Рис. 7.17. Испытания схемы рисунка 7.7.d

Определение зависимости тока базы от напряжения

Для расчета режима транзистора по постоянному току с делителем напряжения удобно воспользоваться графиком зависимости тока базы от напряжения база-эмиттер. В старых справочниках по транзисторам можно было встретить такие графики. Но ничто не мешает построить эту зависимость, если это интересно, самостоятельно, либо в программе Qucs, как я собираюсь это сделать, либо с помощью макетной платы, на которой будет установлен транзистор и необходимые источники питания. Схемы проведения экспериментов получатся одинаковыми, но при реальной экспериментальной проверке следует быть очень внимательным, чтобы не испортить транзистор. Если в вашем распоряжении есть функциональный генератор с выходным сигналом треугольной формы, и генератор может работать на очень низких частотах, скажем, 0.1 Гц, то можно включить его на вход схемы и снимать показания, записывая их в таблицу.

По полученной зависимости, если она в табличном виде, легко построить график. Полученная зависимость может, в свою очередь, зависеть от других параметров, например, напряжения на коллекторе транзистора или температуры. Я не думаю, что вы настолько педантичны, что захотите проводить реальные эксперименты по полной программе. Я даже не думаю, что подобный эксперимент будет иметь для вас большее значение, чем первоначальное знакомство с предметом. Но при использовании программы вы имеете возможность не заботится о сохранности транзисторов и приборов, и в этом случае вы можете проводить подобные эксперименты всякий раз, когда у вас возникают сомнения в правильном понимании происходящего.

Итак. Транзистор включен по схеме рисунка 7.7.b. Вместо того, чтобы подбирать значения сопротивлений, мы хотим получить эти значения расчетным путем.

Рис. 7.18. Получение зависимости тока базы от напряжения И рядом разместим результаты измерений параметров другого транзистора.

Рис. 7.19. График зависимости тока базы для транзистора 2N3507

Преимущество использования программы в том, что токи порядка 100 мА, если мы будем ориентироваться на предыдущие расчеты, нас будут мало интересовать, а именно такие зависимости вы можете обнаружить в справочнике. В программе достаточно изменить пределы «качания» параметра, то есть, начальную и конечную точку. Возьмем, например, в качестве начальной точки 0.75 В, а в качестве конечной 0.85 В, и повторим предыдущее моделирование в этом диапазоне значений.

Рис. 7.20. График зависимости тока базы в заданном диапазоне напряжений

Вместе с тем, есть два фактора, могущие повлиять на ваше решение о способе проведения эксперимента. Первый, вы не хотите использовать программу, а второй — отсутствие данных о взаимозаменяемости транзисторов, и отсутствие нужного вам транзистора в библиотеке компонентов программы. В этом случае вы решите провести реальный эксперимент. Думаю, и в этом случае вы уже не должны испытывать затруднений.

Конечно, я, снимая характеристики, мог себе позволить использовать 2000 точек. Не думаю, что это потребуется вам. Достаточно нескольких в заданном диапазоне напряжений, который можно получить тоже с помощью нескольких предварительных замеров.

Не помню, приходилось ли мне проводить подобные испытания, почти уверен, что если и приходилось, то использовался подходящий прибор для получения характеристик, но, сознаюсь, что с большим интересом проделал все, о чем говорил, перебрал с десяток транзисторов из библиотеки компонентов программы Qucs, добавлял вольтметр для измерения напряжения на коллекторе и смотрел, как оно зависит от напряжения базаэмиттер, менял температуру транзистора...

Очень интересно.

Частотные характеристики усилителя

Выше я говорил об амплитудно-частотной характеристике усилителя. Это достаточно важный параметр для любого усилителя. В этом смысле усилители можно разделить на несколько групп: широкополосные усилители, полосовые, избирательные.

Что такое АЧХ? Это зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты при неизменной амплитуде входного сигнала. В своих примерах я использую усилители низкой частоты (или звуковые), поскольку с ними любители сталкиваются чаще, но все сказанное можно отнести к любым усилителям. На практике снимать амплитудно-частотную характеристику приходится не так часто. Но при этом, не следует забывать, что это важный параметр успеха или неудачи в вашей работе.

Что может повлиять на амплитудно-частотную характеристику простого транзисторного усилителя на одном транзисторе, включенным с общим эмиттером? Когда я рассказывал о том, что такое транзистор, я говорил, что p-n переход — это нечто подобное конденсатору. Посмотрим, как выглядит амплитудно-частотная характеристика простой RC цепи.

Рис. 7.21. Амплитудно-частотная характеристика RC цепи И для сравнения я приведу АЧХ простого усилителя в той же полосе частот.

Рис. 7.22. Амплитудно-частотная характеристика каскада на транзисторе

Обе характеристики имеют область частот, где амплитуда сигнала на выходе остается постоянной. И обе имеют области частот, где амплитуда выходного сигнала меняется. Во втором случае это начальная область частот, где изменение амплитуды обусловлено конденсатором 1 мкФ, включенным на входе усилителя. Это конденсатор изменил характер зависимости амплитуды сигнала от частоты. Транзистор, который я использовал для построения каскада усиления, идеальный. И если бы ни конденсатор на входе, АЧХ была бы плоской линией «от края и до края». Что изменится, если я заменю идеальный транзистор реальной моделью?

Рис. 7.23. Амплитудно-частотная характеристика с транзистором 2N3507

Я увеличил конденсатор на входе до величины 1000 мкФ, чтобы сделать амплитудночастотные характеристики RC цепи и транзисторного усилителя похожими на начальном участке характеристики. Теперь они обе в районе частоты 100 кГц (1e5 на графиках) начинают спадать. То есть, реальный транзистор, в отличие от идеального, можно представить как идеальный с добавленной внутри транзистора RC цепью. RC цепь вида, изображенного на рисунке 7.21, называется интегрирующей, а амплитудно-частотная характеристика такой цепи имеет частоту среза. За такую частоту на практике принимают частоту, где амплитудно-частотная характеристика спадает на 3 дБ. Вернемся к графику рисунка 7.2.1, который я несколько переделал: расширил диапазон частот и применил логарифмический вид графика для напряжения, а не только для частоты.

Рис. 7.24. Характер спада АЧХ за частотой среза RC цепи

Двумя вертикальными линиями я отметил участок АЧХ за частотой среза, где частота изменяется в 10 раз. В 10 раз изменяется и отношение напряжений. Если выразить это отношение напряжений в децибелах, для напряжения это 20log(U1/U2), то принято говорить,

что за частотой среза напряжение спадает со скоростью 20 дБ на декаду. Добавим в этом эксперименте (с RC цепью) еще одну RC цепь с другой частотой среза.

Рис. 7.25. АЧХ двух RC цепей, включенных последовательно

Две вертикальные линии отмечают декаду на оси частот, при этом отношение напряжений, это видно на графике, равно 100 или 40 дБ. Следовательно, две RC цепи с разными частотами среза дают АЧХ, частично спадающую со скоростью 40 дБ на декаду. Кроме изменения амплитуды сигнала на частоте среза и более высоких частотах меняется фаза сигнала относительно входного. График такой зависимости называется фазо-частотной характеристикой. Но как ее получить в программе Qucs, я не знаю. Есть два способа «сжульничать» на этот раз: нарисовать эту кривую вручную, но я плохой рисовальщик, или использовать другую программу, что мне гораздо проще. Я раньше получал подобные графики в программе Multisim с помощью плоттера Боде, думаю, проще отыскать их в архиве и использовать для демонстрации.

Рис. 7.26. Фазочастотная характеристика одной RC цепи

На частоте среза около 153 кГц фаза выходного сигнала изменилась на 45 градусов, она будет продолжать меняться до 900. И такая же фазо-частотная характеристика для двух RC цепей.

Рис. 7.27. Фазо-частотная характеристика для двух RC цепей

Значение сопротивлений и конденсаторов я брал в точности те же, что и раньше. С двумя RC цепями сдвиг фаз еще больше, а затем он завершится на некоторой частоте, где станет равен 1800.

К чему я это все? По аналогии между однокаскадным усилителем и одиночной RC цепью двухкаскадный усилитель будет похож по своим частотным свойствам на двойную RC цепь. То есть, будет некоторая частота, на который фазовая характеристика «повернется» на 1800. Казалось бы, и что? А то, что отрицательная обратная связь, если ею охвачены оба каскада усиления, а это делается достаточно часто, отрицательная обратная связь на этой частоте превратится в положительную. А двухкаскадный усилитель, если на этой частоте его усиление больше единицы, превратится в генератор. Генератор заказывали?

Особенно это относится к усилителям мощности звуковой частоты. Это прекрасная область приложения сил для начинающих в том, что касается электроники, но усилители мощности, как правило, имеют три каскада усиления: входной каскад, предоконечный и оконечный. Проблема устойчивости в таком усилителе, традиционно охваченном общей петлей обратной связи от выхода ко входу, становится весьма актуальна.

Давайте посмотрим, как влияет замена транзисторов на частотные свойства однокаскадного усилителя. Используем схему рисунка 7.23 в качестве базовой, будем выбирать из библиотеки компонентов программы Qucs разные транзисторы и посмотрим, как

А теперь проверим работу транзистора 2N2222A при разных вариантах включения транзистора. Первая схема, как на рисунке 7.5, схема с общей базой. Изменилось значение резистора нагрузки и напряжение питания, увеличилась емкость конденсатора на входе усилителя, все остальное осталось без изменений.

Рис. 7.30. АЧХ усилителя с общей базой

Не меняя ничего, кроме резистора R2, новое значение 100 Ом, и напряжения питания, стало 3 В, мы получим следующую амплитудно-частотную характеристику.

Рис. 7.31. АЧХ усилителя с общей базой при уменьшении сопротивления нагрузки

Очень интересно, если сравнить обе характеристики, то заметно, что частота среза с 10 МГц сместилась к 100 МГц.

Похожие исследования проведем для схемы с общим коллектором, взяв за основу схему на рисунке 7.6.

Рис. 7.32. АЧХ усилителя с общим коллектором

Аналогично предыдущему эксперименту уменьшим сопротивление нагрузки R2 до 100 Ом, а напряжение питания до 3 В.

Рис. 7.33. АЧХ при изменении сопротивления нагрузки

А теперь повторим все для простой схемы с общим эмиттером. Начнем с сопротивления нагрузки в 1 кОм и напряжения источника питания 5 В. Второй эксперимент проведем с резистором 100 Ом и питанием 3 В.