2 Устройства на транзисторах

Поскольку у биполярного транзистора I_К ≈ β I_Б , где β >> 1, то сделав I_Б входной величиной, а I_К – выходной, мы можем использовать транзистор в качестве усилителя. Простая схема усилителя на транзисторе показана на рисунке 16.

Рисунок 16. Усилитель на биполярном транзисторе n-p-n типа.

Здесь использован биполярный транзистор n-p-n типа (VT), чаще применяемый в настоящее время. У этого транзистора на коллектор подается положительное напряжение от +Е_К. На базу подается тоже положительное напряжение +U_ВХ . Все напряжения отсчитываются от «земли». R_К является сопротивлением нагрузки этого усилителя, а RСМ - сопротивлением, через которое подается необходимый ток смещения, о котором речь пойдет дальше. Передаточная характеристика (показывает, как входная величина передается на в ыход) этого усилителя показана на рисунке 17.

Рисунок 17. Передаточная характеристика.

На характеристике просматриваются два участка 0 – 1 – линейного усиления и участок 1 и дольше – участок насыщения.

На участке 0 – 1 связь между входным и выходным сигналами линейная, то есть выходной сигнал будет хотя и больше, но пропорционален входному! i_К(t) = β i_Б(t). На участке I_{К нас} коллекторный переход полностью открывается, и дальнейший рост тока базы не может увеличить ток коллектора. Ток смещения (i_СМ) необходим при подаче разнополярного входного сигнала. Величина тока смещения должна быть больше отрицательной амплитуды входного сигнала. Процесс усиления синусоидального входного сигнала иллюстрируется на рисунке 17 по осям времени t.

Степень усиления усилителя характеризуется его коэффициентом усиления. Коэффициентом усиления (К) называется отношение выходной величины ко входной. Так коэффициентом усиления по току Ki = Iвых/Iвх.

Для повышения коэффициента усиления одиночные усилители (каскады) соединяются последовательно, то есть выход предыдущего каскада (коллектор в нашем случае) соединяется со входом последующего (в нашем случае – с базой). Коэффициент такого многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов всех каскадов (К = К₁*К₂*…*К_N).

Усилители часто охватываются обратной связью. Обратная связь – это когда выходной сигнал или часть его снова подается на вход. Обратная связь бывает положительная и отрицательная. При положительной обратной связи напряжение обратной связи подается в фазе со входным сигналом. При отрицательной обратной связи – в противофазе. В усилителях обычно используют отрицательную обратную связь, так как, хотя коэффициент усиления при этом уменьшается, но зато улучшаются параметры усилителя. При отрицательной обратной связи уменьшаются искажения, вносимые усилителем, снижается дрейф нуля, увеличивается входное и уменьшается выходное сопротивление усилителя.

О дрейфе нуля скажем несколько позже. Сейчас же покажем, чем хорошо большое входное и малое выходное сопротивление усилителя. Для этого представим входную часть усилителя (Rвх) и источник сигналов (е) с внутренним сопротивлением (Rвн) в виде эквивалентной схемы, показанной на рисунке 18.

Рисунок 18. Эквивалентная схема входа усилителя.

В соответствии с правилами электротехники напряжение на входе усилителя (uвх) будет равно uвх = e – R_ВН *iвх, где iвх = e/( R_ВН + R_ВХ), то есть

uвх = e(1 – R_ВН /( R_ВХ + R_ВН))

Таким образом, чем больше R_ВХ, тем меньше второй член последнего уравнения, а, следовательно, тем больше uвх.

Для определения влияния выходного сопротивления (R_ВЫХ) усилителя составим эквивалентную схему выходной части усилителя, представив усилитель в виде генератора эдс (e) с выходным сопротивлением Rвых и работающего на нагрузку (Rн) – рис. 19.

Рисунок 19. Эквивалентная схема выходной части усилителя.

Выходное напряжение, то есть напряжение на нагрузке uвых = e – Rвых*iвх

Из формулы ясно, что чем меньше Rвых, тем больше uвых.

Положительная обратная связь оказывает обратное действие по сравнению с отрицательной обратной связью и применяется в электронных генераторах.

Дрейфом нуля мы будем называть изменение выходного напряжения при неизменном входном. Причиной дрейфа нуля является изменение напряжения питания, изменение окружающей температуры, параметров элементов схемы. Например, если изменяется величина Ек на рисунке 16, то соответственно изменяется и напряжение на выходе усилителя Uк. В многокаскадном усилителе это изменение усиливается и приводит к значительному изменению выходного напряжения. Это и дает дрейф нуля.

Меры борьбы с дрейфом нуля: стабилизация напряжения питания, стабилизиция изменений, связанных с изменением температурных режимов, применение отрицательной обратной связи и др. Однако самым эффективным средством уменьшения дрейфа нуля является применение дифференциальных усилителей.

Д ифференциальный усилитель

Упрощенная схема дифференциального усилителя приведена на рис. 20.

Рисунок 20. Упрощенная схема дифференциального усилителя.

R_К1 = R_К2 = R_К; R_Б1 = R_Б2 = R_Б; VT1 и VT2 с одинаковыми параметрами.

Схема представляет собой как бы два одинаковых по параметрам усилителя с рис 16, соединенных параллельно. Но выходным напряжением является разность между напряжениями на коллекторах двух транзисторов, т.е. Uвых = | Uк1 – Uк2 |. Поэтому усилитель называется дифференциальным (диффер – это разность, отсюда дифференциальное исчисление).

Если Uвх1 = Uвх2, то I_Б1 = I_Б2 = I_Б и I_К1 = I_К2 = I_К (i_К = β i_Б)

Uк1 = Ек – Iк*Rк1; Uк2 = Ек – Iк*Rк2. Если Rк1 = Rк2, то Uк1 = Uк2 и Uвых = Uк1 - Uк2 = 0.

Если I_Б1 сделать больше I_Б2 на некоторую величину Δ, то I_К1 станет больше на величину Δ*β, а Uк = Ек - I_КRк станет меньше на Δ*β*Rк. Значит Uвых = Δ*β*Rк, то есть усилитель будет таким образом производить усиление.

Зачем же понадобилось усложнять схему усилителя на рис. 16 (с одним транзистором)?

Дело в том, что дифференциальный усилитель имеет очень малый дрейф нуля, что особенно важно в многокаскадных усилителях постоянного тока. Действительно, если изменилось напряжение питания Ек, то одинаково изменились и Uк1, и Uк2, а выходное напряжение остается постоянным. Действительно

(Uк1 + ΔU) – (Uк2 + ΔU) = Uк1 + ΔU – Uк2 – ΔU = Uк1 – Uк2.

То же самое будет происходить при одинаковом изменении параметров элементов схемы.

Как уже говорилось, для правильной работы дифференциального усилителя необходимо добиться одинаковых параметров левого и правого усилителя – симметрии схемы.

Этого проще добиваться в микросхемах, выполненных в одном кристалле кремния. Однако и там в прецизионных (точных) усилителях для уточнения симметрии используется резистор R (на рис. 20), который выполняется вне микросхемы для ручной подрегулировки.

Триггер на транзисторах

Триггер относится к импульсным устройствам. С его помощью можно получить импульсы. Импульсами мы будем называть сигналы, имеющие конечное время нахождения на некотором уровне.

Импульсы бывают прямоугольные, пилообразные, трапецеидальные и др. Широкую известность завоевали трапецеидальные, особенно близкие к прямоугольной (рис. 21).

Рис. 21. Трапецеидальный импульс.

Триггером называется устройство, имеющее два устойчивых состояния выхода и сохраняющее одно их этих состояний сколь угодно долго, пока не будет подан управляющий сигнал, переводящий триггер в другое состояние (при условии наличия питания).

Промышленность выпускает серии микросхем с триггерами в составе этих микросхем. Но часто требуются триггеры на дискретных (в своем корпусе) более мощных транзисторах, чтобы управлять устройствами средней и большой мощности. В последнем случае используются силовые транзисторы.

Упрощенная схема триггера на транзисторах приведена на рис. 22.

Рис. 22. Схема триггера и эквивалентные схемы его состояний.

В триггере коллектор транзистора VT1 через резистор Rб2 соединен с базой транзистора VT2, а коллектор транзистора VT2 через резистор Rб1 соединен с базой транзистора VT1.

Транзисторы в триггере работают в режиме ключа, то есть или в режиме отсечки (точка 0 на рис. 17, оба p-n перехода – эмиттерный и коллекторный – заперты, транзистор заперт, ключ разомкнут, разрыв цепи, рис. 22 А) или насыщения (рис. 17). В этом случае оба p-n перехода открыты, транзистор открыт, ключ замкнут, закоротка – рис. 22Б.

Рассмотрим работу триггера. Будем считать, что в первом состоянии транзистор VT1 открыт (схема на рисунке 22Б), а транзистор VT2 заперт (схема на рисунке 22А). Тогда на коллекторе VT1 коллекторное напряжение можно считать равным нулю (закоротка), а на коллекторе VT2 равным Е_К (Uк = Ек – Iк*Rк, Iк = 0).

Открытое состояние транзистора VT1 поддерживается напряжением на коллекторе транзистора VT2 (Uк2 = Ек), передаваемым через резистор Rб1 . А закрытое состояние транзистора VT2 поддерживается напряжением на коллекторе транзистора VT1 равным 0, передаваемым через резистор Rб2.

Для перевода триггера в другое состояние достаточно на базу открытого транзистора VT1 подать кратковременный запирающий отрицательный импульс (вх1). Возникает самоподдерживающийся переходной процесс перехода триггера в другое состояние. Возникающее на коллекторе транзистора VT1 положительное напряжение вследствие его закрытия, будет через резистор Rб2 способствовать открыванию транзистора VT2, вследствие появления на его базе положительного напряжения, что приводит к понижению его коллекторного напряжения. Понижение коллекторного напряжения транзистора VT2 через резистор Rб1, попадая на базу транзистора VT1, будет способствовать его запиранию. В конце концов транзистор VT1 запрется (схема 22 А), а транзистор VT2 откроется (схема 22Б). Это и будет другое состояние триггера.