Элементы схемотехники

Е. В. Воронов, П. В. Дудкин, А. Л. Ларин







                ЭЛЕМЕНТЫ СХЕМОТЕХНИКИ




Учебное пособие











Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.396.6
ББК 32.844
В75

Рецензенты:
Григорьев Александр Алексеевич, доцент, к. т. н.;
Филатов Иван Васильевич, доцент, к. ф.-м. н.






      Воронов, Е. В.
В75       Элементы схемотехники : учебное пособие / Е. В. Воронов, П. В. Дудкин, А. Л. Ла-
      рин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 148 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1178-3

           Представлены сведения о распространенных схемах на биполярных транзисторах, которые наряду со схемами простых усилителей часто встречаются на практике в так называемой лабораторной электронике, то есть при проведении экспериментальных исследований с использованием тех или иных электронных средств. Служит руководством по выполнению лабораторных упражнений.
           Для студентов радиотехнических специальностей. Может быть полезно специалистам в области инфокоммуникационных технологий.

УДК 621.396.6
                                                                         ББК 32.844

















ISBN 978-5-9729-1178-3

              © Воронов Е. В., Дудкин П. В., Ларин А. Л., 2023
              © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ


    Примеры обозначений напряжений и токов в тексте и на рисунках.5

    Введение...................................................6

    1.  Эмиттерный повторитель.................................10
    1.1. Коэффициент передачи.................................11
    1.2. Входное сопротивление................................11
    1.3. Выходное сопротивление...............................12
    1.4. Максимальный неискаженный сигнал.....................14
    1.5. Стабилизация режима транзистора по постоянному току..20
    1.6. Емкостная нагрузка...................................22
    1.7. Схема Дарлингтона....................................23
    1.8. Другие полезные и важные сведения в кратком изложении.27
    Задание 1.................................................29

    2.  Схема с общей базой...................................34
    2.1. Напряжения и токи во входной цепи....................35
    2.2. Входное сопротивление................................38
    2.3. Коэффициент усиления.................................38
    2.4. Сравнение схем с общей базой и с общим эмиттером......39
    2.5. Каскодная схема......................................41
    Задание 2.................................................42

    3.  Дифференциальный усилитель............................46
    3.1. Дифференциальный усилитель с одним входом............46
    3.2. Дифференциальный усилитель как последовательно включенные эмиттерный повторитель и схема с общей базой...49
    3.3. Коэффициенты усиления.................................51
    3.4. Входные сопротивления.................................53
    3.5. Источники стабильного тока в эмиттерной цепи.........54
    3.6. Входное сопротивление и коэффициент передачи для синфазного сигнала...................................57
    3.7. Токовое зеркало в качестве источника тока............59
    3.8. Токовое зеркало в качестве нагрузки...................61
    3.9. Числовой пример и другие дополнительные сведения......63
    Задание 3..................................................65


3

    4.  Усилитель мощности...................................72
    4.1. Принцип действия и основные характеристики (гипотетический случай)..................................73
    4.2. Нелинейные искажения................................78
    4.3. РежимАВ.............................................80
    4.4. Числовой пример и другие необходимые замечания......85
    Задание 4................................................91

    5.  Источники питания...................................100
    5.1. Выпрямители........................................100
      5.1.1. Однополупериодный выпрямитель..................100
      5.1.2. Схема с фильтром нижних частот.................109
    5.2. Стабилизаторы напряжения...........................116
      5.2.1. Стабилизация напряжения с помощью стабилитрона.116
      5.2.2. Стабилизаторы напряжения с эмиттерными повторителями.........................................123
    5.3. Другие сведения о выпрямителях и стабилизаторах напряжения..............................................126
    Задание 5...............................................135

    Литература..............................................144

ПРИМЕРЫ ОБОЗНАЧЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЙ И ТОКОВ В ТЕКСТЕ И НА РИСУНКАХ

    и БЭ ⁼ UБЭ + и бэ ⁽t⁾
    ибэ — полное напряжение между базой и эмиттером транзистора
    Uбэ — постоянное напряжение между базой и эмиттером или постоян-
    ная составляющая напряжения ибэ
    ибэ = ибэ (t) - переменная составляющая напряжения ибэ
    ибэ (t) = Uбэ.m cos (шt + ф)
    Uбэ.ₘ — амплитуда напряжения ибэ
    Uбэ - действующее (эффективное) значение напряжения ибэ
    Uбэ = Uбэ. ml 22

    и К = UК + и к⁽t⁾
     и к - полное напряжение в точке, указанной индексом, относительно земли (здесь - на коллекторе транзистора)
    ••• (далее — каквслучаенапряжения ибэ)

    /Э =IЭ + i э ⁽t⁾
     /Э - полное значение тока в ветви, к которой подключен указанный индексом вывод транзистора (здесь - эмиттер транзистора)
    ••• (далее — аналогично напряжению ибэ)

5

ВВЕДЕНИЕ


         В этом пособии речь пойдет о распространенных схемах на биполярных транзисторах, которые, наряду со схемами простых усилителей, часто встречаются на практике в так называемой лабораторной электронике, то есть при проведении экспериментальных исследований с использованием тех или иных электронных средств. Пособие призвано также служить руководством по выполнению предусмотренных в нем лабораторных упражнений.
         Применительно к n -p - n транзистору (рис. 0.1) приняты следующие обозначения: /3, /к, /5, u53, ик3 - полные значения тока эмиттера, тока коллектора, тока базы, напряжения база - эмиттер и напряжения коллектор - эмиттер соответственно. Каждый ток и каждое напряжение может представлять собой сумму соответствующих постоянной составляющей (среднего значения) 13,1к, I5, U53, UКз и переменной составляющей Ai3 = iэ (t), А/к ⁼ 4 (t), А/'б s iб (t), АиБ3 = ибэ (t), AuК3 = икэ (t); например: /к = Iк + /к (t) или и53 = U53 + ибэ (t).
         Всегда /3 = /к + /5, 13 = Iк +15, iэ (t) = iк (t) + iб (t).
         Один транзистор отличается от другого значением коэффициентов h213 ⁽def =¹ к /I5 и h21 э (def) = А/к ДА/ /5 . В дальнейшем, ради простоты, будем считать, что h213 « h2^э и в типичном случае отношение тока коллектора к току базы много больше 1; поэтому 13 «Iк и /э ® /к.


Рис. 0.1                              Рис. 0.2

6

          На рис. 0.2 представлена характеристика кремниевого транзистора
                                            и БЭ
⁷'э,К ® ¹0(Э,К) ■ eU                 С⁰-¹)
     в предположении, что напряжение икэ не слишком мало и от его значения токи /Э и /'к почти не зависят; Iо(э) и Iо(к) в (0.1) - близкие по величине константы размерности [А], а Ut - температурный (тепловой) потенциал: Ut = kT/qₑ , где к - постоянная Больцмана, равная 1.38 ■ 10“²³ Дж/К, T - абсолютная температура [К], qₑ - заряд электрона, равный 1.6 ■ 10“¹⁹ Кл; при комнатной температуре Ut ~ 0.025 В.
          Точка с координатами (Uбэ , Iэ) на графике /Э (ибэ ) [или, что практически то же самое, точка с координатами (Uбэ , Iк) на графике /к (ибэ )] во многих случаях отображает режим транзистора по постоянному току, то есть исходное состояние транзистора в схеме, когда питание уже включено, но сигнал еще не подан; при комнатной температуре Uбэ , как правило, не сильно отличается от середины интервала 0.6...0.7 В: UБэ »0.65 В.
          Как следует из построения, выполненного на рис. 0.2, где в точке (Uбэ , Iэ,к) проведена касательная к характеристике /'э,к (ибэ ), в пределах приблизительно Uбэ ± UT (то есть 0.65 ± 0.025 В) эмиттерный (коллекторный) ток почти линейно зависит от приращения А и бэ . Зная, чему равен тангенс угла наклона касательной а, можно установить количественную связь между переменной составляющей напряжения база - эмиттер иБз (t) и возникающими в результате ее действия переменными составляющими тока эмиттера iз (t) и тока коллектора iK (t).
          Линейное соотношение между малыми по величине АиБэ = иБз и Аiэ = iз принято записывать, используя представление о дифференциальном сопротивлении эмиттерного перехода гз:
1             1 UT
гз (def) = —-------=----------u~ = ~г,           (0.2)
d^-                , eU Iэ
ЛБэ (Uбэ ,Iэ) UT ;°|Э⁾
     Гз = 1/tg а; iз = иfₑ /г₃ .

7

         Коэффициент пропорциональности между переменной составляющей тока коллектора Л i^ = iK и Л и бэ = u g₃ носит название крутизны S:

UБЭ , uT

S(def) -du БЭ

        1 1 г „
        ⁻ U7 ■¹ аде (UБЭ ,IК ) UT

IК
UT

(0.3)

S - tg а; iK - S • и ^э.
      Из(0.2) и (0.3) следует, что
1
S « -,                                   (0.4)
гэ

точнее гэS — h21э/(h21э +1). Пример: если Iэ «Iк -1 мА, то гэ -- UTI3Э ~ 25 Ом и S -1К/UT * 40 мА/В.
     Наконец, приведем упрощенную эквивалентную схему биполярного транзистора для области средних частот (рис. 0.3), где в качестве еще одного шага в направлении возможно более простого представления свойств транзистора не станем принимать во внимание наличие внутритранзисторной обратной связи (h^ - 0) и слабую зависимость тока коллектора от напряжения коллектор - эмиттер (h22э - 0). В результате из полной эквивалентной схемы транзистора с h- параметрами исключаются элементы, показанные на рис. 0.3 пунктиром, а значения остающихся элементов Лцэ и h21 эi5 следующим образом выражаются через введенные выше гэ и S:


i э /hh21э + 1)

                                                ⁻ (h21э + 1) гэ



и

                     и ; _ и       и5э _    h21э   и5э _ г<
h21э i5 ⁻ h21э ,   ⁻ ,      . •    ⁻ Su5э.
h11s   h 21э ⁺¹ гэ

     Цель многочисленных приближений и упрощений, о которых сказано выше, заключается в том, чтобы, приступая к изучению новой схемы, можно было, не вдаваясь в подробности, найти приближенную оценку (ожидаемое значение) количественных характеристик этой схемы. Предполагается, что вслед за умозрительным (теоретическим) рассмотрением свойств данной схемы учащийся соберет эту схему и выполнит с ней предусмотренное экспериментальное исследование. Сравнение полученных в лаборатории результатов измерений с ожидаемыми

8

значениями соответствующих величин станет основанием для суждения о том, в какой степени были оправданы те или иные допущения.

Рис. 0.3

    При проведении измерений, предусмотренных заданиями к этой работе, необходимо принимать во внимание ограничения, накладывае

мые техническими характеристиками измерительных средств, используемых в лабораторном практикуме.
    В частности, сигнал, доступный учащемуся на его макетной плате в точке Выход генератора, не может по абсолютной величине превосходить 4.5 В. Кроме того, вследствие конечного сопротивления источника сигнала напряжение в этой точке может заметно отличаться от значения, указанного на экране компьютера в соответствующем окне; это различие тем больше, чем меньше сопротивление нагрузки, подключенной к выходу компьютерного генератора. Практически всегда нужно

путем непосредственного измерения определять напряжение, подаваемое на вход исследуемой схемы.
     В ряде случаев нельзя пренебрегать конечным сопротивлением цифрового вольтметра постоянного напряжения. Чтобы определить сопротивление со стороны входа АЦП 1:1 на плате сопряжения компьютерного генератора с макетной платой студента, нужно собрать схему, приведенную на рис. 0.4, предварительно измерив омметром сопротивле-

Реальный вольтметр

Рис. 0.4

ние резистора R⁰ :

U<Г ’

■ R ⁰.

R ᵥ =

Uп - и '■ ’


(0.5)

9

1. ЭМИТТЕРНЫЙ ПОВТОРИТЕЛЬ


    На рис. 1.1, а, б приведены простые схемы эмиттерных повторителей. Предполагается, что ко входу эмиттерного повторителя бывает подключен источник сигнала с ЭДС 8и и выходным (внутренним) сопротивлением /1и.
    Конденсаторы Cи^ и Cэн между выходом источника сигнала и базой транзистора в эмиттерном повторителе и между эмиттером транзистора и внешней нагрузкой RH являются вспомогательными элементами схем: они имеют косвенное отношение к принципу действия и характеристикам эмиттерного повторителя и необходимы только для того, чтобы разделять по постоянному току части схемы, расположенные по разные стороны от них. Емкости этих конденсаторов обычно выбираются достаточно большими, чтобы на средних частотах они представляли собой короткое замыкание для переменных составляющих токов, которые текут через них.
    ЭДС £и и напряжения Uвх и Uвых - действующие (эффективные) значения соответствующих гармонических колебаний, частота которых относится к области средних частот.
    Нагрузкой, на которой развивается сигнал на выходе эмиттерного повторителя, является резистор Rэ или параллельно включенные резисторы Rэ и RH с сопротивлением Rэ | |RH.

Рис. 1.1, а

Рис. 1.1, б

10

1.1. Коэффициент передачи


K(def) = U вых/U б (рис. 1.2)

     Согласно сказанному, сопротивление конденсатора Сиб переменному току пренебрежимо мало, и поэтому переменная составляющая напряжения на базе Uб практически равна Uвх.
     Если Iб, Iэ и UбЭ - действующие значения переменных составляющих тока базы, тока эмиттера и напряжения база - эмиттер, то
           Uб = UбЭ +1э • Rэ,
             Uвых ⁼ ¹ э •RЭ ,
где Iэ = (h21э ⁺1)'¹б и Uбэ = Iб • ^иэ, согласно принятой эквивалентной схеме транзистора и в предположении, что Uбэ

настолько мало, что имеет место линейная
связь между Aiэ ® Ai^ и ±Аи^э = >/2 • Uбэ; поэтому

_    (h21э ⁺¹)'¹б •RЭ    _     (h 21э ⁺1) RЭ        ,у п
•K                                             ■      ⁽¹.¹⁾
¹  б • h11a ⁺ (h21э ⁺ 1)’¹ б •RЭ h11a ⁺ (h21э ⁺ 1)RЭ
     K < 1; K стремится к 1 с увеличением Rэ ; K ® 1, если h1h <<(h21э ⁺ 1)RЭ .
     При наличии внешней нагрузки RH на месте Rэ в (1.1) должно быть Rэ| |Rₕ .


1.2. Входное сопротивление


Rbx (def) = U б /I б (рис. 1.2)

R вх

Uбэ +1э • Rэ = Ia^hD^^Ih^lL^lllI^lRl =
     Iб                 Iб
= h11э ⁺(h 21э ⁺ ¹) RЭ^

(1.2)

11

    Если hii₃ <<(h₂₁э +1) Rэ, то Rх «(h₂₁э +1) R3. При наличии внешней нагрузки RH на месте Rэ в (1.2) и в приближенном выражении для RBX должно быть Rэ | |RH.
    Когда IR (действующее значение переменной составляющей тока, текущего по R) не является пренебрежимо малым по сравнению с током базы Iб , то есть R сопоставимо по величине с RBX, о нагружающем действии входа эмиттерного повторителя на источник сигнала судят по RBx (def) = Uвх /Iвх = rb| |rbx .


1.3. Выходное сопротивление

R вых ⁽def) = U ВЫХ.ХХ IB вых.кз
     Найдем выходное сопротивление эмиттерного повторителя при условии, что к его входу подключен источник сигнала с собственным выходным сопротивлением (внутренним сопротивлением источника сигнала) Rw (рис. 1.3).
     Uвых.хх — выходное напряжение холостого хода, то есть умозрительно представляемое переменное напряжение между эмиттером и землей, когда сопротивление резистора Rэ равно бесконечности.
     Iвых.кз ⁼ Iэ.кз — переменный выходной ток короткого замыкания, то есть ток эмиттера Iэ при Rэ = 0.





Рис. 1.3

12