Анализ электронных схем

Почему используются синусоиды?

При исследовании работы усили­тельных каскадов обычно подают на вход синусоидальное колебание и на­блюдают явления во время положи­тельного и отрицательного полупериодов. И тут же возникает вопрос: ведь при передаче речи и музыки напряже­ния и токи имеют сложную форму? Не создаем ли мы для усилителей «неес­тественную обстановку», когда иссле­дуем их с помощью синусоидальных сигналов?

Мы уже знаем (см. рис. 12.8), что согласно теореме Фурье даже и самое сложное периодическое колебание мож­но разложить на сумму множества си­нусоидальных колебаний. Они на­зываются гармоническими и образуют частотный спектр определенной шири­ны. Так что, если усилитель хорошо усиливает несколько определенных час­тот спектра (включительно и самую низкую и с амую высокую), то, очевид­но, он хорошо усиливает и самое слож­ное колебание.

Постоянная и переменная составляющие

Из ранее изложенного ясно, что во время работы на различных участках элект­ронных схем действуют одновременно постоянные и переменные напряжения. В результате в цепях протекает однов­ременно постоянный и переменный ток или, как еще говорится, постоянная и переменная составляющие. Для того, чтобы правильно разобраться в дейст­вии электронных схем, абсолютно необ­ходимо разграничить обе эти состав­ляющие. В связи с этим необходимо знать, что:

1. При отсутствии сигнала (звука) в цепи: батарея Е – угольный микрофон М – сопротивление R (рис. 21.1) про­текает постоянный микрофонный токНа обоих концах резистора R об­разуется падение напряжения по по­стоянному току но благодаря на­личию конденсатора С на выходе нет напряжения..

2. При наличии сигнала (звука) в цепи Е – М – R протекает микрофонный ток, состоящий из постоянной составляющей и переменной составляющей с амплитудой .

На обоих концах сопротивления Rобразуется падение напряжения, сос­тоящее из постоянной составляющей и переменной составляющей с амп­литудой Через конденсатор про­ходит переменная составляющая и по­является на выходе, причем ее ампли­туда зависит от величины X _с и

3. Большая часть сложных колеба­ний состоит из постоянной и перемен­ной составляющих (рис. 21.2а). Они могут быть разделены с помощью кон­денсатора (рис. 21.2 б). Переменная сос­тавляющая является носителем ин­формации (речь, музыка и пр.) и имен­но она усиливается отдельными каска­дами.

4. Источник постоянной состав­ляющей – батарея (источник пита­ния), в то время как источник перемен­ной составляющей – микрофон, маг­нитофонная головка, транзистор и пр.

5. Для переменной составляющей батарея (источник тока) представляет собой короткое замыкание. И действи­тельно, все батареи питания, а также выход каждого выпрямителя тока шунтируются конденсатором большой ем­кости.

Полярность напряжений и токов в электронных схемах

При анализе электронных схем особен­но важно знать полярности напряже­ния и тока. Начинающие любители электроники очень часто встречают за­труднения в связи с тем, что в цепи протекают одновременно как постоян­ные, так и переменные составляющие. Поэтому следует знать, что:

1.Напряжения в различных точках электронных схем измеряют относи­тельно общего проводника (шасси).

2. При протекании тока через дан­ный резистор точка, в которую ток «входит», имеет более высокий потен­циал, чем точка, через которую он «выходит»

3.За положительное направление тока в замкнутых цепях схемы прини­мается условно одно направление, выбранное предварительно. Если на­правление реальных токов совпадает с условно выбранным, то они положи­тельны, а если противоположно – они отрицательны.

4.При отсутствии сигнала в цепях существует только постоянная состав­ляющая напряжения и тока. Когда проверяем при помощи вольтметра амперметра режим данной схемы, то мы измеряем именно постоянную сос­тавляющую. Для данной схемы поляр­ность и направление постоянной сос­тавляющей во время работы остаются неизменными

5.При наличии сигнала в цепях по­является переменная составляющая. Она непрерывно изменяется, а именно; в один полупериод она имеет одну по­лярность и направление, а в следую­щий – другую.

На рис. 21.3а и б показаны цепи, со­держащие только постоянную состав­ляющую. Здесь и в последующих схе­мах за положительную полярность выбрано направление по часовой стрелке. Под ними на основании упо­мянутого правила даны графики токов и полярность напряжений в точках а и б.

На рис. 21.4 показана цепь, содер­жащая только переменную составляю­щую. Под схемами начерчены графики токов и дана полярность напряжений в точках а и б в один и другой полупе­риод.

На рис. 21.5 показана цепь, содер­жащая одновременно и постоянную и переменную составляющие, причем по­стоянная составляющая положи­тельна. И здесь начерчены графики то­ков и обозначена полярность напряже­ний в точках а и б.

Обратите внимание на то, что в один полупериод постоянная и пере­менная составляющие имеют одно на­правление, благодаря чему абсолютное значение токов и напряжений возрас­тает. В другой полупериод постоянная и переменная составляющие имеют противоположное направление, благо­даря чему абсолютная величина токов и напряжений уменьшается. На рис. 21.6 показана та же цепь, однако ее постоянная составляющая отрица­тельна.

Биполярный транзистор в роли линейного усилителя

Общие сведения

Выше мы выяснили, что устройство является усилителем тогда, когда мощность, полученная на его выходе, больше мощности, поданной на вход, причем, разумеется, увеличение мощности происходит за счет источника тока. При помощи транзисторов можно конструировать различные виды электронных усилителей, но наиболее широкое

применение на практике находят линейные усилители (они работают в т. н. усилительном классе А). В них переменный выходной сигнал (хотя и многократно увеличенный по мощноси) должен иметь ту же форму, что и входной (рис. 22.1). Или, как говорится между выходным и входным сигналом должна существовать линейная зависимость (отсюда и их название: линейные усилители).

Транзистор в роли усилителя

Для того, чтобы конкретно понять, как усиливает транзистор, рассмотрим схе­му, данную на рис. 22.2а, в которой в коллекторную цепь включено нагрузоч­ное сопротивление R = 2 кОм. На од­ном числовом примере покажем, что мощность (напряжение и ток) переменной составляющей на нагрузке больше, чем мощность на выходе.

Сначала рассмотрим схему, данную на рис. 22.2а. Здесь база транзистора соединена с эмиттером (I_Б = 0), благо­даря чему при отсутствии сигнала транзистор закрыт и. (Для про­стоты пренебрегаем ничтожно малым током I_КЭК). Сопротивление коллек­тор-эмиттер любого закрытого тран­зистора велико, примерно 0,1- 1 Мом. МОм. Благодаря этому почти все напряжение батареи действует меж­ду коллектором и эмиттером (В),), а падение напряжения на резисторе почти равно нулю ().

Если теперь от источника переменного тока Е ₁ (рис. 22. 2 б) подадим на вход напряжение 0,5 В, то оно вызовет сравнительно малый базовый ток I _Б = 10 мкА.

Рабочая точка транзистора

Для того, чтобы транзистор выполнял роль усилителя, он должен быть по­ставлен в соответствующий режим по постоянному току и тогда можно по­дать на него входной сигнал. Основные величины, характеризующие режим постояного тока, следующие:

1.Напряжение управляющего пере­хода в режиме покоя. Называется еще базовым смещением и обозначается U _ЭБп (здесь и далее „п“ озна­чает покой).

2. Базовый ток покоя I_Бп. Очевидно, он зависит от выбранного смещения базы U _ЭБп и обе эти величины опреде­ляют т. н. рабочую точку транзистора на его входной характеристике (рис. 22.4).

3. Коллекторный ток покоя I_Кп. Как мы уже знаем, его величина в раз больше начального тока базы.

4. Коллекторное напряжение покоя U_КЭп. Оно не должно быть меньше 0,8-1 В, т.к. рис. при очень малых напряжениях базовый ток не управляет коллекторным током, т.е. транзистор перестает быть усилителем. Обе последние величины и определяют рабочую точку на выходных характеристиках транзистора (рис.22.5 а).

Почему важен выбор рабочей точки транзистора

Правильный выбор рабочей точки является одним из самых важных моментов в работе с транзисторными схемами. Причины этого следующие. При подаче определенного напряжения смещения определяется рабочая точка на входной

Дата добавления: 2014-01-13