Электроника?.. Нет ничего проще! - Жан-Поль Эймишен

Л. — Правильно. Ты очень хорошо нарисовал выходной сигнал — фронты сигнала не отвесные (отвесными они могут быть только в том случае, если амплитуда Uвх очень велика по сравнению с U). Поэтому, когда требуются сигналы более приближающиеся к прямоугольной форме (как показано на рис. 57), часто приходится вновь усиливать и затем еще раз ограничивать сигнал, полученный после первого ограничения. В результате получается колебание, по своей форме близкое к прямоугольным сигналам.

Рис. 57. Ограниченная синусоида (рис. 56, б) усиливается (а), а затем вновь подвергается ограничению (б).

Н. — Мне в голову пришла гениальная идея! Если сигнал нужно усиливать и ограничивать, то нельзя ли обе операции выполнить одновременно? Я вспоминаю, что перегруженный усилитель имеет тенденцию срезать верхушки сигналов.

Л. — Совершенно верно. Именно так часто осуществляют ограничение сигналов. Очень хорошо справляется с такой задачей усилитель, схему которого я для тебя нарисовал на рис. 58.

Рис. 58. Усилитель-ограничитель на двух транзисторах с эмиттерной связью: когда напряжение на входе положительное, запирается транзистор Т2, когда отрицательное — запирается транзистор Т1.

Н. — Почему ты поставил транзисторы n-р-n?

Л. — Потому что легче рассуждать, когда имеешь дело с положительными напряжениями. Кроме того, эту схему без изменений можно сделать на лампах (замену номиналов резисторов вряд ли следует считать изменением схемы). И, наконец, по той причине, что все шире используемые кремниевые транзисторы на 80 % относятся к типу n-р-n. Итак, перейдем к анализу схемы. Когда Uвх становится положительным, ток проводит транзистор T1, потенциалы эмиттеров повышаются и транзистор Т2 запирается. Когда Uвx становится отрицательным, ток проводит транзистор Т2, потенциалы эмиттеров становятся близкими к нулю и запирается транзистор T1. Я подал на общий для эмиттеров резистор R3 отрицательный потенциал, чтобы по R3 протекал определенный ток даже в том случае, когда потенциал эмиттеров близок к потенциалу корпуса. На рис. 59 я вычертил кривую зависимости потенциала коллектора транзистора Т2 (UK2) от потенциала базы транзистора T1 (Ub1).

Рис. 59. Кривая изменения напряжения на коллекторе транзистора Т2 в схеме на рис. 58 в зависимости от напряжения Ub1 характеризует эффективность ограничения.

Н. — Да, я вижу. Когда напряжение Uвх положительно, транзистор Т2 заперт, а потенциал его коллектора UK2 равен +Е. Но как найти величину его потенциала (UK2)мин, когда Uвх имеет отрицательный знак, иначе говоря, когда транзистор T1 заперт?

Л. — Элементарно просто, дорогой доктор Уотсон…. прости…. Незнайкин! Если транзистор Т2 пропускает ток, то можно считать потенциал его базы равным потенциалу его эмиттера; следовательно, мы можем считать, что потенциал эмиттера транзистора Т2 равен нулю (равен потенциалу корпуса). Ток в резисторе R3 равен U/R3 и таким же будет ток коллектора (всегда следует предполагать, что в нормально работающем транзисторе токи коллектора и эмиттера равны). Значит, падение напряжения на R2 будет

а минимальный потенциал коллектора Т2:

Н. — А какую роль играет резистор R1?

Л. — Он делает схему симметричной. Обычно сопротивление этого резистора равно сопротивлению резистора R2. Можно также использовать напряжение коллектора Т1, в качестве выходного напряжения, но это нецелесообразно, потому что одна площадка графика зависимости потенциала коллектора Т1 (UK1) от потенциала базы Т1 (UБ1) (рис. 60) не горизонтальна. В самом деле, когда Uвх имеет положительный знак, его изменения сказываются на величине тока Т1.

Рис. 60. При использовании напряжения коллектора транзистора T1, в качестве выходного напряжения схема хуже осуществляет ограничение сигналов, так как при положительном напряжении Uвх транзистор T1 остается незапертым.

Как ты видишь, когда в этой схеме Uвх имеет отрицательный знак, Т1 заперт и Uвх не влияет ни на UK1, ни на UK2. Когда Uвх имеет положительный знак, величина Uвх влияет на величину UK1 транзистора Т1,но не влияет на UK2, так как Т2 заперт.

Н. — В принципе эта схема не так уж симметрична, а затем я обнаружил у нее один недостаток: переход выходного напряжения с +UK2мин до +Е происходит не так быстро, особенно в тех случаях, когда входное напряжение имеет умеренную величину (что довольно разумно для напряжения базы транзистора). А как называется твоя схема?

Л. — Название довольно странное: LTP — это сокращенный вариант английского выражения Long Tailed Pair (пара с длинным хвостом), отражающего наглядное представление пары транзисторов с длинным хвостом в виде большого резистора. Твое же замечание относительно скорости перехода напряжения от +UK2мин до +Е совершенно справедливо. Иногда это явление мешает, но скоро мы увидим, как это препятствие можно устранить.

Н. — Еще одно не нравится мне в твоей схеме: база Т2 исключительно глупо замкнута на корпус; она могла бы вести себя значительно умнее, если бы ее потенциал изменялся в обратном направлении по сравнению с потенциалом эмиттеров.

Л. — Твоя реплика вынуждает меня немедленно выложить тебе все подробности. В схеме имеется именно такой электрод, потенциал которого изменяется в обратном направлении по сравнению с потенциалом эмиттеров — взгляни на рис. 60.

Н. — Туннельный диод меня побери! Об этом-то я и не подумал. Теперь достаточно соединить коллектор Т1 с базой Т2 и будет чудесно!

Л. — Не спеши! Идея правильная, но прямо осуществить ее нельзя; коллектор Т1 должен иметь положительный потенциал относительно эмиттеров и более высокий положительный потенциал относительно баз. Это можно сделать, как в схемах с прямой связью, о которых мы уже говорили, т. е. с помощью делителя, понижающего потенциал. В результате мы получим схему, изображенную на рис. 61.

Рис. 61. Дополнив схему на рис. 58 делителем напряжения R4, R5, соединяющим коллектор транзистора Т1 с базой транзистора Т2, превращаем ее в триггер Шмитта.

Новая схема, как и схема на рис. 58, работает с током в обоих транзисторах или при напряжениях Uвх, очень близких к нулю, и ведет себя как усилитель. Соединив коллектор Т1 и базу Т2 цепочкой из резисторов R4 — R5, мы вводим в схему положительную обратную связь. Небольшая обратная связь увеличивает усиление, а следовательно, увеличивает крутизну возрастающей части кривой на рис. 59. Если же положительная обратная связь становится слишком большой…

Н. — Знаю, устройство начинает генерировать.

Л. — Да, но здесь нет ни колебательного контура, ни переменной связи с помощью конденсатора. Поэтому произойдет опрокидывание. Такого состояния, когда оба транзистора дают ток, быть не может — один из транзисторов должен быть заперт.

Н. — И какой из двух станет жертвой?