Семинарно упражнение 6 (19 - 24 април 2004)

6. Транзисторни схеми без обратна връзка

КОЛЕКЦИЯТА. До тук успяхме да извлечем, построим и дори да "изобретим" общо 46 елементарни градивни схемни блокчета, които събрахме в една колекция. Всичките тези устройства не могат да "инжектират" енергия и затова казваме, че са пасивни. Днес вече ще обогатим колекцията си с нови 6 схемни блокчета (дотук стават общо 52), които вече са активни транзисторни схеми:

6.1. Функционална представа за операцията "усилване" . Дискусия: Възможно ли е да усилваме енергия? Какво всъщност прави един усилвател? Блокови схеми на усилватели: последователна; паралелна (предимства и недостатъци). Функция на съставните елементи. Характеристика на идеален "усилвателен" елемент.
6.2. Биполярният транзистор в ролята на "усилвателен" елемент (усилвателно стъпало със "замасен" емитер). Функционална представа по отношение на: входната верига ( RV нелинеен елемент); изходната верига (електрически управляван RI нелинеен елемент); правата връзка вход-изход (преобразувател ток-ток); обратната връзка изход-вход (еднопосочен елемент).
6.2.1. Схеми с последователно свързване на транзистора по отношение на товара. Варианти: усилвател със "замасен" транзистор и "плаващ" товар; усилвател с "плаващ" транзистор" и "замасен" товар. Дискусия: Какъв е основният проблем на последователната схема по отношение на общата "маса"? Инвертираща ли е тази схема? Влияе ли товара върхудействието на схемата?
6.2.2. Схеми с паралелно свързване на транзистора към товара. Решаване на основния проблем с общата маса. Схемни варианти. Сглобяване на схемата чрез по-елементарни градивни блокчета: преобразувател ток-ток и ток-напрежение. Дискусия: Инвертираща ли е тази схема? Как влияе товара върху действието на схемата?
6.2.3 Приложения: транзисторен ключ (построяване от по-елементарните преобразуватели напрежение-ток, ток-ток и ток-напрежение). Дискусия: Цифрово или аналогово устройство е транзисторният ключ? Съществуват ли "цифрови" елементи? Ето и една снимка от занятието с група 61, където "изобретихме" транзисторния инвертор (между другото, те вече знаеха за какво става въпрос, от лабораторното по цифрова схемотехника, което са правили през есента на 2003). Тук се разгоря интересна дискусия: Можем ли да подадем 1000000 V входно напрежение, без да "изгорим" транзистора? А вие как мислите?

6.3. Полевият транзистор в ролята на "усилвателен" елемент (усилвателно стъпало схема общ сорс). Функционална представа по отношение на: входната верига (-); изходната верига (управляван с напрежение RI нелинеен елемент); правата връзка вход-изход (преобразувател напрежение-ток); обратнатавръзка изход-вход (еднопосочен елемент).
6.3.1. Схеми с последователно свързване на транзистора по отношение на товара - като т. 6.2.1.
6.3.2. Схеми с паралелно свързване на транзистора към товара - като т. 6.2.2.
6.3.3 Приложения: транзисторен ключ с полеви транзистор (построяване от по-елементарните преобразуватели напрежение-ток и ток-напрежение).

6.4. Схеми за осигуряване на преднапрежение. Функционална представа за идеята "пред-величина" (необходимост). Представяне чрез операциите сумиране и мащабиране.
6.4.1. Динамично преднапрежение - "преместване" на потенциални промени чрез разделителни кондензатори. Приложение: променливотоков усилвател (входна и изходна верига). Визуализиране на действието с потенциални стълбчета.
Идеята на преднапрежението ме е интересувала още от времето, когато бях студент като вас. Ето защо посветих отделна статия на тази идея в рубриката "В търсене на идеята", която водих в списание Инженеринг ревю през 1998 - 2000 г.

А сега да надникнем в класната стая ... След разгорещени дискусии на занятията с колегите от групи 61, 62, и 63 черната дъска ... побеляваше накрая :). За да разберем истински знаменитата идея на преднапрежението се отказахме от традиционните сухи, аскетични и омръзнали ни до безкрайност формални обяснения от рода на "кондензаторът пропуска променливата и спира постоянната съставка". Вместо това започнахме да "пудрим" схемата с потенциални стълбчета и всевъзможни разноцветни токови контури; "дърпахме" потенциалите нагоре и надолу с pull-up и pull-down резистори; "местихме" ги с кондензатори и какво ли не още. Е, наложи се да си припомним някои неща от електротехниката, ППЕ-то, цифровата схемотехника (ако въобще ги е имало :)). Като че ли се получи нещо ...

... и в страниците на "Инжениринг Ревю", ноември 1998. Само, че нещо доста грозна е тази схема, начертана небрежно върху черната дъска! Затова нека да погледнем една илюстрация на Corel Draw, която си играх да рисувам преди няколко години. Това е малко по-сложна схема на усилвател с RC група в емитера на транзистора. Как мислите, за какво ли пък сега е тази "щуротия"? Оказва ли въобще влияние кондензатора CE в емитера на транзистора при бързи промени на входния сигнал? Не е ли това същата схема? Както виждате, схемата е обилно декорирана с потенциални стълбчета и токови контури (сините контури са при положителен, а зелените - при отрицателен входен сигнал). А кондензаторите пък са представени като своеобразни електрически "амортисьори", които при плавно дърпане и натискане се разтягат и свиват съответно, а при рязко движение се "вкаменяват" и не променят дължината си :).

6.4.2. Статично преднапрежение. Приложения: диодни "отместващи" вериги в мощните транзисторни усилватели; резистивни "отместващи" вериги в схемите с операционни усилватели, АЦП и ЦАП. Визуализиране на действието с потенциални стълбчета.

22.04.2004 (четвъртък, 11,30 ч., з. 2420). На колегите от група 63 им хрумна интересната идея да направят променливотоков усилвател с ... "диодно-резисторни" връзки. И понеже в учебниците няма такова "нещо" се разгоряха интересни дискусии по повод на това как може един диод да премества потенциални промени. Тук впрегнахме в работа всичките си представи за поведението на един диод като стабилизиращ напрежението нелинеен елемент, натрупани от от миналото упражнение. Колегите ви лесно входната част от задачата като се сетиха да "повдигнат" с помощта на един обикновен диод и pull-up резистор входното променливо напрежение преди да го подадат към базата на транзистора. Но се затрудниха как да "смъкнат" изходното колекторно напрежение, подавано към товара. Както виждате, наложи се да използват освен ценеров диод и допълнителен отрицателен "отместващ" източник. Погледнете схемата на черната дъска, която те първо начертаха и кажете - Ще работи ли схемата в този вид? Не и ли липсва някакъв елемент?

6.5. Транзисторът като стабилизиращ тока нелинеен елемент.
6.5.1. Функционална представа за нелинеен елемент от типа RI. Характеристики на идеален RI елемент. Изходната част на транзистора, представена като стабилизиращ тока двуполюсник. Опростена волт-амперна характеристика.
6.5.2. Източник на неизменен ток. Дискусия 1: Как се прави източник на ток (възможни начини)? Как се правеше много добър и дори идеален източник на ток в електротехниката (метод 1)? Какви са неговите недостатъци? Как можем да ги преодолеем като използваме електронни елементи? Поддържане на постоянен ток чрез регулиране на текущото вътрешно съпротивление на източника (метод 2) с цел поддържане на неизменно общо съпротивление на веригата. Дискусия 2: Схема с отрицателна обратна връзка ли е това? Можем ли да си представяме, че е и каква е ползата от това?

6.5.3. Транзисторен източник/приемник на ток. Приложения в аналоговата схемотехника: построяване на транзисторен усилвател чрез управляван източник на ток и преобразувател ток-напрежение; динамичен товар в диференциалните усилватели; генератор на линейно изменящо се напрежение - построяване на схемата от транзисторен източник на ток и C интегратор. Дискусия: Схема обща база или общ колектор е транзисторният източник на ток - разбулване на тайната около едно формално обяснение?