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
Часть 5 – Самостабилизирующиеся схемы
Часть 6 - Стабилизация сигнальных параметров
Часть 7 - Измерительные схемы
| Заказать книгу можно в интернет-магазине издательства |  |
7.4. Диапазон уровней
Шкалы уровней
Схемы со стабилизированными параметрами (особенно – схемы типа измерительных) работают в широком диапазоне уровней входных и выходных напряжении и токов нагрузки, когда нет смысла выделять понятие «входного сигнала» в противоположность «режиму покоя». Исходными данными являются границы шкал возможных мгновенных значений входных и выходных электрических величин.
И расчет номинальных значений для схемы ведется здесь уже не исходя из несуществующего «режима покоя», а из того условия, чтобы при любом возможном сочетании этих электрических величин сохранялся активный режим транзисторов схемы.
Проблема синфазного напряжения
Анализируя в «Шаге 4» соотношения уровней в простых линейных каскадах, мы заботились лишь о выходной цепи усилительной схемы, где присутствует «большой» сигнал. Но здесь уже этого недостаточно: ведь на первый каскад схемной структуры по цепи обратной связи тоже поступает, по меньшей мере, часть входного «большого» сигнала (а, то и весь целиком, как в повторителе).
Практически равные друг другу потенциалы на инвертирующем и не инвертирующем входах дифференциального усилителя – это так называемое синфазное напряжение. Собственно для ДУ оно вовсе не является входным, потому и не распространяется дальше первого каскада. Однако оно все-таки присутствует на выводах транзисторов (относительно «земли»). Значит, приходится не забывать проверять уровни напряжений не только в последнем, но и в первом (дифференциальном) каскаде.
| Радиолюбитель: | В чем суть проверки? |
Это же очевидно: при любых допустимых синфазных потенциалах на входе (от UВХ.min до UВХ.max) коллекторные переходы всех транзисторов, относящихся к входному каскаду, должны быть закрыты.
| Радиолюбитель: | Ах, да, раньше мы уже накладывали такое требование для дифференциального каскада. |
Верно.
Подобные же проверки для различных конфигураций вряд ли могут вызвать затруднения. К примеру, для рис. 7.13 потенциал на базе VT1 не вправе превышать значения E – UБЭ2 = E – 0.7 В и не должен опускаться ниже UБЭ1 + UБЭ3 = 1.4 В. Если нужно предусмотреть работу схемы также и при отрицательных напряжениях на входе, соответственно опускают и потенциал на коллекторе VT3 (рис. 7.20).
 |
|
| Рис. 7.20. | Расширение диапазона допустимых синфазных сигналов требует повышения UK1 и понижения UK3 |
Разумеется, подобные проблемы отпадают для схем типа преобразователей тока в напряжение: там синфазный сигнал равен нулю.
Уровни выхода
Вопрос об уровнях напряжений на выходе оконечного транзистора, освещенный в «Шаге 4», требует здесь уточнения по причинам, которые будут сейчас ясны. Так, рассмотрев в качестве примера схему на рис. 7.21, а, мы заключаем, что потенциал на ее выходе (эмиттер VT4) не может быть произвольным.
 |
|
| Рис. 7.21. | Шкала выходных напряжений ограничена (а); генератор балластного тока одновременно решает и задачу сдвига уровня (б) |
| Радиолюбитель: | Я вижу, что он никак не ниже напряжения на базе VT2, а иначе открылся бы коллекторный переход VT2. |
Да, выходное напряжение не может стать ниже синфазного. Возникает задача сдвига шкалы выходных уровней «вниз».
| Радиолюбитель: | Для чего? |
Потому что, возможно, требуется более широкий диапазон выходных напряжений. Заметьте еще одно: уже при UВЫХ = 0 закроется VT4 – ток его эмиттера снизится до нуля.
| Радиолюбитель: | Разве? |
Это закон Ома – посмотрите на ток через нагрузочный резистор. Возникает задача балластировки выходного транзистора.
Итак, работа с разнополярными сигналами даже на холостом ходу, т. е. при IН = 0, требует доработки схемы.
Сдвиг уровня
Строя схему типа масштабного усилителя разнополярных напряжений по типу рис. 7.16, б, мы сталкиваемся с ситуацией, когда выходное напряжение может быть как выше, так и ниже синфазного входного сигнала. Значит, приходится сопоставлять диапазоны уровней синфазного напряжения и уровней напряжений на выходе (шкалу выходных напряжений). Не всегда их легко совместить (рис. 7.21, а).
Схемы, подобные рис. 7.20, разрешают подобную трудность за счет применения транзистора другого типа проводимости, но этот вариант может быть проблематичным для интегральной схемы.
Рис. 7.21, б показывает реализацию сдвига уровня с применением генератора тока на VT5. В ней шкала выходных напряжений смещена относительно диапазона напряжений на коллекторе VT2 вниз на величину UБЭ4 + IК5R. Регулируя второе слагаемое, можно расположить эту шкалу относительно «нуля» желаемым образом, например, симметрично.
Балластный ток
Снова сравним рис. 7.21, а и б. Генератор тока на VT5 выполняет также еще одну функцию: задает балластный ток выхода, равный IК5, не допуская запирания выходного транзистора VT4 и обеспечивая самый нижний уровень выходного потенциала, равный потенциалу базы VT5.
Подведем итог – что мы должны сделать при создании схемы.
Во-первых. Выбрать напряжения питания так, чтобы E1 > UВЫХ.max и –E2 < UВЫХ.min.
Во-вторых. Если это требуется, то тем или иным способом «отвязать» шкалу выхода от шкалы синфазных напряжений.
В-третьих. Задать балластный ток оконечного транзистора из условия отсутствия закрывания для всех возможных значений UВЫХ.
| Радиолюбитель: | Но ведь простой резистор, присоединенный к «минусовой» питающей шине, тоже создает балластный ток. |
Это так, но проведите элементарные расчеты, и вы убедитесь, что оптимальное значение сопротивления подобрать сложно.
Ток нагрузки
Расчет требуемого балластного тока усложняется при IН ≠ 0. Наивно было бы полагать, что «сопротивление нагрузки» всегда включено между выходом и нулем.
| Радиолюбитель: | Мне так и казалось... |
Нагрузка может быть «привязана» не к нулевой шине. И даже быть вовсе не омической.
| Радиолюбитель: | То есть – нелинейной? |
Да. Следовательно, мы должны располагать в общем случае данными о том, как меняется IH в зависимости от UВЫХ, то есть вольтамперной кривой нагрузки!
Впрочем, фактически требуется знать лишь одно значение IH: для UВЫХ.max либо для UВЫХ.min, – смотря по тому, какой из этих случаев является «наихудшим», соответствующим наименьшему току последнего транзистора. Подгрузка балластным током призвана не допустить его закрывания в этом случае.
Двухполярные каскады
Схемы, подобные изображенной на рис. 7.22, исключают закрывание оконечного каскада. Поэтому они не нуждаются в балластных токах. Но надо быть готовым столкнуться со своими особенностями, иные из которых будут затронуты в дальнейшем.
 |
|
| Рис. 7.22. | В двухполярных оконечных каскадах обеспечиваются любые направления выходного тока |
Наше рассмотрение многотранзисторных схем, охваченных общей обратной связью (в том числе измерительных) ограничивалось пока лишь одной стороной: вопросами синтеза. Не менее важный вопрос количественного анализа – требует особого разговора, в «Шаге 8».
| Радиолюбитель: | Предвижу, что это сложная тема. |
Да, поэтому начинающий может поначалу ее и пропустить. Хотя проблемы стоят того, чтобы потратить на них время. В том числе, чтобы осознать: многотранзисторные структуры с общей отрицательной обратной связью – вовсе не панацея для решения любых задач линейной схемотехники, а лишь частное средство, занимающее (при грамотном его применении) свое скромное место.
Из книги С. А. Гаврилов. «Искусство схемотехники. Просто о сложном»
Продолжение читайте здесь
