Содержание https://dzen.ru/a/ahA_de--4g5ZAgyI
Напоминаю, что теперь есть некая проблема с симуляцией, как её решить я написала здесь: https://dzen.ru/a/agN_UZne4hbddHZZ
Давайте при помощи симуляции проведём интересные опыты, которые иначе было бы очень проблематично поставить, но которые позволяют наглядно раскрыть всю суть работы биполярного транзистора в усилительном режиме. Почему эти опыты очень сложно поставить на практике? В реальности сложно собрать нужное количество измерительных приборов в одном месте, да ещё и необходимо, чтобы эти приборы порой предоставляли специфическую информацию, которую далеко не каждый из реальных измерительных приборов вообще способен предоставить. Так же необходимо, чтобы приборы были как можно более идеальны, и не искажали бы результаты измерений. На практике этого добиться порой весьма сложно. Я объясню ниже в чём проблема и это поможет нам понять, как именно плохие приборы могут искажать результаты измерений. С другой стороны, конечно, остаётся вопрос, насколько симуляция близка к реальности и здесь конечно мы можем только надеяться на то, что разработчики постарались и реализовали правильные алгоритмы. Сейчас симуляции везде и всюду используют для научных исследований, так как иначе просто невозможно было бы изучить очень многие аспекты. Да и сами мы возможно тоже существуем в чьей-нибудь симуляции ))). По крайней мере, ещё никто не доказал обратного!
Исследовать мы будем тот самый усилительный каскад, который я показала в предыдущей теме.
Я не сама его разработала и нарисовала, а использовала готовый вариант из имеющейся библиотеки. Вот таким образом:
Да, конечно, я поменяла кое-что в готовом варианте: наглядность осциллограмм и источник сигнала. Однако, что самое важное, я не меняла уже рассчитанные кем-то номиналы резисторов этого каскада. Это так называемая ОБВЯЗКА КАСКАДА, которая разрабатывается благодаря инженерным расчётам с учётом параметров конкретной модели транзистора, необходимого технического задания, напряжения питания и так далее. Однако никто не запрещает поиграть с параметрами этих резисторов потом, особенно в симуляции, и посмотреть на то, что из этого получится.
Для исследования анонсированного в заголовке этой статьи, я на основе упомянутого каскада собрала следующую схему:
Здесь, в качестве источника сигнала на входе первого усилительного каскада, я выбрала генератор треугольных импульсов с положительным пиком 0,001 V (то есть полная амплитуда входного сигнала – от пика до пика 2 mV или 2000 uV) частотой 600 Hz. Эти импульсы представлены на верхней осциллограмме. Там видно их форму, а так же их пиковые (максимальные и минимальные) значения. Почему я взяла сигнал треугольной формы, а не синусоиду? Потому, что на таком сигнале очень хорошо видно искажения при усилении. Лучше чем на синусоиде, и мы это далее увидим.
Входной сигнал можно отключать при помощи входного выключателя в моём варианте схемы. Это сделано для того, чтобы можно было наблюдать, как ведёт себя такой каскад в состоянии покоя. Также, за счёт второго выключателя, можно наблюдать дальнейшее усиление сигнала и взаимовлияние каскадов. Это мы тоже посмотрим.
Весь транзистор первого каскада я увешала измерительными приборами как новогоднюю ёлку. Благо, что в симуляции это сделать не трудно. Эти приборы как раз и нужны, чтобы исследовать работу каскада. Потому, что рассказывать о работе транзистора это одно, а эксперимент, это гораздо лучше. В чём мы тоже убедимся. Поскольку приборы в симуляции близки к идеалу, на работу измеряемой схемы они влиять не будут или почти не будут. Напомню, что сопротивление идеального амперметра равно нулю, а это значит, что для каскада всё равно, что амперметр, что перемычка. Работать будет одинаково. Сопротивление идеального вольтметра равно бесконечности. Здесь же сопротивление нельзя указать бесконечным, но зато можно сделать очень большим – чем больше мы его сделаем, тем меньше его наличие будет влиять на работу схемы в момент измерения. Я это продемонстрирую потом и замечу сейчас, что у реальных вольтметров, как правило, сопротивление не слишком большое, особенно у дешёвых устройств.
Кроме того, в данной симуляции очень богатый выбор вариантов того, что именно будет отображать вольтметр. Это можно выбрать в параметрах вольтметра, в поле “Значение”. У реального измерительного прибора, как правило нет всех таких возможностей, так как их сложно было бы реализовать технически. Мы этим тоже воспользуемся потом.
Программа симуляции предлагает всего два готовых варианта транзисторов с некими усреднёнными параметрами. На жаргоне это называется ДЕФОЛТНЫЕ параметры, от англ. Default (по умолчанию). В параметрах такого транзистора можно только указать конкретное его значение Beta или по другому его называют hFE – коэффициент усиления по постоянному току транзистора (если тип каскада С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ – у нас как раз такой). Однако можно нажать кнопку “Создать новую модель” создать виртуальный транзистор с более приближенными к реальной модели транзистора параметрами, взяв их, например, из конкретного даташита – справочного листка конкретной радиодетали.
Мы воспользуемся дефолтными транзисторами, а вообще-то среди транзисторов существует довольно большой разброс параметров. Даже в одной и той же партии вроде бы одинаковых транзисторов, можно найти, например, самый разный конкретный hFE. Чем его можно измерить? Например, LCR-T4 – это народный дешёвый прибор, про который я уже упоминала здесь https://dzen.ru/a/ag3yVsma3GCf6MAH. Так же некоторые мультиметры позволяют измерить hFE.
Для более удобного отображения, я так же внесла следующую настройку
Так же у осциллографов я сделала следующие настройки
Ну, итак, давайте приступим к исследованию. Напомню, что сейчас, из-за разомкнутого входного выключателя, на вход каскада не поступает какой-либо сигнал и каскад находится в состоянии покоя. Включаем симуляцию кнопкой старт справа вверху. Видно, что даже в режиме покоя протекают токи через цепи каскадов, и особенно большие токи текут через цепи коллектора и эмиттера транзисторов. Конечно, в симуляции можно наблюдать токи по движению цветных точек, но интересно посмотреть на величины этих токов по амперметрам в первом слева каскаде.
Там три амперметра: в цепи коллектора, базы и эмиттера. И если посмотреть их значения более внимательно, то можно удивиться. Ведь ток эмиттера должен быть равен сумме токов коллектора и базы, но это немного не так. Ток эмиттера несколько меньше этой суммы, а это происходит потому, что верхний амперметр показывает сумму тока заряда выходного конденсатора и, собственно тока коллектора. Поскольку ток заряда выходного конденсатора ограничен довольно большим сопротивлением 1 мегаом, заряд будет идти довольно долго, да и вообще-то полностью никогда не прекратится. Изменение напряжения на выходном резисторе 1 MOm, демонстрирует средняя осциллограмма. Видно, что там напряжение неуклонно падает в данный момент.
Однако важно, что ток коллектора примерно в 100 раз больше тока базы. И что самое интересное, ток коллектора почти не зависит от сопротивлений в цепи коллектора и эмиттера! Он таков потому, что hFE = 100 в нашем случае! Для доказательства, давайте я поменяю резистор в цепи коллектора на величину 1 Om, а ведь это почти перемычка теперь!
Ток коллектора увеличился крайне незначительно. Всё равно он остался примерно в 100 раз больше чем ток базы! Собственно ток базы задаётся разностью напряжений между базой и эмиттером. Здесь эту разницу показывает один из вольтметров, она равна 0,594841 V и, видимо это и есть так называемая РАБОЧАЯ ТОЧКА этого транзистора в данном режиме. То есть напряжение между базой и эмиттером, при котором транзистор, когда каскад находиться в состоянии покоя, открыт только наполовину. Это состояние транзистора нужно для того, Чтобы по приходу чуть более положительного напряжения на базу, транзистор не уходил бы в режим насыщения, а по приходу чуть более отрицательного напряжения на базу, не уходил бы в состояние отсечки. Для транзистора другой модели, рабочая точка может быть иной. Всё зависит от параметров конкретного транзистора. Вообще расчёт конкретной рабочей точки, это инженерная задача, опирающаяся на многие знания и навыки. Например, вот здесь описан метод расчёта: https://studopediasu.com/15_180431_poryadok-vipolneniya-raboti.html
Однако в нашу задачу не входит разработка схемы, но я хочу показать вам, как ведёт себя конкретный, уже рассчитанный кем-то каскад. Собственно напряжение на эмиттере зависит от тока эмиттера и резистора между эмиттером и корпусом (на корпусе здесь будет 0 V). Падение напряжения с этого резистора и будет напряжением эмиттера. Напряжение на базе задаётся в основном делителем из резистора на 110000 Om и 10000 Om включенном чуть ниже. Однако, надо понимать, что переход база-эмиттер транзистора, и резистор в цепи эмиттера транзистора, так же влияют на работу этого делителя, поэтому расчёт базового делителя – дело непростое. Так как сам по себе делитель в цепи базы , выдал бы несколько повышенное напряжение чем сейчас.
В нашем же случае 1,577 V, как показывает левый нижний вольтметр. Ну, это достигается за счёт того, что разработчик учёл, что через базовый переход будет ответвляться ток определённой величины (9,724 uА), который потечёт мимо нижнего в делителе резистора. Можно конечно всё это рассчитать и на приблизительном, достаточно любительском уровне, можно и подобрать экспериментальным путём, однако, прошу заметить, что когда резистор в цепи коллектора имеет величину 10000 Om, изначально указанную разработчиком схемы, и транзистор находится в приоткрытом состоянии рабочей точки, то на его коллекторе устанавливается некое среднее напряжение 10,268 V, как показывает наш верхний правый вольтметр. Если транзистор призакроется больше, и на сопротивлении его перехода (плюс на эмиттерном резисторе) будет падать большее напряжение, а на верхнем резисторе меньшее (в сумме 20 V, так как напряжение питания 20 V). Если транзистор приоткроется, то наоборот, на его пониженном сопротивлении перехода коллектор-эмиттер + эмиттерный резистор, будет падать более низкое напряжение чем сейчас, а остаток от 20 V упадёт на резисторе выше коллектора. То есть когда транзистор в рабочей точке, есть возможность колебания напряжения на коллекторе этого транзистора при его большем закрывании или открывании!
С рабочей точкой транзистора разобрались, теперь давайте включим входной сигнал входным выключателем. Сразу показания всех приборов начнут мельтешить, но на средней осциллограмме появится выходной проинвертированный по отношению к входному сигнал. Причём по отношению к входному он будет усилен примерно в 10 раз.
На представленном скриншоте конечно не видно мельтешения показаний вольтметров и амперметров. Их можно увидеть если вы сами в эмуляторе построите такую схему. Скриншот выхватил какое-то моментальное состояние. Однако, если нам интересен диапазон изменения напряжения напряжений, например, между базой и эмиттером, то в параметрах соответствующего вольтметра, мы можем выбрать сначала максимальное напряжение, а потом минимальное и посчитать разность на калькуляторе.
И мы увидим, что напряжение на переходе меняется всего на 51 микровольт, но ведь входной сигнал ведь должен менять напряжение на 2 mV!?? Для доказательства, можно даже поставить дополнительный вольтметр на выходе генератора и проделать тот же расчёт. Получится примерно 2 mV !!! Ну, дело в том, что транзистор на самом деле управляется не напряжением, а током, а ток заряда/разряда входного конденсатора в точке его подключения справа, сильно разветвляется. Большая часть его протекает через нижний резистор входного делителя, так как где меньше сопротивление, там и ток больше. По моим приблизительным расчётам, сопротивление перехода база-коллектор, составляет порядка 171000 Om. То есть даже больше чем у верхнего резистора входного делителя. Соответственно и ток через базовый переход будет колебаться совсем в небольших пределах. Вот тут кстати, чем больше будут сопротивления у наших вольтметров, тем меньше на них будут разветвляться зарядно-разрядные токи, и тем меньше будут искажения. А ведь у дешёвого мультиметра в режиме вольтметра, входное сопротивление может быть даже 20 килоом! Представьте себе, если я тыкну резистор сопротивлением 20 KOm между массой и средней точкой входного делителя! Как исказиться результат измерений! А зачем представлять? Можно задать сопротивление левого нижнего вольтметра как раз 20 KOm в его параметрах!
Ну… что у нас тут получилось? Я сделала у вольтметра указанного стрелкой сопротивление 20000 Om, и сразу же уплыла рабочая точка транзистора. Понизился ток базы чуть ли не в два раза, напряжение на коллекторе в режиме покоя увеличилось чуть ли не в полтора раза, то есть транзистор призакрылся и так далее. Да, такой слабый входной сигнал данный каскад всё ещё может усиливать, и даже почти без искажений. По крайней мере глазом они почти незаметны, но усиление по напряжению даже возросло, чуть больше чем в 1,5 раза. В общем все параметры поплыли, а дело всего лишь в том, что измерительный прибор мы в имитации взяли далёкий от идеала.
Резистор, подключенный в цепи коллектора, называют НАГРУЗКА транзисторного каскада. Благодаря ему колебания тока коллектора могут быть преобразованы в соответствующие колебания падения напряжения. Говорят, что переменное напряжение свободно проходит через конденсатор соответствующей ёмкости, в данном случае через выходной конденсатор, который призван отделять переменный сигнал от постоянного напряжения. Переменный ток пропускать, а постоянное напряжение задерживать. Однако мы видели уже на входе, как именно подобный конденсатор пропускает переменные напряжения – за счёт зарядно/разрядных токов, которые могут протекать по различным направлениям, если цепь разветвляется. Здесь пока что не разветвляется и ток заряда/разряда может протекать только через резистор на 1 мегаом. Ну, это пока не замкнули последующий выключатель для подключения следующего каскада. После замыкания следующего выключателя, мегаомный резистор станет всего лишь одной из многих цепей заряда/разряда, причём далеко не самой важной. Это мы рассмотрим чуть позже. Конечно же, сопротивление резистора нагрузки должно быть рассчитано инженером при разработке каскада, как и сопротивления всех остальных резисторов в обвязке каскада. В частности, сопротивление резистора в цепи эмиттера. Его назначение, это так называемая ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ (сокращённо принято говорить ООС) по току и ещё одна функция у этого резистора, это ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИЯ транзисторного каскада. О как страшно! Но, давайте потихоньку разберёмся с этим. Когда ток в цепи эмиттера возрастает, увеличивается и падение напряжения на этом резисторе, Плюс которого будет прикладываться к эмиттеру транзистора относительно массы и транзистор этим напряжением будет призакрываться. То есть транзистор держит сам себя как бы в узде! Стоит ему открыться, как он тут же и призакроется сам по себе. Стоит ему, образно говоря рвануть с места, как он тут же хлещет сам себя нагайкой с криком “А ну стой, куда пошёл!!!”. Отсюда и название, ООС (расшифровку смотри выше). Термостабилизация работает в принципе так же, но важно понимать её причины. А причины таковы, что полупроводники при нагреве уменьшают своё сопротивление. Металлы, то есть обычные проводники ведут себя абсолютно противоположно. Однако в полупроводниках это становится проблемой. Чуть поработал транзистор, нагрелся, уменьшил своё сопротивление, отчего ток через него возрос и ещё больше разогрел транзистор… Ну, вы понимаете конечно что дальше может из-за саморазогрева произойти – самоубийство транзистора по сути. Вот чтобы такого как раз не происходило и нужен этот эмиттерный резистор – возрос ток транзистора? Ну так он же течёт через резистор ООС, которому не важна причина возрастания этого тока. Падение напряжения с этого резистора как раз и уменьшит ток транзистора, вот и произойдёт термостабилизация. Ну, вы понимаете, насколько тонко надо подбирать сопротивление данного резистора, и насколько это важно? Это конечно инженерная задача. Мы обречены либо становиться инженерами для разработки таких вещей (учиться где-либо для этого и тут без математики и физики никуда), либо пользоваться тем, что кто-то уже разработал! Например, когда вы ремонтируете аппаратуру – тут разработкой особо заниматься не надо.
Интересно было бы поиграть с обвязкой каскада, чтобы найти предельные режимы работы транзистора! В симуляции это слава Богу легко делать. Например, мне хочется найти при каких именно входных напряжениях, именно этот транзистор переходит в режимы отсечки и насыщения. Для этого можно играть с сопротивлениями резисторов входного делителя, наблюдая в режиме покоя за напряжением на коллекторе транзистора. Если оно становится всё больше из-за того что транзистор мы закрываем, и при дальнейших аналогичных изменениях, напряжение на коллекторе вдруг расти перестаёт, значит мы достигли режима отсечки. Посмотрим при каком напряжении база эмиттер это происходит.
Постепенно увеличивая сопротивление верхнего резистора я выяснила, что предельно низкое напряжение, между базой и эмиттером, при котором на коллекторе транзистора ещё что-то меняется, это напряжение около 0,4 V. При более низких напряжениях, транзистор остаётся в стабильно-закрытом состоянии. То есть напряжение отсечки, составляет около 0,4 V.
Аналогично, играя с верхним резистором делителя в сторону уменьшения его сопротивления, я обнаружила, что при увеличении напряжения выше 0,612 V, перестаёт падать напряжение на коллекторе. Это второй предел, который называется насыщение транзистора. И приблизительно насыщение наступает при 0,612 V. Аналогично можно измерять и соответствующие предельные базовые токи если нужно. Но, опять же это сведения скорее для разработчика или радиолюбителя. С точки зрения остальных, важно понимать, как выяснить, рабочий ли транзистор в каскаде или нет? Например, при ремонте аппаратуры. Для этого, например пинцетом можно прямо на включенном устройстве замкнуть базу с эмиттером транзистора, одновременно измеряя напряжение на коллекторе. Если на коллекторе напряжение резко возрастает, а при размыкании пинцета опять падает, то есть транзистор РЕАГИРУЕТ на принудительное закрывание из-за уравнивания напряжений на базе и эмиттере, значит этот транзистор “живой” и причина неисправности НЕ в нём. Можно так же замкнуть эмиттерный резистор, принудительно открывая транзистор, но этот способ более опасен, так как можно так открыть транзистор, чо он при этом выйдет из строя. В эпоху радиоламп, были уникумы-мастера, которые вот так вот придут чинить телевизор, устраивают там замыкания, тут, щёлк, там щёлк, и диагностика сделана. Лампы не боялись таких замыканий, а вот транзисторы и микросхемы на них, это, как и восток, дело тонкое, и при диагностике надо лучше разбираться и хорошо понимать что ты делаешь! Ошибок не прощает!
Ну вот, я в симуляции замкнула с помощью перемычки цепи базы и эмиттера, при этом напряжение на коллекторе резко возросло, так как транзистор напрочь закрылся. Даже ещё больше чем в режиме отсечки получилось.
А здесь я как описывала выше, перемкнула эмиттерный резистор – напряжение на коллекторе резко упало, во первых оттого, что возрос базовый ток до режима насыщения, а во вторых, за счёт обнуления напряжения на этом резисторе, падение напряжения на котором так же участвует в формировании напряжения на коллекторе транзистора.
Ещё один издевательский, но полезный опыт над транзисторным каскадом, это проверка, насколько большое входное переменное напряжение данный каскад может усиливать без искажений. В симуляции это так же легко сделать. Для этого надо увеличивать в параметрах входного генератора треугольных импульсов так называемое “Максимальное входное напряжение” А фактически, максимальную амплитуду (пик) положительного полупериода, так как судя по осциллограмме с выхода генератора, напряжение от пика до пика как раз в два раза больше (положительный плюс отрицательный полупериоды).
Так вот, при увеличении входного напряжения 1 V в положительном пике (то есть 2 V от пика до пика) появляются искажения на выходе каскада. Пила начинает терять свою остроту. Вот зачем нужны треугольные импульсы! На синусоиде мы бы ничего не заметили! Если и дальше увеличивать напряжение входного сигнала, искажения конечно станут более заметны.
То есть мы опытным путём выяснили, что для этого каскада, предельное напряжение сигнала от пика до пика, является примерно 1,9 V (при таком напряжении искажения ещё не видны).
Ну и наконец, давайте вернём напряжение входного сигнала на 2 V от пика до пика и включим второй каскад.
После того, как все процессы устаканятся, мы можем с удивлением обнаружить, что входной сигал первым каскадом теперь усиливает ся не в 10 раз (примерно), как это был ранее, а всего лишь в 4 раза! И да, последующий каскад, как и ожидалось, усиливает в примерно в 10 раз, но я вас расстрою, если зацепить такой же третий каскад, то у второго каскада так же уменьшиться до четырёх коэффициент усиления по напряжению. Дело в том, что это один из стандартных недостатков каскадов на биполярных транзисторах. Его называют НИЗКОЕ ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ каскада. Связано это вот с таким растеканием входных токов в разные стороны, но через переход база эмиттер транзистора чуть ли не в последнюю очередь. И самое большое влияние на процесс снижения усиления первого каскада, оказывает резистор на 10 килоом во входном делителе второго каскада! А давайте я вам докажу это! Я отцеплю второй каскад вторым выключателем, и начну плавно снижать сопротивление резистора на выходе первого каскада (того, который изначально мегаомный). И ладно бы если сопротивление его я уменьшу скажем до 50 килоом. Да, коэффициент усиления уменьшиться, но пока незначительно, и если приближать его к сопротивлению порядка 10 килоом, то есть близко к сопротивлению нагрузки первого каскада, коэффициент усиления первого каскада приблизится к пяти. Зарядно/разрядный ток выходного конденсатора каскада увеличится настолько, что падения напряжения на резисторе нагрузки и резисторе после конденсатора будут распределяться поровну, так как резисторы станут одинаковыми по сопротивлению, а до этого, на выходном резисторе падало больше. А ведь именно это падение напряжения и является выходным усиленным сигналом каскада. Та же самая проблема – низкое входное сопротивление каскада, играет роль и в подключении первого каскада и к выходу генератора! Чем больше входное сопротивление каскада и чем меньше выходное, тем лучше!
Собственно здесь мегаомный резистор только и служит для такой демонстрации влияния входного сопротивления на коэффициент усиления предыдущего каскада.
В реальности, для подключения второго каскада не нужен ни он, ни дополнительный конденсатор на входе второго каскада, но от низкого входного сопротивления второго да и первого каскадов, никуда мы при такой схеме включения не денемся. Хм… то есть существуют какие-то другие схемы включения? Да, но об этом потом! И так объёмно получилось! Однако думаю, что интересно. Очень много всяких хитростей рассказала. Самая объёмная статья получилась.
Если понравилось, ставьте лайки, подписывайтесь! Мой email для связи anastasialoposova@yandex.ru