схемы? Нет. Дифференциальная схема обеспечивает компенсацию температурного дрейфа, и, даже когда один вход заземлен, транзистор выполняет некоторые функции: при изменении температуры напряжения (7бэ изменяются на одинаковую величину, при этом не происходит никаких изменений на выходе и не нарушается ба-

Вход сигнала пост. .

(неинверти руюций)

лансировка схемы. Это значит, что изменение напряжения 1!ъэ не усиливается с коэффициентом /Сдиф (его усиление определяется коэффициентом /(сянф. который можно уменьшить почти до нуля). Кроме того, взаимная компенсация напряжений и^э приводит к тому, что на входе не нужно учитывать падения напряжения величиной 0,6 В. Качество такого усилителя постоянного тока ухудшается только из-за несогласованности напряжений и^э или их температурных коэффициентов. Промышленность выпускает транзисторные пары и интегральные дифференциальные усилители с очень высокой степенью согласования +[/ (например, для стандартной согла-

Рис. 2.69.

сованнои монолитной пары п - р - л-транзисторов типа МАТ-01 дрейф напряжения (7бэ определяется величиной 0,15 мкВ/°С или 0,2 мкВ за месяц).

В предыдущей схеме можно заземлить любой из входов. В зависимости от того, какой вход заземлен, усилитель будет или не будет инвертировать сигнал. Показанная схема является неинвертирующей, значит, в ней заземлен инвертирующий вход. Терминология, относящаяся к дифференциальным усилителям, распространяется также на операционные усилители, которые представляют собой те же дифференциальные усилители с высоким коэффициентом усиления.

Использование токового зеркала в качестве активной нагрузки. Иногда желательно, чтобы однокаскадный дифференциальный

Рис. 2.70. Дифференциальный усилитель с токовым зеркалом в качестве активной нагрузки.

усилитель, как и простой усилитель с заземленным эмиттером, имел большой коэффициент усиления. Красивое решение дает использование токового зеркала в качестве активной нагрузки усилителя (рис 2.70). Транзисторы Ti и Га образуют дифференциальную пару с источником тока в эмиттерной цепи. Транзисторы Г., и Г^, образуюшие токовое зеркало, выступают в качестве коллекторной нагрузки. Тем самым обеспечивается высокое значение сопротивления коллекторной нагрузки, благодаря этому коэффициент усиления по напряжению достигает 5000 и выше при условии, что нагрузка на выходе усилителя отсутствует. Такой усилитель используют, как правило, только в схемах, охваченных петлей обратной связи, или в компараторах (их мы рассмотрим в следующем разделе). Запомните, что нагрузка для такого усилителя обязательно должна иметь большой импеданс, иначе усиление будет существенно ослаблено.

Дифференциальные усилители как схемы расщепления

фазы. На коллекторах симметричного дифференциального усилителя возникают сигналы, одинаковые по амплитуде, но с противоположными фазами. Если снимать выходные сигналы с двух коллекторов, то получим схему расщепления фазы. Конечно, можно использовать дифференциальный усилитель с дифференциальными входами и выходами. Дифференциальный выходной сигнал можно затем использовать для управления еще одним дифференциальным усилительным каскадом, величина КОСС для всей схемы при этом значительно увеличивается.

Дифференциальные усилители как компараторы. Благодаря высокому коэффициенту усиления и стабильным характеристикам дифференциальный усилитель является основной составной частью компаратора - схемы, которая сравнивает входные сигналы и оцешшает, какой из них больше. Компараторы используют в самых различных областях: для включения освещения и отопления, для получения прямоугольных сигналов из треугольных, для сравнения уровня сигнала с пороговым значением, в усилителях класса D и при импульс-но-кодовой модуляции, для переключения источников питания и т. д. Основная идея при построении компаратора заключается в том, что транзистор должен включаться или выключаться в зависимости от уровней входных сигналов. Область линейного усиления не рассматривается - работа схемы основывается на том, что один из двух входных транзисторов в любой момент находится в режиме отсечки. Типичное применение с захватом сигнала рассматривается в следующем разделе на примере схемы регулирования температуры, в которой используются резисторы, сопротивление которых зависит от температуры (термисторы).

2.18. Емкость и эффект Миллера

До сих пор мы пользовались моделью транзистора для сигналов постоянного тока или низкой частоты. В простейшей модели транзистора в виде усилителя тока и в более сложной модели Эберса - Молла

напряжения, токи и сопротивления рассматривают со стороны различных выводов транзистора. Пользуясь этими моделями, мы уже охватили достаточно широкий круг вопросов, и на самом деле они содержат в себе почти все, что необходимо учитывать при разработке транзисторных схем. Однако до сих пор мы не принимали во внимание важный момент - внешние цепи и сами переходы транзистора обладают некоторой емкостью, которую необходимо учитывать при разработке быстродействующих и высокочастотных схем. На самом деле, на высоких частотах емкость зачастую определяет работу схемы; на частоте 100 МГц емкость перехода, равная 5 пкФ, имеет импеданс 320 Ом.

Более подробно мы рассмотрим этот вопрос в гл. 13. Сейчас мы хотим просто поставить вопрос, проиллюстрировать его на примере некоторых схем и предложить методы его разрешения. Конечно, в этой главе мы не можем не коснуться причины самого явления. Рассматривая транзистор в новом аспекте, мы познакомимся с эффектом Миллера и каскодными схемами.

Емкость схемы и перехода. Емкость ограничивает скорость изменения напряжений в схеме, так как любая схема имеет собственные конечные выходные импеданс и ток. Когда емкость перезаряжается от источника с конечным сопротивлением, ее заряд происходит по экспоненциальному закону с постоянной времени RC; если же емкость заряжает идеальный источник тока, +у

то снимаемый с нее сигнал будет изменяться по линейному закону. Общая рекомендация заключается в следующем: для ускорения работы схемы следует уменьшать импеданс источника к емкость нагрузки kEs и увеличивать управляющий ток. Однако некоторые особенности свя-заны с емкостью обратной связи и со входной емкостью. Коротко остановимся на этих вопросах. (бэ\.

Схема на рис. 2.71 иллюстрирует, как проявляются емкости переходов транзистора. Выходная ем- Рис. 2.71. кость образует RC-ixeuh с выходным

Выход

сопротивлением R, (сопротивление R включает в себя как сопротивление коллектора, так и сопротивление нагрузки, а емкость Си - емкость перехода и емкость нагрузки), в связи с этим спад сигнала начинается при частоте f=\/2nR Cf. То же самое можно сказать о входной емкости и сопротивлении источника Ru.

Эффект Миллера. Емкость Скв играет иную роль. Усилитель обладает некоторым коэффициентом усиления по напряжению Ки, следовательно, небольшой сигнал напряжения на входе порождает на коллекторе сигнал, в Ки раз превышающий входной (и инвертиро-

ванный по отношению к входному). Из этого следует, что для источника сигнала емкость Скв в {Ки + Ц раз больше, чем при подключении С^б между базой и землей, т. е. при расчете частоты среза входного сигнала можно считать, что емкость обратной связи ведет себя как конденсатор емкостью CiKu+i), подключенный между, входом и землей. Эффективное увеличение емкости Скб и называют эффектом Миллера. Эффект Миллера часто играет основную роль в спаде усиления, так как типичное значение емкости обратной связи около 4 пкФ соответствует (эквивалентно) емкости в несколько сотен пикофарад, присоединенной на землю.

Выход

а

Рис. 2.72.

Существует несколько методов борьбы с эффектом Миллера. Например, он будет полностью устранен, если использовать усилительный каскад с общей базой. Импеданс источника можно уменьшить, если подавать сигнал на каскад с заземленным эмиттером через эмиттерный повторитель. На рис. 2.72 показаны еще две возможности. В дифференциальном усилителе (без резистора в коллекторной цепи Ti) эффект Миллера не наблюдается; эту схему можно рассматривать как эмиттерный повторитель, подключенный к каскаду с заземленной базой. На второй схеме показано каскодное включение транзисторов. Ti - это усилитель с заземленным эмиттером, резистор Rh является общим коллекторным резистором. Транзистор включен в коллекторную цепь для того, чтобы предотвратить изменение сигнала в коллекторе Ti (и тем самым устранить эффект Миллера) при протекании коллекторного тока через резистор нагрузки. Напряжение U. ~ это фиксированное напряжение смещения, обычно оно на несколько вольт превышает напряжение на эмиттере Ti и поддерживает коллектор Ti в активной области. На рис. 2.72 представлена лишь часть каскод-ной схемы; в нее можно включить зашунтированный эмиттерный резистор и делитель напряжения для подачи смещения на базу (подобные примеры были рассмотрены в начале настоящей главы) или охватить всю схему петлей обратной связи по постоянному току. Напряже-

ние t/+ можно формировать с помощью делителя или зенеровского диода; для того чтобы напряжение было жестко фиксировано на частотах сигнала, можно шунтировать резистор в базе Т^.

Упражнение 2.14. Объясните, почему эффект Миллера не наблюдается в транзисторах рассмотренной только что схемы дифференциального усилителя и в каскодных схемах.

Паразитные емкости могут создавать и более сложные проблемы, чем те, которых мы сейчас коснулись. В частности: а) спад усиления, обусловленный наличием емкости обратной связи и выходной емкости, сопровождается побочными эффектами, которые мы рассмотрим в следующей главе; б) входная емкость также оказывает влияние на работу схемы даже при наличии мощного источника входных сигналов; в частности, ток, который протекает через Свэ, не усиливается транзистором, т. е. входная емкость присваивает себе часть входного тока, вследствие чего коэффициент усиления малого сигнала Ajis на высоких частотах снижается и на частоте /j- становится равным единице ; в) дело осложняется также тем, что емкости переходов зависят от напряжения, емкость Сбэ изменяется столь сильно при изменении базового тока, что ее даже не указывают в паспортных данных на транзистор, вместо этого указывается значение частоты /г; г) если транзистор работает как переключатель, то заряд, накопленный в области базы в режиме насыщения, также вызывает уменьшение быстродействия. Эти, а также некоторые другие вопросы, связанные с работой быстродействующих схем, мы рассмотрим в гл. 13.

2,19. Полевые транзисторы

В нескольких последующих главах речь пойдет об использовании транзисторов в операционных усилителях и схемах с обратной связью. Однако было бы ошибкой не сказать сейчас несколько слов о транзисторе особого типа - полевом транзисторе (более подробно он рассматривается в гл. 6). Полевой транзистор во многом похож на обычный биполярный транзистор. Он представляет собой усилительное устройство, имеющее 3 вывода, и может иметь любую полярность. Один из выводов (затвор) предназначен для управления током, который протекает между двумя другими выводами (истоком и стоком). Этот транзистор обладает, однако, одним особым свойством: через затвор не протекает ток, за исключением токов утечки. Это значит, что входные импедансы могут быть очень большими, их предельные значения связаны лишь с наличием емкостей и утечек. На практике входные токи имеют порядки пикоампер. К настоящему времени полевые транзисторы зарекомендовали себя как надежные устройства, способные выполнять разнообразные функции. Их предельно допустимые напря-

> Это не совсем точное объяснение причин снижения усиления транзистора на высоких частотах.- Прим. ред.

жения и токи сравнимы с соответствующими напряжениями и токами биполярных транзисторов (за исключением максимальных токов).

Большинство устройств на основе транзисторов (согласованные пары, дифференциальные и операционные усилители, компараторы, юксвые ключи и усилители, радиочастотные усилители, цифровые схемы) выпускают также с использованием полевых транзисторов. Дан--а замечания имеют целью предварительно ознакомить вас с этими : пзресными н полезными элементами, чтобы помнить об их возможностях при чтении последующих глав.

НЕКОТОРЫЕ ТИПИЧНЫЕ ТРАНЗИСТОРНЫЕ СХЕМЫ

Рассмотрим несколько примеров транзисторных схем, которые иллюстрируют основные идеи, изложенные в настоящей главе. Круг этих примеров ограничен, так как в реальных схемах часто используют отрицательную обратную связь, которую мы будем изучать в следующей главе.

2.20. Стабилизированный источник напряжения

На рис. 2.73 показана очень распространенная схела. Ток резистора Ri открывает транзистор Гь Когда напряжение на выходе дости-т гает значения 10 В, транзис-

тор Га переходит в открытое состояние (потенциал базы

От2до+25В

(нешабилй-зир. напряжение)

2N3055

1,0 кОм

2N3904-

От О до 100 мА 1,0 кОм

4,3 В >у 1N4731Ж

достигает 5 В) и дальнейшее /?, 1.0 кОм увеличение выходного напряжения предотвращается за счет отвода избытка тока с базы транзистора Т^. Источник питания можно сделать регулируемым, если резисторы а и Rs заменить потенциометром. По сути дела, это ~ = пример схемы с отрицатель-

Рис. 2.73. ной обратной связью: Та сле-

дит за состоянием выхода и предпринимает соответствующие меры , если величина выходного напряжения отличается от нужной.

2.21. Терморегулятор

На рис. 2.74 показана схема регулятора температуры, основанная на использовании термистора - чувствительного элемента, сопротивление которого зависит от температуры. Дифференциальная схема на составных транзисторах Ti - Г^ сравнивает напряжение, формируемое регулируемым делителем эталонного напряжения на

резисторах - R , с напряжением, которое снимается с делителя, образованного термистором и резистором R. (Если производить сравнение относительно одного и того же источника, то результат не будет зависеть от колебаний напряжения источника; приведенная

+50 в (неотабилизир. напряжение)

Г

(ТГ)10кОм Vil/TepMHcmop

Рис. 2.71. Терморегулятор для нагревателя мощностью 50 Вт.

схема называется мостиком Уитстона.) Токовое зеркало на транзисторах Тг Те является активной нагрузкой и служит для увеличения коэффициента усиления, а токовое зеркало на транзисторах Г Г, обеспечивает эмиттерный ток. Транзистор Т^ сравнивает выходное напряжение дифференциального усилителя с фиксированным напряжением и переводит в насыщение составной транзистор Гю, Тц, который таким образом подает мощность на нагреватель в случае, если термистор охлажден слишком сильно. Выбор сопротивления резистора Ri зависит от требующегося тока. В данной схеме этот резистор включает защитный транзистор Г,а, если величина выходного тока превышает 6 А; тем самым отключается сигнал с базы составного транзистора Гю, Гц и предотвращается выход схемы из строя.

2.22. Простая логическая схема на транзисторах и диодах

На рис. 2.75 представлена схема, которая решает задачу, рассмотренную в гл. 1: включение звуковой сигнализации (звонка) при условии, что одна дверца машины открыта и водитель находится за рулем. В приведенной схеме все транзисторы работают как переключатели

(находятся в режиме отсечки или насыщения). Диоды Д1 и образуют так называемую схему ИЛИ , которая выключает транзистор

+12 В пост.

T-1N914

Левая /п ца

/?2 1,0

Лз 1N914

кОм

2N3904 (2)

-f 1N914

Правая дверца

1N4D01

2N37Z5

/7зУ Сиденье

Рис. 2.75.

iDODr

с

100-

ЮмкА ЮОмкА' 1мА ЮмА Коллекторный шок

100 мА 1А.

Рис. 2.76. Графики зависимости коэффициента усиления по току Ы^э от коллекторного тока /к для группы транзисторов, параметры которых приведены в табл. 2.1 (по данным фирм-изготовителей).

1) В сущности, сами переключатели образуют схему ИЛИ и эти диоды можно не ставить в схему,- Прим, ред.

Некоторые малосигиальные транзисторы

Таблица 2.1

Все транзисторы имеют типовой номер 2NXXXX, за исключением сдвоенного транзистора типа LM394. Элементы, приведенные в одной строке, обладают сходными характеристиками и иногда электрически идентичны. При C/jg = IOB. См. рнс. 2.76. Или ТО-39. Или

ТО-72, ТО-46. ® Корпус ТО-92 и его модификации различаются установкой выводов; ЭБК и ЭКБ. Транзисторы, аонечевные буквой е , вгно-еятся к группе ЭКБ, а все остальные -к групае ЭБК.

Ти если одна из дверц открыта (переключатель замкнут). Однако потенциал коллектора Ti сохраняет значение, близкое к потенциалу земли, и предотвращает включение звукового сигнала, если незамкнут переключлтель Яз (водитеть находится за рулем); при выполнении последнего условия резистор R2 обеспечивает включение транзистора Тз и на звонок подается напряжение 12 В. Диод Дз обеспечивает падение напряжения, благодаря которому транзистор Ti будет выключен, если замкнуты переключатели Я1 и Яз, адиодД предохраняет транзистор Ts от индуктивных переходных процессов, возникающих при отключении звонка. Подробно мы рассмотрим логические схемы в гл. 8.

В табл. 2.1 приведены параметры группы малосигнальных транзисторов, широко используемых на практике; соответствующие им графики зависимости коэффициента усиления по току от коллекторного тока представлены на рис. 2.76.

СХЕМЫ, НЕ ТРЕБУЮЩИЕ ПОЯСНЕНИЙ 2.23. Негодные схемы

Как известно, учатся на ошибках, и своих, и чужих. В этом разделе вашему вниманию предложена целая серия грубых ошибок, допущенных при разработке схем (рис. 2.77). Внимательно рассмотрите представленные схемы, подумайте, какие возможны варианты и никогда не делайте подобных ошибок!

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УПРАЖНЕНИЯ

(1) Разработайте схему транзисторного переключателя, которая позволила бы подключать к земле две нагрузки через насыщенные транзисторы п-р- -типа. При замыкании переключателя А обе нагрузки должны находиться под напряжением, при замыкании переключателя Б мощность должна передаваться только в одну нагрузку. Подсказка: используйте в схеме диоды.

(2) Рассмотрите источник тока, изображенный на рис. 2.78. (а) Определите ток / агр. Чему равен рабочий диапазон схемы? Считайте, что напряжение Uвэ составляет 0,6 ti. (б) Как будет изменяться выходной ток, если прн изменении коллекторного напряжения в пределах выходного диапазона коэффициент/ijiS изменяется от 50 до 100? (При

Негодные cxewt

+15В

- -15В