Усилитель на транзисторе: принцип работы, схемы и практические советы

Как работает простой усилитель на одном транзисторе. Какие существуют схемы включения транзистора в усилителе. Как правильно выбрать рабочую точку и стабилизировать ее. Какие особенности нужно учитывать при сборке усилителя на транзисторе.

Принцип работы усилителя на транзисторе

Транзисторный усилитель работает по следующему принципу:

1. Входной сигнал подается на базу транзистора
2. Небольшие изменения тока базы вызывают значительные изменения тока коллектора
3. Изменения тока коллектора создают усиленное выходное напряжение на нагрузочном резисторе в цепи коллектора

Таким образом, транзистор преобразует слабый входной сигнал в усиленный выходной сигнал за счет управления большим током коллектора малым током базы.

Основные схемы включения транзистора в усилителе

Существует три основные схемы включения биполярного транзистора в усилителе:

• С общим эмиттером (ОЭ) — наиболее распространенная схема, обеспечивает усиление и по току, и по напряжению
• С общей базой (ОБ) — имеет высокое входное сопротивление, но малое усиление по току
• С общим коллектором (ОК) — обладает высоким входным и низким выходным сопротивлением

Какую схему выбрать для усилителя? Рассмотрим подробнее достоинства и недостатки каждой.

Схема с общим эмиттером (ОЭ)

Схема с общим эмиттером является наиболее универсальной и часто используемой. Она обеспечивает:

• Усиление как по току, так и по напряжению
• Инверсию фазы сигнала на 180°
• Среднее входное и выходное сопротивление
• Хорошую температурную стабильность

Недостатком является некоторое искажение сигнала из-за нелинейности характеристики транзистора. Но при правильном выборе режима работы искажения можно минимизировать.

Выбор рабочей точки транзистора

Важнейшим этапом при проектировании усилителя на транзисторе является выбор его рабочей точки. От этого зависят основные параметры усилителя:

• Коэффициент усиления
• Линейность характеристики
• Уровень искажений
• Допустимая амплитуда сигнала

Как правильно выбрать рабочую точку транзистора в усилителе?

Рекомендации по выбору рабочей точки:

1. Напряжение коллектор-эмиттер должно быть примерно равно половине напряжения питания
2. Ток коллектора выбирается в пределах 1-10 мА для маломощных усилителей
3. Напряжение база-эмиттер для кремниевых транзисторов составляет около 0.6-0.7 В

Правильно выбранная рабочая точка обеспечит минимальные искажения и максимальную линейность усиления.

Стабилизация рабочей точки транзистора

Рабочая точка транзистора может смещаться из-за разброса параметров и температурных воздействий. Для стабилизации применяют следующие методы:

• Эмиттерная стабилизация — введение резистора в цепь эмиттера
• Коллекторная стабилизация — подача напряжения смещения с коллектора на базу через делитель
• Термокомпенсация — включение термочувствительных элементов

Наиболее эффективной является комбинированная стабилизация с использованием нескольких методов одновременно.

Практические советы по сборке усилителя на транзисторе

При самостоятельной сборке простого усилителя на транзисторе следует учитывать ряд важных моментов:

• Выбирайте транзистор с достаточным коэффициентом усиления (h21э > 100)
• Используйте качественные пленочные или керамические конденсаторы в цепях связи
• Применяйте металлопленочные резисторы с допуском не хуже 5%
• Обеспечьте хороший теплоотвод для мощных транзисторов
• Экранируйте входные цепи для снижения наводок

Соблюдение этих рекомендаций позволит собрать качественный усилитель с хорошими параметрами.

Типовая схема простого усилителя на одном транзисторе

Рассмотрим практический пример построения простого усилителя низкой частоты на одном транзисторе:

«`text +9В | R1 | C1 | Вход —||—.—База | |\ R2 | \ Транзистор | | \ | | \ GND Эмиттер Коллектор | | R3 R4 | | GND C2 —-||— Выход R1 = 100 кОм R2 = 10 кОм R3 = 1 кОм R4 = 4.7 кОм C1 = C2 = 10 мкФ Транзистор — BC547 или аналог «`

Эта схема реализует усилитель с общим эмиттером на одном транзисторе. Резисторы R1 и R2 задают напряжение смещения базы. R3 обеспечивает эмиттерную стабилизацию. R4 является нагрузкой в цепи коллектора. Конденсаторы C1 и C2 разделяют по постоянному току входную и выходную цепи.

Расчет основных параметров усилителя на транзисторе

При проектировании усилителя важно уметь рассчитывать его основные параметры. Рассмотрим формулы для расчета:

Коэффициент усиления по напряжению:

Ku = Rc / re

где Rc — сопротивление в цепи коллектора, re — дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода.

Входное сопротивление:

Rвх = (R1 * R2) / (R1 + R2)

Выходное сопротивление:

Rвых ≈ Rc

Полоса пропускания:

fв = 1 / (2π * Rc * Cк)

где Cк — емкость коллекторного перехода транзистора.

Используя эти формулы, можно оценить основные характеристики проектируемого усилителя и оптимизировать его параметры.

Многокаскадные усилители на транзисторах

Для получения большего усиления часто применяют многокаскадные схемы, состоящие из нескольких усилительных каскадов на транзисторах. Рассмотрим основные особенности таких схем:

• Каскады соединяются через разделительные конденсаторы
• Каждый каскад имеет свою схему стабилизации рабочей точки
• Общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов каскадов
• Возможно применение различных схем включения транзисторов в каскадах

Многокаскадные схемы позволяют получить большее усиление, но требуют более тщательного согласования каскадов между собой.

Современные тенденции в транзисторных усилителях

Хотя транзисторные усилители и считаются классикой, они продолжают развиваться. Современные тенденции включают:

• Применение полевых транзисторов для снижения уровня шумов
• Использование составных транзисторов для увеличения коэффициента усиления
• Интеграция усилителей в микросхемы для миниатюризации
• Разработка новых схем температурной стабилизации
• Оптимизация схем для работы от низковольтного питания

Эти инновации позволяют создавать все более совершенные усилители на транзисторах с улучшенными характеристиками.

Как работает усилитель звука (УНЧ) на транзисторе

Рубрика: Статьи обо всем Опубликовано 12.04.2020   ·   Комментарии: 1   ·   На чтение: 9 мин   ·   Просмотры:

Post Views: 902

Транзистор — это полупроводниковый прибор, который позволяет генерировать, создавать и усиливать электрические колебания. С помощью него можно усилить любой электрический сигнал. Разберем типовую. схему включения биполярного n-p-n транзистора.

Разбор схемы

Это моно-усилитель мощности звуковой частоты.

Транзистор VT1 является главным элементом в схеме усилителя. Поэтому схема называется транзисторный УНЧ (усилитель низкой частоты).

В данном случае используется n-p-n транзистор. Он включен по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Эта схема позволяет выжить максимум из транзистора. Она усиливает и напряжение, и ток одновременно. Итого максимальная мощность.

Как именно определяется схема включения? Входящий сигнал подается на базу и эмиттер, а выходящий снимается с коллектора и эмиттера. То есть, по сути, общий контакт эмиттер. Поэтому схема называется с общим эмиттером. Эмиттер – это силовая часть транзистора, которая позволяет усилить сигнал по максимуму.

Данная схема имеет один каскад усиления.

Что такое каскад

Каскад – это по сути этап усиления, который не зависит от другого. Бывают и двухкаскадные усилители. То есть, например, в схеме есть два транзистора. Один работает как предусилитель, и передает усиленный сигнал на вход второго. Поэтому схема называется двухкаскадной. Они не зависят друг от друга, но первый каскад передает сигнал на второй, что позволяет увеличить мощность сигнала.

Как питаемся схема

От качества питания зависит и качество усиления. С какими бы выдающимися характеристиками не был транзистор, если питание плохо отфильтровано или недостаточное, то усиление будет советующего качества.

На клеммы Х3 и Х4 подключается питание 6 В.

Эта схема может питаться и от аккумулятора. Однако, несмотря на то, что аккумулятор – это источник с минимальным шумом, у аккумулятора тоже есть свое сопротивление.

И чтобы оно не мешало и не влияло на работу усилителя, нужен сглаживающий и накопительный конденсатор.

Электролитический конденсатор С3 накапливает энергию источника питания, что позволяет улучшить качество усиления. Чем выше емкость – тем лучше. Естественно, у такого правила есть ограничения. Если поставить слишком большую емкость, то будет большая нагрузка на источник питания.

К тому же, электролитические конденсаторы должны разряжаться после выключения. Тем более, есть предел для увеличения емкости для схемы. Если в эту схему подключить конденсатор емкостью 1 фарад (1 000 000 мкФ), то уровень шума на выходе усилителя будет такой же, как и при 1000 мкФ. Это связано с тем, что у транзистора так же есть и свои «шумы», отсутствие экранировки на входе, динамические искажения и другие параметры.

Во время проектирования схемы все эти параметры рассчитываются. Здесь в схеме у конденсатора С3 емкость 47 микрофарад – этого достаточно для нашего транзистора, поскольку у него не большая мощность, которую он может выдать. Можно поставить и большую емкость, например, 1000 микрофарад. Главное не нежно ставить конденсатор с меньшим пределом по напряжению. Если поставить конденсатор менее 6 В (питание схемы), то конденсатор начнет нагреваться и даже может взорваться.

Вход усилителя

Вход усилителя – это клеммы Х1 и Х2.

Х2 это минус входа, а Х1 – плюс. Так как схема на один канал, то УНЧ называется моно.

Можно подключить как левый канал, так и правый и оба сразу.

Фильтрация входного сигнала

Электролитический конденсатор С1 позволяет отделить постоянную составляющую входящего сигнала от переменной.

По-простому, он пропускает только переменный сигналю. Если сигнала нет, или вход усилителя замкнут, то без этого конденсатора транзистор может перейти в режим насыщения (максимальное усиление), и на выходе появится неприятный хрип.

Не путайте этот эффект со свистом. Свист – это влияние положительной обратной связи, а в данном случае будет режим насыщения из-за короткого замыкания на входе. И на выходе усилителя будет слышен именно хрип, а не свит или звук.

Емкость конденсатора подобрана под частоту звукового сигнала. Звук начинается от 20 Гц и до 16 кГц.

Рабочая точка и смещение базы

Для того, чтобы транзистор не искажал входной сигнал, нужно его для начала чуть-чуть приоткрыть.

Это можно сделать при помощи делителя напряжения из двух резисторов R1 и R2. Этот делитель напряжения позволяет приоткрыть транзистор VT1 для того, чтобы входной сигнал не тратил свою электрическую энергию на его открытие.

Ток, который протекает через R1 и R2 поступает на базу транзистора VT1, который потом уходит через эмиттер, тем самым его открывая. Это называется базовое смещение транзистора, то есть его открытие. Напряжение смещения определяет рабочую точку. В данном случае усилитель А класса.

Как определяется класс усилителя

Класс усилителя определяется его рабочей точкой. Рабочая точка выбирается с помощью вольтамперной характеристики транзистора. Чем выше напряжение подается на вход транзистора, тем больше ток, тем выше рабочая точка.

Например, точка по центру это А класс.

А класс самый качественный из усилителей. Он усиливает как положительные, так и отрицательные полуволны входного сигнала. В то же время, у этого класса есть существенный недостаток. Это ограничение мощности и снижение энергоэффективности. Дело в том, что пока на вход УНЧ не поступает входной сигнал, он работает все время, пока он включен.

Получается, что при это расходуется лишняя электроэнергия. Поэтому, еще рабочая точка называется точкой покоя, когда усилитель не усиливает входной сигнал.

Также от рабочей точки зависит и чувствительность усилителя.

Еще есть B класс, AB и D. Они отличаются друг от друга по эффективности усиления и наличию искажений. Все зависит от используемой схемы.

Например. D класс вообще не открывает транзистор, однако с точки зрения энергоэффективности – это самый лучший выбор. Транзистор в покое не потребляет ничего, он включается только при подаче входного сигнала. И при этом если на вход подается аналоговый звуковой сигнал, то он искажается. Такой класс не подойдет для схемы, которую разбираем в этой статье.

Поэтому, схемотехники и инженеры изобрели цифровые усилители. У них аналоговый сигнал преобразовывается в цифровой, и только потом подается на вход усилителя. Транзистор не искажает входной цифрой сигнал. После усиления сигнал снова преобразовывается в аналоговый с наименьшими потерями и искажениями.

А режим АВ применяется в схемах, где есть несколько транзисторов, которые работают на свои полуволны. Есть схемы, где один транзистор усиливает только положительные полуволны, а второй только отрицательные. Такие усилители называются двухтактными.

Стабилизация работы схемы

Когда полупроводник нагревается, его сопротивление уменьшается. Транзистор сделан из полупроводника, и соответственно его p-n переходы тоже.

При работе схемы УНЧ ток течет через транзистор, и он нагревается. Обычно вся мощность рассеивается на коллекторе. И тем не менее, характеристики транзистора резко меняются, поскольку сопротивление его p-n переходом резко снижается по мере повышения температуры.

Чтобы стабилизировать работу транзистора, нужно сбалансировать его сопротивление другим источником. Это можно сделать при помощи дополнительного сопротивления.

Когда сопротивление транзистора VT1 уменьшается, резистор R3 забирает часть напряжения на себя и не позволяет увеличить ток в цепи.

Благодаря этому транзистор:

• не закрывается;
• не переходит в режим насыщения;
• не искажает сигнал;
• и не перегревается.

Это называется термостабилизация работы усилителя.

А чтобы в нормальном режиме работы, когда VT1 не нагревается, резистор R3 не уменьшал мощность схемы, в цепь включен шунтирующий электролитический конденсатор C2. Через него переменная составляющая входного сигнала проходит без потерь.

Выход усилителя

На выход к усилителю можно подключить как другой усилитель, который усилит сигнал еще больше, так и динамическую головку.
Динамическая головка — это обычный динамик. Он воспроизведёт звук с выхода транзистора VT1.

Однако и тут есть много нюансов.

Самое важное касается согласование сопротивления нагрузки и сопротивления усилителя.

Если сопротивление выхода транзистора намного больше, чем у динамической головки, то он не сможет передать всю мощность. Как минимум большая часть напряжения останется на его контактах.

Для данной схемы нужен динамик с сопротивлением около 1 кОм.

Если поставить меньше, например, на 4 Ома, то и половина мощности не воспроизведется, а коллектор VT1 начнет еще сильнее нагреваться.

Согласование сопротивлений входа, выхода и нагрузки усилителя рассчитывается на этапе проектирования схемы. Поэтому не следует их нарушать.

Как протекает ток по схеме

В начальный момент времени, при подключении питания, электролитический конденсатор С3 заряжается, и начинят питать коллектор и эмиттер транзистора VT1. А также ток проходит через делитель напряжения.

Делитель напряжения R1, R2 смещает базу VT1. Начинает течь ток смещения база-эмиттер (Б-Э), тем самым устанавливается рабочая точка УНЧ.

Когда входной сигнал поступает на клемму Х1, он проходит С1 и через делитель поступает на базу VT1 и частично уходит через эмиттер.

Входной сигнал притягивается коллектором VT1 и тем самым усиливается.

Та часть переменного сигнала, которая перешла на эмиттер транзистора, усиливается эмиттерными током. Он свободно проходит через С2, который в паре с R3 стабилизирует режим работы усилителя от перегрева и искажений.

В итоге входной сигнал усиленный коллекторно-эмиттерным (К-Э) током VT1 поступает на выход, то есть на динамическую головку BF1.

От чего зависит мощность схемы

У этой схемы есть ограничения. Можно поменять VT1 КТ315 на более мощный, у которого коэффициент усиления будет выше, но этот лимит усиления не бесконечный.

В первую очередь, все зависит от используемого транзистора. Если поменять его на более мощный, то и усиление будет выше. Но следует помнить, что чем мощнее транзистор, тем мощнее нужен входной сигнал. К тому же, придется сделать перерасчет всех компонентов. И подключать предусилитель, собирать схему блока питания, а это уже будет совсем другая схема.

У транзисторов есть ряд параметров, которые влияют на схему. Это коэффициент усиления по току (h31э), напряжению, мощности. А также важный параметр — это рассеиваемая мощность на коллекторе. С повышением мощности потребуется радиатор для отвода тепла.

Как собрать схему

Схему можно собрать на текстолите или на макетной плате. Перейдите по ссылке на эту статью, в ней подробнее описывается процесс сборки и проверки схемы.

Используйте качественные детали и хороший припой. Она рабочая. Это вообще классическая схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером.

Также на сайте есть и другие схемы усилителей, которые не сложны в сборке и не дорогие по стоимости деталей.

Как проверить работу схемы

Достаточно прикоснуться до входа УНЧ отверткой, и на выходе послышаться треск. Это переменная наводка, которая усилится схемой.

Post Views: 902

Усилитель напряжения на биполярном транзисторе

Рис. 1. Использование транзистора в усилителе напряжения: (а) простейшая схема, (б) схема со смешением. Сигналами в электронных схемах обычно являются постоянные или переменные напряжения. Такие устройства, как например микрофон, создают переменное напряжение, которое должно быть усилено прежде, чем им можно будет воспользоваться. Некоторые источники сигналов, такие как фототранзистор и некоторые детекторы, могут быть источниками тока, который, как правило, еще до усиления преобразуется в напряжение. Поэтому наиболее важны усилители напряжения и, несмотря на то, что биполярный транзистор работает как устройство, усиливающее ток, основное применение он находит в усилителях напряжения. Рассмотрим основные принципы работы усилителя напряжения на биполярном транзисторе. Резистор нагрузки На рис. 1.(a) показан очень простой усилитель напряжения; выходное напряжение Vout возникает на выходе в результате протекания коллекторного тока по резистору нагрузки RL. Этот пример иллюстрирует одно из наиболее важных применений резисторов в электронных цепях: преобразование тока в напряжение. Входное напряжение Vin, приложенное к переходу база-эмиттер, приводит к увеличению тока базы, зависящего от сопротивления перехода база-эмиттер. Ток базы вызывает намного больший ток коллектора Ic, создающий падение напряжения IcRL на резисторе RL. Эта разность потенциалов пропорциональна Vin, но намного больше по величине. Важной деталью таких схем является земляная шина, называемая также землей, «нулем вольт» (0 В) или общей шиной и обозначаемая символом, показанным на рисунке. Земляная шина является общей для входного сигнала, выходного сигнала и источника постоянного напряжения, и обычно является точкой, относительно которой отсчитываются все напряжения в схеме. Рабочая точка и смещение транзистора в схеме усилителя напряжения Схема, приведенная на рис. 1.(a), как можно догадаться, является сильно упрощенной схемой усилителя напряжения. Она будет давать отклик только на положительное входное напряжение и, кроме того, только на напряжение, большее чем 0,5 В; последнее значение является той э.д.с., которая необходима для смещения перехода база-эмиттер в прямом направлении. Ясно, что если схема предназначена для усиления малых сигналов без искажения, переход база-эмиттер должен быть смещен в прямом направлении даже в отсутствие сигнала. Обычно напряжение переменного сигнала принимает как положительное, так и отрицательное значение, так что выходное напряжение на коллекторе должно иметь возможность двигаться вверх к напряжению источника питания (при отрицательном входном напряжении) и вниз к потенциалу земляной шины (при положительном входном напряжении). Из этого следует, что при равном нулю входном сигнале (это состояние обычно называется режимом покоя) в транзисторе должен протекать такой ток коллектора, чтобы напряжение на коллекторе находилось посредине между землей и напряжением источника питания, готовое изменяться в любом направлении в соответствии с полярностью входного сигнала. На рис. 1.(б) показана схема, в которой достигается требуемый результат. Маломощный кремниевый транзистор, такой как ВС 107, будет очень хорошо работать с коллекторным током в режиме покоя 1 мА. В этом случае при правильном выборе рабочей (начальной) точки требуется, чтобы напряжение на коллекторе находилось посредине между 0 В и +9 В, то есть на резисторе RL должно падать 4,5 В. Таким образом, согласно закону Ома, RL = 4,5 В / 1 мА = 4500 Ом. Ближайшее номинальное значение RL равно 4,7 кОм. Для рассматриваемой схемы имеем: VCE=Vcc-IcRL=Vcc-hFEIBRL где Vcc — напряжение питания. Если мы примем для транзистора ВС 107 коэффициент усиления постоянного тока hFE равным 200, то для тока коллектора 1 мА требуется ток базы IB = 1/200 мА = 5 мкА. Сопротивление базового резистора RB, задающего ток базы, снова находится согласно закону Ома: RB=Vcc/IB=9/(5×10-6)=1,8МОм Напряжением база-эмиттер VBE (приблизительно равным 0,6 В) здесь пренебрегаем по сравнению с намного большим напряжением питания Vcc. Разделительные конденсаторы С1 и С2 используются для изоляции внешних цепей от постоянных напряжений, имеющихся на базе и коллекторе в режиме покоя. Свойство конденсатора не пропускать постоянное напряжение и в то же время пропускать переменное очень ценно в электронике; оно является результатом стремления конденсатора сохранять свой заряд и поэтому разность потенциалов на его обкладках остается постоянной. Следовательно, увеличение потенциала на одной обкладке вызывает соответствующее увеличение потенциала на другой. Поданный на одну из обкладок, переменный сигнал изменяет ее потенциал много раз в секунду и, таким образом, передается с одной обкладки на другую. В то же время постоянное напряжение дает возможность конденсатору накопить заряд, соответствующий новой разности потенциалов на его обкладках, и поэтому оно не передается. Время, необходимое для установления новой разности потенциалов, зависит от постоянной времени цепи, которая должна быть больше периода передаваемого переменного напряжения самой низкой частоты. Более подробно этот вопрос обсуждается в главе 8. В рассматриваемом простом усилителе напряжения постоянные времени цепей с разделительными конденсаторами емкостью 10 мкФ обеспечивают передачу переменного напряжения без ослабления вплоть до 10 Гц. Знак плюс на рисунке у одной из обкладок конденсатора является указанием, как подключать электролитические конденсаторы, у которых изолирующий диэлектрический слой представляет собой чрезвычайно тонкую пленку окиси алюминия, полученную электролитическим осаждением. Такие конденсаторы имеют большие емкости при малых размерах и низкой цене, но должны включаться в схему с учетом полярности, за исключением конденсаторов специального типа — неполярных конденсаторов. Стабилизация рабочей точки транзистора Серьезный недостаток схемы на рис. 1.(б) состоит в том, что напряжение коллектора в режиме покоя целиком зависит от величины hFE транзистора, в то время как численные значения этого параметра имеют большой разброс у различных экземпляров транзисторов одного типа. Например, при типичном значении hFE для транзистора ВС 107, равном 200, изготовители указывают, что оно может изменяться в пределах от 90 до 450. Изменение hFE сдвигает рабочую точку по постоянному току. Например, если коэффициент hFE равен 100 вместо 200, то при этом потечет ток коллектора, равный 0,5 мА, а не 1 мА, и падение напряжения на RL составит только 2,35 В вместо 4,7 В. Увеличение напряжения на коллекторе в режиме покоя означает, что выходное напряжение в схеме может изменяться в сторону увеличения только на 2 В, а не на 4 В (возможно изменение выходного напряжения в сторону уменьшения до 6 В, но от этого мало пользы, когда положительные приращения ограничены). Последствия использования транзистора с hFE = 400 еще более серьезны. В этом случае ток коллектора удвоится до 2 мА. Простое вычисление показывает, что все 9 В питания будут падать на резисторе RL. Говорят, что транзистор находится в насыщении. Практически между коллектором и эмиттером остается небольшое напряжение порядка 0,2 В. Любое дальнейшее увеличение тока базы почти ни к чему не приводит; действительно, падение напряжения на RL не может превышать Vcc Поскольку при насыщении транзистора потенциал коллектора фактически равен потенциалу земли, схема теперь не пригодна для линейного усиления: невозможны изменения выходного напряжения в сторону уменьшения. Возвращаясь к линейному усилителю на рис. 1.(б), можно сказать, что необходимо некоторое усовершенствование схемы, чтобы повысить ее устойчивость к изменениям hFE. Даже если бы у нас была возможность отбирать транзисторы с hFE = 200, а это очень дорого при массовом выпуске схем, hFE увеличивается с ростом температуры, так что схема все равно не была бы надежной. На рис. 2. показано очень простое, но эффективное улучшение. Вместо того, чтобы подключать резистор RB непосредственно к Vcc, мы, уменьшив сопротивление вдвое, подключим его к коллектору (VCE≈Vcc/2). Теперь, благодаря этому, ток базы в режиме покоя зависит от коллекторного напряжения в режиме покоя. Даже при увеличении hFE транзистор не может попасть в насыщение: если коллекторное напряжение падает, то также падает ток базы, «придерживая» коллекторный ток. И наоборот, если hFE уменьшается, коллекторное напряжение в режиме покоя возрастает, увеличивая ток IB. Ток базы определяется теперь соотношением IB=VCE/RB и, как и прежде, VCE=Vcc-hFEIBRL Объединяя эти равенства, получим VCE=Vcc/(1+hFERL/RB) Если RL и RB имеют значения, указанные на рис. 2, и hFE = 100, то VCE≈6 В; если hFE = 400, то VCE≈3 В. Хотя здесь все еще положение рабочей точки меняется, это не существенно, пока для получения больших сигналов не требуется иметь возможно большие пределы изменения выходного напряжения. Схема, приведенная на рис. 2., будет работать при изменении параметров транзисторов в очень широком диапазоне и является полезным усилителем напряжения общего назначения. Принцип построения схемы с автокомпенсацией изменений hFE является просто примером отрицательной обратной связи, которая представляет собой одно из самых важных понятий в электронике. Усилитель напряжения на транзисторе со стабилизацией рабочей точки Рис. 2. Усилитель напряжения со стабилизацией рабочей точки. Для некоторых применений даже относительно небольшие изменения положения рабочей точки, имеющиеся в схеме на рис. 2, недопустимы. Если режим по постоянному току должен практически не зависеть от hFE можно использовать схему стабилизированного усилителя, показанную на рис. 3. Первым характерным признаком этой схемы является наличие резистора R3 в цепи эмиттера, а это означает, что потенциал эмиттера больше не равняется потенциалу земли, а немного выше его и равен IER3 где IE — ток эмиттера. Второе отличие состоит в том, что вместо единственного резистора для задания базового тока определенной величины применен делитель напряжения R1 R2 фиксирующий потенциал базы относительно земли. Ток делителя напряжения на порядок выше тока базы, так что последний слабо влияет на потенциал базы. Так как переход база — эмиттер смещен в прямом направлении, на нем падает небольшое напряжение (у кремниевого транзистора приблизительно 0,6 В), так что потенциал эмиттера ниже потенциала базы на 0,6 В. Итак, если VB — потенциал базы относительно земли, а VE — потенциал эмиттера относительно земли, то VE = VB — 0,6. Но VE=IER3 поэтому IE=(VB-0,6)/R3 Рис. 3. Стабилизированный усилитель с эмиттерным резистором. Следовательно, ток эмиттера IE определяется выбором величин VB и R3. При сопротивлениях резисторов R1 и R2, указанных на рис. 3., потенциал базы зафиксирован на уровне 1,6 В; поэтому потенциал эмиттера равен приблизительно 1,0 В, обеспечивая требуемый ток эмиттера 1 мА при сопротивлении эмиттерного резистора 1 кОм. Поскольку IE=IC+IB и IB << IC имеем: IE≈IC Следовательно, ток коллектора также примерно равен 1 мА. Интересно отметить, что в приведенном расчете схемы отсутствует коэффициент hFE транзистора. Фактически единственным параметром транзистора, имеющим какое-либо значение в этой схеме, является напряжение VBE которое принято равным 0,6 В и изменяется очень мало (<0,1 В) от одного транзистора к другому. При расчете стабилизированной схемы падение напряжения на эмиттерном резисторе должно быть больше возможных изменений напряжения VBE но не настолько большим, чтобы заметно уменьшить амплитуду выходного сигнала (напряжение на коллекторе теперь может изменяться только между VCC и VE а не между VCC и потенциалом земли). Обычно подходящим является напряжение 1 В. Конденсатор большой емкости С3 шунтирует эмиттерный резистор для того, чтобы на эмиттере не появлялось переменное напряжение. Без С3 усиление напряжения очень сильно упадет из-за отрицательной обратной связи, поскольку переменное напряжение на резисторе R3 вычитается из входного сигнала. Удобный способ измерения коэффициента усиления состоит в том, что на вход усилителя подается сигнал от генератора синусоидальных сигналов, а затем с помощью осциллографа измеряется выходной сигнал Vout и сравнивается с входным сигналом Vin. Коэффициент усиления напряжения равен Av=Vout/Vin Для схем, рассмотренных в этой статье, коэффициент усиления напряжения имеет величину порядка 150 — 200. Теоретический расчет коэффициента усиления на Времонт.su рассмотрим позже.

Простой усилитель на транзисторах сделать самому своими руками. Усилитель на одном транзисторе: схема

Усилитель на транзисторах, несмотря на свою уже долгую историю, остается излюбленным предметом исследования как начинающих, так и маститых радиолюбителей. И это понятно. Он является непременной составной частью самых массовых радиолюбительских устройств: радиоприемников и усилителей низкой (звуковой) частоты. Мы рассмотрим, как строятся простейшие усилители низкой частоты на транзисторах.

В любом теле- или радиоприемнике, в каждом музыкальном центре или усилителе звука можно найти транзисторные усилители звука (низкой частоты – НЧ). Разница между звуковыми транзисторными усилителями и другими видами заключается в их частотных характеристиках.

Звуковой усилитель на транзисторах имеет равномерную частотную характеристику в полосе частот от 15 Гц до 20 кГц. Это означает, что все входные сигналы с частотой внутри этого диапазона усилитель преобразует (усиливает) примерно одинаково. На рисунке ниже в координатах «коэффициент усиления усилителя Ку – частота входного сигнала» показана идеальная кривая частотной характеристики для звукового усилителя.

Вид частотной характеристики усилителя определяется электрорадиоэлементами (ЭРЭ) его схемы, и прежде всего самими транзисторами. Звуковой усилитель на транзисторах обычно собран на так называемых низко- и среднечастотных транзисторах с суммарной полосой пропускания входных сигналов от десятков и сотен Гц до 30 кГц.

Класс работы усилителя

Как известно, в зависимости от степени непрерывности протекания тока на протяжении его периода через транзисторный усилительный каскад (усилитель) различают следующие классы его работы: «А», «B», «AB», «C», «D».

В классе работы ток «А» через каскад протекает на протяжении 100 % периода входного сигнала. Работу каскада в этом классе иллюстрирует следующий рисунок.

В классе работы усилительного каскада «AB» ток через него протекает более чем 50 %, но менее чем 100 % периода входного сигнала (см. рисунок ниже).

В классе работы каскада «В» ток через него протекает ровно 50 % периода входного сигнала, как это иллюстрирует рисунок.

И наконец в классе работы каскада «C» ток через него протекает менее чем 50 % периода входного сигнала.

НЧ-усилитель на транзисторах: искажения в основных классах работы

В рабочей области транзисторный усилитель класса «А» обладает малым уровнем нелинейных искажений. Но если сигнал имеет импульсные выбросы по напряжению, приводящие к насыщению транзисторов, то вокруг каждой «штатной» гармоники выходного сигнала появляются высшие гармоники (вплоть до 11-й). Это вызывает феномен так называемого транзисторного, или металлического, звука.

Если НЧ-усилители мощности на транзисторах имеют нестабилизированное питание, то их выходные сигналы модулируются по амплитуде вблизи частоты сети. Это ведет к жёсткости звука на левом краю частотной характеристики. Различные же способы стабилизации напряжения делают конструкцию усилителя более сложной.

Типовой КПД однотактного усилителя класса А не превышает 20 % из-за постоянно открытого транзистора и непрерывного протекания постоянной составляющей тока. Можно выполнить усилитель класса А двухтактным, КПД несколько повысится, но полуволны сигнала станут более несимметричными. Перевод же каскада из класса работы «А» в класс работы «АВ» повышает вчетверо нелинейные искажения, хотя КПД его схемы при этом повышается.

В усилителях же классов «АВ» и «В» искажения нарастают по мере снижения уровня сигнала. Невольно хочется врубить такой усилитель погромче для полноты ощущений мощи и динамики музыки, но зачастую это мало помогает.

Промежуточные классы работы

У класса работы «А» имеется разновидность – класс «А+». При этом низковольтные входные транзисторы усилителя этого класса работают в классе «А», а высоковольтные выходные транзисторы усилителя при превышении их входными сигналами определенного уровня переходят в классы «В» или «АВ». Экономичность таких каскадов лучше, чем в чистом классе «А», а нелинейные искажения меньше (до 0,003 %). Однако звук у них также «металлический» из-за наличия высших гармоник в выходном сигнале.

У усилителей еще одного класса — «АА» степень нелинейных искажений еще ниже – около 0,0005 %, но высшие гармоники также присутствуют.

Возврат к транзисторному усилителю класса «А»?

Сегодня многие специалисты в области качественного звуковоспроизведения ратуют за возврат к ламповым усилителям, поскольку уровень нелинейных искажений и высших гармоник, вносимых ими в выходной сигнал, заведомо ниже, чем у транзисторов. Однако эти достоинства в немалой степени нивелируются необходимостью согласующего трансформатора между высокоомным ламповым выходным каскадом и низкоомными звуковыми колонками. Впрочем, с трансформаторным выходом может быть сделан и простой усилитель на транзисторах, что будет показано ниже.

Существует и точка зрения, что предельное качество звучания может обеспечить только гибридный лампово-транзисторный усилитель, все каскады которого являются однотактными, не охвачены отрицательными обратными связями и работают в классе «А». То есть такой повторитель мощности представляет собой усилитель на одном транзисторе. Схема его может иметь предельно достижимый КПД (в классе «А») не более 50 %. Но ни мощность, ни КПД усилителя не являются показателями качества звуковоспроизведения. При этом особое значение приобретают качество и линейность характеристик всех ЭРЭ в схеме.

Поскольку однотактные схемы получают такую перспективу, мы рассмотрим ниже их возможные варианты.

Однотактный усилитель на одном транзисторе

Схема его, выполненная с общим эмиттером и R-C-связями по входному и выходному сигналам для работы в классе «А», приведена на рисунке ниже.

На ней показан транзистор Q1 структуры n-p-n. Его коллектор через токоограничивающий резистор R3 присоединен к положительному выводу +Vcc, а эмиттер — к -Vcc. Усилитель на транзисторе структуры p-n-p будет иметь такую же схему, но выводы источника питания поменяются местами.

C1 – разделительный конденсатор, посредством которого источник переменного входного сигнала отделяется от источника постоянного напряжения Vcc. При этом С1 не препятствует прохождению переменного входного тока через переход «база — эмиттер транзистора Q1». Резисторы R1 и R2 совместно с сопротивлением перехода «Э — Б» образуют делитель напряжения Vcc для выбора рабочей точки транзистора Q1 в статическом режиме. Типичной для этой схемы является величина R2 = 1 кОм, а положение рабочей точки — Vcc/2. R3 является нагрузочным резистором коллекторной цепи и служит для создания на коллекторе переменного напряжения выходного сигнала.

Предположим, что Vcc = 20 В, R2 = 1 кОм, а коэффициент усиления по току h = 150. Напряжение на эмиттере выбираем Ve = 9 В, а падение напряжения на переходе «Э — Б» принимаем равным Vbe = 0,7 В. Эта величина соответствует так называемому кремниевому транзистору. Если бы мы рассматривали усилитель на германиевых транзисторах, то падение напряжения на открытом переходе «Э — Б» было бы равно Vbe = 0,3 В.

Ток эмиттера, примерно равный току коллектора

Ie = 9 B/1 кОм = 9 мА ≈ Ic.

Ток базы Ib = Ic/h = 9 мА/150 = 60 мкА.

Падение напряжения на резисторе R1

V(R1) = Vcc — Vb = Vcc – (Vbe + Ve) = 20 В – 9,7 В = 10,3 В,

R1 = V(R1)/Ib = 10,3 В/60 мкА = 172 кОм.

С2 нужен для создания цепи прохождения переменной составляющей тока эмиттера (фактически тока коллектора). Если бы его не было, то резистор R2 сильно ограничивал бы переменную составляющую, так что рассматриваемый усилитель на биполярном транзисторе имел бы низкий коэффициент усиления по току.

В наших расчетах мы принимали, что Ic = Ib h, где Ib – ток базы, втекающий в нее из эмиттера и возникающий при подаче на базу напряжения смещения. Однако через базу всегда (как при наличии смещения, так и без него) протекает еще и ток утечки из коллектора Icb0. Поэтому реальный ток коллектора равен Ic = Ib h + Icb0 h, т.е. ток утечки в схеме с ОЭ усиливается в 150 раз. Если бы мы рассматривали усилитель на германиевых транзисторах, то это обстоятельство нужно было бы учитывать при расчетах. Дело в том, что германиевые транзисторы имеют существенный Icb0 порядка нескольких мкА. У кремниевых же он на три порядка меньше (около нескольких нА), так что в расчетах им обычно пренебрегают.

Однотактный усилитель с МДП-транзистором

Как и любой усилитель на полевых транзисторах, рассматриваемая схема имеет свой аналог среди усилителей на биполярных транзисторах. Поэтому рассмотрим аналог предыдущей схемы с общим эмиттером. Она выполнена с общим истоком и R-C-связями по входному и выходному сигналам для работы в классе «А» и приведена на рисунке ниже.

Здесь C1 – такой же разделительный конденсатор, посредством которого источник переменного входного сигнала отделяется от источника постоянного напряжения Vdd. Как известно, любой усилитель на полевых транзисторах должен иметь потенциал затвора своих МДП-транзисторов ниже потенциалов их истоков. В данной схеме затвор заземлен резистором R1, имеющим, как правило, большое сопротивление (от 100 кОм до 1 Мом), чтобы он не шунтировал входной сигнал. Ток через R1 практически не проходит, поэтому потенциал затвора при отсутствии входного сигнала равен потенциалу земли. Потенциал же истока выше потенциала земли за счет падения напряжения на резисторе R2. Таким образом, потенциал затвора оказывается ниже потенциала истока, что и нужно для нормальной работы Q1. Конденсатор C2 и резистор R3 имеют такое же назначение, как и в предыдущей схеме. Поскольку эта схема с общим истоком, то входной и выходной сигналы сдвинуты по фазе на 180°.

Усилитель с трансформаторным выходом

Третий одноступенчатый простой усилитель на транзисторах, показанный на рисунке ниже, также выполнен по схеме с общим эмиттером для работы в классе «А», но с низкоомным динамиком он связан через согласующий трансформатор.

Первичная обмотка трансформатора T1 является нагрузкой коллекторной цепи транзистора Q1 и развивает выходной сигнал. T1 передает выходной сигнал на динамик и обеспечивает согласование выходного полного сопротивления транзистора с низким (порядка нескольких Ом) сопротивлением динамика.

Делитель напряжения коллекторного источника питания Vcc, собранный на резисторах R1 и R3, обеспечивает выбор рабочей точки транзистора Q1 (подачу напряжения смещения на его базу). Назначение остальных элементов усилителя такое же, как и в предыдущих схемах.

Двухтактный звуковой усилитель

Двухтактный НЧ-усилитель на двух транзисторах расщепляет входной сигнал звуковой частоты на две противофазные полуволны, каждая из которых усиливается своим собственным транзисторным каскадом. После выполнения такого усиления полуволны объединяются в целостный гармонический сигнал, который и передается на акустическую систему. Подобное преобразование НЧ-сигнала (расщепление и повторное слияние), естественно, вызывает в нем необратимые искажения, обусловленные различием частотных и динамических свойств двух транзисторов схемы. Эти искажения снижают качество звука на выходе усилителя.

Двухтактные усилители, работающие в классе «А», недостаточно хорошо воспроизводят сложные звуковые сигналы, так как в их плечах непрерывно протекает постоянный ток повышенной величины. Это приводит к несимметрии полуволн сигнала, фазовым искажениям и в конечном итоге к потере разборчивости звука. Нагреваясь, два мощных транзистора увеличивают вдвое искажения сигнала в области низких и инфранизких частот. Но все же основным достоинством двухтактной схемы является ее приемлемый КПД и повышенная выходная мощность.

Двухтактная схема усилителя мощности на транзисторах показана на рисунке.

Это усилитель для работы в классе «А», но может быть использован и класс «АВ», и даже «В».

Бестрансформаторный транзисторный усилитель мощности

Трансформаторы, несмотря на успехи в их миниатюризации, остаются все же самыми громоздкими, тяжелыми и дорогими ЭРЭ. Поэтому был найден путь устранения трансформатора из двухтактной схемы путем выполнения ее на двух мощных комплементарных транзисторах разных типов (n-p-n и p-n-p). Большинство современных усилителей мощности используют именно этот принцип и предназначены для работы в классе «В». Схема такого усилителя мощности показана на рисунке ниже.

Оба ее транзистора включены по схеме с общим коллектором (эмиттерного повторителя). Поэтому схема передает входное напряжение на выход без усиления. Если входного сигнала нет, то оба транзистора находятся на границе включенного состояния, но при этом они выключены.

Когда гармонический сигнал подан на вход, его положительная полуволна открывает TR1, но переводит p-n-p транзистор TR2 полностью в режим отсечки. Таким образом, только положительная полуволна усиленного тока протекает через нагрузку. Отрицательная полуволна входного сигнала открывает только TR2 и запирает TR1, так что в нагрузку подается отрицательная полуволна усиленного тока. В результате на нагрузке выделяется полный усиленный по мощности (за счет усиления по току) синусоидальный сигнал.

Усилитель на одном транзисторе

Для усвоения вышеизложенного соберем простой усилитель на транзисторах своими руками и разберемся, как он работает.

В качестве нагрузки маломощного транзистора Т типа BC107 включим наушники с сопротивлением 2-3 кОм, напряжение смещения на базу подадим с высокоомного резистора R* величиной 1 МОм, развязывающий электролитический конденсатор C емкостью от 10 мкФ до 100 мкФ включим в базовую цепь Т. Питать схему будем от батареи 4,5 В/0,3 А.

Если резистор R* не подключен, то нет ни тока базы Ib, ни тока коллектора Ic. Если резистор подключен, то напряжение на базе поднимается до 0,7 В и через нее протекает ток Ib = 4 мкА. Коэффициент усиления транзистора по току равен 250, что дает Ic = 250Ib = 1 мА.

Собрав простой усилитель на транзисторах своими руками, можем теперь его испытать. Подключите наушники и поставьте палец на точку 1 схемы. Вы услышите шум. Ваше тело воспринимает излучение питающей сети на частоте 50 Гц. Шум, услышанный вами из наушников, и является этим излучением, только усиленным транзистором. Поясним этот процесс подробнее. Напряжение переменного тока с частотой 50 Гц подключено к базе транзистора через конденсатор С. Напряжение на базе теперь равно сумме постоянного напряжения смещения (приблизительно 0,7 В), приходящего с резистора R*, и напряжения переменного тока «от пальца». В результате ток коллектора получает переменную составляющую с частотой 50 Гц. Этот переменный ток используется для сдвига мембраны динамиков вперед-назад с той же частотой, а это означает, что мы сможем услышать тон 50 Гц на выходе.

Слушать уровень шума 50 Гц не очень интересно, поэтому можно подключить к точкам 1 и 2 низкочастотные источника сигнала (CD-плеер или микрофон) и слышать усиленную речь или музыку.

Самый простой усилитель звука на одном транзисторе. Усилитель низкой частоты на мощных 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 простого усилителя мощности НЧ с непосредственной связью между каскадами приведена на рис. 6 [Рл 3/00-14]. Входное сопротивление усилителя определяется номиналом потенциометра R1 и может изменяться от сотен Ом до десятков МОм. На выход усилителя можно подключать нагрузку сопротивлением от 2…4 до 64 Ом и выше.

При высокоомной нагрузке в качестве VT2 можно использовать транзистор КТ315. Усилитель работоспособен в диапазоне питающих напряжений от 3 до 15 В, хотя приемлемая работоспособность его сохраняется и при снижении напряжения питания вплоть до 0,6 В.

Емкость конденсатора С1 может быть выбрана в пределах от 1 до 100 мкФ. В последнем случае (С1 =100 мкФ) УНЧ может работать в полосе частот от 50 Гц до 200 кГц и выше.

Рис. 6. Схема простого усилителя низкой частоты на двух транзисторах.

Амплитуда входного сигнала УНЧ не должна превышать 0,5…0,7 В. Выходная мощность усилителя может изменяться от десятков мВт до единиц Вт в зависимости от сопротивления нагрузки и величины питающего напряжения.

Настройка усилителя заключается в подборе резисторов R2 и R3. С их помощью устанавливают напряжение на стоке транзистора VT1, равное 50…60% от напряжения источника питания. Транзистор VT2 должен быть установлен на теплоотводя-щей пластине (радиаторе).

Трекаскадный УНЧ с непосредственной связью

На рис. 7 показана схема другого внешне простого УНЧ с непосредственными связями между каскадами. Такого рода связь улучшает частотные характеристики усилителя в области нижних частот, схема в целом упрощается.

Рис. 7. Принципиальная схема трехкаскадного УНЧ с непосредственной связью между каскадами.

В то же время настройка усилителя осложняется тем, что каждое сопротивление усилителя приходится подбирать в индивидуальном порядке. Ориентировочно соотношение резисторов R2 и R3, R3 и R4, R4 и R BF должно быть в пределах (30…50) к 1. Резистор R1 должен быть 0,1…2 кОм. Расчет усилителя, приведенного на рис. 7, можно найти в литературе, например, [Р 9/70-60].

Схемы каскадных УНЧ на биполярных транзисторах

На рис. 8 и 9 показаны схемы каскодных УНЧ на биполярных транзисторах. Такие усилители имеют довольно высокий коэффициент усиления Ку. Усилитель на рис. 8 имеет Ку=5 в полосе частот от 30 Гц до 120 кГц [МК 2/86-15]. УНЧ по схеме на рис. 9 при коэффициенте гармоник менее 1% имеет коэффициент усиления 100 [РЛ 3/99-10].

Рис. 8. Каскадный УНЧ на двух транзисторах с коэффициентом усиления = 5.

Рис. 9. Каскадный УНЧ на двух транзисторах с коэффициентом усиления = 100.

Экономичный УНЧ на трех транзисторах

Для портативной радиоэлектронной аппаратуры важным параметром является экономичность УНЧ. Схема такого УНЧ представлена на рис. 10 [РЛ 3/00-14]. Здесь использовано каскадное включение полевого транзистора VT1 и биполярного транзистора VT3, причем транзистор VT2 включен таким образом, что стабилизирует рабочую точку VT1 и VT3.

При увеличении входного напряжения этот транзистор шунтирует переход эмиттер — база VT3 и уменьшает значение тока, протекающего через транзисторы VT1 и VT3.

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

Как и в приведенной выше схеме (см. рис. 6), входное сопротивление этого УНЧ можно задавать в пределах от десятков Ом до десятков МОм. В качестве нагрузки использован телефонный капсюль, например, ТК-67 или ТМ-2В. Телефонный капсюль, подключаемый при помощи штекера, может одновременно служить выключателем питания схемы.

Напряжение питания УНЧ составляет от 1,5 до 15 В, хотя работоспособность устройства сохраняется и при снижении питающего напряжения до 0,6 В. В диапазоне напряжения питания 2… 15 В потребляемый усилителем ток описывается выражением:

1(мкА) = 52 + 13*(Uпит)*(Uпит),

где Uпит — напряжение питания в Вольтах (В).

Если отключить транзистор VT2, потребляемый устройством ток увеличивается на порядок.

Двухкаскадные УНЧ с непосредственной связью между каскадами

Примерами УНЧ с непосредственными связями и минимальным подбором режима работы являются схемы, приведенные на рис. 11 — 14. Они имеют высокий коэффициент усиления и хорошую стабильность.

Рис. 11. Простой двухкаскадный УНЧ для микрофона (низкий уровень шумов, высокий КУ).

Рис. 12. Двухкаскадный усилитель низкой частоты на транзисторах КТ315.

Рис. 13. Двухкаскадный усилитель низкой частоты на транзисторах КТ315 — вариант 2.

Микрофонный усилитель (рис. 11) характеризуется низким уровнем собственных шумов и высоким коэффициентом усиления [МК 5/83-XIV]. В качестве микрофона ВМ1 использован микрофон электродинамического типа.

В роли микрофона может выступать и телефонный капсюль. Стабилизация рабочей точки (начального смещения на базе входного транзистора) усилителей на рис. 11 — 13 осуществляется за счет падения напряжения на эмиттерном сопротивлении второго каскада усиления.

Рис. 14. Двухкаскадный УНЧ с полевым транзистором.

Усилитель (рис. 14), имеющий высокое входное сопротивление (порядка 1 МОм), выполнен на полевом транзисторе VT1 (истоковый повторитель) и биполярном — VT2 (с общим).

Каскадный усилитель низкой частоты на полевых транзисторах, также имеющий высокое входное сопротивление, показан на рис. 15.

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

Схемы УНЧ для работы с низкоОмной нагрузкой

Типовые УНЧ, предназначенные для работы на низкоомную нагрузку и имеющие выходную мощность десятки мВт и выше, изображены на рис. 16, 17.

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

Электродинамическая головка ВА1 может быть подключена к выходу усилителя, как показано на рис. 16, либо в диагональ моста (рис. 17). Если источник питания выполнен из двух последовательно соединенных батарей (аккумуляторов), правый по схеме вывод головки ВА1 может быть подключен к их средней точки напрямую, без конденсаторов СЗ, С4.

Рис. 17. Схема усилителя низкой частоты с включением низкоомной нагрузки в диагональ моста.

Если вам нужна схема простого лампового УНЧ то такой усилитель можно собрать даже на одной лампе, смотрите у нас на сайте по электронике в соответствующем разделе.

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год.

Исправления в публикации: на рис. 16 и 17 вместо диода Д9 установлена цепочка из диодов.

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.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
	Усилитель на микросхеме TDA2003
	Аудио усилитель	TDA2003	1		Поиск в Чип и Дип	В блокнот
С1		47 мкФ х 25В	1		Поиск в Чип и Дип	В блокнот
С2	Конденсатор	100 нФ	1	Пленочный	Поиск в Чип и Дип	В блокнот
С3	Электролитический конденсатор	1 мкФ х 25В	1		Поиск в Чип и Дип	В блокнот
С5	Электролитический конденсатор	470 мкФ х 16В	1		Поиск в Чип и Дип	В блокнот
R1	Резистор	100 Ом	1		Поиск в Чип и Дип	В блокнот
R2	Переменный резистор	50 кОм	1	От 10 кОм до 50 кОм	Поиск в Чип и Дип	В блокнот
Ls1	Динамическая головка	2-4 Ом	1		Поиск в Чип и Дип	В блокнот
	Усилитель на транзисторах схема №2
VT1-VT3	Биполярный транзистор	КТ315А	3		Поиск в Чип и Дип	В блокнот
С1	Электролитический конденсатор	1 мкФ х 16В	1		Поиск в Чип и Дип	В блокнот
С2, С3	Электролитический конденсатор	1000 мкФ х 16В	2		Поиск в Чип и Дип	В блокнот
R1, R2	Резистор	100 кОм	2		Поиск в Чип и Дип	В блокнот
R3	Резистор	47 кОм	1		Поиск в Чип и Дип	В блокнот
R4	Резистор	1 кОм	1		Поиск в Чип и Дип	В блокнот
R5	Переменный резистор	50 кОм	1

В режиме усиления транзистор усилитель работает в схемах приемников и усилителях звуковой частоты (УЗЧ и УНЧ). При работе применяются малые токи в базовой цепи, управляющие большими токами в коллекторе.В этом заключается и отличие режима усиления от режима переключения, который лишь открывает или закрывает транзистор в зависимости от Uб на базе.

В качестве опыта для начинающего радиолюбителя соберем самый простой усилитель транзистор, в соответствии с предлагаемой схемой и рисунком.

К коллектору VT1 подсоединим высокоомный телефон BF2 , между базой и минусом блока питания подключим сопротивление Rб , и развязывающую емкость конденсатора C св .

Конечно, сильного усиления звукового сигнала от такой схемы мы не получим, но услышать звук в телефоне BF1 все таки можно, т.к мы собрали ваш первый усилительный каскад.

Усилительным каскадом называют схему транзистора с резисторами, конденсаторами и другими радиокомпонентами, обеспечивающими последнему условия работы как транзистор усилитель. Кроме того сразу скажем о том, что усилительные каскады можно соединять между собой и получать многокаскадные усилительные устройства.

При подключение источника питания к схеме, на базу транзистора через сопротивление Rб идет небольшое отрицательное напряжение порядка 0,1 – 0,2В, называемое напряжением смещения. Оно немного приоткрывает транзистор, т.е снижает высоту потенциальных барьеров, и через переходы полупроводникового прибора начинает течь небольшой ток, который держит усилитель в дежурном режиме, из которого он способен мгновенно выйти, как только на входе появится входной сигнал.

Без присутствия напряжения смещения эмиттерный переход будет заперт и, как диод, будет не пропускать положительные полупериоды входного напряжения, а усиленный сигнал будет искажаться.

Если на вход усилителя подсоединить еще один телефон и применить его в роли микрофона, то он будет преобразовывать возникающие на его мембране звуковые колебания в переменное напряжение звукового диапазона, которое через емкость Ссв будет следовать на базу транзистора.

Конденсатор Ссв является связующим компонентом между телефоном и базой. Он отлично пропускает напряжение ЗЧ, но создает серьезную преграду постоянному току идущему из базовой цепи к телефону. Кроме того телефон обладает внутренним сопротивлением порядка 1600 Ом, поэтому без этой емкости конденсатора база через внутреннее сопротивление соединялась бы с эмиттером и никакого усиления не было бы.

Теперь, если начать говорить в телефон-микрофон, то эмиттерной цепи появятся колебания тока телефона Iтлф, которые и будут управлять большим током возникающем в коллекторе и эти усиленные колебания, преобразованные вторым телефоном в обычный звук, мы и будем слышать.

Процесс усиления сигнала можно представить так. В момент отсутствия напряжения входного сигнала Uвх, в цепях базы и коллектора протекают незначительные токи (прямые участки диаграммы а, б, в), заданные приложенным напряжением блока питания, напряжением смещения и усилительными характеристиками биполярного транзистора.

Как только на базу поступает входной сигнал (правая часть диаграммы а), то в зависимости от него начнут изменяться и токи в цепях трехвыводного полупроводникового прибора (правая часть диаграммы б, в).

В отрицательной полуволне сигнала, когда Uвх и напряжение БП суммируются на базе — токи протекающие через транзистор возрастают.

При плюсовой волне минусовое напряжение на базе снижается, как и протекающие токи. Вот таким образом и работает транзистор усилитель.

Если на выход подключить не телефон а резистор, то появляющееся на нем напряжение переменной составляющей усиленного сигнала можно подвести ко входной цепи второго каскада для дополнительного усиления. Один прибор способен усиливать сигнал в 30 — 50 раз.

По этому же принципу работают VT противоположной структуры n-p-n. Но для них полярность включения блока питания необходимо поменять на противоположную.

Для работы транзистора усилителя на его базу, относительно эмиттера, вместе с напряжением входного сигнала обязательно должно поступать постоянное напряжение смещения, открывающее полупроводниковый прибор.

Для германиевых VT открывающее напряжение должно быть не более 0,2 вольта, а для кремниевых 0,7 вольта. Напряжение смещения на базу не подают только тогда, когда эмиттерный переход транзистора применяют для детектирования сигнала, но об этом мы поговорим позднее.

Усилитель низкой частоты (УНЧ) является составной частью большинства радиотехнических устройств как то телевизора, плеера, радиоприемника и различных приборов бытового назначения. Рассмотрим две простые схемы двухкаскадного УНЧ на .

Первый вариант УНЧ на транзисторах

В первом варианте усилитель построен на кремниевых транзисторах n-p-n проводимости. Входной сигнал поступает через переменный резистор R1, который в свою очередь является нагрузочным сопротивлением для схемы источника сигнала. подсоединены к коллекторной электроцепи транзистора VT2 усилителя.

Настройка усилителя первого варианта сводится к подбору сопротивлений R2 и R4. Величину сопротивлений нужно подобрать такой, чтобы миллиамперметр, подключенный в коллекторную цепь каждого транзистора, показывал ток в районе 0,5…0,8 мА. По второй схеме необходимо также выставить коллекторный ток второго транзистора путем подбора сопротивления резистора R3.

В первом варианте возможно применить транзисторы марки КТ312, или их зарубежные аналоги, однако при этом необходимо будет выставить правильное смещение напряжения транзисторов путем подбора сопротивлений R2, R4. Во втором варианте в свою очередь, возможно применить кремневые транзисторы марки КТ209, КТ361, или зарубежные аналоги. При этом выставить режимы работы транзисторов можно путем изменения сопротивления R3.

В коллекторную электроцепь транзистора VT2 (обоих усилителей) взамен наушников возможно подключить динамик с высоким сопротивлением. Если же необходимо получить более мощное усиление звука, то можно собрать усилитель на , который обеспечивает усиление до 15 Вт.

Источник питания должен выдавать стабильное или нестабильное двуполярное напряжение питания ±45V и ток 5А. Эта схема УНЧ на транзисторах весьма проста, так как в выходном каскаде используется пара мощных комплементарных транзисторов Дарлингтона . В соответствии с справочными характеристиками эти транзисторы могут коммутировать ток до 5А при напряжении эмиттерном-коллекторном переходе до 100V.

Схема УНЧ представлена на рисунке чуть ниже.

Сигнал требующий усиления через предварительный УНЧ подается на предварительный дифферециальный усилительный каскад построенный на составных транзисторах VT1 и VT2. Использование дифференциальной схемы в усилительном каскаде, снижает шумовые эффекты и обеспечивает работу отрицательной обратной связи. Напряжение ОС поступает на базу транзистора VT2 с выхода усилителя мощности. ОС по постоянному току реализуется через резистор R6. ОС по переменной состовляющей осуществляется через резистор R6, но её величина зависит от номиналов цепочки R7-C3. Но следует учитовать, что слишком сильное увеличение сопротивления R7 приводет к возбуждению.

Режим работы по постоянному току обеспечивается подбором резистора R6. Выходной каскад на транзисторах Дарлингтона VT3 и VT4 работает в классе АВ. Диоды VD1 и VD2 нужны для стабилизации рабочей точки выходного каскада.

Транзистор VT5 ппредназначен для раскачки выходного каскада, на его базу поступает сигнал с выхода дифференциального предварительного усилителя, а так же постоянное напряжение смещения, которое определяет режим работы выходного каскада по постоянному току.

Все конденсаторы схемы должны быть рассчитаны на максимальное постоянное напряжение не ниже 100V. Транзисторы выходного каскада рекомендуется закрепить на радиаторы площадью не меньше 200 см в квадрате

Рассмотренная схема простого двухкаскадного усилителя разработана для работы с наушниками или для использования в простых устройствах с функцией предварительного усилителя.

Первый транзистор усилителя подсоединен по схеме с общим эмиттером, а второй транзистор с общим коллектором. Первый каскад предназначен для базового усиления сигнала по напряжению, а второй каскада усиливает уже по мощности.

Малое выходное сопротивление второго каскада двухкаскадного усилителя, называемого эмиттерным повторителем, позволяет подсоединять не только наушники с большим сопротивлением, но и другие виды преобразователей акустического сигнала.

Эта тоже двухкаскадная схема УНЧ выполненная на двух транзисторах, но уже противоположной проводимости. Ее главная особенность в том, что связь между каскадами непосредственная. Охваченная ООС через сопротивление R3 напряжение смещения со второго каскада проходит на базу первого транзистора.

Конденсатор СЗ, шунтирует резистор R4, уменьшает ООС по переменному току, тем самым уменьшающая усиление VT2. Путем подбора номинала резистора R3 задают режим работы транзисторов.

УМЗЧ на двух транзисторах

Этот достаточно легкий усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) можно спаять всего на двух транзисторах. При напряжении питания 42В постоянного тока выходная мощность усилителя достигает 0,25 Вт при нагрузке 4 Ом. Потребляемый ток всего 23 mA. Усилитель работает в однотактном режиме «А».

Напряжение низкой частоты от источника сигнала подходит к регулятору громкости R1. Далее через защитный резистор R3 и конденсатор C1 сигнал оказывается на базе биполярного транзистора VT1 включенного по схеме с общим эмиттером. Усиленный сигнал через R8 подается на затвор мощного полевого транзистора VT2 включенный по схеме с общим истоком и его нагрузкой служит первичная обмотка понижающего трансформатора К вторичной обмотке трансформатора можно подключить динамическую головку или акустическую систему.

В обоих транзисторных каскадах присутствует местная отрицательная обратная связь по постоянному и переменному току, так и общей цепью ООС.

В случае увеличения напряжения на затворе полевого транзистора сопротивление сток исток его канала уменьшается и напряжение на его стоке уменьшается. Это влияет и на уровень сигнала поступающий на биполярный транзистор, что снижает напряжения затвор-исток.

Совместно с цепями местной отрицательной обратной связи, таким образом, стабилизируются режимы работы обоих транзисторов даже в случае незначительного изменения питающего напряжения. Коэффициент усиления зависит от соотношения сопротивлений резисторов R10 и R7. Стабилитрон VD1 предназначен для предотвращения выхода полевого транзистора из строя. Питание усилительного каскада на VT1 производится через RC фильтр R12C4. Конденсатор C5 блокировочный по цепи питания.

Усилитель может быть собран на печатной плате размерами 80×50 мм,на ней расположены все элементы кроме понижающего трансформатора и динамической головки

Наладку схемы усилителя осуществляют при том напряжении питания, при котором он будет работать. Для тонкой настройки рекомендуется использовать осциллограф, щуп которого подключают к выводу стока полевого транзистора. Подав на вход усилителя синусоидальный сигнал частотой 100 … 4000 Гц, с помощью регулировки подстроечного резистора R5 добиваются того, чтобы отсутствовали заметные искажения синусоиды при как можно большем размахе амплитуды сигнала на выводе стока транзистора.

Выходная мощность усилителя на полевом транзисторе небольшая, всего 0,25Вт, напряжение питания от 42В до 60В. Сопротивление динамической головки 4 Ома.

Аудио сигнал через переменное сопротивление R1, затем R3 и разделительную емкость C1 поступает на усилительный каскад на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером. Далее с этого транзистора усиленный сигнал через сопротивление R10 проходит на полевой транзистор.

Первичная обмотка трансформатора является нагрузкой для полевого транзистора, а к вторичной обмотки подключен четырех омная динамическая головка. Соотношением сопротивлений R10 и R7 задаем степень усиления по напряжению. С целью защиты униполярного транзистора в схему добавлен стабилитрон VD1.

Все номиналы деталей имеются на схеме. Трансформатор можно использовать типа ТВК110ЛМ или ТВК110Л2, от блока кадровой развертки старого телевизора или аналогичный.

УМЗЧ по схеме Агеева

Наткнулся на эту схему в старом выпуске журнала радио, впечатления от нее остались самыми приятными,во первых схема настолько проста, что ее сможет собрать и начинающий радиолюбитель,во вторых при условии рабочих компонентов и правильной сборки наладки она не требует.

Если вас заинтересовала эта схема, то остальные подробности по ее сборке вы сможете найти в журнале радио №8 за 1982 год.

Высококачественные транзисторные УНЧ

Усилитель класса A на 3 транзисторах MJE13003

Самый простой усилитель с хорошим звуком на транзисторах с помойки

Привет, друзья. Эту схему я нашел в старой книге по радиолюбительству издания начала 80-х. Это наверно самый простой в мире усилитель мощности звуковой частоты. Собрать такой усилитель можно за полчаса из деталей от старых «энергосберегающих» лам. Обычно электронный балласт таких ламп делают на паре транзисторов типа MJE13003 или 13005. Чаще всего эти лампы выбрасывают, когда выходит из строя сама трубка лампы. Там перегорают спирали накала, которые используются для инициации разряда внутри лампы в момент включения. При этом элементы схемы балласта остаются исправными. Такие лампы модно использовать как доноры неплохих бесплатных радиодеталей для наших конструкций. кстати можно использовать не только транзисторы, но и импульсный трансформатор, конденсаторы и т.д.

Детали, добытые из старых ламп нужно обязательно проверять перед повторным использованием. особенно транзисторы. Также нужно позаботиться об утилизации самой светоизлучающей трубки, так как внутри нее содержится вредная для здоровья и экологии ртуть.

В каждой лампе мы найдем 2 транзистора. В лампах малой мощности вы найдете транзисторы 13003, а в более мощных — 13005 или, если повезет, даже 13007. Это самые мощные из тех, которые применялись в таких балластах. Можно использовать любые из них. Для усилителя нам нужно три транзистора. Кроме цокольных «энергосберегаек» такие транзисторы можно найти и в электронных балластах для больших ЛДС (трубок). Сейчас многие компании и магазины переходят на светодиодное освещение и я часто вижу на свалках целые горы выброшенных старых ЛДС светильников. Вот где можно разжиться транзисторами MJE13005! :). Если вы не хотите связываться со старыми лампами, можно заказать небольшую партию этих транзисторов на Алиэкспресс. Это хорошие высоковольтные транзисторы и они пригодятся вам в вашем дальнейшем творчестве. Транзисторы очень дешевы, 20 штук MJE13003 стоят в районе одного доллара, а более мощные MJE13005 — чуть дороже.

MJE13003 на Алиэкспресс

MJE13005 на Алиэкспресс

Схема усилителя крайне проста. Она приведена на рисунке ниже:

Три одинаковых транзистора представляют собой составной транзистор (схема Дарлингтона, Darlington transistor). Нагрузкой по постоянному току является резистор R3, а по переменному току — громкоговоритель LS1. Сопротивление катушки громкоговорителя должно быть в районе 8 Ом. Конденсатор C2 должен иметь емкость не менее 1000 микрофарад. Здесь чем больше, тем более низкие частоты будет способен передать усилитель. В качестве C1 можно использовать электролитический конденсатор емкостью от 2.2 до 10 мкФ.

Режим работы и ток покоя схемы устанавливается подстроечным резистором R1. Для настройки усилителя замкнем накоротко его вход, и поворачивая движок RI установим на верхнем по схеме выводе нагрузочного резистора R3 напряжение примерно равное половине напряжения питания, то есть 6В. Резистор R3 будет нагреваться в процессе работы, даже без входного сигнала. Так работает режим класса A. Ток через оконечный каскад, работающий в классе А идет всегда, не зависимо от того есть сигнал или нет.2 / R, то есть в нашем случае она будет P=6*6 / 10 = 3.6 W. То есть, несмотря на то, что написано на схеме, резистор нужно применить мощностью около 5W или использовать два резистора по 20 Ом 2W, соединённых параллельно.

Второй недостаток — это низкая чувствительность усилителя. Для получения на выходе номинальной выходной мощности на вход нужно продать сигнал амплитудой около трех вольт. дело в том, что данная схема — это фактически составной эмиттерный повторитель, а эмиттерный повторитель не дает усиления по напряжению. Для увеличения чувствительности можно использовать дополнительный каскад усиления, но это сводит на нет простоту усилителя, как одно из его главных достоинств.

Поскольку коллекторы всех транзисторов по схеме соединены, можно закрепить все три транзистора на одной алюминиевой пластине, которая будет служить радиатором. Вывод коллектора у этих транзисторов соединен с корпусом.

Также хорошей идеей может быть использование в качестве Q1 и Q2 транзисторов MJE13003 а в качестве третьего — более мощный MJE13005 или 13007

Достоинства усилителя — крайняя простота схемы и довольно качественный звук, свойственный усилителям класса A. Хотя максимальная выходная мощность очень невелика — в районе больше 2,5 W

Блок питания усилителя должен обеспечивать ток как минимум 1 ампер на канал, при напряжении 12 вольт. То есть 2 А в случае стереофонического усилителя. Хорошей идеей будет использование здесь импульсного источника питания, например вот такого>>

Второй вариант схемы

Основной ток схемы течет через переход коллектор — эмиттер третьего транзистора и резистор R3. Это около 0.7A в режиме покоя. Ток, который течет через транзистор Q2 боле чем на порядок меньше и составляет примерно 20mA. Фактически это — ток базы транзистора Q3. Ток, проходящий через первый транзистор — это ток базы второго транзистора, и он еще меньше. Поэтому можно усовершенствовать схему усилителя, использовав в качестве первого транзистора маломощный, но с более высокими параметрами по шумам и коэффициенту передачи тока, чем у мощного MJE13005/13003. Например можно использовать транзистор BC549. Второй вариант схемы я «собрал» в симуляторе Proteus. Возможно чуть позже я проверю его на реальных компонентах и дополню эту статью.

Ниже привожу схему в том виде, как она выглядит в Proteus:

Показы статьи: 667 Посещений сайта: 44354

Двунаправленный ВЧ усилитель на транзисторах 2N3904

Статья A Termination Insensitive Amplifier for Bidirectional Transceivers [PDF] за авторством Wes Hayward, W7ZOI и Bob Kopski, K3NHI, описывает любопытную схему ВЧ усилителя. Схема интересна как минимум по той причине, что способна усиливать как сигналы, проходящие с порта IN на порт OUT, так и с порта OUT на порт IN. Также усилитель обладает другими полезными свойствами.

Вот схема:

Все транзисторы — 2N3904. Верхняя и нижняя части схемы идентичны.

Перед нами два усилителя, работающих в противоположных направлениях и соединенные параллельно. При подаче питания на 12V_Right работает верхний усилитель, при подаче на 12V_Left — нижний. Номиналы R1, Rf и Rd определяют усиление:

R1 [Ohm]   Rf [Ohm]   Rd [Ohm]   Gain [dB]
     330        270         27         7.2
     330        390         22        10.8
     330        510         18        13.4
     330        680         15        15.7
     330       1000         10        19.3
     330       1800          5        24.3
     470        620         20        15.1
     470       1500         10        22.6

Усиление верхного и нижнего усилителя может быть различным. На работе схемы это не сказывается.

Рассмотрим один из усилителей, для определенности пусть будет верхний. Это усилитель с обратной связью, нагруженный на R1. Параллельно с R1 включен эмиттерный повторитель на паре Дарлингтона. Он имеет практически единичное усиление, высокий входной импеданс и выходной импеданс, определяемый последовательно включенным резистором 47 Ом. Другими словами, это буфер.

Благодаря обратной связи усилитель имеет гладкую АЧХ на частотах до 30 МГц. Схема имеет лучшую изоляцию при обратном включении, чем простой усилитель с обратной связью. За счет этого мы и можем построить двунаправленный усилитель. Также усилитель не обладает «прозрачностью» в отношении входного и выходного импеданса. Его можно нагрузить хоть на КЗ, при этом входной импеданс останется ~50 Ом. Платить за все это приходится более высоким коэффициентом шума, более высоким потреблением тока, а также большим числом компонентов.

В качестве эксперимента было решено сделать усилитель с расчетным усилением ~22 dB, с номиналами R1, Rf и Rd из последней строчки в таблице:

АЧХ получилась куда более гладкой, чем у аналогичного простого усилителя с обратной связью:

А таким получился график КСВ:

От нагрузки график никак не зависит. Изоляция в случае, когда оба усилителя обесточены, составляет 35+ dB на частотах до 30 МГц. Изоляция схемы при обратном включении, когда один из усилителей запитан, составляет 45+ dB. Точка компрессии по входу на 14 МГц и составила -12.5 dBm. При питании от 13.8 В схема потребляет 31 мА.

Двунаправленные усилители находят применение в супергетеродинных трансиверах. Однонаправленная половинка схемы может быть использована в качестве буфера для диодного кольцевого смесителя, либо как усилитель в приемном или передающем тракте трансивера. В схеме не используются Amidon’овские ферритовые кольца. Что есть плюс в плане повторяемости, поскольку не во всех странах эти кольца легко купить.

Метки: Беспроводная связь, Любительское радио, Электроника.

⚡️Простой усилитель на транзисторах | radiochipi.ru

На чтение 8 мин Опубликовано 18.05.2015 Обновлено 07.07.2019

Предлагаю схему транзисторного усилителя мощности звуковой частоты, не имеющего дефицитных деталей.

Кому не хочется собрать хороший усилитель мощности низкой частоты, чтобы он работал «чисто», был надежен , да и налаживание не отнимало бы много времени. Без ошибок собранный он начинает работать сразу же после подачи на него питающих напряжений.

Необходимо лишь с помощью резистора R7 установить нулевое выходное напряжение при отсутствии сигнала на входе и выставить начальный ток выходных транзисторов VT11, VT12 в пределах 100—150 мА. При двуполярном питании ±36 В транзисторный усилитель мощности звуковой частоты отдает в нагрузку сопротивлением 8 Ом 50 Вт, при нагрузке 4 Ом — 90 Вт.

При работе УМЗЧ на 4-омную нагрузку емкость сглаживающих конденсаторов в блоке питания должна быть не менее 20000 мкФ для стерео варианта или 10000 мкФ для моно варианта. Увлекаться снижением емкости этих конденсаторов не стоит, так как при больших токах в нагрузке может ухудшиться воспроизведение.

Хорошие результаты дает применение стабилизированных блоков питания. При этом допустимо снижение емкости фильтрующих конденсаторов в 1,5 раза. К тому же в стабилизированный блок питания нетрудно ввести токовую защиту.

В данном УМЗЧ такая защита не предусмотрена, поскольку простоя защита заметно ухудшает качество звуковоспроизведения, о сложная значительно увеличивает количество радиокомпонентов.

Релейные схемы защиты весьма чувствительны ко всякого рода помехам и всплескам напряжений, поэтому и от них пришлось отказаться. Предлагаемый усилитель на транзисторах рассчитан не стационарный аудиокомплекс. Аккуратно собранный, работающий на исправные и с хорошим запасом мощности акустические системы, простой усилитель звука прослужит не один год.

Как видно из рис.1, УМЗЧ состоит из дифференциального каскада VT1, VT2 с генератором тока на транзисторе VI3, усилителя напряжения на транзисторе VT4 и буферного каскада — усилителя тока на транзисторе VT5. Последний нагружен на генератор токе, собранный на транзисторе VF6 и на симметричную схему двухтактного составного повторителя напряжения на транзисторах VT7—VT12.

Несмотря на “традиционность”‘ этой схемы, в ней применены некоторые “тонкости”. Усилитель тока VT7—VT12 несколько видоизменен по сравнению с обычными схемами. Это позволило снизить искажения, вносимые выходным каскадом УМЗЧ, в несколько раз.

В обычных схемах из-за наличия емкости перехода база-эмиттер (эта емкость у мощных транзисторов может достигать сотых долей микрофарад) на базах выходных и предвыходных транзисторов скапливаются электрические заряды, что приводит к затягиванию времени переходных процессов.

В предлагаемой схеме влияние емкости база-эмиттер уменьшено в несколько раз, что в итоге благоприятно сказывается на верности звуковоспроизведения. УМЗЧ охвачен цепью общей ООС. Глубина ООС по переменному току зависит от резисторов R17 и R16. Для уменьшения искажений, вносимых конденсатора С6, он зашунтирован неэлектролитическим конденсатором С7 емкостью в 4,7 мкФ.

Даже неискушенные слушатели могут заметить разницу в звучании, особенно на высоких частотах, с конденсатором С7 и без него. Для установки нулевого потенциала на выходе УМЗЧ при отсутствии входного сигнала служит цепь, состоящая из элементов R3,R6,R7,R14,C3. Через эту цепочку подается небольшое отрицательное напряжение смешения на транзисторы VT1 и VT2.

Необходимо отметить, что наличие буферного усилителя тока VT5 позволяет уменьшить искажения в 10-15 роз. Поэтому не стоит упрощать схемы путем исключения этого каскада. Ток покоя выходных транзисторов зависит от тока транзистора VT6. Поэтому при настройке, если необходимо, изменяют сопротивление резистора R18. Увеличение сопротивления резистора R18 соответствует уменьшению тока транзистора
VT6 и, наоборот, уменьшение R18 вызывает увеличение тока VT6.

Увеличение тока через VT6 вызывает соответственно увеличение падения напряжения на диодах VD1 — VD4, что в свою очередь приводит к увеличению напряжения смещения транзисторов VT7—VT12, при этом начальный ток выходных транзисторов VT11 и VT12 увеличивается. Напряжение на входе усилителя при максимальной мощности, отдаваемой им в нагрузку, примерно равно 1 В.

Коэффициент гармоник не превышает 0,04 % во всем диапазоне звуковых частот. Если подобрать комплиментарные пары VT9,VT10 и VT11,VT12 с одинаковыми Ь21э, можно добиться уменьшения Кг до 0,02 % в диапазоне частот до 16 кГц.

Для сохранения хорошего качества звуковоспроизведения предварительный усилитель с блоком тембров должен иметь низкое выходное сопротивление (несколько килоом) и коэфициент нелинейных искажений не более чем данный УМЗЧ.

Печатная плата УМЗЧ изображена на рис.2. Очень удобно проверять усилитель на устойчивость с помощью генератора прямоугольных импульсов, наблюдая на экране осциллографа за формой выходного сигнала. При этом подбирают емкость конденсатора С5, добиваясь наименее искаженного сигнала на выходе по сравнению с его первоначальной формой.

По возможности емкость С5 уменьшают, поскольку улучшается АЧХ усилителя на высоких частотах. Фактически емкость конденсатора удавалось снизить до 20 пФ, когда УМЗЧ работал но громкоговорители без LC-фильтров, т.е. на широкополосные громкоговорители. При работе на большую реактивную нагрузку емкость С5 необходимо увеличивать.

Кроме того, необходимо ввести катушку индуктивности в несколько микрогенри в разрыв выходного провода УМЗЧ. На печатной плате это катушка должна находиться вблизи точки соединения резисторов R26 и R27. При работе на большую реактивную нагрузку следует также ввести в схему УМЗЧ защитные (для выходных транзисторов) диоды VD7 и VD8.

Общеизвестно преимущество инвертирующего усилителя над неинвертирующим. Поскольку при инвертирующем включении входной сигнал подается на базу транзистора VT2, то входное сопротивление УМЗЧ шунтируется резистором R16. При этом для согласования низкого сопротивления усилителя, например с регулятором громкости, необходимо на входе УМЗЧ включить истоковый повторитель.

Схема такого повторителя изображена на рис.3 и на печатной плате специально для него оставлено место. Для перевода УМЗЧ в инвертирующий вариант необходимо сделать следующее.

1. Отсоединить от общего провода конденсаторы С6, С7 и освободившиеся выводы подключить к выходу истокового повторителя. При этом входом УМЗЧ будет вход повторителя.
2. Соединить левый контакт С1 (рис1) с общим проводом и включить параллельно ему электролитический конденсатор аналогично Сб.
3. Чтобы не было щелчков и бросков напряжений на выходе УМЗЧ при ею включении, подбирая резистор R3 (рис.3), установить нулевой потенциал на истоке транзистора VT1.
4. Сопротивления резисторов R4 и R5 подбираются таким образом, чтобы стабилитроны VD1 и VD2 не вышли из режима стабилизации напряжения. При инвертирующем включении по сравнению с неинеертирующим усилитель работает на слух несколько чище.

Схема блока питания (БП) изображена на рис.4. С целью уменьшения искажений общий провод разделен на два в кожном УМЗЧ, в противном случае резко возрастают искажения, появляются «блуждающие» токи, которые сильно увеличивают уровень фона в акустических системах. С этой же целью в блоке питания для уменьшения наводок от силовых трансформаторов применено противофазное включение первичных обмоток трансформаторов Т1 и Т2.

Раздельное питание каналов УМЗЧ позволяет значительно снизить переходные искажения в каналах, особенно на низких частотах. Диаметр провода как вторичной, так и первичной обмоток также можно уменьшить в 1,4 раза по сравнению с одним трансформатором в БП УМЗЧ. При использовании предохранителей FU2-FU5 (рис.4) надобность в предохранителях FU1 и FU2 (рис.1) отпадает, но предусмотренные для них площадки в платах очень удобны в случае ремонта.

При этом FU1 и FU2 заменяют резисторами для контроля токов и предохранения выхода из строя транзисторов VT7—VT12. Трансформаторы Т1 и Т2 намотаны на тороидальных магнитопроводах, внешний диаметр которых 110 мм, внутренний 65 мм и высото 23 мм. Первичная обмотка содержит 1320 витков провода ПЭВ — 0,64 мм, вторичная обмотка намотана двойным проводом ПЭВ — 1,2 мм 162 витка. Экран состоит из одного слоя провода ПЭЛШО — 0,41 мм.

Для VT5 и VT6 подойдут транзисторы КТ604, КТ611. КТ618А, КГ630. КТ940. Вместо транзисторов КТ817 и КТ816 прекрасно подходят более современные КТ850 и КТ851. Транзисторы VT1 —VT3 заменяешь на современные КТ611А. КТ632, 2Т638А. «Камень преткновения» УМЗЧ — транзистор VT4, его рекомендуется заменить но современный КТ3157А.

Этот транзистор более высоковольтный, чем КТ209М, к тому же он специально разработан для видеоусилителей транзисторных телевизоров и по своим параметром более высокочастотный.
Работает УМЗЧ с такой заменой ощутимо лучше. Усилитель прекрасно работает при понижении питания до ±25 В. Необходимо лишь уменьшить номиналы R11, R18 (Рис.1), чтобы выставить начальные токи VT7-VT12 и нулевое напряжение на выходе УМЗЧ.

В этом случае в дифференциальном каскаде можно применять КТ3102А(Б), а КТ209М (VT4I заменить но КТ3107И). Вместо КТ818. KT8I9 лучше работают КТ864, КТ865 или КТ8101, КТ8102 Предлагается также изменить цепь регулировки начального тока выходных транзисторов заменой VDI — VD4 и R19 на несколько иную схему (рис5).

Транзистор типа КТ626 устанавливается на теплоотводе как можно ближе к VT12. Транзисторы VT11 и VT12 размещены не на отдельных теплоотводах.

Читайте также статьи: усилитель ЛАНЗАР

Биполярные транзисторы как усилители

• Изучив этот раздел, вы сможете:
• Распознавать основные режимы подключения транзисторного усилителя.
• • Эмиттер обыкновенный.
• • Общий коллектор.
• • Общая база.
• Опишите основные параметры каждого режима усилителя.
• • Коэффициент усиления по напряжению.
• • Текущее усиление.
• • Входное и выходное сопротивление.

Как подключен транзистор для создания усилителя.

Рис. 3.6.1 Подключение усилителя.

Поскольку усилитель должен иметь два входа и два выхода, транзистор, используемый в качестве усилителя, должен иметь один из трех контактов, общих как для входа, так и для выхода, как показано на рисунке 3.6.1. Выбор клеммы, используемой в качестве общего подключения, оказывает заметное влияние на характеристики усилителя.

Транзистор, подключенный в трех режимах, показанных на рис. 3.6.2–3.6.4 будут показывать совершенно разные характеристические кривые для каждого режима. Эти различия могут быть использованы разработчиком схем для создания усилителя с характеристиками, наиболее подходящими для конкретной цели. Обратите внимание, что схемы показаны здесь в упрощенном виде и не предназначены для использования в качестве практических схем.

В схеме транзисторного усилителя, показанной на рис. 3.6.2–3.6.4, линия питания + V и линия 0V могут рассматриваться как одна и та же точка, если речь идет о любом сигнале переменного тока. Это связано с тем, что, хотя очевидно, что между этими двумя точками существует напряжение (напряжение питания), источник постоянного тока всегда отключается большим конденсатором (например, емкостным конденсатором в источнике питания), поэтому не может быть разницы в напряжении переменного тока. между шинами + V и 0V.

Рис.3.6.2 Режим общего эмиттера.

Режим общего эмиттера

Наиболее распространенная функция транзистора — использование в режиме ОБЩЕГО ЭМИТТЕРА. В этом способе подключения небольшие изменения тока базы / эмиттера вызывают большие изменения тока коллектора / эмиттера. Следовательно, это схема усилителя ТОКА. Для усиления НАПРЯЖЕНИЯ в цепь коллектора должен быть подключен нагрузочный резистор (или импеданс, например, настроенная цепь), чтобы изменение тока коллектора приводило к изменению напряжения, возникающего на нагрузочном резисторе.Значение резистора нагрузки влияет на УСИЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ усилителя. Это связано с тем, что чем больше резистор нагрузки, тем большее изменение напряжения будет вызвано данным изменением тока коллектора. Обратите внимание, что из-за этого метода подключения форма выходного сигнала будет противофазна входному сигналу. Это связано с тем, что увеличение напряжения базы / эмиттера вызовет увеличение тока базы. Это, в свою очередь, приведет к увеличению тока коллектора, но по мере увеличения тока коллектора падение напряжения на нагрузочном резисторе увеличивается, и поскольку напряжение на верхнем конце нагрузочного резистора (напряжение питания) не изменится, напряжение на резисторе нагрузки не изменится. нижний конец должен уменьшиться.Следовательно, увеличение напряжения база / эмиттер вызывает снижение напряжения коллектор / эмиттер.

Общие параметры эмиттера

Усиление напряжения: высокое (около 100).

Текущее усиление: высокое (от 50 до 800).

Входное сопротивление: среднее (от 3 кОм до 5 кОм).

Выходное сопротивление: среднее (приблизительное значение резистора нагрузки).

Рис. 3.6.3 Режим общего коллектора.

Режим общего коллектора

Рис.3.6.3 иллюстрирует режим ОБЩИЙ КОЛЛЕКТОР; также называется режимом эмиттерного повторителя, поскольку в этой схеме форма выходного сигнала на эмиттере не инвертируется и поэтому «следует» за формой входного сигнала на базе. Этот метод подключения часто используется в качестве БУФЕРНОГО УСИЛИТЕЛЯ для таких задач, как согласование импедансов между двумя другими цепями. Это связано с тем, что этот режим дает усилителю высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс. Коэффициент усиления по напряжению в этом режиме немного меньше единицы (x 1), но доступен высокий коэффициент усиления по току (называемый h _fc в режиме общего коллектора).Другой способ использования этого режима подключения — УСИЛИТЕЛЬ ТОКА, часто используемый для выходных цепей, которые должны управлять сильноточными устройствами переменного тока, такими как громкоговорители или устройствами постоянного тока, такими как двигатели и т. Д.

Параметры общего коллектора

Коэффициент усиления напряжения: чуть меньше единицы (1).

Текущее усиление: высокое (от 50 до 800)

Входное сопротивление: высокое (несколько кОм)

Выходное сопротивление: низкое (несколько Ом)

Рис.3.6.4 Режим общей базы.

Режим общей базы

COMMON BASE MODE обычно используется для усилителей VHF и UHF, где, хотя коэффициент усиления по напряжению невелик, существует небольшая вероятность того, что выходной сигнал будет возвращен во входную цепь (что может быть проблемой на этих частотах). Поскольку в этом режиме база транзистора заземлена, он образует эффективный заземленный экран между выходом и входом. Поскольку ток коллектора в этом режиме будет равен току эмиттера минус ток базы, коэффициент усиления по току (h _fb в режиме общей базы) меньше единицы (<1).

Параметры общей базы

Коэффициент усиления по напряжению: средний (от 10 до 50).

Текущее усиление: менее единицы (<1)

Входное сопротивление: низкое (около 50 Ом)

Выходное сопротивление: высокое (около 1 МОм)

Начало страницы

Транзистор

как усилитель: работа и его применение

Усилитель — это базовая схема, полученная из транзисторов.Эти устройства сконструированы таким образом, что транзисторы с низким значением входного сигнала преобразуются в сигналы, обладающие высокой силой. Они наиболее широко используются в концепции междугородной связи, а также там, где беспроводная передача данных используется в качестве носителя.

Это основные устройства, устанавливаемые в передатчики и приемники. Поскольку транзисторы бывают разных типов, это может быть биполярный транзистор (BJT), полевой транзистор (FET) и полевой транзистор на основе оксида металла и полупроводника (MOSFET).

Усилители являются производными от транзисторов, потому что они способны работать в трех областях: активная, отсечка и насыщение. С целью усиления фокус будет на активной области. Основное назначение этих усилителей — без изменений усилить подаваемый входной сигнал.

Транзистор как усилитель

Усилители — это схемы, которые предназначены для улучшения интенсивности сигналов. Применяемый вход может быть сигналами напряжения или тока в соответствии с требованиями.Этот процесс усиления используется в радиосигналах, междугородной связи и т. Д.

Транзистор должен быть эффективным с точки зрения усиления, линейности. Он должен обладать высокой пропускной способностью. Если эти параметры существуют в транзисторе, его можно использовать в различных приложениях, в частности, в усилителях звука.

Транзисторная схема усиления сконструирована таким образом, что вход всегда подается на переход, который смещен в прямом направлении. Точно так же выходной сигнал может быть собран через обратносмещенный переход транзистора.Причина рассмотрения этого условия заключается в том, что оно точно обеспечивает результаты амплификации. На входе транзистор имеет низкое значение сопротивления, по этой причине он может обеспечивать изменения выходного значения, если есть какое-либо существенное изменение входного сигнала.

Транзистор как схема усилителя

К схеме может быть приложено даже постоянное напряжение. Таким образом, на вход подается низкое значение сигнала, поскольку из-за конструкции внутренней схемы генерируемый выходной сигнал обладает такой же силой выходного сигнала.В целом схема, разработанная здесь, действует как усилитель. Чтобы удовлетворить параметры и конструктивные соображения в целом, в приложениях усилителя используется конфигурация с общим эмиттером.

Рабочий

Рассмотрим схему усилителя, выполненного с базовой схемой общего эмиттера. В этой конфигурации напряжение прикладывается к клеммам базы и эмиттера. Поскольку соединение между ними считается находящимся в режиме смещения пересылки.Рассматриваемый выход берется через резистор, который действует как нагрузка, подключенная между коллектором и базой.

Поскольку низкое сопротивление присутствует на входной стороне в спроектированной схеме, сигналы малой силы были поданы на вход, и сгенерированный выход будет очевиден по силе полученного сигнала. Таким образом, транзистор работает как усилитель. Существуют различные типы усилителей.

Это, во-первых, транзисторы с биполярным переходом, которые классифицируются как общая база, общий эмиттер и общий коллектор.Во-вторых, классы усилителей классифицируются на основе применяемого входа и собираемого выхода. Это класс A, класс B, класс AB, класс C, класс D и т. Д., Наконец, усилители, разработанные на основе их главного фактора, называемого эффективностью. Для достижения эффективности он может быть выполнен в виде ступеней: одноступенчатые, многоступенчатые и т. Д.

Проект

В электронных схемах обычно используется BJT типа N-P-N. Он также считается наиболее часто используемым.В частности, конфигурация с общим эмиттером выбрана из-за ее способности усиления. Сторона входа может состоять из резистора, подключенного таким образом, что он образует цепь делителя потенциала. Этот вид смещения чаще всего используется в усилителях, созданных с помощью BJT.

Усиление звука

Транзистор на входе с резистором делает его одноступенчатым усилителем. Если выход одноступенчатого каскада используется как вход подключенного к нему транзистора, то он становится многокаскадным усилителем.

Конструкция транзистора за счет такого смещения делает схему транзистора более стабильной. Следовательно, вся функциональность транзистора полностью зависит от смещения, приложенного к транзистору.

Применение транзистора в качестве усилителя

Транзистор, работающий в качестве усилителя, имеет различные преимущества и применения в области электроники и связи. Их
1. Его можно использовать в междугородной связи, потому что интенсивность сигнала, получаемого на выходе, будет высокой.
2. Эти транзисторные усилители используются в усилении радиосигналов.
3. Усилители играют важную роль в беспроводной связи.
4. Усиление сигналов с использованием транзисторов в качестве усилителей может быть использовано в радиовещании ЧМ-сигналов.
5. В волоконно-оптической связи также используются усилители этих типов.
6. Основное применение этого транзисторного усилителя — аудиоусилитель, который используется в повседневной деятельности, с которой мы сталкиваемся.

Таким образом, усилитель на транзисторах имеет множество применений. Дизайн очень прост. Просто схема, разработанная с резистором и снабженная источниками напряжения на выводах транзистора.

Конструкция может быть различных типов, конструкция которой зависит от требований. Таким образом, после анализа транзистора, который может работать как усилитель, можете ли вы описать, кроме усиления, где вы можете использовать транзисторы?

Обратная связь | Биполярные переходные транзисторы

Если некоторый процент выходного сигнала усилителя подключен к входу, так что усилитель усиливает часть своего выходного сигнала, мы получаем так называемую обратную связь .

Категории отзывов

Обратная связь бывает двух видов: положительная (также называемая регенеративная ) и отрицательная (также называемая дегенеративная51 901 дегенеративная51 901 901

Положительный отзыв

Усиливает направление изменения выходного напряжения усилителя, в то время как отрицательная обратная связь делает прямо противоположное.

Знакомый пример обратной связи происходит в системах громкой связи («PA»), когда кто-то держит микрофон слишком близко к говорящему: следует пронзительный «вой» или «вой», потому что система аудиоусилителя обнаруживает и усиливает его шум. В частности, это пример положительной обратной связи или регенеративной обратной связи , поскольку любой звук, обнаруживаемый микрофоном, усиливается и превращается в более громкий звук динамиком, который затем снова обнаруживается микрофоном, и так далее.. . результатом является постоянно увеличивающийся шум, пока система не станет «насыщенной» и не сможет производить больше громкости.

Можно задаться вопросом, какова возможная обратная связь для схемы усилителя, учитывая такой раздражающий пример, как «вой» системы PA. Если мы вводим положительную или регенеративную обратную связь в схему усилителя, она имеет тенденцию создавать и поддерживать колебания, частота которых определяется значениями компонентов, обрабатывающих сигнал обратной связи от выхода к входу.Это один из способов сделать схему генератора для выработки переменного тока из источника постоянного тока. Осцилляторы — очень полезные схемы, поэтому обратная связь имеет для нас определенное практическое применение.

Отрицательная обратная связь

С другой стороны, отрицательная обратная связь оказывает «демпфирующее» действие на усилитель: если выходной сигнал увеличивается по величине, сигнал обратной связи оказывает понижающее влияние на вход усилителя, тем самым препятствуя изменению выходного сигнала. .В то время как положительная обратная связь ведет схему усилителя к точке нестабильности (колебания), отрицательная обратная связь ведет ее в противоположном направлении: к точке стабильности.

Схема усилителя, снабженная некоторой отрицательной обратной связью, не только более стабильна, но и меньше искажает форму входного сигнала и, как правило, способна усиливать более широкий диапазон частот. Компромисс за эти преимущества (там только имеет , что является недостатком для отрицательной обратной связи, верно?) — это уменьшение усиления.Если часть выходного сигнала усилителя «возвращается» на вход, чтобы противодействовать любым изменениям на выходе, потребуется большая амплитуда входного сигнала, чтобы добиться на выходе усилителя той же амплитуды, что и раньше. Это представляет собой уменьшенное усиление. Однако такие преимущества, как стабильность, меньшие искажения и большая полоса пропускания, для многих приложений оправдывают снижение коэффициента усиления.

Давайте рассмотрим простую схему усилителя и посмотрим, как мы можем ввести в нее отрицательную обратную связь, начиная с рисунка ниже.

Усилитель с общим эмиттером без обратной связи.

Показанная здесь конфигурация усилителя представляет собой схему с общим эмиттером и резистивной цепью смещения, образованной R1 и R2. Конденсатор соединяет Vinput с усилителем, так что источник сигнала не имеет постоянного напряжения, подаваемого цепью делителя R1 / R2. Резистор R3 служит для управления усилением напряжения. Мы могли бы опустить его для максимального усиления напряжения, но поскольку такие базовые резисторы часто встречаются в схемах усилителей с общим эмиттером, мы сохраним его в этой схеме.

Как и все усилители с общим эмиттером, этот инвертирует входной сигнал по мере его усиления. Другими словами, положительное входное напряжение вызывает уменьшение выходного напряжения или движение к отрицательному, и наоборот.

Осциллограммы осциллографа показаны на рисунке ниже.

Усилитель с общим эмиттером, без обратной связи, с эталонными формами сигналов для сравнения.

Поскольку выход является инвертированным или зеркальным отображением входного сигнала, любое соединение между выходным (коллекторным) проводом и входным (базовым) проводом транзистора на рисунке ниже приведет к отрицательной обратной связи .

Отрицательная обратная связь, обратная связь коллектора, уменьшает выходной сигнал.

Сопротивления R1, R2, R3 и Rfeedback действуют вместе как сеть смешивания сигналов, так что напряжение, наблюдаемое на базе транзистора (относительно земли), является средневзвешенным значением входного напряжения и напряжения обратной связи, в результате на транзистор поступает сигнал пониженной амплитуды. Таким образом, схема усилителя на рисунке выше будет иметь пониженное усиление по напряжению, но улучшенную линейность (уменьшенные искажения) и увеличенную полосу пропускания.

Однако резистор, соединяющий коллектор с базой, — не единственный способ ввести отрицательную обратную связь в эту схему усилителя. Другой метод, хотя сначала более сложный для понимания, включает размещение резистора между выводом эмиттера транзистора и землей цепи, как показано на рисунке ниже.

Обратная связь эмиттера: Другой метод введения отрицательной обратной связи в схему.

Этот новый резистор обратной связи понижает напряжение пропорционально току эмиттера, проходящего через транзистор, и делает это таким образом, чтобы противодействовать влиянию входного сигнала на переход база-эмиттер транзистора.Давайте внимательнее рассмотрим переход эмиттер-база и посмотрим, чем отличается этот новый резистор на рисунке ниже.

При отсутствии резистора обратной связи, соединяющего эмиттер с землей на рисунке ниже (a), любой уровень входного сигнала (Vinput), проходящего через конденсатор связи, и цепь резисторов R1 / R2 / R3 будет воздействовать непосредственно на переход база-эмиттер. как входное напряжение транзистора (VB-E). Другими словами, без резистора обратной связи VB-E равно Vinput. Следовательно, если Vinput увеличивается на 100 мВ, то VB-E увеличивается на 100 мВ: изменение одного равно изменению другого, поскольку два напряжения равны друг другу.

Теперь давайте рассмотрим влияние вставки резистора (обратной связи) между выводом эмиттера транзистора и землей на рисунке ниже (b).

(a) Нет обратной связи по сравнению с (b) обратной связью от эмиттера. Форма волны на коллекторе инвертирована относительно базы. На (b) форма волны эмиттера синфазна (эмиттерный повторитель) с базой, не в фазе с коллектором. Следовательно, сигнал эмиттера вычитается из выходного сигнала коллектора.

Обратите внимание на то, как падение напряжения на Rfeedback складывается с VB-E, чтобы равняться Vinput.С Rfeedback в контуре Vinput — VB-E, VB-E больше не будет равняться Vinput. Мы знаем, что Rfeedback будет понижать напряжение, пропорциональное току эмиттера, который, в свою очередь, контролируется током базы, который, в свою очередь, управляется напряжением, падающим на переходе база-эмиттер транзистора (VB-E). Таким образом, если Vinput будет увеличиваться в положительном направлении, это приведет к увеличению VB-E, вызывая больший базовый ток, вызывая больший ток коллектора (нагрузки), вызывая больший ток эмиттера и вызывая падение большего напряжения обратной связи на Rfeedback.Это увеличение падения напряжения на резисторе обратной связи, однако, вычитает из Vinput, чтобы уменьшить VB-E, так что фактическое увеличение напряжения для VB-E будет меньше, чем увеличение напряжения Vinput. Увеличение Vinput на 100 мВ больше не будет приводить к полному увеличению на 100 мВ для VB-E, потому что два напряжения , а не равны друг другу.

Следовательно, входное напряжение имеет меньшее влияние на транзистор, чем раньше, и коэффициент усиления по напряжению для усилителя уменьшается: именно то, что мы ожидали от отрицательной обратной связи.

В практических схемах с общим эмиттером отрицательная обратная связь — не просто роскошь; это необходимость для стабильной работы. В идеальном мире мы могли бы построить и эксплуатировать транзисторный усилитель с общим эмиттером без отрицательной обратной связи и получить полную амплитуду Vinput на переходе база-эмиттер транзистора. Это дало бы нам большой выигрыш по напряжению. К сожалению, соотношение между напряжением база-эмиттер и током база-эмиттер изменяется с температурой, как и предсказывается «уравнением диода».По мере того, как транзистор нагревается, прямое падение напряжения на переходе база-эмиттер будет меньше для любого заданного тока. Это создает для нас проблему, поскольку сеть делителей напряжения R1 / R2 предназначена для обеспечения правильного тока покоя через базу транзистора, чтобы он мог работать в любом желаемом классе работы (в этом примере я показал усилитель, работающий в режиме класса А). Если соотношение напряжение / ток транзистора изменяется с температурой, величина напряжения смещения постоянного тока, необходимая для желаемого класса работы, изменится.Горячий транзистор потребляет больше тока смещения при той же величине напряжения смещения, заставляя его нагреваться еще больше, потребляя еще больше тока смещения. Результат, если этот флажок не установлен, называется тепловой разгон .

Усилители с общим коллектором

(рисунок ниже), однако, не страдают от теплового разгона. Почему это? Ответ связан с отрицательной обратной связью.

Усилитель с общим коллектором (эмиттерным повторителем).

Обратите внимание, что нагрузочный резистор усилителя с общим коллектором (рисунок выше) установлен в том же месте, что и резистор обратной связи в последней цепи на рисунке выше (b): между эмиттером и землей.Это означает, что единственное напряжение, приложенное к переходу база-эмиттер транзистора, составляет разность между Vinput и Voutput, что приводит к очень низкому коэффициенту усиления по напряжению (обычно близкому к 1 для усилителя с общим коллектором). Для этого усилителя невозможен тепловой разгон: если ток базы увеличивается из-за нагрева транзистора, ток эмиттера также увеличивается, что приводит к большему падению напряжения на нагрузке, что, в свою очередь, вычитает из Vinput, чтобы уменьшить величину падения напряжения между базой и эмиттер.Другими словами, отрицательная обратная связь, обеспечиваемая размещением нагрузочного резистора, делает проблему теплового разгона самокорректирующейся . В обмен на значительно сниженный коэффициент усиления по напряжению мы получаем превосходную стабильность и устойчивость к тепловому разгоне.

Добавляя резистор «обратной связи» между эмиттером и землей в усилителе с общим эмиттером, мы делаем усилитель немного менее похожим на «идеальный» общий эмиттер и немного больше похожим на общий коллектор. Величина резистора обратной связи обычно немного меньше нагрузки, что сводит к минимуму количество отрицательной обратной связи и поддерживает довольно высокий коэффициент усиления по напряжению.

Еще одно преимущество отрицательной обратной связи, отчетливо проявляющееся в схеме с общим коллектором, состоит в том, что она снижает зависимость коэффициента усиления по напряжению усилителя от характеристик транзистора. Обратите внимание, что в усилителе с общим коллектором коэффициент усиления по напряжению почти равен единице (1), независимо от β транзистора. Это означает, среди прочего, что мы могли бы заменить транзистор в усилителе с общим коллектором на транзистор с другим β и не увидеть каких-либо значительных изменений коэффициента усиления по напряжению.В схеме с общим эмиттером коэффициент усиления по напряжению сильно зависит от β. Если бы мы заменили транзистор в схеме с общим эмиттером на другой с другим β, коэффициент усиления по напряжению для усилителя значительно изменился бы. В усилителе с общим эмиттером, оснащенном отрицательной обратной связью, коэффициент усиления по напряжению все еще будет зависеть от транзистора β в некоторой степени, но не так сильно, как раньше, что делает схему более предсказуемой, несмотря на изменения в транзисторе β.

Тот факт, что мы должны ввести отрицательную обратную связь в усилитель с общим эмиттером, чтобы избежать теплового разгона, является неудовлетворительным решением.Можно ли избежать теплового разгона, не подавляя изначально высокое усиление по напряжению усилителя? Лучшее из двух решений этой дилеммы доступно для нас, если мы внимательно рассмотрим проблему: усиление напряжения, которое мы должны минимизировать, чтобы избежать теплового разгона, — это усиление напряжения DC , а не усиление напряжения AC . . В конце концов, не входной сигнал переменного тока питает тепловой разгон: это напряжение смещения постоянного тока, необходимое для определенного класса работы: этот сигнал постоянного тока покоя, который мы используем, чтобы «обмануть» транзистор (по сути, устройство постоянного тока) для усиления. сигнал переменного тока.Мы можем подавить усиление постоянного напряжения в схеме усилителя с общим эмиттером, не подавляя при этом усиление переменного напряжения, если найдем способ заставить отрицательную обратную связь работать только с постоянным током. То есть, если мы возвращаем только инвертированный сигнал постоянного тока с выхода на вход, но не инвертированный сигнал переменного тока.

Эмиттерный резистор обратной связи обеспечивает отрицательную обратную связь, понижая напряжение, пропорциональное току нагрузки. Другими словами, отрицательная обратная связь достигается за счет вставки импеданса в путь тока эмиттера.Если мы хотим подавать обратную связь по постоянному току, но не по переменному току, нам нужен высокий импеданс для постоянного тока, но низкий для переменного тока. Какая схема имеет высокий импеданс по постоянному току, но низкий по переменному току? Конечно же, фильтр верхних частот!

Подключив конденсатор параллельно резистору обратной связи на рисунке ниже, мы создаем ту самую ситуацию, которая нам нужна: путь от эмиттера к земле проще для переменного тока, чем для постоянного.

Восстановление высокого напряжения переменного тока путем добавления Cbypass параллельно с Rfeedback

Новый конденсатор «шунтирует» переменный ток от эмиттера транзистора к земле, так что никакое заметное переменное напряжение не будет падать с эмиттера на землю для «обратной связи» на входе и подавления усиления напряжения.С другой стороны, постоянный ток не может проходить через байпасный конденсатор и поэтому должен проходить через резистор обратной связи, понижая напряжение постоянного тока между эмиттером и землей, что снижает коэффициент усиления постоянного напряжения и стабилизирует реакцию усилителя на постоянном токе, предотвращая тепловой пробой. Поскольку мы хотим, чтобы реактивное сопротивление этого конденсатора (XC) было как можно более низким, байпас должен быть относительно большим. Поскольку полярность на этом конденсаторе никогда не изменится, для этой задачи безопасно использовать поляризованный (электролитический) конденсатор.

Другой подход к проблеме отрицательной обратной связи, уменьшающей коэффициент усиления напряжения, заключается в использовании многокаскадных усилителей, а не однотранзисторных усилителей. Если ослабленное усиление одного транзистора недостаточно для поставленной задачи, мы можем использовать более одного транзистора, чтобы компенсировать уменьшение, вызванное обратной связью. Пример схемы, показывающей отрицательную обратную связь в трехкаскадном усилителе с общим эмиттером, на рисунке ниже.

Обратная связь вокруг «нечетного» числа каскадов с прямым соединением с общим эмиттером создает отрицательную обратную связь.

Путь обратной связи от конечного выхода к входу проходит через единственный резистор Rfeedback. Поскольку каждый каскад представляет собой усилитель с общим эмиттером (таким образом, инвертирующий), нечетное количество каскадов от входа к выходу будет инвертировать выходной сигнал; обратная связь будет отрицательной (дегенеративной). Относительно большой объем обратной связи может быть использован без ущерба для усиления по напряжению, потому что три каскада усилителя для начала обеспечивают большое усиление.

На первый взгляд такая философия дизайна может показаться неэлегантной и, возможно, даже контрпродуктивной.Разве это не довольно грубый способ преодолеть потерю усиления, вызванную использованием отрицательной обратной связи, просто восстановить усиление, добавляя этап за этапом? Какой смысл создавать огромное усиление по напряжению с использованием трех транзисторных каскадов, если мы просто собираемся ослабить все это усиление с помощью отрицательной обратной связи? Дело в повышении предсказуемости и стабильности схемы в целом, хотя поначалу это может быть не очевидно. Если три транзисторных каскада предназначены для обеспечения произвольно высокого коэффициента усиления по напряжению (в десятки тысяч или более) без обратной связи, будет обнаружено, что добавление отрицательной обратной связи приводит к тому, что общий коэффициент усиления по напряжению становится менее зависимым от конкретного человека. ступени и примерно равны простому соотношению Rfeedback / Rin.Чем больше коэффициент усиления по напряжению в схеме (без обратной связи), тем точнее коэффициент усиления по напряжению будет приблизительно соответствовать Rfeedback / Rin после установления обратной связи. Другими словами, усиление напряжения в этой схеме фиксируется номиналами двух резисторов и не более того.

Это преимущество для массового производства электронных схем: если усилители с предсказуемым усилением могут быть построены с использованием транзисторов с широко варьируемыми значениями β, это упрощает выбор и замену компонентов. Это также означает, что коэффициент усиления усилителя мало меняется при изменении температуры.Этот принцип стабильного управления усилением с помощью усилителя с высоким коэффициентом усиления, «прирученного» отрицательной обратной связью, возведен почти до уровня искусства в электронных схемах, называемых операционными усилителями или операционными усилителями . Вы можете узнать больше об этих схемах в следующих главах этой книги!

ОБЗОР:

• Обратная связь — это соединение выхода усилителя с его входом.
• Положительная или регенеративная обратная связь имеет тенденцию делать схему усилителя нестабильной, что приводит к колебаниям (переменный ток).Частота этих колебаний во многом определяется компонентами сети обратной связи.
• Отрицательная или дегенеративная обратная связь имеет тенденцию делать схему усилителя более стабильной, так что ее выходной сигнал изменяется на меньше для данного входного сигнала, чем без обратной связи. Это снижает коэффициент усиления усилителя, но имеет то преимущество, что уменьшает искажения и увеличивает полосу пропускания (диапазон частот, с которым может работать усилитель).
• Отрицательная обратная связь может быть введена в схему с общим эмиттером путем соединения коллектора с базой или путем вставки резистора между эмиттером и землей.
• Резистор «обратной связи» эмиттер-земля обычно используется в схемах с общим эмиттером как профилактическая мера против теплового разгона .
• Отрицательная обратная связь также имеет то преимущество, что усиление напряжения усилителя больше зависит от номиналов резистора и меньше зависит от характеристик транзистора.
Усилители с общим коллектором
• имеют много отрицательной обратной связи из-за размещения нагрузочного резистора между эмиттером и землей. Эта обратная связь обеспечивает чрезвычайно стабильный коэффициент усиления по напряжению усилителя, а также его устойчивость к тепловому разгоне.
• Коэффициент усиления по напряжению для схемы с общим эмиттером можно восстановить без ущерба для устойчивости к тепловому разгоне, подключив байпасный конденсатор параллельно с эмиттерным «резистором обратной связи».
• Если усиление по напряжению усилителя произвольно велико (десятки тысяч или больше), а отрицательная обратная связь используется для уменьшения усиления до разумных уровней, будет обнаружено, что коэффициент усиления будет примерно равен R _{обратной связи} / R _в г. Изменения в транзисторе β или других значениях внутренних компонентов мало повлияют на коэффициент усиления по напряжению при работе обратной связи, в результате чего усилитель будет стабильным и простым в конструкции.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Многокаскадные транзисторные усилители. Рабочий лист — Дискретные полупроводниковые приборы и схемы

Позвольте электронам сами дать вам ответы на ваши собственные «практические проблемы»!

Примечания:

По моему опыту, студентам требуется много практики с анализом цепей, чтобы стать профессионалом. С этой целью инструкторы обычно предоставляют своим ученикам множество практических задач, над которыми нужно работать, и дают ученикам ответы, с которыми они могут проверить свою работу.Хотя такой подход позволяет студентам овладеть теорией схем, он не дает им полноценного образования.

Студентам нужна не только математическая практика. Им также нужны настоящие практические схемы построения схем и использование испытательного оборудования. Итак, я предлагаю следующий альтернативный подход: ученики должны построить свои собственные «практические задачи» с реальными компонентами и попытаться математически предсказать различные значения напряжения и тока. Таким образом, математическая теория «оживает», и учащиеся получают практические навыки, которых они не приобрели бы, просто решая уравнения.

Еще одна причина для использования этого метода практики — научить студентов научному методу : процессу проверки гипотезы (в данном случае математических предсказаний) путем проведения реального эксперимента. Студенты также разовьют реальные навыки поиска и устранения неисправностей, поскольку они время от времени допускают ошибки при построении схем.

Выделите несколько минут времени со своим классом, чтобы ознакомиться с некоторыми «правилами» построения схем, прежде чем они начнутся. Обсудите эти проблемы со своими учениками в той же сократической манере, в которой вы обычно обсуждаете вопросы рабочего листа, вместо того, чтобы просто говорить им, что они должны и не должны делать.Я никогда не перестаю удивляться тому, насколько плохо студенты понимают инструкции, представленные в типичном формате лекции (монолог инструктора)!

Примечание для тех инструкторов, которые могут жаловаться на «потраченное впустую» время, необходимое студентам для построения реальных схем вместо того, чтобы просто математически анализировать теоретические схемы:

Какова цель студентов, посещающих ваш курс?

Если ваши ученики будут работать с реальными схемами, то они должны учиться на реальных схемах, когда это возможно.Если ваша цель — обучить физиков-теоретиков, то во что бы то ни стало придерживайтесь абстрактного анализа! Но большинство из нас планируют, чтобы наши ученики что-то делали в реальном мире с образованием, которое мы им даем. «Потраченное впустую» время, потраченное на создание реальных схем, принесет огромные дивиденды, когда им придет время применить свои знания для решения практических задач.

Кроме того, если студенты создают свои собственные практические задачи, они учатся выполнять первичное исследование , тем самым давая им возможность продолжить свое образование в области электротехники / электроники в автономном режиме.

В большинстве наук реалистичные эксперименты намного сложнее и дороже, чем электрические схемы. Профессора ядерной физики, биологии, геологии и химии хотели бы, чтобы их ученики применяли высшую математику в реальных экспериментах, не представляющих опасности для безопасности и стоивших меньше, чем учебник. Они не могут, но вы можете. Воспользуйтесь удобством, присущим вашей науке, и заставьте своих учеников практиковать математику на множестве реальных схем!

Поваренная книга по биполярным транзисторам

— Часть 3

---

В прошлом месяце этой серии рецептов транзисторов серии описывались практические способы использования биполярных транзисторов в полезных схемах с общим коллектором (повторителем напряжения), включая драйверы реле, генераторы постоянного тока, линейные усилители и повторители дополнительного эмиттера.В этом месяце статья продолжается и показывает различные способы использования биполярных транзисторов в простых, но полезных конфигурациях с общим эмиттером и общей базой.

ЦЕПИ УСИЛИТЕЛЯ ОБЩЕГО ЭМИТТЕРА

Усилитель с общим эмиттером (также известный как схема с общей землей или заземленным эмиттером) имеет среднее значение входного импеданса и обеспечивает существенное усиление напряжения между входом и выходом. Вход схемы подключается к базе транзистора, а выход снимается с его коллектора — основные принципы работы схемы были кратко описаны во вводной части этой серии из восьми частей.Усилитель с общим эмиттером может использоваться в широком спектре цифровых и аналоговых усилителей напряжения. Этот раздел поваренной книги серии начинается с рассмотрения «цифровых» прикладных схем.

ЦИФРОВЫЕ ЦЕПИ

На рисунке 1 показан простой цифровой усилитель, инвертор или переключатель npn с общим эмиттером, в котором входной сигнал имеет либо нулевое напряжение, либо существенно положительное значение, и подается на базу транзистора через последовательный резистор R _b . , а выходной сигнал снимается с коллектора транзистора.Когда на входе ноль, транзистор отключен, а на выходе полное положительное значение шины питания. Когда на входе высокий уровень, транзистор смещен, и ток коллектора течет через R _L , тем самым подтягивая выход к низкому уровню. Если входное напряжение достаточно велико, Q1 полностью включается, а выходная мощность падает до значения «насыщения» в несколько сотен мВ. Таким образом, выходной сигнал представляет собой усиленную и инвертированную версию входного сигнала.

РИСУНОК 1. Цифровой инвертор / переключатель (npn)

---

На рис. 1 , резистор R _b ограничивает входной ток возбуждения базы до безопасного значения.Входное сопротивление схемы немного больше, чем значение R _b , что также влияет на время нарастания и спада выходного сигнала — чем больше значение R _b , тем хуже они становятся. Эту загвоздку можно преодолеть путем шунтирования R _b с конденсатором «ускорения» (обычно около 1n0), как показано пунктиром на диаграмме. На практике R _b должно быть как можно меньше, соответствовать требованиям безопасности и входному сопротивлению, и не должно превышать R _L x h _fe .

Рисунок 2 показывает pnp-версию схемы цифрового инвертора / переключателя. Q1 полностью включается, его выход на несколько сотен мВ ниже положительного значения напряжения питания, когда на входе нулевое напряжение, и выключается (с его выходом при нулевом напряжении), когда входной сигнал поднимается до уровня менее 600 мВ от положительного напряжения питания. железнодорожная стоимость.

РИСУНОК 2. Цифровой инвертор / переключатель (pnp)

---

Чувствительность схем , рис. 1 и 2, можно увеличить, заменив Q1 парой транзисторов Дарлингтона или Супер-Альфа.В качестве альтернативы можно сделать неинвертирующий цифровой усилитель / переключатель с очень высоким коэффициентом усиления, используя пару транзисторов, подключенных любым из способов, показанных на рисунках 3 или 4 .

Схема Рис. 3 использует два npn-транзистора. Когда на входе нулевое напряжение, Q1 отключается, поэтому Q2 полностью включается через R2, а на выходе низкий уровень (насыщение). Когда входной сигнал «высокий», Q1 приводится в состояние насыщения и подтягивает базу Q2 до значения менее 600 мВ, поэтому Q2 отключен, а выход высокий (на V +).

РИСУНОК 3. Неинвертирующий цифровой усилитель / переключатель с очень высоким коэффициентом усиления на npn-транзисторах

---

Схема Рис. 4 использует один npn и один pnp транзистор. Когда на входе нулевое напряжение, Q1 отключается, поэтому Q2 также отключается (через R2-R3), а на выходе нулевое напряжение. Когда на входе высокий уровень, Q1 включается и переводит Q2 в насыщение через R3. В этом случае выходной сигнал принимает значение на несколько сотен мВ ниже положительного значения питающей шины.

РИСУНОК 4. Альтернативный неинвертирующий цифровой усилитель / переключатель с использованием пары транзисторов npn-pnp

---

Рисунок 5 показывает (в базовой форме), как дополнительную пару цепей Рисунок 4 можно использовать для создания сети управления направлением двигателя постоянного тока с использованием двойного источника питания. Схема работает следующим образом.

РИСУНОК 5. Цепь управления направлением двигателя постоянного тока

---

Когда SW1 установлен в положение «Вперед», Q1 включается через R1 и подтягивает Q2 через R3, но Q3 и Q4 отключены.Таким образом, «токоведущая» сторона двигателя подключается (через Q2) к положительной шине питания в этом состоянии, и двигатель вращается в прямом направлении.

Когда SW1 установлен в положение «Off», все четыре транзистора отключены, и двигатель не работает.

Когда SW1 установлен в положение «Reverse», Q3 смещается через R4 и включает Q4 через R6, но Q1 и Q2 отключены. Таким образом, «токоведущая» сторона двигателя подключается (через Q4) к отрицательной питающей шине в этом состоянии, и двигатель вращается в обратном направлении.

ДРАЙВЕРЫ РЕЛЕ

Базовые цифровые схемы , рисунки 1–4. можно использовать в качестве эффективных драйверов реле, если они оснащены подходящими схемами диодной защиты. На рисунках с 6 по 8 показаны примеры таких схем.

Схема , рис. 6, повышает чувствительность реле по току примерно в 200 раз (= коэффициент усиления транзистора Q1 по току) и значительно увеличивает его чувствительность по напряжению. R1 обеспечивает базовую защиту привода и при желании может быть больше 1k0.Реле включается положительным входным напряжением.

РИСУНОК 6. Простая схема управления реле

---

Текущую чувствительность реле можно повысить примерно в 20 000 раз, заменив Q1 парой транзисторов, соединенных Дарлингтоном. На рис. 7 показан этот метод, используемый для создания цепи, которую можно активировать, приложив сопротивление менее 2M0 к паре датчиков из нержавеющей стали. Контакты воды, пара и кожи имеют сопротивление ниже этого значения, поэтому эту простую небольшую схему можно использовать в качестве реле, активируемого водой, паром или прикосновением.

РИСУНОК 7. Сенсорный, водяной или паровой релейный переключатель

---

На рисунке 8 показан еще один сверхчувствительный драйвер реле, основанный на схеме на рисунке 4 , которому для активации реле требуется вход всего 700 мВ при 40 мкА. R2 обеспечивает полное отключение Q1 и Q2 при разомкнутой цепи входных клемм.

РИСУНОК 8. Драйвер сверхчувствительного реле (требуется вход 700 мВ при 40 мкА)

---

ЛИНЕЙНЫЕ ПАТРУБКИ

Схема с общим эмиттером может использоваться в качестве линейного усилителя переменного тока, подавая постоянный ток смещения на ее базу, чтобы ее коллектор принимал постоянное значение наполовину напряжения питания (чтобы обеспечить максимальные неискаженные колебания выходного сигнала), а затем подавая входной сигнал переменного тока к его базе и получение выходного переменного тока от его коллектора (как показано на Рисунок 9 ).

РИСУНОК 9. Простой npn-усилитель с общим эмиттером

---

Первым шагом в разработке схемы типа Figure 9 является выбор номинала нагрузочного резистора R2. Чем ниже это значение, тем выше будет верхняя граничная частота усилителя (из-за меньшего шунтирующего влияния паразитной емкости на эффективное сопротивление нагрузки), но тем выше будет рабочий ток покоя Q1. На диаграмме R2 имеет компромиссное значение 5k6, что дает верхнюю частоту «3 дБ вниз» около 120 кГц и потребление тока покоя 1 мА от источника питания 12 В.

Чтобы смещать выход схемы на половину напряжения питания, R1 требуется значение R2 x 2h _fe , и (при номинальном h _fe 200) это работает примерно на 2M2 в показанном примере. . Формула для входного импеданса схемы (если смотреть на базу Q1) и коэффициента усиления по напряжению приведены на диаграмме. В показанном примере входное сопротивление составляет примерно 5 кОм и шунтируется R1 — коэффициент усиления по напряжению составляет примерно x200, или 46 дБ.

Точка смещения покоя схемы Рис. 9 зависит от значения h _fe Q1.Эту слабость можно преодолеть, изменив схему, как показано на , рис. 10, , где резистор смещения R1 подключен в режиме обратной связи по постоянному току между коллектором Q1 и базой и имеет значение R2 x h _fe . Действие обратной связи таково, что любой сдвиг выходного уровня (из-за изменений h _fe , температуры или значений компонентов) вызывает встречное изменение уровня смещения основного тока, таким образом, стремясь отменить исходный сдвиг.

РИСУНОК 10. Усилитель с общим эмиттером и смещением обратной связи

---

Схема Figure 10 имеет те же значения полосы пропускания и усиления по напряжению, что и конструкция Figure 9 , но имеет более низкое общее значение входного импеданса. Это связано с тем, что действие обратной связи по переменному току снижает кажущийся импеданс R1 (который шунтирует базовый импеданс Q1 5 кОм) в 200 раз (= A _В ), что дает общее входное сопротивление 2 к7. При желании шунтирующие эффекты схемы смещения можно устранить, используя два резистора обратной связи и развязав их по переменному току, как показано на , рис. 11, .

РИСУНОК 11. Усилитель со смещением обратной связи с развязкой по переменному току

---

Наконец, предельная стабильность смещения обеспечивается схемой «смещения делителя потенциала» на фигуре , рис. 12, . Здесь делитель потенциала R1-R2 устанавливает напряжение покоя, немного большее, чем V + / 3, на базе Q1, а действие повторителя напряжения приводит к появлению на эмиттере Q1 напряжения на 600 мВ меньше этого значения. Таким образом, напряжение V + / 3 создается на эмиттерном резисторе R3 5k6, и (поскольку токи эмиттера и коллектора Q1 почти идентичны) аналогичное напряжение падает на R4, который также имеет значение 5k6, таким образом устанавливая на коллекторе значение покоя 2V + / 3.R3 развязан по переменному току через C2, и схема дает усиление по переменному напряжению 46 дБ.

РИСУНОК 12. Усилитель со смещением делителя напряжения

---

ИЗМЕНЕНИЯ ЦЕПИ

На рисунках 13–16 показаны некоторые полезные варианты усилителя с общим эмиттером. Рисунок 13 показывает базовую конструкцию на Рисунке 12, измененную так, чтобы получить коэффициент усиления переменного напряжения x10 — коэффициент усиления фактически равен значению нагрузки коллектора R4, деленному на эффективное значение импеданса «эмиттера», которое в данном случае (поскольку R3 развязан последовательно -connected C2-R5) равняется значению импеданса перехода база-эмиттер последовательно с параллельными значениями R3 и R5 и составляет примерно 560R, что дает усиление по напряжению в 10 раз.Альтернативные значения усиления можно получить, изменив значение R5.

РИСУНОК 13. Усилитель с общим эмиттером с фиксированным усилением (x10)

---

На рисунке 14 показан полезный вариант вышеупомянутой конструкции. В этом случае R3 равен R4 и не развязан, поэтому схема дает единичный коэффициент усиления по напряжению. Однако обратите внимание, что эта схема выдает два выходных сигнала с единичным усилением: выход эмиттера синфазен с входом, а сигнал коллектора — в противофазе.Таким образом, эта схема действует как фазоделитель с единичным усилением.

РИСУНОК 14. Фазоделитель с единичным усилением

---

На рисунке 15 показан другой способ изменения коэффициента усиления схемы. Такая конструкция обеспечивает высокий коэффициент усиления по напряжению между коллектором Q1 и базой, но R2 дает обратную связь по переменному току с базой, а R1 подключается последовательно между входным сигналом и базой Q1 — в итоге коэффициент усиления по напряжению схемы (между входом и выходом) равно R2 / R1 и в данном конкретном случае работает при x10.

РИСУНОК 15. Альтернативный усилитель с фиксированным усилением (x10)

---

Наконец, Рисунок 16 показывает, как можно модифицировать конструкцию Рисунок 10 для обеспечения широкополосных характеристик путем подключения связанного по постоянному току буфера эмиттерного повторителя Q2 между коллектором Q1 и выходной клеммой, чтобы минимизировать шунтирующие эффекты паразитных помех. емкость на R2 и, таким образом, расширяет верхнюю полосу пропускания до нескольких сотен кГц.

РИСУНОК 16. Усилитель широкополосный

---

ЦЕПИ С ВЫСОКИМ УСИЛЕНИЕМ

Одноступенчатая схема усилителя с общим эмиттером не может дать усиление по напряжению намного больше 46 дБ при использовании резистивной нагрузки коллектора — если требуется более высокое усиление, необходимо использовать многокаскадную схему. На рисунках 17–19 показаны три полезные конструкции двухтранзисторного усилителя напряжения с высоким коэффициентом усиления.

Схема Рис. 17 Схема действует как пара усилителей с общим эмиттером с прямой связью, причем выход Q1 подается непосредственно на базу Q2, и дает общий коэффициент усиления по напряжению 76 дБ (примерно x6150) и верхнюю частоту -3 дБ 35 кГц.Обратите внимание, что резистор R4 смещения обратной связи питается от эмиттера Q2 с развязкой по переменному току (который «следует» за напряжением покоя коллектора Q1), а не напрямую от коллектора Q1, и что цепь смещения, таким образом, эффективно развязана по переменному току.

РИСУНОК 17. Двухкаскадный усилитель с высоким коэффициентом усиления

---

Рисунок 18 показывает альтернативный вариант вышеуказанной конструкции, использующий выходной каскад pnp — его характеристики такие же, как у Рисунок 17 .

РИСУНОК 18. Альтернативный двухкаскадный усилитель с высоким коэффициентом усиления

---

Схема Рис. 19 дает усиление по напряжению около 66 дБ. Q1 — это усилитель с общим эмиттером и разделенной нагрузкой коллектора (R2-R3), а Q2 — это эмиттерный повторитель, который подает свой выходной сигнал переменного тока обратно на переход R2-R3 через C3, таким образом «загружая» значение R3 (как описано в рассрочке за последний месяц), чтобы он действовал как высокое сопротивление переменного тока. Таким образом, Q1 дает очень высокий коэффициент усиления по напряжению.Полоса пропускания этой схемы достигает примерно 32 кГц, но ее входное сопротивление составляет всего 330R.

РИСУНОК 19. Начальный усилитель с высоким коэффициентом усиления

---

ЦЕПИ УСИЛИТЕЛЯ ОБЩЕЙ БАЗЫ

В так называемом транзисторном усилителе с «общей базой» входной сигнал подается на эмиттер транзистора, а выходной сигнал снимается с коллектора транзистора. Усилитель с общей базой имеет очень низкий входной импеданс, дает почти единичный коэффициент усиления по току и высокий коэффициент усиления по напряжению и используется в основном в широкополосных или высокочастотных усилителях напряжения. На рисунке 20 показан пример усилителя с общей базой, который дает хороший широкополосный отклик.

РИСУНОК 20. Усилитель с общей базой

---

Схема Рисунок 20 смещена так же, как Рисунок 12 . Обратите внимание, однако, что база развязана по переменному току через C1, а входной сигнал подается на эмиттер через C3. Схема имеет очень низкий входной импеданс (равный импедансу прямого смещения перехода база-эмиттер Q1), дает такое же усиление по напряжению, что и усилитель с общим эмиттером (около 46 дБ), дает нулевой сдвиг фазы между входом и выходом и имеет полоса пропускания -3 дБ до нескольких МГц.

На рис. 21 показан превосходный широкополосный усилитель — «каскодная» схема, которая дает преимущество в широкой полосе пропускания усилителя с общей базой вместе со средним входным импедансом усилителя с общим эмиттером. Это достигается последовательным соединением Q1 и Q2, причем Q1 подключен в режиме с общей базой, а Q2 — в режиме с общим эмиттером.

РИСУНОК 21. Широкополосный каскодный усилитель

---

Входной сигнал подается на базу Q2, которая использует эмиттер Q1 в качестве нагрузки коллектора и, таким образом, дает единичный коэффициент усиления по напряжению и очень широкую полосу пропускания, а Q1 дает коэффициент усиления по напряжению около 46 дБ.Таким образом, полная схема имеет входное сопротивление около 1 кОм, коэффициент усиления по напряжению 46 дБ и полосу пропускания -3 дБ, которая простирается до нескольких МГц.

На рис. 22 показан близкий родственник усилителя с общей базой — разделитель фазы с «длинной хвостовой парой», который дает пару противофазных выходов при возбуждении от несимметричного входного сигнала. Q1 и Q2 имеют общий эмиттерный резистор («хвост»), а точка смещения схемы устанавливается через RV1, так что два транзистора пропускают почти одинаковые токи коллектора (что дает нулевую разницу между двумя напряжениями коллектора) в условиях покоя.

РИСУНОК 22. Разделитель фазы «Длиннохвостая пара»

---

База Q1 заземлена по переменному току через C1, а входные сигналы переменного тока подаются на базу Q2 через C2. Схема действует следующим образом.

Предположим, что на базу Q2 подается синусоидальный входной сигнал. Q2 действует как инвертирующий усилитель с общим эмиттером, и когда сигнал поднимает его базу вверх, его коллектор неизбежно опускается, и наоборот. Одновременно с этим эмиттер Q2 «следует» за входным сигналом, и по мере роста его эмиттерного напряжения он неизбежно уменьшает смещение база-эмиттер Q1, тем самым вызывая повышение напряжения коллектора Q1 и т. Д.

Таким образом, Q1

работает в режиме с общей базой и дает тот же коэффициент усиления по напряжению, что и Q2, но дает неинвертирующее действие усилителя. Эта схема «фазоделителя», таким образом, генерирует пару сбалансированных противофазных выходных сигналов от несимметричного входа.

Наконец, Рисунок 23 показывает, как можно сделать приведенную выше схему в качестве дифференциального усилителя, который дает пару противофазных выходов, которые пропорциональны разнице между двумя входными сигналами — если на оба входа подаются одинаковые сигналы. , схема будет (в идеале) давать нулевой выходной сигнал.

РИСУНОК 23. Простой дифференциальный усилитель или длинно-хвостовая пара

---

Второй входной сигнал подается на базу Q1 через C1, а «хвост» R7 обеспечивает связь между двумя транзисторами. NV

---

Конструкция усилителя на транзисторах с общим эмиттером

Основные выводы

• Благодаря высокому КПД и положительному коэффициенту усиления, превышающему единицу, наиболее часто используемым транзисторным усилителем является транзисторный усилитель с общим эмиттером.

• При проектировании транзисторного усилителя с общим эмиттером без вырождения эмиттера номинал резистора RC выбирается в соответствии с требованиями к усилению усилителя. Коэффициент усиления этого усилителя прямо пропорционален величине резистора RC.

• Достоинством усилителя вырождения с общим эмиттером с обойденным эмиттерным резистором с параллельной конструкцией резисторов является то, что смещение постоянного тока усилителя не зависит от значения RE1, поэтому разработчик может установить значение RE1 после того, как смещение постоянного тока будет зафиксировано. .

Усилители критически важны для электронных схем

Транзисторные усилители — это схемы, которые используются для усиления слабых звуковых сигналов, сигналов постоянного или переменного тока и имеют широкий спектр применений. При усилении сигналов переменного тока с помощью транзисторного усилителя напряжение и ток могут усиливаться одновременно.

Существует три конфигурации транзисторных усилителей:

1. Усилители с общей базой

2. Усилители с общим эмиттером

3. Усилители с общим коллектором

Если целью является увеличение амплитуды сигнала переменного тока, разработана схема транзистора с общим эмиттером.Конфигурации с общим эмиттером являются наиболее широко используемым типом транзисторных усилителей из-за их высокой эффективности и положительного усиления больше единицы.

Давайте подробнее рассмотрим усилители на транзисторах с общим эмиттером и обсудим некоторые моменты, которые следует учитывать разработчикам в процессе проектирования усилителей на транзисторах с общим эмиттером.

Критерии проектирования транзисторного усилителя с общим эмиттером

Прежде чем обсуждать, как разработать транзисторный усилитель с общим эмиттером, важно понять типы доступных усилителей с общим эмиттером.Независимо от конфигурации, входной сигнал подается на базу, а выходной сигнал собирается с клеммы коллектора во всех типах усилителей с общим эмиттером. Вывод эмиттера остается общим для базы и коллектора.

В эмиттере с общим эмиттером без вырождения эмиттера байпасный конденсатор C _B1 обеспечивает заземление эмиттера, поэтому эту конфигурацию также можно назвать заземленным эмиттером. При проектировании этого транзисторного усилителя номинал резистора R _C выбирается в соответствии с требованиями к усилению усилителя.Коэффициент усиления этого усилителя прямо пропорционален значению резистора R _C .

В конфигурациях с общим эмиттером без байпасного конденсатора стабильность смещения и коэффициент усиления усилителя зависят от резистора R _E . Эта конструкция транзисторного усилителя придает большее значение значениям R _C и R _E , поскольку с их помощью можно регулировать усиление.

Усилитель вырождения с общим эмиттером с шунтируемым эмиттерным резистором с последовательным эмиттерным резистором имеет шунтирующий конденсатор, который соединяет резистор R _E1 с землей для высокочастотных сигналов и стабильности смещения.Несмотря на то, что коэффициент усиления усилителя зависит от R _C и R _E1 , разработчики обычно оставляют R _C постоянным, а R _E1 в качестве переменной для управления усилением.

В усилителе вырождения с общим эмиттером и обойденным эмиттерным резистором с параллельным резистором значение R _E1 значительно меньше, чем R _E , что делает путь с низким импедансом для высокочастотных сигналов через байпасный конденсатор. В этой конфигурации усиление регулируется путем поддержания постоянного R _C и изменения R _E1 .Достоинством этой конструкции является то, что смещение постоянного тока усилителя не зависит от значения R _E1 , поэтому разработчик может установить значение R _E1 после того, как смещение постоянного тока будет фиксированным.

Шаги, необходимые для проектирования транзисторного усилителя с общим эмиттером

Давайте рассмотрим шаги, необходимые для разработки транзисторного усилителя с общим эмиттером без вырождения эмиттера. В этой спецификации транзисторного усилителя некоторые параметры, такие как напряжение смещения, ток коллектора, входное сопротивление, входной сигнал переменного тока, сопротивление нагрузки, коэффициент усиления и выходное напряжение, могут быть указаны в соответствии с конструкцией усилителя.Далее рассмотрим приведенные значения: напряжение смещения V _CC , ток коллектора I _C , входное сопротивление R _в и сопротивление нагрузки R _L .

Шаг 1: Определите R

_C

Чтобы вычислить значение RC, мы можем использовать уравнение (1), приведенное ниже. Значения V _CC и I _C известны. Для симметричного выхода максимально возможное значение напряжения V _CE составляет 0,5 В _CC . Таким образом, подставив эти известные значения и изменив уравнение, мы можем получить уравнение (2), позволяющее рассчитать R _C .

Шаг 2: Определение точки «Q»

После получения значений V _CE и I _C точку Q можно найти по выходным характеристикам транзистора. По выходным характеристикам транзистора найдите кривую тока базы, на которой лежит координата (0,5V _CC , I _C ). Получен базовый ток, необходимый для этой точки смещения.

Шаг 3: Определите R

_E

Эмиттерный резистор R _E обычно устанавливается как 10% от резистора R _C :

Шаг 4: Определите напряжение эмиттера V

_E

Использование Значения I _B и I _C , ток эмиттера I _E можно рассчитать по следующему уравнению:

Шаг 5: Определить базовое напряжение V

_B

Шаг 6: Определить R

_B1 и R _B2

Резисторы RB1 и RB2 должны быть спроектированы так, чтобы базовый ток IB, протекающий в цепи, соответствовал базовому току Q-точки.Эквивалентная схема Тевенина делителя напряжения образована RB1 и RB2. VBB — это эквивалентное напряжение Тевенина, RB — эквивалентное сопротивление Тевенина, а Rib — входное сопротивление со стороны базы транзистора.

Шаг 7: Расчет сопротивления Тевенина R _B

Входное сопротивление R _в можно записать в виде уравнения (9). Сопротивление R _ib можно рассчитать по уравнению (10). Из известных значений R _в и R _ib , сопротивление R _B может быть получено из уравнения (9).

Базовое напряжение может быть задано как:

Шаг 8: Рассчитайте R

_B1 и R _B2

Из уравнений (7), (8) и (11) резисторы R _B1 и R _B2 можно рассчитать.

Шунтирующий конденсатор C _E1 выбирается так, чтобы он подчинялся уравнению (12), где X _CE — реактивное сопротивление байпасного конденсатора C _E1 :

Шаг 9: Определите CC1 и CC2

Конденсаторы связи могут быть рассчитаны по следующим уравнениям:

Для удовлетворения требований к усилителям в электронных приложениях можно использовать варианты транзисторных усилителей с общим эмиттером с вырождением или без него.Базовая конструкция усилителя на транзисторах с общим эмиттером может быть выполнена, выполнив шаги с 1 по 9, если известны значения V _CC , I _C , R _в и R _L . В зависимости от параметров, указанных в технических характеристиках усилителя, различные уравнения выводятся из принципиальной схемы усилителя, которая поддерживает конструкцию компонентов усилителя.

Подпишитесь на нашу рассылку для получения последних обновлений. Если вы хотите узнать больше о том, как Cadence предлагает вам решение, поговорите с нами и нашей командой экспертов.

Транзисторный усилитель

: теория, работа, принципиальная схема

Усиление — это процесс увеличения слабого сигнала. В системах управления усилители используются для увеличения токов и напряжений малых сигналов, чтобы они могли выполнять полезную работу.

Усиление достигается за счет использования небольшого входного сигнала для управления выходом энергии от более крупного источника, такого как блок питания.

Усиление осуществляется транзисторами и операционными усилителями (ОУ).Усилители необходимы для усиления эффекта небольшого изменения напряжения. Ток и сопротивление производятся входными датчиками.

Усиление усилителя

Основная задача усилителя — добиться усиления. Коэффициент усиления — это отношение амплитуды выходного сигнала к амплитуде входного сигнала.

При определении усиления усилитель можно рассматривать как черный ящик. Сигнал, подаваемый на вход черного ящика, приводит к выходу из ящика.Математически усиление можно найти, разделив выход на вход:

\ [Gain = \ frac {Output} {Input} \]

Часто один усилитель не обеспечивает достаточного усиления для увеличения выходного сигнала до необходимой амплитуды. В таком случае можно использовать два или более усилителя для получения необходимого усиления. См. Рисунок 1.

Например, , усилитель A имеет коэффициент усиления 10, а усилитель B имеет коэффициент усиления 10. Общий коэффициент усиления двух усилителей равен 100 (10 × 10 = 100). Если бы коэффициенты усиления усилителей были 8 и 9 соответственно, общий коэффициент усиления был бы 72 (8 × 9 = 72).

Усилители

, подключенные таким образом, называются каскадными усилителями . Для многих усилителей коэффициент усиления исчисляется сотнями или даже тысячами.

Рисунок 1. Добавление усилителей для получения необходимого усиления, если один усилитель не обеспечивает достаточного усиления для увеличения выходного сигнала до необходимой амплитуды.

Примечание: Усиление — это отношение выходного сигнала к входному, и к нему не привязаны единицы измерения, такие как вольт или ампер.Поэтому термин «усиление» используется для описания усиления по току, усилению по напряжению и усилению по мощности. В каждом случае вывод просто сравнивается с вводом.

Теория транзисторного усилителя Транзисторы

могут использоваться в качестве устройств усиления переменного тока. Транзистор — это трехконтактное устройство, которое регулирует ток через устройство в зависимости от величины напряжения, приложенного к базе. Транзисторы биполярные устройства .

Биполярное устройство — это устройство, в котором и дырки, и электроны используются в качестве внутренних носителей для поддержания протекания тока.Транзисторы могут быть транзисторами PNP или NPN.

Транзистор PNP сформирован путем размещения тонкого слоя материала N-типа между двумя слоями материала P-типа. Транзистор NPN сформирован путем размещения тонкого слоя материала P-типа между двумя слоями материала N-типа. См. Рисунок 2.

Рисунок 2. Обозначение транзистора PNP и обозначение транзистора NPN

Клеммы транзистора — это эмиттер (E), база (B) и коллектор (C). Символы для транзисторов PNP и NPN показывают эмиттер, базу и коллектор в одних и тех же местах. Разница в выводах — это направление стрелки эмиттера.

В обоих случаях стрелка указывает от материала P-типа к материалу N-типа.

Схема транзисторного усилителя

Три основных транзисторных усилителя: с общим эмиттером, с общей базой и с общим коллектором. См. Рисунок 3.

Каждый усилитель назван в честь транзисторного соединения, общего для входа и нагрузки. Например, , вход схемы с общим эмиттером проходит через базу и эмиттер, а нагрузка — через коллектор и эмиттер. Таким образом, излучатель общий для входа и нагрузки.

Рисунок 3. Принципиальная схема трех основных транзисторных усилителей: транзисторный усилитель с общим эмиттером, транзисторный усилитель с общей базой и транзисторный усилитель с общим коллектором.

Транзисторы

изготавливаются с двумя или тремя выводами, выходящими из корпуса.См. Рисунок 4. Эти пакеты принимаются во всей отрасли независимо от производителя.

Когда необходимо использовать транзистор определенной формы, для справки используется номер контура транзистора (TO).

Номер контура транзистора (TO) — это номер, определяемый производителем, который представляет форму и конфигурацию транзистора. См. Рисунок 5.

Габаритные номера транзисторов определяются отдельными производителями. Примечание: на виде снизу транзистора ТО-3 видны только два вывода (клеммы).Обычно транзисторы используют металлический корпус в качестве вывода коллекторного вывода.

Рисунок 4 . Транзисторы имеют два или три вывода, выходящих из корпуса.

Рис. 5. Номер контура транзистора (TO) — это число, определяемое производителем, которое представляет форму и конфигурацию транзистора.

Смещение транзистора

В любой транзисторной схеме соединение база / эмиттер всегда должно быть смещено в прямом направлении, а соединение база / коллектор всегда должно быть смещено в обратном направлении.См. Рисунок 6.

Внешнее напряжение (напряжение смещения) подключается так, что положительный вывод подключается к материалу P-типа (основание), а отрицательный вывод подключается к материалу N-типа (эмиттер). Эта компоновка смещает вперед переход база / эмиттер.

Ток течет от эмиттера к базе. Происходит то же действие, что и для полупроводникового диода с прямым смещением.

В любой транзисторной схеме переход база / коллектор всегда должен иметь обратное смещение.Внешнее напряжение подключается так, что отрицательная клемма подключается к материалу P-типа (основание), а положительная клемма подключается к материалу N-типа (коллектор). Эта компоновка смещает соединение база / коллектор в обратном направлении.

Во внешней цепи течет только очень небольшой ток (ток утечки). Происходит то же действие, что и для полупроводникового диода с приложенным обратным смещением.

Рисунок 6. В транзисторной схеме соединение база / эмиттер всегда должно быть смещено в прямом направлении, а соединение база / коллектор всегда должно быть смещено в обратном направлении.

Течение транзистора

Отдельные PN-переходы могут использоваться в сочетании с двумя схемами смещения. Переход база / эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база / коллектор — в обратном. Такое расположение цепей приводит к совершенно иному пути тока, чем путь, возникающий при раздельном смещении отдельных цепей.См. Рисунок 7.

Прямое смещение схемы база / эмиттер заставляет эмиттер инжектировать электроны в обедненную область между эмиттером и базой.

Поскольку для большинства транзисторов толщина базы составляет менее 0,001 ′ ′ , более положительный потенциал коллектора тянет электроны через тонкую базу. В результате больший процент (95%) доступных свободных электронов из эмиттера проходит непосредственно через базу (IC) в материал N-типа, который является коллектором транзистора.

Рис. 7. В транзисторе, когда оба перехода смещены одновременно, создается совершенно другой путь тока, чем когда каждый переход смещен отдельно.