Глава 1. ТРАНЗИСТОРНЫЕ СХЕМЫ

1.1. Классификация электронных устройств. Методы анализа схем

Электронное устройство – электронный прибор/устройство, созданный из электронных компонентов (принцип действия которых основан на взаимодействии заряженных частиц с электромагнитными полями), используемый для преобразования электромагнитной энергии (например, для передачи, обработки и хранения информации). Наиболее характерные задачи таких устройств: генерирование, усиление, приём электромагнитных колебаний с частотой до 1012 Гц, а также инфракрасного, видимого, ультрафиолетового и рентгеновского излучений (1012...1020 Гц). Возможность таких преобразований обусловлена малой инерционностью электрона.

Классификация электронных устройств. Существует большое коли-

чество разнообразных электронных устройств, поэтому используют несколько видов их классификации: по виду обрабатываемых сигналов – аналоговые и цифровые; по потребляемой мощности – микромощные, маломощные, мощные и т. д.; по рабочей полосе частот – низкочастотные, область звуковых частот и т. п.; по исполнению – на дискретных элементах, интегральные (микросхемы), гибридные; по области применения – для медицинского оборудования, бытовой техники и т. д.

Каналоговым электронным устройствам относятся: усилители, операционные усилители, фазоинверторы, компараторы, генераторы, мультивибраторы, фильтры, смесители, аналоговые умножители и многие другие.

Кцифровым относятся: логические элементы, триггеры, компараторы, генераторы тактовых импульсов, счётчики, шифраторы, дешифраторы, мультиплексоры, демультиплексоры, регистры, полусумматоры, сумматоры, цифровые компараторы, арифметическо-логические устройства, микроконтроллеры, микропроцессоры, запоминающие устройства и другие.

Методы анализа схем. Основные методы анализа схем известны из курса электротехники. Здесь стоит упомянуть иерархический принцип или системный подход, подразумевающий разбиение схемы на составные части, объединённые функциональным назначением, а также имеющие входы и выходы. Такие составные части (блоки) могут соединяться последовательно, параллельно и быть охвачены обратными связями, формируя определённую функцию системы в целом. Иерархический принцип подразумевает, что каждый из блоков может, в свою очередь, состоять из блоков и так вплоть до отдельных электронных компонентов схемы.

5

Анализ схем может осуществляться:

–во временной области для определения напряжений в узлах, токов в ветвях и рассеиваемой мощности на элементах при входных сигналах любой формы;

–в частотной области для определения амплитудно-частотных (АЧХ) и фазочастотных (ФЧХ) характеристик и групповой задержки;

–в режиме по постоянному току для определения напряжений в узлах, токов в ветвях и рассеиваемой мощности на элементах при входных сигналах постоянного значения;

–при нагреве элементов или всей схемы;

–при разбросе их параметров (метод Монте-Карло);

–при определении спектрального состава сигнала в узлах схемы (оконный Фурье-анализ) – и др.

Для автоматизации перечисленных, а также других видов анализа, ис-

пользуется компьютерное схемотехническое моделирование на основе специальных программ – систем автоматизированного проектирования (САПР). САПР обеспечивает ввод в среду моделирования принципиальных схем, задание входных воздействий и условий функционирования, а также возможность анализа. С точки зрения авторов, среди известных САПР для изученияи разработки аналоговых принципиальных схем наиболее эффективной является программа MicroCap. Моделирование схем в пособии реализовано на её основе.

Для сквозного проектирования всего устройства требуется обеспечить автоматизацию расчётов и моделирования на всех этапах его разработки. Для моделирования процессов в датчиках и актуаторах (исполнительных устройствах) можно использовать программы Matlab, MathCad, SolidWorks, Ansys (комплекс программных средств для численного моделирования процессов различной физической природы), для моделирования процессов цифровых и микропроцессорных систем – Proteus, для разработки печатных плат – AltiumDesigner, CircuitMaker, при разработке корпусов, радиаторов, держателей и других – SolidWorks, Ansys.

1.2. Принцип действия электронного усилителя

Электронный усилитель – прибор, способный усиливать электрическую мощность. Приборы, усиливающие только ток или напряжение (например, трансформаторы) к числу усилителей не относятся. Принцип работы элек-

6

тронного усилителя основан на изменении его активного или реактивного сопротивления электрической проводимости в газах, вакууме и полупроводниках под воздействием сигнала малой мощности.

Модель электронного усилителя может быть представлена на основе управляемого резистивного делителя напряжения, питаемого от источника постоянного напряжения. Такой подход крайне редко используется в методических работах по схемотехнике. Обычно используется формальная модель усилителя на основе управляемого генератора напряжения или тока, которая не позволяет полностью понять физические процессы, происходящие в одиночном усилительном каскаде.

На рис. 1.1, а приведена схема резистивного делителя, состоящего из двух последовательных резисторов R1 и R2; входное напряжение Uпит делится и образует выходное напряжение Uвых, снимаемого с резистора R2.

Представим схему делителя (рис. 1.1, а) в другом виде (рис. 1.1, б). Обозначим резистор R1 как Rconst, а R2 как Rvar (var от англ. слова variable – переменный). Значение сопротивления Rvar может изменяться внешним управ-

ляющим сигналом, например, напряжением Uвх или током. Резистор Rconst имеет постоянное фиксированное сопротивление. Напряжение Uвх заменяем напряжением Uпит. А напряжение Uвх теперь управляет значением сопро-

тивления Rvar (рис. 1.1, в).

Напряжение Uпит делится в зависимости от соотношения сопротивления резисторов Rconst и Rvar, и, следовательно, напряжение на выходе делителя не может превышать напряжения Uпит.

Рис.1.1. Делитель напряжения: а – обычное представление; б – модель усилителя

с переменным сопротивлением; в – модель усилителя с управляемым сопротивлением Rvar

Коэффициент передачи делителя Kдел определяется из выражения:

Kдел = Uвых/Uвх = Rvar/ (Rconst + Rvar).

7

Такое представление поможет понять принцип работы электронного усилителя, например, что означает термин «усиление», выбор напряжения рабочей точки, назначение элементов схемы усилителя и т. д.

Особого внимания заслуживает определение понятия «земля» в электрических схемах. Для определения разности потенциалов (напряжения) между двумя узлами схемы требуются обязательно две точки. В большинстве рассматриваемых принципиальных схем «земля» используется как общая точка (общий узел) между источником напряжения или тока и выходным узлом схемы. Кроме того, «земле» обычно присваивается нулевой потенциал, относительно которого отсчитывается значение всех напряжений в процессе моделирования. Для протекания тока между узлами необходима замкнутая цепь.

Управляемое сопротивление участка Rкэ транзистора, в зависимо-

сти от тока базы Iб. Исследуем управление значением сопротивления Rкэ транзистора в зависимости от базового тока Iб при постоянном напряжении питания (Uкэ = const). Схема для получения зависимости Rкэ = f(Iб) биполярного транзистора (БПТ) типа 2N2222 приведена на рис. 1.2. Она представляет собой схему с общим эмиттером.

Рис. 1.2. Схема для получения зависимости Rкэ = f(Iб) БПТ типа 2N2222 со значениями напряжений и токов в узлах и ветвях

Параметры анализа в режиме по постоянному току (DC Analysis) приведены на рис. 1.3.

8

Рис. 1.3. Окно задания параметров анализа в режиме по постоянному току (DC Analysis) при воздействии трех температур −50, 0, +50 °C

Из рассмотрения графиков рис. 1.4 следует, что изменение температуры в широком диапазоне оказывает слабое влияние на коэффициент усиления по току транзистора βст и, следовательно, на сопротивление участка коллектор–эмиттер транзистора. Можно сделать вывод, что Rкэ транзистора представляет собой переменное сопротивление Rvar, управляемое базовым током. При включении этого сопротивления в состав резистивного делителя, состоящего из последовательного включения верхнего постоянного резистора Rconst и нижнего управляемого резистора Rvar, получим резистивный делитель с коэффициентом передачи Kдел = Kvar, который управляется внешним сигналом.

При выборе номинала Rvar, равным сопротивлению коллекторному постоянному резистора Rк, выходное напряжение рассматриваемого делителя составит половину напряжения питания Uпит/2.

При воздействии на управляемое сопротивление Rvar и питании управляемого резистивного делителя напряжения от источника постоянного напряжения получим изменяемое выходное напряжение Uвых дел.

Таким образом, можно представить электронный усилитель как управляемый делитель напряжения из последовательного соединения постоянного резистора Rconst и управляемого переменного резистора Rvar, запитанный от

9

а

Рис. 1.4. Графические зависимости: а) сопротивления участка коллектор–эмиттер Rкэ = f (Iб) БПТ типа 2N2222 (в логарифмическом масштабе); б) Iк = f (Iб) при β = 200

(в линейном масштабе) при изменении температуры транзистора в диапазоне от –50 до +50 °С

источника постоянного напряжения Uпит. Выходное напряжение такого делителя будет изменяться соответственно входному воздействию управляющего сигнала Uус пропорционально переменному сопротивлению участка коллектор–эмиттер транзистора Rкэ = Rvar, что представляет процесс усиления входного воздействия (в данном случае тока). Сформируем делитель напряжения из двух последовательно включенных резисторов Rconst и Rvar, где в качестве Rvar будет использован переход коллектор–эмиттер биполярного транзистора Q2 (рис. 1.5).

10

Рис. 1.5. Модель электронного усилителя в виде последовательного соединения: a) постоянного сопротивления Rconst и управляемого входным сигналом Rvar ;

б) схема реального усилителя при заданной рабочей точке каскада

Принцип работы электронного усилителя состоит в изменении сопротивления резистора Rvar под воздействием управляющего сигнала входного источника тока или напряжения. Изменение сопротивления Rvar влечет за собой изменение коэффициента передачи по напряжению резистивного делителя из двух резисторов Rconst и Rvar. Поскольку управляемый резистивный делитель с коэффициентом передачи напряжения Kдел питается от источника постоянного напряжения Uпит, то его выходное напряжение Uвых будет выражаться как:

Uвых = Uпит × Kдел = Uпит × Rvar/ (Rvar+ Rconst).

Для получения на выходе каскада усиления максимального размаха выходного напряжения необходимо иметь выходное напряжение покоя Uпок,

равным половине напряжения источника питания, т. е. Uпит/2. Обычно зада-

ние напряжения покоя, равного половине напряжения питания, называется начальной рабочей точкой по напряжению. При этом ток покоя, протекающий при отсутствии внешнего управляющего сигнала, называется рабочей точкой усилительного каскада по току (рис. 1.5, б).

Задание рабочей точки каскада по напряжению можно обеспечить с помощью выбора значения базового тока при расчетном значении коллекторного сопротивления. Итак, задавшись значением тока покоя Iк0 и полагая

напряжение на коллекторном резисторе равным половине напряжения питания, т. е. Uпит/2, можно найти значение коллекторного резистора Rк из сле-

дующего выражения:

11