Схемы на биполярных транзисторах

1. Тема 8. Схемы на биполярных транзисторах

Цель: схемы задания рабочей точки;
токовое зеркало; составной
транзистор; усилительные каскады.

2. Смещение в усилителе с общим эмиттером для задания рабочей точки

• Шунтируемый резистор в эмиттерной
цепи.
• Согласованный транзистор.
• Обратная связь по постоянному току.
ЦЕЛЬ: Смещение в усилителе с общим эмиттером позволяет создать режим
транзистора в котором он имеет наибольшее усиление, при малой
зависимости от температуры

3. Шунтируемый резистор в эмиттерной цепи

Напряжение базы выбирается так,
чтобы ток базы был равен 1мА
Резистор Rэ выбран так, что его сопротивление составляет 0,1Rк
Шунтирующий эмиттерный конденсатор следует выбирать так, чтобы
его импеданс был небольшим по сравнению с rэ (а не с Rэ) на самой
низкой из интересующих вас частот. В данном случае его импеданс
составляет 25 Ом на частоте 650 Гц.

4. Применение согласованного транзистора

• Для получения напряжения базы и обеспечения
температурной компенсации используются
сдвоенные транзисторные пары
Изменение температуры не влияет на работу схемы, так как оба
транзистора находятся в одинаковых температурных условиях.

5. Обратная связь по постоянному току

• Если напряжение смещения подавать не от
источника питания , а от напряжения коллектора, то
это уменьшает склонность схемы к насыщению.
При уменьшении коллекторного напряжения
уменьшается напряжение смещения базы –
Это и есть обратная связь.

6. Токовое зеркало

• Биполярный транзистор может быть использован в
качестве простейшего преобразователя тока, но его
коэффициент передачи сильно зависит от колебаний
температуры, стойкости к бета-излучению и т. д. Для
устранения этих нежелательных помех токовое
зеркало состоит из двух каскадно соединенных
«ток — напряжение» и «напряжение — ток»
преобразователей, размещёных при одинаковых
условиях и имеющих обратные характеристики.

7. Токовое зеркало

Ток в коллекторе Т2=
Току в коллекторе Т1
Работа токового зеркала «программируется» путем задания
коллекторного тока транзистора Т1. Напряжение Uбэ для Т1
устанавливается в соответствии с заданным током, температурой
окружаюшей среды и типом транзистора.

8. Токовое зеркало

• Ток проще всего задавать с помощью
резистора
Недостатком токового зеркала является зависимость выходного тока
от выходного напряжения. КАК ВО ВСЕХ РЕАЛЬНЫХ ИСТОЧНИКАХ ТОКА!!!

9. Схема Дарлингтона

• Схема будет работать как один транзистор,
причем его коэффициент β будет равен
произведению коэффициентов β составляющих
транзисторов. Этот прием полезен для схем,
работающих с большими токами
Схема ведет себя как один транзистор с малым быстродействием

10. Схема Шиклаи

• Схема ведет себя как транзистор n-p-n
типа с большим коэффициентом
усиления
Изготавливается в одном корпусе

11. Дифференциальный усилитель

• Схема используется для усиления разности напряжений двух
входных сигналов.
• Если на входах ДУ сигналы изменяются одновременно и
одинаково, то такое изменение называется синфазным.
• Если сигналы на первом и втором входах изменяются поразному, то такое изменение называется дифференциальным, а
сигнал на выходе – разностным или дифференциальным.
Полезным является дифференциальный
сигнал, поэтому хороший ДУ характеризуется
высоким коэффициентом усиления дифференциального
сигнала, а коэффициент усиления синфазного
сигнала должен быть, наоборот, низким.

12. ДУ и КОСС

• ДУ часто характеризуют
коэффициентом ослабления
синфазного сигнала (КОСС): . Для
хорошего ДУ КОСС должен быть
большим.

13. Как работает дифференциальный усилитель

Рассмотрим работу ДУ, используя модель Эберса – Молла. При этом
применяются следующие условные обозначения: «↕» – изменение, «↑»
– увеличение, «↓» – уменьшение, «→» – следовательно.
1. Пусть сигналы на входах изменяются одинаково. Тогда
↕UВХ1 = UВХ2→↨UЭ1 = UЭ2→UБЭ1 = UБЭ2 = const→IК1 = IК2 =
const→UВЫХ = const.
2. Пусть сигнал меняется на вх. 1 относительно постоянного
уровня на вх. 2. Тогда
↑UВХ1→↑UЭ1→↑UЭ2→↓UБЭ2 при UВХ2 = const→↓IК2→↓URK→↑UВЫХ
= UК2,
и, наоборот,
↓UВХ1→↓UЭ1→↓UЭ2→↑UБЭ2 при UВХ2 = const→↑IК2→↑URK→↓UВЫХ
= UК2.
3. Пусть сигнал меняется на вх. 2 относительно постоянного
уровня на вх. 1. Тогда
↑UВХ2 при UВХ1 = const = UЭ1 = UЭ2→↑UБЭ2→↑IК2→↑URK→↓UВЫХ =
UК2,
и, наоборот,
↓UВХ2 при UВХ1 = const = UЭ1 = UЭ2→↓UБЭ2→↓IК2→↓URK→↑UВЫХ =
UК2.

14. Вывод

• Таким образом, в зависимости от
взаимного изменения уровня
напряжения на входах выходной сигнал
ДУ оказывается либо положительной,
либо отрицательной полярности,
поэтому принято называть вх. 1
неинвертирующим, а вх. 2 –
инвертирующим.

15. Стабилизатор напряжения

Данная схема является основой ряда стабилизаторов. При
подключении схемы к нестабилизированному источнику питания
открывается транзистор Т1. Как только ток через Т1 достигнет такой
величины, что на делителе окажется 10 В, а на базе Т2 –
соответственно 5 В, откроется транзистор Т2, и избыточный ток базы
Т1 через транзистор Т2 и стабилитрон будет «уходить» на землю.
Таким образом, транзистор Т2 «следит» за состоянием выхода схемы и
за счет ООС регулирует величину UВЫХ.

16. Понятие операционного усилителя

• ОУ представляют собой дифференциальные усилители с очень
большим коэффициентом усиления и очень большим входным
сопротивлением. ОУ используются с ООС и с ПОС.
вх1
Вых.
вх2
ООС – это процесс передачи выходного сигнала обратно на вход,
при котором погашается часть входного сигнала

17. Графическое обозначение ОУ

•Gopenloop: коэффициент усиления
с разомкнутой петлёй обратной связи
стремится к бесконечности
Подключение без внешних компонентов не применяется

18. Недостатки ОУ без ОС

• Коэффициент усиления с разомкнутой петлёй
обратной связи Gopenloop нормируется в
очень широких пределах и может изменяться
в тысячи раз (зависит сильнее всего от
частоты сигнала и температуры).
• Коэффициент усиления очень велик
(типичное значение 10 в 6
степени на постоянном токе) и не поддаётся
регулировке.
• Точка отсчёта входного и выходного
напряжений не поддаются регулировке.

19. Идеальный ОУ

• Идеальный ОУ не существует, но
представление о нем полезно для
дальнейшего изложения теории.

20. Характеристики идеального ОУ

Бесконечно большой коэффициент усиления с
разомкнутой петлей обратной связи Gopenloop
Бесконечно большое входное
сопротивление входов V- и V+. Другими
словами, ток, протекающий через эти входы, равен
нулю.
Нулевое выходное сопротивление выхода ОУ.
Способность выставить на выходе любое значение
напряжения.
Бесконечно большая скорость нарастания
напряжения на выходе ОУ.
Полоса пропускания: от постоянного тока до
бесконечности.

21. Отрицательная обратная связь

• Рассмотрим влияние ООС на свойства ОУ. Пусть А>>1 –
коэффициент усиления ОУ, не охваченного ООС (фактически
это коэффициент усиления дифференциального сигнала), а
B<1– коэффициент передачи цепи ООС. Таким образом, А U U BU
• . Тогда коэффициент усиления ОУ, охваченного ООС, К U А ,
U
1 АВ
где АВ – петлевое усиление, а (1 + АВ) – глубина ООС.
ВЫХ
ВХ
ВЫХ
ВХ
A
1
то К
В
При
ВЫХ

22. Простейший усилитель на ОУ

• Данная схема имеет ООС по напряжению, так как часть
выходного напряжения подается в противофазе обратно на
вход. Неинвертирующий усилитель.
Так как за счет ООС разность напряжений U– и U+ на входах ОУ сводится к 0, то
U U U ВХ U ВХ I1 R1
U ВЫХ R1 R2
R2
U ВЫХ
K
1
U вх R1 R2 R1
U ВХ
R1
R1

23. Выводы

• По сравнению с предыдущим вариантом
схема обладает большим входным
сопротивлением, поскольку вход ОУ не
потребляет тока, и меньшим выходным
сопротивлением, так как цепь ООС с
подключена параллельно выходу ОУ.
• ВАЖНОЕ, коэффициент передачи усилителя,
построенного на ОУ с достаточно большим
усилением, практически зависит только от
параметров обратной связи.

24. Инвертирующий операционный усилитель

• В инвертирующем ОУ используется ООС по току, поскольку
часть выходного тока отводится на инвертирующий вход и
вычитается из входного тока: I I B I.
ВХ
ВХ
ВЫХ
( I ВХ B I ВЫХ ) RВХ
U ВХ
Равно нулю ,
Виртуальная земля

25. Компаратор

• Компаратор – устройство,
определяющее момент равенства двух
входных напряжений:
1
U ВЫХ
, если U ВХ U 0 0
U ВЫХ 0
U ВЫХ , если U ВХ U 0 0

26. Компаратор на инвертирующем операционном усилителе

27. Недостаток простого компаратора

При реальном входном сигнале присутствует шумовая составляющая,
которая может приводить к появлению эффекта дребезга при переключении
компаратора
Шум
Дребезг

28. Триггер Шмитта

• Триггер Шмитта выполняется на ОУ с положительной
обратной связью (ПОС). ПОС обеспечивает быстрое
однократное переключение ОУ.
«Нечувствительность» схемы к шумовым выбросам
достигается за счет так называемого эффекта
гистерезиса, при котором состояние выхода зависит
не только от входа, но и от предыдущего состояния
схемы. Зона «нечувствительности» соответствует
напряжению и определяется разностью между
верхним и нижним порогами срабатывания триггера.

29. Триггер Шмитта

1
0
U ГИСТ U ВХ
U ВХ
U
1
ВХ
1
U ВЫХ
R1
R1 R2
0
U
0
U ВХ
ВЫХ R1
R1 R2
U ГИСТ
1
0
U ВЫХ
U ВЫХ
R1 R2
R1

30. Триггер Шмитта

Триггер Шмитта имеет два порога переключения из-за гистерезисной
передаточной характеристики. Обычный логический элемент имеет
один порог переключения.
5в
4.76 в
5в
0в
Используется для создания импульсов с крутыми фронтом
нарастания сигнала

31. Мультивибраторы

• Простейшая схема автоколебательного
мультивибратора, предназначенного для генерации
прямоугольных импульсов напряжения. Рассмотрим
процесс автоколебаний:
Для запуска автоколебаний необходимо обеспечить либо несимметричность
схемы, чтобы при включении питания оба транзистора не оказались
одновременно в насыщении, либо активный режим для обоих транзисторов,
и тогда автоколебание установится.

32. Описание работы мультивибратора шаг1

• 1. Пусть в исходном состоянии Т1 полностью открыт,
т.е. Uк1=0 , а Т2 закрыт, т.е. Uк2 = Uкк. Тогда
конденсатор С2 заряжается по цепи: Uкк--Rб2—C2—
T1--земля . В результате роста напряжения на C2
увеличивается потенциал Uб2 , и начинает
открываться Т2.

33. Описание работы мультивибратора шаг2

Переходный процесс опрокидывания схемы заключается в следующем
U Б2 U БЭ2 I K2 U K2 U Б1 U БЭ1 I К1 U K1 U Б2
Таким образом, действует ПОС, которая приводит к быстрому полному
Открыванию Т2 и закрыванию Т1
Тогда конденсатор С1 заряжается по цепи Rб2-С1-Т2-земля

34. Ждущий одновибратор

• Предназначен для выработки
одиночного импульса на выходе схемы.
Uout
Uупр