Пауль Хоровиц - Искусство схемотехники. Том 3 [Изд.4-е]

Рис. Е.4.

Отметим, что в данном случае роль питающего напряжения играет напряжение Uвх. Изменение сигнала от пика до пика порождает семейство параллельных нагрузочных линий, пересекающихся с вольт-амперной характеристикой элемента (рис. Е.5, а). Приведенные значения соответствуют сопротивлению 100 Ом для резисторов нагрузки. Как следует из графика, выходной сигнал быстрее всего изменяется, когда нагрузочная линия пересекает участок отрицательного сопротивления на характеристике диода. Значения Uвых (представляющие собой проекцию на ось х), соответствующие различным значениям Uвх (отдельные нагрузочные линии), образуют представленную в этом же примере передаточную характеристику. Рассматриваемая схема обеспечивает некоторое усиление по напряжению для входных напряжений вблизи значения 0,2 В.

Рис. Е.5.

Интересное явление наблюдается в том случае, когда нагрузочные линии становятся более пологими, чем средняя часть характеристики диода. При этом сопротивление нагрузки превышает абсолютную величину отрицательного сопротивления диода и возможны две точки пересечения с характеристикой диода, как на рис. Е.6. По мере того как растет выходной сигнал, нагрузочные линии поднимаются до тех пор, пока точка пересечения не переходит скачком к более высокому значению Uвых. При изменении в обратном направлении точка пересечения аналогичным образом перемещается вниз до тех пор, пока скачком не возвратится обратно. Полная передаточная характеристика, как видим, обладает гистерезисом. Это явление позволяет использовать туннельные диоды в качестве быстродействующих переключательных элементов (триггеров).

Рис. Е.6.

Приложение Ж

НАСЫЩЕНИЕ ТРАНЗИСТОРА

Подзаголовком этого приложения могут стать такие слова: «Диод база-коллектор одерживает победу над транзистором». На простой модели транзистора, в образе которого выступает человек, можно убедиться в наличии конечного напряжения насыщения, которым обладает биполярный транзистор. Основная идея состоит в том, что переход коллектор — база представляет собой большой диод с высоким значением I0 (уравнение Эберса-Молла), значит, в открытом состоянии напряжение на нем при заданном значении тока ниже, чем на диоде база-эмиттер. Следовательно, при небольших значениях напряжения между коллектором и эмиттером (обычно 0,25 В и ниже) некоторую часть базового тока «забирает» диод коллектор-база (рис. Ж.1).

Рис. Ж.1.

В связи с этим уменьшается эффективное значение h21э, и для того, чтобы потенциал коллектора был близок потенциалу эмиттера, приходится поддерживать относительно большие базовые токи. Это подтверждают результаты измерений, приведенные на рис. Ж.2.

Рис. Ж.2.

Коллекторное напряжение насыщения UK (нас.) при определенном значении базового и коллекторного тока является величиной, почти не зависящей от температуры, так как температурные коэффициенты двух диодов взаимно компенсируют друг друга (рис. Ж.З). Это свойство представляет интерес, так как насыщенный транзистор часто используют для переключения больших токов и он может нагреваться (например, ток 10 А при напряжении насыщения 0,5 В дает мощность 5 Вт, которой вполне достаточно для того, чтобы переход небольшого мощного транзистора нагревался до температуры 100 °C или выше).

Рис. Ж.3.

При использовании насыщенных переключателей обычно создают большой базовый ток (составляющий обычно 1/10 или 1/20 часть от коллекторного тока) для того, чтобы напряжение UКЭ (нас.) достигало значения в пределах от 0,05 до 0,2 В. Если нагрузка «потребует», чтобы коллекторный ток был значительно больше, то транзистор выйдет из насыщения и рассеиваемая мощность станет значительно больше.

Результаты измерений, представленные на рис. Ж.4, показывают, что трудно точно установить, когда транзистор насыщен; можно использовать, например, такой критерий: IК = 10·IБ.

Рис. Ж.4.

Приложение 3

LС-ФИЛЬТРЫ БАТТЕРВОРТА

Активные фильтры, как мы установили в гл. 5, очень удобно использовать на низких частотах, но на радиочастотах они неприменимы из-за условий, которые они предъявляют к ОУ в отношении скорости нарастания и ширины полосы пропускания. На частотах порядка 100 кГц и выше (а часто и на более низких частотах) лучше всего использовать фильтры, состоящие из индуктивностей и конденсаторов. Конечно, на СВЧ и микроволновых частотах вместо этих «ламповых» фильтров используют полосковые линии и резонаторы.

Для LC-фильтров, так же как и для активных фильтров, существуют различные методы анализа, различные характеристики. Например, можно использовать классические фильтры Баттерворта, Чебышева, Бесселя в качестве фильтров низких частот, высоких частот, полосовых и заграждающих фильтров.

Оказывается, что проще всего разработать фильтр Баттерворта и на одной-двух страницах можно изложить всю информацию, необходимую для разработки НЧ- и ВЧ- LC-фильтров Баттерворта и даже привести примеры. Для получения более полной информации мы рекомендуем прекрасное руководство Зверева, указанное в библиографии. В табл. 3.1 приведены значения нормализованных индуктивностей и емкостей для фильтров НЧ различного порядка. С помощью этой таблицы определяют действительные значения емкостей и индуктивностей по формулам для соответствующих фильтров.

Формулы для фильтров НЧ:

Lп (действ.) = RнLп (табл.)/ω, Сп (действ.) = Сп (табл.)/ωRн, где Rн - сопротивление нагрузки, ω — угловая частота.

В табл. 3.1 приведены нормализованные значения для 2-8-полюсных фильтров НЧ для двух наиболее общих случаев, а именно: (а) сопротивление источника и нагрузки равны; (б) одно из сопротивлений, источника или нагрузки, значительно больше другого.

Прежде чем прибегать к помощи таблицы, решите, используя характеристику Баттерворта (графики приведены в разд. 5.05 и 5.07), сколько полюсов вам нужно иметь. Затем, используя приведенные выше уравнения, определите конфигурацию фильтра (И- или П-образная, см. рис. 3.1) и величины компонентов. Для одинаковых сопротивлений источника и нагрузки подходит любая конфигурация: П-образные фильтры предпочтительнее, так как для них требуется меньшее количество индуктивностей. Если сопротивление нагрузки значительно выше (ниже), чем сопротивление источника, то следует использовать Т-образный (П-образные) фильтр.

Рис. 3.1.

При разработке фильтра высоких частот воспользуйтесь описанной процедурой для того, чтобы выбрать конфигурацию фильтра и определить необходимое число полюсов. Затем проделайте универсальное преобразование фильтра НЧ в фильтр ВЧ, показанное на рис. 3.2. Оно заключается в простой замене индуктивностей конденсаторами и наоборот.

Рис. 3.2.

Действительные величины компонентов определяются по табл. 3.1 с помощью формул:

Формулы для ВЧ:

Lп (действ.) = Rн/ωCн (табл.), Сп (действ.) = 1/RнωLп (табл.).

Приведенные ниже примеры показывают, как использовать табличные значения при разработке фильтров НЧ и ВЧ.

Пример I. Требуется разработать 5-полюсный фильтр НЧ при условии, что сопротивления нагрузки и источника равны 75 Ом, а частота среза (—3 дБ) составляет 1 МГц.

Для уменьшения числа индуктивностей выберем П-образный фильтр. С помощью формул преобразования получим:

С1 = С5 = 0,618/2π·106·75 = 1310 пФ,

L2 = L4 = 75·1,618/2π·106 = 19,3 мкГ,

С3 = 2/2π·106·75 = 4240 пФ.

Полная схема фильтра показана на рис. 3.3.

Рис. 3.3.

Отметим, что все фильтры с одинаковыми сопротивлениями источника и нагрузки имеют симметричную конфигурацию.

Пример II. Требуется разработать 3-полюсный фильтр НЧ при условии, что импеданс источника равен 50 Ом, сопротивление нагрузки равно 10 кОм, а частота среза составляет 100 кГц.