Глава седьмая электронные схемы 7.1. Подробный обзор

Системы регулирования, управления и защиты сило­вого электронного оборудования содержат разнообраз­ные электронные схемы с номинальными мощностями, значительно меньшими номинальной мощности главной схемы. Обычно наиболее важными электронными эле­ментами таких схем являются полупроводниковые усили­

тельные и коммутационные элементы (биполярные, а также однопереходные транзисторы), а также анало­говые и цифровые интегральные схемы. Схемы, включа­ющие другие электронные элементы (вакуумные или га­зонаполненные приборы), здесь не рассматриваются.

Приведенные ниже задачи не могут охватить все та­кие схемы. Мы ограничимся наиболее известными схе­мами усилителей, мультивибраторов и стабилизаторов. Основное внимание будет уделено схемам, выполненным на дискретных полупроводниковых усилительных при­борах; в некоторых задачах будут использованы схемы с интегральными операционными усилителями [44].

Схемы усилителей. Усилителем называют прибор, служащий для усиления входного сигнала сравнительно малой амплитуды и мощности за счет использования мощности внешнего источника. В электронных усилите­лях для питания используется источник постоянного то­ка, а в качестве усилительных приборов в рассмотрен­ных здесь схемах применены транзисторы. По принци­пам конструкции и работы усилители делятся на усили­тели малых сигналов и усилители мощности для боль­ших сигналов; кроме того, их разделяют на однокаскад-ные усилители (которые в свою очередь делятся на сим­метричные и асимметричные) и многокаскадные (кото­рые делятся на усилители переменного тока и усилители постоянного тока) [45, 4, 46, 47, 48]. В настоящей главе усилители мощности не рассматриваются, а обсуждение усилителей малых сигналов ограничивается основными типами асимметричных усилителей с общим эмиттером и общим коллектором (эмиттерный повторитель), а так­же усилителей с общим истоком и общим стоком. При необходимости анализ симметричных и дифференциаль­ных усилителей всегда может быть сведен к анализу асимметричных схем и любая многокаскадная схема мо­жет быть выполнена из основных схем.

Так как зависимости между токами и напряжениями в транзисторе нелинейны, анализ схем в общем виде приводит к очень сложным соотношениям. Если напря- жение и ток в рабочей точке транзистора установлены при помощи внешних линейных элементов схемы (источ- ников напряжения, резисторов, конденсаторов и т. д.) так, что биполярные транзисторы работают в обычном активном режиме, а полевые транзисторы — в режиме необходимого смещения, то можно с достаточной точно- 18* 275

стыо допустить, что соотношение ток — напряжение ли­нейно в некотором диапазоне вблизи рабочей точки, а потому транзистор может быть заменен четырехполюс­ником. Это позволяет применить принцип суперпозиции и означает, что можно ограничиться анализом схемы при малых возмущениях.

О

Рис. 7.2. Малосигнальные че-тырехполюсные схемы замеще­ния полевого транзистора с ^-параметрами.

бычно для описания биполярных транзисторов при­меняют fr-параметры и эквивалентную схему четырехпо-

Рис. 7Л. Малосигнальные че-тырехполюсные схемы замеще­ния биполярного транзистора с ^-параметрами.

люсника (рис. 7.1,а), а для замещения полевых транзи­сторов— схемы с у- или g-параметрами (рис. 7.2,а) [45, 46, 47]. В рассмотренных ниже задачах анализ усили­телей ограничен средними частотами, что позволяет пре­небречь зависимостью параметров от частоты. В этом случае параметры у и g схем замещения полевого тран­зистора совпадают (поскольку g обычно используется для обозначения действительной части параметра у) [49]. При обычных порядках значений отдельных пара­метров получается хорошая аппроксимация, если упро­щенная эквивалентная схема на рис. 7.1,6 используется для анализа схем иа биполярных транзисторах с общей базой и общим эмиттером, а схема на рис. 7.2,6 — для схем с полевыми транзисторами.

Эквивалентный четырехполюсник служит в качестве основного средства отображения для любой базовой схе­мы при малых сигналах, только в зависимости от типа схемы меняются значения параметров. Параметры четы-276

рехполюсника, относящиеся к данному усилительному элементу, могут быть преобразованы один в другой [45]. Преобразования параметров схемы с общим эмит­тером i% в параметры схемы с общим коллектором h_K и параметры с общей базой к$ представлены в табл. 7.1.

Таблица 7.1

Взаимные преобразования Л-параметров схем с общим эмиттером, общим коллектором и общей базой

Схема с общим эмиттером	Схема с об!ЦИМ коллектором	Схема с общей базой
«113		, ^119 Л"б~ 1+Л.1Э
^123	^12К 5=1 1 ^12Э	А/гэ —/г,2Э
^219	^21*— — (1 +Ла1э)	*** 1+A219
'*22Э	^22К — ^223	, ^229 Л22б~ 1+^219

Определитель, образованный из этих параметров, будет иметь вид:

ДЛ=|^А" ^Л'² .

I &21 Л₂2

В табл. 7.2 приведены взаимные преобразования

IТаблица 7.2

Взаимные преобразования «/-параметров схем с общим истоком и общим стоком

Схема с общим истоком	Схема с общим стоком
Учи	Уне — Уин
	У\2С —
Уг\и	Уьгс — У21И
У 224	Уггс — #21и "Т" ^гги

^/-параметров основных схем с общим истоком и общим стоком [46, 47].

Параметры у и h, относящиеся к данной схеме, могут быть взаимно преобразованы с использованием табл. 7.3.

П

3,0

г,о

1,5 1,0 0,7 0,5

Рис. 7.3. Типовые относи­тельные зависимости /i-na-раметров биполярного тран­зистора от температуры пе­рехода.

араметры малосигналь­ных схем замещения для кон­кретной рабочей точки могут быть определены по характе­ристикам элемента; они приве­дены в каталогах для некото­рых предварительно выбран­ных рабочих точек. В 'более подробных каталогах приво­дятся также относительные из­менения параметров в зависи­мости от изменений тока или напряжения в рабочей точке и температуры перехода при ус­ловии сохранения двух осталь­ных параметров постоянными [49, 50]. На рис. 7.3 показаны относительные изменения /г-па-раметров биполярного транзистора в зависимости от температуры перехода.

К причинам, приводящим к смещению рабочей точ­ки, относятся:

изменение напряжения источника;

разброс в параметрах усилительных приборов (тран­зисторов), оказывающий влияние при замене элемента или в результате его старения;

изменение температуры перехода транзистора.

Колебания напряжения источника могут быть исклю­чены применением источника питания достаточной ста­бильности. Поэтому здесь этот вопрос специально не об­суждается.

Изменения рабочей точки вследствие разброса пара­метров должны приниматься в расчет главным образом при проектировании усилителей, собираемых из элемен­тов массового производства без отбора. В соответствую­щих каталогах указывается разброс параметров как уси­лителей, так и элементов, используемых для регулиро­вания рабочей точки. В приведенных ниже задачах будет рассмотрено, как меняется смещение рабочей точки вследствие разброса параметров в усилителе на полевых транзисторах.

Известно, что почти каждый параметр полупровод­никового прибора является функцией температуры пере­хода, которая в свою очередь является функцией как температуры окружающей среды, так и рассеиваемой мощности. В усилителе на биполярном транзисторе на параметры рабочей точки оказывают влияние дрейф об­ратного тока /_КБ0, напряжение база — эмиттер 1?_БЭ и температурная зависимость коэффициента усиления большого сигнала В_а0м*- Температурная зависимость об­ратного тока коллектора может быть представлена функцией

'кво (в,) = /_кво(в_|)ехр [Ь(в, - ej. (7.1)

где %\ и ®₂ представляют собой две различные темпера­туры перехода, а Ь—постоянная: 6^0,1 1/°С—для герма­ниевых транзисторов; 6^0,15 1/°С —для кремниевых транзисторов.

Для малых изменений температуры уравнение (7.1) может быть заменено с достаточным приближением пер­выми двумя членами разложения в ряд Тейлора:

А

* Статический коэффициент усиления тока базы. (Прим. ред.)

279

/_КБо = ^/кбо(0₂)- ^/кбо(0-) = ^/кю(9.)⁶Д9- (7.2)

Изменение напряжения 0_БЭ в зависимости от изме­нения температуры А-9 выражается уравнением

|Дс/_БЭ!=а|Д0|, (7.3)

где мВ/°С как для кремниевых, так и для герма-

ниевых транзисторов.

Температурная зависимость коэффициента усиления большого сигнала различна для каждого типа транзи­стора. На рис. 7.4 показано типичное изменение B_H0M как функции температуры. При анализе приведенных

Vr ^вноп (в)

ниже схем температур­ная зависимость Ином В расчет не принимается. Чувствительность полевого транзистора к темпера­туре определяется через температурную зависимость пе­редаточной характеристики [46, 47].

Разброс параметров полевого транзистора любого типа обычно влияет иа пределы расположения рабочей точки гораздо значительнее, чем их чувствительность к температуре, поэтому при анализе стабильности рабо­чей точки температурной зависимостью характеристик обычно пренебрегают.

Соответствующим выбором элементов, используемых для установки смещения, можно достичь довольно вы­сокой стабильности рабочей точки, несмотря на внешние воздействия. Конечно, схемы смещения не стабилизиру­ют каждый параметр рабочей точки, и поэтому предпо­чтительнее стабилизировать только тот параметр, кото­рый оказывает наибольшее влияние на работу усилите­ля. В большинстве случаев таким параметром является ток в рабочей точке.

В усилителях на биполярных транзисторах наиболее широко применяется для установки рабочей точки и ста­билизации тока схема, показанная иа рис. 7.5. Стабиль­ность рабочей точки в ней зависит от выбора отношения активных сопротивлений R_h и R₃.

На стабильность тока рабочей точки непосредственно влияет R₉ (благодаря последовательной отрицательной обратной связи по току) и косвенно R_B.

Температурная зависимость тока коллектора в рабо­чей точке для схемы, представленной на рис. 7.5, опи­сывается приближенно следующим уравнением:

⁺^J-ftlWT '¹ +^В»« I А/кво 161- (7-4)

Если R₃ = 0, то изменение Д/'_к|0| тока в рабочей точке равно:

д/'_к 101 _ _Д1/_вэ | е | +11 + В„_ом | Д/_КБ010 |. (7.5)

Отношения коэффициентов при двух параметрах, за­висящих от температуры, в уравнениях (7.4) и (7.5) на­зываются коэффициентами стабильности по напряже­нию и стабильности по току.

Коэффициент стабильности по напряжению

1 + А

^б/^э

а коэффициент стабильности по току

с_тб-1+», (7-8)

Если R_B > R₃ и Д_юм > 1, то S^_6u =5= S_CT6i = S^,

Л

Re/Я,

Откуда

/V I в I

Следует отметить, что в разных работах коэффици­енты стабильности определяются по-разному. Часто ко­эффициентами стабильности называют две зависящие от температуры величины &U_E3 (в) и А/_КБ0 (G) или вели­чины, им обратные.

Рабочая точка каскадов на полевых транзисторах обычно задается с помощью схемы, показанной на рис. 7.6. Изменение тока потребления в рабочей точке при

J Т [ ^и Рис. 7.7. Схема внешних соеди-

нений усилителя. (Вытянутый Рис. 7.6. Цепи смещения прямоугольник — малосигнальный

усилителя на полевом четырехполюсник усилительного

транзисторе. устройства.)

данном изменении температуры определяется уравне­нием [46]

й/с(6)=ТТЩ7^А/со1в|, (7.10)

где S =к у₂₁ — крутизна передаточной характеристики, а А/_со|01 — изменение тока рабочей точки при условии,

что R_M =0 и напряжение рабочей точки U_m напряже­ние смещения задается от отдельного источника пита­ния.

Рабочие параметры усилителей малых сигналов, включая усиление по напряжению А_и, усиление по току Ai, входное сопротивление Я_вх и выходное сопротивле­ние ^вых, легко определяются при непосредственном подключении источника усиливаемых сигналов и нагруз­ки к усилителю (рис. 7.7) с помощью эквивалентного четырехполюсника в соответствии с рис. 7.1 или 7.2. В табл. 7.4 приведены формулы для основных характе­ристик усилителей, выраженных через параметры h и у, внутреннее сопротивление JR_r источника сигналов и со­противление нагрузки R_n.

При решении приведенных ниже задач видно, что при помощи некоторых преобразований можно привести все основные схемы к схемам, представленным на рис. 7.7_? 282

fаблица 7.4