ческий \ зтереклю- J чатель г 1,0

КОМ

Лампа 1ав,о,ш

Рис. 2.3.

базы отсутствчет. Значит, как следует из правила 4, отсутствует и ток коллектора Лампа не горит.

Когда переключатель замкнут, напряжение на базе составляет 0,6 В (диод база - змиттер открыт). Падение напряжения на резисторе базы составляет 9,4 В, следовательно, ток базы равен 9,4 мА, Если, не подумав, воспользоваться пра- .jgg

вилом 4, то можно получить неправильный результат: /к=940 мА (для типичного значения ==100). В чем же ошибка? Дело в том, что правило 4 действует лишь в том случае, если соблюдено правило 1; если ток коллектора достиг 100 мА, то падение напряжения на лампе составляет 10 В. Для того чтобы ток был еще больше, нужно чтобы потенциал коллектора был меньше потенциала земли. Но транзистор не может перейти в такое состояние.Когда потенциал коллектора приближается к потенциалу земли, транзистор переходит в режим насыщения (типичные значения напряжения насыщения лежат в диапазоне 0,05-0,2 В, см. приложение Ж) и изменение потенциала коллектора прекращается. В нашем случае лампа загорается, когда падение напряжения на ней составляет 10 В.

Если на базу подается избыточный сигнал (мы использовали ток 9,4 мА, хотя достаточно было бы иметь 1,0 мА), то схема не тратит этот избыток; в нашем случае это очень выгодно, так как через лампу протекает больший ток, когда она находится в холодном состоянии (сопротивление лампы в холодном состоянии в 5-10 раз меньше, чем при протекании рабочего тока). Кроме того, при небольших напряжениях между коллектором и базой уменьшается коэффициент р, а значит, для того чтобы перевести транзистор в режим насыщения, нужен дополнительный ток базы (см. приложение Ж). Иногда к базе подключают резистор (с сопротивлением, например, 10 кОм), для того чтобы при разомкнутом переключателе потенциал базы наверняка был равен потенциалу земли.

Этот резистор не влияет на работу схемы при замкнутом переключателе, так как через него протекает лишь малая доля от тока базы (0,06 мА).

При разработке транзисторных переключателей вам пригодятся следующие рекомендации:

1. Сопротивление резистора в цепи базы лучше брать поменьше, тогда избыточный базовый ток будет больше. Эта рекомендация особенно полезна для схем, управляющих включением ламп, так как при низком значении /э уменьшается и коэффициент . О ней следует помнить и при разработке быстродействующих переключателей, так как на очень высоких частотах (порядка мегагерц) проявляются емкостные эфккты и уменьшается значение коэффициента р. Для уве-

ж

Рис. 2.4.

лнченпя быстродействия к базовому резистору параллельно подключают конденсатор.

2. Если потенциал нагрузки по какой-либо причине меньше потенциала земли (например, если на нагрузке действует напряжение переменного тока или она индуктивна), то параллельно коллекторному переходу следует подключить диод (можно также использовать диод, включенный на землю и в обратном направлении по отношению к положительному потенциалу питания), тогда цепь коллектор - база не будет проводить ток при отрицательном напряжении на нагрузке. 3. При использовании индуктивных нагрузок транзистор следует предохранять с помощью диода, подключенного к нагрузке, как показано на рис. 2.4. Если переключатель разомкнут, то в отсутствие диода на коллекторе будет действовать большое положительное напряжение, скорее всего превышающее значение напряжения пробоя для цепи коллектор - эмиттер. Это связано с тем, что индуктивность стремится сохранить ток включенного состояния, протекающий от источника (/кк к коллектору (вспомните свойства индуктивностей в разд. 1.31).

Транзисторные переключатели позволяют производить переключение очень быстро, время переключения измеряется обычно долями микросекунд. С их помощью можно переключать несколько схем одним управляющим сигналом. Еще одно достоинство транзисторных переключателей состоит в том, что они дают возможность производить дистанционное холодное переключение, при котором на переключатели поступают только управляющие сигналы постоянного тока. (Если гонять сами переключаемые мощные сигналы, то при передаче их по кабелям могут возникать емкостные выбросы, а сигна-,лы могут сильно ослабляться).

Транзистор в образе человека. Рис. 2.5 дает представление о некоторых ограничениях, свойственных транзистору. Представим себе, что задача человека на рис. 2.5 состоит в том, чтобы обеспечивать выполнение соотношения /к=Л21э/б; при этом он может управлять

Рис. 2.5.

только переменным резистором. Итак, он может создать короткое замыкание в схеме (режим насыщения), или разомкнуть ее (транзистор в выключенном состоянии), или создать какое-то промежуточное состояние; он не имеет права использовать батареи, источники тока и т. п. Не следует, однако, думать, что коллектор транзистора на самом деле похож на резистор. Это не так. Человек старается сделать так, чтобы через него все время протекал постоянный неизменный ток (величина этого тока зависит от приложенного к базе напряжения).

Следует помнить, что в любой заданный момент времени транзистор может: а) быть в режиме отсечки, т. е. выключиться (отсутствует ток коллектора); б) находиться в активном режиме (небольшой ток коллектора, напряжение на коллекторе выше, чем на эмиттере); в) перейти в режим насыщения (напряжение на коллекторе приблизительно равно напряжению на эмиттере). Более подробно режим насыщения тран зистора описан в приложении Ж-

2.03. Эмиттерный повторитель

На рис. 2.6 показан эмиттерный повторитель. Он назван так потому, что выходной сигнал снимается с эмиттера, напряжение на котором равно напряжению на входе (на базе) минус падение напряжения на диоде (на переходе база - эмиттер): (/э=[/в-0,6 В. Выходной сигнал по форме повторяет входной, но уровень его напряжения на 0,6-0,7 В ниже. Для приведенной схемы входное напряжение

должно составлять по крайней мере 0,6 В, иначе выходное напряжение будет +10 Б

равно потенциалу земли. Если к эмит-терному резистору подключить источник отрицательного напряжения, то входной вхо сигнал может быть отрицательным. Обратите внимание, что в эмиттерном повторителе отсутствует резистор в коллекторной цепи

-О^ШУС

На первый взгляд эта схема может по- L

казаться бесполезной, но дело в том, что i-

ее входной импеданс значительно больше, g

чем выходной. Из этого следует, что ис- * точник входного сигнала будет отдавать

меньшую мощность, если нагрузку подключить к нему не непосредственно, а через эмиттерный повторитель. Поэтому обладающий внутренним импедансом источник (имеется в виду его эквивалентная схема) может через повторитель работать на нагрузку, которая обладает сравнимым или даже более низким импедансом, без потери амплитуды сигнала (эта потеря неизбежна при прямом включении из-за эффекта делителя напряжения). Ины\ш словами, эмиттерный повторитель обеспечивает усиление по току, хотя и не дает усиления по напряже-

иию. Он также обеспечивает усиление по мощности. Как видите, усиление по напряжению-это еще не все!

Входной а выходной импеданс эмиттерного повторителя. Итак, эмиттерный повторитель обладает способностью согласовывать импедансы источников сигналов и нагрузок. В этом и состоит его назначение.

Давайте подсчитаем входной и выходной импеданс эмиттерного повторителя. Предположим, что в приведенной схеме в качестве нагрузки выступает резистор R (на практике иногда так и бывает, в других случаях нагрузку подключают параллельно резистору R, но при параллельном соединении преобладает сопротивление R). Пусть напряжение на базе изменилось на величину Д[/б; соответствующее изменение напряжения на эмиттере составит А[/э=А[/в. Определим изменение тока эмиттера: А/э=А(/б ?, равное А/б=[1/(/г21э+ + 1)]А/э=А(/б ? (Aai8+1) (с учетом того, что /э = /к+в). Входное сопротивление схемы равно А[/б/А/б, следовательно,

bx=(/i 13 + 1)?-

Коэффициент р (ftaia) обычно имсбт значение около 100, поэтому подключение нагрузки с небольшим импедансом приводит к тому, что импеданс со стороны базы становится очень большим; с такой нагрузкой схеме легко работать.

В выполненном только что преобразовании, как и в гл. 1, мы использовали для обозначения некоторых величин строчные буквы, например Aai тем самым мы указали, что имеем дело с приращениями (малыми сигналами). Различие между коэффициентом усиления по постоянному току (Ллэ) и коэффициентом усиления по току для малого сигнала Лай не всегда очевидно, и для того, и для другого случая используют понятие коэффициента усиления р. Если учесть, что haia/iais (за исключением очень высоких частот) и в большинстве случаев интерес представляет не точное, а приблизительное значение этого коэффициента, то использование коэффициента Р вполне допустимо.

В полученном соотношении фигурируют активные сопротивления, однако его можно обобщить и распространить на комплексные импедансы, если переменные А(/в, А/б и др. заменить их комплексными представлениями. В результате получим правило преобразования импедансов для эмиттерного повторителя;

Проделав аналогичные преобразования, найдем выходной импеданс эмиттерного повторителя Zx (импеданс со стороны эмиттера) при использовании источника сигнала с внутренним импедансом 2а^.х'-

2вых ИСх/(21э О

Трантстпры 95

Строго говоря, в выходной импеданс схемы надо включить и сопротивление параллельного резистора R, но Zx (импеданс со стороны эмиттера) играет основную роль

Упражнение 2.1. Покажите, что приведенное выше соотношение справедлино. Подсказка: найдите изменение выходного тока при фиксированном напряжении источника и заданном изменении выходного напряжения. Учтите, что напряжение источника подается на базу через его последовательно включенное внутреннее сопротивление.

Благодаря таким полезным свойствам эмиттерные повторители находят широкое практическое применение, например при создании внутри схем (или на их выходе) источников сигналов с низким импедансом, при получении стабильных эталонных напряжений на основе эталонных источников с высоким импедансом (сформированных, скажем, с помощью делителей напряжения) и для изоляции источников сигналов от влияния последующих каскадов.

Упражнение 2.2. На основе эмиттерного повторителя, к базе которого подключен делитель напряжения, создайте схему источника напряжения-{-5 В при условии, что используется стабилизнровапный источник напряжения питания -(-15 В. Ток нагрузки (максимальный) равен 25 мА. Сопротивления резисторов следует выбрать так, чтобы при подключении полной нагрузки напряжение на выходе изменялось не более чем на 5%.

Некоторые замечания по поводу эмиттерных повторителей.

I. Запомните, что транзистор п~ р - п-типа в эмиттерном повторителе может только отдавать ток. Например, для схемы, показанной на рис. 2.7, выходное напряжение в по- н-юв

ложительной полуплоскости изменяется в пределах напряжения насыщения транзистора t/кк (что составляет +9,9 В), в отрицательной полуплоскости оно ограничено значением - 5 В. Это связано с тем, что при увеличении отрицательного напряжения на входе транзистор в определенный момент просто выключается, напряжение на входе Т

составляет при этом-4,4 В, а на выходе .-jQg составляет -5 В. Дальнейшее увеличение 27

отрицательного напряжения на входе приво- дит лишь к обратному смещению перехода

база - эмиттер, нона выходе это никак не проявляется. Выходной сигнал для входного синусоидального напряжения с амплитудой 10 В показан на рис. 2.8.

Можно также рассматривать поведение эмиттерного повторителя, исходя из того, что он обладает небольшим выходным импедансом

- - 1 1,0 кОм

1>н

для малого сигнала (динамический импеданс). Его выходной импеданс

W Почти всегда Zbux<R, а на эквивалентной схеме ZbuxII/?sZbux-- Прим. ред

для большого сигнала может быть значительно больше (равен R). Изменение импеданса от первого значения ко второму происходит в тот момент, когда транзистор выходит из активного режима (в нашем примере при напряжении на выходе -5 В). Иначе говоря, небольшой выходной импеданс для малого сигнала не означает еще, что схема может

Выход

Время Ограничение

создавать большой сигнал на низкоомной нагрузке. Если схема имеет небольшой выходной импеданс для малого сигнала, то из этого не следует, что она обладает способностью передавать в нагрузку большой ток.

Для того чтобы преодолеть ограничение, присущее схеме эмиттерного повторителя, можно, например, в э.миттерной цепи использовать резистор с меньшим сопротивлением (тогда на резисторе и транзисторе будет рассеиваться большая мощность), или использовать транзистор р - п - р-типа (если сигналы могут иметь только отрицательную полярность), или использовать двухтактную схему, в которой два транзистора {п - р - п-ир - п - р-типа) взаимно дополняют друг друга (позже вы узнаете об этой схеме более подробно). Проблемы такого рода возникают также в тех случаях, когда нагрузка эмиттерного повторителя имеет внутри собственный источник напряжения или тока. Примером такой схемы служит стабилизированный источник питания (на выходе которого стоит обычно эмиттерный повторитель), работающий на схему, содержащую собственный источник питания.

2. Не забывайте, что напряжение пробоя перехода I база - эмиттер для кремниевых транзисторов невелико и часто составляет всего 6 В. Входные сигналы, имеющие достаточно большую амплитуду для того, чтобы вывести транзистор из состояния проводимости, могут вызвать пробой перехода (и последующее уменьшение значения коэффициента Агхэ)- Для предохранения от пробоя можно использовать диод (рис. 2.9) 3. Коэффициент усиления по напряжению для эмиттерного повторителя-имеет значение чуть меньше 1,0, так как падение напряжения на переходе база - эмиттер фактически не является постоянным, а не-

Рис. 2.9.

1 Эгот пробой не страшен для транзистора, если ток ограничен: при снятии перегрузки снимается и пробой, так как ои подобен режи.му пробоя в стабилигроне.- Прим. ред.

много зависит от коллекторного тока. Далее в этой главе мы вернемся к этому вопросу, когда будем рассматривать уравнение Эберса - Молла,

2.04. Использование эмиттерных повторителей в качестве стабилизаторов напряжения

Простейшим стабилизатором напряжения служит обычный зенеровский диод-стабилитрон (рис. 2,10). Через него должен протекать некоторый ток, поэтому нужно , \

обеспечить выполнение следую- -ЧИ стаб

(нестаьил. К

Рис. 2.10.

щеГО условия: напряжениа

111 п /o \ / /qт^/ с небольшими (iBx - -вых;/-> вых iMiKc;. пульсациями)

Так как напряжение t/gx не стабилизировано, то в формулу нужно поставить наименьшее возможное значение И^.. Это пример того, как следует проектироватьсхему для жестких условий работы. На практике учитывают также допуски на параметры компонентов, предельные значения напряжения в сети и т. п., стремясь предусмотреть наихудшее возможное сочетание всех значений. На стабилитроне рассеивается мощность:

/с габ == [(t/ox - UbU.)lR - / ых1 f/b. .

Для того чтобы предусмотреть работу в жестких условиях, при расчете / .-габ также следует использовать значения [/ (макс), R (мин) и / ых (мин).

Упражнение 2.3. Разработайте стабилизированный источник напряжения ±10 В для токов нагрузки величиной от О до 100 мА; входное напряжение изменяется в пределах от 20 до 25 В. В любых условиях (в том числе и в самых жестких) через стаби-лпгрон должен протекать ток 10 мА. На какую предельную мощность должен быть рассчитан стабилитрон?

Стабилизированный источник сзенеровским диодом, как правило, используют в некритичных схемах или в схемах, где потребляемый ток невелик. Ограничения такой схемы проявляются в следующем:

1. Напряжение t/пых нельзя отрегулировать или установить на заданное значение.

2. Стабилитроны имеют конечное динамическое сопротивление, а в связи с этим они не всегда достаточно сильно сглаживают пульсации входного напряжения и влияние изменения нагрузки.

3. При широком диапазоне изменения токов нагрузки приходится выбирать стабилитрон с большой мощностью рассеяния, так как при малом токе нагрузки он должен рассеять на себе зна,.чительную мощность, равную максимальной мощности в нагрузке.

4 Ktm

(несгпабил.

напряжение)

На рис. 2. И представлена улучшенная схема, в которой зенеровский диод отделен от нагрузки эмиттерным повторителем. В такой схеме дела обстоят лучше. Ток стабилитрона теперь относительно незави-спм от тока нагрузки, так как по цепи базы транзистора протекает

небольшой ток и мощность, рассеиваемая на стабилитроне, значительно меньше (уменьшение в hais раз). Ре-зистор /?к предохраняет транзистор от выхода из строя при кратковремен-

ном коротком замыкании выхода за

счет ограничения тока, и, хотя эмит--oVmt терный повторитель нормально работает и без этого резистора, его присутствие в схеме вполне обоснованно. Рис. 2.11. Резистор 7?к следует выбирать так,

чтобы при максимальном токе нагрузки падение напряжения на нем было меньше, чем на резисторе R.

Упражнение 2.4. Разработайте источник напряжения +10 В, который имел бы такие же параметры, как источник в упражнении 2.3. Используйте в схеме стабилитрон н эмиттерный повторитель. Рассчитайте, какую мощность рассеивают транзистор и стабилитрон в наихудшем случае. Каково процентное изменение тока стабилитрона при переходе от ненагруженного состояния к нагруженному? Сравните эти результаты с результатами предыдущего упражнения.

В ряде вариантов рассмотренной схемы предусматривают меры для снижения пульсаций тока в стабилитроне (протекающего через резистор R). В частности, может быть использован источник тока для питания стабилитрона. Этот случай мы рассмотрим в разд. 2.06. Другой

(Нестабил. напряжение)

tL %

метод основан на использовании в цепи питания стабилитрона фильтра низких частот (рис.2.12). Резистор R выбирают так, чтобы обеспечить необходимый ток в стабилитроне. Конденсатор С должен иметь емкость, достаточно большую для того, чтобы выполнялось условие RC \lf. (В одном из вариантов этой схемы верхний резистор заменен диодом.)

В дальнейшем вы познакомитесь с более совершенными

стабилизаторами, в которых выходное напряжение легко и плавно настраивать благодаря обратной связи. Вместе с тем они представляют собой гораздо лучшие источники напряжения, выходные импедансы которых измеряются в миллиомах, температурнче коэффициен-Ibi - в миллионных долях на -°С и т. д.

Рнс. 2.12.

2.05. Смещение в эмиттерном повторителе

Если на эмиттерный повторитель должен поступать сигнал с предшествующего каскада схемы, то лучше всего подключить его непосредственно к выходу предыдущего каскада, как показано на рис. 2.13. Так как сигнал на коллекторе транзистора Ti изменяется в пределах диапазона, ограниченного значениями напряжения источников пита-

ния, то потенциал базы Та всегда заключен между напряжением (Укк и

входной сигнал

h J.

Рис. 2,13.

Выходной сигнал

Входной

Рис. 2.14,

потенциалом земли, а следовательно. Та находится в активной области (не насыщен и не в отсечке). При этом переход база - эмиттер открыт, а потенциал коллектора, по крайней мере на несколько десятых долей вольта больше, чем потенциал эмиттера. В некоторых случаях вход эмиттерного повторителя и напряжение питания неудачно соотносятся друг с другом, и тогда может возникнуть необходимость в емкостной связи (или связи по переменному току) с внешним источником сигнала (например, это относится к сигнальному входу внсоко-качественного усилителя

низкой звуковой частоты). --1-*- .....

В этом случае среднее на- *

пряжение сигнала равно нулю, и непосредственная связь с эмиттерный повторителем приведет к тому, что сигнал на выходе будет изменяться относительно входа, как показано на рис 2.14.

В эмиттерном повторителе (а фактически в любом транзисторном усилителе) необходимо создать смещение для того, чтобы коллекторный ток протекал в течение полного периода сигнала. Проще всего воспользоваться для этого делителем напряжения (рис. 2.15). Резисторы Ri и Ri выбраны так, что в отсутствие входного сигнала потенциал базы равен половине разности между напряжением источника (/кк и потен

Рис, 2.15,

циалом земли, т. е. сопротивления л равны. Процесс выбора рабочих напряжений в схеме в отсутствие поданных на ее вход сигналов называется установкой рабочей точки или точки покоя. Для этой схемы, как и в большинстве случаев, точку покоя устанавливают так, чтобы на выходе формировался максимальный симметричный сигнал (без ограничений или срезов). Какими должны быть при это.м сопротивления резисторов R и R Применяя общий подход (разд. 1.05), допустим, что импеданс источника смещения по постоянному току (импеданс со стороны выхода делителя) мал по сравнению с импедансом нагрузки (импеданс по постоянному току со стороны базы повторителя). Тогда

Из этого соотношения следует, что ток, протекающий через делитель напряжения, должен быть больше, че.м ток, протекающий по цепи базы.

Пример разработки схемы эмиттерного повторителя.

В качестве примера разработаем схему эмиттерного повторителя для сигналов звуковой частоты (от 20 Гц до 20 кГц). Напряжение (/кк составляет -(-15 В, ток покоя равен 1 мА.

Шаг 1. Выбор напряжения Us- Для получения симметричного сигнала без срезов необходимо, чтобы выполнялось условие (/э=0,5 (/кк.. или +7,5 В.

Шаг 2. Выбор резистора Rs. Ток покоя должен составлять 1 мА, поэтому 7?э=7,5 кОм.

Шаг 3. Выбор резисторов R и R. Напряжение (Уб - это сумма (Уэ+0,6 В, или 8,1 В. Из этого следует, что сопротивления резисторов Ri и 2 относятся друг к другу как 1 : 1,17. Учитывая известный уже нам критерий выбора нагрузки, мы должны подобрать резисторы RiH R2 так, чтобы сопротивление их параллельного соединения составляло приблизительно 75 кОм или меньше (0,1 от произведения 7,5 кОм на /г21э). Выберем следующие стандартные значения сопротивлений: /?1=130 кОм, .2=150 кОм.

Шаг 4. Выбор конденсатора Ст.. Конденсатор Ci и сопротивление нагрузки источника образуют фильтр высоких частот. Сопротивление нагрузки источника есть параллельное соединение входного сопротивления транзистора со стороны базы и сопротивления делителя напряжения базы. Предположим, что нагрузка схемы велика по сравнению с эмиттерным резистором, тогда входное сопротивление транзистора со стороны базы равно hisRs, т. е. составляет -750 кОм. Эквивалентное сопротивление делителя равно 70 кОм. Тогда нагрузка для конденсатора составляет 63 кОм и емкость конденсатора должна быть равна по крайней мере 0,15 мкФ. В этом случае точке -3 дБ будет соответствовать частота, меньшая чем 20 Гц.

Шаг 5. Выбор конденсатора Са. Конденсатор Са и неизвестный импеданс нагрузки образуют фильтр высоких частот. Мы не ошибемся, если предположим, что импеданс нагрузки не будет меньше Rs. Тогда для того, чтобы точке -3 дБ соответствовало значение частоты, мень-