, и угол наклона φ результирующего вектора u_ВЫХ. При этом амплитуда сигнала при регулировке фазы остается постоянной. Однако простейший фазовращатель не обеспечивает изменения фазы во всем диапазоне из-за ограниченного линейного участка АЧХ.

5.1.6. Представление усилителя с ОЭ
в виде двух независимых усилителей: с передаточной проводимостью
и с передаточным сопротивлением

Рассмотрим схему усилителя с коэффициент усиления которого определяется выражением . Левая часть усилителя (без нагрузки) может быть охарактеризована как управляемый источник тока, имеющий крутизну ВАХ , и названа усилителем с передаточной проводимостью, или крутизной, – S. Правая часть схемы усилителя (нагрузка R_Н) может рассматриваться как усилитель с передаточным сопротивлением, который преобразует ток в напряжение. Такой подход позволяет проектировать левую и правую части схемы отдельно друг от друга.

Рис. 5.9. Представление усилителя с ОЭ в виде двух независимых усилителей:
с передаточной проводимостью и с передаточным сопротивлением

При этом общий коэффициент усиления будет равен . Для данной схемы R_Н= 10 к, S = 1 мА/В, а К_U = S R_H = 1 (мА/В) 10 к = 10, что соответствует .

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 8 9 10 Следующая ⇒