Избранные главы из книги С. А. Гаврилова «Искусство схемотехники. Просто о сложном».
Продолжение
Начало читайте здесь:
Часть 1 – Транзисторы и их модели
Часть 2 – Стабилизация режима
Часть 3 – Вопросы из практики
Часть 4 – Что влияет на стабильность
| Заказать книгу можно в интернет-магазине издательства |  |
7.1. Самостабилизирующиеся схемы
Обратная связь по режиму
При рассмотрении элементарных линейных каскадов мы постоянно обращали внимание на такие схемы, определенные свойства которых почти не зависят от параметров примененных в них полупроводниковых приборов. Эта важная особенность обеспечивается отрицательной обратной связью (ООС), действующей в отдельном каскаде.
В случаях, когда необходимо удовлетворить еще более высоким требованиям к точности, используются сложные многотранзисторные схемы, представляющие собой единую структуру, охваченную общей ООС.
Но мы начнем с применения ООС для решения частной задачи. Вместо стабилизации режимов отдельных каскадов нередко реализуется идея общей стабилизации всей взаимосвязанной структуры при помощи отрицательной обратной связи по режиму, охватывающей схему целиком.
Это придает схемам удивительное свойство сохранять работоспособность в широком диапазоне изменений величин сопротивлений резисторов, напряжений питания и т. д. при минимальном числе пассивных элементов. Что, конечно, особенно ценно для интегральных схем.
| Радиолюбитель: | Мне всегда казалось, что авторы хитроумных схем – какие-то великие гении, владеющие секретами, неизвестными профанам. |
Секреты, действительно, есть. Задача этой книги – сделать их доступными каждому желающему.
Транзисторное кольцо
Создание самостабилизирующейся схемы всегда начинают с подбора транзисторного «скелета», образующего замкнутое кольцо отрицательной обратной связи. При этом обязательно учитывают три требования.
Требование 1. Входным электродом транзистора может служить база или эмиттер; выходным – эмиттер или коллектор.
Требование 2. Должно присутствовать нечетное число транзисторов, включенных в замкнутое кольцо участками база-коллектор. Это – очевидное условие того, чтобы обратная связь по режиму оказалась отрицательной.
Требование 3. Транзисторы должны совмещаться по уровням напряжений на электродах: их сочетание в структуре обязано обеспечивать им всем одновременно активный режим работы.
Подбор транзисторного кольца заканчивается установлением потенциалов всех точек схемы. Тем самым задается режим каждого из транзисторов по напряжению.
Для простейшей двухтранзисторной конфигурации – требованию отрицательной обратной связи удовлетворяют два варианта, изображенные на рис. 7.1 и 7.2.
|
|
||||||||
| Радиолюбитель: | Ну, вторая схема как-то подкачала... |
Верно: транзисторы несовместимы по уровням напряжений. Легко проследить, что они не могут одновременно находиться в активном режиме. Трудность разрешается сочетанием приборов разных типов полупроводниковых структур (рис. 7.3).
 |
|
| Рис. 7.3. | Комбинируются приборы с разными типами структур |
Задание потенциалов в схеме начинают с присоединения к источникам питания (в нужной полярности). А именно: питающие потенциалы подают на все электроды, не участвующие в образовании кольца обратной связи (см. рис. 7.4, где развита идея рис. 7.1). После этого, как видно по рисунку, задача нахождения потенциалов других точек схемы сделалась тривиальной. Пойдем дальше.
 |
|
| Рис. 7.4. | Все токи должны протекать от «плюса» к «минусу» источника питания |
Пути для токов
Каждому транзистору в кольце отрицательной обратной связи должен быть обеспечен активный режим работы. Для этого следует обеспечить пути для токов всех электродов с учетом их нормального направления. В примере на рис. 7.4, где эти направления обозначены, сразу заметно:
а) нет пути для токов IБ2 и IК1;
б) нет пути для тока IЭ2, помимо базы транзистора VT1 (а условие IЭ2 = IБ1 далеко не всегда приемлемо).
Дальнейшее превращение нашей схемы ясно из рис. 7.5. Осталось выбрать номиналы резисторов, с целью обеспечить заданные значения токов.
 |
|
| Рис. 7.5. | Резисторы образуют пути для токов |
| Радиолюбитель: | Это сложно? |
Такой расчет уже подготовлен, когда мы назначили потенциалы электродов: в дело вступает просто закон Ома.
| Радиолюбитель: | Ну, его-то я знаю... |
Тогда вам (для того же примера рис. 7.5) должно быть понятно:
| IК2 ≈ IЭ2 ≈ IR1 = 0.7 В / R1. | ||
| IК1 ≈ IR2 = (E – 1.4 В) / R2. |
Задайте токи и получите значения сопротивлений. Правда, мы пренебрегли малыми токами баз транзисторов; иначе следовало бы учесть, что:
| IЭ2 = IR1 + IБ1, | ||
| IК1 = IR2 – IБ2. |
Попробуйте в собранной схеме изменить величины резисторов относительно расчетных значений.
| Радиолюбитель: | Попытался: напряжения на выводах транзисторов почти не изменяются. Меняются только величины токов! |
Вот этим и ценны схемы, которыми мы занимаемся. Их трудно вывести из усилительного режима даже очень большими вариациями параметров элементов.
На рис. 7.6 и 7.7 показаны этапы создания варианта схемы, «скелет» которой соответствует рис. 7.3. Из рис. 7.7 легко взять соотношения, связывающие токи транзисторов и сопротивления резисторов (при выбранных напряжениях питания):
| IR1 = IЭ1 + IК2 = (E – EБ – 0.7 В) / R1, | ||
| IR2 = IК1 – IБ2 = 0.7 В / R2. |
А пример на рис. 7.8 уже иллюстрирует использование такой схемы в каскодном усилителе с низковольтным питанием. При низких питающих напряжениях нелегко стабилизировать режим обычными способами! Найдите здесь элементы, соответствующие рис. 7.7. Разберитесь, каким образом устранена отрицательная обратная связь по сигналу.
 |
|
| Рис. 7.6. | Для питания базы VT1 необходим отдельный более низкий потенциал |
 |
|
| Рис. 7.7. | Разработка схемы завершена |
 |
|
| Рис. 7.8. | Схемы с общей стабилизацией режима незаменимы при низковольтном питании |
Главный секрет
Раскрою его: режим любого транзистора кольца определяется только особенностями входа подключенного к нему (следующего в кольце общей ООС) транзистора.
Так, отмечая нестабильность тока активного элемента, не торопитесь возлагать вину на дрейф его собственных параметров: знайте, что проблемы вызваны исключительно нестабильностью входных величин (например, IБ, UБЭ) следующего транзистора в кольце!
Слабое звено
Подключение параллельно нагрузочному резистору одного из транзисторов участка база-эмиттер последующего – это всегда «слабое звено» в схемах с общей стабилизацией.
| Радиолюбитель: | Почему? |
Вспомните наш «главный секрет». Ток первого из транзисторов будет целиком находиться под влиянием температурного дрейфа напряжения UБЭ второго. Пропорциональное изменение тока транзистора, к которому подключен переход (например, VT2 на рис. 7.5) может оказаться недопустимым (скажем, вызвать заход в насыщение второго каскада усилителя рис. 7.6).
| Радиолюбитель: | Как же быть? |
Например, «привязать» конец резистора нагрузки к другому потенциалу.
Взгляните на рис. 7.9, а. Ток VT2 теперь равен:
| IЭ2 ≈ (E2 + 0.7 В) / R1. |
То есть, он тем более стабилен, чем выше Е2! Что, конечно, не спасет от нестабильности самого напряжения Е2.
 |
|
| Рис. 7.9. | Повышение стабильности достигается привязкой к дополнительным потенциалам |
Та же цель на рис. 7.9, б достигнута включением стабилитрона (его относительный температурный дрейф все-таки меньше).
Из книги С. А. Гаврилов. «Искусство схемотехники. Просто о сложном»
Продолжение читайте здесь
