Чтение онлайн

Рис. 13.6. Обозначение на схеме однопереходного транзистора и его вольт-амперная характеристика

В качестве примера на рис. 13.7 показан практический генератор на «однопереходнике» вместе с диаграммами напряжений в контрольных точках.

Рис. 13.7. Практическая схема применения однопереходного транзистора (а) и поясняющие работу диаграммы напряжений (б)

Так как обычно частота таких генераторов не выходит за звуковой диапазон, то подключив параллельно с конденсатором С1 пьезоизлучатель, мы можем сигнал услышать (звуковой излучатель с маленьким сопротивлением, например, динамик можно включить вместо резистора R3).

В чем заключается преимущество таких схем по сравнению с генераторами, выполненными на обычных транзисторах или микросхемах? Основных достоинств всего четыре, но зато какие!

Первое, что сразу бросается в глаза, — для выполнения генератора требуется минимальное число дополнительных элементов, к тому же все они могут быть малогабаритными.

Второе преимущество — это способность схемы формировать на выходе импульс с большим током, доходящим до единиц ампер. Такие импульсы нужны для электронного управления некоторыми компонентами, например мощными тиристорами или для запуска автогенератора в импульсном источнике питания (последнее применение можно встретить во многих схемах источников питания отечественных телевизоров).

Третье достоинство — генератор легко синхронизировать с частотой питающей сети, для чего достаточно подать на питание схемы не постоянное, а пульсирующее напряжение (эта возможность часто используется в импульсных регуляторах).

Четвертое: малый ток потребления даже при большом выходном импульсном токе. Чтобы понять, почему так происходит, давайте более подробно рассмотрим работу генератора импульсов. В момент включения схемы транзистор VT1 заперт и происходит заряд конденсатора С1 через резистор R1 до порогового уровня, при котором у транзистора открывается переход эмиттер-база 1 (в этот момент он резко уменьшает свое сопротивление — точка А на графике).

Через открытый переход и нагрузочный резистор R3 конденсатор С1 быстро разряжается, отдавая всю накопленную в течение продолжительного времени энергию. Вместо R3 можно установить управляющую часть оптрона или обмотку импульсного трансформатора. Резистор R2 ограничивает прямой ток через транзистор в то время, когда он имеет открытый переход.

Частота такого генератора определяется по формуле:

где k = 0,22…1,61 — коэффициент, зависит от типа применяемого транзистора и связан с формой его выходной характеристики (рис. 13.6).

C простыми усилителями электрических сигналов, построенными на одном-двух транзисторах и некоторых микросхемах, вы уже успели познакомиться и теоретически, и практически по первой книге. Для того чтобы улучшить параметры усилителей сигналов, пришлось схемы усложнять, вводить многокаскадные решения, совмещать разные типы схем, оптимизировать их. В процессе разработок, — а произошло это в конце 50-х гг. XX в. — выяснилось, что возможно заключить несколько транзисторов в отдельный корпус, сделать выводы от нужных точек схемы и предоставить потребителю уже почти готовое устройство, для работы которого достаточно подключать небольшое число дополнительных элементов. Так появились интегральные микросхемы. Их внедрение позволило значительно уменьшить размеры конструкций и снизить их стоимость. Ведь микросхема часто стоит намного дешевле, чем та же самая схема, собранная из дискретных компонентов. Но микросхема — это не простой перенос дискретных элементов в один корпус. Технологически выполнять такое сложно и невыгодно. Во всяком случае времена, когда так делали, уже давно прошли. Обычно на одном кристалле изготавливают специально оптимизированные схемы, в которых можно обойтись без внутренних конденсаторов и с минимальным числом резисторов. Сами резисторы делают как источники стабильного тока на полупроводниках.

Сегодня в технике усиления и преобразования сигналов широко используется разновидность универсальных аналоговых микросхем — операционный усилитель (ОУ). Этот вид микросхемы появился в 60-х гг. XX в. и первоначально предназначался для создания аналоговых электронно-вычислительных машин, устройств обработки радиолокационной и гидроакустической информации и других автоматических высокоточных устройств. На основе операционного усилителя были разработаны типовые схемы, благодаря применению которых можно осуществлять простейшие математические операции: сложение, вычитание, умножение, интегрирование, логарифмирование. Современная элементная база позволяет получать точность преобразований до 0,1 %.

Наращивая схемы из таких блоков, как из детского конструктора, удавалось обрабатывать сложные сигналы, преобразовывать информацию, заключенную в них. Ныне любые сигналы подвергают математической обработке уже другими методами, о которых рассказывает глава «Логика для цифрового мира».

А операционные усилители, по сути представляющие собой усилители постоянного тока, до сих пор широко выпускаются, но используются в другом качестве. На их основе можно создавать широкополосные усилители, фильтры, генераторы колебаний разной формы, элементы стабилизации, измерительные усилители и еще множество других интересных устройств. Мы не сможем рассказать о всех применениях ОУ, но основные схемотехнические идеи приведем обязательно.

Классический операционный усилитель изображен на рис. 13.8. Он имеет два входа — прямой (обозначается знаком «+») и инверсный («—» или кружочек на входной линии), выход, выводы питания, — у некоторых есть еще выводы подключения частотной коррекции (FC) и балансировки нуля (NC). Номера выводов корпуса ставятся за пределами основного контура квадрата (треугольника), а внутри квадрата имеется условный знак в виде треугольничка, который и указывает на то, что это микросхема для усиления сигналов (на основе ОУ изготавливают и другие микросхемы, например, компараторы — там условный знак будет другим).

Рис. 13.8. Типовой операционный усилитель (так его часто показывают на электрических схемах, но встречаются и другие обозначения)

На сложных схемах, чтобы не загромождать ее лишними линиями, затрудняющими чтение чертежа, иногда не указывают около корпуса питающие цепи (это бывает обозначено текстом или в виде таблицы).

Внутренняя структура такого усилителя построена на основе дифференциального каскада с несимметричной нагрузкой, подробно рассмотренного в книге 1. Поэтому ОУ и имеет два разных входа. Подав сигнал на прямой вход, мы получим совпадение фаз входного и выходного сигналов; инвертирующий вход «повернет» фазу на 180 градусов (поэтому он инвертирующим и называется).

Операционные усилители обладают высоким коэффициентом усиления напряжения — 104…106 раз — и, если мы подадим на любой из его входов синусоидальный сигнал, на выходе получатся прямоугольные импульсы. Чтобы микросхема работала в линейном режиме, к тому же усиливала входной сигнал не больше и не меньше, чем нам требуется, вводят отрицательную обратную связь. Как это делается, мы расскажем чуть позже.

Во многих «операционниках» имеются специальные выводы для подключения балансировочного резистора (Rбал,), который может задавать постоянный сигнал на выходе микросхемы.