Блокинг генератор на одном транзисторе расчет: Блокинг генератор: принцип работы

Важно! Обвальное развитие процесса открытия транзистора имеет название прямого блокинг-процесса.

В I обмотке трансформатора появляется положительное напряжение, что ведёт к возрастанию различных токов и, следовательно, продолжению снижения напряжения коллектора и базы усилителя. Совершается резкое нарастание коллекторного тока и напряжения на усилительном элементе. В следующий момент напряжение падает почти до нуля, и устройство переходит в режим насыщения.

Важно! Обвальное развитие процесса закрытия транзистора имеет название обратного блокинг-процесса.

Открытие усилителя происходит практически мгновенно, поэтому в течение всего этого времени потенциал конденсатора С1 и величина энергии в трансформаторе практически не претерпевают изменений. Фронт импульса сформирован.  Происходит образование вершины импульса, конденсатор С1 начинает заряжаться.

Выход усилительного элемента из режима насыщения означает, что ток у коллектора опять начинает зависеть от количества накопленного в базе транзистора заряда, а базовый ток уменьшается. Усилительные свойства транзистора начинают восстановление. В этот момент в первичной обмотке трансформатора формируется отрицательное относительно транзистора напряжение. Данный процесс ведёт к продолжению уменьшения коллекторного тока. Происходит формирование среза импульса.

Усилительный элемент находится в закрытом положении.  Происходит переход в исходное состояние. Физическая суть сводится к рассеянию энергии, появившейся за период появления сигнала-импульса в различных реактивных частях схемы. Так как здесь разность потенциалов на конденсаторе и величина энергии в трансформаторе не изменились, то закрытие транзистора провоцирует рост напряжения на коллекторе. В этот момент у блокинг-генератора происходит выброс напряжения. В некоторых случаях появляются паразитные колебания.

Ти » (3 – 5) R1С1 – таким выражением характеризуется автоколебательный режим.

Ждущий режим

При ждущем режиме работы рассматриваемого устройства генерация сигналов происходит только с помощью внешнего воздействия – на вход необходимо подать произвольные запускающие импульсы.

Ждущий режим работы

В начальном состоянии усилительный элемент закрывается отрицательным смещением на базе, и лавинообразное развитие процесса открытия транзистора начнется исключительно только после подачи противоположного по знаку импульса соответствующей амплитуды на базу.

Появление импульса происходит по полной аналогии автоколебательного режима, рассмотренного выше. Конденсатор С1 разряжается до изначального напряжения базы. Далее транзистор остается в закрытом состоянии до появления последующего запускающего импульса. Длительность сигналов, а также их форма, исходящих от рассматриваемого устройства, находятся в полной зависимости от параметров собранной схемы.

Чтобы цепь запуска не оказывала никакого воздействия на работу находящего в ждущем режиме блокинг-генератора, в представленной схеме присутствует специальный разделительный диод VD2. Его задачей является закрытие сразу за окончанием процесса открывания транзистора. Это действие обрывает связь между внешним источником и интересующим нас устройством. Допускается добавлять в расчёт представленной схемы эмиттерный повторитель.

Таким образом, подытоживаем принцип работы блокинг генератора на полевом транзисторе: если при исчезновении напряжения на базе транзистора условия, требуемые для повторения цикла без внешнего воздействия, не исполняются, то этот режим работы называется ждущим. Если же при исчезновении напряжения там же начинается новый цикл по образованию нового импульса без привлечения внешнего источника, то режим работы схемы автоколебательный.

Видео

Электротехника: Блокинг-генератор.

Рисунок 1 — Повышающий преобразователь на блокинг-генераторе

Рисунок 2 — Принцип работы блокинг-генератора с насыщающимся сердечником

в упрощённом виде

Рисунок 3 — Принцип работы блокинг-генератора с насыщающимся сердечником

с дополнительной обмоткой

в упрощённом виде

КАРТА БЛОГА (содержание)

Купить готовый модуль дуги http://ali.pub/16c1tt, http://ali.pub/16c2wi

Блокинг генератор на одном транзисторе принцип работы. Блокинг

Устройство блокинг-генератора

Блокинг-генератор представляет собой однокаскадный релаксационный генератор кратковременных импульсов с сильной индуктивной положительной обратной связью, создаваемой импульсным трансформатором.
Вырабатываемые ом импульсы имеют большую крутизну фронта и среза и по форме близки к прямоугольным. Длительность импульсов может быть в пределах от нескольких десятков нс до нескольких сотен мкс.
Обычно блокинг-генератор работает в режиме большой скважности, т. е. длительность импульсов много меньше периода их повторения. Скважность может быть от нескольких сотен до десятков тысяч.

Но одновременно с тем при большой скважности блокинг-генератор работает весьма экономично, так как транзистор потребляет энергию от источника питания только в течении небольшого времени формирования импульса.
Так же, как и мультивибратор, блокинг-генератор может работать в автоколебательном, ждущем режиме и режиме синхронизации.

Работа блокинг-генератора в автоколебательном режиме

Блокинг-генераторы могут быть собраны на транзисторах, включенных по схеме с ОЭ или по схеме с ОБ. Схему с ОЭ применяют чаще, так как она позволяет получить лучшую форму генерируемых импульсов (меньшую длительность фронта), хотя схема с ОБ более стабильна по отношению к изменению параметров транзистора.

Схема блокинг-генератора показана на рис. 1.

аботу блокинг-генератора можно разделить на две стадии. В первой стадии, занимающей большую часть периода колебаний, транзистор закрыт, а во второй — транзистор открыт и происходит формирование импульса. Закрытое состояние транзистора в первой стадии поддерживается напряжением на кондере С1, заряженным током базы во время генерации предыдущего импульса. В первой стадии кондер медленно разряжается через большое сопротивление резика R1, создавая близкий к нулевому потенциал на базе транзистора VT1 и он остается закрытым.

Когда напряжение на базе достигнет порога открывания транзистора, он открывается и через коллекторную обмотку I трансформатора Т начинает протекать ток. При этом в базовой обмотке II индуктируется напряжение, полярность которого должна быть такой, чтобы оно создавало положительный потенциал на базе. Если обмотки I и II включены неправильно, то блокинг-генератор не будет генерировать. Значится, концы одной из обмоток, неважно какой, необходимо поменять местами.

Положительное напряжение, возникшее в базовой обмотке, приведет к дальнейшему увеличению коллекторного тока и тем самым — к дальнейшему увеличению положительного напряжения на базе и т. д. Развивается лавинообразный процесс увеличения коллекторного тока и напряжения на базе. При увеличении коллекторного тока происходит резкое падение напряжения на коллекторе.

Лавинообразный процесс открывания транзистора, называющийся прямым блокинг-процессом , происходит очень быстро, и поэтому во время его протекания напряжение на кондере С1 и энергия магнитного поля в сердечнике практически не изменяются. В ходе этого процесса формируется фронт импульса. Процесс заканчивается переходом транзистора в режим насыщения, в котором транзистор утрачивает свои усилительные свойства, и в результате положительная обратная связь нарушается. Начинается этап формирования вершины импульса, во время которого рассасываются неосновные носители, накопленные в базе, и кондер С1 заряжается базовым током.

Когда напряжение на базе постепенно приблизится к нулевому потенциалу, транзистор выходит из режима насыщения, и тогда восстанавливаются его усилительные свойства. Уменьшение тока базы вызывает уменьшение тока коллектора. При этом в базовой обмотке индуктируется напряжение, отрицательное относительно базы, что вызывает ещё большее уменьшение тока коллектора и т. д. Образуется лавинообразный процесс, называемый обратным блокинг-процессом , в результате которого транзистор закрывается. Во время этого процесса формируется срез импульса.

Для ограничения обратного выброса включают «демпферный» диод VD1. Во время основного процесса диод закрыт и не влияет на работу блокинг-генератора. Диод VD1 включается параллельно коллекторной обмотке трансформатора.

Опосля всех этих процессов происходит восстановление схемы в исходное состояние. Это и будет промежуток между импульсами. Процесс, так сказать, молчания заключается в медленном разряде кондера С1 через резик R1. Напряжение на безе при этом медленно растет, пока не достигнет порога открывания транзистора и процесс повторяется.

Период следования импульсов можно приближенно определить по формуле:

T и ≈(3÷5)R1C1

Ждущий режим блокинг- генератора

По аналогии со ждущим мультивибратором , для блокинг-генератора этот режим характерен тем, что схема генерирует импульсы только при поступлении на её вход запускающих импульсов произвольной формы. Для получения ждущего режима в блокинг-генератор должно быть включено запирающее напряжение (рис. 2).

В исходном состоянии транзистор закрыт отрицательным смещением на базе (-E б) и прямой блокинг-процесс начинается только после подачи на базу транзистора положительного импульса достаточной амплитуды. Формирование импульса осуществляется так же, как и в автоколебательном режиме. Разряд кондера С после окончания импульса происходит до напряжения -E б. Затем транзистор остается закрытым до прихода следующего запускающего импульса. Форма и длительность импульсов, формируемых блокинг-генератором, зависит при этом от параметров схемы.

Для нормальной работы ждущего блокинг-генератора необходимо выполнить неравенство:

Т з ≥(5÷10)R1C1

где Т з — период повторения запускающих импульсов.

Для устранения влияния цепей запуска на работу ждущего блокинг-генератора включают разделительный диод VD2, который закрывается после открывания транзистора, в результате чего прекращается связь между блокинг-генератором и схемой запуска. Иногда в цепь запуска включают дополнительный каскад развязки (эмиттерный повторитель).

Примечание: сайт-

Выполняется он на базе усилительного элемента (например, транзистора) с сильной трансформаторной обратной связью. Чаще всего используют положительную обратную связь.

Преимущества и недостатки

Достоинством таких генераторов считается относительная простота, возможность подсоединения нагрузки через трансформатор. Форма генерируемых импульсов приближается к прямоугольной, скважность достигает десятков тысяч, длительность — сотен микросекунд. Предельная частота повторений импульсов достигает нескольких сотен кГц. Емкость колебательных контуров у таких устройств небольшая, обуславливается межвитковыми емкостями и, конечно же, емкостью монтажа. Благодаря этим качествам блокинг-генератор нашел широкое применение в производстве: в устройствах автоматики, регулирования и промышленной электроники.

Недостатком этих генераторов является зависимость частоты от изменения напряжения питания. Стабильность чем у мультивибратора, составляет всего 5-10 процентов.

Блокинг-генератор, собранный по схеме с положительной сеткой или с резонансным контуром, который настроен на частоту повтора импульсов, с фиксирующим диодом, имеет довольно высокую стабильность колебаний. Нестабильность частоты в таких схемах менее одного процента.

Существует множество схем реализации таких генераторов: ламповые транзисторные с базовым смещением, транзисторные с эмиттерной связью, с положительной сеткой, с усиленным каскадом, на полевых транзисторах и другие.

На фото изображен блокинг-генератор на

Наибольшую популярность получили устройства на обычных транзисторах. В таких устройствах обычно используют Генератор может работать в заторможенном режиме, он легко синхронизируется внешним сигналом.

Блокинг-генератор, принцип работы

Работа схемы разделяется на несколько этапов. Этап первый: происходит отпирание транзистора при поступлении импульса на эмиттер. Прибор начинает работать. Когда на базу транзистора поступает отпирающий ток, он вызывает накопление заряда, а также возрастание коллекторного тока. Через резистор осуществляемая обмотками импульсного трансформатора, возбуждает лавинообразный процесс нарастания базового, коллекторного токов и тока нагрузки. При этом уменьшается разность потенциалов между эмиттером и коллектором транзистора, когда она достигнет нуля, прибор переходит в состояние насыщения. Этап второй: пренебрегая сопротивлением первичной обмотки, считаем, что на обмотку подано постоянное напряжение питания. В результате на остальных обмотках трансформатора напряжение также неизменно. Характер изменения токов схемы определяется свойством цепей, которые включены последовательно с вторичными обмотками, а также со свойствами сердечника трансформатора. Например, при активной нагрузке ток будет постоянным. Ток на базе транзистора постоянный, но начинает уменьшаться при заряде конденсатора. Коллекторный ток определяется суммой тока намагничивания и переходных токов обмоток.

Ток намагничивания возрастает, характер роста определяется петлей гистерезиса материала сердечника. Вследствие этого увеличивается и ток коллектора. Это приводит к тому, что транзистор выходит из состояния насыщения, сформирована вершина импульса. Коллекторный ток снова становится зависимым от величины базового заряда, а базовый ток при этом начинает лавинообразно уменьшаться. Транзистор запирается, формируется срез импульса. При запирании прибора блокинг-генератор начинает восстанавливаться в исходное состояние.

Для тех из вас, кто не знает, о чем идёт речь, блокинг генератор — это крошечная схема с самозапиткой, которая позволит вам зажигать светодиоды от старых батареек, напряжение которых упало вплоть до 0.5 Вольт.

Вы думаете, что батарейка уже отжила свое? Подключите её к блокинг генератору и выжмите из неё всё до последней капли энергии своими руками!

Шаг 1: Компоненты и инструмент

Для проекта понадобится всего несколько вещей, которые видны на фотографии, но для тех из вас, кто любит читать, я приложу вариант списка в текстовом виде:

• Паяльник
• Припой
• Светодиод
• Транзистор 2N3904 или его эквивалент
• Резистор 1К
• Тороидная бусина
• Тонкий провод, двух цветов

Если вы найдёте транзистор 2N4401 или BC337, то светодиод будет гореть ярче, так как они рассчитаны под большую силу тока.

Шаг 2: Обмотайте тороид проводом

Сначала нужно обмотать проводом тороид. Свой я нашел в старом блоке питания. Тороиды похожи по форме на пончик и притягиваются магнитом.

Возьмите два провода, скрутите вместе их концы (вам необязательно делать так, но это немного упростит обмотку тороида).

Пропустите скрученные концы через тороид, затем возьмите два других (нескрученных конца) и обмотайте вокруг тороида. Не перекручивайте провода, убедитесь, что по всей обмотке нет места, где два повода с одинаковым цветом находятся рядом. В идеале нужно сделать 8-11 витков, находящихся на одинаковом расстоянии друг от друга и плотно прилегающих к тороиду. Как только вы завершите обмотку, отрежьте излишнюю длину провода, оставив около 5 см для соединения с другими компонентами схемы.

Снимите с концов проводов немного изоляции, затем возьмите по одному проводу с каждой стороны, убедившись что они разных цветов. Скрутите их и ваш тороид готов.

Шаг 3: Припаиваем компоненты

Пришло время спаять всё в одно устройство. Вы можете поместить всё на макетную плату, но в инструкции я решил собрать всё на коленке. Можете следовать текстовой инструкции или спаять всё по картинкам — там всё отлично отображено.

Сначала возьмите два внешних контакта транзистора и слегка отогните их наружу, а средний загните внутрь. Контакты светодиода также согните наружу. Это необязательный шаг, но он поможет проще спаять компоненты.

Возьмите один из проводов тороида, которые остались несоединёнными (всё правильно, один из нескрученных вместе проводов). Припаяйте его к одной из сторон резистора. Припаяйте другой конец резистора к среднему контакту транзистора.

Возьмите второй одиночный провод тороида и припаяйте его к коллектору транзистора. Припаяйте положительный контакт светодиода также к коллектору, а отрицательный контакт к эмиттеру.

Всё, что осталось сделать — это припаять удлинительный провод к отрицательному контакту светодиода. Возьмите кусок провода, который у вас был до этого, и припаяйте его к эмиттеру транзистора.

Шаг 4: Пробуем девайс в действии

Всё готово! Вы завершили ваш блокинг генератор на одном транзисторе. Приложите скрученные провода тороида к положительному контакту батарейки, а удлинительный провод к отрицательному контакту. Если всё собрано правильно, то светодиод загорится. Если светодиод не загорится, то попробуйте обмотать тороид более тонким проводом.

В генераторах с самовозбуждением (автогенераторах) для возбуждения электрических колебаний обычно используется положительная обратная связь. Существуют также автогенераторы на активных элементах с отрицательным динамическим сопротивлением, однако в качестве преобразователей они практически не используются.
Наиболее простая схема однокаскадного преобразователя напряжения на основе автогенератора показана на рис. 9.1. Этот вид генераторов получил название блокинг-генераторов. Фазовый сдвиг для обеспечения условия возникновения колебаний в нем обеспечивается определенным включением обмоток.

Рис. 9.1. Схема преобразователя напряжения с трансформаторной обратной связью

Аналог транзистора 2N3055 — КТ819ГМ.

Блокинг-генератор позволяет получать короткие импульсы при большой скважности. По форме эти импульсы приближаются к прямоугольным. Емкости колебательных контуров блокинг-генератора, как правило, невелики и обусловлены межвитковыми емкостями и емкостью монтажа. Предельная частота генерации блокинг-генератора — сотни кГц. Недостатком этого вида генераторов является выраженная зависимость частоты генерации от изменения питающего напряжения.

Резистивный делитель в цепи базы транзистора преобразователя (рис. 9.1) предназначен для создания начального смещения.

Несколько видоизмененный вариант преобразователя с трансформаторной обратной связью представлен на рис. 9.2.

Рис. 9.2. Схема основного (промежуточного) блока источника высоковольтного напряжения на основе автогенераторного преобразователя

Автогенератор работает на частоте примерно 30 кГц. На выходе преобразователя формируется напряжение амплитудой до 1 кВ (определяется числом витков повышающей обмотки трансформатора).

Трансформатор Т1 выполнен на диэлектрическом каркасе, вставляемом в броневой сердечник Б26 из феррита М2000НМ1 (М1500НМ1). Первичная обмотка содержит 6 витков; вторичная обмотка — 20 витков провода ПЭЛШО диаметром 0,18 мм (0,12…0,23 мм). Повышающая обмотка для достижения выходного напряжения величиной 700…800 В имеет примерно 1800 витков провода ПЭЛ диаметром 0,1 мм. Через каждые 400 витков при намотке укладывается диэлектрическая прокладка из конденсаторной бумаги, слои пропитывают конденсаторным или трансформаторным маслом. Места выводов катушки заливают парафином.

Этот преобразователь может быть использован в качестве промежуточного для питания последующих ступеней формирования вьюокого напряжения (например с электрическими разрядни­ками или тиристорами).

Следующий преобразователь напряжения (США) также выполнен на одном транзисторе (рис. 9.3). Стабилизация напряжения смещения базы осуществляется тремя последовательно включенными диодами VD1 — VD3 (прямое смещение).

Рис. 9.3. Схема преобразователя напряжения с трансформаторной обратной связью

Коллекторный переход транзистора VT1 защищен конденсатором С2, кроме того, параллельно коллекторной обмотке трансформатора Т1 подключена цепочка из диода VD4 и стабилитрона VD5.

Генератор вырабатывает импульсы, по форме близкие к прямоугольным. Частота генерации составляет 10 кГц и определяется величиной емкости конденсатора СЗ.

Аналог транзистора 2N3700 — КТ630А.

Схема двухтактного трансформаторного преобразователя напряжения показана на рис. 9.4. Аналог транзистора 2N3055 — КТ819ГМ.

Трансформатор высоковольтного преобразователя (рис. 9.4) может быть выполнен с использованием ферритового незамкнутого сердечника круглого или прямоугольного сечения, а также на основе телевизионного строчного трансформатора. При использовании ферритового сердечника круглой формы диаметром 8 мм число витков вьюоковольтной обмотки в зависимости от требуемой величины выходного напряжения может достигать 8000 витков провода диаметром 0,15…0,25 мм. Коллекторные обмотки содержат по 14 витков провода диаметром 0,5…0,8 мм. Обмотки

Рис. 9.4. Схема двухтактного преобразователя с трансформа торной обратной связью

Рис. 9.5. Вариант схемы высоковольтного преобразователя с трансформаторной обратной связью

обратной связи (базовые обмотки) содержат по 6 витков такого же провода. При подключении обмоток следует соблюдать их фазировку. Выходное напряжение преобразователя — до 8 кВ.

В качестве транзисторов преобразователя могут быть использованы транзисторы отечественного производства, например, КТ819 и им подобные.

Вариант схемы аналогичного преобразователя напряжения показан на рис. 9.5 . Основное различие заключается в цепях подачи смещения на базы транзисторов.

Число витков первичной (коллекторной) обмотки — 2×5 витков диаметром 1,29 мм; вторичной — 2×2 витков диаметром 0,64 мм. Выходное напряжение преобразователя целиком определяется числом витков повышающей обмотки и может достигать 10…30 кВ.

Преобразователь напряжения А. Чаплыгина не содеpжит резисторов (рис. 9.6). Он питается от батареи напряжением 5 В и способен отдавать в нагрузку до 1 А при напряжении 12 В.

Рис. 9.6. Схема простого высокоэффективного преобразователя напряжения с питанием от батареи 5 В

Диодами выпрямителя служат переходы транзисторов автогенератора.

Устройство способно работать и при пониженном до 1 В напряжении питания. Для маломощных вариантов преобразователя можно использовать транзисторы типа КТ208, КТ209, КТ501 и другие. Максимальный ток нагрузки не должен превышать максимального тока базы транзисторов.

Диоды VD1 и VD2 — не обязательны, однако позволяют получить на выходе дополнительное напряжение 4,2 В отрицательной полярности. КПД устройства около 85%.

Трансформатор Т1 выполнен на кольце К18×8×5 2000НМ1. Обмотки I и II имеют по 6, III и IV — по 10 витков провода ПЭЛ-2 0,5.

Преобразователь напряжения (рис. 9.7) выполнен по схеме индуктивной трехтонки и предназначен для измерений высокоомных сопротивлений и позволяет получить на выходе нестабилизированное напряжение 120… 150 В . Потребляемый преобразователем ток около 3…5 мА при напряжении питания 4,5 В. Трансформатор для этого устройства может быть создан на основе телевизионного трансформатора БТК-70. Его вторичную обмотку удаляют, взамен нее наматывают низковольтную обмотку преобразователя — 90 витков (два слоя по 45 витков) провода ПЭВ-1 0,19…0,23 мм. Отвод от 70-го витка снизу по схеме. Резистор R1 -величиной 12…51 кОм.

Рис. 9.7. Схема преобразователя напряжения по схеме индуктивной трехточки

Рис. 9.8. Схема преобразователя напряжения 1,5 В/-9 В

Преобразователь (рис. 9.8) представляет собой однотактный релаксационный генератор с емкостной положительной обратной связью (02, СЗ). В коллекторную цепь транзистора VT2 включен повышающий автотрансформатор Т1. В преобразователе использовано обратное включение выпрямительного диода VD1, т.е. при открытом транзисторе VT2 к обмотке автотрансформатора приложено напряжение питания Uп, и на выходе автотрансформатора появляется импульс напряжения. Однако включенный в обратном направлении диод VD1 в это время закрыт, и нагрузка отключена от преобразователя.

В момент паузы, когда транзистор закрывается, полярность напряжения на обмотках Т1 изменяется на противоположную, диод VD1 открывается, и выпрямленное напряжение прикладывается к нагрузке. При последующих циклах, когда транзистор VT2 запирается, конденсаторы фильтра (С4, С5) разряжаются через нагрузку, обеспечивая протекание постоянного тока. Индуктивность повышающей обмотки автотрансформатора Т1 при этом играет роль дросселя сглаживающего фильтра.

Для устранения подмагничивания сердечника автотрансформатора постоянным током транзистopa VT2 используется перемагничивание сердечника автотрансформатора за счет включения параллельно его обмотке конденсаторов С2 и СЗ, которые одновременно являются делителем напряжения обратной связи. Когда транзистор VT2 закрывается, конденсаторы С2 и СЗ в течение паузы разряжаются через часть обмотки трансформатора, перемагничивая сердечник Т1 током разряда.

Частота генерации зависит от напряжения на базе транзистора VT1. Стабилизация выходного напряжения осуществляется за счет отрицательной обратной связи (ООС) по постоянному напряжению посредством R2. При понижении выходного напряжения увеличивается частота генерируемых импульсов при примерно одинаковой их длительности. В результате увеличивается частота подзарядки конденсаторов фильтра С4 и С5 и падение напряжения на нагрузке компенсируется. При увеличении выходного напряжения частота генерации, наоборот, уменьшается. Так, после заряда накопительного конденсатора С5 частота генерации падает в десятки раз. Остаются лишь редкие импульсы, компенсирующие разряд конденсаторов в режиме покоя. Такой способ стабилизации позволил уменьшить ток покоя преобразователя до 0,5 мА.

Транзисторы VT1 и VT2 должны иметь возможно больший коэффициент усиления для повышения экономичности. Обмотка автотрансформатора намотана на ферритовом кольце К10×6×2 из материала 2000НМ и имеет 300 витков провода ПЭЛ-0,08 с отводом от 50-го витка (считая от «заземленного» вывода). Диод VD1 должен быть вьюокочастотным и иметь малый обратный ток.

Налаживание преобразователя сводится к установке выходного напряжения равным -9 В путем подбора резистора R2.

На рис. 9.9 показана схема преобразователя стабилизированного напряжения с широтно-импульсным управлением. Преобразователь сохраняет работоспособность при уменьшении напряжения батареи с 9….12 до 3 В. Такой преобразователь оказывается наиболее пригодным при батарейном питании аппаратуры.

кпд стабилизатора — не менее 70%. Стабилизация сохраняется при уменьшении напряжения источника питания ниже выходного стабилизированного напряжения преобразователя, чего не может обеспечить традиционный стабилизатор напряжения. Принцип стабилизации, использованный в данном преобразователе напряжения.

При включении преобразователя ток через резистор R1 от­крывает транзистор VT1, коллекторный ток которого, протекая че­рез обмотку II трансформатора Т1, открывает мощный транзистор VT2. Транзистор VT2 входит в режим насыщения, и ток через обмотку I трансформатора линейно увеличивается. В трансформаторе происходит накопление энергии. Через некоторое время транзистор VT2 переходит в активный режим, в обмотках трансформатора возникает ЭДС самоиндукции, полярность которой противоположна приложенному к ним напряжению (магнитопровод трансформатора не насыщается). Транзистор VT2 лавинообразно закрывается и ЭДС самоиндукции обмотки I через диод VD2 заряжает конденсатор СЗ. Конденсатор С2 способствует более четкому закрыванию транзистора. Далее процесс повторяется.

Через некоторое время напряжение на конденсаторе СЗ увеличивается настолько, что открывается стабилитрон VD1, и базовый ток транзистора VT1 уменьшается, при этом уменьшается ток базы, а значит, и коллекторный ток транзистора VT2. Поскольку накопленная в трансформаторе энергия определяется коллекторным током транзистора VT2, дальнейшее увеличение

Рис. 9.9. Схема преобразователя стабилизированного напряжения

напряжения на конденсаторе СЗ прекращается. Конденсатор разряжается через нагрузку. Таким образом на выходе преобразователя поддерживается постоянное напряжение.

Выходное напряжение задает стабилитрон VD1. Частота преобразования изменяется в пределах 20… 140 кГц.

Преобразователь напряжения , схема которого показана на рис. 9.10, отличается тем, что в нем цепь нагрузки гальванически развязана от цепи управления. Это позволяет получить несколько вторичных стабильных напряжений. Использование интегрирующего звена в цепи обратной связи позволяет улучшить стабилизацию вторичного напряжения.

Рис. 9.10. Схема преобразователя стабилизированного напряжения с биполярным выходом

Частота преобразования уменьшается почти линейно при уменьшении питающего напряжения. Это обстоятельство усиливает обратную связь в преобразователе и повышает стабильность вторичного напряжения. Напряжение на сглаживающих конденсаторах вторичных цепей зависит от энергии импульсов, получаемых от трансформатора. Наличие резистора R2 делает напряжение на накопительном конденсаторе СЗ зависимым и от частоты следования импульсов, причем степень зависимости (крутизна) определяется сопротивлением этого резистора. Таким образом, подстроенным резистором R2 можно устанавливать желаемую зависимость изменения напряжения вторичных обмоток от изменения напряжения питания. Полевой транзистор VT2 — стабилизатор тока. КПД преобразователя может доходить до 70… 90%.

Нестабильность выходного напряжения при напряжении питания 4… 12 В не более 0,5%, а при изменении температуры окружающего воздуха от -40 до +50°С — не более 1,5%. Максимальная мощность нагрузки — 2 Вт.

При налаживании преобразователя резисторы R1 и R2 устанавливаются в положение минимального сопротивления и подключают эквиваленты нагрузок Rн. На вход устройства подается напряжение питания 12 В и с помощью резистора R1 на нагрузке Rн устанавливается напряжение 15 В. Далее напряжение питания уменьшают до 4 В и резистором R2 добиваются напряжения на выходе также 15 В. Повторяя этот процесс несколько раз, добиваются стабильного напряжения на выходе.

Обмотки I и II и магнитопровод трансформатора у обоих вариантов преобразователи одинаковы. Обмотки намотаны на броневом магнитопроводе Б26 из феррита 1500НМ. Обмотка I содержит 8 витков провода ПЭЛ 0,8, а II — 6 витков провода ПЭЛ 0,33 (каждая из обмоток III и IV состоит из 15 витков провода ПЭЛ 0,33 мм).

Рис. 9.11. Схема понижающего преобразователя напряжения на основе блокинг-генератора

Схема простого малогабаритного преобразователя сетево­го напряжения, выполненного из доступных элементов, показана на рис. 9.11. В основе устройства обычный блокинг-генератор на транзисторе VT1 (КТ604, КТ605А, КТ940).

Трансформатор Т1 намотан на броневом сердечнике Б22 из феррита М2000НН. Обмотки Iа и Ib содержат 150+120 витков провода ПЭЛШО 0,1 мм. Обмотка II имеет 40 витков провода ПЭЛ 0,27 мм; III — 11 витков провода ПЭЛШО 0,1 мм. Вначале наматывается обмотка Iа, затем — II, после — обмотка Ib, и, наконец, обмотка III.

Источник питания не боится короткого замыкания или обрыва в нагрузке, однако имеет большой коэффициент пульсаций напряжения, низкий КПД, небольшую выходную мощность (до 1 Вт) и значительный уровень электромагнитных помех. Питать преобразователь можно и от источника постоянного тока напряжением 120 Б. В этом случае резисторы R1 и R2 (а также диод VD1) следует исключить из схемы.

Слаботочный преобразователь напряжения для питания газоразрядного счетчика Гэйгера-Мюллера может быть собран по схеме на рис. 9.12. Преобразователь представляет собой транзисторный блокинг-генератор с дополнительной повышающей обмоткой. Импульсы с этой обмотки заряжают конденсатор СЗ через выпрямительные диоды VD2, VD3 до напряжения 440 В. Конденсатор СЗ должен быть либо слюдяным, либо керамическим, на рабочее напряжение не ниже 500 В. Длительность импульсов блокинг-генератора примерно 10 мкс. Частота следования импульсов (десятки Гц) зависит от постоянной времени цепи R1, 02.

Рис. 9.12. Схема слаботочного преобразователя напряжения для питания газоразрядного счетчика Гейгера-Мюллера

Магнитопровод трансформатора Т1 изготавливают из двух склеенных вместе ферритовых колец К16×10×4,5 ЗОООНМ и изолируют его слоем лакоткани, тефлона или фторопласта. Вначале наматывают внавал обмотку III — 420 витков провода ПЭВ-2 0,07, заполняя магнитопровод равномерно. Поверх обмотки III накладывают слой изоляции. Обмотки I (8 витков) и II (3 витка) наматывают любым проводом поверх этого слоя, их также следует возможно равномернее распределить по кольцу.

Следует обратить внимание на правильную фазировку обмоток, она должна быть выполнена до первого включения.

При сопротивлении нагрузки порядка единиц МОм преобразователь потребляет ток 0,4… 1,0 мA.

Преобразователь напряжения (рис. 9.13) предназначен для питания фотовспышки. Трансформатор Т1 выполнен на магнитопроводе из двух сложенных вместе пермаллоевых колец К40х28х6. Обмотка коллекторной цепи транзистора VT1 имеет 16 витков ПЭВ-2 0,6 мм; его базовой цепи — 12 витков такого же провода. Повышающая обмотка содержит 400 витков ПЭВ-2 0,2.

Рис. 9.13. Схема преобразователя напряжения для фотовспышки

Неоновая лампа HL1 использована от стартера лампы дневного света.

Выходное напряжение преобразователя плавно повышается на конденсаторе фотовспышки до 200 В за 50 секунд. Устройство при этом потребляет ток до 0,6 А.

Для питания ламп-вспышек предназначен преобразователь напряжения ПН-70, являющийся основой описываемого ниже устройства (рис. 9.14). Обычно энергия батарей преобразователя расходуется с минимальной эффективностью. Вне зависимости от частоты следования вспышек света генератор работает не­прерывно, расходуя большое количество энергии и разряжая батареи.

Рис. 9.14. Схема модифицированного преобразователя напряжения ПН-70

Перевести работу преобразователя в ждущий режим удалось О. Панчику, который включил на выходе преобразователя резистивный делитель R5, R6 и подал сигнал с него через стабилитрон VD1 на электронный ключ, выполненный на транзисторах VT1 — VT3 по схеме Дарлингтона. Как только напряжение на конденсаторе фотовспышки (на схеме не показан) достигнет номинального значения, определяемого значением ре­зистора R6, стабилитрон VD1 пробьется, а транзисторный ключ отключит батарею питания (9 В) от преобразователя. Когда на­пряжение на выходе преобразователя понизится в результате саморазряда или разряда конденсатора на лампу-вспышку, стабилитрон VD1 перестанет проводить ток, произойдет включение ключа и, соответственно, преобразователя.

Транзистор VT1 должен быть установлен на медном радиаторе размерами 50×22×0,5 мм.

Электрическая схема блокинг генератора на одном транзисторе с описанием принципа работы для сборки своими руками. Транзистор может быть биполярным или полевым. Изобрели блокинг в ту пору, когда еще не было микросхем, но схема вызывает интерес до сих пор.

Блокинг генератор — автогенератор с сильной трансформаторной положительной обратной связью, предназначенный для генерирования кратковременных импульсов с большим отношением периода к длительности импульса, т.е. с большой скважностью импульсов. Частота блокинг генератора может составлять от нескольких Герц до сотен КГц.

Схема блокинг-генератора и временные диаграммы работы показана на вкладке (кликабельно). Обмотка связи подключена к переходу эмиттер-база транзистора VT последовательно через конденсатор С. При включении питания схемы небольшое нарастание коллекторного тока через обмотку связи вызывает появление и рост базового тока. Этот процесс лавинообразный и приводит к переходу транзистора в состояние насыщения.

Этим же током конденсатор заряжается, тем самым уменьшая напряжение база-эмиттер. При достижении равенства напряжения зарядки конденсатора напряжению на обмотке связи ток базы и соответственно ток коллектора резко спадают до нуля. В выходной обмотке формируется почти прямоугольный импульс напряжения.

Поскольку, с этого момента напряжение обратной связи почти нулевое, напряжение отрицательной полярности конденсатора С прикладывается к переходу база-эмиттер и переводит транзистор в состояние отсечки. Далее начинается процесс разряда конденсатора С экспоненциально через R от источника питания. При достижении напряжения открывания, начинается лавинообразный рост тока транзистора и формирование нового импульса, процесс становиться периодическим.

Транзистор может быть любым с достаточно высоким коэффициентом усиления. Трансформатор обычно наматывается на ферритовом кольце. Коллекторная обмотка содержит 30-50 витков провода. Обмотка связи 3-5 витков. Чем меньше размеры кольца и ниже планируемая частота генерации, тем больше требуется витков. Если используется полевой транзистор, обмотка связи содержит столько же витков сколько и возбуждающая обмотка, поскольку для управления ключевыми полевым транзистором требуется напряжение от 4 до 20 Вольт.

Транзистор генератора необходимо защитить от выбросов ОЭДС. Если транзистор полевой, достаточно поставить диод между затвором и плюсом источника питания. В таком варианте импульс на стоке будет срезаться на уровне напряжения ИП плюс падение на диоде (0,5 — 1 В). От перенапряжения на стоке полевые транзисторы обычно защищены встроенными диодами.

В простейшем случае можно обойтись без конденсатора. В таком варианте переключение блокинг генератора происходит при насыщении кольца. Упрощенная схема может быть использована при низковольтном питании и малых размерах кольца. КПД схемы достаточно низкий.

Частота блокинг генератора сильно зависит от питающего напряжения. В этой связи лучше использовать генераторы импульсов на микросхемах, тем более что не потребуется мотать обмотку связи. Блокинг имеет смысл использовать в случае когда напряжение источника питания не превышает нескольких вольт, например при питании от 1-3 батареек. Если использовать германиевый транзистор, возможна работы схемы при разрядке батареек до 0,5 В.

Блокинг-генератор на полевом транзисторе и передатчик на длинные волны.

Блокинг -генератор всего из двух деталей.Без конденсаторов будет работать,но лучше с ними.Питание-от 2.4В ,два аккумулятора по 1.2В.

Трансформатор наматывать на ферритовом стержне от контуров радиоприемников,диам.3мм.Обмотки 1-2-содержат по 15 витков провода 0.7мм,отвод от середины.Вначале собираете генератор с таким трансформатором и подключаете нагрузку-лампу накаливания 6.3В*0.3А.Лампа светит почти в полный накал,но транзистор будет нагреваться.Осциллограмму в этом режиме вы увидете на видео.Потом на трансформатор,поверх катушек 1-2 мотаете третью катушку в том-же направлении,что и первые две.Катушка содержит 20витков того-же провода.Теперь подключаете нагрузку как показано на схеме,и ба-бах!Лампа светит так ярко,что почти сейчас сгорит.Осциллограмма похожа на прямоугольник,и это показано на видео.Транзистор не греется,но остается немного теплым.С третьей катушкой можно намотать и больше витков,и посмотреть результат.

Транзистор с которым я работал-IRF3711S.Другие подходящие транзисторы-70n03s.fdb7030l.fdb6670al.85t03h.apm2506n и другие.На выход можно подкючить диод Шоттки и конденсатор,и получится преобразователь напряжения.

Видео работы блокинг-генератора.

Простая схема генератора высокого напряжения — Дуговый генератор

Здесь объясняется простая схема генератора высокого напряжения, которую можно использовать для повышения любого уровня постоянного тока примерно до 20 раз или в зависимости от номинала вторичной обмотки трансформатора.

Работа схемы

Как видно из показанной принципиальной схемы высоковольтного дугового генератора, в нем используется стандартная конфигурация генератора блокировки транзистора для генерации необходимого повышенного напряжения на выходной обмотке трансформатора.

Схема может быть понята следующим образом:

Транзистор проводит и управляет соответствующей обмоткой трансформатора через коллектор / эмиттер в момент, когда мощность подается в центр трансформатора.

Принципиальная схема

Верхняя половина обмотки трансформатора просто обеспечивает обратную связь с базой транзистора через C2, так что T1 остается заблокированным в режиме проводимости, пока C2 не зарядится полностью, сломав защелку и заставив транзистор начать работу. цикл проведения заново.

R1, который представляет собой резистор 1 кОм, расположен так, чтобы ограничить базовое возбуждение для T1 до безопасных пределов, в то время как VR1, который является предварительно установленным 22 кОм, может быть отрегулирован для получения эффективно пульсирующей частоты T1.

C2 можно также точно настроить, пробуя другие значения до тех пор, пока на выходе trafo не будет достигнута максимально возможная мощность.
Трансформатор может быть любым понижающим трансформатором с железным сердечником (500 мА), обычно используемым в переходных блоках переменного / постоянного тока трансформаторного типа.

Выходной сигнал прямо на выходе трансформатора будет на номинальном уровне вторичной обмотки, например, если это вторичная обмотка 220 В, то можно ожидать, что выход будет на этом уровне.

Вышеупомянутый уровень может быть дополнительно усилен или повышен с помощью подключенного диода, цепи накачки заряда конденсатора, подобной сети генератора Кокрофта-Уолтона.

Сеть повышает уровень 220 В до многих сотен вольт, что может быть вызвано искрой на правильно расположенных концевых выводах схемы накачки заряда.

Схема также может использоваться в летучих мышах против комаров, заменив трансформатор с железным сердечником на аналог с ферритовым сердечником.

Цепь генератора высокой мощности 10 кВ

При питании от входной мощности 30 В схема, описанная ниже, может обеспечивать высокое напряжение в диапазоне от 0 до 3 кВ (тип 2 и даже от 0 до 10 кВ. Вентили NAND N1 —- N3 подключены как нестабильный мультивибратор (AMV), который питает транзисторы Дарлингтона T1 / T2 с частотой основной волны 20 кГц. Из-за уменьшенной циркуляции тока (решено R4 через транзисторы, они не могут насыщаться, что приводит к быстрому отключению.Невероятно быстрое переключение транзисторов генерирует пульсирующий сигнал около 300 В на первичной обмотке Tr1.

Это напряжение впоследствии увеличивается и увеличивается пропорционально коэффициенту вращения вторичных обмоток. В 1-м варианте (тип 1) схемы используется однополупериодное выпрямление. Версия 2 на самом деле представляет собой каскадный выпрямитель, извлеченный из старого телевизора.

Вариант 2 обеспечивает напряжение в 3 раза больше, чем версия 1, поскольку каскадный выпрямитель работает как умножитель напряжения (3Х).IC2 контролирует выходное напряжение. Операционный усилитель сравнивает напряжение, создаваемое на предустановке P1, с напряжением, существующим на переходе делителей напряжения R6 / R8 или R7 / R8. В случае, если выходное напряжение превышает предварительно установленный уровень напряжения, IC2 может снизить напряжение питания по направлению к выходу, используя T3. Основным звеном схемы является трансформатор. Несмотря на то, что это довольно жизненно важно, его дизайн не так важен.

Ряд ферритовых сердечников E, EI диаметром 30 мм могут работать очень хорошо и без особых усилий.Сердечник не должен иметь никаких воздушных зазоров, значение AL 2000 нГн будет вполне подходящим. Первичная обмотка включает 25 витков суперэмалированного медного провода 0,7 мм и 1 мм, а вторичная обмотка состоит из 500 витков суперэмалированного медного провода 0,2… 0,3 мм.

Первичная и вторичная обмотки должны быть эффективно изолированы друг от друга! В зависимости от высокого напряжения пользователь должен учитывать следующие моменты: Конденсатор C6 должен выдерживать напряжение минимум 3 кВ.R6 в версии 1 включает шесть последовательно включенных резисторов номиналом 10 МОм. R7 — это резистор 10 МОм, построенный с использованием последовательно включенных 10 НОС по 1 МОм. Это реализовано для противодействия выбросам на выходе. Обе схемы потребляют около 50 мА без подключенной нагрузки и 350 мА, обеспечивая при этом 2… 3 Вт на нагрузку. Транзисторам T2 и T3 могут потребоваться радиаторы.

Простая схема генератора синусоидальной волны с использованием транзистора

Ранее мы построили простую схему генератора прямоугольной волны, сегодня в этом руководстве мы собираемся показать вам , как сгенерировать синусоидальную волну , используя несколько основных компонентов, таких как транзистор, резистор и конденсатор. Синусоидальная волна чаще всего известна как форма волны переменного тока. В этой схеме мы также построим переменную форму волны, мы сможем регулировать частоту или уменьшить шум синусоидальной волны, просто изменяя номинал конденсаторов и резисторов.

• 2N2222 NPN-транзистор
• Осциллограф
• Резистор (510, 1 кОм, 10 кОм и 2 кОм)
• Конденсаторы (90 нФ, 100 нФ и 200 нФ)
• Питание 12В
• Соединительные провода

Если вы видите изображение соединений на макетной плате ниже, вы найдете больше конденсаторов, чем показано на принципиальной схеме выше.Это потому, что мы подключили несколько конденсаторов последовательно и параллельно, чтобы получить требуемые номиналы конденсаторов, показанные на принципиальной схеме. Также можно использовать любой NPN-транзистор вместо указанного в схеме. Также вы можете изменить номинал резистора и конденсатора, чтобы изменить уровень частоты.

Здесь мы подаем на схему 12 В, и мы не можем подавать его напрямую на транзистор.Итак, для этого мы используем резисторы R1 и R2, составляя схему делителя напряжения для смещения транзистора Q1. Мы использовали транзистор типа NPN, который проводит ток или смещается в прямом направлении только тогда, когда на его базовый вывод подается положительный сигнал, в противном случае он остается открытым или смещенным в обратном направлении.

Пара из трех резисторов (R3, R5 и R6) и конденсатора (C1, C2 и C3) образует в цепи RC-генератора . Это тип генератора обратной связи, который состоит из усилительного устройства, такого как транзистор, который используется в нашей схеме, или мы также можем использовать операционный усилитель.

Первоначально вход RC-цепи — постоянный ток, но после первого переключения он преобразуется в синусоидальную волну, а затем остается в синусоидальной волне.

Мы использовали три конденсатора, каждый конденсатор дает 60 градусов фазового сдвига. Итак, общий фазовый сдвиг, который мы получаем, составляет 180 градусов, что требуется для синусоидальной волны.

В RC-генераторе часть выходной энергии возвращается на его вход, для получения положительной обратной связи положительная обратная связь помогает амплитуде выходного сигнала оставаться стабильной.Следовательно, выход RC-цепи представляет собой синусоидальную волну с фазовым сдвигом 180 градусов, которая подается на транзистор, и здесь транзистор работает как усилитель, который усиливает синусоидальную волну, и мы получили ее на выходном контакте.

Конденсатор C5 действует как конденсатор связи, который блокирует постоянный ток и пропускает через него только синусоидальную волну, а резистор R4 ограничивает ток коллектора.

Мы также можем использовать IC 4047 для генерации синусоидальной волны.Эта ИС обычно используется в схеме инвертора, и мы ранее сделали генератор прямоугольных импульсов с использованием этой ИС, добавив несколько резисторов и конденсаторов в предыдущую схему, мы можем получить синусоидальную волну с IC 4047, как показано на схеме ниже:

Ниже приведена небольшая схема, которую нам нужно добавить в наш генератор прямоугольной волны, чтобы преобразовать прямоугольную волну в синусоидальную волну.

Как рассчитать значение Vce в транзисторе

Транзисторы — это строительные блоки современной электронной эры.Они работают как небольшие усилители, которые усиливают электрические сигналы по мере необходимости для облегчения работы схемы. Транзисторы состоят из трех основных частей: базы, коллектора и эмиттера. Параметр транзистора «Vce» означает напряжение, измеренное между коллектором и эмиттером, что чрезвычайно важно, поскольку напряжение между коллектором и эмиттером является выходным сигналом транзистора. Более того, основная функция транзистора заключается в усилении электрических сигналов, и Vce представляет результаты этого усиления.По этой причине Vce является наиболее важным параметром при проектировании схем транзисторов.

Найдите значение напряжения коллектора (Vcc), резисторов смещения (R1 и R2), резистора коллектора (Rc) и резистора эмиттера (Re). Используйте схему транзистора на веб-странице Learning About Electronics (см. Ссылку в разделе Ресурсы) в качестве модели того, как эти параметры схемы подключаются к транзистору. Обратитесь к электрической схеме вашей транзисторной схемы, чтобы найти значения параметров.Для наглядности предположим, что ваш Vcc составляет 12 вольт, R1 — 25 кОм, R2 — 15 кОм, Rc — 3 кОм и Re — 7 кОм.

Найдите значение бета для вашего транзистора. Бета — это текущий коэффициент усиления или коэффициент усиления транзистора. Он показывает, насколько транзистор усиливает базовый ток, то есть ток, который появляется на базе транзистора. Бета — это константа, которая для большинства транзисторов находится в диапазоне от 50 до 200. См. Паспорт транзистора, предоставленный производителем.Найдите в таблице данных фразу «коэффициент усиления по току», «коэффициент передачи по току» или переменную «hfe». При необходимости обратитесь к производителю транзистора для получения этого значения. Для наглядности предположим, что бета равно 100.

Рассчитайте номинал базового резистора Rb. Базовый резистор — это сопротивление, измеренное на базе транзистора. Это комбинация R1 и R2, как указано формулой Rb = (R1) (R2) / (R1 + R2). Используя числа из предыдущего примера, уравнение работает следующим образом:

Rb = [(25) (15)] / [(25 + 15)] = 375/40 = 9.375 кОм.

Рассчитайте базовое напряжение Vbb, которое представляет собой напряжение, измеренное на базе транзистора. Используйте формулу Vbb = Vcc * [R2 / (R1 + R2)]. Используя числа из предыдущих примеров, уравнение работает следующим образом:

Vbb = 12 * [15 / (25 + 15)] = 12 * (15/40) = 12 * 0,375 = 4,5 вольт.

Рассчитайте ток эмиттера, то есть ток, протекающий от эмиттера к земле. Используйте формулу Ie = (Vbb — Vbe) / [Rb / (Beta + 1) + Re], где Ie — переменная для тока эмиттера, а Vbe — это напряжение от базы к эмиттеру.Установите Vbe на 0,7 В, что является стандартом для большинства транзисторных схем. Используя числа из предыдущих примеров, уравнение работает следующим образом:

Ie = (4,5 — 0,7) / [9,375 / (100 + 1) + 7000] = 3,8 / [92,82 + 7000] = 3,8 / 7,092 = 0,00053 ампер. = 0,53 мА. Примечание. 9,375 кОм — это 9 375 Ом, а 7 кОм — 7000 Ом, что отражено в уравнении.

Рассчитайте Vce по формуле Vce = Vcc — [Ie * (Rc + Re)]. Используя числа из предыдущих примеров, уравнение работает следующим образом:

Vce = 12-0.00053 (3000 + 7000) = 12 — 5,3 = 6,7 вольт.

10. Усилители — документация elec2210 1.0

10.4. Обзор

10.4.1. Основы МОП-транзисторных усилителей

Рассмотрим полевой МОП-транзистор с резистивной нагрузкой на стоке, как показано на рисунке 1. Эта схема очень похожа на инвертор с резистивной нагрузкой.

Рисунок 1: Идеальный усилитель MOSFET.

Изменение Vgs вызывает изменение IDS, которое затем вызывает изменение выходного напряжения.

Итак, теория первого порядка дает нам.

Коэффициент усиления по напряжению составляет:

(1)

называется крутизной GM.

Это уравнение, однако, предполагает очень небольшое входное напряжение переменного тока, так что изменение выходного напряжения остается небольшим.

Итак, если мы сделаем усиление напряжения малого сигнала равным 100 и установим амплитуду входного напряжения переменного тока равной 1 мВ, то амплитуда выходного напряжения переменного тока будет 100 * 1 мВ = 0,1 В.

10.4.2. Колебание выходного напряжения — максимальное увеличение с помощью конструкции точки смещения

Теперь, если, не будет иметь амплитуду 2 В * 100 = 200 В.Скорее будет насыщать, как мы продемонстрировали на реальном усилителе.

Когда значение ниже порога, транзистор отключается. Таким образом, максимально возможное.

Когда он очень высокий, ток будет увеличиваться и, следовательно, уменьшаться.

Для идеального транзистора с идеальным изгибом напряжения или с напряжением насыщения стока наилучшее минимальное значение, которого мы можем достичь, происходит, когда и уменьшается до нуля.

Если мы далее предположим, что транзистор является линейным, мы обнаружим, что максимальный размах выходного напряжения / 2 может быть получен, если мы выберем постоянный ток, равный, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2: Идеальная линия нагрузки.

Сопротивление нагрузки — это просто отношение размаха напряжения (или) к размаху тока ():

(2)

Что ж, настоящие полевые МОП-транзисторы не так идеальны, как мы видели из измеренных кривых. Отношение не совсем линейное, но и не слишком далекое. Однако напряжение колена или, при котором происходит насыщение, может быть немного выше 0 В. Этот факт можно учесть, оставив место для напряжения транзистора до насыщения.Следствием этого является то, что самое низкое напряжение не будет равняться нулю.

10.4.3. Стабилизация точки смещения постоянного тока с помощью резистора в источнике

Мы видели, что выходное напряжение и размах тока во многом связаны с постоянным и постоянным током, которые мы обозначаем как и. Вместе они называются точкой смещения постоянного тока.

Необходимо стабилизировать точку смещения постоянного тока от колебаний температуры, К-фактора или даже порогового напряжения транзистора.

Возьмем, к примеру, увеличение.Это напрямую приводит к увеличению, которое затем увеличивается.

С резистором между источником и землей, как показано на рисунке 3, увеличение увеличивается, а затем увеличивается.

Рисунок 3: Усилитель MOSFET с резистором обратной связи.

Прирост, однако, увеличивается. Следовательно, результирующее увеличение меньше первоначального увеличения от увеличения просто потому, что.

Таким образом, считается, что резистор действует как отрицательная обратная связь, поскольку он отрицательно влияет на увеличение.

10.4.4. Учет обратной связи при работе на переменном токе

Для сигнала переменного тока нам не обязательно нужна большая отрицательная обратная связь.

Предположим, мы хотим, чтобы все входное напряжение переменного тока появлялось без перепадов. Мы можем просто добавить достаточно большой конденсатор, чтобы он закоротил конденсатор, как показано на рисунке 3.

10.4.7. R1, R2 выбор

R1 // R2 (R1 параллельно с R2) будет входным сопротивлением источника переменного напряжения (показано на рисунке 4).

Рисунок 4: Усилитель MOSFET с резистором обратной связи и блокировочными конденсаторами постоянного тока.

Обычно мы хотим, чтобы R1 // R2 были большими, скажем, около 100 или больше.

Как правило, мы не хотим, чтобы R1 // R2 были маленькими, так как это будет создавать слишком большую нагрузку на источник переменного тока. Маленький означает большие требования к входному току или «тяжелую» нагрузку. Крайним примером может быть короткое замыкание нагрузки на источник.

10.4.8. Блокирующие конденсаторы постоянного тока

Обычно, когда мы думаем о сигнале переменного тока, его центром является ноль вольт.Подумайте о сигнале, который управляет вашими динамиками. Однако, если выходной сигнал усилителя снимается непосредственно со стока, он будет иметь значительное смещение постоянного тока. Решением является добавление конденсатора на выходе, как показано на рисунке 4. Этот конденсатор пропускает усиленный сигнал, но не смещение постоянного тока. Вот почему их называют разделительными конденсаторами постоянного тока или, альтернативно, конденсаторами связи переменного тока.

А еще нужен конденсатор на входе. В противном случае напряжение затвора может быть изменено устройством, которое им управляет.Хуже того, устройство, подключенное к усилителю, может быть повреждено напряжением затвора. Подумайте о подключении линейного выхода проигрывателя компакт-дисков к стереосистеме.

% PDF-1.5 % 1 0 объект > эндобдж 4 0 obj (Список таблиц) эндобдж 5 0 obj > эндобдж 8 0 объект (Список рисунков) эндобдж 9 0 объект > эндобдж 12 0 объект (Вступление) эндобдж 13 0 объект > эндобдж 16 0 объект (Организация дипломной работы) эндобдж 17 0 объект > эндобдж 20 0 объект (Фон) эндобдж 21 0 объект > эндобдж 24 0 объект (Генерация случайных чисел) эндобдж 25 0 объект > эндобдж 28 0 объект (Регистр сдвига линейной обратной связи) эндобдж 29 0 объект > эндобдж 32 0 объект (Генератор действительно случайных чисел) эндобдж 33 0 объект > эндобдж 36 0 объект (Тесты на случайность) эндобдж 37 0 объект > эндобдж 40 0 объект (Проверка частоты) эндобдж 41 0 объект > эндобдж 44 0 объект (Частота в тесте блока) эндобдж 45 0 объект > эндобдж 48 0 объект (Выполняется тест) эндобдж 49 0 объект > эндобдж 52 0 объект (Самый длинный забег) эндобдж 53 0 объект > эндобдж 56 0 объект (Тест дискретного преобразования Фурье) эндобдж 57 0 объект > эндобдж 60 0 объект (Серийный тест) эндобдж 61 0 объект > эндобдж 64 0 объект (Приблизительная энтропия) эндобдж 65 0 объект > эндобдж 68 0 объект (Тест кумулятивного суммирования) эндобдж 69 0 объект > эндобдж 72 0 объект (Покерный тест) эндобдж 73 0 объект > эндобдж 76 0 объект (Определение фазового шума и временного джиттера) эндобдж 77 0 объект > эндобдж 80 0 объект (Модели фазы и джиттера для кольцевых генераторов) эндобдж 81 0 объект > эндобдж 84 0 объект (Время первого прохождения) эндобдж 85 0 объект > эндобдж 88 0 объект (Время последнего прохождения) эндобдж 89 0 объект > эндобдж 92 0 объект (Влияние фазового шума на генераторы случайных чисел) эндобдж 93 0 объект > эндобдж 96 0 объект (Генератор действительно случайных чисел) эндобдж 97 0 объект > эндобдж 100 0 объект (Конструкция с быстрым кольцевым генератором) эндобдж 101 0 объект > эндобдж 104 0 объект (Моделирование уровня транзистора) эндобдж 105 0 объект > эндобдж 108 0 объект (Вариант 1 — Генератор с ограниченным током, управляемый напряжением) эндобдж 109 0 объект > эндобдж 112 0 объект (Моделирование уровня транзистора) эндобдж 113 0 объект > эндобдж 116 0 объект (Вариант 2 — ГУН с отводом тока) эндобдж 117 0 объект > эндобдж 120 0 объект (Расчет джиттера) эндобдж 121 0 объект > эндобдж 124 0 объект (Моделирование уровня транзистора) эндобдж 125 0 объект > эндобдж 128 0 объект (Вариант 3 — ГУН с отводом тока с модификациями) эндобдж 129 0 объект > эндобдж 132 0 объект (D триггер) эндобдж 133 0 объект > эндобдж 136 0 объект (Сводка моделирования джиттера) эндобдж 137 0 объект > эндобдж 140 0 объект (Моделирование уровня транзисторов TRNG) эндобдж 141 0 объект > эндобдж 144 0 объект (Вариант 1) эндобдж 145 0 объект > эндобдж 148 0 объект (Моделирование уровня транзистора) эндобдж 149 0 объект > эндобдж 152 0 объект (Тест на случайность) эндобдж 153 0 объект > эндобдж 156 0 объект (Вариант 2) эндобдж 157 0 объект > эндобдж 160 0 объект (Моделирование уровня транзистора) эндобдж 161 0 объект > эндобдж 164 0 объект (Тесты на случайность) эндобдж 165 0 объект > эндобдж 168 0 объект (Вариант 3) эндобдж 169 0 объект > эндобдж 172 0 объект (Тесты на случайность) эндобдж 173 0 объект > эндобдж 176 0 объект (Изготовление и тестирование) эндобдж 177 0 объект > эндобдж 180 0 объект (Дизайн буфера) эндобдж 181 0 объект > эндобдж 184 0 объект (Макет) эндобдж 185 0 объект > эндобдж 188 0 объект (Удаление паразитов и моделирование) эндобдж 189 0 объект > эндобдж 192 0 объект (Вариант 1) эндобдж 193 0 объект > эндобдж 196 0 объект (Макет) эндобдж 197 0 объект > эндобдж 200 0 объект (Удаление паразитов и моделирование) эндобдж 201 0 объект > эндобдж 204 0 объект (Вариант 2) эндобдж 205 0 объект > эндобдж 208 0 объект (Макет) эндобдж 209 0 объект > эндобдж 212 0 объект (Удаление паразитов и моделирование) эндобдж 213 0 объект > эндобдж 216 0 объект (Соображения по макету) эндобдж 217 0 объект > эндобдж 220 0 объект (Защита от электростатического разряда) эндобдж 221 0 объект > эндобдж 224 0 объект (Схема печатной платы) эндобдж 225 0 объект > эндобдж 228 0 объект (Тестирование) эндобдж 229 0 объект > эндобдж 232 0 объект (Вариант 1) эндобдж 233 0 объект > эндобдж 236 0 объект (Вариант 2) эндобдж 237 0 объект > эндобдж 240 0 объект (Резюме) эндобдж 241 0 объект > эндобдж 244 0 объект (Выводы) эндобдж 245 0 объект > эндобдж 248 0 объект (Будущая работа) эндобдж 249 0 объект > эндобдж 252 0 объект (Использованная литература) эндобдж 253 0 объект > эндобдж 256 0 obj> транслировать xuSn0 + xS $ I (pT @ ˴K @ \ Jn / _um $ = Z.7? {«H * I @ h $ Hj — Ii8e v [} 9

Вот как это можно построить

Глушитель сотового телефона — это электронное устройство, которое блокирует передачу сигналов между сотовым телефоном и базовой станцией. Используя ту же частоту, что и в мобильном телефоне, глушитель сотового телефона создает сильные помехи для связи между вызывающим абонентом и получателем. Он эффективен при блокировке передачи сигналов из сетей, включая UMTS, 3G, CDMA, GSM и PHS.

Мобильные телефоны работают в разных частотных диапазонах в разных странах. Для Канады полоса 1900 МГц является основной, особенно для городских районов. 850 МГц используется в качестве резервной в сельской местности. В США используются диапазоны 850 и 1900 МГц, в зависимости от региона. Европейцы обычно используют диапазоны GSM 900 и 1800 в качестве стандарта. Ближний Восток, Африка, Азия и Океания также используют эти полосы частот. В России и некоторых других странах местные операторы имеют лицензии на частоту 450 МГц для обеспечения покрытия CDMA.

Использование разных частот затрудняет установку глушителя для всех частот. Однако приведенная ниже формула может использоваться для расчета требуемых значений.

F = 1 / (2 * пи * sqrt (L1 * C1))

В зависимости от частот, которые необходимо заблокировать, можно изменять значения индуктивности (L1) и конденсатора (C1).

Например, если мобильные телефоны в вашем районе работают на частоте 450 МГц, вам необходимо генерировать 450 МГц с некоторым шумом, который будет действовать как сигнал блокировки.Теперь трубка сотового телефона не сможет понять, какой сигнал принимать. Мы успешно заблокировали сигналы сотовых телефонов.

Здесь 450 МГц — частота настройки. Глушители сотовых телефонов для других частотных диапазонов устроены аналогично. Однако диапазон сигнала очень слабый. Таким образом, эта схема работает только на дальность 100 м.

Для любой цепи глушителя важно иметь три важные подсхемы.

Эти 3 схемы, объединенные вместе, образуют эффективную схему подавителя сотовых телефонов.

• Схема усилителя ВЧ состоит из транзистора Q1, конденсаторов C4, C5 и резистора R1. Эта радиочастотная цепь усиливает сигнал, генерируемый настроенной схемой. Усиленный сигнал подается на антенну через конденсатор С6. Он блокирует постоянный ток и позволяет передавать только переменную составляющую сигнала.
• Когда транзистор Q1 включается, включается настроенная цепь на коллекторе. Настроенная схема состоит из конденсатора С1 и катушки индуктивности L1. Он действует как осциллятор с нулевым сопротивлением.Он производит очень высокую частоту с минимальным затуханием.
• Когда цепь включена, в конденсаторе сохраняется напряжение. Когда конденсатор полностью заряжен, он позволяет заряду проходить через катушку индуктивности. Когда ток течет через катушку индуктивности, в ней накапливается магнитная энергия, соответствующая напряжению на конденсаторе. В определенный момент катушка индуктивности достигает своего максимума, и заряд или напряжение на конденсаторе обращается в ноль.
• Теперь магнитный заряд через катушку индуктивности уменьшается, и ток заряжает конденсатор с противоположной или обратной полярностью.Процесс повторяется, и через некоторое время индуктор заряжает конденсатор и становится равным нулю.
• Этот процесс длится до тех пор, пока не возникнет внутреннее сопротивление и не прекратятся колебания. Питание усилителя ВЧ подается через конденсатор C5 на вывод коллектора перед C6. Конденсаторы C2 и C3 случайным образом генерируют импульсы (шум) с частотой, генерируемой настроенной схемой.
• Радиочастотный усилитель увеличивает частоту, генерируемую настроенной схемой. Частота, генерируемая настроенной схемой, и шумовой сигнал, генерируемый конденсаторами C2 и C3, объединяются, усиливаются и передаются.

• Эта схема может блокировать сигналы только в радиусе 100 метров.
• Использование этого типа каналов запрещено и незаконно в большинстве стран.
• Эта схема также используется в телевизионных передачах и игрушках с дистанционным управлением.
• Если цепь не работает должным образом, попробуйте увеличить номиналы резистора и конденсаторов в цепи. Используйте формулу

F = 1 / (2 * пи * sqrt (L * C)).

• Напряжение питания схемы не должно превышать 3 Вольт.

Больше интересных проектов можно найти на сайте DIY Electronics Projects.

Примечание : Глушитель сотового телефона представляет собой непроверенный прототип схемы и запрещен в нескольких странах. При соблюдении этих правил мы, возможно, не сможем помочь вам с точными значениями.

Эта статья была впервые опубликована 17 октября 2017 г. и недавно обновлена ​​30 ноября 2018 г.

Глава 9: Однотранзисторные усилители: [Analog Devices Wiki]

9.1 Базовые усилители

Термин «усилитель», используемый в этой главе, означает схему (или каскад), использующую одно активное устройство, а не полную систему, такую ​​как операционный усилитель на интегральной схеме. Усилитель — это устройство для увеличения мощности сигнала. Это достигается за счет получения энергии от источника питания и управления выходом для дублирования формы входного сигнала, но с большей амплитудой (напряжение или ток). В этом смысле усилитель можно рассматривать как модулирующий напряжение или ток источника питания для получения его выходной мощности.

Базовый усилитель (рисунок 9.1) имеет два порта и характеризуется коэффициентом усиления, входным сопротивлением и выходным сопротивлением. Идеальный усилитель имеет бесконечное входное сопротивление (R _на = ∞), нулевое выходное сопротивление (R _{на выходе} = 0) и бесконечное усиление (A _vo = ∞) и бесконечную полосу пропускания, если это необходимо.

Рисунок 9.1 Базовая модель усилителя

Транзистор, как мы видели в предыдущей главе, представляет собой трехполюсное устройство.Если представить базовый усилитель в виде двухпортовой сети, как показано на рисунке 9.1, потребуется два входа и два выхода, всего четыре. Это означает, что один из выводов транзистора должен быть общим для входных и выходных цепей. Это приводит к названию общего эмиттера и т. Д. Для трех основных типов усилителей. Самый простой способ определить, подключено ли устройство как общий эмиттер / исток, общий коллектор / сток или общая база / затвор, — это проверить, где входит входной сигнал, а выходной сигнал уходит.Остающийся терминал является общим как для ввода, так и для вывода. В этой главе мы в первую очередь будем использовать транзисторы n-типа (NPN, NMOS) в примерах схем. Те же базовые каскады усилителя могут быть также легко реализованы с использованием транзисторов p-типа (PNP, PMOS). Когда собираются более крупные многокаскадные усилители, оба типа транзисторов часто перемежаются друг с другом.

Строительные блоки усилительных каскадов:

1. Инвертирующий усилитель напряжения (также называемый усилителем с общим эмиттером или общим источником)
   

2. Токовый повторитель (также называемый общей базой, общим затвором или каскодом)
   

3. Повторитель напряжения (также называемый усилителем с общим коллектором или общим стоком)
   

4. Обратная связь серии (чаще: вырождение эмиттера / источника)
   

5. Шунтирующая обратная связь

9.2 Инвертирующий усилитель напряжения или Общий эмиттер / источник

Усилитель с общим эмиттером / истоком является одной из трех основных топологий однокаскадных усилителей. Версии BJT и MOS работают как инвертирующий усилитель напряжения и показаны на рисунке 9.2. Клемма базы или затвора транзистора служит входом, коллектор или сток — выходом, а эмиттер или исток являются общими для входа и выхода (он может быть привязан к заземлению или шине источника питания), которые рождает его общее название.

Рисунок 9.2: Базовая схема инвертирующего усилителя напряжения n-типа (без учета деталей смещения)

Усилитель с общим эмиттером или истоком можно рассматривать как усилитель крутизны (, т.е. напряжение на входе, ток на выходе) или как усилитель напряжения (напряжение на входе, напряжение на выходе). В качестве усилителя крутизны входное напряжение слабого сигнала, v _{должно быть} для BJT или v _gs для полевого транзистора, умноженное на крутизну устройства g _m , модулирует количество тока, протекающего через транзистор, i _c или i _d .Пропуская этот переменный ток через выходное сопротивление нагрузки R _L , он будет преобразован обратно в напряжение В, , _{, на выходе} . Однако выходное сопротивление малого сигнала транзистора, r _o , обычно недостаточно велико для разумного усилителя крутизны (в идеале бесконечно). Выходная нагрузка R _L также не является достаточно низкой для приличного усилителя напряжения (в идеале — нулевой). Другим серьезным недостатком является ограниченная высокочастотная характеристика усилителя, отчасти из-за встроенной емкости коллекторной базы или затвора стока, присущей транзистору.Подробнее о том, как эта емкость влияет на частотную характеристику, читайте в следующем разделе этой главы. Поэтому на практике выход часто направляется либо через повторитель напряжения (каскад с общим коллектором или стоком), либо через повторитель тока (каскад с общей базой или затвором), чтобы получить более благоприятные выходные и частотные характеристики. Эта последняя комбинация называется каскодным усилителем, как мы увидим позже в главе, посвященной многокаскадным усилителям.

По сравнению с усилителем с общим эмиттером BJT, усилитель с общим истоком на полевых транзисторах имеет более высокое входное сопротивление.Обычно более низкое значение g _m полевого транзистора по сравнению с BJT при равных уровнях тока приводит к более низкому усилению напряжения для версии MOS.

9.2.1 Методы смещения постоянного тока, общий эмиттер / источник

Чтобы усилитель с общим эмиттером или истоком обеспечивал наибольший размах выходного напряжения, напряжение на выводе базы или затвора транзистора смещается таким образом, что транзистор номинально работает на полпути между его точками отсечки и насыщения.Обратите внимание на характеристические кривые NMOS (a) и NPN (b) на рисунке 9.2.1. Это позволяет каскаду усилителя более точно воспроизводить положительную и отрицательную половины входного сигнала, наложенного на напряжение смещения постоянного тока. Без этого смещения напряжения смещения усиливается только положительная половина входного сигнала.

Рисунок 9.2.1 (a) I _D в сравнении с V _{кривые DS} и (b) I _C в сравнении с V _{кривые CE}

Красная линия, наложенная на два набора кривых, представляет линию нагрузки постоянного тока 400-омного R _L .Чтобы максимизировать размах выходного сигнала, желательно установить рабочую точку транзистора с нулевым входным сигналом при напряжении стока или коллектора, равном половине напряжения питания, которое в данном случае составляет 4 В. Определение соответствующего тока стока или коллектора вдоль линии нагрузки дает нам целевой уровень тока. Это около 10 мА для R _L , равное 400 Ом. Следующим шагом является определение соответствующего V _GS или I _B для 10 мА I _D или I _C .В примере NMOS каждая кривая соответствует разному V _GS от 0,9 до 1,5 вольт с шагом 0,1 вольт. Устройство NMOS, используемое в этом примере, имеет крутизну около 40 мА / В . I _D , равный точке 10 мА на линии нагрузки, находится между кривыми 1,4 В и 1,3 В или В _GS 1,32 В. В примере NPN каждая кривая представляет другой I _B от 10 мкА до 100 мкА с шагом 10 мкА. Кривая 50 мкА пересекает линию нагрузки при I _C = 10 мА.Следовательно, β транзистора должно быть около 200. Теперь задача состоит в том, чтобы каким-то образом обеспечить это смещение постоянного тока или смещение на затворе или базе транзистора.

Первый метод смещения, который мы рассмотрим, называется смещением делителя напряжения и показан на рисунке 9.2.2. Если мы выберем правильные значения резисторов для R ₁ и R ₂ , что приведет к такому току коллектора или стока, что половина напряжения питания, В + появится на R _L , мы должны получить желаемое. значение В _GS или В _BE (I _B ) для смещения без входного сигнала.В случае MOS мы знаем, что ток не течет в затвор, поэтому можно использовать простой коэффициент делителя напряжения для выбора R ₁ и R ₂ . Если V + = 8V и мы хотим, чтобы V _GS равнялось 1,32 V , то:

Реальные значения R ₁ и R ₂ не так важны, как их соотношение. Однако выбранный нами коэффициент делителя будет правильным только для одного набора условий напряжения источника питания, порогового напряжения и крутизны транзистора, а также температуры.В реальных проектах часто используются более сложные схемы смещения.

Рисунок 9.2.2 Смещение делителя напряжения

Для случая NPN расчет несколько сложнее. Мы знаем, что хотим, чтобы I _B был равен 50uA. Ток, протекающий в R ₁ , является суммой тока в R ₂ и I _B , что устанавливает верхнюю границу для R ₁ , когда R ₂ бесконечен и ток в R _{2 отсутствует.} . Если принять номинальное значение V _BE равным 0.65 В, тогда R ₁ не должно превышать 7,35 В / 50 мкА или 147 кОм. Назначение делителя напряжения — ослабить колебания В + и, таким образом, сделать рабочую точку транзистора по постоянному току менее чувствительной к В +. Для этого нам нужно сделать ток в R ₂ во много раз больше, чем в I _B . Если мы, например, выберем сделать I _R2 9 раз I _B , тогда ток в R ₁ будет 10 * I _B или 500 мкА.R ₁ будет 1/10 от того, что мы только что рассчитали как верхнюю границу, или 14,7 кОм. R ₂ будет составлять В _BE , деленное на 450 мкА или 1,444 кОм, что составляет коэффициент делителя 0,8921. Если бы мы просто использовали 8V- V _BE / 8V в качестве отношения (предположим, V _BE = 0,65 В), коэффициент делителя был бы 0,8125. С учетом I _B смещено требуемое передаточное число. Эти значения необходимо немного скорректировать, если фактическое значение V _BE не равно 0.В этом расчете мы использовали 65 вольт (или β не было 200). Это указывает на главное ограничение этой схемы смещения, как мы указывали в примере MOS выше. Это чувствительность к конкретным характеристикам устройства, таким как V _BE и β, а также к напряжению питания и температуре.

Следствием включения этой схемы смещения является снижение входного импеданса. Вход теперь включает параллельную комбинацию R ₁ и R ₂ на входе.Для случая MOS теперь устанавливается входное сопротивление. Для случая BJT у нас теперь есть R ₁ || R ₂ || r _π как эффективное входное сопротивление.

Есть еще одна небольшая неудобная проблема с этой схемой смещения, когда она подключена к предыдущему каскаду в тракте прохождения сигнала. Эта конфигурация смещения размещает источник входного сигнала переменного тока непосредственно параллельно с R ₂ делителя напряжения. Это может быть неприемлемо, поскольку входной источник может иметь тенденцию добавлять или вычитать из напряжения постоянного тока, падающего на R ₂ .

Один из способов заставить эту схему работать, хотя может быть неочевидно, почему она будет работать, — это разместить конденсатор связи между источником входного напряжения и делителем напряжения, как показано на рисунке 9.2.3 ниже.

Рисунок 9.2.3 Конденсатор связи C _C предотвращает протекание тока смещения делителя напряжения в источник входного сигнала.

Конденсатор образует фильтр верхних частот между источником входного сигнала и делителем напряжения постоянного тока, пропуская почти всю часть входного сигнала переменного тока на транзистор, блокируя при этом все напряжение смещения постоянного тока от короткого замыкания через источник входного сигнала.В этом будет больше смысла, если вы поймете теорему суперпозиции и то, как она работает. В соответствии с суперпозицией любую линейную двустороннюю схему можно анализировать по частям, рассматривая только один источник питания за раз, а затем алгебраически складывая эффекты всех источников питания, чтобы найти окончательный результат. Если бы мы отделили конденсатор и схему делителя напряжения R ₁ / R ₂ от остальной части усилителя, было бы легче понять, как будет работать эта суперпозиция переменного и постоянного тока.

При действии только источника сигнала переменного тока и конденсатора с произвольно низким импедансом на частоте входного сигнала почти все напряжение переменного тока появляется на R ₂ .

9.2.2 Усиление напряжения слабого сигнала, общий эмиттер или источник

Чтобы рассчитать коэффициент усиления по напряжению малого сигнала усилителя с общим эмиттером или истоком, нам нужно вставить в схему модель транзистора с малым сигналом. Модели малосигналов BJT и MOS FET на самом деле очень похожи, поэтому расчет усиления для обеих версий во многом одинаков.Гибридные π-модели малых сигналов для усилителей BJT и MOS показаны на рисунке 9.2.4.

Рисунок 9.2.4 Модели слабого сигнала с обычным излучателем или источником.

Ниже приведены некоторые из ключевых уравнений модели, которые нам понадобятся для расчета коэффициента усиления по напряжению в каскаде усилителя. Эти уравнения используются для других конфигураций усилителя, которые мы также обсудим в следующих разделах.

(BJT) (MOS)

Коэффициент усиления напряжения малого сигнала A _v представляет собой отношение входного напряжения к выходному напряжению:

Входное напряжение В _в (v _{должно быть} для BJT и v _GS для MOS), умноженное на крутизну g _м равно выходному току слабого сигнала, i _o в коллекторе или стоке. V _out будет просто умножить этот ток на сопротивление нагрузки R _L, , пренебрегая на данный момент сопротивлением выхода малого сигнала r _o . Обратите внимание на знак минус из-за направления тока i _o .

Переставляя на выигрыш, получаем:

Подставляя уравнения BJT и MOS g _m , получаем:

(BJT) (MOS)

Сравнивая эти два уравнения усиления, мы видим, что они оба зависят от токов коллектора или стока постоянного тока.Коэффициент усиления BJT обратно пропорционален В _T (тепловое напряжение), что составляет примерно 26 мВ при комнатной температуре. Тепловое напряжение, В _T увеличивается с повышением температуры, поэтому из уравнения мы видим, что коэффициент усиления фактически уменьшается с повышением температуры. Коэффициент усиления MOS обратно пропорционален перенапряжению, В _ov ( V _GS — V _th ), которое часто намного больше, чем V _T при аналогичных опережающих токах стока. к более низкому усилению для ступени MOS vs.ступень BJT для примерно равных токов смещения.

Если R _L относительно велико по сравнению с малым выходным сопротивлением сигнала, тогда усиление будет уменьшено, потому что фактическая выходная нагрузка представляет собой параллельную комбинацию R _L и r _или . Фактически r _o устанавливает верхнюю границу возможного усиления, которое может быть достигнуто с помощью каскада усилителя с одним транзистором.

9.2.3 Входное сопротивление слабого сигнала, общий эмиттер или источник

Снова посмотрим на модели малых сигналов на рисунке 9.2.4 мы видим, что для случая BJT вход V _в будет видеть r _π как нагрузку. Для корпуса MOS V _в будет видна в основном обрыв цепи (в любом случае для низких частот). Это, конечно, будет в случае отсутствия какой-либо схемы смещения затвора или базы.

9.2.4 Выходное сопротивление слабого сигнала, общий эмиттер или источник

Снова глядя на модели слабого сигнала на рисунке 9.2.4, мы видим, что как для случая BJT, так и для случая MOS выходное сопротивление представляет собой параллельную комбинацию R _L и r _o .Для большинства практических приложений мы можем игнорировать r _o , потому что он очень часто намного больше, чем R _L . Ниже приведены уравнения BJT и MOS r _o .

(BJT) (MOS)

9.2.5 Общий источник и излучатель Лабораторная деятельность

9.3 Токовый повторитель, также известный как усилитель с общей базой или затвор

Повторитель тока или усилитель с общей базой / затвором имеет высокое усиление по напряжению, относительно низкий входной импеданс и высокий выходной импеданс по сравнению с повторителем напряжения или усилителем с общим коллектором / стоком.Версии BJT и MOS показаны на рисунке 9.3.

Рисунок 9.3: Базовый токовый повторитель n-типа или общая схема базы / затвора (без учета деталей смещения)

9.3.1 Методы смещения постоянного тока, повторитель тока или усилитель с общей базой / затвором

В приложениях, где обеспечивается только положительное напряжение источника питания, требуются некоторые средства обеспечения необходимого уровня постоянного напряжения для общего вывода затвора или базы. Это может быть так же просто, как делитель напряжения между землей и источником питания.В приложениях, где доступны как положительное, так и отрицательное напряжение питания, заземление является удобным узлом для использования в качестве клеммы общего затвора или базы.

Каскад с общим затвором или базой чаще всего используется в сочетании с усилителем с общим эмиттером или истоком в так называемой каскодной конфигурации. Каскод будет рассмотрен более подробно в следующей главе, посвященной многокаскадным усилителям.

9.3.2 Усиление по напряжению слабого сигнала, токовый повторитель или усилитель с общей базой / затвором

Чтобы рассчитать коэффициент усиления по напряжению малого сигнала общей базы или затворного усилителя, мы вставляем в схему малосигнальную модель транзистора.Модели малых сигналов для усилителей BJT и MOS показаны на рисунке 9.3.1.

Рисунок 9.3.1 Токовый повторитель или модели малого сигнала с общей базой / затвором.

Как и в каскаде усилителя с общим излучателем / истоком, входное напряжение малого сигнала, В _в (v _будет для BJT и v _GS для MOS), умноженное на крутизну g _m равен выходному току малого сигнала, i _o в коллекторе или стоке. V _out будет просто умножить этот ток на сопротивление нагрузки R _L, , пренебрегая на данный момент сопротивлением выхода малого сигнала r _o .

Возможно, более полезно учитывать коэффициент усиления по току каскада повторителя тока, а не его коэффициент усиления по напряжению. В случае версии MOS мы знаем, что I _S = I _D , потому что I _G = 0. Таким образом, усиление тока каскада MOS равно 1. В случае версии BJT мы знаем, что соотношение От I _C до I _E равно α и, следовательно, будет немного меньше 1.

9.3.3 Входное сопротивление, повторитель тока или усилитель с общей базой / затвором

Снова глядя на модели малых сигналов на рисунке 9.3.1, мы видим, что для случая BJT вход V _в будет видеть r _π параллельно с последовательной комбинацией g _m и R _L в качестве груза. Для корпуса MOS V _в в основном будет видна только комбинация серий g _m и R _L .Уравнение ниже (из модели T малого сигнала BJT) связывает g _m и сопротивление, видимое на эмиттере r _E . Мы также можем использовать это соотношение, чтобы получить сопротивление, наблюдаемое в источнике r _S .

(также r _S для MOS)

Здесь также важно отметить, что 100% (без учета I _B в случае BJT) тока от входного источника протекает через транзистор и становится выходным током.Таким образом, имя текущего последователя.

9.3.4 Выходное сопротивление, токовый повторитель или усилитель с общей базой / затвором

Снова глядя на модели слабого сигнала на рисунке 9.3.1, мы видим, что как для случая BJT, так и для случая MOS выходное сопротивление представляет собой параллельную комбинацию R _L и r _o . В целом мы можем предположить, что это правда, если учесть, что В _в питается от источника напряжения с низким импедансом (почти идеальным). Если это не так, то конечное выходное сопротивление должно быть добавлено последовательно с r _или .Если вход токового повторителя управляется относительно высоким выходным сопротивлением усилителя крутизны, такого как общий эмиттер или усилитель-исток более ранней модели, то выходное сопротивление комбинированного усилителя может быть очень высоким. Для большинства практических приложений мы можем игнорировать r _o , потому что он очень часто намного больше, чем R _L .

ADALM1000 Lab Activity, BJT-усилитель с общей базой
ADALM1000 Lab Activity, BJT Common Gate Amplifier
ADALM1000 Lab Activity, сложенный каскодный усилитель

9.4 повторителя напряжения (также называемые повторителем эмиттера или истока, либо усилителями с общим коллектором или стоком)

Эмиттерный или истоковый повторитель часто называют общим коллекторным или стокным усилителем, потому что коллектор или сток являются общими как для входа, так и для выхода. Эта конфигурация усилителя, показанная на рисунке 9.4, имеет выходной сигнал, полученный от резистора эмиттер / исток, и полезна в качестве устройства согласования импеданса, поскольку его входное сопротивление намного выше, чем его выходное сопротивление. По этой причине повторитель напряжения также называют «буфером».

Рисунок 9.4: Базовый повторитель напряжения n-типа или общая цепь коллектора / стока (без учета деталей смещения)

Коэффициент усиления повторителя напряжения всегда меньше единицы, поскольку r _E и R _L или r _S и R _L образуют делитель напряжения. Смещение между входом и выходом задается падением В, , _BE, , примерно на 0,65 В ниже базы для BJT и В _GS ниже затвора для MOS.Функция этой конфигурации заключается не в усилении напряжения, а в согласовании усиления по току или мощности и импеданса. Входное сопротивление намного выше, чем его выходное сопротивление, поэтому от источника сигнала не требуется подавать столько энергии на вход. Это видно из того факта, что ток базы примерно в 100 раз (β) меньше тока эмиттера. Низкое выходное сопротивление эмиттерного повторителя соответствует нагрузке с низким импедансом и буферизует источник сигнала от этого низкого импеданса.

9.4.1 Методы смещения постоянного тока, повторитель напряжения или усилитель с общим коллектором / стоком

Ток коллектора / источника в основном определяется резистором эмиттер / исток, поэтому основными переменными конструкции в этом случае являются просто R _L и напряжение источника питания.

9.4.2 Усиление по напряжению, общий коллектор или усилитель стока

Для расчета коэффициента усиления по напряжению при слабом сигнале конфигурации повторителя напряжения мы вставляем в схему модель транзистора с малым сигналом.Модели малых сигналов для усилителей BJT и MOS показаны на рисунке 9.4.1.

Рисунок 9.4.1 Модели с малым сигналом повторителя напряжения.

Пример 9.4.2 Расчет усиления напряжения

Для схемы на рисунке 9.4.2 рассчитайте коэффициент усиления по напряжению A _В = В _{на выходе} / В _на .

Рисунок 9.4.2 Пример усиления напряжения BJT

Чтобы использовать формулу усиления по напряжению, которую мы только что получили с помощью моделей слабого сигнала, нам нужно сначала вычислить r _E .В разделе 9.3.3 дано уравнение для r _E :

Чтобы использовать эту формулу, нам необходимо знать I _E . Мы знаем, что напряжение на R _L составляет В, , _из . Мы также знаем, что V _из = V _in — V _BE . Если мы используем оценку В _BE как 0,6 вольт, мы получим В _из = 5,6 — 0,6 или 5 вольт. Если R _L составляет 1 кОм, то I _E составляет 5 мА.Используя значение комнатной температуры для В _T = 25 мВ, получаем r _E равно 5 Ом. Подставляя эти значения в наше уравнение усиления, мы получаем:

9.4.3 Входное сопротивление, повторитель напряжения (общий коллектор или сток)

(BJT)

9.4.4 Выходное сопротивление, повторитель напряжения (общий коллектор или сток)

Выходное сопротивление — это просто параллельная комбинация резистора эмиттера (истока) R _L и сопротивления эмиттера (источника) малого сигнала транзистора r _E .Снова из раздела 9.3.3 уравнение для r _E выглядит следующим образом:

Точно так же сопротивление источника слабого сигнала, r _S , для МОП-транзистора составляет 1/ g _м .

Возвращаясь к нашему примеру усиления на рисунке 9.4.2, мы также можем вычислить выходное сопротивление, которое будет параллельной комбинацией 1 кОм R _L и 3 Ом r _E или 2,99 Ом.

9.4.5 Повторитель напряжения (общий коллектор или сток) Лабораторные работы

9.Обратная связь серии 5: вырождение эмиттера / источника

Усилители с общим эмиттером / истоком дают усилителю инвертированный выходной сигнал и могут иметь очень высокий коэффициент усиления и могут широко варьироваться от одного транзистора к другому. Коэффициент усиления сильно зависит как от температуры, так и от тока смещения, поэтому фактическое усиление в некоторой степени непредсказуемо. Стабильность — еще одна проблема, связанная с цепями с таким высоким коэффициентом усиления из-за любой непреднамеренной положительной обратной связи, которая может присутствовать. Другие проблемы, связанные со схемой, — это низкий входной динамический диапазон, обусловленный пределом слабого сигнала; при превышении этого предела возникает сильное искажение, и транзистор перестает вести себя как его модель с малым сигналом.Когда вводится отрицательная обратная связь, многие из этих проблем уменьшаются, что приводит к повышению производительности. Есть несколько способов ввести обратную связь в этом простом каскаде усилителя, самый простой и надежный из которых достигается путем введения небольшого резистора в цепь эмиттера (R _E ). Это также называется последовательной обратной связью. Величина обратной связи зависит от относительного уровня сигнала, падающего на этом резисторе. Сигнал, наблюдаемый на R _E , не в фазе с сигналом, наблюдаемым на V _из и, таким образом, вычитается из V _из , уменьшая его амплитуду.Когда значение резистора эмиттера приближается к значению резистора нагрузки коллектора (R _L ), коэффициент усиления приближается к единице (A _v ~ 1).

Рисунок 9.5: Добавление резистора эмиттер / исток уменьшает усиление. Однако с повышенной линейностью и стабильностью

Гораздо реже включать резистор дегенерации в конструкции МОП. Это связано с тем, что в микроэлектронных интегральных схемах коэффициент усиления ( г _м ) устройства можно регулировать путем изменения отношения W / L.Такая степень свободы проектирования обычно недоступна в биполярных (BJT) процессах.

Пример смещения постоянного тока с вырождением эмиттера

Есть несколько практических правил смещения BJT:

1. Установите I _E , а не I _B или V _BE : меньшая зависимость от β и температуры ( V _T )
2. Допускается 1 / 3V _CC через R _C , V _CE и R _B2
3.Экономьте электроэнергию, допуская только 10% I _E в R _B

Для схемы на рисунке 9.5.1 дано следующее: В _CC = 20 В; I _E = 2 мА; β = 100. Исходя из наших практических правил, мы устанавливаем V _B = 1/3 * V _CC = 6,7 V .

Рисунок 9.5.1 Пример смещения постоянного тока

V _B = (R _B2 / (R _B1 + R _B2 )) * V _CC ⇒ 6.7V = (R _B2 / (R _B1 + R _B2 )) * 20 (1)

V _CC / (R _B1 + R _B2 ) = 0,1 * I _E ⇒ 20 / (R _B1 + R _B2 ) = 200 мкА (2)

Решая уравнения (1) и (2), получаем:

R _B1 = 2R _B2 , затем из (2)

3R _B2 = 20/200 мкА = 100 кОм

Итак, R _B2 = 33 кОм и R _B1 = 66 кОм.

Теперь у нас есть V _E = V _B — V _BE = 6.7 — 0,7 = 6 В и I _E составляет 2 мА : R _E = В _E / I _E = 6/2 мА = 3 кОм.

I _C = (β / (β + 1)) * I _E = (100/101) * 2 мА = 1,98 мА и I _B = I _C / β = 1,98 мА / 100 = 19,8 мкА.

Из наших практических правил мы знаем, что В _C = 2/3 * 20 В = 13,3 В

Итак, чтобы найти R _L , мы имеем: R _L = ( V _CC — V _C ) / I _C = (20-13.3) / 1,98 мА = 3,4 кОм

9.5.1 Усиление напряжения слабого сигнала с вырождением эмиттера / источника

Чтобы рассчитать усиление по напряжению малого сигнала усилителя с общим эмиттером / истоком с добавлением вырождения эмиттер / исток, мы снова вставляем в схему модель транзистора с малым сигналом. Модели малых сигналов для усилителей BJT и MOS показаны на рисунке 9.5.1.

Рисунок 9.5.1 Общий излучатель / источник с вырождением

Импеданс R _E уменьшает общую крутизну g _м схемы в g _м R _E + 1, что дает усиление по напряжению:

(когда г _м R _E »1)

Таким образом, усиление напряжения зависит почти исключительно от соотношения резисторов R _L / R _E , а не от внутренних и непредсказуемых характеристик транзистора.Таким образом, характеристики искажения и стабильности схемы улучшаются за счет уменьшения усиления.

Возвращаясь к нашему предыдущему примеру смещения, рисунок 9.5.1, значения для I _C = 2 мА, R _L = 3,4 кОм и R _E = 3 кОм, чтобы вычислить усиление малого сигнала, мы сначала находим g _m = I _C / V _T = 2 мА / 25 мВ = 0,08. Используя нашу формулу для A _V :

9.5.2 Входное сопротивление слабого сигнала с вырождением излучатель / источник

Снова посмотрев на модели малых сигналов на рисунке 9.4.1, мы видим, что для случая BJT вход V _в см. R _ последовательно с резистором дегенерации R _E в качестве нагрузки. Для корпуса МОП В _в видим в основном обрыв цепи.

9.5.3 Выходное сопротивление слабого сигнала с вырождением эмиттера / источника

Снова посмотрим на модели малых сигналов на рисунке 9.5.1 мы видим, что как для случая BJT, так и для случая MOS, как и в более раннем каскаде с общим эмиттером / истоком, выходное сопротивление представляет собой параллельную комбинацию R _L и r _o , но теперь резистор вырождения R _E идет последовательно с r _или . Для большинства практических приложений мы можем игнорировать r _o , потому что он очень часто намного больше, чем R _L .

9.5.4 Методы смещения постоянного тока с вырождением эмиттера / источника

В основном те же методы, что и в простом каскаде усилителя с общим эмиттером / истоком, которые обсуждались в разделе 9.2.1, может использоваться при добавлении резистора дегенерации эмиттера. Добавленное напряжение на R _E (R _E * I _E ) должно быть добавлено к уровню смещения. Это добавленное падение напряжения фактически делает рабочую точку (I _C ) гораздо менее чувствительной к уровню смещения.

Коэффициент усиления по напряжению малого сигнала усилителя с общим эмиттером и сопротивлением эмиттера составляет примерно R _L / R _E . Для случаев, когда требуется усиление более 5-10, R _E может стать настолько малым, что необходимое условие хорошего смещения, V _E = R _E * I _E > 10 * V _T не может быть достигнуто.Способ восстановить небольшой коэффициент усиления напряжения сигнала при сохранении желаемого рабочего смещения постоянного тока состоит в использовании байпасного конденсатора, как показано на рисунке 9.5.4. Для слабого сигнала переменного тока сопротивление эмиттера составляет всего R _E1 , в то время как для смещения постоянного тока сопротивление эмиттера представляет собой последовательную комбинацию R _E = R _E1 + R _E2 . Здесь могут быть применены расчеты для усилителя с общим эмиттером с вырождением эмиттера, заменив R _E на R _E1 при определении коэффициента усиления усилителя, а также входного и выходного импедансов, поскольку достаточно большой байпасный конденсатор приводит к замыканию R _E2 и эффективно удаляется из схемы для достаточно высокочастотных входов.

Рисунок 9.5.4 Добавление обводного конденсатора эмиттера

Используя наше предыдущее упражнение со смещением на рисунке 9.5.1 в качестве примера, но разделив 3 кОм R _E на два резистора, как на рисунке 9.5.4, с R _E1 = 1 кОм и R _E2 = 2 кОм с C ₁ = 1 мкФ мы можем пересчитать усиление слабого сигнала для высоких частот, где C ₁ эффективно закорачивает R _E2 , чтобы получить:

Однако добавление шунтирующего конденсатора C ₁ изменяет низкочастотную характеристику схемы.Из наших двух вычислений коэффициента усиления мы знаем, что коэффициент усиления схемы по постоянному току составляет -1,13, а коэффициент усиления увеличивается до -3,36 для высоких частот. Следовательно, мы можем предположить, что частотная характеристика состоит из относительно низкочастотного нуля, за которым следует несколько более высокочастотный полюс. Формулы для нуля и полюса следующие:

где R ’ _E = R _E2 || (R _E1 + R _E )

Для нашего примера задачи с R _E1 = 1K, R _E2 = 2K и C ₁ = 1uF мы получаем частоту для нуля, равную 80 Гц, и частоту для полюса, равную 237 Гц.Смоделированная частотная характеристика от 1 Гц до 100 кГц для примерной схемы показана на рисунке 9.5.5.

Рисунок 9.5.5 смоделированная частотная характеристика

9.5.5 Резюме — выполнение анализа слабого сигнала:

1. Найдите рабочую точку постоянного тока.
2. Рассчитайте параметры слабого сигнала: g _m , r _ , r _e и т. Д.
3. Замените источники постоянного напряжения заземлением переменного тока и источники постоянного тока с разомкнутыми цепями.
4. Замените транзистор на модель со слабым сигналом (гибридная модель π или модель T)

9.6 Теорема Миллера

Здесь мы собираемся отвлечься, чтобы обсудить теорему Миллера. Хотя методы, которые мы использовали до этого момента, являются полностью общими, существуют определенные конфигурации, которые поддаются более простому анализу с помощью теоремы Миллера. Теорема Миллера утверждает, что в линейной цепи, если есть ветвь с импедансом Z, соединяющая два узла с узловыми напряжениями В ₁ и В ₂ , эта ветвь может быть заменена двумя другими ветвями, соединяющими соответствующие узлы относительно земли импедансами соответственно Z / (1- K ) и KZ / ( K -1), где усиление от узла 1 к узлу 2 составляет K = В ₂ / В ₁ .

Рисунок 9.6.1 Теорема Миллера

На этом этапе мы рассмотрим шаги, которые покажут, как рассчитываются импедансы Миллера. Мы можем использовать эквивалентную двухпортовую сетевую технику, чтобы заменить двухпортовый, представленный на рисунке 9.6.1 (a), на его эквивалент на рисунке 9.6.2.

Заменив источники напряжения на рисунке 9.6.2 на их эквивалентные источники тока Norton, мы получим рисунок 9.6.3.

Используя теорему о поглощении источника (см. Приложение в конце этой главы), мы получаем рисунок 9.6.4.

Это дает нам рисунок 9.6.5 (который является рисунком 9.6.1 (b)), когда мы параллельно объединяем два импеданса.

9,7 Обратная связь по шунту:

Другой метод смещения для усилителя с общим эмиттером или истоком, называемый шунтирующей обратной связью, достигается путем подачи некоторой части сигнала коллектора или стока обратно на вход на базе или затворе. Это делается с помощью резистора смещения (R _F ), как показано на рисунке 9.7.1. Резистор R _F подключается между двумя узлами, которые имеют усиление, A _V ( K ), между ними, и, таким образом, применение теоремы Миллера — лучший способ проанализировать характеристики слабого сигнала этой схемы.

Рисунок 9.7.1 Шунтовая обратная связь между стоком и затвором (a) и коллектор-основание (b)

9.7.1 MOS версия

На рисунке 9.7.1 (a) показан усилитель NMOS с общим истоком, использующий смещение обратной связи по стоку. Этот тип смещения часто используется с полевыми МОП-транзисторами в режиме улучшения и может быть полезен при работе с источником питания низкого напряжения ( В, , ₊ ).Если Vin связан по переменному току, напряжение на затворе равно напряжению на стоке ( В _GS = В _DS ), поскольку ток затвора не течет через R _F . Если Vin подключен по постоянному току, то делитель напряжения формируется R _F и R _S и V _GS будет меньше V _DS . Полезно отметить, что транзистор всегда находится в насыщении, когда В _GS = В _DS .Если по какой-либо причине ток стока увеличивается, например, при изменении В, , ₊ , напряжение затвора падает. Пониженное напряжение затвора, в свою очередь, вызывает уменьшение тока стока, что вызывает увеличение напряжения затвора. Петля отрицательной обратной связи достигает равновесия, которое является точкой смещения для схемы.

В некоторых таблицах данных для полевых МОП-транзисторов с расширением дается значение для I _D (on), где V _GS = V _DS lf I _D (on) известно, компонент схемы может быть легко вычислен. как показано в Примере 9.3. Входное сопротивление схемы, использующей смещение обратной связи стока, равно значению R _F , деленному на коэффициент усиления по напряжению плюс один.

9.7.2 Версия BJT Методы смещения постоянного тока

Эта конфигурация использует отрицательную обратную связь для стабилизации рабочей точки. В этой форме смещения резистор обратной связи по базе R _F подключен к коллектору, а не к источнику постоянного тока В ₊ . Таким образом, любое значительное увеличение тока коллектора вызовет падение напряжения на резисторе R _L , что, в свою очередь, уменьшит ток базы транзистора.

Если мы предположим, что входной источник Vin связан по переменному току и в R _S не течет постоянный ток смещения, из закона Кирхгофа напряжение В _RF на базовом резисторе R _F будет:

По модели Эберса – Молла I _c = βI _b , и поэтому:

Согласно закону Ома, базовый ток I _b = В _RF / R _F , и поэтому:

Следовательно, базовый ток I _b равен:

Если В _BE поддерживается постоянным и температура увеличивается, то ток коллектора I _c увеличивается.Однако большее значение I _c вызывает увеличение падения напряжения на резисторе R _L , что, в свою очередь, снижает напряжение В _RF на базовом резисторе R _F . Более низкое падение напряжения на базовом резисторе снижает базовый ток I _b , что приводит к меньшему току коллектора I _c . Поскольку увеличение тока коллектора с температурой противоположно, рабочая точка остается более стабильной.

Плюсы:

1. Схема стабилизирует рабочую точку от изменений температуры и β (т.е.Варианты транзисторного процесса)

Минусы:

1. В этой схеме, чтобы I _c не зависел от β, должно быть выполнено следующее условие:

что имеет место, когда:

1. Поскольку β фиксировано (и, как правило, точно не известно) для данного транзистора, это соотношение может быть удовлетворено либо сохранением R _L достаточно большим, либо очень низким R _F .
   

2. Если R _L большой, необходим высокий V ₊ , что увеличивает стоимость, а также меры предосторожности, необходимые при обращении.
   

3. Если R _F низкий, обратное смещение в области коллектор – база невелико, что ограничивает диапазон колебаний напряжения коллектора, при котором транзистор остается в активном режиме.
   

4. Резистор R _F вызывает обратную связь по переменному току, уменьшая коэффициент усиления по напряжению усилителя.Этот нежелательный эффект является компромиссом для большей стабильности рабочей точки покоя.

Использование: Обратная связь также снижает входное сопротивление усилителя, если смотреть со стороны базы, что может быть выгодно. Из-за уменьшения усиления из-за обратной связи эта форма смещения используется только тогда, когда требуется компромисс для стабильности.

Пример 9.7.2 Использование теоремы Миллера

Для усилителя, показанного на рисунке 9.7.2 (a), с входным источником со связью по постоянному току В _в рассчитайте входное и выходное сопротивление и коэффициент усиления по напряжению A _В .Сначала нам нужно начать с некоторого предварительного анализа постоянного тока, чтобы определить рабочую точку Q ₁ . Для этого мы устанавливаем В, _в на ноль вольт, , т.е. замыкаем. Если предположить, что напряжение В _BE составляет 0,65 вольт, мы получим ток 65 мкА в резисторе 10 кОм R _S . Учитывая, что V ₊ составляет 10 В, мы хотели бы, чтобы V _из было 5 вольт. Ток в R _L равен 500 мкА и будет делиться между коллектором Q ₁ и резистором обратной связи R _F .Напряжение на резисторе обратной связи 62,7 кОм составляет 5-0,65 или 4,35 В. Ток в R _F делится между током в R _S и I _B . Базовый ток I _B равен 4,35 / 62,7 кОм — 65 мкА или 4,3 мкА. У нас должен получиться ток коллектора от 500 до 69,3 мкА или 430,3 мкА с β около 100.

Если мы воспользуемся теоремой Миллера и заменим резистор обратной связи R _F на два его эквивалентных импеданса, мы получим рисунок 9.7.2 (b). Предполагая, что усиление напряжения от базы к коллектору A _V значительно больше 1, мы можем сделать упрощение, что A _V / (A _V -1) близко к 1.Эффективное сопротивление нагрузки, R _Leq , которое мы будем использовать для расчета усиления, будет 10 кОм || 62,7 кОм или 8,62 кОм. Теперь мы можем использовать те же уравнения усиления слабого сигнала для обычного излучателя или источника, которые мы использовали в разделе 9.2.2. Коллекторные токи 430 мкА дают нам г _м , равное 430 мкА / 25 мВ или 0,0172. Мы знаем, что A _V = — g _m R _Leq или A _V = -0,0172 * 8,62K = -148, что равно »1.Входное сопротивление у основания Q ₁ будет r _π для Q ₁ , что равно β / g _м или 100 / 0,0172 = 5,814 кОм, параллельно с сопротивлением Миллера 62,7 кОм / 149 = 421 Ом, таким образом, эффективное входное сопротивление R _base будет около 392,5 Ом.

Рисунок 9.7.2 Пример использования теоремы Миллера

Входное сопротивление источника R _S и эквивалентное сопротивление на базе R _base образуют делитель напряжения.Чтобы вычислить общее усиление напряжения от источника напряжения В _в до В _из , мы умножаем это отношение делителя на усиление базы к коллектору, A _В , которое мы только что вычислили.

Из нашего исследования конфигурации инвертирующего операционного усилителя в главе 3 мы узнали, что для усилителей с менее чем бесконечным усилением фактическое усиление будет меньше, чем предсказывает идеальное уравнение усиления, Gain = -R _F / R _S .Если бы наш одиночный транзисторный усилитель имел бесконечное усиление, коэффициент усиления от В _в до В _{на выходе} был бы 62,7 кОм / 10 кОм или 6,27. В главе 3 мы получили оценку процентной ошибки ε из-за конечного усиления A _V (помните, что β в этом уравнении — это коэффициент обратной связи, а не коэффициент усиления по току транзистора):

Фактическое усиление 5,6 примерно на 10% меньше идеального усиления 6,27.

Упражнение 9.7

Часть 1 Рабочая точка постоянного тока:

Для схемы на рисунке 9.7.3 рассчитайте необходимое R _F для смещения рабочей точки постоянного тока так, чтобы В _{на выходе} было равно ½ напряжения питания или + 5 В, когда Vin = 0. Предположим, В _BE = 0,65 В и β = 200.

Часть 2 Усиление и сопротивление слабого сигнала:

Учитывая значение R _F , вычисленное в части 1, вычислите коэффициент усиления по напряжению A _В , входное сопротивление R _{на базе} и выходное сопротивление R _{на выходе} .Также рассчитайте общий коэффициент усиления по напряжению В _из / В _в и объясните, почему это значение отличается от идеального значения –R _F / R _S .

9.7.5 Эффект Миллера

Эффект Миллера является ключом к прогнозированию частотной характеристики инвертирующего каскада усилителя, в который включена емкостная обратная связь. Обычно в каскаде усиления напряжения имеется полюс нижних частот, создаваемый R _S источника сигнала и конденсатором обратной связи C _C .Но отсечка низких частот определяется не просто R _S и C _C . Эффект Миллера создает эффективную емкость на базе / затворе транзистора, которая выглядит как C _C , масштабированная на коэффициент усиления по напряжению усилителя.

Рисунок 9.7.3 Конденсатор обратной связи Миллера

Эффект Миллера особенно полезен, когда вы пытаетесь создать фильтр нижних частот на операционном усилителе IC с относительно низкой частотой среза. Сложность в том, что большие конденсаторы сложно изготовить, потому что они занимают много места на ИС.Решение состоит в том, чтобы сделать небольшой конденсатор, а затем масштабировать его поведение с помощью эффекта Миллера.

Эквивалентная схема

Вот упрощенная версия схемы выше.

Рисунок 9.7.4 Эквивалентная схема обратной связи Миллера

Миллер сказал, что вы можете приблизительно определить входную емкость, заменив C _C другой емкостью C _M на R _IN . Насколько больше C _M ? C _C умножается на коэффициент усиления по напряжению (A _V = g _m R _L ) усилителя.Теорема Миллера также утверждает, что будет конденсатор C ‘ _C через R _L , который равен C _C раз (A _V +1) / A _V , который для больших значений A _V мы принимаем равным 1.

Как это работает? Что ж, мы знаем, что создание напряжения на конденсаторе вызывает протекание тока. Насколько ток зависит от емкости: I = C _C · ΔV / Δt. Однако в этой схеме усиление напряжения на R _L вызывает гораздо большее ΔV через C _C , в результате чего через C _C протекает еще больший ток.Поэтому с точки зрения В, , _{, В,} , это выглядит намного большей емкостью.

Пример 9.7.3 Пример емкости Миллера

В этом примере мы будем использовать схему, показанную на рисунке 9.7.5, чтобы проиллюстрировать умножение Миллера конденсатора обратной связи C _C . Резисторы смещения R ₁ и R _S выбираются для установки такой рабочей точки постоянного тока, что В, , _выход, , имеет значение постоянного тока приблизительно В, + / 2 или 5 В.Для данного резистора R _L с сопротивлением 10 кОм усиление напряжения слабого сигнала низкой частоты A _В составляет примерно 80.

Теперь мы можем вычислить частоту -3 дБ и частоту единичного усиления (0 дБ) для конденсатора обратной связи C _C , равным 0,001 мкФ. Частота, на которой усиление от В _в до В _из падает на -3 дБ от значений постоянного тока, примерно равна:

Частота единичного усиления примерно равна:

Рисунок 9.7.5 Пример емкости Миллера

Схема на рисунке 9.7.5 была смоделирована, а частотная характеристика переменного тока от 1 Гц до 1 МГц показана на рисунке 9.7.6. Коэффициент усиления от В _в до В _{на выходе} в дБ составляет 20Log (A _V ) или около 38 дБ . Частота -3 дБ в этом случае будет там, где кривая усиления пересекает 35 дБ (~ 263 Гц), а частота единичного усиления будет там, где кривая усиления пересекает линию 0 дБ (~ 21.7 кГц). Результаты моделирования достаточно хорошо согласуются с нашими приблизительными ручными расчетами. Для наших ручных расчетов мы предположили, что R ₁ был достаточно большим, чем R _S , поэтому его можно было игнорировать, а также r _π для Q ₁ было достаточно большим, чтобы не оказывать существенного влияния на R _S .

Рисунок 9.7.6 Моделирование частотной развертки

Краткое содержание главы:

• Каскад с общим эмиттером имеет высокое усиление, но низкий входной и высокий выходной импеданс.
  

• R _E Вырождение эмиттера улучшает входное сопротивление и обеспечивает отрицательную обратную связь для стабилизации рабочей точки постоянного тока, но с некоторой потерей усиления.
  

• Каскад с общей базой имеет низкий входной и высокий выходной импеданс, но хорош на высоких частотах. Хороший текущий буфер иногда называют текущим последователем.
  

• Общий коллекторный или эмиттерный повторитель может иметь смещение с большим входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением, но имеет примерно единичное усиление.Хороший буфер напряжения.

Приложение: Теорема поглощения источника

Теорема поглощения источника имеет две двойные формы: теоремы поглощения источника напряжения и теоремы поглощения источника тока.

Теорема о поглощении источника напряжения утверждает, что если в одной ветви цепи с током I есть источник напряжения, управляемый I, источник можно заменить простым импедансом со значением, равным управляющему коэффициенту источника.

Доказательство тривиально.Импеданс Z, по которому протекает ток I, имеет такое же падение напряжения, которое генерирует управляемый I источник на своих выводах.

Теорема о поглощении источника тока утверждает, что если в одной ветви цепи есть источник тока, управляемый напряжением В, , источник можно заменить простой проводимостью со значением, равным коэффициенту управления источником.

Доказательство снова тривиально. Полная проводимость Y, на которую подается напряжение В , накладывает тот же ток, что и источник Y В .

Пример A1: Определение сопротивления эмиттера с помощью теоремы о поглощении источника

На рисунке A9.3 показана модель транзистора с эквивалентной схемой малых сигналов. Найдите сопротивление Rin, глядя в эмиттер (с базой и коллектором на заземлении переменного тока слабого сигнала).

Используя то, что мы только что узнали о теореме поглощения источника для источников тока, мы знаем, что мы можем заменить управляемый источник с сопротивлением, равным 1/ г _м его крутизны.

Темы для продвинутых:

AT1 Поколение диода смещения