НОВЫЙ ТИП ТРАНЗИСТОРНОГО УСИЛИТЕЛЯ

Радио, 1974 №1

Известные в настоящее время теоретический анализ и результаты практики весьма чётко определили области применения различных схем включения транзисторов. Так включение транзистора по схеме с общей базой (ОБ) широко применяется в тех случаях, когда необходимо иметь большое выходное сопротивление каскада, малую внутреннюю обратную связь, хорошую линейность зависимости выходного тока от входного и т. д. Достоинством такого включения транзистора по сравнению с включением по схемам с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК) является также малая величина неуправляемого тока, проходящего через коллектор. Существенный недостаток включения по схеме с общей базой - малое усиление по току. Этим, по-видимому, объясняется тот факт, что схема ОБ получила весьма ограниченное распространение. Отмечалось также, что схема ОБ практически непригодна для использования в области насыщения и не может быть рекомендована для режима переключения.

Однако, существуют устройства на транзисторах, включённых по схеме, напоминающей ОБ, обеспечивающие коэффициент усиления по току такой же, как при включении их по схемам ОЭ и ОК и, кроме того, позволяющие закрыть транзистор приложением импульса только ко входу. Это становится возможным, если между коллектором и эмиттером транзистора, база которого соединена с источниками питания и входного тока, включить электрическую цепь, пропускающую через себя входной ток при определённых условиях. Эта цепь выполняет роль цепи обратной связи между коллектором и эмиттером транзистора при переходе его из области насыщения (или отсечки) в активную область.

Отличительной особенностью проходных характеристик (зависимость выходного тока от входного) таких устройств является их пороговый характер. Другими словами, они имеют значительную начальную область, где изменение входного тока не вызывает изменения выходного.

Базовая схема устройства с пороговой характеристикой (а.с. 351298) показана на рис. 1.

Рис. 1.

Здесь Z_к, Z_э и Z_п - возможные сопротивления нагрузки (нагрузка - активная или реактивная - может быть включена в любую цепь: коллекторную, эмиттерную или параллельную), генераторы напряжения U₁ и U₂ со своими внутренними или внешними сопротивлениями R1 и R2 образуют в общем виде источники тока I₁ и I₂. Любой из этих токов может быть входным, тогда другой ток будет током питания устройства.

Для простоты объяснения сущности работы устройства целесообразно сделать некоторые допущения. Предположим, что токи I₁ и I₂ создаются генераторами тока, то есть источниками с большим внутренним сопротивлением; сопротивления Zк и Zэ равны нулю; между коллектором и эмиттером включён полупроводниковый диод, который проводит ток при некотором прямом напряжении Е₀ на его электродах и вовсе не проводит ток при обратном напряжении; наконец, коэффициент передачи тока транзистора не зависит от напряжения между его эмиттером и коллектором.

С учётом этих допущений схема устройства принимает вид, показанный на рис. 2, а.

Рис. 2.

В зависимости от соотношения токов I₁ и I₂ транзистор T₁ может находиться в одном из трёх режимов работы: отсечки, активном или насыщения. В режим насыщения он входит при токе I₁, меньшем a*I₂ (a-коэффициент передачи тока транзистора в схеме ОБ). При этом напряжение между коллектором и эмиттером транзистора меньше напряжения Е₀ диода Д1, поэтому его проводимость равна нулю. Если же ток I₁ становится больше тока I₂, транзистор переходит в режим отсечки. Ток I₁, протекая через диод Д1, создаёт на диоде Д2 падение напряжения, закрывающее эмиттерный переход транзистора. Следовательно, в этом случае весь ток I₁ течёт через диод Д1.

При токе I₁ меньшем I₁, но большем a*I₂ транзистор работает в активном режиме. Напряжение между его коллектором и эмиттером больше Е₀, поэтому диод Д1 открыт и через него течёт ток I_п, являющийся частью тока I₂. В отличие от режима насыщения через эмиттерный переход транзистора течёт не весь ток I₂, а только часть его, равная I_э = I₂-I_п. Нетрудно видеть также, что в этом режиме одна часть тока I1 протекает через диод Д1 (ток I_п); другая (ток I_к = a*I_э) - через коллектор транзистора. Небольшие изменения токов I₂ или I₂ приводят к гораздо большим изменениям токов I_п, I_к и I_э.

С учётом сказанного для транзистора, работающего в активном режиме, можно составить следующую систему уравнений:

I₁ = I_к+I_п
I₂ = I_э+I_п
I_к = a*I_э

Решая её относительно Iк, Iэ, Iп и приняв за входной (изменяющийся) ток I₁, а I₂ - за ток питания, величина которого неизменна, получим:

Iк = - dI*B	(1)
Iэ = - dI(В + 1)	(2)
Iп = dI(В + 1),	(3)

где dI = I₁ - I₂; В = a/(1-a) - коэффициент передачи тока транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером. Знак «-» показывает, что направление входного тока противоположно выходному. Характер изменения токов I_э, I_к, I_п для этого случая показан на рис. 2, б.

Если же за входной принять ток I₂ (соответственно I₁ - за ток питания), выражения для токов I_к, I_э и I_п примут вид:

Iк = dI'*B	(4)
Iэ - dI'*(В + 1)	(5)
Iп = -(I1+ dI*B),	(6)

где dI' = I₂ - I₁. Характер изменения токов показан на рис. 2, в.

Таким образом, при включении транзистора по описываемой схеме коэффициент усиления по току каскада получается либо таким, как в схеме ОЭ (выражения 1, 4 и 6), либо, как в схеме ОК (выражения 2, 3 и 5).

Рис. 3.

Включая нагрузку Rн в цепь эмиттера, коллектора или обратной связи и считая входным током либо I₁, либо I₂, получим шесть различных проходных характеристик каскада для входных сигналов постоянного тока (рис. 3). От характеристик каскадов, в которых транзистор включён по схемам ОЭ и ОК, они отличаются значительным начальным участком, где выходной ток не зависит от входного. Величину этого участка можно регулировать, изменяя ток или напряжение питания. Интерес представляет характеристика, показанная на рис. 3,а (нагрузка включена в цепь коллектора, входной ток - I₁), имеющая вид треугольника. Такая проходная характеристика каскада необходима для некоторых видов функциональных преобразователей или при моделировании технологических процессов.

При включении транзистора по схемам ОК и ОЭ увеличение входного тока вызывает пропорциональное увеличение выходного тока с тем же знаком. Такими проходными характеристиками обладают только каскады, схемы которых приведены на рис. 3, в и д. Остальные же проходные характеристики отличаются от предыдущих тем, что при увеличении входного тока выходной ток уменьшается (рис. 3, б, г, е).

Необходимо отметить, что устройства, собранные по рассмотренной схеме, могут и не давать усиления по мощности, так как в основном являются усилителями тока. В связи с этим применить их в качестве выходных каскадов усилителей мощности нецелесообразно. Их можно рекомендовать для первых каскадов, где вначале необходимо получить усиление по току или пороговый эффект.

Элементом цени обратной связи может служить кремниевый диод, полупроводниковый стабилитрон, дроссель, трансформатор, конденсатор, тринистор, нелинейный полупроводниковый резистор и т. д., причём каждый из них придаёт каскаду новые свойства.

Рассмотрим несколько примеров использования базовой схемы (рис. 1) для построения различных радиоустройств. Например, чтобы получить релейное устройство, необходимо в контуре, образованном транзистором Т1 и цепью, связывающей его эмиттер и коллектор, получить коэффициент усиления более единицы. Это нетрудно сделать, если последовательно с диодом Д1 включить эмиттерный переход ещё одного транзистора, но другой структуры, как показано на рис. 4, а. Такое электронное реле (а.с. 352375) содержит входной транзистор Т1 и выходной - Т2, эмиттерный переход которого является активным нагрузочным элементом. Током питания в данном случае является эмиттерный ток транзистора Т2, величина которого определяется напряжением питания и сопротивлением резисторов R1 и R2.

Рис. 4.

При отсутствии входного сигнала и включённом питании транзистор Т2 насыщен за счёт тока, протекающего через его эмиттерный переход, резистор R1 и эмиттерный переход транзистора Т1, а выходное напряжение близко к нулю. При увеличении входного тока до величины, близкой к току эмиттеров транзисторов Т1 и Т2, транзистор Т1 переходит в активный режим, и через диод Д1 течёт ток, уменьшающий ток базы транзистора Т2, а следовательно, и его эмиттерный ток. Процесс развивается лавинообразно, и в результате транзистор Т2 закрывается. При этом выходное напряжение становится равным напряжению питания и дальнейшее увеличение или уменьшение входного тока не оказывает влияния на его величину (рис. 4, б). Возврат устройства в исходное состояние происходит в том случае, если входной ток становится меньше тока через резистор R1.

По сравнению с триггером Шмитта описанное релейное устройство обладает рядом преимуществ: может работать от источника тока с любым большим внутренним сопротивлением; его проходные характеристики более стабильны при изменении температуры и смене транзисторов. Кроме того, оно просто рассчитывается, а изменение порогов срабатывания и отпускания достигается только изменением сопротивления резисторов R1 и R2.

В электронном реле применены германиевые транзисторы (Т1, Т2) и кремниевый диод (Д1). Если же используются кремниевые транзисторы, то вместо диода Д1 необходимо включить два кремниевых диода, соединённые последовательно. В любом случае разность напряжений начала проводимости эмиттерных переходов транзисторов и диода в цепи обратной связи должна быть не менее нескольких десятых долей вольта.

Рис. 5.

Если в цепь обратной связи включить конденсатор, получится генератор одиночных пилообразных импульсов (рис. 5, а). При отсутствии входного сигнала и включённом питании конденсатор С1 заряжается через диод Д1 (на рис. 2 - Д2) и резистор R1. Во время заряда конденсатора транзистор Т1 закрыт, так как к его эмиттерному переходу приложено напряжение закрывающей полярности, создающееся на диоде Д1 зарядным током. По мере заряда напряжение на конденсаторе C1, а следовательно и на выходе устройства увеличивается (рис. 5, б). Если теперь в момент t₁ на эмиттерный переход транзистора Т1 подать напряжение, большее того, которое создаётся зарядным током на диоде Д1, транзистор откроется и конденсатор С1 начнёт разряжаться через него. Протекая через эмиттерный переход транзистора, разрядный ток складывается с входным током I_вх, что вызывает увеличение коллекторного тока, и конденсатор быстро разряжается.

Принципиальная схема автогенератора пилообразного напряжения показана на рис. 6. Как видно из схемы, последовательно с конденсатором С1 в цепь обратной связи включён эмиттерный переход транзистора Т1 структуры n-p-n. Транзисторы генератора питаются от отдельных источников питания.

Рис. 6.

После включения питания конденсатор С1 заряжается от источника U_пит2 через резистор R2 и диод Д1. При этом транзисторы Т1 и Т2 закрыты. По мере заряда конденсатора ток через резистор R2 уменьшается. Когда же он становится меньше тока, протекающего через резистор R1, транзисторы Т1 и Т2 быстро открываются, и конденсатор С1 разряжается через эмиттерный переход транзистора Т1 и сопротивление участка эмиттер - коллектор транзистора Т2. По окончании разряда транзисторы вновь закрываются и процесс повторяется сначала.

Использование рассмотренной схемы совместно с классическими схемами включения транзистора позволило по-новому выполнить и другие основные устройства транзисторной радиоэлектроники: мультивибраторы, усилители, схемы сравнения, делители частоты, преобразователи частоты в ток и тока в частоту, блокинг-генераторы и многое другое.

В. ТУРЧЕНКОВ

BACK