Модуляторы на транзисторах.

Транзисторные модуляторы по ряду качественных показателей превосходят некоторые типы параметрических модуляторов и модуляторов на электронных лампах.

Рис. XIV. 10. Зависимость коэффициента передачи модулятора от уровня входного напряжения

Рис. XIV.11. Принципиальные схемы двухполупериодных модуляторов на электронных лампах: а — крестообразная; б — с двумя выпрямительными мостами

Основными преимуществами транзисторных модуляторов являются: малые габаритные размеры и вес, высокая надежность работы, сравнительно высокая частота преобразования, малый уровень дрейфа нуля, возможность изготовления в микроэлектронном исполнении в виде интегральных схем.

К недостаткам транзисторных модуляторов следует отнести значительную температурную зависимость параметров транзисторов, приводящую к изменению нулевого уровня выходного напряжения модулятора при изменении температуры, а также наличие выбросов напряжения на транзисторе, обусловленных переходными процессами при переключении.

Качественные показатели транзисторных модуляторов в значительной степени определяются выбором типа и режима работы транзистора, характером коммутирующего источника, структурной схемой модулятора и рядом других факторов.

Следует заметить, что практическое применение нашли лишь схемы модуляторов, в которых транзисторы работают в ключевом режиме.

Рис. XIV. 12. Схемы включения транзисторов в режиме ключа с переходами p - n - p и их статические характеристики: а — схема с общим эмиттером — нормальное значение; б — схема с общим коллектором — инверсное включение

На рис. XIV. 12 приведены схемы включения транзисторов с переходами в режиме ключа и их статические характеристики.

В качестве ключа всегда используется промежуток эмиттер— коллектор транзистора, а модулирующее (опорное) напряжение прикладывается к промежутку база—эмиттер (рис. XIV. 12, а), либо к промежутку база—коллектор (рис. XIV. 12, б). В первом случае включение называется нормальным (схема с общим эмиттером), а во втором — инверсным (схема с общим коллектором).

Пусть ключ (рис. XIV. 12, а) закрыт по базе напряжением Тогда при всех значениях в выходной цепи протекает ток — тепловой ток коллектора и соответствующая характеристика идет почти горизонтально.

Далее предположим, что в цепи базы протекает положительный ток . Тогда при всех токах — интегральный коэффициент передачи базового тока при нормальном включении) транзистор насыщен, падение напряжения на нем мало и соответствующая характеристика идет почти вертикально. Следовательно, в отличие от контактного ключа, характеристики которого совпадают с осями координат, характеристики транзисторного ключа имеют конечный наклон, а главное — их точка пересечения не совпадает с началом координат. Последнее обстоятельство приводит

к тому, что конечному сигналу соответствует нулевое выходное напряжение и, наоборот, нулевому сигналу соответствует конечное выходное напряжение (рис. XIV. 12, а).

Для количественной оценки погрешностей нужно знать координаты точки А и дифференциальные сопротивления обеих характеристик. Координаты точки А при нормальном включении транзистора могут быть приближенно оценены выражениями [111:

где — сопротивление закрытого транзистора, которое учитывает утечки, ток термогенерации в переходе и другие факторы;

Т — температура перехода в градусах Кельвина;

— интегральный коэффициент передачи базового тока при инверсном включении.

Наклон линии запирания характеризуется принятым выше сопротивлением (обычно не менее а наклон линии отпирания — сопротивлением (обычно составляет несколько ом).

Необходимо иметь в виду, что параметры существенно зависят от температуры. С увеличением температуры следует ожидать увеличения тока (особенно у германиевых триодов), некоторого уменьшения напряжения также уменьшения обоих сопротивлений. Все эти изменения равносильны дрейфу выходного напряжения.

При инверсном включении транзисторов имеют меньшее значение, что позволяет существенно повысить чувствительность. Поэтому транзисторные ключи при инверсном включении получили большое распространение.

Для инверсного включения

Обычно поэтому при инверсном включении на один-два порядка меньше по сравнению со схемой нормального включения. Сопротивления можно считать такими же, как и при нормальном включении транзисторов. Одним из методов уменьшения остаточного тока транаистора в закрытом состоянии является использование однополярного управления, при котором на базу подаются только отпирающие импульсы напряжения или тока. На рис. XIV. 13 приведены схемы транзисторных ключей при биполярном (рис. XIV. 13, а) и однополярном управлении (рис. XIV. 13, б).

Другой способ уменьшения нулевого уровня транзисторных модуляторов заключается в использовании балансных схем или

двухтранзисторных компенсированных ключей, однако при этом число транзисторов приходится удваивать.

Рис. XIV. 13. Схемы транзисторных ключей: а — биполярное управление; б — однополярное управление

Компенсированные ключи состоят из двух транзисторов, включенных таким образом, что их источники помех частично или полностью компенсируют друг друга, при этом применяют как последовательное, так и параллельное включение транзисторов. На рис. XIV. 14 приведены некоторые схемы двухтранзисторных компенсированных ключей.

Рассмотренные выше погрешности имеют тем меньшее относительное значение, чем больше сигнал.

Рис. XIV.14. Схемы двухтранзисторных компенсированных ключей: а — встречно-последовательное включение однотипных транзисторов; б — последовательное включение транзисторов с переходами p - n - p и n - p - n, в — параллельное включение транзисторов типа p - n - p и n - p - n

Рис. XIV.15. Статические эквивалентные схемы ключей: а — нормальное включение; б — инверсное включение

Поэтому при больших уровнях сигнала можно применить нормальную схему включения, а при малых — инверсную, либо применить однополярное управление, балансные схемы модуляторов или компенсированные ключи.

На рис. XIV.15 приведены статические эквивалентные схемы ключей для нормального и инверсного включений транзисторов типа p - n - p.

Из приведенных эквивалентных схем следует, что при больших уровнях сигнала транзисторный ключ эквивалентен обычному

контактному ключу, переключающему два сопротивления Если теперь положить то получим полную аналогию с обычным контактным ключом.

Эквивалентная схема компенсированного двухтранзисторного ключа может быть приведена к форме, совпадающей по виду с эквивалентной схемой некомпенсированного транзисторного ключа.

Параметры эквивалентной схемы двухтранзисторного ключа при последовательном включении транзисторов (рис. XIV. 14, а, б), связаны с параметрами отдельных ключей соотношениями:

а при параллельном включении (рис. XIV. 14, б)

где индекс 1 — относится к первому ключу; индекс 2 — ко второму, а индекс — к компенсированному ключу.

Если динамические сопротивления транзисторных ключей, образующих компенсированный ключ, одинаковы, т. е. то для последовательного ключа:

и для параллельного ключа:

Из выражений (XIV. следует, что при соответствующем подборе транзисторов всегда возможна полная компенсация источников помех отдельных транзисторов. Как указывалось выше, параметры транзисторов не остаются постоянными, что приводит к дрейфу нулевого уровня, однако этот уровень при использовании компенсированных ключей примерно на порядок меньше, чем при использовании обычных ключей. По этой причине в

модуляторах на транзисторных ключах наиболее часто используют компенсированные ключи, образованные встречно-последовательным инверсным включением отдельных транзисторов (рис. XIV.14, а).

Нагрузкой транзисторного модулятора обычно является входное сопротивление лампового или транзисторного усилителя низкой частоты. Для того чтобы исключить гальваническую связь между источником входного сигнала и входной цепью усилителя, в модуляторах применяют либо реостатно-емкостную связь, либо трансформаторную связь. Реостатно-емкостную связь обычно используют при малых уровнях сигнала, так как она позволяет избежать наводок на выходной трансформатор от источников питания.

Рис. XIV. 16. Схемы однополупериодных транзисторных модуляторов с реостатно-емкостным выходом и их упрощенная эквивалентная схема: а — с простым ключом; б — с компенсированным ключом; в — эквивалентная схема

Трансформаторную связь желательно использовать только в тех случаях, когда требуется согласовать малое входное сопротивление усилителя с большим выходным сопротивлением источника сигнала.