Т аб лица 7.3

Преобразовачия между h и {/-параметрами, относящимися и схемам замещения с общей базой

Исходные параметры

Преобразованные параметры

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

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

Параметры 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 h-na-раметров биполярного транзистора в зависимости от температуры перехода.

К причинам, приводящим к смещению рабочей точки, относятся:

изменение иапряжения источника;

3,0 2,0 1,5

1,0 0,7 0,5

-10D -50 О 50 100 150 °С

Рис. 7.3. Типовые относительные зависимости /[-параметров бипо.чярного транзистора от температуры перехода.

{)аз6рос в параметрах усилительных приёоров (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/p-gQ напряжение база - эмиттер f/g температурная зависимость коэффициента усиления большого сигнала Бном*- Температурная зависимость обратного тока коллектора может быть представлена функцией

/,<Б0 (0.)-/кБо(0.)ехр [b{Q, - ej], (7.1)

Где в1 и 02 представляют собой две различные температуры перехода, а b-постоянная: Ь^0,1 1/°С-для германиевых транзисторов; Ь^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^КБО = кБс (0 J - кю (0.) = кю (0.) А0- (7-2)

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

Изменение напряжения U в зависимбстй от изменения температуры Дв выражается уравнением

ДС/Бэ1 = а|Де1, (7.3)

где -2 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 В^ом как функции температуры. При анализе приведенных

~SO-ZS Z5 so 75 100 IZS 150

Рис. 7.4. Типовая относитсчь-ная зависимость коэффициента уси.чения по току для большого сигна.ча бипо.чярного транзистора от температуры перехода.

Рис. 7.5. Цепи смещения усилителя на биполярном транзисторе.

ниже схем температурная зависимость Бном 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, кото-

рый 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 на рис. 7.5. Стабильность рабочей точки в ней зависит от выбора отношения активных сопротивлений и R.

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

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

Если i?g=0, то изменение Д/0 тока в рабочей точке равно:

ДМ0И-Д^вэ10 + 1+иом|А/во0- (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

а коэффициент стабильности по току

Если /?Б>Э и ном> 1> ТО S 6 S 6£ - S 6,

/V I в I

Следует отметить, что в разных работах коэффициенты стабильности определяются по-разному. Часто коэффициентами стабильности называют две зависящие от температуры величины ДС/д (®) кбо (®) 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

Рис. 7.6. Цепи смещения усилителя на полевом транзисторе.

Рис. 7.7. Схема внешних соединений усилителя. (Вытянутый прямоугольник - малосигнальный четырехполюсник усилительного устройства.)

данном изменении температуры определяется уравнением [46]

Acoiei.

{7.10)

где S - крутизна передаточной характеристики, а Д/до!©!- изменение тока рабочей точки при условии,

что =0 и напряжение рабочей точки f/gjj напряжение смещения задается от отдельного источника питания.

Рабочие параметры усилителей малых сигналов, включая усиление по напряжению Аи, усиление по току Ai, входное сопротивление Rsx и выходное сопротивление Rbmx, 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 Rt источника сигналов и сопротивление нагрузки /?н.

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

fa б лиц а t.4

Характеристики усилителей, выраженные через параметры четырехполюсников, внутреннее сопротивление источника сигнала и сопротивление нагрузки

ЧТО и определяет широкую область применения характеристик усилителей, показанных в табл. 7.4.

На рабочие параметры усилителей могут оказывать влияние различные отрицательные обратные связи (последовательная или параллельная, по току или напряжению) [47]. Отрицательная обратная связь обязательно снижает коэффициент усиления усилителя, но это компенсируется большой стабильностью работы.

Наличие активных сопротивлений и R цепей

смещения, показанных иа рис. 7.5 и 7.6, приводит к появлению последовательной отрицательной обратной связи по току. Отрицательная обратная связь для усиливаемого сигнала может быть устранена в схемах с общим эмиттером и с общим истоком включением параллельно Rq и (блокировочных) конденсаторов и

таких, чтобы

(7-И)

где со -угЛовая част01а сигнала, который должен быть усилен *.

Триггерные схемы. Триггеры - схемы, работающие в ключевом режиме, причем фиксация переключаемых состояний осуществляется каким-либо видом положительной обратной связи. В зависимости от вида коммутации триггеры обычно разделяются на нестабильные, моностабильные и бистабильные. В нестабильной схеме переключение обоих состояний инициируется самой схемой, т. е. оба состояния схемы квазистабильны. В то же время в моностабильных и бистабильных цепях переключение происходит под действием внешнего сигнала (в одном направлении - для моностабильных цепей и в обоих направлениях - для бистабильных цепей).

Триггерная схема может состоять из двух транзисторов, включенных в усилительную схему и соединенных через элементы RC или R так, что включенное или отключенное состояние одного транзистора определяется состоянием другого, и наоборот. Такие схемы известны под общим названием мультивибраторов [46, 48] **. В зависимости от принципа построения мультивибраторы делятся на две большие группы: мультивибраторы с кол-лекторно-базовой (или коллекторной) связью и мультивибраторы с эмиттерно-базовой (или эмиттерной) связью. Бистабильные мультивибраторы с эмиттерной связью называются триггерами Шмитта. Схемы этого типа широко используются в многопозиционных регуляторах и их конструкции будут подробно рассмотрены [51]; другие виды мультивибраторов с эмиттерной связью в данной работе не рассматриваются.

Амплитуда выходного сигнала мультивибратора является функцией напряжения питания, ширины диапа-

* Здесь 10 - нижняя граничная частота сигнала. Сд и Cj определяются неравенствами

где 9gS25 мВ; /д - ток эмиттера; S -крутизна полевого транзистора. (Прим ред.)

** В работах советских авторов понятие мультивибратора более узко и относится только к автоколебательным и ждущим MOHOCTaj бильным схемам (автоколебательный мультивибратор и ждущий мультнв,ибратор или одиовибратор). {Прим. ред.)

зона регулирования состояния пройоДимостй трайзйсЗД-ра и падения напряжения от остаточного тока транзистора, находящегося в отключенном состоянии.

Триггерные схемы могут выполняться с помощью не только RC- и R-связеи, но и с обратной связью через трансформатор. Схемы с одиночными транзисторными усилителями, охваченными трансформаторной обратной связью, называются блокинг-генераторами. С использованием блокинг-генераторов могут быть построены как

Рис. 7.8. Схема ста- Ио/т билизатора напря- - жения в виде контура регулирования.-

Обратная сВязь

моностабильные, так и бистабильные схемы. Работа таких схем основана на насыщении сердечника трансформатора и переключениях транзистора от режима насыщения до нормального активного режима или отсечки.

Стабилизаторы напряжения В электронной аппаратуре часто бывает необходимо обеспечить независимость напряжения питания оборудования, опорного напряжения уставок регулирования и ряда других параметров от колебаний напряжения сети и колебаний тока нагрузки. В преобладающем большинстве случаев задача состоит в поддержании напряжения постоянным, т. е. в стабилизации напряжения. Схемы, предназначенные для этого, обычно называют стабилизаторами напряжения [4, 46].

В зависимости оттого, является ли выходной сигнал схемы стабилизатора сигналом постоянного тока или сигналом переменного тока, различают стабилизаторы напряжения постоянного и переменного тока. В настоящей главе рассматриваются только стабилизаторы напряжения постоянного тока.

Стабилизаторы напряжения имеют общую черту: они содержат регулирующий контур отрицательной обратной связи, уменьшающий реакцию стабилизированного напряжения на колебания напряжения питания и изменения тока нагрузки (рис. 7.8). В зависимости от того, как включен силовой элемент, работающий в режиме регулируемого сопротивления, - параллельно или последовательно нагрузке, присоединенной к выходу, - различа-

Ют пОследоЁательнЬте й параллельные стабилизаторы напряжения (рис. 7.9,а, б). Если активное сопротивление силового элемента может изменяться плавно, стабилизатор называют линейным, в то время как если оно может принимать только фиксированные значения, стабилизатор называют стабилизатором импульсного типа. Стабилизаторы импульсного типа обладают большим КПД, но у них больше пульсации напряжения на выходе. Схемы импульсного типа обычно используют при менее жестких требованиях по стабильности или в качестве первых ступеней в двухступенчатых стабилизаторах-

О

о

вых -О

Рис. 7.9. Типы стабилизаторов напряжения.

а) последовательный стабилизатор напряжения; б) параллельный стабилизатор напряжения.

Рис. 7.10: Представление стабилизатора напряжения в виде четырехполюсника.

Среди линейных стабилизаторов большим КПД обладают стабилизаторы последовательного типа, и потому они, исключая простейшие стабилизаторы на диодах Зе-нера*, включаемых как параллельный силовой элемент, получили монопольное применение на практике.

Любой стабилизатор напряжения может быть представлен четырехполюсником, показанным на рис. 7.10. Качество стабилизации может быть выражено в единицах изменения стабилизированного напряжения f/вых, возникающих под влиянием заданных изменений во входном напряжении f/nx и токе нагрузки /вых- Поскольку в любой схеме входной ток /вх однозначно определяется входным напряжением и током нагрузки, стабилизированное напряжение может рассматриваться как функция двух переменных: ивых=4{(вх, /вых)- Изменение стабилизированного напряжения может быть выражено через полное.приращение этой функции:

АС/ .. = Д^/в. А/ . (7.12)

* Стабилитронах. (Прим. ред.)

Введя коэффициент стабилизации G и выходное сопротивление /?вых, это выражение можно записать следующим образом:

Д^/вь,х = - выхАаых- (7.13)

Чем меньше меняется стабилизированное напряжение в результате данного изменения напряжения питания и (или) тока нагрузки, тем более эффективна стабилизация.

Для сравнения рабочих характеристик прибора при различных напряжениях и токах необходимо ввести относительные величины. Удобнее всего брать отношение истинного тока и напряжения к их номинальным значениям. Относительные величины в этом случае определяются следующим образом:

/ ; вх .11* вых 1

ВХ и , вых- л , T=t.v -

ВЫХ. НОМ

(7.14)

а приращения относительных величин имеют вид:

At/ex А г 7* AtBblX д /* А/вых

fJJ*-- ВД - Д/7* - вых . д/ .

ИТ - г7 . t-* вых - t , пых -

Т] J ВЫХ' / , ВЫХ - /

вх.ном вых Вых. ном

(7.15)

в соответствии с этими определениями уравнение (7.12) может быть представлено в виде

вых- [/ BX-h / вых- (/-ID)

Введем коэффициент стабилизации S и выходное сопротивление 7?*вых для относительных величин, тогда

Af/*Bb,x = АС/*вх - *вых/*вь,х. (7.17)

Это соотношение показывает, что если два стабилизатора, различных по номинальному напряжению и току, идентичны по S и Я*вых, то определенное процентное изменение в напряжении их питания или токе выхода приведет к таким же процентным изменениям в стабилизированном напряжении питания. Поэтому коэффициент стабилизации напряжения S и выходное сопротивление R*Bbix для относительных величин оказываются наиболее подходящими безразмерными параметрами для