резисторами. Поэтому данная схема не может применяться в случаях, когда требуется обеспечить широкий диапазон фазовых сдвигов. В следующей главе приведена улучшенная схема фазовращателя.

Входной сигнал

0,1 мкф

110 КОм

1,6 В

Выходной

QB 1,0 кОк

2.09. Крутизна

В предыдущем разделе мы проанализировали работу усилителя с общим эмиттером следующим образом: а) предположив, что сигнал (напряжение) на базе изменяется в некоторых пределах, обнаружили, что напряжение на эмиттере имеет такой же размах; б) подсчитали эмиттерный ток; затем, пренебрегая незначительным влиянием тока

базы, определили размах кол-

лекторного тока и в) коллектор- *

ного напряжения. При этом коэффициент усиления есть просто отношение коллекторного напряжения (выходного) к напряжению на базе (входному).

Рассмотрим работу усилителя этого типа с другой точки зрения. Мысленно расчленим схему, как показано на рис. 2.30. Одна часть представляет собой управляемый напряжением источник тока, его ток покоя равен 1,0 мА, а коэффициент передачи составляет -1 мА/В. Коэффициент передачи представляет собой отношение выходного сигнала к входному; в данном случае он измеряется в единицах [ток/ напряжение] или [1/сопротивление]. Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью (величина, обратная реактивному сопротивлению, называется реактивной проводимостью; величина, обратная импедансу или полному сопротивлению, называется полной проводимостью), и единицей ее измерения служит мо (обратный ом); недавно эту единицу измерения стали называть Сименсом (См). Если коэффициент передачи измеряется в единицах проводимости, то такой усилитель называется усилителем с передаточной проводи.мостью; отношение /вых/(/вх называется крутизной и обозначается g.

Итак, одна часть схемы представляет собой усилитель с передаточной проводимостью, коэффициент передачи которого (крутизна) составляет 1 мА/В (1000 мкмо, или 1 мСм, а это есть не что иное, как 1 ?э). Другая часть схемы представляет собой нагрузочный резистор ( усилитель ), преобразующий ток в напряжение. Резистор можно назвать усилителем с передаточным сопротивлением, его коэффициент усиления измеряется в единицах [напряжение/ток], т. е. в единицах сопротивления, В данном случае напряжение покоя (рабочее напряже-

Рис. 2,30.

ние) - это (7к;к. а коэффициент передачи (передаточное сопротивление) равен 10 кВ/А (10 кОм), а это есть не что иное, как /?к- Соединив эти две части последовательно, получим усилитель напряжения, общее усиление которого определяется произведением коэффициентов передачи составных частей. В данно.м случае; /С=ё, /?к = к/э= =-10 - безразмерная величина, равная отношению [(выходное на-пряжение)/(входное напряжение)].

Описанный метод очень полезен для анализа усилителей, так как позволяет рассматривать составные части схемы независимо друг от друга. Например, для усилителя с передаточной проводимостью можно оценить величину g, для схем различной конфигурации и для иных элементов, например для полевых транзисторов. Зате.м можно рассмотреть нагрузку (или часть схемы с передаточным сопротивлением) и оценить, как связан коэффициент усиления с диапазоном изменения напряжения. Если вас интересует общее усиление по напряжению, то его можно определить следующим образом: Kug/m Дб г, - передаточное сопротивление нагрузки. В конечном счете за.мена простой активной нагрузки схемой с высоким передаточным сопротивлением позволяет получать для одного каскада усилителя величину коэффициента усиления, равную 10 000 и выше. С помощью описанного метода удобно рассматривать также каскодный усилитель, с которым вы познакомитесь ниже.

В гл. 3, где рассматриваются операционные усилители, приведено немало примеров усилителей, на входах и выходах которых действуют напряжения и токи, усилители напряжения, усилители тока, усилители с передаточной проводимостью, усилители с передаточны.м сопротивлением.

Предельный коэффициент усиления: границы примени-

мости простейшей модели транзистора. В соответствии с нашей моделью коэффициент усиления по напряжению усилителя с общим эмиттером равен - RyIRa- Что произойдет, если сопротивление Ra будет уменьшаться, стремясь к нулю? Согласно уравнению, коэффициент усиления будет при этом беспредельно возрастать. Однако измерения, выполненные в рассмотренной выше схеме, покажут, что, хотя при постоянном токе покоя, равном 1 мА, коэффициент усиления и растет, при /?э=0 (эмиттер заземлен) он становится равным всего 400. Окажется также, что усилитель начнет при этом работать как нелинейный элемент (выходной сигнал на воспроизводит по форме в точности входной), входное сопротивление становится небольшим и нелинейным, а смещение начинает зависеть от температуры. Очевидно, что модель транзистора, которой мы пользовались, несовершенна и ее необходимо дополнить, чтобы она пришла в соответствие с измерениями, описанными выше, и некоторыми другими фактами, на которых мы еще остановимся. Модель, которую мы сейчас рассмотрим, будет AocjT04Hoточна и удовлетворит наев дальнейшем.

МОДЕЛЬ ЭБЕРСА - ЛЮЛЛА

ДЛЯ ОСНОВНЫХ ТРАНЗИСТОРНЫХ СХЕМ

2.10. Улучшенная модель транзистора: усилитель с передаточной проводимостью (крутизной)

Существенную поправку следует внести в правило 4 (разд. 2.01), которое определяет, что /к=л21э/б- мы рассматривали транзистор как усилитель тока, вход которого работает как диод. Это приближение является грубым, но для некоторых практических случаев большей точности и не требуется. Однако, для того чтобы понять, как работают дифференциальные усилители, логарифмические преобразователи, схемы температурной компенсации и некоторые другие практически полезные схемы, следует рассматривать транзистор как элемент с передаточной проводимостью - коллекторный ток в нем определяется напряжением между базой и эмиттером.

Итак, правило 4 в измененном виде: 4. Если правила 1-3 соблюдены (разд. 2.01), то ток связан с напряжением (/бэ следующей зависимостью:

/к = / ас [еХр((/Бэ/-)-1],

где Uj=kT/q=25,3 мВ при комнатной температуре (20°С), q - заряд электрона (1,60-10~ Кл), ft - постоянная Больцмана (1,38х ХЮ Дж/К), Г -абсолютная температура в Кельвинах (К=°С+ +273,16), / ас - ток насыщения транзистора (зависит от Г). Тогда ток базы, который также зависит от и^э, можно приблизительно определить так:

/ь=/к г21Э,

где постоянная /121Э обычно принимает значения от 20 до 1000 и зависит от типа транзистора, /,<, (/кэ и температуры. Ток / ас представляет собой обратный ток эмиттерного перехода. В активной области / ас и членом -1 можно пренебречь.

Уравнение для /;<; известно под названием уравнение Эберса - Молла . Оно описывает также зависи.мость тока от напряжения для диода. Следует запомнить, что в транзисторе коллекторный ток зависит от напряжения между базой и эмиттером, а не от тока базы (ток базы в грубом приближении определяется коэффициентом his). Экспоненциальная зависимость между током / и напряжением и^э точно соблюдается в большом диапазоне токов, обычно от наноампер до миллиампер. На рис. 2.31 приведен график этой зависимости. Если измерить ток базы при различных значениях коллекторного тока, то получим график зависимости Ицэ от / (рис. 2.32).

Согласно уравнению Эберса - Молла, напряжение между базой и эмиттером управляет коллекторным током, однако это свойство

Здесь / ас W 0,1 -1нА - ток насыщения обратной характеристики перехода эмиттер - база (не пугать с током насыщенного транзистора!}.- Прим, ред,

нельзя использовать непосредственно на практике (создавать смещение в транзисторе с помощью напряжения, подаваемого на базу), так как велик температурный коэффициент напряжения между базой и эмиттером. В дальнейшем вы увидите, как уравнение Эберса - Молла помогает решить эту проблему.

О, Г 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Рис. 2.31. Зависимость базового и коллекторного токов транзистора от напряжения между базой и эмиттером.

1000 р

500 300

108 W 10 10 Ю * Ж

Рис. 2.32.

Щактаческае правила для разработки транзисторных схем. На основании уравнения Эберса - Молла получены некоторые зависимости, которые часто используют при разработке схем:

1. Ступенчатая характеристика диода. На сколько нужно увеличить напряжение (/рэ, чтобы ток увеличился в 10 раз? Из уравнения Эберса - Молла следует, что (/ э нужно увеличить на Ujlog 10, или на 60 мВ при комнатной температуре. Напряжение на базе увеличивается на 60 мВ при увеличении колаекторного тока в 10 раз.

2. Импеданс для малого сигнала со стороны эмиттера при фиксированном напряжении на базе. Возьмем производную от и^э по Z: гэ- = Ujll 25 к Ом, где ток /<; измеряется в миллиамперах. Величина

25 к Ом соответствует комнатной температуре. Это собственное сопротивление э.миттера Гэ выступает в качестве последовательного для эмиттерной цепи во всех транзисторных схемах. Оно ограничивает усиление усилителя с заземленным э.миттером, приводит к тому, что коэффициент усиления эмиттерного повторителя имеет значение чуть меньше единицы и не позволяет выходному сопротивлению эмиттерного повторителя стать равным нулю. Этот параметр относится к параметрам малого сигнала. Отметим, что крутизна для усилителя с заземленным эмиттером определяется следующим образом: = 1/гэ.

3. Температурная зависимость Us3- В связи с тем, что ток / ас зависит от температуры, напряжение (/бэ уменьшается на 2,1 мВ/°С. В грубом приближении оно пропорционально l/T, где г^бс - абсолютная температура.

И еще одна зависимость пригодится нам на практике, правда, она не связана с уравнением Эберса - Молла. Речь идет об эффекте Эрли, описанном в разд. 2.06, который накладывает ограничения на выходную характеристику транзистора как источника тока.

4. (Эффект Эрли.) (/бэ хоть и в слабой мере, но зависит от (/э при постоянном токе /[<;. Этот эффект обусловлен изменением эффективной ширины базы и описывается следующей приблизительной зависимостью: а(/бэ -0,001 А(/кэ. Мы перечислили основные соотношения, которые могут быть полезны на практике. Эти соотношения, а не сами уравнения Эберса - Молла, используются при разработке транзисторных схем.

2.11. Еще раз об усилителе с общим эмиттером

Выше мы определили усиление по напряжению для усилителя с общим эмиттером при условии, что сопротивление эмиттерного резистора равно нулю, но результат получили неверный. Дело в том, что транзистор обладает собственным эмиттерным сопротивлением, равным 25 к; (мА) (выражено в омах), которое следует добавлять к сопротивлению включенного в эмиттерную цепь резистора. Эта добавка значительна в тех случаях, когда в цепь эмиттера включен небольшой резистор (или когда его нет вообще). Например, для усилителя, который мы рассмотрели выше, коэффициент усиления по напряжению равен -10 кОм/гэ; или -400, при условии, что сопротивление эмиттерного резистора равно нулю. Мы предполагали раньше, что входной импеданс гхэ/э равен нулю при /?э=0; на самом деле он приблизительно равен Л21э'э и в данном случае составляет около 2,5 кОм (ток покоя равен 1 мА).

Мы уже упоминали усилитель с заземленным эмиттером и схемы с общим эмиттером . Эти схемы не следует путать. Усилитель с заземленным эмиттером - это усилитель с общим эмиттером, в котором /?э=0. В усилительном каскаде с общим эмиттером может присутствовать эмиттерный резистор; особенность этой схемы состоит в том, что Цепь эмиттера ярляетс. дбщаядля входа и выхода схемы.

глапа 2

.+20 В

Входнои сигнал

<связь по Лост пюку)

Рис. 2.33.

10 иОм

Недостатки одпокаскадпого усилителя с заземленным эмиттером. Дополнительное усиление, обусловленное отсутствием резистора в эмиттерной цепи R-,-0, мы получаем за счет ухудшения некоторых параметров усилителя. Как ни популярен усилитель с заземленным эмиттером в учебниках, на практике его следует использовать только в схемах, охвачершых общей петлей отрицательной

оГфатной связи. Для того чтобы понять, с чем это связано, рассмотрим рйс. 2.33. 1. Нелинейность. Коэффициент усиления определяется выражением /С = = -й:./?к=-№=-/?к/к (мА)/25, Выходной т. е. для тока покоя I мАон равен -400.

Но дело в том, что токиз.меняется при изменении входного сигнала. в нашем примере коэффициент усиления может изменяться от -800 ((/вых=0. мА)

до нуля ((/ ых=кк./к=0)- Если на входе действует треугольный сигнал, то сигнал на выходе будет таким, как показано на рис. 2.34. Усилитель вносит большие искажения, т. е. обладает плохой линейностью. Усилитель с заземлеш1ым эмиттером без обратной связи можно использовать лишь для небольших диапазонов изменения сигнала вблизи точки покоя. Что же касается усилителя о общим эмиттером, то его усиление почти не зависит от коллекторного тока, при условии что Rs г-,; он обеспечивает усиление без искажений в большом диапазоне изменения сигнала.

2. Входное сопротивление. Входное сопротивление приблизительно равно Z x = Л21эГэ= (25 /г21э к (мА)) Ом. Здесь мы опять сталкиваемся с тем, что ток /к изменяется при изменении выходного сигнала, а значит, меняется и входное сопротивление. Если источник, питающий базу, обладает небольшим выходным сопротивлением, то вы получите нелинейный переменный делитель на- V, пряжения, образованный источником сигнала и входным сопротивлением усилителя. Что касается усилителя с общим эмиттером, то он обладает постоянным и высоким входным СОПро- Время

тивлением.

3. Смещение. В усилителе с заземленным эмиттером смещение выполнить трудно. Возникает соблазн просто подать напряжение (с делителя), которое обеспечит нужный ток покоя в соответствии с уравнением Эберса - Молла, Однако так сделать нельзя, потому что напряжение {/бэ зависит от температуры и изменяется на-2,1 мВ/°С (фактически напряжение уменьшается при повышении температуры Т из-за того, что изменяется ток / а^; в результате оказывается, что напряжение

о

Малое . цсипеиие/

Большое усиление

Рис. 2.34.

и^э приблизительно пропорционально \1Т, где Т - абсолютная температура). Это ведет к тому, что коллекторный ток будет увеличиваться в 10 раз при повышении температуры на 30°С. Такая нестабильность делает смещение неработоспособным, так как даже небольшие колебания температуры будут приводить усилитель в режим насыщения Например, если напряжение смещения сделать равным половине напряжения питания коллектора, то усилитель с заземленным эмиттером будет переходить в режим насыщения при повышении температуры на 8°С.

Упражнение 2.9. Убедитесь в том, что при повышении температуры окружающей среды на 8°С усилитель с заземленным эмиттером и поданным на базу напряжением смещения переходит в режим насыщения. В исходном состоянии транзистор смещен так, что (/к.=0,5 ()кк-

О том, как решается задача смещения, вы узнаете из следующих разделов. Что касается усилителя с общим эмиттером, то здесь стабильное смещение создается с помощью напряжения, приложенного к базе; большая часть этого напряжения приходится на резистор в цепи эмиттера, тем самым обеспечивается постоянный ток покоя.

Эмиттерный резистор в качестве элемента обратной связи. Если к собственному сопротивлению эмиттера добавить сопротивление внешнего эмиттерного резистора, то многие параметры усилителя с общим эмиттером улучшатся, правда за счет снижения коэффициента усиления. Аналогичное явление рассматривается в следующих двух главах, посвященных использованию отрицательной обратной связи, позволяющей улучшить характеристики усилителя за счет частичной передачи выходного сигнала на вход. Это не простое совпадение, дело в том, что в усилителе с общим эмиттером используется одна из форм отрицательной обратной связи. Представим себе, что транзистор - это элемент с передаточной крутизной, в котором коллекторный ток (а следовательно, и выходное напряжение) зависит от напряжения, действующего между базой и эмиттером; на вход усилителя подается напряжение, действующее между базой и землей. Входное напряжение представляет собой напряжение между эмиттером и базой минус напряжение (hRs)- Следовательно, в схеме с общим эмиттером действует отрицательная обратная связь, и благодаря этому улучшаются характеристики усилителя (высокая линейность и стабильность, большой входной импеданс; выходной импеданс можно уменьшить, если ввести обратную связь непосредственно с коллектора). Это лишь первое знакомство с обратной связью, но и оно позволяет оценить значение материала, изложенного в гл. 3-4.

Или отсечки,- Прим. ред.

D,\ мкФ

10 КОМ

Рис. 2.35.

-158

1,6 В

7,5 кОм 7,5 В

2.12. Смещение в усилителе с общим эмиттером

Существует возможность задать смещение в усилителе g общим эмиттером и при необходимости получения максимально возможного коэффициента усиления (или если усилительный каскад охвачен

петлей обратной связи). Есть три варианта схем смещения, которые можно комбинировать между собой: с помощью шунтируемого резистора в эмиттерной цепи, с помощью согласованного транзистора и с помощью обратной связи по постоянному току.

Шунтируемый резистор в эмиттерной цепи. Смещение можно обеспечить с помощью шунтируемого резистора в эмиттерной цепи, как показано на рис. 2.35. Для того чтобы облегчить задачу создания смещения, резистор /?э выбран так, что его сопротивление составляет 0,1 если резистор Rs слишко.ммал, то напряжение на эмиттере будет намного меньше, чем падение напряжения между базой и эмиттером, а это приведет к температурной нестабильности точки покоя, так как напряжение (/бэ зависит от температуры Шунтирующий эмиттерный конденсатор следует выбирать так, чтобы его импеданс был небольшим по сравнению с гэ (а не с Rs) на самой низкой из интересующих вас частот. В данном слу-

-+20 В

1,0 Юм

10 миЗ

ком

10 В

чае его импеданс составляет 25 Ом на частоте 650 Гц. В диапазоне рабочих частот входного Л сигнала для выбора входного конденсатора межкаскадной связи существенно, что входное 11 г 07753 сопротивление схе.мы определяется параллельным соединением сопротивления 10 кОм и входного сопротивления транзистора со / стороны базы, в данном случае - это сопротивление 25 Ом, умноженное на Л21Э, т. е. приблизительно 2,5 кОм. Для сигналов Рис. 2.36. постоянного тока сопротивление

со стороны базы значительно больше (сопротивление эмиттерного резистора, умноженное на hu, т. е. приблизительно 100 кОм), и именно благодаря этому можно обеспечить стабильное смещение.

0,175 в 175 Ом

Одна из разновидностей рассмотренной схемы отличается использованием в эмиттерной цепи двух последовательных резисторов, один из которых шунтируется. Например, нужно спроектировать усилитель, коэффициент усиления которого равен 50, ток покоя -1 мА, а напряжение (/кк составляет +20 В; частота сигнала может изменяться от 20 Гц до 20 кГц. Если для решения поставленной задачи вы выберете схему с общим эмиттером, то получите усилитель, показанный на рис. 2.36. Коллекторный резистор выбран так, чтобы коллекторное напряжение покоя составляло 0,5 (/кк. Эмиттерный резистор выбран с учетом требуемого значения коэффициента усиления и влияния гэ, составляющего 25 к (мА). Трудность состоит в том, что эмиттерное напряжение, равное всего лишь 0,175 В, будет подвержено существенным изменениям. Дело в том, что падение напряжения на переходе

110 кОм

-+20 В

кОм + 10В

10 кОм

Рис. 2.37.

180 Ом

68 мкФ

база -эмиттер, равное 0,6В, зависит от температуры (относительное изменение составляет примерно-2,1 мВГС), тогда как напряжение на базе поддерживается постоянным с помощью резисторов /?1 и Ri, наприхмер, вы можете убедиться, что при увеличении температуры на 20°С коллекторный ток возрастет примерно на 25%.

Это неприятное явление можно устранить, если включить в эмиттерную цепь дополнительный зашунтированный конденсатором резистор, который не будет влиять на коэффициент усиления в рабочем диапазоне частот (рис. 2,37). Как и в предыдущей схеме, коллекторный резистор выбран здесь так, чтобы напряжение на коллекторе было равно 10 В (0,5 (/кк)- Нешунтируемый резистор в цепи эмиттера выбран таким образом, чтобы с учетом собственного сопротивления эмиттера, составляющего гэ=25 к (мА), коэффициент усиления был равен 50. Дополнительное сопротивление в цепи эмиттера должно быть таким, чтобы смещение было стабильным (хороший результат дает сопротивление, в 10 раз меньшее коллекторного). Напряжение базы выбрано' так, чтобы ток эмиттера был равен 1 мА, при условии что сопротивление цепи смещения составляет десятую часть от сопротивления по постоянному току со стороны базы (в данном случае около 100 кОм). Сопротивление шунтирующего конденсатора в цепи эмиттера должно быть небольшим по сравнению с сопротивлением 180 Ом на самой низкой частоте диапазона. И наконец, входной конденсатор межкаскадной связи должен иметь небольшой импеданс по сравнению с входным сопротивлением усилителя на частоте входного сигнала, которое определяется параллельным соединением сопротивления дели-

теля напряжения и сопротивления (180н-25)/г2,э Ом (на частотах входного сигнала сопротивление 820 Ом шунтировано конденсатором и равноценно замкнутой накоротко цепи).

В другом варианте этой схемы цепи сигнала и постоянного тока разделены (рис. 2.38). Это разделение позволяет изменять коэффициент

усиления (за счет резистора 180 Ом), не изменяя смещения.

1,0 кОм

. Использование согласованного

транзистора. Для получения напряже-

1 ния базы, обеспечивающего нужный ток

коллектора, можно использовать согласованные транзисторы, при этом будет обеспечена автоматическая температурная компенсация (рис. 2.39). В цепи коллектора транзистора Ti протекает ток 1 мА, потенциал коллектора близок потенциалу земли (точнее, превышает потенциал земли примерно на величину падения напряжения Рис. 2.38. (/бэ); если транзисторы Г, и Га представ-

ляют собой согласованную пару (напри.мер, два транзистора, изготовленных на одном кристалле кремния), то смещение транзистора Га будет таким, что этот транзистор также будет порождать ток 1 мА и напряжение на его коллекторе будет

1800М

.68 мкф

+20 В

+20 3

10 иОм

20 КОМ

180 Ом Входной

равно -ЫОВ, при этом симметричный сигнал на коллекторе .может иметь размах ±10 В. Изменение температуры не влияет на работу схемы, так как оба транзистора находятся в одинаковых те.\шератур-ных условиях. Вот чем хороши монолитные сдвоенные транзисторы.

Обратная связь по постоянному току. Для стабилизации точки покоя (рабочей точки) можно использовать обратную связь по постоянному току. Один из методов такой стабилизации показан на