шее чем 20 Гц, емкость конденсатора Сг должна быть равна по крайней мере 1,0 мкФ. Так как мы получили двухкаскадный фильтр высоких частот, то для предотвращения снижения амплитуды сигнала на самой низкой из интересующих нас частот емкости следует взять немного побольше. Вполне подойдут следующие значения: Ci=0,5 и Са= =3,3 мкФ.

Эмиттерные повторители с расщепленными источниками. В связи с тем что сигналы часто находятся возле земли , удобно использовать симметричное питание повторителей - с положительным и отрицательным напряжением. В такой схеме легче обеспечить смещение, и для нее не нужны развязывающие конденсаторы (рис. 2.16).

Сигнал (близои к

потенциалу земли)

I 1

Выход (близок к потенциал!} земли)

Рис. 2.16.

Рис. 2.17,

Замечание: в схеме обязательно должна быть предусмотрена цепь постоянного тока для тока базы, даже если этот ток течет просто на землю . В схеме рис. 2.16 эту роль играет источник сигнала, соединенный с землей по постоянному току. Если же это не так (например, имеется емкостная связь с источником), то следует предусмотреть связь базы с землей через резистор (рис. 2.17). Как и прежде, сопротивление Rb должно составлять приблизительно 0,1 от произведения h2i3R3.

Упражнение 2.5. Разработайте эмиттерный повторитель с источниками напряжения ± 15 В для диапазона звуковых частот (20 Гц - 20 кГц). Ток покоя равен 5 мА, на входе имеется емкостная связь.

Пример плохого смещения. К сожалению, иногда встречаются такие неудачные схемы, как на рис. 2.18. При выборе резистора Rb для этой схемы предположили, что коэффициет к^э и.меет определенное значение (100), оценили величину тока базы и предположили, что падение напряжения на /?б составит 7 В. Расчет схемы выполнен плохо; коэффициент Ajis не следует брать за основу расчета, так как его значение может существенно изменяться. Если напряжение смещения задать с помощью делителя напряжения, как в рассмотренном

выше примере, то точка покоя будет нечувствительна к изменениям коэффициента р. Например, в предыдущей схеме напряжение на эмиттере увеличится всего на 0,35 В (5%), если вместо номинальной величины 213= 100 будем иметь величину 213=200. На примере

эмиттерного повторителя мы показали вам, как можно попасть в ловушку и разработать никуда не годную схему. Такие ошибки возможны и в схемах с другим включением транзисторов (например, дальше в этой главе будет представлена схема с общим эмиттером).

ком

2.06. Транзисторный источник тока

Хотя источники тока не столь известны, они не менее полезны и важны, чем источники напряжения. Источники тока Pjjj. 2 J 5 представляют собой прекрасное средство

для обеспечения смещения транзисторов и, кроме того, незаменимы в качестве активной нагрузки для усилительных каскадов с большим коэффициентом усиления и в качестве источников питания эмиттеров для дифференциальных усилителей. Источники тока необходимы для работы таких устройств, как интеграторы, генераторы пилообразного напряжения. В схемах усилителей и стабилизаторов они обеспечивают широкий диапазон напряжений. И наконец, источники постоянного тока требуются в некоторых областях, не имеющих прямого отношения к электронике, например в электрохимии, электрофорезе. *

Подключение резистора к источнику напряжения. Схема простейшего источника тока показана на рис 2.19. При условии что

+1/0-cm-о---о-

RhR (иными словами, U <U), ток сохраняет почти постоянное значение и равен приблизительно I=U/R. Если нагрузкой является конденсатор, то, при условии что и^о„<и, он заряжается с почти постоянной скоростью, определяемой начальным участком экспоненты, характерной для данной /?С-цепи.

Простейшему резистивному источнику тока присущи существенные недостатки. Для того чтобы получить хорошее приближение к источнику тока, следует использовать большие напряжения, а при этом на резисторе рассеивается большая

Рис. 2.19.

В случае эмиттерного повторителя, работающего с малыми сигналами (для рис. 2.18 это сигналы амплитудой не более 1-2 В), такое смещение вполне допустимо,- Прим. ред.

мощность. Кроме того, током этого источника трудно управлять в широком диапазоне с помощью напряжения, формируемого где-либо в другом узле схемы.

Упражнение 2.6. Допустим, нам нужен источник тока, который бы обеспечивал точность 1% в Диапазоне изглеиеиия напряжения на пагрузкеот О до-f-lOB. Какой источник напряжения нужно подключить последовательно к резистору?

Упражнение 2.7. Допустим, что в предыдущем упражнении требуется получить от источника ток 10 мА. Какая мощность будет рассеиваться на резисторе? Какая мощность передается нагрузке?

Транзисторный источник тока. Очень хороший источник тока можно построить на основе транзистора (рис. 2.20). Работает он еле--дующим образом: напряжение на базе [/б> 0,6 В поддерживает эмиттерный переход в открытом состоянии: 63=5- - 0,6 В. В связи с этим /э= Ua/RsiUb- 0,6 В) ?э. Так как для больших значений коэффициента /э ~ /к> (б- 0,6 В) ?э независимо от напряжения f/к; до тех пор, пока транзистор не перейдет в режим насыщения (f/к > э +0,2 В),

Смещение в источнике тока. Напряжение на базе можно сформировать несколькими способами. Хороший результат дает использование де- у лителя напряжения, если он обеспечивает достаточ- но стабильное напряжение. Как и в предыдущих случаях, сопротивление делителя должно быть значительно меньше сопротивления схемы со стороны базы по постоянному току /12133. Можно воспользоваться также зенеровским диодом и использовать для смещения источник питания (/кк, а можно взять несколько диодов, смещенных в прямом направ-.тении и соединенных последовательно, и подключить их между базой и соответствующим источником питания эмиттера. На рис. 2.21 пока-

Рис. 2.20.

+15 В

Нагрузка

+10 В

Нагрузка,

Рис. 2.21. Схемы транзисторных источников тока с тремя способами подачи смещения на базу,

в транзисторы п-р-п-типа ток втекает, а из транзисторов р^глр-тица еыте 8 Т. На схеме (в) показчн источник с зазеылеаиой нагрузкой.

заны примеры схем смещения. В последнем примере (рис. 2.21, в) транзистор р - п - р-типа питает током заземленную нагрузку (он- источник тока). Остальные примеры (в которых используются транзисторы п - р - п-типа) правильнее было бы назвать поглотителями тока, но принято называть все схемы такого типа источниками тока. В первой схеме сопротивление делителя напряжения составляет приблизительно 1,3 кОм и очень мало по сравнению с сопротивлением со стороны базы, составляющим ~100 кОм (для /i2i3 = 100). Любое изменение коэффициента р, связанное с изменением напряжения на коллекторе, не повлияет существенным образом на выходной ток, так как соответствующее изменение напряжения на базе совсем мало. В двух других схемах резисторы в цепи смещения выбраны так, чтобы протекающий ток составлял несколько миллиампер,- этого достаточно, чтобы диоды были открыты.

Рабочий диапазон. Источник тока передает в нагрузку постоянный ток только до определенного конечного напряжения на нагрузке. В противном случае источник тока был бы способен генерировать бесконечную мощность. Диапазон выходного напряжения, в котором источник тока ведет себя как следует, называется рабочим диапазоном. Для рассмотренных только что транзисторных источников тока рабочий диапазон определяется исходя из того, что транзистор должен находиться в активном режиме работы. Так, в первой схеме напряжение на коллекторе можно понижать до тех пор, пока не будет достигнут режим насыщения, т. е. до +1,2 В. Вторая схема, с более высоким напряжением на эмиттере, сохраняет свойства источника лишь до значения напряжения на коллекторе, равного приблизительно +5,2 В.

Во всех случаях напряжение на коллекторе может изменяться от значения напряжения насыщения до значения напряжения питания. Например, последняя схема работает как источник тока в диапа-i30He напряжения на нагрузке, ограниченном значениями О и +8,6 В. Если в нагрузке используются батареи или собственные источники питания, то напряжение на коллекторе может быть больше, чем напряжение источника питания. При использовании такой схемы реко-\ъ идуется следить за тем, чтобы не возник пробой транзистора (напряжение и^э не должно превышать значение (/Зпроб - напряжение пробоя перехода коллектор - эмиттер) и не рассеивалась излишняя мощность (определяемая величиной произведения /к^/кз). В разд. 5.07 вы увидите, что для мощных транзисторов область безопасной работы определяется специально.

Упражнение 2.8. В схеме имеются два стабилизированпы.х источника напряжения! +5 и 15 В. Разработайте схему источника тока на основе транзистора п-р-л-типа, которая бы обеспечивала ток +5 мА. В качестве источника напряжения для базы используйте источник +5 В. Чему равен рабочий диапазон в такой схеме?

В источнике тока напряжение на базе не обязательно должно быть фиксированным. Если предусмотреть возможность изменения

напряжения t/ь, то получим программируемый источник тока. Если выходной ток должен плавно отслеживать изменения входного напряжения, то размах входного сигнала вх (напоминаем, что строчными буквами мы договорились обозначать изменения) должен быть небольшим, таким, чтобы напряжение на эмиттере никогда не уменьшалосьдо нуля. В таком источнике тока изменение выходного тока будет пропорционально изменениям входного напряжения.

Недостатки источников тока. Как сильно отличается транзисторный источник тока от идеального? Иными словами, изменяется ли ток в нагрузке при изменении, скажем, напряжения? И если да, то почему? Наблюдаются эффекты двух видов:

1. При заданном токе коллектора и напряжеш^е (/бэ, и коэффициент Нцэ (эффект Эрли) несколько изменяются при изменении напряжения коллектор - эмиттер. Изменение напряжения (/бэ, связанное с изменением напряжения на нагрузке, вызывает изменение выходного тока, так как напряжение на эмиттере (а следовательно, и эмиттерный ток) изменяется, даже если напряжение на базе фиксировано. Изменение значения коэффициента /1213 приводит к небольшим изменениям выходного (коллекторного) тока при фиксированном токе эмиттера, так как /к = /э- h, кроме того, немного изменяется напряжение на базе в связи с возможным изменением сопротивления источника смещения, обусловленного изменениями коэффициента /ггхэ (а следовательно, и тока базы). Эти изменения незначительны. Например, изменение выходного тока для схемы, представленной на рис. 2.21, а, составляет приблизительно 0,5% для транзистора типа 2N3565. В частности, при изменении напряжения на нагрузке от О до 8 В эффект Эрли обусловливает изменение тока на 0,5%, а нагрев транзистора - на 0,2%. Изменение коэффициента вносит дополнительный вклад в изменение выходного тока -0,05% (для жесткого делителя напряжения). Все эти изменения приводят к тому, что источник тока работает хуже, чем идеальный: выходной ток немного зависит от напряжерп1я и, следовательно, его сопротивление не бесконечно. В дальнейшем вы узнаете, что есть методы, которые позволяют преодолеть этот недостаток.

2. Напряжение (/бэ и коэффициент А21Э зависят от температуры. В связп с этим при изменении температуры окружающей среды возникает дрейф выходного тока. Кроме того, температура перехода изменяется при изменении напряжения на нагрузке (в связи с изменением мощности, рассеиа юй 1-....;,{}стпром) и приводит к тому, что и?точ-

-+f/,

нагрузка

1 1

Рис. 2 22. Один из методов температурной компенс^ии источника тока.

ник работает не как идеальный. Изменение напряжения и^э в зависимости от температуры окружающей среды можно скомпенсировать с помощью схемы, показанной на рис. 2.22. В этой схеме падение напряжения между базой и эмиттером транзистора компенсируется падением напряжения на эмиттер ном переходе Ti, который имеет такие же температурные характеристики. Резистор играет роль нагрузки для Ти необходимой для задания втекающего тока базы транзистора

7,50 кОм

Г/о

750 Ом 1%

1,65 ком 17=

1мА 2,4 В

-+10 В Нагрузка

Улучшение характеристик источника тока. Вообще говоря, изменение напряжения Usa, вызванное как влиянием температуры (относительное изменение составляет приблизительно -2 мВ/°С), так и зависимостью от напряжения (/бэ (эффект Эрли оценивается величиной а(/бэ-0,001 At/кэ). можно свести к минимуму, если установить напряжение на эмиттере достаточно большим (по крайней мере 1 В), тогда изменение напряжения и^э на десятые доли милливольта не приведет к значительному изменению напряжения на эмиттер-ном резисторе (напомним, что схема поддерживает постоянное напряжение на базе). Например, если [/э==0,1 В (т. е. к базе приложено напряжение 0,7 В), то изменение напряжения и^э на 10 мВ вызывает изменение выходного тока на 10%, если же (/э=1,0 В, то такое же

изменение (/бэ вызывает изменение тока на 1%. Однако не стоит заходить слишком далеко. Напомним, что нижняя граница рабочего диапазона определяется напряжением на эмиттере. Если в источнике тока, работающем от источника питания + 10В, напряжение на э.миттере сделать равным +5 В, то диапазон выхода будет равен немного менее 5 В (напряжение на коллекторе может изменяться от (/э+0,2 В до (/кк. т. е. от 5,2 до 10 В).

На рис. 2.23 показана схема, которая существенно улучшает характеристики источника тока. Источник тока Ti работает, как и прежде, но напряжение на коллекторе фиксируется с помощью эмиттера Т^. Ток, текущий в нагрузку, такой же, как и прежде, так как коллекторный (для Т^) и эмиттерный токи приблизительно равны между собой (из-за большого значения Aais)-В этой схеме напряжение (/э (для Ti) не зависит от напряжения на нагрузке, а это значит, что устранены изменения напряжения (/бэ, обусловленные эффектом Эрли и температурой. Для транзисторов типа 2N3565 эта схема дает изменение тока на 0,1% при изменении напряжения на нагрузке от О до 8 В; для того чтобы схема o6ecne4Hgaj[a указанную точность, следует использовать

1,75 В

1,0 В 1,00 ком

Рт. 2.2.3. Каскодный исгоч-ник тока, обладающий повышенной устойчивостью к изменениям напряжения на па-грузке.

62 ОМ

стабильные резисторы с допуском 1%. (Кстати, эту схему используют в высокочастотных усилителях, где она известна под названием кас-код ). В дальнейшем вы познакомитесь со схемами источников тока, в которых используются операционные усилители и обратная связь и в которых также решена задача устранения влияния изменений (/бэ на выходной ток.

Влияние коэффициента /1213 можно ослабить, если выбрать транзистор с большим значением /ijia, тогда ток базы будет вносить незначительный вклад в ток эмиттера.

На рис. 2.24 показан еще один источник тока, в котором выходной ток не зависит от напряжения питания. В этой схеме напряжение (/бэ транзистора Ti, падая на резисторе/? 2, определяет выходной ток независимо от напряжения (/к^:

10 J<Om

ЮМА Нагрузка

Рис. 2.24. Транзисторный источник тока с использованием напряжения Ub3 в качестве опорного.

С помощью резистора Ri устанавливается смещение транзистора и потенциал коллектора Ti, причем этот потенциал меньше, чем напряжение (У^к. иа удвоенную величину падения напряжения на переходе; тем самым уменьшается влияние эффекта Эрли. В этой схеме нет температурной компенсации; напряжение на Ri уменьшается приблизительно на 2,1 мВ/°С и вызывает соответствующее изменение выходного тока (0,3%/°С).

2.07. Усилитель с общим эмиттером

Рассмотрим источник тока, нагрузкой для которого служит резистор (рис. 2.25). Напряжение на коллекторе равно

(/к = (/

Можно через емкость задать сигнал в цепь базы, Рис. 2.25. тогда напряжение на коллекторе будет изме-

няться. Рассмотрим пример, представленный на рис. 2.26. Конденсатор С выбран так, что фильтр высоких частот, образованный этим конденсатором и последовательно соединенными с ним резисторами смещения базы!, пропускает все нужные частоты

i) Эти резисторы по сигналу включены параллельно,- Прим. ред.

(резисторы В цепи базы обычно выбирают так, чтобы импеданс со стороны базы, т. е. входное сопротивление транзистора, был гораздо больше и им можно было пренебречь). Иначе говоря,

Благодаря напряжению смещения, приложенному к базе, и наличию эмиттерного резистора сопротивлением 1,0 кОм ток покоя коллектора

в составляет 1,0 мА. Этот

110 кОм

сигнал

С

0,1 мкФ

1,6 в

10 ком

10 в

ток создает на коллекторе напряжение +10 В (+20 В минус падение Выходед- напряжения на сопротивлении 10 кОм при протекании тока 1,0 мА). Допустим теперь, что на базу подан сигнал Мб- Напряжение на эмиттере повторяет изменение напряжения на базе Иэ- 5 и вызывает ~ ~ изменение эмиттерного

Рис. 2 26 Каскад усиления переменного тока с тока: Общим э„и.терои. 1з = э ?Э = б ?Э

и приблизительно такое же изменение коллекторного тока (транзистор имеет большо11 коэффициент hia)- Итак, первоначальное изменение напряжения на базе вызывает изменение коллекторного напряжения:

к = - к^к = - ь (Rk/Rj)-

Стоп! Получается, что схема представляет собой усилитель напряжения, коэффициент усиления которого определяется следующим образом:

Коэффициент

усиления вых/ вх- А^АЭ-

В нашем примере коэффициент усиления равен -10 000/100Э, или -10. Знак минус говорит о том, что положительный сигнал иа входа дает на выходе отрицательный сигнал (алшлитуда которого в 10 раз больше, чем на входе). Такая схема называется усилителем с общим эмиттером с отрицательной обратной связью в цепи эмиттера.

Входное и выходное сопротивления для усилителя с общим эмиттером. Нетрудно определить входное и выходное сопротивления усилителя. Для входного сигнала схема представляет собой параллельное соединение резисторов 110 кОм, 10 кОм и входного сопротивления со стороны базы. Последнее приблизительно равно 100 кОм (сопротивление Ra, увеличенное з /i,i3 pa ?), а значит, входное сопротивление равно приблиЗН1е'-ьно 8 кОм (преобладр-дую роль играет

сопротивление 10 кСм). Если используется развязывающий конденсатор, указанный на схеме, то получаем фильтр высоких частот с точкой -3 дБ на частоте 200 Гц. Для сигналов в рабочей полосе частот (выше частоты, соответствующей точке -3 дБ) конденсатором емкостью 0,1 мкФ можрю пренебречь и учигывать только сопротивление 8кОм, соединенное с ним последовательно.

Выходное сопротивление определяется как параллельное соединение сопротивления 10 кОм и выходного сопротивления транзистора со стороны коллектора. Что же получается? Если бы не коллекторный резисгор, то схема не отличалась бы от источника тока. Коллектор обладает очень большим сопротивлением (порядка мегаом), поэтому выходрюе сопротивление определяется коллекторным резистором, сопротивление которою составляет 10 кОм. Напомним, что сопротивление со стороны коллектора велико, а со стороны эмиттера мало (как и в схеме эмиттерного повторителя). В выходном сопротивлении усилителя с общим эмиттером преобладает сопротивление резистора нагрузки, стоящею в цепи коллектора, а выходное сопротивление эмиттерного повторителя определяется выходным сопротивлением транзистора со стороны эмиттера, а не сопротивлением нагрузки, стоящей в цепи эмиттера.

2.08. Схема расщепления фазы с единичным коэффициентом усиления

Иногда полезно иметь сигнал и его инверсию, т. е. два однородных сигнала, сдвинутыедру г относительно друга по фазе на 180°. Получить такие сигналы нетрудно - нужно воспользоваться усилителем с

,-J-щ-+20.3

150 КОм

5Б КОМ

КОМ

5,6 В

15 В

4,7 КОМ

Рис. 2.27.

общим эмиттером, коэффициент усиления которого равен -1 (рис. 2.27). Напряжение покоя на коллекторе устанавливают равным 0,75 (/ад вместо привычного значения 0,5 Ущ. Это делается с уже известной нам целью - получить симметричный выходной сигнал без срезов на

любом из выходов. Напряжение на коллекторе может изменяться от 0,5 (/кк ДО /кк> а на эмиттере - от потенциала земли до 0,5 (/кк-Обращаем ваше внимание на то, что для симметричного усиления выходы схемы следует нагружать одинаковыми (или очень большими) импедансами.

выход 1

Рис. 2 28.

Фазовращатель. На рис. 2.28 показан хороший пример использования схемы расщепления фазы выходного сигнала. Схема позволяет

регулировать фазу выходного синусоидального сигнала (от нуля до 180°) при условии, что входной сигнал тоже представляет собой синусоиду; амплитуда сигнала при регулировке фазы сохраняется постоянной. Работу схемы помогает понять векторная диаграмма напряжений (см. гл. 1), для нашей схемы представленная на рис. 2.29; входной сигнал на ней изображен в виде единичного вектора, направленного вдоль действительной оси. Направления векторов, соответствующих сигналам Uj и и^, должны быть такими, чтобы этим двум векторам соответствовал вектор постоянной длины, направленный вдоль действительной оси. В геометрии есть теорема, согласно которой геометрическим местом таких точек служит окружность. Итак, результирующий вектор (выходное напряжение) всегда имеет единичную длину, т. е. такую же, как вектор входного сигнала, а его фаза может изменяться от нуля до 180° по отношению к фазе входного сигнала, так как R может изменяться от нуля до значений, значительно превышающих zk на рабочей частоте. Обратите внимание, что величина фазового сдвига при данном положении потенциометра R зависит также от частоты входного сигнала. Следует отметить, что в качестве схемы, обеспечивающей регулируемый сдвиг фаз, можно использовать простейший RC-фильтр высоких (или низких) частот. Правда, в этом случае при регулировке фазы амплитуда выходного сигнала изменяется в широком диапазоне.

Отметим также, что фазовращатель RC-ima нагружает схему расщепления фазы. В идеальном случае нагрузка представляет собой импеданс, который велик по сравнению с коллекторным и эмиттерным

Рис. 2.29.

с/к здесь напря,; Чйе на конденсаторе, а zk- импейаис конденсатора,-Пгим, fed.