Расчет усилителя напряжения на транзисторах. Транзистор и биполярный транзистор, расчёт транзисторного каскада. Трекаскадный УНЧ с непосредственной связью
Наиболее важное назначение электронных приборов - усиление электрических сигналов. Устройства, предназначенные для выполнения этой задачи, называются электронными усилителями.
Усилитель - это электронное устройство, управляющее энергией, поступающей от источника питания к нагрузке. Причем мощность, требующаяся для управления, как правило, намного меньше мощности, отдаваемой в нагрузку, а формы входного (усиливаемого) и выходного (на нагрузке) сигналов совпадают.
Схематичное представление работы усилителя
Усилительные устройства широко используются в автоматике и телемеханике, в следящих, управляющих и регулирующих системах, счетно-решающих и вычислительных машинах, контрольно-измерительных приборах, бытовой радиоаппаратуре и т.д.
Важнейшими техническими показателями являются: коэффициент усиления (по напряжению, току и мощности), входное и выходное сопротивления, выходная мощность, диапазон усиливаемых частот, частотные, фазовые и нелинейные искажения.
Большинство источников усиливаемого сигнала развивают очень низкое напряжение. Подавать его непосредственно на каскад усиления мощности не имеет смысла, т.к. при слабом управляющем напряжении невозможно получить сколько-нибудь значительные изменения выходного тока, а, следовательно, и выходной мощности. Поэтому в состав структурной схемы усилителя, кроме выходного каскада, отдающего требуемую мощность полезного сигнала в нагрузку, входят предварительные каскады усиления.
Эти каскады принято классифицировать по характеру сопротивления нагрузки в выходной цепи транзистора. Наибольшее применение получили резистивные усилительные каскады, сопротивлением нагрузки которых служит резистор.
В каскадах предварительного усиления на биполярных транзисторах чаще других используется схема с общим эмиттером (ОЭ), которая обладает высоким коэффициентом усиления по напряжению и мощности, сравнительно большим входным сопротивлением и допускает использование одного общего источника питания для цепей базы и коллектора.
Резистивный каскад на биполярном транзисторе
Простейшая схема резистивного усилительного каскада с общим эмиттером и питанием от одного источника показана на рис..Входной сигнал поступает на базу и изменяет ее потенциал относительно заземленного эмиттера. Это приводит к изменению тока базы, а, следовательно, к изменению тока коллектора и напряжения на нагрузочном сопротивлении RK. Разделительный конденсатор Сp1 служит для предотвращения протекания постоянной составляющей тока базы через источник входного сигнала. С помощью конденсатора Сp2 на выход каскада подается переменная составляющая напряжения Uкэ изменяющаяся по закону входного сигнала, но значительно превышающая его по величине. Важную роль играет резистор RБ в цепи базы, обеспечивающий выбор исходной рабочей точки на характеристиках транзистора и определяющий режим работы каскада по постоянному току.
Простейшая схема резистивного усилительного каскада с общим эмиттером
Для выяснения роли резистора RБ обратимся к рис., иллюстрирующему процесс усиления сигнала схемой с общим эмиттером. В принципе процесс усиления можно отразить следующей взаимосвязью электрических величин.
Графическое пояснение процесса усиления сигнала схемой с общим эмиттером
Um ВХ I Б m IК m IК m RК (Um КЭ = EК - IК m RК) = U m ВЫХ
Действительно, рассматривая вначале рис а, а затем рис б, можно убедиться в том, что напряжение входного сигнала с амплитудой (Um ВХ=UБЭ m) синфазно изменяет величину тока базы. Эти изменения базового тока вызывают в коллекторной цепи пропорциональные изменения тока коллектора и напряжения на коллекторе, причем амплитуда коллекторного напряжения (с учетом масштаба по оси абсцисс) оказывается значительно больше амплитуды напряжения на базе. Следует обратить внимание на то, что напряжения сигнала на входе и на выходе каскада сдвинуты между собой по фазе на 180°, т. е. находятся в противофазе.
Это означает, что рассматриваемый каскад, не нарушая закон изменения сигнала (в нашем частном случае сигнал изменяется по синусоидальному закону), в то же время поворачивает его фазу на 180°.
Для получения наименьших искажений усиливаемого сигнала рабочую точку (точку покоя) П следует располагать в середине отрезка АВ нагрузочной прямой, построенной в семействе выходных характеристик транзистора (режим усиления класса А). Из рис б видно, что положение рабочей точки П соответствует току смещения в цепи базы IБП. Для получения выбранного режима необходимо в усилителе обеспечить требуемую величину тока смещения в цепи базы. Для этого и служит резистор RБ в схеме в первом рисунки.
Схема, приведенная на рис., получила название схемы с фиксированным базовым током. Смещение фиксированным током базы отличается минимальным числом деталей и малым потреблением тока от источника питания. Кроме того, сравнительно большое сопротивление резистора RБ (десятки кОм) практически не влияет на величину входного сопротивления каскада. Однако этот способ смещения пригоден лишь тогда, когда каскад работает при малых колебаниях температуры транзистора. Кроме того, большой разброс и нестабильность параметра в даже у однотипных транзисторов делают режим работы каскада весьма неустойчивым при смене транзистора, а также с течением времени.
Более эффективной является схема с фиксированным напряжением смещения на базе В этой схеме резисторы R"Б и R"Б, подключенные параллельно источнику питания ЕК, составляют делитель напряжения.
При этом повышается стабильность режима работы схемы, так как изменения тока в цепях эмиттера и коллектора транзистора незначительно влияют на величину напряжения смещения.
Сопротивление R"Б делителя включено параллельно входному сопротивлению транзистора. Кроме того, пренебрегая малым внутренним сопротивлением источника питания, можно считать, что R"Б и R"Б включены параллельно друг другу. Поэтому делитель, образованный резисторами R"Б и R"Б должен обладать достаточно большим сопротивлением (порядка нескольких кОм). В противном случае входное сопротивление каскада окажется недопустимо малым.
При построении схем транзисторных усилителей приходится принимать меры для стабилизации положения рабочей точки на характеристиках. Основной дестабилизирующий фактор, нарушающий устойчивую работу транзисторной схемы, - влияние температуры. Существуют различные способы термостабилизации режима работы транзисторных каскадов.
Наибольшее распространение получила схема термостабилизации режима, приведенная на рис.
Схема резистивного каскада с фиксированным напряжением смещения
В этой схеме навстречу фиксированному прямому напряжению смещения, снимаемому с резистора R"Б, включено напряжение, возникающее на резисторе RЭ при прохождении через него тока эмиттера. Пусть по какой-либо причине, например при увеличении температуры, постоянная составляющая коллекторного тока возрастает. Так как IЭ =IК+IБ, то увеличение тока IК приведет к увеличению тока эмиттера IЭ и падению напряжения на резисторе RЭ. В результате напряжение между эмиттером и базой UБЭ уменьшится, что приведет к уменьшению тока базы IБ, а следовательно, и тока IК.
Наоборот, если по какой либо причине коллекторный ток уменьшится, то уменьшится и напряжение на резисторе RЭ, а прямое напряжение UБЭ возрастет. При этом увеличится ток базы и ток коллектора.
В большинстве случаев резистор RЭ шунтируется конденсатором CЭ достаточно большой емкости (порядка десятков микрофарад). Это делается для отвода переменной составляющей тока эмиттера от резистора RЭ.
Данные для расчета.
Схема усилительного каскада на биполярном транзисторе с ОЭ
Основные характеристики
|
Транзистор |
Uкэ/(Iк/Iб)В/(мА/мА) |
Uкэ/RВ/кОм |
Iкм/IкнмА/мА |
|||||||||||
Условные обозначения электрических параметров биполярного транзистора КТ312В:
 Обозначение: |
Параметр |
|
статический коэффициент передачи тока |
|
|
предельная частота коэффициента передачи тока |
|
|
емкость коллекторного перехода (Cк) и напряжение на коллекторе (Uк), при котором она измеряется |
|
|
емкость эмиттерного перехода (Cэ) и напряжение эмиттер/база (Uэ), при котором она измеряется |
|
|
Rб*Cк псек |
постоянная времени цепи обратной связи на высокой частоте |
|
Uкэ/(Iк/Iб) В/(мА/мА) |
напряжение насыщения коллектор-эмиттер (Uкэ) биполярного транзистора при заданном токе коллектора (Iк) и заданном токе базы (Iб) |
|
обратный ток коллектора |
|
|
максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-база |
|
|
Uкэ/R В/кОм |
максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-эмиттер (Uкэ) при заданной величине сопротивления, включенного между базой и эмиттером (R) |
|
максимально допустимое постоянное напряжение эмиттер-база |
|
|
Iкм/Iкн мА/мА |
предельно допустимый постоянный (Iкм) ток коллектора предельно допустимый ток коллектора в режиме насыщения (Iкн)или в импульсе |
|
максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность на коллекторе |
Транзисторы, как только появились, быстро завоевали главенствующее место в усилительной технике, и причин тому несколько. Транзисторы не имеют нити накала, а значит, не требуют мощности на ее нагрев, прекрасно работают при низком питающем напряжении, хорошо согласуются с низкоомными нагрузками (например, динамическими головками громкоговорителей), долговечны и надежны. В отличие от ламп, характеристики транзисторов отличаются заметной нелинейностью, и в усилителях ее приходится снижать дополнительными мерами, например, введением отрицательной обратной связи (ООС).
Остановимся на расчете несколько более сложного, но зато наиболее распространенного усилителя мощности звуковых частот - УМЗЧ (рис. 51). Все транзисторы, используемые в усилителе, - кремниевые.
На транзисторах VT1 и VT2 собран по дифференциальной схеме входной каскад. Он реагирует только на разность напряжений, поданных на неинвертирующий и инвертирующий входы. Эта разность, в зависимости от полярности, закрывает один и открывает другой транзистор. Нагрузка R1 включена в коллекторную цепь транзистора VT1, но часть его коллекторного тока направляется в цепь базы транзистора предоконечного каскада VT3, обеспечивая смещение и подачу на него сигнала.
Оконечный каскад собран на транзисторах VT4 и VT5 по двухтактной схеме с последовательным включением транзисторов. Они работают в режиме класса АВ или даже В в зависимости от смещения, которое создается диодами VD1 и VD2. Усилитель нагружен на динамическую головку ВА1, включенную без разделительного конденсатора, поскольку в режиме покоя напряжение на выходе усилителя практически равно нулю.
Питается усилитель от двуполярного источника (рис. 52) с одинаковыми выходными напряжениями. Схемы усилителя и источника питания предельно просты, но тем не менее собранная по ним конструкция вполне работоспособна и может обеспечить неплохие параметры.
Дальнейшие усовершенствования сводятся к установке транзисторных генераторов тока вместо резисторов, стабилизаторов напряжения в источнике питания, включению эмиттерных повторителей между отдельными каскадами - вариации на эту тему бесконечны, и интересующиеся схемотехникой УМЗЧ изучат их сами, по другим публикациям. Мы же перейдем к расчету простейшей схемы.
Усилитель (рис. 51) представляет собой не что иное, как операционный усилитель (ОУ) в его простейшем виде. ОУ обладают рядом достоинств, обеспечивших им универсальное и самое широкое применение. Входное сопротивление и коэффициент усиления идеального ОУ бесконечны, выходное сопротивление равно нулю. Идеальный ОУ реагирует только на разность напряжений на его входах. Это означает, что одновременное (синфазное) изменение напряжения на входах не приводит к появлению выходного сигнала.
Наш ОУ далек от идеального: его входное сопротивление составляет десятки килоом, коэффициент усиления - несколько тысяч, а подавление синфазной компоненты входного сигнала не превосходит 20...40 дБ. Тем не менее включается и работает он так же, как идеальный ОУ (рис. 53).
Входной сигнал подается через разделительный конденсатор С4 на неинвертирующии вход DA1 (то, что в треугольнике, соответствует схеме рис. 51, но может быть и другим ОУ с мощным выходом, например, К157УД1, К174УН11 и т.д.). Резистор R4 устанавливает нулевой потенциал на входе.
Без отрицательной обратной связи, снижающей усиление и одновременно нелинейные искажения, а также расширяющей полосу усиливаемых частот, ОУ работать не может. ООС подается с выхода усилителя на инвертирующий вход через резистор R6. На постоянном токе и нижних частотах цепочка C5R5 никакой роли не играет, поэтому глубина ООС - 100 %. Это значит, что потенциалы на выходе и на инвертирующем входе также нулевые. Действительно, малейшее отклонение потенциала выхода, например, в положительную сторону, будет передано на инвертирующий вход через резистор R6, усилено и приведет к понижению потенциала выхода, компенсируя первоначальное отклонение.
Иное дело на переменном токе 3Ч - в цепи ООС работает делитель R6R5, и на инвертирующий вход передается только часть переменного выходного напряжения, равная UвыxR5/(R5 + R6). Напряжения на входах практически равны (не забудем, что коэффициент усиления ОУ - тысячи), поэтому формула для коэффициента усиления будет такой:
K = Uвыx/UBX=1 + R6/R5.
Реактивное сопротивление конденсатора на нижней частоте полосы пропускания усилителя fH должно быть меньше сопротивления резистора R5, поэтому
С5≥ 1/2πfHR5.
Чтобы закончить расчет элементов схемы рис. 53, нам осталось выбрать сопротивления резисторов R4 и R6. Их целесообразно взять одинаковыми, тогда одинаковые входные токи ОУ, проходя через эти резисторы, вызовут и одинаковые падения напряжения. Разность напряжений на входах останется нулевой. Тем не менее эти падения напряжения не должны быть большими, разумно ограничить их на уровне 50... 100 мВ. Следовательно,
R4 = R6 = (0,05...0,1)/iвх.
Например, при iвх = 1 мкА сопротивления резисторов получаются равными 50... 100 кОм.
Перейдем теперь к расчету внутренних элементов ОУ (см. рис. 51). Ток входных транзисторов VT1 и VT2 (он одинаков) составляет
i1 = i2 · h21э
где h21э - статический коэффициент передачи тока входных транзисторов в схеме с общим эмиттером (он тоже должен быть по возможности одинаковым). Суммарный ток транзисторов проходит через резистор R2, и падение напряжения на нем должно быть на 0,5 В (пороговое напряжение открывания транзисторов) меньше напряжения источника питания Еn. Отсюда
R2 = (En-0,5)/2i1
При h21э = 100 и iвх = 1 мкА ток каждого входного транзистора составит 0,1 мА, а сопротивление резистора R2 при Еn = 6 В - 27 кОм. Ток i, должен создавать на резисторе R1 падение напряжения, достаточное для открывания транзистора VT3, т.е. не менее 0,5 В. Следовательно, сопротивление резистора R1 должно составлять
В нашем примере R1 = 5 кОм. Если его выбрать больше, то значительная часть тока i, будет направлена в базу транзистора предоконечного каскада VT3. Это можно допустить при условии
где i3 - коллекторный ток транзистора VT3; h21ЭЗ - его коэффициент передачи тока. Ток i3 определится при дальнейшем расчете.
Далее можно приступить к расчету предоконечного и оконечного каскадов, причем начать лучше с последнего, поскольку режим первого во многом им и определяется. Здесь понадобятся коллекторные характеристики мощных выходных транзисторов, показанные на рис. 54 и приводимые в справочниках.
Предполагается, что транзисторы VT4 и VT5 имеют одинаковые характеристики, различаясь лишь структурой. Подобные пары комплементарных транзисторов выпускаются промышленностью (примеры: КТ315 и КТ361, КТ815 и КТ814, КТ819 и КТ818 с различными буквенными индексами). Характеристики показывают зависимость коллекторного тока от мгновенного напряжения на коллекторе при различных токах базы.
На графике штриховыми линиями показана область допустимых режимов коллекторной цепи: сверху она ограничена максимальным током коллектора, справа - максимально допустимым коллекторным напряжением, в средней же части - максимально допустимой мощностью рассеяния транзистора, исчисляемой как произведение коллекторного тока на напряжение. Нагрузочная прямая нигде не должна пересекать границ допустимых режимов.
Как уже упоминалось, транзисторы VT4 и VT5 работают в режиме, близком к классу В. Это значит, что при отсутствии сигнала напряжение на транзисторе равно Еп, а ток близок к нулю (правая часть нагрузочной прямой). На положительной полуволне сигнала открывается верхний по схеме транзистор (VT4), на отрицательной - нижний (VT5). Поскольку процессы полностью симметричны, рассмотрим работу верхнего транзистора.
По мере его открывания коллекторный ток растет, а напряжение коллектор-эмиттер падает, поскольку положительная полуволна напряжения выделяется на нагрузке - головке ВА1. Перемещаясь вдоль нагрузочной прямой влево и вверх, по коллекторным характеристикам определяем iк max и Uк min показанные на рис. 54. Если характеристик нет, то ток iк max берется несколько меньше максимально допустимого тока коллектора, а под Uк min подразумевается напряжение насыщения коллектор-эмиттер (падение напряжения на транзисторе, когда он полностью открыт).
Знание последних двух параметров позволяет сосчитать мощность, отдаваемую усилителем. Действительно, размах (амплитуда) переменного напряжения ЗЧ на нагрузке составит En - Uк min, а амплитуда тока - iк max. Мощность составит
Р = (Еn - Uк min)iк max /2.
На практике часто именно с этого и начинают расчет - задавшись выходной мощностью, определяют напряжение питания Еn и подбирают тип выходных транзисторов, обеспечивающих нужный максимальный ток и соответствующих по предельно допустимым параметрам (рис. 54). При этом следует еще иметь в виду, что коллекторное напряжение закрытого транзистора может достигать почти 2Еn - предельно допустимое значение напряжения коллектор-эмиттер выбранных транзисторов должно быть не меньше 2Еn.
Зная коэффициент передачи тока (в режиме большого сигнала) выходных транзисторов h21э4 и h21э5 (опять желательно, чтобы они были одинаковыми), находят максимальный ток базы
iб4 = iк max/h21э4
Ток коллектора предоконечного каскада (напомним, что в отличие от выходных транзисторов он работает в классе А) должен быть существенно больше iб4. Здесь выявляются недостатки простейшей схемы (см. рис. 51). Дело в том, что на положительной полуволне сигнала открывается транзистор VT3 и его увеличивающийся ток открывает выходной транзистор VT4. Эти процессы происходят достаточно хорошо. Но на отрицательной полуволне сигнала должен открываться транзистор VT5, а его максимальный ток базы определяется резистором R3, причем напряжение на этом резисторе на пике отрицательной полуволны получается даже меньше Uк min! Вот почему приходится задавать большой ток коллектора предоконечного каскада i3 в 10.. .20 раз больше iб4, а сопротивление резистора R3 подсчитывать по форомуле
Разумеется, это невыгодно - приходится ставить в предоконечный каскад довольно мощный транзистор, да и экономичность всего усилителя снижается. Исправляют ситуацию следующие меры: увеличение коэффициента передачи тока выходных транзисторов (установка составных транзисторов, двух или хотя бы одного на месте VT5), использование вместо резистора R3 транзисторного генератора тока, включение "вольтодобавки". В последнем случае резистор R3 составляют из двух последовательно включенных резисторов, а их среднюю точку соединяют через конденсатор большой емкости с выходом усилителя. Возникшая местная положительная обратная связь и способствует лучшему открыванию транзистора VT5.
Последняя, оставшаяся не рассмотренной, деталь усилителя - конденсатор С1, корректирующий АЧХ в области высших частот. Его емкость обычно невелика - десятки пикофарад. Подробнее о нем будет сказано в следующем разделе.
Вопрос для самопроверки . Рассчитайте УМЗЧ со следующими параметрами, входное напряжение - 0,1 В, напряжение питания - ±6,3 В, сопротивление нагрузки - 4 Ом, полоса воспроизводимых частот - 50 Гц... 12,5 кГц. Выберите тип транзисторов. Определите максимальную выходную мощность на синусоидальном сигнале.
Ответ . Начнем с последнего - рассчитаем выходной каскад в режиме максимальной отдаваемой мощности. Положив остаточное напряжение на коллекторе открытого выходного транзистора U k min = 0,3 В, получаем амплитуду переменной составляющей ЗЧ на выходе Um = 6 В. Тогда максимальное значение тока через транзистор составит l m = U m /R H = 6 В/4 Ом -= 1,5 А. Выходная мощность на синусоидальном сигнале составит Р = = U m I m /2 = 4,5 Вт. Среднее значение тока косинусоидальных импульсов через выходные транзисторы составляет 0,32l m (0,32 - это нулевой коэффициент разложения импульса на гармонические составляющие). Итак, l 0 = 0,32 l m = 0,5 А. Сюда надо добавить еще ток покоя I пок выходных транзисторов порядка 0,05 А.
Теперь находим потребляемую усилителем мощность Р 0 = 2Е n (I 0 + I пок)= 7 Вт. Как видим, КПД усилителя в режиме максимальной мощности составит лишь Р/Р 0 = 4,5 Вт/7 Вт = 0,64 или 64 %. При меньших мощностях КПД окажется еще меньше. На каждом из выходных транзисторов будет рассеиваться мощность (Р 0 - Р)/2 = 1,25 Вт. Неплохой выбор транзисторов - комплементарная пара KT816, KT817 (с любыми буквенными индексами). Их параметры удовлетворяют нашим условиям со значительным запасом.
Усиление предварительных каскадов по напряжению должно составить как минимум 6,3 В/0,1 В = 63. Один транзисторный каскад, учитывая нагрузку на низкий входной импеданс мощных транзисторов, такого усиления не обеспечит, следовательно, необходимо по меньшей мере два каскада. Рекомендуются схемы рис. 51-53. Избыток усиления гасится введением ООС (рис. 53) с отношением сопротивлений R6/R5 примерно 60...70.
Курсовой проект содержит 37 листа, 23 иллюстрации, 1 таблицу.
Цель: - углубить знания студентов по курсам, связанным с темой курсового проекта;
Привить навыки самостоятельной работы с технической литературой;
Научить составлять, рассчитывать и анализировать электронные схемы;
Научить грамотно оформлять техническую документацию.
В курсовом проекте содержится краткое описание усилителей низкой частоты, их классификация, применение, основные технические решения. Также разработана структурная и электрическая принципиальная схема усилителя, и произведен ее расчет.
УСИЛИТЕЛЬ, ТРАНЗИСТОР, ВХОДНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА,
НЕЛИНЕЙНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ, ВЫХОДНОЙ КАСКАД
1. Введение ………………………………………………….. 3
2. Основная часть
2.1 Аналитический обзор …………………………… 5
2.2 Составление структурной схемы усилителя …… 9
2.3 Разработка электрической принципиальной
схемы усилителя …………………………………………….. 11
2.4 Электрический расчет …………………………. ……… 14
2.5 Анализ спроектированного усилителя …………. ……... 29
3. Заключение ……………………………………………………... 30
4. Перечень ссылок ……………………………………………….. 31
5. Приложение …………………………………………………….. 32
1 Введение
Характерной особенностью современных электронных усилителей является исключительное многообразие схем, по которым они могут быть построены.
Усилители различаются по характеру усиливаемых сигналов: усилители гармонических сигналов, импульсные усилители и т. д. Также они различаются по назначение, числу каскадов, роду электропитания и другим показателям.
Однако одним из наиболее существенных классификационных признаков является диапазон частот электрических сигналов, в пределах которого данный усилитель может удовлетворительно работать. По этому признаку различают следующие основные типы усилителей:
Усилители низкой частоты, предназначенные для усиления непрерывных периодических сигналов, частотный диапазон которых лежит в пределах от десятков герц до десятков килогерц. Характерной особенностью УНЧ является то, что отношение верхней усиливаемой частоты к нижней велико и обычно составляет не менее нескольких десятков.
Усилители постоянного тока – усиливающие электрические сигналы в диапазоне частот от нуля до высшей рабочей частоты. Они позволяют усиливать как переменные составляющие сигнала, так и его постоянную составляющую.
Избирательные усилители – усиливающие сигналы в очень узкой полосе частот. Для них характерна небольшая величина отношения верхней частоты к нижней. Эти усилители могут использоваться как на низких, так и на высоких частотах и выступают в качестве своеобразных частотных фильтров, позволяющих выделить заданный диапазон частот электрических колебаний. Узкая полоса частотного диапазона во многих случаях обеспечивается применением в качестве нагрузки таких усилителей колебательного контура. В связи с этим избирательные усилители часто называют резонансными.
Широкополосные усилители, усиливающие очень широкую полосу частот. Эти усилители предназначены для усиления сигналов в устройствах импульсной связи, радиолокации и телевидения. Часто широкополосные усилители называют видеоусилителями. Помимо своего основного назначения, эти усилители используются в устройствах автоматики и вычислительной техники.
2.1 Аналитический обзор
Современные усилители низкой частоты выполняются преимущественно на биполярных и полевых транзисторах в дискретном или интегральном исполнении, причем усилители в микроисполнении отличаются от своих дискретных аналогов, главным образом, конструктивно-техническими особенностями.
В качестве источника входного сигнала в усилителях низкой частоты могут входить микрофон, звукосниматель, предыдущий усилитель. Большинство из источников входного сигнала развивают очень низкое напряжение. Подавать его непосредственно на каскад усиления мощности не имеет смысла, т. к. при слабом управляющем напряжении невозможно получить значительные изменения выходного тока, а следовательно, выходной мощности. Поэтому в состав структурной схемы усилителя, кроме выходного каскада, отдающего требуемую мощность, входят и каскады предварительного усиления.
Эти каскады принято классифицировать по характеру сопротивления нагрузки в выходной цепи транзистора. Наибольшее применение получили резистивные усилительные каскады, сопротивлением нагрузки которых служит резистор. В качестве нагрузки транзистора может быть использован и трансформатор. Такие каскады называют трансформаторными. Однако в следствии большой стоимости, значительных размеров и массы трансформатора, а также из-за неравномерности амплитудно-частотных характеристик трансформаторные каскады предварительного усиления применяются весьма редко.
В каскадах предварительного усиления на биполярных транзисторах чаще других используется схема с общим эмиттером, которая обладает высоким коэффициентом усиления по напряжению и мощности, сравнительно большим входным сопротивлением и допускает использование одного общего источника питания для цепей эмиттера и коллектора.
Простейшая схема резистивного усилительного каскада с общим эмиттером и питанием от одного источника показана на рис 1.
Рисунок 1
Данная схема получила название схемы с фиксированным базовым током. Смещение фиксированным током базы отличается минимальным числом деталей и малым потреблением тока от источника питания. Кроме того, сравнительно большое сопротивление резистора R б практически не влияет на величину входного сопротивления каскада. Однако этот способ смещения пригоден лишь тогда, когда каскад работает при малых колебаниях температуры транзистора. Кроме того, большой разброс и нестабильность параметров b даже у однотипных транзисторов делают режим работы каскада неустойчивым при смене транзистора, а также с течением времени.
Более эффективной является схема с фиксированным напряжением смещения на базе, представленная на рис 2.
В этой схеме резисторы
и подключенные параллельно источнику питания Е к составляют делитель напряжения. Делитель, образованный резисторами и должен обладать достаточно большим сопротивлением, иначе входное сопротивление каскада окажется малым.При построении схем транзисторных усилителей приходится принимать меры для стабилизации положения рабочей точки на характеристиках. Основной дестабилизирующий фактор – влияние температуры. Существуют
Усилители низкой частоты (УНЧ) используют для преобразования слабых сигналов преимущественно звукового диапазона в более мощные сигналы, приемлемые для непосредственного восприятия через электродинамические или иные излучатели звука.
Заметим, что высокочастотные усилители до частот 10... 100 МГц строят по аналогичным схемам, все отличие чаще всего сводится к тому, что значения емкостей конденсаторов таких усилителей уменьшаются во столько раз, во сколько частота высокочастотного сигнала превосходит частоту низкочастотного.
Простой усилитель на одном транзисторе
Простейший УНЧ, выполненный по схеме с общим эмиттером, показан на рис. 1. В качестве нагрузки использован телефонный капсюль. Допустимое напряжение питания для этого усилителя 3...12 В.
Величину резистора смещения R1 (десятки кОм) желательно определить экспериментально, поскольку его оптимальная величина зависит от напряжения питания усилителя, сопротивления телефонного капсюля, коэффициента передачи конкретного экземпляра транзистора.
Рис. 1. Схема простого УНЧ на одном транзисторе + конденсатор и резистор.
Для выбора начального значения резистора R1 следует учесть, что его величина примерно в сто и более раз должна превышать сопротивление, включенное в цепь нагрузки. Для подбора резистора смещения рекомендуется последовательно включить постоянный резистор сопротивлением 20...30 кОм и переменный сопротивлением 100... 1000 кОм, после чего, подав на вход усилителя звуковой сигнал небольшой амплитуды, например, от магнитофона или плеера, вращением ручки переменного резистора добиться наилучшего качества сигнала при наибольшей его громкости.
Величина емкости переходного конденсатора С1 (рис. 1) может находиться в пределах от 1 до 100 мкФ: чем больше величина этой емкости, тем более низкие частоты может усиливать УНЧ. Для освоения техники усиления низких частот рекомендуется поэкспериментировать с подбором номиналов элементов и режимов работы усилителей (рис. 1 - 4).
Улучшениые варианты однотранзисторного усилителя
Усложненные и улучшенные по сравнению со схемой на рис. 1 схемы усилителей приведены на рис. 2 и 3. В схеме на рис. 2 каскад усиления дополнительно содержит цепочку частотнозависимой отрицательной обратной связи (резистор R2 и конденсатор С2), улучшающей качество сигнала.
Рис. 2. Схема однотранзисторного УНЧ с цепочкой частотнозависимой отрицательной обратной связи.
Рис. 3. Однотранзисторный усилитель с делителем для подачи напряжения смещения на базу транзистора.
Рис. 4. Однотранзисторный усилитель с автоматической установкой смещения для базы транзистора.
В схеме на рис. 3 смещение на базу транзистора задано более «жестко» с помощью делителя, что улучшает качество работы усилителя при изменении условий его эксплуатации. «Автоматическая» установка смещения на базе усилительного транзистора применена в схеме на рис. 4.
Двухкаскадный усилитель на транзисторах
Соединив последовательно два простейших каскада усиления (рис. 1), можно получить двухкаскадный УНЧ (рис. 5). Усиление такого усилителя равно произведению коэффициентов усиления отдельно взятых каскадов. Однако получить большое устойчивое усиление при последующем наращивании числа каскадов нелегко: усилитель скорее всего самовозбудится.
Рис. 5. Схема простого двухкаскадного усилителя НЧ.
Новые разработки усилителей НЧ, схемы которых часто приводят на страницах журналов последних лет, преследуют цель достижения минимального коэффициента нелинейных искажений, повышения выходной мощности, расширения полосы усиливаемых частот и т.д.
В то же время, при наладке различных устройств и проведении экспериментов зачастую необходим несложный УНЧ, собрать который можно за несколько минут. Такой усилитель должен содержать минимальное число дефицитных элементов и работать в широком интервале изменения напряжения питания и сопротивления нагрузки.
Схема УНЧ на полевом и кремниевом транзисторах
Схема простого усилителя мощности НЧ с непосредственной связью между каскадами приведена на рис. 6 [Рл 3/00-14]. Входное сопротивление усилителя определяется номиналом потенциометра R1 и может изменяться от сотен Ом до десятков МОм. На выход усилителя можно подключать нагрузку сопротивлением от 2...4 до 64 Ом и выше.
При высокоомной нагрузке в качестве VT2 можно использовать транзистор КТ315. Усилитель работоспособен в диапазоне питающих напряжений от 3 до 15 В, хотя приемлемая работоспособность его сохраняется и при снижении напряжения питания вплоть до 0,6 В.
Емкость конденсатора С1 может быть выбрана в пределах от 1 до 100 мкФ. В последнем случае (С1 =100 мкФ) УНЧ может работать в полосе частот от 50 Гц до 200 кГц и выше.
Рис. 6. Схема простого усилителя низкой частоты на двух транзисторах.
Амплитуда входного сигнала УНЧ не должна превышать 0,5...0,7 В. Выходная мощность усилителя может изменяться от десятков мВт до единиц Вт в зависимости от сопротивления нагрузки и величины питающего напряжения.
Настройка усилителя заключается в подборе резисторов R2 и R3. С их помощью устанавливают напряжение на стоке транзистора VT1, равное 50...60% от напряжения источника питания. Транзистор VT2 должен быть установлен на теплоотводя-щей пластине (радиаторе).
Трекаскадный УНЧ с непосредственной связью
На рис. 7 показана схема другого внешне простого УНЧ с непосредственными связями между каскадами. Такого рода связь улучшает частотные характеристики усилителя в области нижних частот, схема в целом упрощается.
Рис. 7. Принципиальная схема трехкаскадного УНЧ с непосредственной связью между каскадами.
В то же время настройка усилителя осложняется тем, что каждое сопротивление усилителя приходится подбирать в индивидуальном порядке. Ориентировочно соотношение резисторов R2 и R3, R3 и R4, R4 и R BF должно быть в пределах (30...50) к 1. Резистор R1 должен быть 0,1...2 кОм. Расчет усилителя, приведенного на рис. 7, можно найти в литературе, например, [Р 9/70-60].
Схемы каскадных УНЧ на биполярных транзисторах
На рис. 8 и 9 показаны схемы каскодных УНЧ на биполярных транзисторах. Такие усилители имеют довольно высокий коэффициент усиления Ку. Усилитель на рис. 8 имеет Ку=5 в полосе частот от 30 Гц до 120 кГц [МК 2/86-15]. УНЧ по схеме на рис. 9 при коэффициенте гармоник менее 1% имеет коэффициент усиления 100 [РЛ 3/99-10].
Рис. 8. Каскадный УНЧ на двух транзисторах с коэффициентом усиления = 5.
Рис. 9. Каскадный УНЧ на двух транзисторах с коэффициентом усиления = 100.
Экономичный УНЧ на трех транзисторах
Для портативной радиоэлектронной аппаратуры важным параметром является экономичность УНЧ. Схема такого УНЧ представлена на рис. 10 [РЛ 3/00-14]. Здесь использовано каскадное включение полевого транзистора VT1 и биполярного транзистора VT3, причем транзистор VT2 включен таким образом, что стабилизирует рабочую точку VT1 и VT3.
При увеличении входного напряжения этот транзистор шунтирует переход эмиттер — база VT3 и уменьшает значение тока, протекающего через транзисторы VT1 и VT3.
Рис. 10. Схема простого экономичного усилителя НЧ на трех транзисторах.
Как и в приведенной выше схеме (см. рис. 6), входное сопротивление этого УНЧ можно задавать в пределах от десятков Ом до десятков МОм. В качестве нагрузки использован телефонный капсюль, например, ТК-67 или ТМ-2В. Телефонный капсюль, подключаемый при помощи штекера, может одновременно служить выключателем питания схемы.
Напряжение питания УНЧ составляет от 1,5 до 15 В, хотя работоспособность устройства сохраняется и при снижении питающего напряжения до 0,6 В. В диапазоне напряжения питания 2... 15 В потребляемый усилителем ток описывается выражением:
1(мкА) = 52 + 13*(Uпит)*(Uпит),
где Uпит - напряжение питания в Вольтах (В).
Если отключить транзистор VT2, потребляемый устройством ток увеличивается на порядок.
Двухкаскадные УНЧ с непосредственной связью между каскадами
Примерами УНЧ с непосредственными связями и минимальным подбором режима работы являются схемы, приведенные на рис. 11 - 14. Они имеют высокий коэффициент усиления и хорошую стабильность.
Рис. 11. Простой двухкаскадный УНЧ для микрофона (низкий уровень шумов, высокий КУ).
Рис. 12. Двухкаскадный усилитель низкой частоты на транзисторах КТ315.
Рис. 13. Двухкаскадный усилитель низкой частоты на транзисторах КТ315 - вариант 2.
Микрофонный усилитель (рис. 11) характеризуется низким уровнем собственных шумов и высоким коэффициентом усиления [МК 5/83-XIV]. В качестве микрофона ВМ1 использован микрофон электродинамического типа.
В роли микрофона может выступать и телефонный капсюль. Стабилизация рабочей точки (начального смещения на базе входного транзистора) усилителей на рис. 11 - 13 осуществляется за счет падения напряжения на эмиттерном сопротивлении второго каскада усиления.
Рис. 14. Двухкаскадный УНЧ с полевым транзистором.
Усилитель (рис. 14), имеющий высокое входное сопротивление (порядка 1 МОм), выполнен на полевом транзисторе VT1 (истоковый повторитель) и биполярном — VT2 (с общим).
Каскадный усилитель низкой частоты на полевых транзисторах, также имеющий высокое входное сопротивление, показан на рис. 15.
Рис. 15. схема простого двухкаскадного УНЧ на двух полевых транзисторах.
Схемы УНЧ для работы с низкоОмной нагрузкой
Типовые УНЧ, предназначенные для работы на низкоомную нагрузку и имеющие выходную мощность десятки мВт и выше, изображены на рис. 16, 17.
Рис. 16. Простой УНЧ для работы с включением нагрузки с низким сопротивлением.
Электродинамическая головка ВА1 может быть подключена к выходу усилителя, как показано на рис. 16, либо в диагональ моста (рис. 17). Если источник питания выполнен из двух последовательно соединенных батарей (аккумуляторов), правый по схеме вывод головки ВА1 может быть подключен к их средней точки напрямую, без конденсаторов СЗ, С4.
Рис. 17. Схема усилителя низкой частоты с включением низкоомной нагрузки в диагональ моста.
Если вам нужна схема простого лампового УНЧ то такой усилитель можно собрать даже на одной лампе, смотрите у нас на сайте по электронике в соответствующем разделе.
Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год.
Исправления в публикации: на рис. 16 и 17 вместо диода Д9 установлена цепочка из диодов.
В данной статье расскажем про транзистор. Покажем схемы его подключения и расчёт транзисторного каскада с общим эмиттером.
ТРАНЗИСТОР — это 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. Термн «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.).
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.
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.
Для изучения работы транзистора, мы рассмотрим схему включения транзистора с общим эмиттером, как наиболее важную схему включения.
Схема изображена на рисунке. На схеме VT – собственно транзистор. Резисторы R б1 и R б2 – цепочка смещения транзистора, представляющая собой обыкновенный делитель напряжения. Именно эта цепь обеспечивает смещение транзистора в «рабочую точку» в режиме усиления гармонического сигнала без искажений. Резистор R к – нагрузочный резистор транзисторного каскада, предназначен для подвода к коллектору транзистора электрического тока источника питания и его ограничения в режиме «открытого» транзистора. Резистор R э – резистор обратной связи, по своей сути увеличивает входное сопротивление каскада, при этом, уменьшает усиление входного сигнала. Конденсаторы С выполняют функцию гальванической развязки от влияния внешних цепей.
Чтобы Вам было понятнее, как работает биполярный транзистор, мы проведём аналогию с обычным делителем напряжения (см. рис. ниже). Для начала, резистор R 2 делителя напряжения сделаем управляемым (переменным). Изменяя сопротивление этого резистора, от нуля до «бесконечно» большого значения, мы можем получить на выходе такого делителя напряжение от нуля до значения, подаваемого на его вход. А теперь, представим себе, что резистор R 1 делителя напряжения – это коллекторный резистор транзисторного каскада, а резистор R 2 делителя напряжения – это переход транзистора коллектор-эмиттер. При этом, подавая на базу транзистора управляющее воздействие в виде электрического тока, мы изменяем сопротивление перехода коллектор-эмиттер, тем самым меняем параметры делителя напряжения. Отличие от переменного резистора в том, что транзистор управляется слабым током. Именно так и работает биполярный транзистор. Вышеуказанное изображено на рисунке ниже:
Для работы транзистора в режиме усиления сигнала, без искажения последнего, необходимо обеспечить этот самый рабочий режим. Говорят о смещении базы транзистора. Грамотные специалисты тешат себя правилом: Транзистор управляется током – это аксиома. Но режим смещения транзистора устанавливается напряжением база-эмиттер, а не током – это реальность. И у того, кто не учитывает напряжение смещения, никакой усилитель работать не будет. Поэтому в расчётах его значение должно учитываться.
Итак, работа биполярного транзисторного каскада в режиме усиления происходит при определённом напряжении смещения на переходе база-эмиттер. Для кремниевого транзистора значение напряжения смещения лежит в пределах 0,6…0,7 вольт, для германиевого – 0,2…0,3 вольта. Зная об этом понятии, можно не только рассчитывать транзисторные каскады, но и проверять исправность любого транзисторного усилительного каскада. Достаточно мультиметром с высоким внутренним сопротивлением измерить напряжение смещения база-эмиттер транзистора. Если оно не соответствует 0,6…0,7 вольт для кремния, или 0,2…0,3 вольта для германия, тогда ищите неисправность именно здесь – либо неисправен транзистор, либо неисправны цепи смещения или развязки этого транзисторного каскада.
Вышеуказанное, изображено на графике – вольтамперной характеристике (ВАХ).
Большинство из «спецов», посмотрев на представленную ВАХ скажет: Что за ерунда нарисована на центральном графике? Так выходная характеристика транзистора не выглядит! Она представлена на правом графике! Отвечу, там всё правильно, а началось это с электронно-вакуумных ламп. Раньше вольтамперной характеристикой лампы считалось падение напряжения на анодном резисторе. Сейчас, продолжают измерять на коллекторном резисторе, а на графике приписывают буквы, обозначающие падение напряжения на транзисторе, в чём глубоко ошибаются. На левом графике I б – U бэ представлена входная характеристика транзистора. На центральном графике I к – U кэ представлена выходная вольтамперная характеристика транзистора. А на правом графике I R – U R представлен вольтамперный график нагрузочного резистора R к , который обычно выдают за вольтамперную характеристику самого транзистора.
На графике имеет место линейный участок, используемый для линейного усиления входного сигнала, ограниченный точками А и С . Средняя точка – В , является именно той точкой, в которой необходимо содержать транзистор, работающий в усилительном режиме. Этой точке соответствует определённое напряжение смещения, которое при расчётах обычно берут: 0,66 вольт для транзистора из кремния, или 0,26 вольт для транзистора из германия.
По вольтамперной характеристике транзистора мы видим следующее: при отсутствии, или малом напряжении смещения на переходе база-эмиттер транзистора, ток базы и ток коллектора отсутствуют. В этот момент на переходе коллектор-эмиттер падает всё напряжение источника питания. При дальнейшем повышении напряжения смещения база-эмиттер транзистора, транзистор начинает открываться, появляется ток базы и вместе с ним растёт ток коллектора. При достижении «рабочей области» в точке С , транзистор входит в линейный режим, который продолжается до точки А . При этом, падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер уменьшается, а на нагрузочном резисторе R к , наоборот увеличивается. Точка В – рабочая точка смещения транзистора, — это такая точка, при которой на переходе коллектор — эмиттер транзистора, как правило, устанавливается падение напряжения равное ровно половине напряжения источника питания. Отрезок АЧХ от точки С , до точки А называют рабочей областью смещения. После точки А , ток базы и следовательно ток коллектора резко возрастают, транзистор полностью открывается — входит в насыщение. В этот момент, на переходе коллектор-эмиттер падает напряжение обусловленное структурой n-p-n переходов, которое приблизительно равно 0,2…1 вольт, в зависимости от типа транзистора. Всё остальное напряжение источника питания падает на сопротивлении нагрузки транзистора – резисторе R к ., который кроме того, ограничивает дальнейший рост тока коллектора.
По нижним «дополнительным» рисункам, мы видим, как изменяется напряжение на выходе транзистора в зависимости от подаваемого на вход сигнала. Выходное напряжение (падение напряжения на коллекторе) транзистора противофазно (на 180 градусов) к входному сигналу.
Расчёт транзисторного каскада с общим эмиттером (ОЭ)
Прежде чем перейти непосредственно к расчёту транзисторного каскада, обратим внимание на следующие требования и условия:
Расчёт транзисторного каскада проводят, как правило, с конца (т.е. с выхода);
Для расчета транзисторного каскада нужно определить падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора в режиме покоя (когда отсутствует входной сигнал). Оно выбирается таким, чтобы получить максимально неискаженный сигнал. В однотактной схеме транзисторного каскада работающего в режиме «A» это, как правило, половина значения напряжения источника питания;
В эмиттерной цепи транзистора бежит два тока — ток коллектора (по пути коллектор-эмиттер) и ток базы (по пути база-эмиттер), но так как ток базы достаточно мал, им можно пренебречь и принять, что ток коллектора равен току эмиттера;
Транзистор – усилительный элемент, поэтому справедливо будет заметить, что способность его усиливать сигналы должна выражаться какой-то величиной. Величина усиления выражается показателем, взятым из теории четырёхполюсников — коэффициент усиления тока базы в схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) и обозначается он — h 21 . Его значение приводится в справочниках для конкретных типов транзисторов, причём, обычно в справочниках приводится вилка (например: 50 – 200). Для расчётов обычно выбирают минимальное значение (из примера выбираем значение — 50);
Коллекторное (R к ) и эмиттерное (R э ) сопротивления влияют на входное и выходное сопротивления транзисторного каскада. Можно считать, что входное сопротивление каскада R вх =R э *h 21 , а выходное равно R вых =R к . Если Вам не важно входное сопротивление транзисторного каскада, то можно обойтись вовсе без резистора R э ;
Номиналы резисторов R к и R э ограничивают токи, протекающие через транзистор и рассеиваемую на транзисторе мощность.
Порядок и пример расчёта транзисторного каскада с ОЭ
Исходные данные:
Питающее напряжение U и.п. =12 В.
Выбираем транзистор, например: Транзистор КТ315Г, для него:
P max =150 мВт; I max =150 мА; h 21 >50.
Принимаем R к =10*R э
Напряжение б-э рабочей точки транзистора принимаем U бэ = 0,66 В
Решение:
1. Определим максимальную статическую мощность, которая будет рассеиваться на транзисторе в моменты прохождения переменного сигнала, через рабочую точку В статического режима транзистора. Она должна составлять значение, на 20 процентов меньше (коэффициент 0,8) максимальной мощности транзистора, указанной в справочнике.
Принимаем P рас.max =0,8*P max =0,8*150 мВт=120 мВт
2. Определим ток коллектора в статическом режиме (без сигнала):
I к0 =P рас.max /U кэ0 =P рас.max /(U и.п. /2) = 120мВт/(12В/2) = 20мА.
3. Учитывая, что на транзисторе в статическом режиме (без сигнала) падает половина напряжения питания, вторая половина напряжения питания будет падать на резисторах:
(R к +R э )=(U и.п. /2)/I к0 = (12В/2)/20мА=6В/20мА = 300 Ом.
Учитывая существующий ряд номиналов резисторов, а также то, что нами выбрано соотношение R к =10*R э , находим значения резисторов:
R к = 270 Ом; R э = 27 Ом.
4. Найдем напряжение на коллекторе транзистора без сигнала.
U к0 =(U кэ0 + I к0 *R э )=(U и.п. — I к0 *R к ) = (12 В — 0,02А * 270 Ом) = 6,6 В.
5. Определим ток базы управления транзистором:
I б =I к /h 21 =/h 21 = / 50 = 0,8 мА.
6. Полный базовый ток определяется напряжением смещения на базе, которое задается делителем напряжения R б1 ,R б2 . Ток резистивного базового делителя должен быть на много больше (в 5-10 раз) тока управления базы I б , чтобы последний не влиял на напряжение смещения. Выбираем ток делителя в 10 раз большим тока управления базы:
R б1 ,R б2 : I дел. =10*I б = 10 * 0,8 мА = 8,0 мА.
Тогда полное сопротивление резисторов
R б1 +R б2 =U и.п. /I дел. = 12 В / 0,008 А = 1500 Ом.
7. Найдём напряжение на эмиттере в режиме покоя (отсутствия сигнала). При расчете транзисторного каскада необходимо учитывать: напряжение база-эмиттер рабочего транзистора не может превысить 0,7 вольта! Напряжение на эмиттере в режиме без входного сигнала примерно равно:
U э =I к0 *R э = 0,02 А * 27 Ом= 0,54 В,
где I к0 — ток покоя транзистора.
8. Определяем напряжение на базе
U б =U э +U бэ =0,54 В+0,66 В=1,2 В
Отсюда, через формулу делителя напряжения находим:
R б2 = (R б1 +R б2 )*U б /U и.п. = 1500 Ом * 1,2 В / 12В = 150 Ом R б1 = (R б1 +R б2 )-R б2 = 1500 Ом — 150 Ом = 1350 Ом = 1,35 кОм.
По резисторному ряду, в связи с тем, что через резистор R б1 течёт ещё и ток базы, выбираем резистор в сторону уменьшения: R б1 =1,3 кОм.
9. Разделительные конденсаторы выбирают исходя из требуемой амплитудно-частотной характеристики (полосы пропускания) каскада. Для нормальной работы транзисторных каскадов на частотах до 1000 Гц необходимо выбирать конденсаторы номиналом не менее 5 мкФ.
На нижних частотах амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) каскада зависит от времени перезаряда разделительных конденсаторов через другие элементы каскада, в том числе и элементы соседних каскадов. Ёмкость должна быть такой, чтобы конденсаторы не успевали перезаряжаться. Входное сопротивление транзисторного каскада много больше выходного сопротивления. АЧХ каскада в области нижних частот определяется постоянной времени t н
=R вх
*C вх
, где R вх
=R э
*h 21
, C вх
— разделительная входная емкость каскада. C вых
транзисторного каскада, это C вх
следующего каскада и рассчитывается она так же. Нижняя частота среза каскада (граничная частота среза АЧХ) f н
=1/t н
. Для качественного усиления, при конструировании транзисторного каскада необходимо выбирать, чтобы соотношение 1/t н
=1/(R вх
*C вх
)<
Расчёт ключевого режима транзисторного каскада производится абсолютно так же, как и ранее проведённый расчёт усилительного каскада. Отличие заключается только в том, что ключевой режим предполагает два состояния транзистора в режиме покоя (без сигнала). Он, или закрыт (но не закорочен), или открыт (но не перенасыщен). При этом, рабочие точки «покоя», находятся за пределами точек А и С изображённых на ВАХ. Когда на схеме в состоянии без сигнала транзистор должен быть закрыт, необходимо из ранее изображённой схемы каскада удалить резистор R б1 . Если же требуется, чтобы транзистор в состоянии покоя был открыт, необходимо в схеме каскада увеличить резистор R б2 в 10 раз от расчётного значения, а в отдельных случаях, его можно удалить из схемы.
Расчёт транзисторного каскада окончен.