Электронные компоненты

где R, L и C — сопротивление, индуктивность и ёмкость резонансной цепи, соответственно. Величину, обратную добротности d = 1 / Q называют затуханием контура. Для определения добротности обычно пользуются формулой Q = ρ / R, где R-сопротивление омических потерь контура, характеризующее мощность резистивных (активных потерь) контура Р = I²R. Добротность реальных колебательных контуров, выполненных на дискретных катушках индуктивности и конденсаторах, составляет от нескольких единиц до сотни и более. Добротность различных колебательных систем, построенных на принципе пьезоэлектрических и других эффектов (например, кварцевые резонаторы) может достигать нескольких тысяч и более.       

Частотные свойства различных  цепей в технике принято оценивать  с помощью амплитудно-частотных  характеристик (АЧХ), при этом сами цепи рассматривают как четырёхполюсники. На рисунках ниже представлены два  простейших четырехполюсника, содержащих последовательный колебательный контур и АЧХ этих цепей, которые приведены (показаны сплошными линями). По вертикальной оси графиков АЧХ отложена величина коэффициента передачи цепи по напряжению К, показывающая отношение выходного  напряжения цепи к входному.

      

Для пассивных цепей (т.е. не содержащих усилительных элементов и источников энергии), величина К никогда не превышает единицу. Сопротивление переменному току изображённой на рисунке цепи, будет минимально при частоте воздействия, равной резонансной частоте контура. В этом случае коэффициент передачи цепи близок к единице (определяется омическими потерями в контуре). На частотах, сильно отличающихся от резонансной, сопротивление контура переменному току достаточно велико, а следовательно, и коэффициент передачи цепи будет падать практически до нуля.

      

При резонансе в этой цепи, источник входного сигнала оказывается фактически замкнутым накоротко малым сопротивлением контура, благодаря чему коэффициент  передачи такой цепи на резонансной  частоте падает практически до нуля (опять-таки в силу наличия конечного  сопротивления потерь). Наоборот, при  частотах входного воздействия, значительно  отстоящих от резонансной, коэффициент  передачи цепи оказывается близким  к единице. Свойство колебательного контура в значительной степени  изменять коэффициент передачи на частотах, близких к резонансной, широко используется на практике, когда требуется выделить сигнал с конкретной частотой из множества  ненужных сигналов, расположенных на других частотах. Так, в любом радиоприемнике при помощи колебательных цепей  обеспечивается настройка на частоту  нужной радиостанции. Свойство колебательного контура выделять из множества частот одну принято называть селективностью или избирательностью. При этом интенсивность  изменения коэффициента передачи цепи при отстройке частоты воздействия от резонанса принято оценивать при помощи параметра, называемого полосой пропускания. За полосу пропускания принимается диапазон частот, в пределах которого уменьшение (или увеличение - в зависимости от вида цепи) коэффициента передачи относительно его значения на резонансной частоте, не превышает величины 0,7 (3дБ).       

Пунктирными линиями на графиках показаны АЧХ точно таких же цепей, колебательные контуры которых  имеют такие же резонансные частоты, как и для случая рассмотренного выше, но обладающие меньшей добротностью (например, катушка индуктивности  намотана проводом, обладающим большим  сопротивлением постоянному току). Как видно из рисунков, при этом расширяется полоса пропускания  цепи и ухудшаются ее селективные (избирательные) свойства. Исходя из этого, при расчете  и конструировании колебательных  контуров нужно стремиться к повышению  их добротности. Однако, в ряде случаев, добротность контура, наоборот, приходится занижать (например, включая последовательно  с катушкой индуктивности резистор небольшой величины сопротивления), что позволяет избежать искажений  широкополосных сигналов. Хотя, если на практике требуется выделить достаточно широкополосный сигнал, селективные  цепи, как правило, строятся не на одиночных  колебательных контурах, а на более  сложных связанных (многоконтурных) колебательных системах, в т.ч. многозвенных фильтрах.

 

Параллельный  колебательный контур

      В различных радиотехнических устройствах  наряду с последовательными колебательными контурами часто (даже чаще, чем последовательные) применяют параллельные колебательные  контуры На рисунке приведена  принципиальная схема параллельного  колебательного контура. Здесь параллельно  включены два реактивных элемента с  разным характером реактивности Как  известно, при параллельном включении  элементов складывать их сопротивления  нельзя - можно лишь складывать проводимости. На рисунке приведены графические  зависимости реактивных проводимостей  катушки индуктивности B_L = 1/ωL, конденсатора В_C = -ωC, а также суммарной проводимости В_Σ, этих двух элементов, являющаяся реактивной проводимостью параллельного колебательного контура. Аналогично, как и для последовательного колебательного контура, имеется некоторая частота, называемая резонансной, на которой реактивные сопротивления (а значит и проводимости) катушки и конденсатора одинаковы. На этой частоте суммарная проводимость параллельного колебательного контура без потерь обращается в нуль. Это значит, что на этой частоте колебательный контур обладает бесконечно большим сопротивлением переменному току.

      Если построить зависимость реактивного  сопротивления контура от частоты X_Σ = 1/B_Σ, эта кривая, изображённая на следующем рисунке, в точке ω = ω_р будет иметь разрыв второго рода. Сопротивление реального параллельного колебательного контура (т.е с потерями), разумеется, не равно бесконечности - оно тем меньше, чем больше омическое сопротивление потерь в контуре, т.е уменьшается прямо пропорционально уменьшению добротности контура. В целом, физический смысл понятий добротности, характеристического сопротивления и резонансной частоты колебательного контура, а также их расчетные формулы, справедливы как для последовательного, так и для параллельного колебательного контура.  
      Для параллельного колебательного контура, в котором индуктивность, емкость и сопротивление включены параллельно, добротность вычисляется:

где R, L и C — сопротивление, индуктивность и ёмкость резонансной цепи, соответственно.       

Рассмотрим цепь, состоящую  из генератора гармонических колебаний  и параллельного колебательного контура. В случае, когда частота  колебаний генератора совпадает  с резонансной частотой контура  его индуктивная и емкостная  ветви оказывают равное сопротивление  переменному току, в следствие  чего токи в ветвях контура будут  одинаковыми. В этом случае говорят, что в цепи имеет место резонанс токов. Как и в случае последовательного  колебательного контура, реактивности катушки и конденсатора компенсируют друг друга, и сопротивление контура  протекающему через него току становится чисто активным (резистивным). Величина этого сопротивления, часто называемого  в технике эквивалентным, определяется произведением добротности контура  на его характеристическое сопротивление R_экв = Q·ρ. На частотах, отличных от резонансной, сопротивление контура уменьшается и приобретает реактивный характер на более низких частотах - индуктивный (поскольку реактивное сопротивление индуктивности падает при уменьшении частоты), а на более высоких - наоборот, емкостной (т к реактивное сопротивление емкости падает с ростом частоты).

      В процессе работы контура, дважды за период колебаний, происходит энергетический обмен между катушкой и конденсатором (смотри рисунок). Энергия поочередно накапливается, то в виде энергии  электрического поля заряженного конденсатора, то в виде энергии магнитного поля катушки индуктивности. При этом в контуре протекает собственный  контурный ток I_к, превосходящий по величине ток во внешней цепи I в Q раз. В случае идеального контура (без потерь), добротность которого теоретически бесконечна, величина контурного тока также будет бесконечно большой. Но на практике, такого не бывает. В любом случае, качество элементов контура, их паразитные характеристики, электрические цепи, служащие для подвода энергии и отбора энергии из контура, не позволят контурному току расти.      

Рассмотрим, как зависят  коэффициенты передачи четырехполюсников  от частоты, при включении в них  не последовательных колебательных  контуров, а параллельных.

      

Четырехполюсник, изображенный на рисунке, на резонансной частоте контура  представляет собой огромное сопротивление  току, поэтому при ω=ω_р его коэффициент передачи будет близок к нулю (с учетом омических потерь). На частотах, отличных от резонансной, сопротивление контура будет уменьшатся, а коэффициент передачи четырехполюсника - возрастать.

      

Для четырехполюсника, приведенного на рисунке выше, ситуация будет  противоположной - на резонансной частоте  контур будет представлять собой  очень большое сопротивление  и практически все входное  напряжение поступит на выходные клеммы (т.е коэффициент передачи будет  максимален и близок к единице). При  значительном отличии частоты входного воздействия от резонансной частоты  контура, источник сигнала, подключаемый к входным клеммам четырехполюсника, окажется практически закороченном накоротко, а коэффициент передачи будет близок к нулю.

 

Биполярный  транзистор, расчёт транзисторного каскада

 

 
      ТРАНЗИСТОР - полупроводниковый прибор для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний, выполненный на основе монокристаллического полупроводника (Si – кремния, или Gе - германия), содержащего не менее трёх областей с различной — электронной (n) и дырочной (p) — проводимостью. Изобретён в 1948 американцами У. Шокли, У. Браттейном и Дж. Бардином. По физической структуре и механизму управления током различают транзисторы биполярные (чаще называют просто транзисторами) и униполярные (чаще называют полевыми транзисторами). В первых, содержащих два, или более электронно-дырочных перехода, носителями заряда служат как электроны, так и дырки, во вторых — либо электроны, либо дырки. Термин «транзистор» нередко используют для обозначения портативных радиовещательных приёмников на полупроводниковых приборах.  
      Управление током в выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного напряжения или тока. Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Это усилительное свойство транзисторов используется в аналоговой технике (аналоговые ТВ, радио, связь и т. п.).

В этой статье мы рассмотрим биполярный транзистор

 
      Биполярный транзистор может быть n-p-n и p-n-p проводимости. Не заглядывая во внутренности транзистора, можно отметить разницу проводимостей лишь в полярности подключения в практических схемах источников питания, конденсаторов, диодов, которые входят в состав этих схем. На рисунке справа графически изображены n-p-n и p-n-p транзисторы. У транзистора три вывода. Если рассматривать транзистор как четырёхполюсник, то у него должно быть два входных и два выходных вывода. Следовательно, какой то из выводов должен быть общим, как для входной, так и для выходной цепи.

Различают схемы  включения транзистора:

      Схема включения транзистора  с общим эмиттером – предназначена для усиления амплитуды входного сигнала по напряжению и по току. При этом входной сигнал, усиливаясь транзистором, инвертируется. Другими словами фаза выходного сигнала поворачивается на 180 градусов. Эта схема, является основной, для усиления сигналов разной амплитуды и формы. Входное сопротивление транзисторного каскада с ОЭ бывает от сотен Ом до единиц килоом, а выходное - от единиц до десятков килоом.

      Схема включения транзистора  с общим коллектором – предназначена для усиления амплитуды входного сигнала по току. Усиления по напряжению в такой схеме не происходит. Правильнее сказать, коэффициент усиления по напряжению даже меньше единицы. Входной сигнал транзистором не инвертируется.  
Входное сопротивление транзисторного каскада с ОК бывает от десятков до сотен килоом, а выходное в пределах сотни ом - единиц килоом. Благодаря тому, что в цепи эмиттера находится, как правило, нагрузочный резистор, схема обладает большим входным сопротивлением. Кроме того, благодаря усилению входного тока, она обладает высокой нагрузочной способностью. Эти свойства схемы с общим коллектором используются для согласования транзисторных каскадов - как "буферный каскад". Так как, входной сигнал, не усиливаясь по амплитуде "повторяется" на выходе, схему включения транзистора с общим коллектором ещё называют Эмиттерный повторитель.

      Имеется ещё Схема включения транзистора с общей базой. Эта схема включения в теории есть, но в практике она реализуется очень тяжело. Такая схема включения используется в высокочастотной технике. Особенность её в том, что у неё низкое входное сопротивление, и согласовать такой каскад по входу сложно. Опыт в электронике у меня не малый, но говоря об этой схеме включения транзистора, я извините, ничего не знаю! Пару раз использовал как "чужую" схему, но так и не разбирался. Объясню: по всем физическим законам транзистор управляется его базой, вернее током, протекающим по пути база-эмиттер. Использование входного вывода транзистора - базы на выходе - не возможно. На самом деле базу транзистора через конденсатор "сажают" по высокой частоте на корпус, а на выходе её и не используют. А гальванически, через высокоомный резистор, базу связывают с выходом каскада (подают смещение). Но подавать смещение, по сути можно откуда угодно, хоть от дополнительного источника. Всё равно, попадающий на базу сигнал любой формы гасится через тот же самый конденсатор. Чтобы такой каскад работал, входной вывод - эмиттер через низкоомный резистор "сажают" на корпус, отсюда и низкое входное сопротивление. В общем, схема включения транзистора с общей базой - тема для теоретиков и экспериментаторов. На практике она встречается крайне редко. За свою практику в конструировании схем никогда не сталкивался с необходимостью использования схемы включения транзистора с общей базой. Объясняется это свойствами этой схемы включения: входное сопротивление - от единиц до десятков Ом, а выходное сопротивление - от сотен килоом до единиц мегаом. Такие специфические параметры - редкая потребность.       

Биполярный транзистор может  работать в ключевом и линейном (усилительном) режимах. Ключевой режим используется в различных схемах управления, логических схемах и др. В ключевом режиме, транзистор может находиться в двух рабочих  состояниях – открытом (насыщенном) и закрытом (запертом) состоянии. Линейный (усилительный) режим используется в схемах усиления гармонических  сигналов и требует поддержания  транзистора в «наполовину» открытом, но не насыщенном состоянии.