В.Н. Гололобов |
Экскурсия по электронике |
62 |
вернет режим работы к исходному (или постарается сделать это).
Рис. 2.19. Схема стабилизации рабочего режима транзистора
Как видите, даже такая простая схема, как делитель напряжения, находит широкое применение на практике. Очень советую, даже если у вас есть некоторый опыт работы со схемами, проделать ряд экспериментов с простым усилителем на одном транзисторе, меняя значения резисторов. Если вы будете проделывать эти эксперименты на макетной плате, то, чтобы не «сжечь» компоненты, постарайтесь хотя бы «на вскидку» подсчитать токи, напряжения, рассеиваемую мощность. Если эти эксперименты вы будете проделывать в программе Qucs, то советую почитать Qucs Workbook, русскоязычная версия которой есть на моем сайте (мой конспект оригинала, http://vgololobov.narod.ru).
Схем усилителей на транзисторах очень много. И лет двадцать-тридцать назад было очень важно уметь рассчитать, построить или выбрать подходящую схему на транзисторах. За последние годы подход к этому несколько изменился. В первую очередь благодаря появлению большого количества типов специализированных микросхем и операционных усилителей.
Операционный усилитель
На плате, что передо мной, на микросхеме трудно прочитать надпись, но, похоже, это 140УД708, операционный усилитель. Что такое операционный усилитель?
Когда цифровая техника только начинала свое развитие, для сложных математических расчетов использовали аналоговые компьютеры. Такие операции, например, как
В.Н. Гололобов |
Экскурсия по электронике |
63 |
дифференцирование и интегрирование, с успехом выполнялись этими компьютерами, электронной основой которых были специальные усилители с большим коэффициентом усиления, большим входным и малым выходным сопротивлением, способные усиливать и постоянный, и переменный ток. Эти усилители, предназначенные к выполнению операций, назывались операционными. С появлением транзисторов эти усилители стали делать на транзисторах, позже их стали конструктивно оформлять в виде микросхем. Все более и более совершенствовались и транзисторы, и схемотехника, и технологии изготовления микросхем, что приводило к росту количества микросхем операционных усилителей и снижению их стоимости. В какой-то момент стало понятно, что усилитель, операционный он или нет, это усилитель. Операционные усилители стали все шире применять там, где требуется усиление сигналов или их преобразование. Постепенно микросхемы операционных усилителей стали вытеснять транзисторы (хотя сами буквально «напичканы» транзисторами) из их привычных областей применения. Сегодня, пожалуй, операционный усилитель в этом смысле можно рассматривать также, как раньше рассматривали транзистор – базовая ячейка активного элемента схемы. Сегодня много типов микросхем, в корпусе которых два или четыре операционных усилителя, каждый из которых имеет очень большой коэффициент усиления по напряжению, и там, где раньше для усиления сигнала требовалось собрать схему на десятке транзисторов, сегодня достаточно применить один операционный усилитель (а их в микросхеме четыре!).
Конечно, и операционный усилитель не панацея. В перечне выпускаемых микросхем есть
иразного рода функциональные узлы, и те же усилители, как высоких частот, так и низкочастотные. Их существование обусловлено особенностями задач, ими решаемых, конкретным назначением. Все больше появляется микросхем, выполняющих комплекс задач, и, по существу, являющихся полным электронным устройством – посмотрите на электронные часы! Но и в таких микросхемах вы найдете те же резисторы, конденсаторы, индуктивности
итранзисторы.
Споявлением операционных усилителей и специализированных микросхем существенно изменился вид электрических схем. Сейчас многие микросхемы изображаются в виде прямоугольников, из которых в разные стороны уходят выводы, обозначенные одной-двумя буквами или знаками. Так происходит с аналоговыми устройствами, так происходит с цифровыми устройствами, и с устройствами автоматики, и с измерительными приборами. Если раньше, взглянув на схему устройства, можно было сразу сказать, что перед тобой – усилитель низкой частоты, или радиоприемник, или тестер, – то сегодня это сделать гораздо труднее. То же можно сказать и о работе со схемами. Если раньше на макетной плате размещалось несколько транзисторов, некоторое количество резисторов и конденсаторов, и можно было легко измерить с помощью тестера все токи и напряжения, а, подав сигнал от генератора, посмотреть на экране осциллографа выходной сигнал и «все понять», то сегодня приходится долго думать, как разместить на макетной плате микросхему с большим количеством выводов, где набрать достаточное количество генераторов, чтобы обеспечить микросхему всеми необходимыми для ее проверки сигналами, и чем посмотреть отклик на эти сигналы на нескольких выводах микросхемы. В этом смысле все большее значение приобретает моделирование работы электрической схемы на компьютере, особенно при разработке микросхем, где элементы зачастую представляют собой некие геометрические объекты, создаваемые из разных материалов. Не следует только забывать, что компьютер, моделирующий работу электрической схемы, позволяющий лучше разобраться в работе схемы, позволяющий больше узнать о схеме, все-таки остается теоретической конструкцией,
итолько собрав «живое» устройство и проверив его работу, вы можете с уверенностью сказать, работает ли оно, и правильно ли оно работает.
Однако ветер технологических перемен унес меня далеко в сторону. Гораздо дальше, чем
В.Н. Гололобов |
Экскурсия по электронике |
64 |
этого требует рассказ, который я начал с таких простых предметов обсуждения, как ток и сопротивление. Возвращаясь к рассказу, замечу, что, согласитесь, разделив материалы на проводники и изоляторы по их сопротивлению прохождению электрического тока, мы достаточно естественно перешли к полупроводникам, занимающим промежуточное положение между проводниками и изоляторами. Обозначив же наличие двух типов проводимости у полупроводников (n-типа и p-типа), вполне обосновано перешли к композиции из этих двух материалов, из которых построен полупроводниковый диод. Для практических целей можно просто принять во внимание, что на границе раздела полупроводниковых материалов образуется приграничный слой, напоминающий заряженный конденсатор, внутри которого есть электрическое поле, и этого будет достаточно, чтобы понять работу, например, диода в качестве выпрямителя.
Диоды, простейшие конструкции из двух полупроводниковых материалов разного типа проводимости, сами по себе очень интересные элементы электрических схем. При разном изготовлении они приобретают разные свойства, позволяющие применять их и в качестве выпрямителей в силовых устройствах, и в качестве детекторов в радиоприемнике, и в качестве стабилизаторов напряжения, и в качестве конденсаторов переменной емкости для настройки приемника на частоту радиостанции. Приграничный слой, похожий на конденсатор, при изменении питающего напряжения, как бы меняет емкость этого конденсатора – вот вам и конденсатор переменной емкости, а такой диод носит специфическое название варикап. Есть диоды, способные играть роль активного элемента генератора – туннельные диоды. Есть диоды, которые светятся при прохождении через них постоянного тока, и их используют в качестве индикаторов, а называют светодиоды. Есть диоды, которые реагируют на падающий на них свет, генерируя постоянное напряжение, их называют фотодиодами.
Кроме двухслойных полупроводниковых конструкций, есть трехслойные – транзисторы (биполярные типа n-p-n и p-n-p). Кроме биполярных есть полевые или канальные транзисторы. Благодаря особой конструкции эти транзисторы имеют между эмиттером (теперь он называется исток) и коллектором (стоком) канал, по которому движутся носители тока, а ширина этого канала (величина тока) определяется полем, образованным с помощью базы (которая стала затвором полевого транзистора). Базовый ток такого транзистора настолько мал, что его можно считать отсутствующим. А такой транзистор по своему поведению больше напоминает радиолампу, чем биполярный транзистор.
Кроме трехслойных полупроводниковых конструкций существуют не менее интересные и полезные многослойные, например, тиристор (или триак).
Словом, такое, по отношению к сопротивлению протеканию электрического тока, поведение, которое можно было бы назвать «ни рыба, ни мясо», определяемое свойствами материала, открыло невообразимое количество форм очень полезных применений в электронике. А упоминаю я об этом, унесенный ветром своей непоследовательности, только за тем, чтобы еще раз подчеркнуть – за многими таинственными терминами, которые любитель встретит на своем пути, как, например, гиратор или импеданс, лежат такие простые сущности, как ток и сопротивление. Возьмем импеданс. Когда мы говорили о конденсаторе и индуктивности, мы рассматривали их сопротивление переменному току. И обозначили его как реактивное, зависящее от частоты изменения переменного тока. Но, что очевидно, кроме реактивного (индуктивного) сопротивления у катушки, имеющей много витков обычного провода, есть и активное сопротивление, определяемое сопротивлением провода, который использовался при намотке катушки. Сочетание этих двух видов сопротивлений позволяет говорить о полном сопротивлении или импедансе.
Вот я, вроде, и вернулся, вернулся к программе Qucs и усилителям. Я хочу проделать
В.Н. Гололобов |
Экскурсия по электронике |
65 |
несколько экспериментов с операционными усилителями. Но прежде чем на вкладке Компоненты программы Qucs я займусь поиском операционного усилителя, я немного скажу о графическом изображении этого элемента электрической схемы. Достаточно часто его изображают в виде равнобедренного треугольника, основание которого направлено влево и имеет два входа, отмеченных знаками + и -, а вправо уходит выход усилителя. Это самое простое графическое изображение ОУ (OPAM, операционного усилителя), к которому иногда сверху и снизу добавляют выводы питания +Uпит и -Uпит. Вы можете встретить изображение операционного усилителя в виде прямоугольника, к левой части которого подходят входы, а к правой выход и питающие напряжения. Есть, я думаю, и другие вариации графического изображения операционного усилителя. Но в любом графическом виде этот усилитель будет иметь два входа. Один из них называют прямым, а другой инверсным входами операционного усилителя. Об этих двух входах.
В программе Qucs нарисуем, я предпочитаю использовать транзисторы типа n-p-n, простую схему на двух транзисторах.
Рис. 2.20. Дифференциальный вход операционного усилителя
Я не сделал ничего особенного, только схему на рисунке 2.17, которую использовал для рассказа об усилении транзистора, повторил еще раз, развернув ее. Все также резистор R1 (и R4) задает ток базы транзистора T1 (соответственно, T2), резистор R2 (и R3) служит нагрузкой, а резистор R5 создает цепь обратной связи (и связи двух транзисторов). Но теперь я могу подключить источник переменного напряжения или к базе транзистора T1, или к базе T2. Подключив его к базе T1, я могу снять напряжение или с резистора R2 (с земли и коллектора транзистора) или с R3. На рисунке 2.20 изображена осциллограмма двух
В.Н. Гололобов |
Экскурсия по электронике |
66 |
напряжений: на коллекторе T1, относительно земли, и на коллекторе транзистора T2. Если помните, когда я говорил о напряжении и токе через реактивное сопротивление, то сказал, что они находятся не в одной фазе изменения состояния. Так вот, напряжения на коллекторах двух транзисторов схемы (out1 и out2) находятся в противоположных фазах, или в противофазе. Но одно из них будет в фазе с изменениями напряжения источника. Выбрав в качестве выхода схемы коллектор одного из транзисторов, я получу два входа, один из которых будет в фазе с выходом (прямой вход), другой в противофазе (инверсный вход). И еще. Такая схема позволяет снять выходное напряжение не с коллектора одного из транзисторов и общего провода, а с точек, отмеченных на схеме, как out1 и out2. Включите между ними измеритель напряжения. Посмотрите осциллограмму этого напряжения. А затем подключите ко второму входу еще один источник переменного напряжения, задав ему такие же точно параметры, как у первого и еще раз посмотрите осциллограмму. Пожалуй, последний вариант схемы я приведу.
Рис. 2.21. Синфазные сигналы на входах ОУ
Если с одним источником сигнала на входе операционного усилителя (представим, что это схема операционного усилителя) измеритель напряжения, включенный между точками out1 и out2, показывал вам некоторое напряжение, то два синфазно работающих источника напряжения дают на выходе только небольшой шум (амплитуда на графике меньше, чем 5 в минус 12 степени!). Так проявляется очень полезное свойство операционного усилителя, имеющего обычно входной каскад, включенный по схеме дифференциального усилителя. Последнее означает, что на выходе будет усиленный сигнал только тогда, когда на два входа подаются не синфазные (не находящиеся в одной фазе) сигналы. Синфазные сигналы не
В.Н. Гололобов |
Экскурсия по электронике |
67 |
усиливаются, а взаимно подавляются. В схеме на рисунке 2.21 я использовал именно синфазные источники переменного напряжения V2 и V3, то есть, находящиеся всегда в одной фазе изменения напряжения. И настроил я их так, что их частота одинакова, их напряжение одинаково. Так в чем же польза этого эксперимента?
Построение симметричного входного каскада операционного усилителя, имеющего два входа, которые реагируют на разностное (по входам) переменное напряжение, но подавляют синфазные (по входам) сигналы, полезно тем, что часто источник полезного сигнала (источник переменного напряжения) включают двумя проводами, на которые наводятся посторонние напряжения. Их так и называют «наводками». Эти наводки наводятся одинаково на два провода, соединяющие источник и усилитель. Если мы включаем полезный источник, как на рисунке 2.20, то наводки складываются и усиливаются усилителем – ему все равно, что усиливать. Но если мы включим два провода на два входа ОУ, то получим, что источники вредного напряжения наводок включены, как на рисунке 2.21, то есть, они синфазны, взаимно компенсируются и не усиливаются усилителем. Я упоминал о существовании диода, чувствительного к падающему на него свету, фотодиоде. Обычно он работает как очень слабенький источник напряжения. Его напряжение нужно усилить, а наводки могут полностью подавить полезный сигнал от него. Но, если включить его на дифференциальный вход ОУ, то можно не беспокоиться о наводках. Усилится полезный сигнал, а не наводки.
Боюсь, я не очень внятно все объяснил с синфазностью и противофазностью. Позже, когда мы лучше познакомимся с усилителями, я попробую сделать это иначе.
Операционные усилители любят, когда их цепь питания состоит из двух источников, включенных последовательно, а за общий схемный провод (или землю) принимается точка соединения двух источников питания. Такое устройство питающего напряжения позволяет исключить из схемы переходные конденсаторы между каскадами, позволяет реализовать усилитель постоянного тока, что важно для работы с очень медленно меняющимися напряжениями. Там же, где эти преимущества не имеют особого значения, применяют питание от одного источника. Но и в этом случае для переносных устройств иногда применяют схемы преобразования одного источника питания в два. Многие удобные операционные усилители плохо, или вообще не работают, с питающим напряжением, скажем, +4.5 и -4.5 вольт, им нужно более высокое напряжение питания. В этом случае батарейка используется для питания, в первую очередь, преобразователя напряжения, от которого уже запитываются операционные усилители. И схема, которая ближе к реальной, выглядит несколько иначе. Я перерисую предыдущую схему.