Схема усилителя на транзисторах. Схемы усилителей на транзисторах: от простых до мощных — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как работают усилители на транзисторах. Какие бывают схемы усилителей НЧ. Чем отличаются германиевые и кремниевые транзисторы в усилителях. Как собрать простой усилитель своими руками. Какие мощные усилители можно сделать на транзисторах.

Содержание

Принцип работы усилителей на транзисторах

Транзисторные усилители используют способность транзисторов усиливать электрический сигнал. Принцип работы основан на изменении тока коллектора при небольшом изменении тока базы транзистора. Это позволяет получить усиленный выходной сигнал по сравнению с входным.

Основные преимущества транзисторных усилителей:

Простота схемотехники
Небольшие габариты
Низкое энергопотребление
Возможность работы от батареек
Широкий диапазон усиливаемых частот

Простые схемы усилителей на транзисторах

Рассмотрим несколько простых схем усилителей низкой частоты на транзисторах, которые можно легко собрать своими руками:

Однокаскадный усилитель

Самая простая схема усилителя содержит всего один транзистор:

«`text +9В | R1 10к | | C1 —||—+ | |/ C2 —| T1 |\ | R2 1к | GND «`

Входной сигнал подается через конденсатор C1 на базу транзистора T1. Резистор R1 задает рабочую точку. Усиленный сигнал снимается с коллектора через конденсатор C2. Коэффициент усиления такой схемы около 10-20.

Двухкаскадный усилитель

Для получения большего усиления используют двухкаскадные схемы:

«`text +9В | R1 10к R3 10к | | | C1 | C2 —||—+ —||—+ | | |/ |/ C3 —| T1 —| T2 |\ |\ | | R2 1к R4 1к | | GND GND «`

Здесь сигнал усиливается последовательно двумя каскадами. Общий коэффициент усиления может достигать 100-500.

Мощные усилители на транзисторах

Для получения большой выходной мощности используют двухтактные схемы с комплементарными парами транзисторов. Рассмотрим типовую схему мощного транзисторного усилителя:

«`text +Vcc | R1 T1 | |/ —+—+—| | | |\ R2 | | | R3 | | |/ | T2 -| +— Выход |\ | | R4 | | R5 | | | | |/ —+—+—| T3 | |\ R6 | | -Vcc «`

Основные особенности данной схемы:

Использование комплементарной пары выходных транзисторов T2 и T3
Двухполярное питание для работы в режиме AB
Предварительный усилитель на T1
Отрицательная обратная связь через R3-R4

Такая схема позволяет получить выходную мощность до 100-200 Вт на нагрузке 4-8 Ом при питании ±30-50В.

Германиевые vs кремниевые транзисторы в усилителях

В ранних конструкциях усилителей использовались германиевые транзисторы. Сейчас их почти полностью вытеснили кремниевые. Но некоторые аудиофилы по-прежнему ценят «мягкое» звучание германиевых усилителей.

Основные отличия германиевых транзисторов:

Меньшее напряжение открывания перехода база-эмиттер (0.2-0.3В против 0.6-0.7В у кремниевых)
Больший обратный ток коллектора
Худшая температурная стабильность
Меньшая предельная рабочая частота

Эти особенности приводят к более «мягкому» ограничению сигнала и большему уровню гармонических искажений, что и формирует характерное звучание. Но современные кремниевые транзисторы позволяют получить лучшие технические характеристики усилителей.

Как собрать простой транзисторный усилитель

Для начинающих радиолюбителей рекомендуется собрать простой однокаскадный усилитель по следующей схеме:

«`text +9В | R1 10к | | C1 10мкФ —||—+ | |/ C2 —| T1 КТ315Б 10мкФ |\ | R2 1к | GND «`

Для сборки потребуются:

Транзистор КТ315Б
Резисторы 10 кОм и 1 кОм
Конденсаторы 10 мкФ
Макетная плата
Батарейка 9В

Порядок сборки:

Установить детали на макетную плату согласно схеме
Припаять выводы компонентов
Подключить батарейку 9В
Подать входной сигнал на C1
Снимать выходной сигнал с C2

Такой простой усилитель позволит усилить сигнал с микрофона или плеера для прослушивания через наушники.

Современные тенденции в транзисторных усилителях

Несмотря на развитие микросхем, транзисторные усилители по-прежнему широко применяются в аудиотехнике. Современные тенденции в их конструировании:

Использование полевых транзисторов в предварительных каскадах
Применение MOSFET-транзисторов в выходных каскадах
Схемы с глубокой общей отрицательной обратной связью
Импульсные блоки питания
Цифровое управление режимами работы

Это позволяет создавать усилители с выдающимися характеристиками — мощностью до нескольких киловатт, коэффициентом гармоник менее 0.001%, полосой частот до сотен килогерц.

Заключение

Транзисторные усилители остаются востребованными благодаря простоте, надежности и хорошим характеристикам. От простейших однокаскадных схем до мощных Hi-Fi усилителей — транзисторы позволяют реализовать широкий спектр конструкций. Понимание принципов работы транзисторных усилителей помогает создавать качественные аудиосистемы своими руками.

Простейшие усилители низкой частоты на транзисторах

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 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 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.

Схемы усилителей мощности на германиевых транзисторах. Секреты звучания забытых германиевых УНЧ.

Эх, жалко пацанов — королевство маловато, разгуляться негде!
Ни ламповых тебе однотактников, ни гераниевых раритетов… Что ещё остаётся пытливому уму неоперившегося меломана?
Разве что брейкануть под японское хокку, да кайфануть для большего эффекта под уханье бумбокса.

«Кремний — всему голова» — крикнут яростные члены на форумных дебатах.
«Не надо впаривать нам этот шняга-силикатный экстракт» — вторят им другие, «для начала послушайте своими руками, а потом делайте свои тупоголовые выводы».

На самом деле, слушать надо!
Перелопатить определённое количество разномастной усилительной аппаратуры — тоже надо.
Не обязательно быть музыкантом со стажем, но таить в себе зачатки какого-никакого слуха — опять же, надо.
И тогда любой пацак, владелец старого пепелаца, сможет авторитетно заявить: «Однако разница в звуке есть, и она весьма существенна!»

На этой странице поговорим об УНЧ на германиевых транзисторах.

Своеобразие германиевого звучания, как правило, сводится к двум устойчивым постулатам:
1. Усилители на германиевых транзисторах отличаются музыкальностью,
2. Звук похож на звук ламповика.
И если первый пункт у меня возражений не вызывает, то со вторым мнением коллег позволю вежливо не согласиться — не похож, абсолютно разное звучание.

Электрофон сетевой транзисторный «Вега-101-стерео» с усилителем на германиевых транзисторах, выпускаемый Бердским радиозаводов с начала 1972 по 1982 год, заложил в головы современников основы понимания того, каким должен быть высококачественный стереофонический звук.
Время шло, появлялись на свет и более продвинутые вертушки с магнитными звукоснимателями, и значительно более мощные УНЧ на кремниевых транзисторах с незаурядными характеристиками.
Однако душещипательные воспоминания о том, как звучали в конце 70-ых простенькие Веги с их примитивной схемотехникой открыли историю ожесточённой борьбы человечества с феноменом транзисторного звучания.

Ну да и ладно, пора переходить на новый уровень — нарисовать пару-тройку принципиальных схем усилителей низкой частоты на германиевых транзисторах, но для начала озадачусь вопросом: Что любит и что не любит германий?
1. Германий любит простоту и не приемлет наворотов. Дифференциальный каскад с источником тока в цепи эмиттера — уже является буржуазным излишеством.
2. Германий не любит перегрева, легко может напустить дыма и отправиться к праотцам электроники Амперу и Ому в ответ на потерю бдительности в процессе настройки схемы.

А теперь обещанные схемы.

Рис.1 Схема усилителя мощностью 1,5 Вт

Номинальная мощность усилителя при коэффициенте гармоник на частоте 1000Гц менее 0,1% — 1 Вт, максимальная — 1,5Вт, чувствительность по входу — 0,2 В.
Усилитель сохраняет работоспособность при понижении напряжения питания до 9В.
Подбором номинала резистора R8 устанавливается значение напряжения на эмиттерах выходных транзисторов, равное половине напряжения питания.
Подбором номинала резистора R2 устанавливается значение напряжения на коллекторе транзистора V1, равное половине напряжения питания.

Рис.2 Схема однотактного усилителя класса А

Схема, приведённая на Рис.2 — для эстетов, желающих порадовать свой слуховой аппарат ни с чем не сравнимым звуком однотактного усилителя, работающего в чистом режиме А.
Для настройки усилителя следует подбором номинала резистора R9 установить ток покоя выходного транзистора — 150мА.

Рис.3 Схема германиевого усилителя мощностью 10 Вт

На рис.3 показана принципиальная схема универсального усилителя НЧ, собранного на девяти транзисторах и развивающего выходную мощность до 10 Вт при сопротивлении нагрузки 4 Ом и входном напряжении около 10 мВ.
При налаживании устройства подстроечным резистором R2 устанавливают выходное напряжение в точке соединения транзисторов VT8 и VT9 равным половине напряжения питания.

Рис.4 Схема мощного усилителя на германиевых транзисторах

Схема более мощного усилителя приведена на Рис.4. Усилитель рассчитан на подключение электрогитары и микрофона, но может быть использован также совместно с проигрывателем, магнитофоном или радиоприёмником.
Основные технические данные, приведённые автором:
Номинальная выходная мощность — 30 Вт.
Максимальная выходная мощность — 40 Вт.
Сопротивление нагрузки 3,5-5 Ом.
Полоса рабочих частот 30-16000 Гц.
Коэффициент нелинейных искажений — не более 1,5%.
Чувствительность с выхода микрофона — 10 мВ.
Чувствительность с выхода электрогитары — 0,1 В.
Напряжение 15 В на коллекторе транзистора Т10 устанавливают резистором R19.
Ток покоя всего усилителя не должен превышать 170 мА.

Рис.5 Схема простого и мощного усилителя на германиевых транзисторах DTG110B

На Рис.5 приведена схема простого и мощного усилителя на германиевых транзисторах DTG110B. При подключении к его входу любого УНЧ мощностью 1,5-2 Вт устройство выдаёт на 8-ми омную нагрузку около 50 Вт чистого германиевого звука.
Согласующий трансформатор Т1 выполнен на железе Ш24 (толщина пакета 20-25мм) и содержит 3 одинаковые обмотки по 120 витков, намотанных на картонном каркасе проводом ПЭВ-1 или ПЭВ-2 диаметром 0,5-0,7мм.
Налаживание устройства заключается в подборе значений резисторов R2 R4 для достижения на выходе схемы нулевого потенциала и тока покоя транзисторов — 120-150 мА.
При снижении напряжения питания на каждом плече до 30В транзисторы DTG110B без каких-либо колебаний могут быть заменены на отечественные П210А.

Именно таким путём пошёл большой поклонник «германиевого» звука, схемотехник и постоянный участник выставок «Российский Hi-End» Жан Цихисели.
Вот что он пишет про свою конструкцию германиевого УМЗЧ, являющуюся развитием темы усилителя с согласующим трансформатором (Рис.6):

Рис.6 Схема усилителя на транзисторах П-210

«Вашему вниманию представлен германиевый усилитель с выходной мощностью 60 Вт на нагрузке 8 Ом. Выходные транзисторы, используемые в усилителе, П210А, П210Ш. Полоса частот: 20-16000гц. Субъективной нехватки высоких частот практически не ощущается. При нагрузке 4 Ом усилитель выдаёт 100вт.
Согласующий трансформатор выполнен на железе Ш20 на 40. Первичная обмотка разделена на две части и содержит 480 вит.
Вторичная обмотка содержит 72 витка и мотается в два провода одновременно. Сначала наматывается 240 вит первички, затем вторичка, затем снова 240 вит первички.
Диаметр провода первички 0,355 мм, вторички 0,63 мм.
Трансформатор собирается встык (с зазором), зазор — прокладка из кабельной бумаги примерно 0,25 мм.
Резистор номиналом 120 Ом включён для гарантированного отсутствия самовозбуждения при отключённой нагрузке.
Цепочки 250 Ом + 2 по 4.7 Ом, служат для подачи начального смещения на базы выходных транзисторов. С помощью подстроечных резисторов 4,7 Ом устанавливается ток покоя 100ма. Выходные транзисторы П210 должны быть при этом практически едва тёплые.
Для точной установки нулевого потенциала резисторы 250 Ом должны быть точно подобраны. В реальной конструкции они состоят из четырёх резисторов по 1 кОм 2вт.
Для плавной установки тока покоя используются подстроечные резисторы R18, R19 типа СП5-3В 4,7 Ом 5%».

Честно говоря, я не сильно понимаю, каким образом транзисторы П210А с Uкэ max = 65 В будут нормально и надёжно работать в устройстве с напряжением питания ± 40 В. Однако есть такая схема и есть такой автор, и слов из песни не выкинешь, и не пропьёшь талант, тем более, что в материальной жизни этот усилитель существует и наверняка кого-то радует красивым и мощным германиевым звуком.
Ладно, едем дальше.

Рис.7 Усилитель мощностью 30Вт на ГТ806

Схема, представленная на Рис.7, является переработанным под «германий» вариантом усилителя НЧ из статьи Николая Трошина журнале Радио №8 за 1989г (стр. 51-55). Творцом переработки является сам автор статьи. Вот что он пишет на страннице сайта http://vprl.ru:

«Выходная мощность этого усилителя 30 Вт при сопротивлении нагрузки акустических систем 4 Ома, и примерно 18 Вт при сопротивлении нагрузки 8 Ом.
Напряжение питания усилителя (U пит) двухполярное ±25 В;
Диапазон рабочих частот 20Гц…20кГц:

Транзисторы МП40А можно заменить на транзисторы МП21, МП25, МП26. Транзисторы ГТ402Г – на ГТ402В; ГТ404Г – на ГТ404В;
Выходные транзисторы ГТ806 можно ставить любых буквенных индексов. Применять более низкочастотные транзисторы типа П210, П216, П217 в этой схеме не рекомендую, поскольку на частотах выше 10кГц они здесь работают плоховато (заметны искажения), видимо, из-за нехватки усиления тока на высокой частоте.

Площадь радиаторов на выходные транзисторы должна быть не менее 200 см2, на предоконечные транзисторы не менее 10 см2.
На транзисторы типа ГТ402 радиаторы удобно делать из медной (латунной) или алюминиевой пластины, толщиной 0,5 мм, размером 44х26.5 мм.

Настройка правильно собранного из исправных элементов усилителя сводится к установке подстроечным резистором тока покоя выходного каскада 100мА (удобно контролировать на эмиттерном резисторе 1 Ом – напряжение 100мВ).
Диод VD1 желательно приклеить или прижать к радиатору выходного транзистора, что способствует лучшей термостабилизации. Однако если этого не делать, ток покоя выходного каскада от холодного 100мА до горячего 300мА меняется, в общем-то, не катастрофично.

Важно: перед первым включением необходимо выставить подстроечный резистор в нулевое сопротивление.
После настройки желательно подстроечный резистор выпаять из схемы, измерить его реальное сопротивление и заменить на постоянный».

Я никогда не ставил в выходные каскады УМЗЧ высокочастотные транзисторы ГТ806, однако знаю, что при их использовании порой возникают сложности, связанные как с устойчивостью усилителя, так и с надёжностью изделия, связанной с внезапными отказами транзисторов.
Такого же мнения придерживается и Жан Цихисели, который для звуковых целей рекомендует использовать следующий ряд германиевых транзисторов (из числа отечественных): П201, П202, П203, П4, 1Т403, ГТ402, ГТ404, ГТ703, ГТ705, П213-П217, П208, П210.

Мощный усилитель на транзисторах

Хочу представить конструкцию простого, но мощного усилителя низкой частоты, выполненного на современных недорогих транзисторах. Основные достоинства этого усилителя — простота сборки, доступные и дешевые радиодетали, также готовый усилитель в наладке не нуждается и работает сразу. Усилитель развивает очень высокую мощность по сравнению с аналогичными схемами. Из электрических параметров хочется отметить очень высокую линейность в рабочем диапазоне частот от 20Гц до 20кГц. Правда без недостатков тоже не обошлось. У данной схемы есть повышенный уровень шумов при большой громкости, но если учесть простоту и доступность, то все же собрать усилитель стоит, особенно советую автолюбителям для мощного сабвуфера, поскольку мощность такой схемы вполне позволяет раскачать импортные головки большой мощности. Из схемы видно, что проще некуда. В схеме использованы всего 5 транзисторов и несколько дополнительных радиодеталей.

Для уменьшения уровня шума усилителя, на вход нужно будет поставить переменный резистор, сопротивлением от 20 до 100 кОм, им также регулируют громкость. В таком случае, при малой громкости шума практически не будет, а при большой громкости шум почти не слышим, а если усилитель работает с нч фильтром на входе (под сабвуфер), то никаких шумов не будет вообще.

Усилитель способен выдать окало 100 Ватт на нагрузку 8 Ом ! если же используется головка с сопротивлением 4 ом, то мощность возрастает до 150 ватт! Параметры УМЗЧ:

Коэффициент усиления по напряжению ………………………………………………20

Напряжение питания Uпит…………………………………………………………………….+-15…+-50В
Номинальная мощность P при Uпит = +-30В на 4Ом…………………………………….100Вт
Максимальная мощность Pmax Uпит=+-45В на 4Ом……………………………………150Вт
Чувствительность по входу Uвх……………………………………………………………..1В
Суммарный коэф-т всех видов искажений при P=60Вт 4Ома, Kd……………………0,005%
Ток покоя усилителя Ixx……………………………………………………………………….20-25мА
Ток покоя выходного каскада………………………………………………………………..0мА
Полоса воспроизводимых частот по уровню –3дБ, Гц,……………………….5-100 000

Параметры достаточно хороши, единственная преграда для использования схемы в качестве автомобильного усилителя — это повышенное двухполярное питание, но это не так уж и большая помеха, поскольку сегодня известно можество схем преобразователей напряжения, одна из таких схем выполняется на микросхеме TL494. Схема стандартная и позволяет получить на выходе трансформатора до 200 ватт мощности, что вполне хватает для полноценной работы данного самодельного усилителя. Схему преобразователя не привожу, поскольку это уже совсем другая тема.

Понравилась схема — лайкни!

ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ УНЧ

Смотреть ещё схемы усилителей

УСИЛИТЕЛИ НА ЛАМПАХ УСИЛИТЕЛИ НА ТРАНЗИСТОРАХ

УСИЛИТЕЛИ НА МИКРОСХЕМАХ СТАТЬИ ОБ УСИЛИТЕЛЯХ

Радиосхемы. — Схемы усилителей на транзисторах

Радиотехника начинающим перейти в раздел	Букварь телемастера перейти в раздел	Основы спутникового телевидения перейти в раздел
Каталог схем перейти в раздел	Литература перейти в раздел	Статьи перейти в раздел
Схемы телевизоров перейти в раздел	Файловое хранилище перейти в раздел	Доска объявлений перейти в раздел
Радиодетали и ремонт в Вашем городе перейти в раздел	ФОРУМ перейти в раздел	Справочные материалы Справочная литература Микросхемы Прочее

Усилитель звука на транзисторах

Транзисторные усилители, несмотря на появление более современных микросхемных, не потеряли свой актуальности. Достать микросхему бывает, порой, не так легко, а вот транзисторы можно выпаять практически из любого электронного устройства, именно поэтому у заядлых радиолюбителей иногда накапливаются горы этих деталей. Для того, чтобы найти им применение предлагаю к сборке незатейливый транзисторный усилитель мощности, сборку которого осилит даже начинающий.

Схема

Схема состоит из 6-ти транзисторов и может развивать мощность до 3-х ватт при питании напряжением 12 вольт. Этой мощности хватит для озвучивания небольшой комнаты или рабочего места. Транзисторы Т5 и Т6 на схеме образуют выходной каскад, на их место можно поставить широко распространённые отечественные аналоги КТ814 и КТ815. Конденсатор С4, который подключается к коллекторам выходных транзисторов, отделяет постоянную составляющую сигнала на выходе, именно поэтому данный усилитель можно использовать без платы защиты акустических систем. Даже если усилитель в процессе работы выйдет из строя и на выходе появится постоянное напряжение, оно не пройдёт дальше этого конденсатора и динамики акустической системы останутся целы. Разделительный конденсатор С1 на входе лучше применить плёночный, но если такого нет под рукой, подойдёт и керамический. Аналогом диодов D1 и D2 в данной схеме являются 1N4007 или отечественные КД522. Динамик можно использовать сопротивлением 4-16 Ом, чем ниже его сопротивление, тем большую мощность будет развивать схема.

Сборка усилителя

Собирается схема на печатной плате размерами 50х40 мм, рисунок в формате Sprint-Layout к статье прилагается. Приведённую печатную плату при печати необходимо отзеркалить. После травления и удаления тонера с платы сверлятся отверстия, лучше всего использовать сверло 0,8 — 1 мм, а для отверстий под выходные транзисторы и клеммник 1,2 мм.

После сверления отверстий желательно залудить все дорожки, тем самым уменьшить их сопротивление и защитить медь от окисления. Затем впаиваются мелкие детали – резисторы, диоды, после чего выходные транзисторы, клеммник, конденсаторы. Согласно схеме, коллекторы выходных транзисторов должны соединяться, на данной плате это соединение происходит путём замыкания «спинок» транзисторов проволокой или радиатором, если он используется. Радиатор требуется ставить в том случае, если схема нагружена на динамик сопротивлением 4 Ома, или если на вход подаётся сигнал большой громкости. В остальных же случаях выходные транзисторы почти не нагреваются и не требуют дополнительного охлаждения.

После сборки обязательно нужно смыть остатки флюса с дорожек, проверить плату на наличие ошибок сборки или замыканий между соседними дорожками.

Настройка и испытания усилителя

После завершения сборки можно подавать питание на плату усилителя. В разрыв одного из питающих проводов нужно включить амперметр, для контроля потребляемого тока. Подаём питание и смотрим на показания амперметра, без подачи на вход сигнала усилитель должен потреблять примерно 15-20 мА. Ток покоя задаётся резистором R6, для его увеличения нужно уменьшить сопротивление этого резистора. Слишком сильно поднимать ток покоя не следует, т.к. увеличится выделение тепла на выходных транзисторах. Если ток покоя в норме, можно подавать на вход сигнал, например, музыку с компьютера, телефона или плеера, подключать на выход динамик и приступать к прослушиванию. Хоть усилитель и прост в исполнении, он обеспечивает весьма приемлемое качество звука. Для воспроизведения одновременно двух каналов, левого и правого, схему нужно собрать дважды. Обратите внимание, что если источник сигнала находится далеко от платы, подключать его нужно экранированным проводом, иначе не избежать помех и наводок. Таким образом, данный усилитель получился полностью универсальным благодаря небольшому потреблению тока и компактным размерам платы. Его можно использовать как в составе компьютерных колонок, так и при создании небольшого стационарного музыкального центра. Удачной сборки.

Схема усилителя звука на одном транзисторе своими руками

Автор admin На чтение 5 мин. Просмотров 936 Опубликовано 10.02.2018

Содержание

Схема усилителя звука на транзисторах своими руками
Схема усилителя звука на 1 транзисторе
Схема усилителя звуковой частоты
Схема простого усилителя звука на одном транзисторе

Усилитель звуковой частоты является важнейшим узлом многих электронных устройств. Это может быть воспроизведение музыкальных файлов, системы оповещения пожарной и охранной сигнализации или звуковые датчики различных игрушек. Бытовая техника оснащена встроенными низкочастотными каналами, но при домашнем конструировании электронных самоделок может потребоваться необходимость сделать это устройство самостоятельно.

Схема усилителя звука на транзисторах своими руками

Диапазон звуковых частот, которые воспринимаются человеческим ухом, находится в пределах 20 Гц-20 кГц, но устройство, выполненное на одном полупроводниковом приборе, из-за простоты схемы и минимального количества деталей обеспечивает более узкую полосу частот. В простых устройствах, для прослушивания музыки достаточно частотного диапазона 100 Гц-6 000 Гц. Этого хватит для воспроизведения музыки на миниатюрный динамик или наушник. Качество будет средним, но для мобильного устройства вполне приемлемым.

Схема простого усилителя звука на транзисторах может быть собрана на кремниевых или германиевых изделиях прямой или обратной проводимости (p-n-p, n-p-n). Кремниевые полупроводники менее критичны к напряжению питания и имеют меньшую зависимость характеристик от температуры перехода.

Схема усилителя звука на 1 транзисторе

Простейшая схема усилителя звука на одном транзисторе включает в себя следующие элементы:

Транзистор КТ 315 Б
Резистор R1 – 16 ком
Резистор R2 – 1,6 ком
Резистор R3 – 150 ом
Резистор R4 – 15 ом
Конденсатор С1 – 10,0 мкф
Конденсатор С2 – 500,0 мкф

Это устройство с фиксированным напряжением смещения базы, которое задаётся делителем R1-R2. В цепь коллектора включен резистор R3, который является нагрузкой каскада. Между контактом Х2 и плюсом источника питания можно подключить миниатюрный динамик или наушник, который должен иметь большое сопротивление. Низкоомную нагрузку на выход каскада подключать нельзя. Правильно собранная схема начинает работать сразу и не нуждается в настройке.

Схема усилителя звуковой частоты

Более качественный УНЧ можно собрать на двух приборах.

Схема усилителя на двух транзисторах включает в себя больше комплектующих элементов, но может работать с низким уровнем входного сигнала, так как первый элемент выполняет функцию предварительного каскада.

Переменный сигнал звуковой частоты подаётся на потенциометр R1, который играет роль регулятора громкости. Далее через разделительный конденсатор сигнал подаётся на базу элемента первой ступени, где усиливается до величины, обеспечивающей нормальную работу второй ступени. В цепь коллектора второго полупроводника включен источник звука, которым может быть малогабаритный наушник. Смещение на базах задают резисторы R2 и R4. Кроме КТ 315 в схеме усилителя звука на двух транзисторах можно использовать любые маломощные кремниевые полупроводники, но в зависимости от типа применяемых изделий может потребоваться подбор резисторов смещения.

Если использовать двухтактный выход можно добиться хорошего уровня громкости и неплохой частотной характеристики. Данная схема выполнена на трёх распространённых кремниевых приборах КТ 315, но в устройстве можно использовать и другие полупроводники. Большим плюсом схемы является то, что она может работать на низкоомную нагрузку. В качестве источника звука можно использовать миниатюрные динамики с сопротивлением от 4 до 8 ом.

Устройство можно использовать совместно с плеером, тюнером или другим бытовым прибором. Напряжение питания 9 В можно получить от батарейки типа «Крона». Если в выходном каскаде использовать КТ 815, то на нагрузке 4 ома можно получить мощность до 1 ватта. При этом напряжение питания нужно будет увеличить до 12 вольт, а выходные элементы смонтировать на небольших алюминиевых теплоотводах.

Схема простого усилителя звука на одном транзисторе

Получить хорошие электрические характеристики в усилителе, собранном на одном полупроводнике практически невозможно, поэтому качественные устройства собираются на нескольких полупроводниковых приборах. Такие конструкции дают на низкоомной нагрузке десятки и сотни ватт и предназначены для работы в Hi-Fi комплексах. При выборе устройства может возникнуть вопрос, на каких транзисторах можно сделать усилитель звука. Это могут быть любые кремниевые или германиевые полупроводники. Широкое распространение получили УНЧ, собранные на полевых полупроводниках. Для устройств малой мощности с низковольтным питанием можно применить кремниевые изделия КТ 312, КТ 315, КТ 361, КТ 342 или германиевые старых серий МП 39-МП 42.

Усилитель мощности своими руками на транзисторах можно выполнить на комплементарной паре КТ 818Б-КТ 819Б. Для такой конструкции потребуется предварительный блок, входной каскад и предоконечный блок. Предварительный узел включает в себя регулировку уровня сигнала и регулировку тембра по высоким и низким частотам или многополосный эквалайзер. Напряжение на выходе предварительного блока должно быть не менее 0,5 вольта. Входной узел блока мощности можно собрать на быстродействующем операционном усилителе. Для того чтобы раскачать оконечную часть потребуется предоконечный каскад, который собирается на комплементарной паре приборов средней мощности КТ 816-КТ 817. Конструкции мощных усилителей низкой частоты отличаются сложной схемотехникой и большим количеством комплектующих элементов. Для правильной регулировки и настройки такого блока потребуется не только тестер, но осциллограф, и генератор звуковой частоты.

Современная элементная база включает в себя мощные MOSFET приборы, позволяющие конструировать УНЧ высокого класса. Они обеспечивают воспроизведение сигналов в полосе частот от 20 Гц до 40 кГц с высокой линейностью, коэффициент нелинейных искажений менее 0,1% и выходную мощность от 50 W и выше. Данная конструкция проста в повторении и регулировке, но требует использования высококачественного двухполярного источника питания.

Схемы усилителей низкой частоты (УНЧ) на транзисторах

Простейшие усилители низкой частоты на транзисторах

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

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.

Улучшениые варианты однотранзисторного усилителя

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.

Двухкаскадный усилитель на транзисторах

Рис. 5. Схема простого двухкаскадного усилителя НЧ.

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.

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

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

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

Рис. 10. Схема простого экономичного усилителя НЧ на трех транзисторах.

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.

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.

Рис. 15. схема простого двухкаскадного УНЧ на двух полевых транзисторах.

Схемы УНЧ для работы с низкоОмной нагрузкой

Рис. 16. Простой УНЧ для работы с включением нагрузки с низким сопротивлением.

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.

Усилитель на транзисторах: виды, схемы, простые и сложные

Простейший усилитель на транзисторах может быть хорошим пособием для изучения свойств приборов. Схемы и конструкции достаточно простые, можно самостоятельно изготовить устройство и проверить его работу, произвести замеры всех параметров. Благодаря современным полевым транзисторам можно изготовить буквально из трех элементов миниатюрный микрофонный усилитель. И подключить его к персональному компьютеру для улучшения параметров звукозаписи. Да и собеседники при разговорах будут намного лучше и четче слышать вашу речь.

Частотные характеристики

Усилители низкой (звуковой) частоты имеются практически во всех бытовых приборах – музыкальных центрах, телевизорах, радиоприемниках, магнитолах и даже в персональных компьютерах. Но существуют еще усилители ВЧ на транзисторах, лампах и микросхемах. Отличие их в том, что УНЧ позволяет усилить сигнал только звуковой частоты, которая воспринимается человеческим ухом. Усилители звука на транзисторах позволяют воспроизводить сигналы с частотами в диапазоне от 20 Гц до 20000 Гц.

Классы работы звуковых усилителей

Все усилительные устройства разделяются на несколько классов, в зависимости от того, какая степень протекания в течение периода работы тока через каскад:

Класс «А» – ток протекает безостановочно в течение всего периода работы усилительного каскада.
В классе работы «В» протекает ток в течение половины периода.
Класс «АВ» говорит о том, что ток протекает через усилительный каскад в течение времени, равного 50-100 % от периода.
В режиме «С» электрический ток протекает менее чем половину периода времени работы.
Режим «D» УНЧ применяется в радиолюбительской практике совсем недавно – чуть больше 50 лет. В большинстве случаев эти устройства реализуются на основе цифровых элементов и имеют очень высокий КПД – свыше 90 %.

Наличие искажений в различных классах НЧ-усилителей

Рабочая область транзисторного усилителя класса «А» характеризуется достаточно небольшими нелинейными искажениями. Если входящий сигнал выбрасывает импульсы с более высоким напряжением, это приводит к тому, что транзисторы насыщаются. В выходном сигнале возле каждой гармоники начинают появляться более высокие (до 10 или 11). Из-за этого появляется металлический звук, характерный только для транзисторных усилителей.

При нестабильном питании выходной сигнал будет по амплитуде моделироваться возле частоты сети. Звук станет в левой части частотной характеристики более жестким. Но чем лучше стабилизация питания усилителя, тем сложнее становится конструкция всего устройства. УНЧ, работающие в классе «А», имеют относительно небольшой КПД – менее 20 %. Причина заключается в том, что транзистор постоянно открыт и ток через него протекает постоянно.

Работа в промежуточных классах

У каждого класса имеется несколько разновидностей. Например, существует класс работы усилителей «А+». В нем транзисторы на входе (низковольтные) работают в режиме «А». Но высоковольтные, устанавливаемые в выходных каскадах, работают либо в «В», либо в «АВ». Такие усилители намного экономичнее, нежели работающие в классе «А». Заметно меньшее число нелинейных искажений – не выше 0,003 %. Можно добиться и более высоких результатов, используя биполярные транзисторы. Принцип работы усилителей на этих элементах будет рассмотрен ниже.

Но все равно имеется большое количество высших гармоник в выходном сигнале, отчего звук становится характерным металлическим. Существуют еще схемы усилителей, работающие в классе «АА». В них нелинейные искажения еще меньше – до 0,0005 %. Но главный недостаток транзисторных усилителей все равно имеется – характерный металлический звук.

«Альтернативные» конструкции

Очень низкое значение уровня нелинейных искажений в выходном сигнале.
Высших гармоник меньше, чем в транзисторных конструкциях.

Но есть один огромный минус, который перевешивает все достоинства, – обязательно нужно ставить устройство для согласования. Дело в том, что у лампового каскада очень большое сопротивление – несколько тысяч Ом. Но сопротивление обмотки динамиков – 8 или 4 Ома. Чтобы их согласовать, нужно устанавливать трансформатор.

Конечно, это не очень большой недостаток – существуют и транзисторные устройства, в которых используются трансформаторы для согласования выходного каскада и акустической системы. Некоторые специалисты утверждают, что наиболее эффективной схемой оказывается гибридная – в которой применяются однотактные усилители, не охваченные отрицательной обратной связью. Причем все эти каскады функционируют в режиме УНЧ класса «А». Другими словами, применяется в качестве повторителя усилитель мощности на транзисторе.

Причем КПД у таких устройств достаточно высокий – порядка 50 %. Но не стоит ориентироваться только на показатели КПД и мощности – они не говорят о высоком качестве воспроизведения звука усилителем. Намного большее значение имеют линейность характеристик и их качество. Поэтому нужно обращать внимание в первую очередь на них, а не на мощность.

Схема однотактного УНЧ на транзисторе

Самый простой усилитель, построенный по схеме с общим эмиттером, работает в классе «А». В схеме используется полупроводниковый элемент со структурой n-p-n. В коллекторной цепи установлено сопротивление R3, ограничивающее протекающий ток. Коллекторная цепь соединяется с положительным проводом питания, а эмиттерная – с отрицательным. В случае использования полупроводниковых транзисторов со структурой p-n-p схема будет точно такой же, вот только потребуется поменять полярность.

С помощью разделительного конденсатора С1 удается отделить переменный входной сигнал от источника постоянного тока. При этом конденсатор не является преградой для протекания переменного тока по пути база-эмиттер. Внутреннее сопротивление перехода эмиттер-база вместе с резисторами R1 и R2 представляют собой простейший делитель напряжения питания. Обычно резистор R2 имеет сопротивление 1-1,5 кОм – наиболее типичные значения для таких схем. При этом напряжение питания делится ровно пополам. И если запитать схему напряжением 20 Вольт, то можно увидеть, что значение коэффициента усиления по току h31 составит 150. Нужно отметить, что усилители КВ на транзисторах выполняются по аналогичным схемам, только работают немного иначе.

На резисторе R1 теперь можно вычислить значение падения – это разница между напряжениями базы и питания. При этом напряжение базы можно узнать по формуле – сумма характеристик эмиттера и перехода «Э-Б». При питании от источника 20 Вольт: 20 – 9,7 = 10,3. Отсюда можно вычислить и значение сопротивления R1=10,3В/60 мкА=172 кОм. В схеме присутствует емкость С2, необходимая для реализации цепи, по которой сможет проходить переменная составляющая эмиттерного тока.

Если не устанавливать конденсатор С2, переменная составляющая будет очень сильно ограничиваться. Из-за этого такой усилитель звука на транзисторах будет обладать очень низким коэффициентом усиления по току h31. Нужно обратить внимание на то, что в вышеизложенных расчетах принимались равными токи базы и коллектора. Причем за ток базы брался тот, который втекает в цепь от эмиттера. Возникает он только при условии подачи на вывод базы транзистора напряжения смещения.

Усилители на МДП-транзисторах

Усилитель на полевых транзисторах, представленный на схеме, имеет множество аналогов. В том числе и с использованием биполярных транзисторов. Поэтому можно рассмотреть в качестве аналогичного примера конструкцию усилителя звука, собранную по схеме с общим эмиттером. На фото представлена схема, выполненная по схеме с общим истоком. На входных и выходных цепях собраны R-C-связи, чтобы устройство работало в режиме усилителя класса «А».

Переменный ток от источника сигнала отделяется от постоянного напряжения питания конденсатором С1. Обязательно усилитель на полевых транзисторах должен обладать потенциалом затвора, который будет ниже аналогичной характеристики истока. На представленной схеме затвор соединен с общим проводом посредством резистора R1. Его сопротивление очень большое – обычно применяют в конструкциях резисторы 100-1000 кОм. Такое большое сопротивление выбирается для того, чтобы не шунтировался сигнал на входе.

УНЧ с трансформатором на выходе

Двухтактный усилитель звука

Нельзя сказать, что это простой усилитель на транзисторах, так как его работа немного сложнее, чем у рассмотренных ранее. В двухтактных УНЧ входной сигнал расщепляется на две полуволны, различные по фазе. И каждая из этих полуволн усиливается своим каскадом, выполненном на транзисторе. После того, как произошло усиление каждой полуволны, оба сигнала соединяются и поступают на динамики. Такие сложные преобразования способны вызвать искажения сигнала, так как динамические и частотные свойства двух, даже одинаковых по типу, транзисторов будут отличны.

Бестрансформаторные УНЧ

Усилитель НЧ на транзисторе, выполненный с использованием трансформатора, невзирая на то, что конструкция может иметь малые габариты, все равно несовершенен. Трансформаторы все равно тяжелые и громоздкие, поэтому лучше от них избавиться. Намного эффективнее оказывается схема, выполненная на комплементарных полупроводниковых элементах с различными типами проводимости. Большая часть современных УНЧ выполняется именно по таким схемам и работают в классе «В».

Два мощных транзистора, используемых в конструкции, работают по схеме эмиттерного повторителя (общий коллектор). При этом напряжение входа передается на выход без потерь и усиления. Если на входе нет сигнала, то транзисторы на грани включения, но все равно еще отключены. При подаче гармонического сигнала на вход происходит открывание положительной полуволной первого транзистора, а второй в это время находится в режиме отсечки.

Схема УНЧ на одном транзисторе

Изучив все вышеописанные особенности, можно собрать усилитель своими руками на простой элементной базе. Транзистор можно использовать отечественный КТ315 или любой его зарубежный аналог – например ВС107. В качестве нагрузки нужно использовать наушники, сопротивление которых 2000-3000 Ом. На базу транзистора необходимо подать напряжение смещения через резистор сопротивлением 1 Мом и конденсатор развязки 10 мкФ. Питание схемы можно осуществить от источника напряжением 4,5-9 Вольт, ток – 0,3-0,5 А.

Коснитесь входа усилителя пальцем – должен появиться характерный шум. Если его нет, то, скорее всего, конструкция собрана неправильно. Перепроверьте все соединения и номиналы элементов. Чтобы нагляднее была демонстрация, подключите к входу УНЧ источник звука – выход от плеера или телефона. Прослушайте музыку и оцените качество звучания.

Схемы усилителей мощности на германиевых транзисторах.

Секреты звучания забытых германиевых УНЧ.

Эх, жалко пацанов – королевство маловато, разгуляться негде!
Ни ламповых тебе однотактников, ни гераниевых раритетов. Что ещё остаётся пытливому уму неоперившегося меломана?
Разве что брейкануть под японское хокку, да кайфануть для большего эффекта под уханье бумбокса.

«Кремний – всему голова» – крикнут яростные члены на форумных дебатах.
«Не надо впаривать нам этот шняга-силикатный экстракт» – вторят им другие, «для начала послушайте своими руками, а потом делайте свои тупоголовые выводы».

На самом деле, слушать надо!
Перелопатить определённое количество разномастной усилительной аппаратуры – тоже надо.
Не обязательно быть музыкантом со стажем, но таить в себе зачатки какого-никакого слуха – опять же, надо.
И тогда любой пацак, владелец старого пепелаца, сможет авторитетно заявить: «Однако разница в звуке есть, и она весьма существенна!»

На этой странице поговорим об УНЧ на германиевых транзисторах.

Своеобразие германиевого звучания, как правило, сводится к двум устойчивым постулатам:
1. Усилители на германиевых транзисторах отличаются музыкальностью,
2. Звук похож на звук ламповика.
И если первый пункт у меня возражений не вызывает, то со вторым мнением коллег позволю вежливо не согласиться – не похож, абсолютно разное звучание.

Электрофон сетевой транзисторный “Вега-101-стерео” с усилителем на германиевых транзисторах, выпускаемый Бердским радиозаводов с начала 1972 по 1982 год, заложил в головы современников основы понимания того, каким должен быть высококачественный стереофонический звук.
Время шло, появлялись на свет и более продвинутые вертушки с магнитными звукоснимателями, и значительно более мощные УНЧ на кремниевых транзисторах с незаурядными характеристиками.
Однако душещипательные воспоминания о том, как звучали в конце 70-ых простенькие Веги с их примитивной схемотехникой открыли историю ожесточённой борьбы человечества с феноменом транзисторного звучания.

Ну да и ладно, пора переходить на новый уровень – нарисовать пару-тройку принципиальных схем усилителей низкой частоты на германиевых транзисторах, но для начала озадачусь вопросом: Что любит и что не любит германий?
1. Германий любит простоту и не приемлет наворотов. Дифференциальный каскад с источником тока в цепи эмиттера – уже является буржуазным излишеством.
2. Германий не любит перегрева, легко может напустить дыма и отправиться к праотцам электроники Амперу и Ому в ответ на потерю бдительности в процессе настройки схемы.

А теперь обещанные схемы.

Рис.1

Номинальная мощность усилителя при коэффициенте гармоник на частоте 1000Гц менее 0,1% – 1 Вт, максимальная – 1,5Вт, чувствительность по входу – 0,2 В.
Усилитель сохраняет работоспособность при понижении напряжения питания до 9В.
Подбором номинала резистора R8 устанавливается значение напряжения на эмиттерах выходных транзисторов, равное половине напряжения питания.
Подбором номинала резистора R2 устанавливается значение напряжения на коллекторе транзистора V1, равное половине напряжения питания.

Рис.2

Схема, приведённая на Рис.2 – для эстетов, желающих порадовать свой слуховой аппарат ни с чем не сравнимым звуком однотактного усилителя, работающего в чистом режиме А.
Для настройки усилителя следует подбором номинала резистора R9 установить ток покоя выходного транзистора – 150мА.

Рис.3

Схема более мощного усилителя приведена на Рис.4. Усилитель рассчитан на подключение электрогитары и микрофона, но может быть использован также совместно с проигрывателем, магнитофоном или радиоприёмником.
Основные технические данные, приведённые автором:
Номинальная выходная мощность – 30 Вт.
Максимальная выходная мощность – 40 Вт.
Сопротивление нагрузки 3,5-5 Ом.
Полоса рабочих частот 30-16000 Гц.
Коэффициент нелинейных искажений – не более 1,5%.
Чувствительность с выхода микрофона – 10 мВ.
Чувствительность с выхода электрогитары – 0,1 В.
Напряжение 15 В на коллекторе транзистора Т10 устанавливают резистором R19.
Ток покоя всего усилителя не должен превышать 170 мА.

Рис.5

На Рис.5 приведена схема простого и мощного усилителя на германиевых транзисторах DTG110B. При подключении к его входу любого УНЧ мощностью 1,5-2 Вт устройство выдаёт на 8-ми омную нагрузку около 50 Вт чистого германиевого звука.
Согласующий трансформатор Т1 выполнен на железе Ш24 (толщина пакета 20-25мм) и содержит 3 одинаковые обмотки по 120 витков, намотанных на картонном каркасе проводом ПЭВ-1 или ПЭВ-2 диаметром 0,5-0,7мм.
Налаживание устройства заключается в подборе значений резисторов R2 R4 для достижения на выходе схемы нулевого потенциала и тока покоя транзисторов – 120-150 мА.
При снижении напряжения питания на каждом плече до 30В транзисторы DTG110B без каких-либо колебаний могут быть заменены на отечественные П210А.

Рис.6

Схема, представленная на Рис.6, является переработанным под «германий» вариантом усилителя НЧ из статьи Николая Трошина журнале Радио №8 за 1989г (стр. 51-55). Творцом переработки является сам автор статьи. Вот что он пишет на страннице сайта http://vprl.ru:

Искусство схемотехники. Часть 11 – Усилитель низкой частоты на транзисторах. Схема № 1

Избранные главы из книги С. А. Гаврилова «Искусство схемотехники. Просто о сложном».

Продолжение

Начало читайте здесь:

Заказать книгу можно в интернет-магазине издательства

Усилитель низкой частоты на транзисторах

Схема № 1

Выбор класса усилителя. Сразу предупредим радиолюбителя – делать усилитель класса A на транзисторах мы не будем. Причина проста – как было сказано во введении, транзистор усиливает не только полезный сигнал, но и поданное на него смещение. Проще говоря, усиливает постоянный ток. Ток этот вместе с полезным сигналом потечет по акустической системе (АС), а динамики, к сожалению, умеют этот постоянный ток воспроизводить. Делают они это самым очевидным образом – вытолкнув или втянув диффузор из нормального положения в противоестественное.

Попробуйте прижать пальцем диффузор динамика – и вы убедитесь, в какой кошмар превратится при этом издаваемый звук. Постоянный ток по своему действию с успехом заменяет ваши пальцы, поэтому динамической головке он абсолютно противопоказан. Отделить же постоянный ток от переменного сигнала можно только двумя средствами – трансформатором или конденсатором, – и оба варианта, что называется, один хуже другого.

Принципиальная схема

Схема первого усилителя, который мы соберем, приведена на рис. 11.18.


Рис. 11.18.	*Принципиальная схема УНЧ на транзисторах с обратной связью, выходной каскад которого работает в режиме В*

Это усилитель с обратной связью, выходной каскад которого работает в режиме В. Единственное достоинство этой схемы – простота, а также однотипность выходных транзисторов (не требуется специальные комплементарные пары). Тем не менее, она достаточно широко применяется в усилителях небольшой мощности. Еще один плюс схемы – она не требует никакой настройки, и при исправных деталях заработает сразу, а нам это сейчас очень важно.

Рассмотрим работу этой схемы. Усиливаемый сигнал подается на базу транзистора VT1. Усиленный этим транзистором сигнал с резистора R4 подается на базу составного транзистора VT2, VT4, а с него – на резистор R5.

Транзистор VT3 включен в режиме эмиттерного повторителя. Он усиливает положительные полуволны сигнала на резисторе R5 и подает их через конденсатор C4 на АС.

Отрицательные же полуволны усиливает составной транзистор VT2, VT4. При этом падение напряжения на диоде VD1 закрывает транзистор VT3. Сигнал с выхода усилителя подается на делитель цепи обратной связи R3, R6, а с него – на эмиттер входного транзистора VT1. Таким образом, транзистор VT1 у нас и играет роль устройства сравнения в цепи обратной связи.

	Примечание.
	Обратите внимание – последовательно с резистором R3 включен конденсатор C2. Это значит, что делитель напряжения у нас частотно-зависимый.

Постоянный ток он усиливает с коэффициентом усиления, равным единице (потому что сопротивление конденсатора C постоянному току теоретически бесконечно), а полезный сигнал – с коэффициентом, равным соотношению R6/R3.

Как видим, величина емкостного сопротивления конденсатора в этой формуле не учитывается. Частота, начиная с которой конденсатором при расчетах можно пренебречь, называется частотой среза RC-цепочки. Частоту эту можно рассчитать по формуле

Для нашего примера она будет около 18 Гц, т. е. более низкие частоты усилитель будет усиливать хуже, чем он мог бы.

Плата. Усилитель собран на плате из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1.5 мм размерами 45×32.5 мм. Разводку печатной платы в зеркальном изображении и схему расположения деталей можно скачать здесь. Видеоролик о работе усилителя в формате MOV скачать для просмотра можно отсюда. Хочу сразу предупредить радиолюбителя – звук, воспроизводимый усилителем, записывался в ролике с помощью встроенного в фотоаппарат микрофона, так что говорить о качестве звука, к сожалению, будет не совсем уместно! Внешний вид усилителя приведен на рис. 11.19.


Рис. 11.19.	*Внешний вид усилителя*

Элементная база. При изготовлении усилителя транзисторы VT3, VT4 можно заменить любыми, рассчитанными на напряжение не менее напряжения питания усилителя, и допустимым током не менее 2 А. На такой же ток должен быть рассчитан и диод VD1.

Остальные транзисторы – любые с допустимым напряжением не менее напряжение питания, и допустимым током не менее 100 мА. Резисторы – любые с допустимой рассеиваемой мощностью не менее 0.125 Вт, конденсаторы – электролитические, с емкостью, не менее указанной на схеме, и рабочим напряжением на менее напряжения питания усилителя.

Радиаторы для усилителя. Прежде чем попробовать изготовить нашу вторую конструкцию, давайте, уважаемый радиолюбитель, остановимся на радиаторах для усилителя и приведем здесь весьма упрощенную методику их расчета.

Во-первых, вычисляем максимальную мощность усилителя по формуле:

где U – напряжение питания усилителя, В; R – сопротивление АС (обычно оно составляет 4 или 8 Ом, хотя бывают и исключения).

Во-вторых, вычисляем мощность, рассеиваемую на коллекторах транзисторов, по формуле:

В-третьих, вычисляем площадь радиатора, необходимую для отвода соответствующего количества тепла:

В-четвертых, выбираем или изготавливаем радиатор, площадь поверхности которого будет не менее рассчитанной.

	Примечание.
	При изготовлении радиатора не забывайте, что алюминиевая пластина имеет две стороны, а не одну, и, радиатор площадью 100 см 2 будет иметь размеры вовсе не 10×10 см, а 10×5 см!

Указанный расчет носит весьма приблизительный характер, но для радиолюбительской практики его обычно бывает достаточно. Для нашего усилителя при напряжении питания 12 В и сопротивлении АС, равным 8 Ом, «правильным» радиатором была бы алюминиевая пластина размерами 2×3 см и толщиной не менее 5 мм для каждого транзистора. Имейте ввиду, что более тонкая пластина плохо передает тепло от транзистора к краям пластины. Хочется сразу предупредить – радиаторы во всех остальных усилителях тоже должны быть «нормальных» размеров. Каких именно – посчитайте сами!

Качество звучания. Собрав схему, вы обнаружите, что звук усилителя не совсем чистый.

Причина этого – «чистый» режим класса В в выходном каскаде, характерные искажения которого даже обратная связь полностью скомпенсировать не способна. Ради эксперимента попробуйте заменить в схеме транзистор VT1 на КТ3102ЕМ, а транзистор VT2 – на КТ3107Л. Эти транзисторы имеют значительно больший коэффициент усиления, чем КТ315Б и КТ361Б. И вы обнаружите, что звучание усилителя значительно улучшилось, хотя все равно останутся заметными некоторые искажения.

Причина этого также очевидна – больший коэффициент усиления усилителя в целом обеспечивает большую точность работы обратной связи, и больший ее компенсирующий эффект.

Продолжение читайте здесь

Три схемы УНЧ для новичков

После освоения азов электроники, начинающий радиолюбитель готов паять свои первые электронные конструкции. Усилители мощности звуковой частоты, как правило самые повторяемые конструкции. Схем достаточно много, каждая отличается своими параметрами и конструкцией. В этой статье будут рассмотрены несколько простейших и полностью рабочих схем усилителей, которые успешно могут быть повторены любым радиолюбителем. В статье не использованы сложные термины и расчеты, все максимально упрощено, чтобы не возникло дополнительных вопросов.

Начнем с более мощной схемы.
Итак, первая схема выполнена на известной микросхеме TDA2003. Это монофонический усилитель с выходной мощностью до 7 Ватт на нагрузку 4 Ом. Хочу сказать, что стандартная схема включения этой микросхемы содержит малое количество компонентов, но пару лет назад мною была придумана иная схема на этой микросхеме. В этой схеме количество комплектующих компонентов сведено к минимуму, но усилитель не потерял свои звуковые параметры. После разработки данной схемы, все свои усилители для маломощных колонок стал делать именно на этой схеме.

Схема представленного усилителя имеет широкий диапазон воспроизводимых частот, диапазон питающих напряжений от 4,5 до 18 вольт (типовое 12-14 вольт). Микросхему устанавливают на небольшой теплоотвод, поскольку максимальная мощность достигает до 10 Ватт.

Микросхема способна работать на нагрузку 2 Ом, это значит, что к выходу усилителя можно подключать 2 головки с сопротивлением 4 Ом.
Входной конденсатор можно заменить на любой другой, с емкостью от 0,01 до 4,7 мкФ (желательно от 0,1 до 0,47 мкФ), можно использовать как пленочные, так и керамические конденсаторы. Все остальные компоненты желательно не заменять.

Регулятор громкости от 10 до 47 кОм.
Выходная мощность микросхемы позволяет применять его в маломощных АС для ПК. Очень удобно использовать микросхему для автономных колонок к мобильному телефону и т.п.
Усилитель работает сразу после включения, в дополнительной наладке не нуждается. Советуется минус питания дополнительно подключить к теплоотводу. Все электролитические конденсаторы желательно использовать на 25 Вольт.

Вторая схема собрана на маломощных транзисторах, и больше подойдет в качестве усилителя для наушников.

Это наверное самая качественная схема такого рода, звук чистый, чувствуются весь частотный спектр. С хорошими наушниками, такое ощущение, что у вас полноценный сабвуфер.

Усилитель собран всего на 3-х транзисторах обратной проводимости, как самый дешевый вариант, были использованы транзисторы серии КТ315, но их выбор достаточно широк.

Усилитель может работать на низкоомную нагрузку, вплоть до 4-х Ом, что дает возможность, использовать схему для усиления сигнала плеера, радиоприемника и т.п. В качестве источника питания использована батарейка типа крона с напряжением 9 вольт.
В окончательном каскаде тоже применены транзисторы КТ315. Для повышения выходной мощности можно применить транзисторы КТ815, но тогда придется увеличить напряжение питания до 12 вольт. В этом случае мощность усилителя будет достигать до 1 Ватт. Выходной конденсатор может иметь емкость от 220 до 2200 мкФ.
Транзисторы в этой схеме не нагреваются, следовательно, какое-либо охлаждение не нужно. При использовании более мощных выходных транзисторов, возможно, понадобятся небольшие теплоотводы для каждого транзистора.

И наконец – третья схема. Представлен не менее простой, но проверенный вариант строения усилителя. Усилитель способен работать от пониженного напряжения до 5 вольт, при таком случае выходная мощность УМ будет не более 0,5 Вт, а максимальная мощность при питании 12 вольт достигает до 2-х Ватт.

Выходной каскад усилителя построен на отечественной комплементарной паре. Регулируют усилитель подбором резистора R2. Для этого желательно использовать подстроечный регулятор на 1кОм. Медленно вращаем регулятор до тех пор, пока ток покоя выходного каскада не будет 2-5 мА.

Усилитель не обладает высокой входной чувствительностью, поэтому желательно перед входом применить предварительный усилитель.

Немало важную роль в схеме играет диод, он тут для стабилизации режима выходного каскада.
Транзисторы выходного каскада можно заменить на любую комплементарную пару соответствующих параметров, например КТ816/817. Усилитель может питать маломощные автономные колонки с сопротивлением нагрузки 6-8 Ом.

Простой усилитель класса А.

Данная статья является продолжением работы на тему использования усилителей работающих в А классе для высококачественного звуко-усиления.
Представляю на Ваше рассмотрение, хорошо отработанную схему усилителя на кремниевых транзисторах.
Неоспоримым преимуществом кремния – является способность работать при гораздо более высоких температурах (по сравнению с германием). При хорошем тепловом контакте транзистора с радиатором, можно считать допустимой температуру радиатора 90…95 град.

Понятно, что при столь высокой разнице температур радиатора и окружающей среды, теплообмен происходит очень эффективно.
Поэтому при одинаковых площадях радиаторов выходных транзисторов, на кремнии можно получить примерно в 2 раза больше мощности по сравнению с германием.
Большой ассортимент кремниевых средне и высокочастотных транзисторов большой мощности, позволяет построить высококачественный усилитель А класса при совсем простой схеме.

Данная схема обеспечивает выходную мощность 20 ватт на нагрузке 4 ом. Диапазон рабочих частот усилителя 20…25000 Гц.
В качестве транзистора VT1 здесь можно использовать КТ208Д, КТ209Д, КТ361Г, Е, КТ3107Б, Г, И, К. В качестве транзистора VT2 можно использовать транзисторы КТ815, КТ801, П701, транзистор VT3 КТ814, VT4 – КТ818БМ, ГМ, транзистор VT5 – КТ819БМ, ГМ.
Схема может работать без подбора транзисторов по коэффициенту усиления, однако поскольку она содержит всего 2 каскада усиления, желательно иметь коэффициент усиления транзистора VT1 – не менее 150, транзисторов VT2, VT5 – не менее 50, транзистора VT4 – не менее 80.
Оценить коэффициент усиления транзистора не сложно. Достаточно включить испытуемый транзистор по вот такой схеме (для мощных транзисторов).

Резистор R1 обеспечивает ток в базу примерно 1 ма. Измерительный миллиамперметр измеряет ток коллектора (я использовал стрелочный тестер с пределом измерений 300 ма). Отношение тока коллектора к базовому току – будет коэффициентом усиления транзистора.
Для транзисторов средней мощности, надо уменьшить базовый ток в 10 раз (R1 36k), а для транзистора малой мощности, базовый ток уменьшаем в 100 раз (R1 360k). В качестве источника питания, я использовал 3 щелочные (алкалиновые) батарейки размера АА, которые просто спаял между собой хорошо разогретым паяльником, с использованием не толстого провода (паять надо быстро, чтобы не перегреть батарейку).

При использовании нагрузки 8 ом, напряжение питания нужно увеличить до 39…40 вольт, резистор R10 до 0,25 Ом.
Настройка усилителя сводится к установке половины напряжения питания на коллекторе VT5.
Усилитель потребляет значительную мощность, примерно 100 ватт на каждый канал. Поэтому источник питания должен быть серьезным.
Силовой трансформатор для блока питания, нужно применять мощностью не менее 250 ватт, либо использовать два однотипных трансформатора (на каждый канал) с такой же общей мощностью.
Схема источника питания показана на рисунке ниже.

Вторичная обмотка силового трансформатора должна иметь выходное напряжение ХХ 26 – 27 вольт. Такая схема должна быть на каждый канал усилителя, причем при нагрузке 4 ом, возможно лучше сразу поставить конденсаторы по 22000 мкФ.
Диодный мост с номинальным током не менее 10 А либо 4 диода на 10 А. Большая емкость конденсаторов объясняется значительным током потребления, в том числе и в режиме покоя усилителя, когда пульсации особенно заметны.
Применять электронные фильтры или стабилизаторы я не стал, поскольку они иногда являются причиной самовозбуждения усилителя и источником помех и наводок.

Детали для усилителя:
Резисторы могут быть любой мощности не менее 0.125 ватт за исключением R9 5 ватт, R10 2 ватт. Очень важен номинал резистора R10. От этого зависит правильный режим работы усилителя.
Конденсатор С1 лучше поставить пленочный, С4 пленочный или слюдяной.
Выходные транзисторы КТ818, КТ819 обязательно с буквой “М” в конце (в металлическом корпусе), БМ, ГМ. Радиаторы под них я использовал ребристые размером 120*170, толщиной 35 мм. Если радиаторы будут меньше, то необходим принудительный обдув.
На КТ815 небольшой радиатор-пластинка 2-3 кв. см. На П701 радиатор не нужен.
На резисторе R9 рассеивается значительная мощность. При наличии осциллографа и генератора можно попробовать ее уменьшить. Подаем сигнал на вход,на выход подключаем эквивалент нагрузки и осциллограф. Резистором R4 добиваемся симметричного ограничения максимально возможной амплитуды сигнала. Далее увеличивая резистор R9 добиваемся начала ограничения сигнала сверху. Выпаиваем и измеряем номинал. После этого устанавливаем резистор на 25…30% меньше.
При желании поэкспериментировать можно собрать совсем упрощенную схему.

Транзисторы здесь должны иметь больший К ус. Первый не менее 200, второй не менее 100.
Резистор R7 мощностью не менее 50 ватт. При отсутствии такого можно использовать электрический чайник и утюг по 2000 ватт на220в, соединенные параллельно, либо 2 ТЭН на 2000 ватт. – получается сопротивление около 10 ом. Кстати это можно использовать и как эквивалент нагрузки.
Данная схема позволяет получить 4…5 ватт (потреблять будет все равно около 90 ватт.) На коллекторе VT2 нужно выставить 12 вольт.

Схема усилителя с общим эмиттером

и ее работа

Транзистор — это трехконтактный полупроводниковый прибор, выводы которого — E (эмиттер), B (база) и C (коллектор). Транзистор может работать в трех разных областях, таких как активная область, область отсечки и область насыщения. Транзисторы выключаются при работе в области отсечки и включаются при работе в области насыщения. Транзисторы работают как усилители, пока они работают в активной области. Основная функция транзистора как усилителя заключается в усилении входного сигнала без значительных изменений.В этой статье рассказывается, как транзистор работает как усилитель.

Транзистор как усилитель

Схема усилителя может быть определена как схема, которая используется для усиления сигнала. На входе усилителя подается напряжение, в противном случае — ток, а на выходе — входной сигнал усилителя. Схема усилителя, в которой используется транзистор, в противном случае — транзисторы, известна как транзисторный усилитель. Применение схем транзисторных усилителей в основном связано с аудио, радио, оптоволоконной связью и т. Д.

Конфигурации транзисторов подразделяются на три типа, такие как CB (общая база), CC (общий коллектор) и CE (общий эмиттер). Но общая конфигурация излучателя часто используется в таких приложениях, как аудиоусилитель. Поскольку в конфигурации CB коэффициент усиления <1, а в конфигурации CC коэффициент усиления почти эквивалентен 1.

Параметры хорошего транзистора в основном включают в себя различные параметры, а именно высокий коэффициент усиления, высокую скорость нарастания, широкую полосу пропускания, высокую линейность, высокая эффективность, высокий импеданс i / p, высокая стабильность и т. д.

Транзистор как схема усилителя

Транзистор может использоваться как усилитель , увеличивая силу слабого сигнала. С помощью следующей схемы транзисторного усилителя можно получить представление о том, как эта транзисторная схема работает как схема усилителя.

В приведенной ниже схеме входной сигнал может подаваться между переходом эмиттер-база и выходом через нагрузку Rc, подключенную в цепи коллектора.

Транзистор как схема усилителя
Для точного усиления всегда помните, что вход подключен с прямым смещением, а выход подключен с обратным смещением.По этой причине, в дополнение к сигналу, мы прикладываем постоянное напряжение (VEE) во входной цепи, как показано в приведенной выше схеме.
Как правило, входная цепь имеет низкое сопротивление; небольшое изменение напряжения сигнала на входе приведет к значительному изменению тока эмиттера. Из-за действия транзистора изменение тока эмиттера вызовет такое же изменение в цепи коллектора.
В настоящее время ток коллектора через резистор Rc создает на нем огромное напряжение.Следовательно, приложенный слабый сигнал во входной цепи будет выходить в усиленной форме в цепи коллектора на выходе. В этом методе транзистор работает как усилитель.
Схема усилителя с общим эмиттером
В большинстве электронных схем мы используем обычно конфигурацию транзисторов NPN, которая известна как схема усилителя транзисторов NPN. Давайте рассмотрим схему смещения делителя напряжения, которая широко известна как схема одноступенчатого транзисторного усилителя.
В принципе, устройство смещения может быть построено с использованием двух транзисторов, как цепь делителя потенциала на источнике напряжения. Он подает напряжение смещения на транзисторы со своей средней точки. Этот тип смещения в основном используется в схемах усилителя на биполярных транзисторах. Схема усилителя с общим эмиттером

В этом типе смещения транзистор будет уменьшать коэффициент усиления тока ‘β’, удерживая смещение базы на ступени постоянного установившегося напряжения, и обеспечивает точную стабильность.Vb (базовое напряжение) можно измерить с помощью схемы делителя потенциала .

В приведенной выше схеме полное сопротивление будет равно количеству двух резисторов, таких как R1 и R2. Создаваемый уровень напряжения на соединении двух резисторов будет поддерживать постоянное базовое напряжение при напряжении питания.

Следующая формула представляет собой простое правило делителя напряжения, которое используется для измерения опорного напряжения.

Vb = (Vcc.R2) / (R1 + R2)

Аналогичное напряжение питания также определяет максимальный ток коллектора, поскольку транзистор активирован, который находится в режиме насыщения.

Коэффициент усиления напряжения с общим эмиттером

Коэффициент усиления по напряжению с общим эмиттером эквивалентен изменению в пределах отношения входного напряжения к изменению в пределах выходного напряжения усилителя. Рассмотрим Vin и Vout как Δ VB. & Δ VL

В условиях сопротивления коэффициент усиления напряжения будет эквивалентен отношению сопротивления сигнала внутри коллектора к сопротивлению сигнала внутри эмиттера, которое определяется как

Voltage Gain. = Vout / Vin = Δ VL / Δ VB = — RL / RE

Используя приведенное выше уравнение, мы можем просто определить коэффициент усиления по напряжению в цепи общего эмиттера.Мы знаем, что биполярные транзисторы имеют очень маленькое внутреннее сопротивление, встроенное в их эмиттерную часть, то есть Re. Когда внутреннее сопротивление эмиттера будет последовательно соединено с внешним сопротивлением, ниже приведено настраиваемое уравнение усиления напряжения.

Коэффициент усиления по напряжению = — RL / (RE + Re)

Полное сопротивление в цепи эмиттера на низкой частоте будет эквивалентно величине внутреннего сопротивления и внешнего сопротивления, равного RE + Re.

Для этой схемы усиление напряжения на высоких и низких частотах включает следующее.

Коэффициент усиления напряжения на высокой частоте равен = — RL / RE

Коэффициент усиления напряжения на низкой частоте равен = — RL / (RE + Re)

Используя приведенные выше формулы, можно рассчитать усиление напряжения для схема усилителя.

Итак, все дело в транзисторе как усилителе. Из приведенной выше информации, наконец, мы можем сделать вывод, что транзистор может работать как усилитель, только если он правильно смещен.Хороший транзистор имеет несколько параметров, в том числе высокое усиление, широкую полосу пропускания, высокую скорость нарастания, высокую линейность, высокий импеданс i / p, высокую эффективность, высокую стабильность и т. Д. Вот вам вопрос, что такое транзисторный усилитель 3055 ?

Усилитель с общим эмиттером и транзисторные усилители

В предыдущем введении в руководство по усилителю мы увидели, что семейство кривых, обычно называемых кривыми выходных характеристик , связывает ток коллектора транзисторов (Ic) с его напряжением коллектора (Vce) для разных значений базы транзисторов. Текущий (Ib).

Все типы транзисторных усилителей работают с использованием входных сигналов переменного тока, которые чередуются между положительным и отрицательным значением, поэтому требуется некоторый способ «предварительной настройки» схемы усилителя для работы между этими двумя максимальными или пиковыми значениями. Это достигается с помощью процесса, известного как Biasing . Смещение очень важно при проектировании усилителя, поскольку оно устанавливает правильную рабочую точку транзисторного усилителя, готового к приему сигналов, тем самым уменьшая любые искажения выходного сигнала.

Мы также увидели, что на этих кривых выходных характеристик можно нарисовать статическую нагрузку или линию нагрузки постоянного тока, чтобы показать все возможные рабочие точки транзистора от полного «ВКЛ» до полного «ВЫКЛ», и до которых рабочая точка покоя или Q -поинт из усилителя можно найти.

Цель любого усилителя небольшого сигнала — усилить весь входной сигнал с минимально возможным искажением выходного сигнала, другими словами, выходной сигнал должен быть точным воспроизведением входного сигнала, но только с большим (усиленным) .

Для получения низких искажений при использовании в качестве усилителя необходимо правильно выбрать рабочую точку покоя. Фактически, это рабочая точка постоянного тока усилителя, и ее положение может быть установлено в любой точке линии нагрузки с помощью подходящего устройства смещения.

Наилучшее возможное положение для этой точки Q — как можно ближе к центру линии нагрузки, насколько это разумно возможно, тем самым обеспечивая работу усилителя типа А, т. Е. Vce = 1 / 2Vcc. Рассмотрим схему усилителя с общим эмиттером , показанную ниже.

Схема усилителя с общим эмиттером

Схема одноступенчатого усилителя с общим эмиттером, показанная выше, использует то, что обычно называется «смещением делителя напряжения». Этот тип устройства смещения использует два резистора в качестве цепи делителя потенциала на источнике питания, центральная точка которого подает необходимое базовое напряжение смещения на транзистор. Смещение делителя напряжения обычно используется в схемах усилителя на биполярных транзисторах.

Этот метод смещения транзистора значительно снижает влияние изменения бета, (β), поддерживая смещение базы на постоянном стабильном уровне напряжения, что обеспечивает лучшую стабильность.Базовое напряжение покоя (Vb) определяется цепью делителя потенциала, образованной двумя резисторами R1, R2 и напряжением источника питания Vcc, как показано, с током, протекающим через оба резистора.

Тогда полное сопротивление R _T будет равно R1 + R2, давая ток как i = Vcc / R _T. Уровень напряжения, генерируемый на стыке резисторов R1 и R2, поддерживает постоянное базовое напряжение (Vb) на значении ниже напряжения питания.

Затем схема делителя потенциала, используемая в схеме усилителя с общим эмиттером, делит напряжение питания пропорционально сопротивлению.Это опорное напряжение смещения можно легко рассчитать, используя простую формулу делителя напряжения ниже:

Напряжение смещения транзистора

То же напряжение питания (Vcc) также определяет максимальный ток коллектора Ic, когда транзистор полностью включен (насыщение), Vce = 0. Базовый ток Ib для транзистора находится из тока коллектора, Ic и коэффициент усиления постоянного тока транзистора Beta, β.

Значение бета

Beta иногда называют h _FE, что означает усиление прямого тока транзисторов в конфигурации с общим эмиттером.Бета не имеет единиц измерения, поскольку это фиксированное соотношение двух токов, Ic и Ib, поэтому небольшое изменение тока базы вызовет большое изменение тока коллектора.

И последнее о Бете. Бета-значение транзисторов одного типа и номера детали будет сильно различаться. Например, биполярный транзистор BC107 NPN имеет бета-значение усиления постоянного тока от 110 до 450 (значение из таблицы данных). Таким образом, один BC107 может иметь значение бета 110, а другой — 450, но оба они являются транзисторами BC107 npn.Это потому, что бета — характеристика конструкции транзистора, а не его работы.

Поскольку переход база / эмиттер смещен в прямом направлении, напряжение эмиттера Ve будет падением напряжения на одном переходе, отличным от напряжения базы. Если известно напряжение на резисторе эмиттера, то ток эмиттера, Ie, можно легко рассчитать с помощью закона Ома. Ток коллектора Ic можно приблизительно определить, так как он почти равен току эмиттера.

Пример усилителя с общим эмиттером №1

Схема усилителя с общим эмиттером имеет сопротивление нагрузки R _L, равное 1.2кОм и напряжение питания 12В. Рассчитайте максимальный ток коллектора (Ic), протекающий через нагрузочный резистор, когда транзистор полностью включен (насыщение), предположим, что Vce = 0. Также найдите значение резистора эмиттера, R _E, если он имеет падение напряжения. 1В поперек него. Рассчитайте значения всех остальных резисторов схемы, используя стандартный кремниевый транзистор NPN.

Это затем устанавливает точку «A» на вертикальной оси тока коллектора кривых характеристик и происходит, когда Vce = 0.Когда транзистор полностью выключен, ни на резисторе R _E, ни на R _L нет падения напряжения, поскольку через них не течет ток. Тогда падение напряжения на транзисторе Vce будет равно напряжению питания Vcc. Это устанавливает точку «B» на горизонтальной оси кривых характеристик.

Обычно точка Q покоя усилителя соответствует нулевому входному сигналу, приложенному к базе, поэтому коллектор находится примерно на полпути вдоль линии нагрузки между нулевым вольт и напряжением питания (Vcc / 2).Следовательно, ток коллектора в точке добротности усилителя будет задан как:

Эта статическая линия нагрузки постоянного тока создает уравнение прямой линии, наклон которой задается как: -1 / (R _L + R _E), и что она пересекает вертикальную ось Ic в точке, равной Vcc / (R _L + R _E). Фактическое положение точки Q на линии нагрузки постоянного тока определяется средним значением Ib.

Поскольку ток коллектора, Ic транзистора также равен коэффициенту усиления по постоянному току транзистора (бета), умноженному на ток базы (β * Ib), если мы предположим значение бета (β) для транзистора, скажем, 100, (сто — разумное среднее значение для сигнальных транзисторов малой мощности). Базовый ток Ib, протекающий в транзистор, будет иметь вид:

Вместо использования отдельного источника смещения базы обычно подается напряжение смещения базы от главной шины питания (Vcc) через понижающий резистор R1.Резисторы R1 и R2 теперь могут быть выбраны так, чтобы обеспечить подходящий базовый ток покоя 45,8 мкА или 46 мкА, округленный до ближайшего целого числа. Ток, протекающий через схему делителя потенциала, должен быть большим по сравнению с фактическим током базы Ib, чтобы сеть делителя напряжения не нагружалась потоком тока базы.

Общее практическое правило — это значение, по крайней мере, в 10 раз превышающее Ib, протекающее через резистор R2. Напряжение базы / эмиттера транзистора, Vbe фиксировано на 0,7 В (кремниевый транзистор), тогда это дает значение R2 как:

Если ток, протекающий через резистор R2, в 10 раз превышает значение тока базы, то ток, протекающий через резистор R1 в цепи делителя, должен быть в 11 раз больше значения тока базы.То есть: я _R2 + Ib.

Таким образом, напряжение на резисторе R1 равно Vcc — 1,7 В (V _RE + 0,7 для кремниевого транзистора), что равно 10,3 В, поэтому R1 можно рассчитать как:

Значение резистора эмиттера R _E можно легко вычислить с помощью закона Ома. Ток, протекающий через R _E, представляет собой комбинацию тока базы Ib и тока коллектора Ic и определяется как:

Резистор, R _E подключен между выводом эмиттера транзистора и землей, и мы говорили ранее, что на нем есть падение напряжения в 1 вольт.Таким образом, значение резистора эмиттера R _E рассчитывается как:

Итак, для нашего примера, приведенного выше, предпочтительные значения резисторов, выбранных для обеспечения допуска 5% (E24), составляют:

Затем нашу исходную схему Common Emitter Amplifier , приведенную выше, можно переписать, чтобы включить в нее значения компонентов, которые мы только что вычислили выше.

Завершенная схема общего эмиттера

Конденсаторы связи усилителя

В схемах усилителя с общим эмиттером конденсаторы C1 и C2 используются в качестве конденсаторов связи для отделения сигналов переменного тока от напряжения смещения постоянного тока.Это гарантирует, что на условие смещения, установленное для правильной работы схемы, не повлияют никакие дополнительные каскады усилителя, поскольку конденсаторы будут пропускать только сигналы переменного тока и блокировать любую составляющую постоянного тока. Затем выходной сигнал переменного тока накладывается на смещение следующих каскадов. Также в цепь эмиттерного плеча включен байпасный конденсатор C _E.

Этот конденсатор фактически является компонентом разомкнутой цепи для условий смещения постоянного тока, что означает, что добавление конденсатора не влияет на токи смещения и напряжения, обеспечивая хорошую стабильность точки Q.

Однако этот параллельно подключенный шунтирующий конденсатор эффективно замыкает резистор эмиттера при высокочастотных сигналах из-за своего реактивного сопротивления. Таким образом, только R _L плюс очень маленькое внутреннее сопротивление действует как нагрузка транзисторов, увеличивая прирост напряжения до максимума. Обычно значение байпасного конденсатора C _E выбирается таким образом, чтобы обеспечить реактивное сопротивление не более 1/10 значения R _E при самой низкой частоте рабочего сигнала.

Кривые выходных характеристик

Хорошо, пока все хорошо.Теперь мы можем построить серию кривых, которые показывают ток коллектора Ic в зависимости от напряжения коллектора / эмиттера Vce с различными значениями тока базы Ib для нашей простой схемы усилителя с общим эмиттером.

Эти кривые известны как «кривые выходных характеристик» и используются, чтобы показать, как транзистор будет работать в своем динамическом диапазоне. Линия статической нагрузки или нагрузки постоянного тока нанесена на кривые для нагрузочного резистора RL 1,2 кОм, чтобы показать все возможные рабочие точки транзисторов.

Когда транзистор выключен, Vce равно напряжению питания Vcc, и это точка «B» на линии. Точно так же, когда транзистор полностью включен и насыщен, ток коллектора определяется нагрузочным резистором R _L, и это точка «A» на линии.

Ранее мы рассчитали, исходя из коэффициента усиления транзистора по постоянному току, что базовый ток, необходимый для среднего положения транзистора, составлял 45,8 мкА, и это обозначено как точка Q на линии нагрузки, которая представляет точку покоя или Q-точку усилителя.Мы могли бы легко упростить себе жизнь и округлить это значение точно до 50 мкА без какого-либо влияния на рабочую точку.

Кривые выходных характеристик

Точка Q на линии нагрузки дает нам базовую точку Q по току Ib = 45,8 мкА или 46 мкА. Нам нужно найти максимальное и минимальное пиковое колебание тока базы, которое приведет к пропорциональному изменению тока коллектора Ic без каких-либо искажений выходного сигнала.

Когда линия нагрузки пересекает различные значения базового тока на кривых характеристик постоянного тока, мы можем найти пиковые колебания базового тока, которые равномерно распределены по линии нагрузки.Эти значения отмечены точками «N» и «M» на линии, что дает минимальный и максимальный ток базы 20 мкА и 80 мкА соответственно.

Эти точки, «N» и «M» могут быть в любом месте вдоль линии нагрузки, которую мы выбираем, при условии, что они находятся на одинаковом расстоянии от Q. Это дает нам теоретический максимальный входной сигнал на клемму Base 60 мкА, размах напряжения. пик (пик 30 мкА) без искажения выходного сигнала.

Любой входной сигнал, дающий базовый ток, превышающий это значение, заставит транзистор выйти за пределы точки «N» в область «отсечки» или за точку «M» и в область насыщения, что приведет к искажению выходного сигнала. сигнал в виде «клиппинга».

Используя точки «N» и «M» в качестве примера, мгновенные значения тока коллектора и соответствующие значения напряжения коллектора-эмиттера могут быть спроецированы от линии нагрузки. Видно, что напряжение коллектор-эмиттер противофазно (–180 ^o) току коллектора.

По мере того, как базовый ток Ib изменяется в положительном направлении от 50 мкА до 80 мкА, напряжение коллектор-эмиттер, которое также является выходным напряжением, уменьшается по сравнению со значением 5 в установившемся режиме.От 8 вольт до 2,0 вольт.

Тогда одноступенчатый усилитель с общим эмиттером также является «инвертирующим усилителем», поскольку увеличение базового напряжения вызывает уменьшение Vout, а уменьшение базового напряжения вызывает увеличение Vout. Другими словами, выходной сигнал на 180, ^или не совпадает по фазе с входным сигналом.

Коэффициент усиления общего эмиттера

Коэффициент усиления по напряжению усилителя с общим эмиттером равен отношению изменения входного напряжения к изменению выходного напряжения усилителей.Тогда ΔV _L — это Vout, а ΔV _B — это Vin. Но коэффициент усиления по напряжению также равен отношению сопротивления сигнала в коллекторе к сопротивлению сигнала в эмиттере и задается как:

Ранее мы упоминали, что по мере увеличения частоты сигнала шунтирующий конденсатор C _E начинает закорачивать эмиттерный резистор из-за его реактивного сопротивления. Тогда на высоких частотах R _E = 0, что делает усиление бесконечным.

Однако биполярные транзисторы имеют небольшое внутреннее сопротивление, встроенное в их эмиттерную область, называемое R _e.Полупроводниковый материал транзистора обеспечивает внутреннее сопротивление прохождению тока через него и обычно представлен маленьким символом резистора, показанным внутри символа основного транзистора.

Технические характеристики транзисторов

говорят нам, что для биполярных транзисторов с малым сигналом это внутреннее сопротивление является произведением 25 мВ ÷ Ie (25 мВ — это внутреннее падение напряжения на переходном слое эмиттера), тогда для нашей общей схемы усилителя эмиттера значение выше этого сопротивления будет равно равно:

Это внутреннее сопротивление ветви эмиттера будет последовательно с резистором внешнего эмиттера, R _E, тогда уравнение для фактического усиления транзистора будет изменено, чтобы включить это внутреннее сопротивление, поэтому будет:

При низкочастотных сигналах полное сопротивление в плече Эмиттера равно R _E + R _e.На высокой частоте байпасный конденсатор замыкает резистор эмиттера, оставляя только внутреннее сопротивление R _e в ветви эмиттера, что приводит к высокому усилению. Тогда для нашей схемы усилителя с общим эмиттером, приведенной выше, коэффициент усиления схемы как на низких, так и на высоких частотах сигнала определяется как:

Усиление на низких частотах

Усиление на высоких частотах

Наконец, коэффициент усиления по напряжению зависит только от значений резистора коллектора, R _{, L} и сопротивления эмиттера (R _E + R _e), на него не влияет коэффициент усиления по току Beta, β (h _FE) транзистора.

Итак, для нашего простого примера, приведенного выше, мы теперь можем суммировать все значения, которые мы рассчитали для нашей схемы усилителя с общим эмиттером, и это:

	Минимум	Среднее	Максимум
Базовый ток	20 мкА	50 мкА	80 мкА
Ток коллектора	2,0 мА	4,8 мА	7,7 мА
Размах выходного напряжения	2.0V	5,8 В	9,3 В
Усиление усилителя	-5,32		–218

Обзор усилителя с общим эмиттером

Тогда подведем итоги. Усилитель с общим эмиттером Схема имеет резистор в цепи коллектора. Ток, протекающий через этот резистор, создает выходное напряжение усилителя. Номинал этого резистора выбирается таким образом, чтобы в точке покоя усилителя, Q-точка , это выходное напряжение лежало на полпути вдоль линии нагрузки транзисторов.

База транзистора, используемого в усилителе с общим эмиттером, смещена с использованием двух резисторов в качестве цепи делителя потенциала. Этот тип смещения обычно используется в схемах усилителя на биполярных транзисторах и значительно снижает влияние изменения бета, (β) за счет поддержания смещения базы на постоянном постоянном напряжении. Этот тип смещения обеспечивает максимальную стабильность.

В ответвление эмиттера можно включить резистор, и в этом случае коэффициент усиления по напряжению станет -R _L / R _E.Если нет внешнего сопротивления эмиттера, коэффициент усиления по напряжению усилителя не будет бесконечным, так как внутреннее сопротивление R _e в ветви эмиттера очень мало. Значение этого внутреннего сопротивления равно 25 мВ / л _E

В следующем руководстве по транзисторным усилителям мы рассмотрим усилитель на эффекте поля перехода, обычно называемый усилителем JFET. Подобно транзистору, JFET используется в схеме одноступенчатого усилителя, что упрощает понимание.Есть несколько различных типов полевых транзисторов, которые мы могли бы использовать, но самый простой для понимания — это переходной полевой транзистор, или JFET, который имеет очень высокий входной импеданс, что делает его идеальным для схем усилителей.

Сводка по усилителям

— Учебное пособие по транзисторным усилителям

Обычно мы думаем об усилителях как об усилителях звука в радиоприемниках, проигрывателях компакт-дисков и стереосистемах, которые мы используем дома.В этом разделе руководства по усилителю мы рассмотрели схему усилителя на основе одного биполярного транзистора, как показано ниже, но есть несколько различных типов схем транзисторного усилителя, которые мы могли бы использовать.

Типовая схема одноступенчатого усилителя

Усилители малых сигналов

Усилители малых сигналов также известны как усилители напряжения .
имеют 3 основных свойства: входное сопротивление , выходное сопротивление и усиление .
Коэффициент усиления небольшого усилителя сигнала — это величина, на которую усилитель «усиливает» входной сигнал.
Усиление — это отношение выходного сигнала к входному, поэтому у него нет единиц измерения, но он обозначен символом (A) с наиболее распространенными типами усиления транзистора: Усиление по напряжению (Av), Коэффициент усиления по току (Ai) и Мощность Прирост (Ап)
Коэффициент усиления усилителя также может быть выражен в децибелах или просто дБ .
Чтобы усилить весь входной сигнал без искажений в усилителе типа A, требуется смещение базы постоянного тока.
DC Bias устанавливает точку Q усилителя на полпути вдоль линии нагрузки.
Это смещение базы постоянного тока означает, что усилитель потребляет мощность даже при отсутствии входного сигнала.
Транзисторный усилитель является нелинейным, и неправильная настройка смещения приведет к большим искажениям формы выходного сигнала.
Слишком большой входной сигнал вызовет большие искажения из-за ограничения, которое также является формой искажения амплитуды.
Неправильное расположение точки Q на линии нагрузки приведет к отсечке насыщенности или отсечке .
Усилитель с общим эмиттером Конфигурация является наиболее распространенной формой из всех схем усилителя напряжения общего назначения, использующих биполярный переходный транзистор.
Усилитель с общим истоком Конфигурация является наиболее распространенной формой из всех схем усилителя напряжения общего назначения, в которых используется переходный полевой транзистор.

Сравнение усилителя

BJT и усилителя JFET

Параметр	Общий эмиттер Усилитель	Общий источник Усилитель
Коэффициент усиления напряжения, (A _В)	Средний / высокий	Средний / высокий
Коэффициент усиления по току, (A _i)	Высокая	Очень высокий
Коэффициент усиления, (A _P)	Высокая	Очень высокий
Входное сопротивление, (R _в)	Средний	Очень высокий
Выходное сопротивление, (R _из)	Средний / высокий	Средний / высокий
Фазовый сдвиг	180 ^или	180 ^или

Усилители больших сигналов

Усилители больших сигналов также известны как усилители мощности .
можно подразделить на различные классы, например:
- Усилители класса A — выходное устройство работает на протяжении всего входного цикла.
- Усилители класса B — где выходное устройство проводит только 50% входного цикла.
- класса AB — где выходное устройство проводит более 50%, но менее 100% входного цикла.
Идеальный усилитель мощности должен обеспечивать нагрузку 100% доступной мощности постоянного тока.
класса A являются наиболее распространенной формой усилителей мощности, но имеют рейтинг эффективности менее 40%.
класса B более эффективны, чем усилители класса A, примерно на 70%, но производят большие искажения.
класса B потребляют очень мало энергии при отсутствии входного сигнала.
Используя конфигурацию выходного каскада «Двухтактный», можно значительно уменьшить искажения.
Однако простые двухтактные усилители мощности класса B могут создавать высокие уровни кроссоверных искажений из-за смещения точки отсечки.
Резисторы предварительного смещения или диоды помогут устранить это перекрестное искажение.
класса B могут быть изготовлены с использованием трансформаторов или дополнительных транзисторов в своем выходном каскаде.

Эксперимент: Проектирование схем транзисторов

Процедура

Примечание: Эта схема была разработана, когда мы только учились обучать работе транзисторов.Теперь мудрее, мы знаем, что ниже есть некоторые ошибки в математике с вычислениями фильтра. Мы перепроектируем эту схему, когда позволят время и ресурсы, но учтите, что схема все еще работает (может усиливать пики).

Все, что вам нужно, чтобы построить усилитель, — это транзистор, источник питания, резисторы и конденсаторы. Есть много способов смешать их вместе, что является искусством (Стив Джобс часто называл компоновку схем «цифровым искусством»), но мы дадим вам некоторые основные условия и предположения, с которыми можно поработать, а затем проведем вас через дизайн вашего самого первый простой био-усилитель!

Существует несколько конфигураций с использованием транзисторов NPN, но мы будем использовать «конфигурацию с общим эмиттером», потому что она позволяет получить высокий коэффициент усиления по напряжению.Почему его называют «усилителем с общим эмиттером»? — поскольку база — это вход, коллектор — это выход, а «общий» или земля — это эмиттер.

Как любой прилежный инженер, давайте начнем с «требований», что является скучным способом сказать: «что мы хотим, чтобы эта машина действительно выполняла». В нашем биоусилителе мы хотим «усилить» очень слабые электрические сигналы в нервах тараканов. Давайте стремимся к «усилению» 150 или увеличению амплитуды сигнала в 150 раз. Мы также хотим ограничить то, что мы усиливаем, чтобы гарантировать, что мы обращаем внимание только на всплески (потенциалы действия), а не на другие электрические сигналы, такие как электрический шум из вашего дома.Итак, как и в реальном SpikerBox, мы хотим измерять только сигналы с компонентами выше 300 Гц (циклов в секунду). Это также называется «высокочастотным» сигналом.

Таким образом, у нас есть два требования

Прирост 150.
Настройка фильтра: фильтр высоких частот 300 Гц.

А теперь вернемся к искусству дизайна электроники. В основе нашего усилителя лежит превосходная книга Пола Шерца «Практическая электроника для изобретателей».

Детали

Помимо тараканов, кабеля и электрода, упомянутых выше, вам необходимо посетить местный дружественный RadioShack, чтобы получить:

два NPN транзистора (2N4401) — из набора образцов транзисторов
четыре 4.Резисторы 7 кОм — из набора образцов резисторов
четыре резистора 1 кОм из того же набора образцов
один резистор 50 Ом из того же набора образцов
два конденсатора по 1 мкФ
четыре конденсатора по 10 мкФ
перемычка
макетная плата без пайки
Разъем аккумулятора 9 В
батарея 9В
разъем RCA
спикер RadioShack (мы любим эти вещи)

Вам также понадобится небольшой кусок пробки или пенопласта, на который можно положить ногу таракана.

Проектирование схемы

Эмиттерные и коллекторные резисторы

Поскольку мы будем использовать батарею на 9 В, и наши шипы имеют как положительный, так и отрицательный компонент:

Мы хотим, чтобы нейронный сигнал превышал +4,5 В, чтобы у нас было достаточно «места» для напряжения, чтобы усилить как отрицательную, так и положительную части сигнала. Таким образом, необходимо, чтобы V _c или напряжение на коллекторе составляло 1/2 V _cc (это сбивает с толку, но Vcc означает «общий ток» или, в более общем смысле, наш источник питания 9 В).Таким образом, нам нужно поставить резистор на V _c, чтобы установить V _c = 1/2 V _cc, и мы используем закон Ома V = IR, который мы можем переписать как:

I _c — это ток через коллектор и функция транзистора (для его расчета используйте технический паспорт транзистора). Мы будем использовать значение 1 мА для I _c.

4,7 кОм — стандартное значение для блока резисторов, поэтому мы будем использовать 4,7 кОм для R _c

Коэффициент усиления нашей схемы, как он есть, составляет ΔV _c / ΔV _e, что равно отношению R _c / R _e.

Мы уже установили R _c = 4,7 кОм, а R _e уже встроен в транзистор. Его R _e называется транссопротивлением, которое рассчитывается как:

I _e примерно такое же, как I _c, поэтому сопротивление составляет 26 Ом.

Мы можем рассчитать выигрыш следующим образом:

Однако в транзисторе может быть нестабильное сопротивление, поэтому нам нужно добавить собственное сопротивление R в дополнение к сопротивлению.Шерц рекомендует V _e с напряжением 1 В для стабилизации нестабильности транссопротивления, поэтому согласно закону Ома:

Но обратите внимание, что добавление этого R к схеме:

У нас будет изменение в прибыли. Новое усиление:

о нет! Наше первоначальное усиление 180 исчезло! И наш выигрыш теперь намного меньше, чем нам нужно! Но не бойтесь, мы можем добавить конденсатор параллельно с резистором 1 кОм, который фактически заставит 1 кОм исчезнуть для нашего пикового сигнала.Мы все равно хотим добавить конденсатор, так как нам нужно сделать:

Фильтр высоких частот

Параллельно подключенные резистор и конденсатор действуют как фильтры верхних частот, и, как указано выше, мы хотим, чтобы наш фильтр высоких частот составлял 300 Гц. Это легко подсчитать.

У нас уже есть R = 1 кОм, а f должно быть 300 Гц, поэтому емкость конденсатора составляет 20 мкФ.

Все, что остается, — это входной конденсатор для устранения любого смещения постоянного тока на входном сигнале и поддержания стабильности нашей схемы. Давайте просто установим его на 1 мкФ.

Установка напряжений смещения

Помните из нашей теории транзисторов, что транзистор не включится без нажатия нижнего предела напряжения, а это примерно 0,6 В для схем на основе кремния. Нам нужно добавить резисторы смещения.

Мы хотим, чтобы напряжение на базе V _b было на 0,6 В выше, чем напряжение на уровне V _e, поэтому

Мы знаем, что V _e составляет 1 В из-за падения напряжения, рассчитанного выше, поэтому V _b должно быть 1.6В. Сделаем делитель напряжения!

Наш V _в — это конечно 9 В, а наш V _{на выходе} — 1,6 В, и мы используем классическое уравнение делителя напряжения:

Мы можем переставить уравнение и вычислить …

Таким образом, R1 должен быть в ~ 4,6 раза больше, чем R2. Звучит достаточно просто, но, как показывает опыт для этой конструкции транзистора:

Итак, мы просто выберем R2 = 1 кОм и R1 = 4,7 кОм в качестве значений, поскольку мы уже используем эти значения резисторов и имеем их под рукой.

Вот и все! Пришло время …

Построить схему

Вы посчитали, и теперь пришло время физически построить свою схему. Поместите батарею, транзистор, резисторы, конденсаторы и компоненты ввода / вывода на макетную плату, как показано ниже:

Присмотритесь к схеме на макетной плате:

Вставьте электроды в лапу таракана, как вы делали в предыдущих экспериментах, и подключите динамик к цепи.Полностью поверните динамик и почистите ногу таракана зубочисткой. Вы можете услышать очень слабый ответ, но он будет скрыт в шуме. Давайте еще немного усилим шипы. Вы можете создать «вторую стадию» усиления, так же, как мы это делаем с нашим обычным SpikerBox, где у вас есть выход схемы, переходящий во вход другой копии схемы, как показано ниже:

Однако вы обнаружите, что это «удвоение» делает схему немного нестабильной, поэтому давайте немного снизим усиление на втором этапе.Мы добавили резистор 50 Ом параллельно с R _и, чтобы немного понизить усиление второй ступени, но все равно сделают более громкие всплески, когда вы подключите эту схему к ноге таракана. Смотрите видео ниже.

Теперь вы создали свой собственный усилитель на транзисторах! Поздравляю! Сообщите нам, если вы нашли способ сделать схему проще, чище и с большим усилением.

Обсуждение

Вы находитесь на пути к изобретению еще многих чудесных вещей.История науки определяется изобретением нового оборудования в руках творческих умов. Телескоп позволяет видеть вещи очень далеко. Микроскоп позволяет увидеть очень маленькое. Аппарат ПЦР позволяет измерять молекулы ДНК, а транзистор позволяет наблюдать крошечные электрические сигналы. С помощью этих инструментов мы можем видеть и пытаться понять мир, недоступный нашим невооруженным чувствам. Теперь начнем открывать.

Вопросы для обсуждения

Почему спайки от нашего простого двухтранзисторного биоусилителя «шумнее», чем SpikerBox? Что делает SpikerBox? Подсказка: SpikerBox имеет намного больше транзисторов и использует их для создания операционных усилителей, которые затем смешиваются с инструментальными усилителями.Добро пожаловать в искусство электроники!

Транзисторы — learn.sparkfun.com

Добавлено в избранное Любимый 79

Приложения II: Усилители

Некоторые из самых мощных транзисторных приложений включают усиление: преобразование сигнала малой мощности в сигнал большей мощности. Усилители могут увеличивать напряжение сигнала, беря что-то из диапазона мкВ и преобразовывая его в более полезный уровень в мВ или В.Или они могут усиливать ток, что полезно для превращения мкА тока, создаваемого фотодиодом, в ток гораздо большей величины. Существуют даже усилители, которые принимают ток и производят более высокое напряжение или наоборот (называемые транссопротивлением и крутизной соответственно).

Транзисторы являются ключевым компонентом многих усилительных схем. Существует бесконечное количество разнообразных транзисторных усилителей, но, к счастью, многие из них основаны на некоторых из этих более примитивных схем.Запомните эти схемы, и, надеюсь, с небольшим сопоставлением с образцом вы сможете разобраться в более сложных усилителях.

Общие конфигурации

Три основных транзисторных усилителя: общий эмиттер, общий коллектор и общая база. В каждой из трех конфигураций один из трех узлов постоянно связан с общим напряжением (обычно с землей), а два других узла являются либо входом, либо выходом усилителя.

Общий эмиттер

Общий эмиттер — одна из наиболее популярных схем транзисторов.В этой схеме эмиттер подключен к общему напряжению как для базы, так и для коллектора (обычно заземления). База становится входом сигнала, а коллектор становится выходом.

Схема с общим эмиттером популярна, потому что она хорошо подходит для усиления напряжения , особенно на низких частотах. Например, они отлично подходят для усиления аудиосигналов. Если у вас небольшой входной сигнал с размахом 1,5 В, вы можете усилить его до гораздо более высокого напряжения, используя немного более сложную схему, например:

Одна особенность обычного эмиттера состоит в том, что он инвертирует входной сигнал (сравните его с инвертором с последней страницы!).

Общий коллектор (эмиттерный повторитель)

Если мы подключим коллектор к общему напряжению, используем базу как вход, а эмиттер как выход, то получится общий коллектор. Эта конфигурация также известна как эмиттерный повторитель .

Общий коллектор не усиливает напряжение (фактически, выходное напряжение будет на 0,6 В ниже входного). По этой причине эту схему иногда называют повторителем напряжения .

Эта схема имеет большой потенциал в качестве усилителя тока .В дополнение к этому, высокий коэффициент усиления по току в сочетании с коэффициентом усиления по напряжению, близким к единице, делает эту схему отличным буфером напряжения . Буфер напряжения предотвращает нежелательные помехи цепи нагрузки цепи, управляющей ею.

Например, если вы хотите подать 1 В на нагрузку, вы можете пойти простым путем и использовать делитель напряжения, или вы можете использовать эмиттерный повторитель.

По мере увеличения нагрузки (что, наоборот, означает уменьшение сопротивления) выход схемы делителя напряжения падает.Но выходное напряжение эмиттерного повторителя остается стабильным, независимо от нагрузки. Большие нагрузки не могут «нагружать» эмиттерный повторитель, как это могут быть цепи с большим выходным сопротивлением.

Общая база

Мы поговорим об общей базе, чтобы завершить этот раздел, но это наименее популярная из трех основных конфигураций. В усилителе с общей базой эмиттер является входом, а коллектор — выходом. База общая для обоих.

Общая база похожа на антиэмиттер-повторитель.Это приличный усилитель напряжения, и ток на входе примерно равен току на выходе (на самом деле ток на входе немного больше, чем на выходе).

Схема с общей базой лучше всего работает как токовый буфер . Он может принимать входной ток с низким входным сопротивлением и подавать почти такой же ток на выход с более высоким сопротивлением.

Резюме

Эти три конфигурации усилителей лежат в основе многих более сложных транзисторных усилителей. У каждого из них есть приложения, где они сияют, будь то усиление тока, напряжения или буферизация.

	Общий эмиттер	Общий коллектор	Общая база
Коэффициент усиления по напряжению	Средний	Низкий	Высокий
Усиление тока	Низкое Входное сопротивление	Среднее 9035	Среднее	Высокое	Низкое
Выходное сопротивление	Среднее	Низкое	Высокое

Многокаскадные усилители

Мы можем продолжать говорить о большом разнообразии транзисторных усилителей.Вот несколько быстрых примеров, демонстрирующих, что происходит, когда вы комбинируете одноступенчатые усилители, указанные выше:

Дарлингтон

Усилитель Дарлингтона соединяет один общий коллектор с другим для создания усилителя с высоким коэффициентом усиления по току .

Выходное напряжение составляет , что примерно соответствует входному напряжению (минус примерно 1,2–1,4 В), но коэффициент усиления по току является произведением двух коэффициентов усиления транзистора . Это β ² — более 10 000!

Пара Дарлингтона — отличный инструмент, если вам нужно управлять большой нагрузкой с очень малым входным током.

Дифференциальный усилитель

Дифференциальный усилитель вычитает два входных сигнала и усиливает эту разницу. Это важная часть цепей обратной связи, где вход сравнивается с выходом для получения будущего выхода.

Вот основа дифференциального усилителя:

Эту схему также называют длинной хвостовой парой . Это пара схем с общим эмиттером, которые сравниваются друг с другом для получения дифференциального выхода.Два входа подаются на базы транзисторов; выход представляет собой дифференциальное напряжение на двух коллекторах.

Двухтактный усилитель

Двухтактный усилитель является полезным «заключительным каскадом» многих многокаскадных усилителей. Это энергоэффективный усилитель мощности, часто используемый для управления громкоговорителями.

Основной двухтактный усилитель использует транзисторы NPN и PNP, оба сконфигурированы как общие коллекторы:

Двухтактный усилитель на самом деле не усиливает напряжение (выходное напряжение будет немного меньше входного), но усиливает ток.Это особенно полезно в биполярных схемах (с положительным и отрицательным питанием), потому что оно может как «проталкивать» ток в нагрузку от положительного источника питания, так и «вытягивать» ток и погружать его в отрицательный источник питания.

Если у вас есть биполярный источник питания (или даже если у вас его нет), двухтактный — отличный конечный каскад для усилителя, действующий как буфер для нагрузки.

Собираем их вместе (операционный усилитель)

Давайте рассмотрим классический пример многокаскадной транзисторной схемы: операционный усилитель.Умение распознавать общие транзисторные схемы и понимание их назначения может очень помочь! Вот схема внутри LM3558, действительно простого операционного усилителя:

Внутреннее устройство операционного усилителя LM358. Узнали какие-то усилители?

Здесь определенно больше сложности, чем вы можете быть готовы усвоить, однако вы можете увидеть некоторые знакомые топологии:

Q1, Q2, Q3 и Q4 образуют входной каскад. Очень похоже на общий коллектор (Q1 и Q4) в дифференциальном усилителе , верно? Он просто выглядит перевернутым, потому что использует PNP.Эти транзисторы образуют входной дифференциальный каскад усилителя.
Q11 и Q12 являются частью второго этапа. Q11 — это общий коллектор, а Q12 — это общий эмиттер . Эта пара транзисторов буферизует сигнал с коллектора Q3 и обеспечивает высокий коэффициент усиления, когда сигнал поступает на конечный каскад.
Q6 и Q13 являются частью финальной стадии, и они тоже должны выглядеть знакомо (особенно если не обращать внимания на R _SC) — это двухтактный ! Этот этап буферизует выходной сигнал, позволяя ему управлять большими нагрузками.
Есть множество других распространенных конфигураций, о которых мы не говорили. Q8 и Q9 сконфигурированы как токовое зеркало , которое просто копирует величину тока, проходящего через один транзистор, в другой.

После этого ускоренного курса по транзисторам мы не ожидаем, что вы поймете, что происходит в этой схеме, но если вы можете начать определять общие транзисторные схемы, вы на правильном пути!

← Предыдущая страница
Приложения I: Коммутаторы

Базовый транзисторный усилитель — биполярные транзисторы

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Прежде чем переходить к базовому транзисторному усилителю, вам следует ознакомиться с двумя терминами: УСИЛИТЕЛЬ и УСИЛИТЕЛЬ.Усиление — это процесс увеличения силы СИГНАЛА. Сигнал — это просто общий термин, используемый для обозначения любого конкретного тока, напряжения или мощности в цепи. Усилитель — это устройство, которое обеспечивает усиление (увеличение тока, напряжения или мощности сигнала) без существенного изменения исходного сигнала.

Транзисторы часто используются как усилители. Некоторые транзисторные схемы представляют собой усилители ТОКА с малым сопротивлением нагрузки; остальные схемы рассчитаны на усиление НАПРЯЖЕНИЯ и имеют высокое нагрузочное сопротивление; другие усиливают СИЛУ.

Базовый транзисторный усилитель (версия NPN)

Теперь взглянем на NPN-версию базового транзисторного усилителя на рисунке выше и посмотрим, как он работает.

Путем вставки одного или нескольких резисторов в схему могут быть достигнуты различные методы смещения, и эмиттер-база аккумулятор устранен. Помимо устранения батареи, некоторые из этих методов смещения компенсируют незначительное изменения характеристик транзистора и изменения проводимости транзистора в результате температурных отклонений.Обратите внимание на рисунок выше, что батарея эмиттер-база была удалена, а резистор смещения Rb был вставлен. между коллектором и цоколем. Резистор Rb обеспечивает необходимое прямое смещение для перехода эмиттер-база. Ток течет в цепи смещения эмиттер-база от земли к эмиттеру, через вывод базы и через Rb к Vcc. Поскольку ток в базовой цепи очень мал (несколько десятков микроампер) и прямое сопротивление цепи транзистор имеет низкий уровень, только несколько десятых вольт положительного смещения будут ощущаться на базе транзистора.Тем не мение, этого достаточно напряжения на базе, вместе с землей на эмиттере и большим положительным напряжением на коллекторе, правильно смещать транзистор.

При правильном смещении Q1 постоянный ток течет непрерывно, с входным сигналом или без него, на всем протяжении схема. Постоянный ток, протекающий по цепи, вызывает не только базовое смещение; он также развивает напряжение коллектора (Vc), протекающее через Q1 и Rl. Обратите внимание на напряжение коллектора на графике выхода.Поскольку он присутствует в схеме без входного сигнала, то выходной сигнал начинается с уровня Vc и либо увеличивается, либо уменьшается. Эти постоянные напряжения и токи, которые существуют в цепи до применения сигнала известны как напряжения и токи в состоянии покоя (состояние покоя схемы).

Резистор Rl, резистор нагрузки коллектора, помещен в схему, чтобы сохранить полный эффект коллектора. напряжение питания от коллектора. Это позволяет напряжению коллектора (Vc) изменяться в зависимости от входного сигнала, что, в свою очередь, позволяет транзистору усиливать напряжение.Без Rl в цепи напряжение на коллекторе всегда будет равно Vcc.

Конденсатор связи (Cc) — еще одно новое дополнение к схеме транзистора. Он используется для передачи входного сигнала переменного тока и заблокируйте постоянное напряжение от предыдущей схемы. Это предотвращает появление постоянного тока в схеме слева от муфты. конденсатор от воздействия смещения на Q1. Конденсатор связи также блокирует смещение Q1 от попадания на вход. источник сигнала.

На вход усилителя подается синусоидальная волна, которая колеблется на десятки милливольт выше и ниже нуля.Он вводится в цепь за счет конденсатора связи и применяется между базой и эмиттером. Когда входной сигнал становится положительным, напряжение на переходе эмиттер-база становится более положительным. Фактически это увеличивает прямое смещение, которое вызывает базовый ток увеличивается с той же скоростью, что и входной синусоидальный сигнал. Также увеличиваются токи эмиттера и коллектора. но намного больше, чем базовый ток. С увеличением тока коллектора на R1 возникает большее напряжение. С напряжение на Rl и напряжение на Q1 (коллектор-эмиттер) должны в сумме равняться Vcc, т.е. увеличение напряжения на Rl приводит к одинаковому снижению напряжения на Q1.Следовательно, выходное напряжение усилителя, снятое на коллектор Q1 по отношению к эмиттеру представляет собой отрицательное изменение напряжения, которое больше, чем входное, но имеет одинаковые характеристики синусоидальной волны.

Во время отрицательного изменения входа входной сигнал противодействует прямому смещению. Это действие уменьшает базу ток, что приводит к уменьшению как эмиттерных, так и коллекторных токов. Уменьшение тока через Rl уменьшается его падение напряжения и заставляет напряжение на транзисторе расти вместе с выходным напряжением.Следовательно, на выходе для отрицательного чередования входа — положительное чередование напряжения, которое больше, чем входное, но имеет те же характеристики синусоидальной волны.

Изучая как входные, так и выходные сигналы для одного полного чередования входа, мы можем видеть, что выход усилитель является точным воспроизведением входного сигнала, за исключением обратной полярности и увеличенной амплитуды. (десятки милливольт по сравнению с несколькими вольт).

Базовый транзисторный усилитель (версия PNP)

Версия PNP этого усилителя показана выше.Основное отличие NPN а усилитель PNP — полярность источника напряжения. При отрицательном Vcc базовое напряжение PNP немного отрицательное. относительно земли, что обеспечивает необходимое условие прямого смещения между эмиттером и базой.

Когда входной сигнал PNP становится положительным, он противодействует прямому смещению транзистора. Это действие отменяет некоторые из отрицательное напряжение на переходе эмиттер-база, которое снижает ток через транзистор.Следовательно напряжение на нагрузочном резисторе уменьшается, а напряжение на транзисторе увеличивается. Поскольку Vcc отрицательно, напряжение на коллекторе (Vc) идет в отрицательном направлении (как показано на выходном графике) в сторону -Vcc (например, от -5 вольт до -7 вольт). Таким образом, выходной сигнал представляет собой отрицательное изменение напряжения, которое изменяется с той же скоростью, что и выходное напряжение. входной синусоидальной волны, но имеет противоположную полярность и гораздо большую амплитуду.

Во время отрицательного изменения входного сигнала ток транзистора увеличивается, потому что входное напряжение помогает прямой уклон.Следовательно, напряжение на R1 увеличивается, и, следовательно, напряжение на транзисторе уменьшается или идет в положительном направлении (например: с -5 вольт до -3 вольт). Это действие приводит к положительному выходное напряжение, которое имеет те же характеристики, что и входное, за исключением того, что оно усилено и полярность в обратном порядке.

Таким образом, входные сигналы в предыдущих схемах были усилены из-за небольшого изменения тока базы вызвало большое изменение тока коллектора.И, поместив резистор Rl последовательно с коллектором, напряжение усиление было достигнуто.

Глава 9: Однотранзисторные усилители: [Analog Devices Wiki]

9.1 Базовые усилители

Термин «усилитель», используемый в этой главе, означает схему (или каскад), использующую одно активное устройство, а не полную систему, такую как операционный усилитель на интегральной схеме.Усилитель — это устройство для увеличения мощности сигнала. Это достигается за счет получения энергии от источника питания и управления выходом для дублирования формы входного сигнала, но с большей амплитудой (напряжение или ток). В этом смысле усилитель можно рассматривать как модулирующий напряжение или ток источника питания для получения его выходной мощности.

Базовый усилитель (рисунок 9.1) имеет два порта и характеризуется коэффициентом усиления, входным сопротивлением и выходным сопротивлением.Идеальный усилитель имеет бесконечное входное сопротивление (R _на = ∞), нулевое выходное сопротивление (R _{на выходе} = 0) и бесконечное усиление (A _vo = ∞) и бесконечную полосу пропускания, если это необходимо.

Рисунок 9.1 Базовая модель усилителя

Транзистор, как мы видели в предыдущей главе, представляет собой трехполюсное устройство. Если представить базовый усилитель в виде двухпортовой сети, как показано на рисунке 9.1, потребуется два входа и два выхода, всего четыре.Это означает, что один из выводов транзистора должен быть общим для входных и выходных цепей. Это приводит к именам общего эмиттера и т. Д. Для трех основных типов усилителей. Самый простой способ определить, подключено ли устройство как общий эмиттер / исток, общий коллектор / сток или общая база / затвор, — это проверить, где входит входной сигнал и выходит выходной сигнал. Остающийся терминал является общим как для ввода, так и для вывода. В этой главе мы в основном будем использовать транзисторы n-типа (NPN, NMOS) в примерах схем.Те же базовые каскады усилителя могут быть также легко реализованы с использованием транзисторов p-типа (PNP, PMOS). Когда собираются более крупные многокаскадные усилители, оба типа транзисторов часто перемежаются друг с другом.

Строительные блоки усилительных каскадов:

Инвертирующий усилитель напряжения (также называемый усилителем с общим эмиттером или общим источником)
Токовый повторитель (также называемый общей базой, общим затвором или каскодом)
Повторитель напряжения (также называемый усилителем с общим коллектором или общим стоком)
Обратная связь серии (чаще: вырождение эмиттера / источника)
Шунтовая обратная связь

9.2 Инвертирующий усилитель напряжения или Общий эмиттер / источник

Усилитель с общим эмиттером / истоком является одной из трех основных топологий однокаскадных усилителей. Версии BJT и MOS работают как инвертирующий усилитель напряжения и показаны на рисунке 9.2. Клемма базы или затвора транзистора служит входом, коллектор или сток — выходом, а эмиттер или исток являются общими для входа и выхода (он может быть привязан к заземлению или шине источника питания), которые рождает его общее название.

Рисунок 9.2: Базовая схема инвертирующего усилителя напряжения n-типа (без учета деталей смещения)

Усилитель с общим эмиттером или истоком можно рассматривать как усилитель крутизны (, т.е. напряжение на входе, ток на выходе) или как усилитель напряжения (напряжение на входе, напряжение на выходе). В качестве усилителя крутизны входное напряжение слабого сигнала, v _будет для BJT или v _gs для полевого транзистора, умноженное на крутизну устройства g _m, модулирует количество тока, протекающего через транзистор, i _c или i _d.Пропуская этот переменный ток через выходное сопротивление нагрузки, R _L, он будет преобразован обратно в напряжение В, , _{, на выходе}. Однако выходное сопротивление малого сигнала транзистора, r _o, обычно недостаточно велико для разумного усилителя крутизны (в идеале — бесконечного). И выходная нагрузка, R _L, недостаточно мала для приличного усилителя напряжения (в идеале нулевая). Другим серьезным недостатком является ограниченная высокочастотная характеристика усилителя, отчасти из-за встроенной емкости коллекторной базы или затвора стока, присущей транзистору.Подробнее о том, как эта емкость влияет на частотную характеристику, в следующем разделе этой главы. Поэтому на практике выход часто направляется либо через повторитель напряжения (каскад с общим коллектором или стоком), либо через повторитель тока (каскад с общей базой или затвором), чтобы получить более благоприятные выходные и частотные характеристики. Эта последняя комбинация называется каскодным усилителем, как мы увидим позже в главе, посвященной многокаскадным усилителям.

По сравнению с усилителем с общим эмиттером BJT, усилитель с общим истоком на полевых транзисторах имеет более высокое входное сопротивление.Обычно меньшее значение g _m полевого транзистора по сравнению с BJT при равных уровнях тока приводит к более низкому усилению напряжения для версии MOS.

9.2.1 Методы смещения постоянного тока, общий эмиттер / источник

Чтобы усилитель с общим эмиттером или истоком обеспечивал наибольший размах выходного напряжения, напряжение на выводе базы или затвора транзистора смещается таким образом, что транзистор номинально работает на полпути между его точками отсечки и насыщения.Обратите внимание на характеристические кривые NMOS (a) и NPN (b) на рисунке 9.2.1. Это позволяет каскаду усилителя более точно воспроизводить положительную и отрицательную половины входного сигнала, наложенного на напряжение смещения постоянного тока. Без этого смещения напряжения смещения усиливается только положительная половина входного сигнала.

Рисунок 9.2.1 (a) I _D в сравнении с V _{кривые DS} и (b) I _C в сравнении с V _{кривые CE}

Красная линия, наложенная на два набора кривых, представляет линию нагрузки постоянного тока 400-омного R _L.Чтобы максимизировать размах выходного сигнала, желательно установить рабочую точку транзистора с нулевым входным сигналом при напряжении стока или коллектора, равном половине напряжения питания, которое в данном случае составляет 4 В. Определение соответствующего тока стока или коллектора вдоль линии нагрузки дает нам целевой уровень тока. Это около 10 мА для R _L, равное 400 Ом. Следующим шагом является определение соответствующего V _GS или I _B для 10 мА I _D или I _C.В примере NMOS каждая кривая представляет различную В _GS от 0,9 до 1,5 вольт с шагом 0,1 вольт. Устройство NMOS, используемое в этом примере, имеет крутизну около 40 мА / В . I _D, равный точке 10 мА на линии нагрузки, находится между кривыми 1,4 В и 1,3 В или В _GS 1,32 В. В примере NPN каждая кривая представляет другой I _B от 10 мкА до 100 мкА с шагом 10 мкА. Кривая 50 мкА пересекает линию нагрузки при I _C = 10 мА.Следовательно, β транзистора должно быть около 200. Теперь задача состоит в том, чтобы каким-то образом обеспечить это смещение постоянного тока или смещение на затворе или базе транзистора.

Первый метод смещения, который мы рассмотрим, называется смещением делителя напряжения и показан на рисунке 9.2.2. Если мы выберем правильные значения резисторов для R ₁ и R ₂, что приведет к такому току коллектора или стока, что половина напряжения питания, В + появится на R _L, мы должны получить желаемое. значение В _GS или В _BE (I _B) для смещения без входного сигнала.В случае MOS мы знаем, что ток не течет в затвор, поэтому можно использовать простой коэффициент делителя напряжения для выбора R ₁ и R ₂. Если В + = 8 В и мы хотим, чтобы В _GS равнялось 1,32 В , то:

Реальные значения R ₁ и R ₂ не так важны, как их соотношение. Однако выбранный нами коэффициент делителя будет правильным только для одного набора условий напряжения источника питания, порогового напряжения и крутизны транзистора, а также температуры.В реальных проектах часто используются более сложные схемы смещения.

Рисунок 9.2.2 Смещение делителя напряжения

Для случая NPN расчет несколько сложнее. Мы знаем, что хотим, чтобы I _B был равен 50uA. Ток, протекающий в R ₁, является суммой тока в R ₂ и I _B, что устанавливает верхнюю границу для R ₁, когда R ₂ бесконечно и ток в R ₂. Если принять номинальное значение В _BE 0.65 В, тогда R ₁ не должно превышать 7,35 В / 50 мкА или 147 кОм. Назначение делителя напряжения — ослабить колебания В + и, таким образом, сделать рабочую точку транзистора по постоянному току менее чувствительной к В +. Для этого нам нужно сделать ток в R ₂ во много раз больше, чем в I _B. Если мы, например, выберем сделать I _R2 9 раз I _B, тогда ток в R ₁ будет 10 * I _B или 500 мкА.R ₁ будет 1/10 от того, что мы только что рассчитали как верхнюю границу, или 14,7 кОм. R ₂ будет составлять В _BE, деленное на 450 мкА или 1,444 кОм, что представляет собой коэффициент делителя 0,8921. Если бы мы просто использовали 8V — V _BE / 8V в качестве отношения (предположим, что V _BE = 0,65V), коэффициент делителя был бы 0,8125. С учетом I _B смещено необходимое передаточное число. Эти значения необходимо немного изменить, если фактическое значение V _BE не равно 0.В этом расчете мы использовали 65 вольт (или β не было 200). Это указывает на главное ограничение этой схемы смещения, как мы указывали в примере MOS выше. Это чувствительность к конкретным характеристикам устройства, таким как В, _{, BE} и β, а также к напряжению питания и температуре.

Следствием включения этой схемы смещения является снижение входного импеданса. Вход теперь включает параллельную комбинацию R ₁ и R ₂ на входе.Для случая MOS теперь устанавливается входное сопротивление. Для случая BJT у нас теперь есть R ₁ || R ₂ || r _π как эффективное входное сопротивление.

Есть еще одна небольшая неудобная проблема с этой схемой смещения, когда она подключена к предыдущему каскаду в тракте прохождения сигнала. Эта конфигурация смещения размещает источник входного сигнала переменного тока непосредственно параллельно с R ₂ делителя напряжения. Это может быть неприемлемо, поскольку входной источник может иметь тенденцию добавлять или вычитать из напряжения постоянного тока, падающего на R ₂.

Один из способов заставить эту схему работать, хотя может быть неочевидно, почему она будет работать, — это разместить конденсатор связи между источником входного напряжения и делителем напряжения, как показано на рисунке 9.2.3 ниже.

Рисунок 9.2.3 Конденсатор связи C _C предотвращает протекание тока смещения делителя напряжения в источник входного сигнала.

Конденсатор образует фильтр верхних частот между источником входного сигнала и делителем напряжения постоянного тока, пропуская почти всю часть входного сигнала переменного тока на транзистор, блокируя при этом все напряжение смещения постоянного тока от короткого замыкания через источник входного сигнала.Это будет иметь больше смысла, если вы поймете теорему суперпозиции и то, как она работает. В соответствии с суперпозицией любую линейную двустороннюю схему можно анализировать по частям, рассматривая только один источник питания за раз, а затем алгебраически складывая эффекты всех источников питания, чтобы найти окончательный результат. Если бы мы отделили конденсатор и схему делителя напряжения R ₁ / R ₂ от остальной части усилителя, было бы легче понять, как будет работать эта суперпозиция переменного и постоянного тока.

При действии только источника сигнала переменного тока и конденсатора с произвольно низким импедансом на частоте входного сигнала почти все напряжение переменного тока появляется на R ₂.

9.2.2 Усиление напряжения слабого сигнала, общий эмиттер или источник

Чтобы рассчитать коэффициент усиления по напряжению малого сигнала усилителя с общим эмиттером или истоком, нам нужно вставить в схему модель транзистора с малым сигналом. Модели малосигналов BJT и MOS FET на самом деле очень похожи, поэтому расчет усиления для обеих версий во многом одинаков.Гибридные π-модели малых сигналов для усилителей BJT и MOS показаны на рисунке 9.2.4.

Рисунок 9.2.4 Модели слабого сигнала с обычным излучателем или источником.

Ниже приведены некоторые из ключевых уравнений модели, которые нам понадобятся для расчета коэффициента усиления по напряжению в каскаде усилителя. Эти уравнения используются для других конфигураций усилителей, которые мы также обсудим в следующих разделах.

(BJT) (MOS)

Коэффициент усиления напряжения малого сигнала A _v представляет собой отношение входного напряжения к выходному напряжению:

Входное напряжение В _в (v _будет для BJT и v _GS для MOS), умноженное на крутизну g _m, равно выходному току слабого сигнала, i _o в коллекторе или стоке. V _out будет просто умножить этот ток на сопротивление нагрузки R _L,, пренебрегая на данный момент сопротивлением выхода малого сигнала r _o. Обратите внимание на знак минус из-за направления тока i _o.

Переставляя на выигрыш, получаем:

Подставляя уравнения BJT и MOS g _m, получаем:

(BJT) (MOS)

Сравнивая эти два уравнения усиления, мы видим, что они оба зависят от токов коллектора или стока постоянного тока.Коэффициент усиления BJT обратно пропорционален В _T (тепловое напряжение), что составляет примерно 26 мВ при комнатной температуре. Тепловое напряжение, В _T увеличивается с повышением температуры, поэтому из уравнения мы видим, что коэффициент усиления фактически уменьшается с повышением температуры. Коэффициент усиления МОП обратно пропорционален перенапряжению, В _ov ( В _GS — В _th), которое часто намного больше, чем В _T при аналогичных опережающих токах стока. к более низкому усилению для ступени MOS vs.ступень BJT для примерно равных токов смещения.

Если R _L относительно велико по сравнению с малым выходным сопротивлением сигнала, тогда усиление будет уменьшено, потому что фактическая выходная нагрузка представляет собой параллельную комбинацию R _L и r _o. Фактически r _o устанавливает верхнюю границу возможного усиления, которое может быть достигнуто с помощью каскада усилителя с одним транзистором.

9.2.3 Входное сопротивление слабого сигнала, общий эмиттер или источник

Снова посмотрим на модели малых сигналов на рисунке 9.2.4 мы видим, что для случая BJT вход V _в будет видеть r _π как нагрузку. Для корпуса MOS V _в будет видна в основном обрыв цепи (в любом случае для низких частот). Это, конечно, будет в случае отсутствия какой-либо схемы смещения затвора или базы.

9.2.4 Выходное сопротивление слабого сигнала, общий эмиттер или источник

Снова посмотрев на модели слабого сигнала на рисунке 9.2.4, мы увидим, что как для случая BJT, так и для случая MOS выходное сопротивление представляет собой параллельную комбинацию R _L и r _o.Для большинства практических приложений мы можем игнорировать r _o, потому что он очень часто намного больше, чем R _L. Ниже приведены уравнения BJT и MOS r _o.

(BJT) (MOS)

9.2.5 Общий источник и излучатель Лабораторная деятельность

9.3 Токовый повторитель, также известный как усилитель с общей базой или затвор

Повторитель тока или усилитель с общей базой / затвором имеет высокое усиление по напряжению, относительно низкий входной импеданс и высокий выходной импеданс по сравнению с повторителем напряжения или усилителем с общим коллектором / стоком.Версии BJT и MOS показаны на рисунке 9.3.

Рисунок 9.3: Базовый токовый повторитель n-типа или общая схема базы / затвора (без учета деталей смещения)

9.3.1 Методы смещения постоянного тока, повторитель тока или усилитель с общей базой / затвором

В приложениях, где обеспечивается только положительное напряжение источника питания, требуются некоторые средства обеспечения необходимого уровня постоянного напряжения для общего вывода затвора или базы. Это может быть так же просто, как делитель напряжения между землей и источником питания.В приложениях, где доступны как положительное, так и отрицательное напряжение питания, заземление является удобным узлом для использования в качестве общего вывода затвора или базы.

Каскад с общим затвором или базой чаще всего используется в сочетании с усилителем с общим эмиттером или истоком в так называемой каскодной конфигурации. Каскод будет рассмотрен более подробно в следующей главе, посвященной многокаскадным усилителям.

9.3.2 Усиление напряжения малого сигнала, токовый повторитель или усилитель с общей базой / затвором

Чтобы рассчитать усиление по напряжению малого сигнала для усилителя с общей базой или затвором, мы вставляем в схему малосигнальную модель транзистора.Модели малых сигналов для усилителей BJT и MOS показаны на рисунке 9.3.1.

Рисунок 9.3.1 Токовый повторитель или модели малого сигнала с общей базой / затвором.

Как и в каскаде усилителя с общим излучателем / истоком, входное напряжение слабого сигнала, В _в (v _будет для BJT и v _GS для MOS), умноженное на крутизну g _m равен выходному току малого сигнала, i _o в коллекторе или стоке. V _out будет просто умножить этот ток на сопротивление нагрузки R _L,, пренебрегая на данный момент сопротивлением выхода малого сигнала r _o.

Возможно, более полезно учитывать коэффициент усиления по току каскада повторителя тока, а не его коэффициент усиления по напряжению. В случае версии MOS мы знаем, что I _S = I _D, потому что I _G = 0. Таким образом, усиление тока ступени MOS равно 1. В случае версии BJT мы знаем, что соотношение От I _C до I _E равно α и, следовательно, будет немного меньше 1.

9.3.3 Входное сопротивление, повторитель тока или усилитель с общей базой / затвором

Снова глядя на модели малых сигналов на рисунке 9.3.1, мы видим, что для случая BJT вход V _в будет видеть r _π параллельно с последовательной комбинацией g _m и R _L в качестве нагрузки. Для случая MOS V _в в основном будет отображаться только последовательная комбинация g _m и R _L.Уравнение ниже (из модели T малого сигнала BJT) связывает g _m и сопротивление, видимое на эмиттере r _E. Мы также можем использовать это соотношение, чтобы получить сопротивление, наблюдаемое в источнике r _S.

(также r _S для MOS)

Здесь также важно отметить, что 100% (без учета I _B в случае BJT) тока от входного источника протекает через транзистор и становится выходным током.Таким образом, имя текущего последователя.

9.3.4 Выходное сопротивление, токовый повторитель или усилитель с общей базой / затвором

Снова посмотрев на модели малых сигналов на рисунке 9.3.1, мы видим, что как для случая BJT, так и для случая MOS выходное сопротивление представляет собой параллельную комбинацию R _L и r _o. В целом мы можем предположить, что это правда, если учесть, что В _в питается от источника напряжения с низким импедансом (почти идеальным). В противном случае конечный выходной импеданс должен быть добавлен последовательно с r _или.Если вход токового повторителя управляется относительно высоким выходным сопротивлением усилителя крутизны, такого как общий эмиттер или усилитель-исток более ранней версии, то выходное сопротивление комбинированного усилителя может быть очень высоким. Для большинства практических приложений мы можем игнорировать r _o, потому что он очень часто намного больше, чем R _L.

ADALM1000 Lab Activity, усилитель с общей базой BJT
ADALM1000 Lab Activity, усилитель с общим затвором BJT
ADALM1000 Lab Activity, усилитель со сложенным каскодом

9.4 повторителя напряжения (также называемые повторителем эмиттера или истока или усилителями с общим коллектором или стоком)

Эмиттерный или истоковый повторитель часто называют общим коллекторным или стокным усилителем, потому что коллектор или сток являются общими для входа и выхода. Эта конфигурация усилителя, показанная на рисунке 9.4, имеет выходной сигнал, полученный от резистора эмиттер / исток, и полезна в качестве устройства согласования импеданса, поскольку его входное сопротивление намного выше, чем его выходное сопротивление. По этой причине повторитель напряжения также называют «буфером».

Рисунок 9.4: Базовый повторитель напряжения n-типа или общая цепь коллектора / стока (без учета деталей смещения)

Коэффициент усиления повторителя напряжения всегда меньше единицы, поскольку r _E и R _L или r _S и R _L образуют делитель напряжения. Смещение от входа к выходу устанавливается падением В, _BE примерно на 0,65 В ниже базы для BJT и В _GS ниже затвора для MOS.Функция этой конфигурации заключается не в усилении напряжения, а в согласовании усиления по току или мощности и импеданса. Входное сопротивление намного выше, чем его выходное сопротивление, поэтому от источника сигнала не требуется подавать столько энергии на вход. Это видно из того факта, что ток базы примерно в 100 раз (β) меньше тока эмиттера. Низкое выходное сопротивление эмиттерного повторителя соответствует нагрузке с низким импедансом и буферизует источник сигнала от этого низкого импеданса.

9.4.1 Методы смещения постоянного тока, повторитель напряжения или усилитель с общим коллектором / стоком

Ток коллектора / источника в основном определяется резистором эмиттер / исток, поэтому основными переменными конструкции в этом случае являются просто R _L и напряжение источника питания.

9.4.2 Коэффициент усиления по напряжению, усилитель с общим коллектором или стоком

Чтобы рассчитать усиление по напряжению при слабом сигнале конфигурации повторителя напряжения, мы вставляем в схему модель транзистора с малым сигналом.Модели малых сигналов для усилителей BJT и MOS показаны на рисунке 9.4.1.

Рисунок 9.4.1 Модели с малым сигналом повторителя напряжения.

Пример 9.4.2 Расчет усиления напряжения

Для схемы на рисунке 9.4.2 рассчитайте коэффициент усиления по напряжению A _В = В _{на выходе}/ В _на.

Рисунок 9.4.2 Пример усиления напряжения BJT

Чтобы использовать формулу усиления по напряжению, которую мы только что получили с помощью моделей слабого сигнала, нам нужно сначала вычислить r _E.В разделе 9.3.3 дано уравнение для r _E:

Чтобы использовать эту формулу, нам необходимо знать I _E. Мы знаем, что напряжение на R _L составляет В, , _{, на выходе}. Мы также знаем, что V _out = V _in — V _BE. Если мы используем оценку В _BE как 0,6 вольт, мы получим В _{на выходе} = 5,6 — 0,6 или 5 вольт. Если R _L составляет 1 кОм, то I _E составляет 5 мА.Используя значение комнатной температуры для В _T = 25 мВ, получаем r _E равно 5 Ом. Подставляя эти значения в наше уравнение усиления, мы получаем:

9.4.3 Входное сопротивление, повторитель напряжения (общий коллектор или сток)

(BJT)

9.4.4 Выходное сопротивление, повторитель напряжения (общий коллектор или сток)

Выходное сопротивление — это просто параллельная комбинация резистора эмиттера (истока) R _L и сопротивления эмиттера (истока) малого сигнала транзистора r _E.Снова из раздела 9.3.3 уравнение для r _E выглядит следующим образом:

Точно так же сопротивление источника слабого сигнала, r _S, для МОП-транзистора составляет 1/ g _m.

Возвращаясь к нашему примеру усиления на рисунке 9.4.2, мы также можем вычислить выходное сопротивление, которое будет параллельной комбинацией 1 кОм R _L и 3 Ом r _E или 2,99 Ом.

9.4.5 Повторитель напряжения (общий коллектор или сток) Лабораторные работы

9.Обратная связь серии 5: вырождение эмиттера / источника

Усилители с общим эмиттером / истоком дают усилителю инвертированный выходной сигнал и могут иметь очень высокий коэффициент усиления и могут широко варьироваться от одного транзистора к другому. Коэффициент усиления сильно зависит как от температуры, так и от тока смещения, поэтому фактическое усиление в некоторой степени непредсказуемо. Стабильность — еще одна проблема, связанная с цепями с таким высоким коэффициентом усиления из-за любой непреднамеренной положительной обратной связи, которая может присутствовать. Другие проблемы, связанные со схемой, — это низкий входной динамический диапазон, обусловленный пределом слабого сигнала; при превышении этого предела возникает сильное искажение, и транзистор перестает вести себя как его модель с малым сигналом.Когда вводится отрицательная обратная связь, многие из этих проблем уменьшаются, что приводит к повышению производительности. Есть несколько способов ввести обратную связь в этом простом каскаде усилителя, самый простой и самый надежный из которых достигается путем введения небольшого резистора в цепь эмиттера (R _E). Это также называется последовательной обратной связью. Величина обратной связи зависит от относительного уровня сигнала, падающего на этом резисторе. Сигнал, видимый на R _E, не в фазе с сигналом, наблюдаемым на V _из, и, таким образом, вычитается из V _из, уменьшая его амплитуду.Когда значение резистора эмиттера приближается к значению резистора нагрузки коллектора (R _L), коэффициент усиления приближается к единице (A _v ~ 1).

Рисунок 9.5: Добавление резистора эмиттер / исток уменьшает усиление. Однако с повышенной линейностью и стабильностью

Гораздо реже включать резистор дегенерации в конструкции МОП. Это связано с тем, что в микроэлектронных интегральных схемах коэффициент усиления ( г _м) устройства можно регулировать путем изменения отношения W / L.Такая степень свободы проектирования обычно недоступна в биполярных (BJT) процессах.

Пример смещения постоянного тока с вырождением эмиттера

Есть несколько практических правил смещения BJT:

1. Установите I _E, а не I _B или V _BE: меньшая зависимость от β и температуры ( V _T)
2. Допускается 1 / 3V _CC через R _C, В _CE и R _B2
3.Сэкономьте электроэнергию, добавив только 10% I _E в R _B

Для схемы на рисунке 9.5.1 дано следующее: В _CC = 20 В; I _E = 2 мА; β = 100. Исходя из наших практических правил, мы устанавливаем V _B = 1/3 * V _CC = 6,7 V .

Рисунок 9.5.1 Пример смещения постоянного тока

V _B = (R _B2 / (R _B1 + R _B2)) * V _CC ⇒ 6.7V = (R _B2 / (R _B1 + R _B2)) * 20 (1)

V _CC / (R _B1 + R _B2) = 0,1 * I _E ⇒ 20 / (R _B1 + R _B2) = 200 мкА (2)

Решая уравнения (1) и (2), получаем:

R _B1 = 2R _B2, затем из (2)

3R _B2 = 20/200 мкА = 100 кОм

Итак, R _B2 = 33 кОм и R _B1 = 66 кОм.

Теперь у нас есть V _E = V _B — V _BE = 6.7 — 0,7 = 6 В и I _E составляет 2 мА : R _E = В _E / I _E = 6/2 мА = 3 кОм.

I _C = (β / (β + 1)) * I _E = (100/101) * 2 мА = 1,98 мА и I _B = I _C / β = 1,98 мА / 100 = 19,8 мкА.

Из наших практических правил мы знаем, что В _C = 2/3 * 20 В = 13,3 В

Итак, чтобы найти R _L, мы имеем: R _L = ( V _CC— V _C) / I _C = (20-13.3) / 1,98 мА = 3,4 кОм

9.5.1 Усиление напряжения слабого сигнала с вырождением эмиттер / источник

Чтобы рассчитать коэффициент усиления по напряжению малого сигнала усилителя с общим эмиттером / истоком с добавлением вырождения эмиттер / исток, мы снова вставляем в схему модель транзистора с малым сигналом. Модели малых сигналов для усилителей BJT и MOS показаны на рисунке 9.5.1.

Рисунок 9.5.1 Общий излучатель / источник с вырождением

Импеданс R _E уменьшает общую крутизну г _м схемы в г _м R _E + 1, что дает усиление по напряжению:

(при г _м R _E »1)

Таким образом, усиление напряжения зависит почти исключительно от соотношения резисторов R _L / R _E, а не от внутренних и непредсказуемых характеристик транзистора.Таким образом, характеристики искажения и стабильности схемы улучшаются за счет уменьшения усиления.

Возвращаясь к нашему предыдущему примеру смещения, рисунок 9.5.1, значения для I _C = 2 мА, R _L = 3,4 кОм и R _E = 3 кОм, чтобы вычислить усиление малого сигнала, мы сначала находим g _m = I _C/ В _T = 2 мА / 25 мВ = 0,08. Используя нашу формулу для A _V:

9.5.2 Входное сопротивление слабого сигнала с вырождением излучатель / источник

Снова посмотрев на модели малых сигналов на рисунке 9.4.1, мы видим, что для случая BJT вход В _в см. R _ последовательно с резистором дегенерации R _E в качестве нагрузки. Для корпуса МОП В, , _в см в основном обрыв цепи.

9.5.3 Выходное сопротивление слабого сигнала с вырождением эмиттера / источника

Снова посмотрим на модели малых сигналов на рисунке 9.5.1 мы видим, что как для случая BJT, так и для случая MOS, как и в более раннем каскаде с общим эмиттером / истоком, выходное сопротивление представляет собой параллельную комбинацию R _L и r _o, но теперь резистор вырождения R _E идет последовательно с r _или. Для большинства практических приложений мы можем игнорировать r _o, потому что он очень часто намного больше, чем R _L.

9.5.4 Методы смещения постоянного тока с вырождением эмиттера / источника

В основном те же методы, что и в простом каскаде усилителя с общим эмиттером / истоком, которые обсуждались в разделе 9.2.1, может использоваться при добавлении резистора дегенерации эмиттера. Добавленное напряжение на R _E (R _E * I _E) должно быть добавлено к уровню смещения. Это добавленное падение напряжения фактически делает рабочую точку (I _C) гораздо менее чувствительной к уровню смещения.

Коэффициент усиления по напряжению малого сигнала усилителя с общим эмиттером и сопротивлением эмиттера составляет примерно R _L / R _E. Для случаев, когда требуется усиление более 5-10, R _E может стать настолько маленьким, что необходимое условие хорошего смещения, В _E = R _E * I _E> 10 * В _T не может быть достигнуто.Способ восстановить небольшой коэффициент усиления напряжения сигнала при сохранении желаемого рабочего смещения постоянного тока состоит в использовании байпасного конденсатора, как показано на рисунке 9.5.4. Для слабого сигнала переменного тока сопротивление эмиттера составляет всего R _E1, в то время как для смещения постоянного тока сопротивление эмиттера представляет собой последовательную комбинацию R _E = R _E1 + R _E2. Здесь могут быть применены расчеты для усилителя с общим эмиттером с вырождением эмиттера, заменив R _E на R _E1 при определении коэффициента усиления усилителя, а также входного и выходного импедансов, поскольку достаточно большой байпасный конденсатор приводит к замыканию R _E2 и эффективно удаляется из схемы для достаточно высокочастотных входов.

Рисунок 9.5.4 Добавление обводного конденсатора эмиттера

Используя наше предыдущее упражнение со смещением на рисунке 9.5.1 в качестве примера, но разделив 3 кОм R _E на два резистора, как на рисунке 9.5.4, с R _E1 = 1 кОм и R _E2 = 2 кОм с C ₁ = 1 мкФ мы можем пересчитать усиление слабого сигнала для высоких частот, где C ₁ эффективно закорачивает R _E2, чтобы получить:

Однако добавление шунтирующего конденсатора C ₁ изменяет низкочастотную характеристику схемы.Из наших двух вычислений коэффициента усиления мы знаем, что коэффициент усиления схемы по постоянному току составляет -1,13, а коэффициент усиления увеличивается до -3,36 для высоких частот. Следовательно, мы можем предположить, что частотная характеристика состоит из относительно низкочастотного нуля, за которым следует несколько более высокочастотный полюс. Формулы для нуля и полюса следующие:

где R ’_E = R _E2 || (R _E1 + R _E)

Для нашего примера задачи с R _E1 = 1K, R _E2 = 2K и C ₁ = 1uF мы получаем частоту для нуля, равную 80 Гц, и частоту для полюса, равную 237 Гц.Смоделированная частотная характеристика от 1 Гц до 100 кГц для примерной схемы показана на рисунке 9.5.5.

Рисунок 9.5.5 смоделированная частотная характеристика

9.5.5 Резюме — выполнение анализа слабого сигнала:

1. Найдите рабочую точку постоянного тока.
2. Рассчитать параметры слабого сигнала: g _m, r _, r _e и т. Д.
3. Заменить источники постоянного напряжения заземлением переменного тока и источники постоянного тока с разомкнутыми цепями.
4. Замените транзистор на модель со слабым сигналом (гибридная модель π или модель T)

9.6 Теорема Миллера

Здесь мы собираемся отвлечься, чтобы обсудить теорему Миллера. Хотя методы, которые мы использовали до этого момента, являются полностью общими, существуют определенные конфигурации, которые поддаются более простому анализу с помощью теоремы Миллера. Теорема Миллера утверждает, что в линейной цепи, если есть ветвь с импедансом Z, соединяющая два узла с узловыми напряжениями В ₁ и В ₂, эта ветвь может быть заменена двумя другими ветвями, соединяющими соответствующие узлы относительно земли импедансами соответственно Z / (1- K ) и KZ / ( K -1), где усиление от узла 1 к узлу 2 составляет K = В ₂/ В ₁.

Рисунок 9.6.1 Теорема Миллера

На этом этапе мы рассмотрим шаги, которые покажут, как рассчитываются импедансы Миллера. Мы можем использовать эквивалентную двухпортовую сетевую технику, чтобы заменить двухпортовый, представленный на рисунке 9.6.1 (a), на его эквивалент на рисунке 9.6.2.

Заменив источники напряжения на рисунке 9.6.2 на их эквивалентные источники тока Norton, мы получим рисунок 9.6.3.

Используя теорему о поглощении источника (см. Приложение в конце этой главы), мы получаем рисунок 9.6.4.

Это дает нам рисунок 9.6.5 (который является рисунком 9.6.1 (b)), когда мы параллельно объединяем два импеданса.

9,7 Обратная связь по шунту:

Другой метод смещения для усилителя с общим эмиттером или истоком, называемый шунтирующей обратной связью, достигается путем подачи некоторой части сигнала коллектора или стока обратно на вход на базе или затворе. Это делается через резистор смещения (R _F), как показано на рисунке 9.7.1. Резистор R _F подключается между двумя узлами, которые имеют коэффициент усиления, A _V ( K ), между ними, и, таким образом, применение теоремы Миллера является лучшим способом анализа характеристик слабого сигнала этой схемы.

Рисунок 9.7.1 Шунтовая обратная связь между стоком и затвором (a) и коллектор-основание (b)

9.7.1 MOS версия

На рисунке 9.7.1 (a) показан усилитель NMOS с общим истоком, использующий смещение обратной связи по стоку. Этот тип смещения часто используется с полевыми МОП-транзисторами в режиме улучшения и может быть полезен при работе от источника питания низкого напряжения ( В, , ₊).Если Vin связан по переменному току, напряжение на затворе равно напряжению на стоке ( В _GS = В _DS), поскольку ток затвора не течет через R _F. Если Vin связан по постоянному току, то делитель напряжения формируется R _F и R _S и V _GS будет меньше V _DS. Полезно отметить, что транзистор всегда находится в насыщении, когда В _GS = В _DS.Если по какой-либо причине ток стока увеличивается, например, при изменении В, ₊, напряжение затвора падает. Пониженное напряжение затвора, в свою очередь, вызывает уменьшение тока стока, что приводит к увеличению напряжения затвора. Петля отрицательной обратной связи достигает равновесия, которое является точкой смещения для схемы.

В некоторых таблицах данных для расширенных МОП-транзисторов указано значение I _D (on), где V _GS = V _DS lf I _D (on) известно, компонент схемы может быть легко вычислен. как показано в Примере 9.3. Входное сопротивление схемы, использующей смещение обратной связи стока, равно значению R _F, деленному на коэффициент усиления по напряжению плюс один.

9.7.2 Версия BJT Методы смещения постоянного тока

Эта конфигурация использует отрицательную обратную связь для стабилизации рабочей точки. В этой форме смещения резистор обратной связи по базе R _F подключен к коллектору, а не к источнику постоянного тока В, ₊. Таким образом, любое значительное увеличение тока коллектора вызовет падение напряжения на резисторе R _L, что, в свою очередь, уменьшит базовый ток транзистора.

Если мы предположим, что входной источник Vin связан по переменному току и в R _S не течет постоянный ток смещения, из закона напряжения Кирхгофа, напряжение В _RF на базовом резисторе R _F будет:

По модели Эберса – Молла I _c = βI _b, и поэтому:

Согласно закону Ома, базовый ток I _b = В _RF / R _F, и поэтому:

Следовательно, базовый ток I _b равен:

Если В _BE поддерживается постоянным и температура увеличивается, то ток коллектора I _c увеличивается.Однако большее значение I _c вызывает увеличение падения напряжения на резисторе R _L, что, в свою очередь, снижает напряжение В _RF на базовом резисторе R _F. Более низкое падение напряжения на базовом резисторе снижает базовый ток I _b, что приводит к меньшему току коллектора I _c. Поскольку увеличение тока коллектора с температурой противоположно, рабочая точка остается более стабильной.

Плюсов:

Схема стабилизирует рабочую точку от изменений температуры и β (т.е.Варианты транзисторного процесса)

Минусы:

В этой схеме, чтобы I _c не зависел от β, должно выполняться следующее условие:

что имеет место, когда:

Поскольку β фиксировано (и, как правило, точно не известно) для данного транзистора, это соотношение может быть удовлетворено либо сохранением R _L достаточно большим, либо очень низким R _F.
Если R _L большой, необходим высокий V ₊, что увеличивает стоимость, а также меры предосторожности, необходимые при обращении.
Если R _F низкий, обратное смещение в области коллектор – база невелико, что ограничивает диапазон колебаний напряжения коллектора, при котором транзистор остается в активном режиме.
Резистор R _F вызывает обратную связь по переменному току, уменьшая коэффициент усиления по напряжению усилителя.Этот нежелательный эффект является компромиссом для большей стабильности рабочей точки покоя.

Использование: Обратная связь также снижает входное сопротивление усилителя, если смотреть со стороны базы, что может быть выгодно. Из-за уменьшения усиления из-за обратной связи эта форма смещения используется только тогда, когда требуется компромисс для стабильности.

Пример 9.7.2 Использование теоремы Миллера

Для усилителя, показанного на рисунке 9.7.2 (a), с входным источником со связью по постоянному току В _в рассчитайте входное и выходное сопротивление и коэффициент усиления по напряжению A _В.Сначала нам нужно начать с некоторого предварительного анализа постоянного тока, чтобы определить рабочую точку Q ₁. Для этого устанавливаем В, , _в на ноль вольт, , т.е. , замыкаем его. Если предположить, что напряжение В _BE составляет 0,65 вольт, мы получим ток 65 мкА в резисторе 10 кОм R _S. Учитывая, что В ₊ составляет 10 В, мы хотели бы, чтобы В _{на выходе} было 5 вольт. Ток в R _L равен 500 мкА и будет делиться между коллектором Q ₁ и резистором обратной связи R _F.Напряжение на резисторе обратной связи 62,7 кОм составляет 5-0,65 или 4,35 В. Ток в R _F делится между током в R _S и I _B. Базовый ток I _B равен 4,35 / 62,7 кОм — 65 мкА или 4,3 мкА. У нас должен получиться ток коллектора 500uA — 69,3uA или 430,3uA с β около 100.

Если мы воспользуемся теоремой Миллера и заменим резистор обратной связи R _F его двумя эквивалентными сопротивлениями, мы получим рисунок 9.7.2 (b). Предполагая, что усиление напряжения от базы к коллектору A _V значительно больше 1, мы можем сделать упрощение, что A _V / (A _V-1) близко к 1.Эффективное сопротивление нагрузки R _Leq, которое мы будем использовать для расчета усиления, будет 10 кОм || 62,7 кОм или 8,62 кОм. Теперь мы можем использовать те же уравнения усиления слабого сигнала для обычного эмиттера или источника, которые мы использовали в разделе 9.2.2. Коллекторные токи 430 мкА дают нам г _м, равное 430 мкА / 25 мВ или 0,0172. Мы знаем, что A _V = — g _m R _Leq или A _V = -0,0172 * 8,62K = -148, что равно »1.Входное сопротивление у основания Q ₁ будет r _π из Q ₁, что равно β / g _м или 100 / 0,0172 = 5,814 кОм, параллельно с сопротивлением Миллера 62,7 кОм / 149 = 421 Ом, таким образом, эффективное входное сопротивление R _base будет около 392,5 Ом.

Рисунок 9.7.2 Пример использования теоремы Миллера

Входное сопротивление источника R _S и эквивалентное сопротивление на базе R _{, база} образуют делитель напряжения.Чтобы рассчитать общий коэффициент усиления напряжения от источника напряжения В, _{, от} до В, , _{, из}, мы умножаем это отношение делителя на коэффициент усиления базы к коллектору, A _В, который мы только что вычислили.

Из нашего исследования конфигурации инвертирующего операционного усилителя в главе 3 мы узнали, что для усилителей с менее чем бесконечным усилением фактическое усиление будет меньше, чем предсказывает идеальное уравнение усиления, Gain = -R _F / R _S.Если бы наш одиночный транзисторный усилитель имел бесконечное усиление, коэффициент усиления от В, _,, до В, , _{, выход,}, был бы 62,7 кОм / 10 кОм или 6,27. В главе 3 мы получили оценку процентной ошибки ε из-за конечного усиления A _V (помните, что β в этом уравнении — это коэффициент обратной связи, а не коэффициент усиления по току транзистора):

Фактическое усиление 5,6 примерно на 10% меньше идеального усиления 6,27.

Упражнение 9.7

Часть 1 Рабочая точка постоянного тока:

Для схемы на рисунке 9.7.3 рассчитайте необходимое R _F для смещения рабочей точки постоянного тока так, чтобы В _out было равно ½ напряжения питания или + 5 В, когда Vin = 0. Предположим, В _BE = 0,65 В и β = 200.

Часть 2 Усиление и сопротивление слабого сигнала:

Учитывая значение R _F, вычисленное в части 1, вычислите коэффициент усиления по напряжению A _V, входное сопротивление R _{на базе} и выходное сопротивление R _{на выходе}.Также рассчитайте общий коэффициент усиления по напряжению В _{на выходе}/ В _на и объясните, почему это отличается от идеального значения –R _F / R _S.

9.7.5 Эффект Миллера

Эффект Миллера является ключом к прогнозированию частотной характеристики инвертирующего каскада усилителя, в который включена емкостная обратная связь. Обычно в каскаде усиления напряжения имеется полюс нижних частот, создаваемый R _S источника сигнала и конденсатором обратной связи C _C.Но отсечка нижних частот определяется не просто R _S и C _C. Эффект Миллера создает эффективную емкость на базе / затворе транзистора, которая выглядит как C _C, масштабированная на коэффициент усиления по напряжению усилителя.

Рисунок 9.7.3 Конденсатор обратной связи Миллера

Эффект Миллера особенно полезен, когда вы пытаетесь создать фильтр нижних частот на операционном усилителе IC с относительно низкой частотой среза. Сложность в том, что большие конденсаторы сложно изготовить, потому что они занимают много места на ИС.Решение состоит в том, чтобы сделать небольшой конденсатор, а затем масштабировать его поведение с помощью эффекта Миллера.

Эквивалентная схема

Вот упрощенная версия схемы выше.

Рисунок 9.7.4 Эквивалентная схема обратной связи Миллера

Миллер сказал, что вы можете приблизительно определить входную емкость, заменив C _C другой емкостью C _M на R _IN. Насколько больше C _M? C _C умножается на коэффициент усиления по напряжению (A _V = г _м R _L) усилителя.Теорема Миллера также утверждает, что на R _L будет конденсатор C ‘_C, который равен C _C раза (A _V +1) / A _V, который для больших значений A _V мы принимаем равным 1.

Как это работает? Что ж, мы знаем, что создание напряжения на конденсаторе вызывает протекание тока. Насколько ток зависит от емкости: I = C _C · ΔV / Δt. Однако в этой схеме усиление напряжения на R _L вызывает намного большее ΔV через C _C, вызывая еще больший ток, протекающий через C _C.Поэтому с точки зрения В, , _{, В,}, она выглядит намного большей емкостью.

Пример 9.7.3 Пример емкости Миллера

В этом примере мы будем использовать схему, показанную на рисунке 9.7.5, чтобы проиллюстрировать умножение Миллера конденсатора обратной связи C _C. Резисторы смещения R ₁ и R _S выбраны для установки рабочей точки постоянного тока так, что В, , _выход,, имеет значение постоянного тока приблизительно В, + / 2 или 5 В.Для данного резистора R _L с сопротивлением 10 кОм усиление напряжения слабого сигнала низкой частоты A _В составляет примерно 80.

Теперь мы можем рассчитать частоту -3 дБ и частоту единичного усиления (0 дБ) для конденсатора обратной связи C _C, равным 0,001 мкФ. Частота, на которой усиление от В _в до В _{на выходе} падает на -3 дБ от его значений постоянного тока, примерно равна:

Частота единичного усиления примерно равна:

Рисунок 9.7.5 Пример емкости Миллера

Схема на рисунке 9.7.5 была смоделирована, а частотная характеристика переменного тока от 1 Гц до 1 МГц показана на рисунке 9.7.6. Коэффициент усиления от В _в до В _{на выходе} в дБ составляет 20Log (A _В) или около 38 дБ . Частота -3 дБ в этом случае будет там, где кривая усиления пересекает 35 дБ (~ 263 Гц), а частота единичного усиления будет там, где кривая усиления пересекает линию 0 дБ (~ 21.7 кГц). Результаты моделирования достаточно хорошо согласуются с нашими приблизительными ручными расчетами. Для наших ручных расчетов мы предположили, что R ₁ был достаточно большим, чем R _S, поэтому его можно было игнорировать, и аналогично r _π Q ₁ было достаточно большим, чтобы не оказывать существенного влияния на R _S.

Рисунок 9.7.6 Моделирование частотной развертки

Краткое содержание главы:

Каскад с общим эмиттером имеет высокое усиление, но низкий входной и высокий выходной импеданс.
R _E Вырождение эмиттера улучшает входное сопротивление и обеспечивает отрицательную обратную связь для стабилизации рабочей точки постоянного тока, но с некоторой потерей усиления.
Каскад с общей базой имеет низкий входной и высокий выходной импеданс, но хорош на высоких частотах. Хороший текущий буфер иногда называют текущим последователем.
Общий коллекторный или эмиттерный повторитель может иметь смещение с большим входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением, но имеет примерно единичное усиление.Хороший буфер напряжения.

Приложение: Теорема поглощения источника

Теорема поглощения источника имеет две двойные формы: теоремы поглощения источника напряжения и теоремы поглощения источника тока.

Теорема о поглощении источника напряжения утверждает, что если в одной ветви цепи с током I есть источник напряжения, управляемый I, источник можно заменить простым импедансом со значением, равным управляющему коэффициенту источника.

Доказательство тривиально.Импеданс Z, по которому протекает ток I, имеет такое же падение напряжения, которое генерирует управляемый I источник на своих выводах.

Теорема о поглощении источника тока утверждает, что если в одной ветви цепи есть источник тока, управляемый напряжением В, В, источник можно заменить простой проводимостью со значением, равным коэффициенту управления источником.

Доказательство снова тривиально. Полное сопротивление Y, подаваемое к напряжению В , накладывает тот же ток, что и источник Y В .

Пример A1: Определение сопротивления эмиттера с помощью теоремы о поглощении источника

На рисунке A9.3 показана модель транзистора с эквивалентной схемой малых сигналов. Найдите сопротивление Rin, глядя в эмиттер (с базой и коллектором на заземлении переменного тока слабого сигнала).

Используя то, что мы только что узнали о теореме поглощения источника для источников тока, мы знаем, что мы можем заменить управляемый источник с сопротивлением, равным 1/ г _м его крутизны.