книги из ГПНТБ / Богомолов А.М. Судовая полупроводниковая электроника

ния должны оказаться во включенном состоянии. В са­ мом деле, средняя величина коэффициента усиления полу­ проводникового триода по схеме с общей базой а обычно не может быть меньше 0,5. Поэтому величина сц + аг не может быть меньше единицы. Но величина оп + ссг есть петлевое усиление схемы с положительной обратной свя­ зью (см. гл. I § 4). И поскольку при петлевом усилении, равном единице или больше единицы, суммарный коэф­ фициент усиления схемы с положительной обратной свя­ зью становится бесконечно большим, то оба транзистора схемы должны открыться даже от действия очень ма­ лых токов — обратных токов коллекторных переходов.

Это и в самом деле произойдет, если в рассматривае­ мой схеме использовать германиевые транзисторы. Коэф­ фициент усиления по току а у них довольно большой да­ же при очень малых базовых токах, соизмеримых по ве­ личине с обратным током коллектора. У кремниевых транзисторов коэффициент усиления по току а при малых токах базы, соизмеримых с обратным током коллектора, очень мал. Поэтому в схеме с кремниевыми транзистора­ ми величина петлевого усиления сц + аг при небольших ве­ личинах напряжения питания достаточно мала и суммар­ ный коэффициент усиления схемы не будет так велик, чтобы схема могла открыться от действия обратных то­ ков коллекторных переходов.

Однако при увеличении напряжения питания коэффи­ циенты усиления триодов щ и аг возрастают, отчасти не­ посредственно в результате увеличения напряжения, от­ части в результате увеличения обратных коллекторных токов под действием увеличения коллекторного напряже­ ния. При некоторой величине напряжения питания петле­ вое усиление cti + ci2 может повыситься настолько, что суммарный коэффициент усиления схемы станет доста­ точно большим, чтобы транзисторы схемы включились от действия обратных коллекторных токов. Вольт-амперная характеристика рассмотренной схемы подобно вольт-ам- перной характеристике тиратрона имеет падающий участок (рис. 23, б). Поэтому в литературе эта схема иногда упоминается как транзисторная тиратронная схема.

Рассматривая структуру соединения слоев кристал­ лов полупроводников в этой схеме (рис. 23, в), нетрудно заметить, что коллекторно-базовыми связями соединены

61

слои материала одинаковой для обоих транзисторов про­ водимости.

Оказалось возможным «-область транзистора рпр и «'-область транзистора прп объединить в один слой п.\ (см. рис. 23, г), а р-область и //-область объединить в один слой р2 . Такая четырехслойная структура (рис. 23, г) по электрическим свойствам аналогична рпр—прп схеме с положительной обратной связью. Четы­ рехслойные полупроводниковые двухэлектродные прибо­ ры с вольт-амперной характеристикой, имеющей падаю­ щий участок, называются динисторами.

Принцип действия динистора

Слои pi, П\ и р2 четырехслойной структуры динистора образуют транзистор рпр типа, а слои пи р2 и п2— тран­ зистор прп типа. Таким образом, слой щ является одно­ временно базой транзистора рпр и коллектором прп тран­ зистора, а слой р2 одновременно базой транзистора прп и коллектором транзистора рпр.

Переход Я2 является коллекторным переходом обоих транзисторов. Слой pi называют анодом динистора, а слой «2 — катодом. При подключении к аноду динисто­ ра положительного зажима источника питания, а к като­ ду —• отрицательного зажима переход Я2имеет запираю­ щее смещение, а переходы Я ( и Я3 — прямое смещение. Электронная составляющая обратного тока перехода Я2 проникает в базу транзистора прп (слой /?2), усиливается, и коллекторный ток прп транзистора проходит далее в ба­ зу транзистора рпр (слой п\). Дырочная составляющая обратного тока перехода Я2 проникает в базу транзисто­ ра рпр (слой п{), усиливается, и, далее коллекторный ток рпр транзистора проходит в базу транзистора прп (слой «2). Поскольку коэффициенты усиления транзисто­ ров зависят от напряжения питания, то при некоторой величине напряжения питания петлевое усиление схемы «i + a2 становится равным единице и транзисторы схемы открываются под действием незначительного по величи­

стора . При выборе динистора учитываются следующие параметры: предельно допустимый ток, предельное пря­ мое и обратное напряжение, время включения и время выключения.

62

Тиристоры

Четырехслойный полупроводниковый прибор можно переводить во включенное состояние не только путем уве­ личения прямого напряжения, но также путем смещения в прямом направлении эмиттерного перехода одного из транзисторов четырехслойной структуры (рис. 24). При этом коэффициент усиления а соответствующего транзи­ стора возрастает, петлевое усиление сц + ссг становится равным единице и оба транзистора четырехслойной струк­ туры переходят во включенное состояние. Из этого состоя­ ния они могут быть выведены только путем уменьшения анодного тока четырехслойного прибора до некоторой

четырехслойный полупроводниковый прибор способен при подаче управляющего сигнала переходить во включенное состояние даже при очень малых напряжениях питания.

Трехэлектродный управляемый четырехслойный полу­ проводниковый прибор называется тиристором. Управ-

ра; б — условное обозначение; в — вольт-амперная характери­ стика тиристора

63

Г Л А В А IV

Л и н е й н ы е у с и л и т е л и на т р а н з и с т о р а х

Усилителями называются устройства управ­ ляемого отбора мощности из цепи питания в цепь нагруз­ ки. Усилители с пропорциональной зависимостью выход­ ного и входного сигналов называются линейными. Ста­ тическая характеристика таких усилителей представляет прямую линию, а коэффициент усиления является посто­ янной величиной.

Наиболее важной задачей расчета линейного усили­ теля является подбор таких параметров схемы, при ко­ торых в пределах заданного изменения выходного сигна­ ла усилитель сохраняет линейность.

По соотношению сопротивлений входной и выходной цепей усилители могут быть подразделены на усилители напряжения, у которых входное сопротивление высокое, а выходное низкое; на усилители тока, у которых, наобо­ рот, входное сопротивление низкое, а выходное высокое, и на усилители мощности, у которых выходное сопро­ тивление соответствует внутреннему сопротивлению на­ грузки.

По роду тока сигнала усилители подразделяются на усилители переменного и постоянного тока. Усилители переменного тока предназначены для усиления сигналов только переменного тока, поскольку содержат в схеме емкостные или трансформаторные связи, не пропускаю­ щие постоянной составляющей сигнала. Усилители пере­ менного тока подразделяются на усилители низкой ча­

частоту. У резонансных усилителей коэффициент усиле­ ния достаточно высок только на резонансной частоте, а на всех других частотах очень мал. Усилители постоян­ ного тока способны усиливать сигнал, представленный

уровнем напряжения, и могут быть применены также для усиления сигналов переменного тока до самых высоких частот.

Существует два различных вида усилителей постоян­ ного тока: усилители с непосредственным усилением и модуляторно-демодуляторные усилители, основанные на преобразовании входного сигнала в сигнал переменного тока. Модуляторно-демодуляторные усилители способны

сигналов управления и решающие усилители. Усилители сигналов управления используются в цепях задающего воздействия, в цепях обратной связи и цепях регулирую­ щего воздействия систем автоматического регулирования.

Решающие (операционные) усилители используются

вразличных вычислительных блоках — в блоках умно­ жения, в интегрирующих и дифференцирующих блоках,

вблоках нелинейного преобразования сигнала. В каче­ стве операционных усилителей используются усилители

постоянного тока непосредственного усиления или моду­ ляторно-демодуляторные.

По характеру связей между каскадами усилители под­ разделяются на схемы с емкостной связью каскадов, с трансформаторной связью и с гальванической связью.

Гальваническая связь каскадов, в свою очередь, под­ разделяется на резистивную (с помощью сопротивлений) и непосредственную, при которой выходной электрод од­ ного усилительного прибора соединяется с входным элек­ тродом другого усилительного прибора.

Микроминиатюризации путем выполнения основных компонентов схемы в виде тонких пленок (пленочные схе­ мы) или в виде областей различного типа проводимости в монокристалле (интегральные схемы) поддаются, в ос­ новном, лишь схемы с гальваническими связями, то есть усилители постоянного тока. Из всех схем усилителей постоянного тока наиболее совершенной и перспектив­ ной является схема дифференциального усилителя.

В будущем, несомненно, микроминиатюрные усили­ тели, выполненные по схеме дифференциального усилите­

6 6

ля, полностью вытеснят все другие виды усилительных схем. Но даже и сейчас при обычном, не миниатюрном, исполнении схем дифференциальный усилитель находит широкое применение и все больше вытесняет другие ви­ ды усилительных схем.

§ 1. Выбор режима работы транзистора в усилительной схеме

Для анализа и расчета усилительных каскадов на транзисторах применяется графический метод.

Этот метод основан на графическом совмещении вы­ ходных характеристик транзистора с так называемой ли­ нией нагрузки, удовлетворяющей следующему выраже­ нию, полученному из уравнения по второму закону Кирх­ гофа для коллекторной цепи:

R к

на графике — напряжению UK= Е к.

Выходные характеристики транзистора с нанесенной на них линией нагрузки (рис. 25, б) представляют собой графическое выражение второго закона Кирхгофа для выходной цепи.

5

Рис. 25. Усилитель на транзисторе:

а — схема усилителя; б — построение линии нагрузки

67

В самом деле, точка пересечения линии нагрузки с вы­ ходной характеристикой (называемая рабочей точкой) делит своей проекцией напряжение Ек на оси напряже­ ний на два отрезка ОА' и А'В, соответствующих напря­ жению UK и U„.

Режим работы транзистора в усилительном каскаде определяется начальным положением рабочей точки на линии нагрузки при отсутствии сигнала на входе схемы.

Для того чтобы можно было задать начальное поло­ жение рабочей точки, в усилительную схему кроме резис­ тора нагрузки коллекторной цепи RK и сопротивления связи (в качестве которого в усилителях переменного то­ ка применяется емкость) вводятся дополнительные ре­ зисторы Ri и R2 , образующие делитель и задающие начальное напряжение на базе транзистора, а соответст­

ципиально можно для установки рабочей точки использо­ вать только резистор R u однако из соображений стабиль­ ности положения рабочей точки целесообразно не только ставить резистор R2, но также ввести в эмиттерную цепь еще один резистор (о чем будет сказано далее).

Основным критерием, определяющим выбор положе­ ния рабочей точки, является линейность усиления. Сле­ дует также заметить, что линейность усиления в одно­ тактных и двухтактных усилительных каскадах обеспечи­ вается при существенно различных положениях началь­ ной рабочей точки.

Однотактными усилительными каскадами называ­ ются такие усилительные схемы, в которых положитель­ ные и отрицательные полуволны сигнала усиливаются одним и тем же транзистором. В отличие от однотактных усилительных схем, в двухтактных усилительных каска­ дах положительные и отрицательные полуволны сигнала усиливаются различными транзисторами.

В однотактных усилительных каскадах, которые при­ нято называть каскадами класса А, рабочая точка уста­ навливается приблизительно на середине линии нагруз­ ки, так, чтобы коэффициент усиления схемы сохранялся постоянным при изменении мгновенных значений сигнала от максимального положительного значения до макси­ мального отрицательного.

6 8

В двухтактных усилительных каскадах начальная ра­ бочая точка может быть расположена в начале линии на­

лекторного питания, называется режимом класса В. Од­ нотактные усилительные каскады в режиме класса В не используются, поскольку они сильно искажают сигнал, реагируя только на его отпирающую полуволну и выда­ вая на выходе только полуволну, инверсную по фазе от­ пирающей полуволне.

Для того, чтобы усилительные триоды в двухтакт­ ном каскаде работали поочередно, необходимо, чтобы входные сигналы, поступающие на вход триодов, были сдвинуты по фазе на 180°, то есть были взаимно инверс­ ными. Простейший способ формирования взаимно ин­ версных сигналов заключается в применении входного трансформатора с выходной обмоткой, имеющей сред­ нюю точку (рис. 26, б). Для получения взаимно инверс­ ных сигналов может быть также использован дифферен­ циальный усилитель (рис. 26, в) либо однотранзистор­ ный фазоинверсный каскад (рис. 26, г).

Выходной сигнал, снимаемый с транзисторов двух­ тактного каскада, представляет собой чередующиеся по­ ложительные полуволны. Для преобразования чередую­ щихся положительных полуволн выходного напряжения в синусоидальный сигнал к коллекторным зажимам транзисторов двухтактного каскада подключается транс­ форматор, имеющий в первичной обмотке среднюю точ­ ку. Таким образом, сложение полуволн коллекторного тока транзисторов двухтактного каскада в синусоидаль­ ный сигнал осуществляется в выходном трансформа­ торе.

При малых базовых токах транзистора, соответст­ вующих начальной рабочей точке режима В, входная характеристика и характеристика прямой передачи транзистора имеют значительную кривизну. Поэтому двухтактный каскад класса В дает нелинейные искаже­ ния более высокие, чем в однотактном каскаде клас­ са А.

Незначительное прямое смещение баз транзисторов двухтактного каскада переводит начальную рабочую

69

Рис. 26. Режим усиления класса В и способы получения фазоинверсных сигналов:

а — положение рабочей точки в режиме класса В\ б — получение фазоинверсных сигналов с помощью трансформатора со средней точкой; в — получение фазоннверсных сигналов с помощью дифференциаль­ ного усилителя; г — получение фазоинверсных сигналов с помощью фазоинверсного каскада