4.9 Порівняльний аналіз трьох схем вмикання бт

Усі три схеми вмикання БТ підсилюють потужність, а тому їх використовують для побудови електронних пристроїв. Кожна із схем має свої специфічні властивості, що і визначає її використання в тому чи іншому функціональному вузлі. Для того, щоб виявити ці властивості, вдамося до порівняльного аналізу цих схем, з`ясовуючи:

• інвертує чи не інвертує схема сигнал, тобто вносить чи не вносить постійний зсув фази;

• яка із схем має максимальний коефіцієнт підсилення за напругою, струмом та потужністю;

• як співвідносяться між собою вхідні та вихідні опори схем;

• яка із схем забезпечує найменші частотні спотворення;

• яка із схем забезпечує найменші нелінійні спотворення.

Проаналізуємо послідовно транзисторні каскади при вмиканні БТ за різними схемами.

Схема із СЕ. Така схема (рис.4.9) детально проаналізована графоаналітичним методом (розд.4.5). Там же наведені результати розрахунку підсилювача на БТ КТ201А за схемою із СЕ. Скористаємося цими даними, за яким можна констатувати: схема із СЕ при підсиленні гармонічних сигналів вносить постійний фазовий зсув (180 град) (рис.4.14,а), тобто змінює полярність вихідного сигналу, фаза вихідної напруги протилежна фазі вхідної (рис.4.14,б).

При обробці цифрових сигналів ключ за схемою із СЕ реалізує логічну функцію "НІ".

Висновки:

1. Підсилювач із СЕ має вхідний опір, що досягає сотень Ом – одиниць кОм. G_U >> 1, G_I >> 1, забезбечує максимальний коефіцієнт підсилення потужності; вихідний опір з боку затискачів навантаження R_ВИХ ≈ R_C.

2.Частотні та нелінійні спотворення схеми із СЕ більше ніж в схемі із СБ.

Схема із СБ. Використовують два варіанти вмикання БТ за схемою із СБ: з подільником напруги (рис.4.19, а) та з додатковим джерелом живлення (рис.4.19, б). Полярність і значення напруги U_EB визначаються за необхідним початковим положенням точки спокою.

Розглянемо роботу схеми, якщо на вхід (на емітер) подається позитивний імпульс. Будемо вважати, що тривалість інформаційного сигналу набагато перевищує тривалість перехідних процесів, а тому ними можна знехтувати.

Проаналізуємо формування вихідного сигналу при надходженні позитивного імпульсу. У схемах рис.4.19 використовується транзистори типу n-p-n. При дії інформаційного сигналу на емітер (n-ділянку) подається позитивний стрибок напруги, тобто це буде зворотне вмикання емітерного переходу. Таким чином, для підсилення позитивного імпульсу в початковому стані емітерний перехід повинен бути відкритим. Для цього точку спокою необхідно змістити в точку А (рис. 4.20, а). Це відповідає режиму насичення. За допомогою подільника напруги або джерела E_B необхідно забезпечити струм емітера не меншим ніж І ^А_E. Великий струм відкритого транзистора забезпечує відповідний спад напруги на R_C, а тому напруга U⁰_СB майже дорівнює нулю:

U ⁰_CB = Е_C – І_C R_C 0

Ця небажана залишкова напруга U⁰_CB (рис. 4.20, б) у схемі із СБ може бути зовсім відсутньою, що обумовлено структурою вихідних характеристик.

Під час дії позитивного імпульсу емітерний перехід закривається, струм емітера зменшується до значення І_Е^В , транзистор переводиться в режим відсікання.В результаті спад напруги на резисторі R_C зменшується майже до нуля, а напруга колектора зростає до U¹_СB (майже Е_C). Після закінчення вхідного сигналу робоча точка повертається в положення точки спокою А. З рис.4.20, б видно, що позитивний імпульс на вході формує позитивний сигнал на виході, тобто схема із СБ не інвертує сигнал.

Висновки.

1. Підсилювач із СБ не інвертує вихідний сигнал (вхідна і вихідна напруги збігаются за фазою) і має малий вхідний опір (одиниці - десятки ом), G_I < 1, G_U >> 1.

2.Динамічні властивості схеми із СБ значно кращі ніж в схе­мі із СЕ, а тому частотні спотворення в підсилювачах на БТ за схемою із СБ набагато менші, а швидкодія ключів за такою схемою значно вища.

3 . Вихідні характеристики схеми із СБ при збільшенні струму емітера на одне і те ж значення І_E зміщуються вгору майже на

о дне і те ж значення І_C. Це забезпечує в схемі із СБ значно менші нелінійні спотворення, що важливо у вихідних каскадах підсилення потужності.

У таких каскадах важливим є також зменшення або навіть повне вилучення залишкової напруги U⁰_CB (рис.4.20, а).

Моделювання та дослідження схеми СБ в середовищі MS подано в розділі 4.13.1, завдання 2.

Схема із СК. Схема підсилювача при вмиканні БТ із СК показана на рис.4.21. В усіх схемах при визначенні загального для входу і виходу електрода розглядається схема за змінним струмом. Колектор в показаній схемі через велику ємність джерела живлення підключається до точки схеми, яка є спільною для входу та виходу (до корпусу). Керуючим сигналом є напруга U_BE, а формування вихідного сигналу здійснюється змінюванням напру­ги U_CE, тому для аналізу цієї схеми використовуються статич­ні вхідні і вихідні характеристики транзистора, одержані для схеми із СЕ (рис.4.12, 4.13). За допомогою подільника напруги R1 - R2 забезпечується необхідний початковий режим транзистора, струми в точці спокою.

Розглянемо формування вихідного сигналу, коли на вхід подаються позитивні імпульси. Як і в схемі із СЕ такі імпульси відкривають емітерний перехід, а тому в початковому стані схема із СК повинна бути в режимі відсікання (точка спокою - точка А) (рис.4.22, а). Вихідний сигнал формується на резисторі R_E. В результаті за відсутності струму емітера та колентора в початковому стані U⁰_E = U⁰_ВИХ майже дорівнює нулю. При цьому майже вся напруга джерела живлення виділяється (спадає) на закритому транзисторі. На характеристиках цю напругу U⁰_E позначаєть відрізком між Е_С і спадом напруги U¹_СE на закритому транзисторі в точці А:

U⁰_E = U⁰_ВИХ = Е_C – U¹_CE.

Якщо на вході діє позитивний стрибок напруги, струм бази збільшується, робоча точка по лінії навантаження зміщується вгору в точку В. Будемо вважати, що амплітуда вхідного сигналу забезпечує такий струм бази І_B^’’’. Транзистор відкривається, струми емітера і колектора збільшуються, напруга на виході схеми зростає (рис.4.22, б):

U ¹ _ВИХ = U ¹_E = Е_C – U ⁰_CE = І_ER_E.

Після закінчення імпульсу схема повертається в початковий стан.

Аналіз осцилограм на рис.4.22, б дозволяє зробити висновок за першим показником: схема із СК не інвертує сигнал, тобто не змінює його полярність, вхідна та вихідна напруги збігаються за фазою.

Напруга U_BE, яка керує струмом транзистора, визначається різницею вхідної і вихідної напруги:

U_BE = U_ВХ - U_ВИХ,

т обто вихідна наруга повністю передається у вхідне коло. Це 100-процентний негативний зворотній зв'язок за напругою. Наявність такого зв'язку визначає основні параметри підсилювача за схемою СК.

Напруга на відкритому емітерному переході незначна (0.4…0.8В). Таким чином амплітуди вихідного і вхідного сигналів майже співпадають. Отже в схемі із СК G_U ≈ 1. Оскільки і фази цих сигналів збігаються , цю схему називають емітерним повторювачем (напруга на виході повторює вхідний сигнал за амплітудою та фазою).

Негативний зворотний зв'язок за напругою значно підвищує вхідний опір і зменшує вихідний. Схему із СК ще називають трансформатором провідності. Вона має максимальний вхідний опір і мінімальний вихідний. Це дозволяє широко використо­вувати її для побудови узгоджувальних каскадів. Практично кожний функціональний електронний блок на вході і виході містить в собі схеми із СК. Зворотний зв'язок зменшує лінійні (частотні) і нелінійні спотворення.

Висновки. Схема із СК (емітерний повторювач) має великий вхідний опір (одиниці – десятки кОм), вихідний опір зазвичай малий (десятки ом). Фази вхідного та вихідного сигналів збігаються, Оскільки G_U ≈ 1, то G_P  G_I. Схема має стабільну величину G_U  1 та великий діапазон вхідного сигналу за рахунок 100% негативного зв’язку за напругою.