2.1. Модулятор

Функцией модулятора является преобразование аналогового сигнала напряжения U_вх= постоянного тока в сигнал переменного тока с действующим напряжением U_вых~. Обычно с выхода модулятора переменный сигнал U_вых~ поступает на вход усилителя переменного тока У.

Рассмотрим первоначально схему с общим коллектором, известную под названием эмиттерный повторитель (рис. 2).

Упрощенная схема усилительного каскада ОК, называется так, потому что коллекторный вывод транзистора по переменному току является общим для входной и выходной цепей каскада.

На n-коллектор подается постоянное напряжение +Е_к

Рис. 2. Схема усилительного каскада ОК

Линия нагрузки по постоянному току и режим покоя (выбор точки П) задается соответствующим выбором источника питания, а также сопротивлений R₁ и R_э. При этом через транзистор будут протекать токи I_к0, I_б0, I_э0.

В нормальном режиме работы p-база должна быть более положительна, чем эмиттер (n-эмиттер более отрицателен по отношению к p-базе).

Рис. 3. Входные и выходные характеристики схемы ОК

Допустим, что рабочая точка П2 выбрана в области отсечки, т.е. транзистор закрыт, U_бэ0  0 (рис. 2, б),. При этом базовый ток I_б0 = 0. При подаче от генератора на вход базы Б положительной полуволны переменного напряжения c действующим значением u_вх = U_бэ > +0,6 В, потенциал базы возрастет на величину U_бэ, эмиттерный переход откроется, увеличивается базовый ток I_б это вызовет увеличение коллекторного тока I_к = I_б и тока эмиттера I_э ≈ I_к, протекающих по контуру: E_к  К  Э  R_э  земля. В результате за счет изменения действующего тока I_э от нуля до I_э на резисторе Rэ возникает переменное напряжение u_вых, действующее значение которого равно изменению напряжения на резисторе u_вых = I_эR_э. Нагрузка (резистор R_н) подключена через разделительный конденсатор С₂ параллельно R_э.

Поэтому линия нагрузки по переменному току рассчитывается с учетом параллельно соединенных R_э и R_н.

Заметим, что напряжение между общим проводом (землей) и базой равно:

U_Б = U_бэ + U_э. (4)

а изменение напряжения между базой и общим проводом:

U_Б = U_бэ + U_э. (5)

В конечном счете, для действующих значений можно записать, что изменение напряжения непосредственно на эмиттерном p-n-переходе равно:

u_бэ = U_вх  U_вых. (6)

С учетом малого значения u_бэ открытого перехода (u_бэ  0,6 В) имеем для схемы ОК:

u_н = U_вых = U_вх.− 0,6 ≈ U_вх. (7)

В связи с этим эмиттерным повторителем схему называют вследствие того, что ее выходное напряжение U_вых, снимаемое с эмиттера транзистора, близко по величине к входному напряжению U_вх и совпадает с ним по фазе.

Резистор R_э в цепи эмиттера обеспечивает последовательную ООС по напряжению и выполняет ту же функцию, что и резистор R_э в схеме ОЭ, т. е. создает изменяющееся напряжение в выходной цепи, за счет протекания в ней тока, управляемого по цепи базы. Разделительный конденсатор С₂ отсекает от R_н постоянную составляющую напряжения, падающего на сопротивлении R_э.

Резисторы R₁ и R₂ предназначены для задания режима покоя каскада. Для повышения входного сопротивления каскада резистор R₂ в схему часто не вводят. Расчет каскада по постоянному току проводят по аналогии со схемой ОЭ. Очевидно, что, повышая положительный потенциал базы (U_бэ0 > 0) относительно общей точки с помощью резистора R₁ (рис. 2, б), мы смещаем рабочую точку в область нормального активного режима (класс усиления А).

Входное сопротивление каскада ОК по переменному току равно

R_вх = R₁ || R₂ || [h_11э+ ( + 1)(R_э||R_н)]. (8)

Проанализировав выражение (8), можно сделать вывод о том, что при выборе высокоомного входного делителя R₁||R₂ входное сопротивление каскада ОК получается достаточно большим даже при низкоомной нагрузке R_н. Так при  = 50 и R_э||R_н = 1 кОм получаем, что входное сопротивление R_вх = 51 кОм, т.е. больше, чем в схеме с ОЭ.

Выходное сопротивление каскада ОК представляет собой сопротивление схемы со стороны эмиттера и определяется соотношением:

R_вых = R_э || [(h_11э+ R_Г||R₁||R₂)/( + 1)]. (9)

Выходное сопротивление каскада зависит от сопротивления R_э. При малом R_э, значение R_вых составляет 10…10² Ом.

Это свойство (высокое входное и низкое выходное сопротивления) используют для согласования выходной цепи усилителя с низкоомным сопротивлением нагрузки (выходные каскады усилителей).

Именно высокое входное сопротивление определяет область применения каскада ОК как согласующее звено между маломощным источником сигнала с высоким внутренним сопротивлением и низкоомным приемником сигнала.

Рассмотрим схему модулятора (рис. 4, а), применяемого в авторулевом устройстве судов. Та же схема, но в более привычном виде, приведена на рис. 3, б. Видно, что мы имеем одиночный каскад на p-n-p-транзисторе МП101Б, на базу (вход) которого поступает переменное опорное напряжение U_оп~, а цепь эмиттера заземлена (б) или в нее включен источник постоянного напряжения U_вх= (в).

Сравнение данной схемы, показывает, что это эмиттерный повторитель, выполненный на транзисторе VT. Резистор R₁ служит для ограничения тока базы.

Переменное выходное напряжение U_вых~ снимается с эмиттера, так что выходной сигнал ту же фазу, что и входной переменный сигнал.

а) б) в)

Рис. 4. Различные модификации каскада модулятора

Режим отсечки

Допустим, что входной переменный сигнал отсутствует, т.е. опорный сигнал U_оп~ = 0 равен нулю, и входной постоянный сигнал также равен нулю U_вх=1 = 0 (рис. 3, б). В этом случае на эмиттер с движка (точка Д) потенциометра R₃ подается положительное смещение, так что n-эмиттер более положителен, чем р-база (_б = 0), т.е. U_бэ =_б –_э < 0. С учетом особенностей входной характеристики n-p-n-транзистора (рис. 2, а, точка покоя П1), имеем: при U_вх=1 = 0 транзистор находится в режиме отсечки, т.е. закрыт.

Если в данном режиме отсечки на базу транзистора подать переменное опорное напряжение U_оп~, то сигнала на выходе не будет из-за сильного смещения точки покоя VТ в область отсечки (Рис. 2, а).

Активный режим

Подадим на потенциометр R₃, связанный с эмиттером транзистора, небольшой отрицательный потенциал (рис. 3, в), используя источник U_вх=. Допустим, что движок потенциометра R₃ находится первоначально в верхнем положении, и потенциал точки Д – положительный. По мере перемещения движка вниз потенциал точки Д приближается к нулю: точка покоя перейдет из П1 в П2 (рис. 2, а). Поэтому будет усиливаться только положительная полуволна опорного переменного напряжения.

При дальнейшем перемещении движка вниз потенциал точки Д становится отрицательным, точка покоя переходит от П2 к П3 (рис. 2, а). Таким образом, мы получим режим работы класса А: напряжение переменного сигнала усиливается без искажения.

На рис. 4 приведена схема модулятора в программе EWB для исследования различных режимов работы. Потенциометр R₃ (Блок Вasic) имеет возможность регулирования положения движка (Potentiomer Properties\Setting): 100 % – движок ″наверху″; 0 % – движок ″внизу″.

Обратим внимание на полярность включения источника постоянного напряжения U_вх=. Для перевода транзистора в область нормальной (активного) режима необходимо, чтобы n-эмиттер был более отрицательным, поэтому положительный контакт источника U_вх= должен быть заземлен.