Усилитель синусоидального сигнала на транзисторах: Военно-техническая подготовка

Майер Р.В. Практическая электроника: от транзистора до …

НАЗАД 4. УСИЛИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ 1. Изучение режимов работы транзистора. Усилитель предназначен для увеличения амплитуды колебаний за счет энергии источника постоянного тока. Если коэффициент усиления не зависит от частоты, то амплитуда всех гармоник сигнала увеличивается в равное число раз и сигнал сохраняет свою форму, увеличивая амплитуду (линейные искажения). В случае, когда коэффициент усиления зависит от частоты или усилитель достигает режима насыщения, усиливаемый сигнал изменяет свою форму (нелинейные искажения). Рис. 1. Схема для изучения режимов работы транзистора. Для изучения режимов работы транзистора собирают схему, изображенную на рис. 1. На вход подают сигнал со звукового генератора. К выходу усилительного каскада подключают осциллограф и плавно увеличивают амплитуду колебаний, подаваемых на вход. Плавно вращая ручку переменного резистора R2, увеличивают напряжение смещения на базе транзистора. При небольшом напряжении смещения и достаточно большой амплитуде входного сигнала реализуются режимы AB, B и C (на выходе — импульсы). Если входной сигнал имеет небольшую амплитуду, а напряжение смещения достаточно велико, транзистор работает в режиме A (на выходе — синусоидальный сигнал). При большой амплитуде входного сигнала транзистор работает в ключевом режиме (полностью открыт — полностью закрыт), на выходе — прямоугольные импульсы (режим D). 2. Усилитель звуковой частоты на транзисторах. Схема усилителя представлена на рис. 2. Усилитель состоит из двух каскадов: на основе транзистора VT1 собран резисторный апериодический усилитель, к его выходу подключен двухтактный усилитель на транзисторах VT2 и VT3. Резисторный усилитель содержит транзистор VT1, включенный по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Конденсаторы C1 и C3 разделительные, пропускают переменную составляющую сигнала. Делитель на R1 и R2 создает на базе транзистора необходимое напряжение смещения, задавая режим его работы. Чтобы исключить нелинейные искажения, транзистор должен быть полуоткрыт (режим А). При увеличении потенциала на базе транзистор n-p-n-типа открывается, сопротивление между коллектором и эмиттером падает, напряжение на выходе уменьшается. При уменьшении потенциала базы все происходит наоборот. Сдвиг фаз между входным и выходным сигналами равен 180 градусов. Рис. 2. Усилитель на транзисторах. Двухтактный усилитель состоит из двух транзисторов VT2 и VT3, работающих в режиме B. В состоянии покоя транзисторы закрыты, а при поступлении на вход синусоидального сигнала поочередно открываются. Когда потенциал точки A положительный, диод VD1 и транзистор VT2 закрыты, транзистор VT3 открывается, и потенциал его коллектора (точка B) уменьшается. Когда потенциал точки A отрицательный, транзистор VT3 закрывается, а диод VD1 открывается, и потенциал базы VT2 уменьшается. Это приводит к открыванию VT2, потенциал его эмиттера (точка B) растет. Конденсаторы С1 и С2 разделительные, пропускают только переменную составляющую сигнала. 3. Усилитель звуковых колебаний. Усиление низкочастотных колебаний может быть осуществлено с помощью двух операционных усилителей (ОУ) К544УД2А. Используются инвертирующие входы, не инвертирующие соединены с общим. Конденсаторы C1 и C3 разделительные, пропускают только переменную составляющую сигнала. Резисторы R2 и R4 и параллельно им включенные конденсаторы C2 и C4 образуют цепи отрицательной обратной связи. Коэффициент усиления ОУ рассчитывается как отношение R2/R1 или R4/R3 и составляет 1000. Сигнал с выхода DA2 может быть подан на осциллограф. Рис. 3. Усилитель звуковых колебаний на ОУ. ВВЕРХ

Инвертирующий усилитель на ОУ — Практическая электроника

Схема инвертирующего усилителя с двухполярным питанием

Базовая схема инвертирующего усилителя с двухполярным питанием выглядит вот так:

Здесь мы видим два резистора и сам ОУ. На вход подаем сигнал, а с выхода уже снимаем усиленный сигнал. Как можно заметить, НЕинвертирующий вход ОУ заземлен. Как же работает схема? Здесь мы видим обратную связь. То есть с выхода сигнал подается обратно на вход через резистор R2. Наш усилитель является инвертирующим, так как сигнал на выходе на 180 градусов сдвинут по фазе относительно входного сигнала. Значит, в узле, где соединяются два резистора и инвертирующий вход, выходной сигнал будет приходить со знаком «минус». Такая обратная связь называется отрицательной обратной связью (ООС). Она уменьшает высокий коэффициент усиления ОУ до нужных нам значений.

В НЕинвертирующем усилителе обратная связь идет по напряжению, а в инвертирующем усилителе — по току.

Если вы читали статью про ОУ, то, наверное, помните, что если один из входов ОУ соединен с землей, то и другой вход имеем точно такой же потенциал. В данном случае НЕинвентирующий вход у нас соединен с землей, следовательно, на инвертирующем входе будет точно такой же потенциал, то есть 0 Вольт. Такой вход еще называют мнимой (виртуальной) землей. Как говорит на Википедия, «мнимый — это фальшивый, поддельный, ложный».

Коэффициент усиления по напряжению любого усилителя выражается формулой

Итак, что получаем в итоге?

Входное напряжение из формулы выше

Но так как наш усилитель инвертирует входной сигнал, следовательно, на выходе у нас будет напряжение со знаком «минус», то есть -Uвых.

В этом случае ток I₂ будет выражаться формулой:

Отсюда находим коэффициент усиления

Так как входное сопротивление инвертирующего входа бесконечно велико, следовательно, ток будет протекать только через цепь R1—>R2. Два разных тока в одной ветви быть не может, поэтому получается, что

В итоге наша формула сокращается и получаем

Пример работы инвертирующего усилителя

Давайте посмотрим, как работает наш усилитель в программе-симуляторе электронных схем Proteus. Здесь мы собираем базовую схему с двухполярным питанием

В Proteus она будет выглядеть вот так:

Здесь мы взяли значение резисторов R2=10 кОм и R1=1 кОм, следовательно, коэффициент усиления такой схемы будет равен -10. Знак «минус» в данном случае просто инвертирует усиленный сигнал, что мы и видим на осциллограмме ниже. Входной сигнал — это розовая осциллограмма, а выходной — это желтая осциллограмма. Выходной сигнал находится в противофазе относительно входного, то есть инвертирует его. Отсюда и название «инвертирующий усилитель».

Насыщение выхода инвертирующего усилителя

Давайте представим себе такую ситуацию. У нас входное переменное напряжение амплитудой 1 В. Коэффициент усиления 50. По нашим расчетам на выходе мы должны получить сигнал амплитудой 50 В. Но как мы получим 50 В, если питание нашего усилителя, допустим, +-15 В? Усиленный сигнал, амплитудой больше чем 15 В, мы получить не сможем. Хотя типичное падение напряжения во внутренних цепях реальных ОУ составляет около 0,5-1,5 В. То есть максимальный размах сигнала, который мы можем получить в данном случае на выходе будет 27-29 Вольт.

Хотя в настоящее время есть ОУ, которые все-так позволяют получать на выходе +-Uпит. Такое свойство некоторых ОУ называется Rail-to-Rail. В дословном переводе «от рельса до рельса» или «от шины до шины». Есть такие параметры, как Rail-to-Rail по входу (Rail-to-Rail input). Здесь на вход мы можем подавать сигналы вплоть до Uпит ОУ. Иногда в даташите оговаривается, с отрицательной или положительной шины питания можно подходить к этому параметру. Есть также есть Rail-to-Rail output. Здесь на выходе мы можем получить напряжение +-Uпит.  Если усиленный сигнал на выходе не вписывается в такой диапазон, то он будет срезаться. Такое свойство ОУ называется насыщением выхода. То есть надо всегда помнить, что  если амплитуда сигнала будет превышать +-Uпит усилителя, то такой сигнал на выходе будет срезан по этому уровню.

Продемонстрируем это в симуляторе Proteus. Итак, давайте на вход подадим синусоидальный сигнал амплитудой в 1 В, а коэффициент усиления сделаем 20, подобрав нужные резисторы. То есть по нашим расчетам мы должны получить синус с амплитудой в 20 Вольт. Смотрим осциллограмму

Подавали на вход синусоиду, а получили на выходе синусоиду с обрезанными верхушками и амплитудой в 14 В. Одна клеточка в данном случае — это 2 В. Как вы видите,сигнал, амплитудой более чем +-Uпит мы получить не сможем. Всегда помните об этом, особенно при конструировании радиоэлектронных устройств.

Ток смещения и смещение выхода

Входы реального ОУ потребляют небольшой ток, который называется током смещения.  В англоязычных даташитах он называется Input Bias Current. Если входные цепи ОУ построены на биполярных транзисторах, то такой ток смещения будет где-то  несколько десятков наноампер, в отличите от ОУ, где входные цепи построены на полевых транзисторах. Во входных цепях, построенных на полевых транзисторах, ток смещения оценивается десятыми долями пикоампер. Следовательно, ток смещения очень важен именно для ОУ, чьи входные цепи построены на биполярных транзисторах.

Почему же так важен ток смещения? Давайте еще раз рассмотрим схему

Даже если мы не подаем никакого сигнала на вход, то на выходе у нас все равно будет какое-то маленькое постоянное напряжение. Почему так происходит? Во всем как раз и виноват ток смещения. Он создает падение напряжения на резисторе обратной связи. В данном случае — это резистор R2. А как вы знаете, на большем сопротивлении падает большее напряжение. То есть если номинал сопротивления R2 будет очень большим, то на нем будет падать большое напряжение, которое как раз и пойдет на выход нашего ОУ.

Допустим, ток смещения равен 0,1 мкА, а резистор R2= 1 МОм, то какое падение напряжения будет в этом случае на резисторе? Вспоминаем закон Ома: I=U/R, отсюда U=IR= 0,1 В. То есть на выходе у нас уже будет постоянное напряжение 0,1 В! Подавая на вход такого усилителя полезный сигнал с током смещения в 0,1 мкА , на выходе этот сигнал будет усиливаться и суммироваться с постоянной составляющей в 0,1 В.   В нашем случае происходит смещение нулевого уровня. Наглядно — на рисунке ниже.

Способы борьбы с током смещения

В некоторых случаях током смещения можно пренебречь, если он не оказывает сильного влияния на ваши требования по сигналу. Но если все-таки вы разрабатываете какое-либо точное устройство, где выходной сигнал должен строго вписываться в рамки ТЗ, то в этом случае можно прибегнуть к таким способам:

1) Ставить в цепь обратной связи резистор малого номинала.

На малом сопротивлении падает малое напряжение. Следовательно, на выходе уже будет меньшее постоянное напряжение. Стандартный диапазон резисторов от нескольких килоом и до 50 кОм.

2) Ввести в схему компенсирующий резистор

В этом случае он будет определяться по формуле:

Если все-таки выходной сигнал соответствует вашим ожиданиям и без R_К , то лучше его не ставить, так как любой резистор вносит шумовые искажения в сигнал. Зачем лишний раз добавлять в схему шум?

3) Использовать ОУ с входными цепями, построенными на полевых транзисторах, либо подбирать ОУ с малыми токами смещения, благо сейчас технологии производства таких ОУ далеко шагнули вперед.

Инвертирующий усилитель с однополярным питанием

В некоторых случаях нам даже иногда нужно переместить нулевой уровень на более высокий «пьедестал», чтобы мы могли полностью усиливать сигнал, если дело касается однополярного питания. Работать с однополярным питанием всегда проще и удобнее, чем с двухполярным. Поэтому, в этом случае надо поднять нулевой уровень на некоторый пьедестал, чтобы полностью усиливать переменный сигнал. То есть добавить постоянную составляющую в сигнал. В этом случае схема примет чуть-чуть другой вид:

Как можно увидеть, сейчас мы питаем наш ОУ однополярным питанием. Что будет, если мы НЕинвертирующий выход посадим на землю?

То есть мы получили базовую схему инвертирующего усилителя, но только с однополярным питанием. Давайте ппросимулируем такую схему. Коэффициент усиления в данном случае будет равен-10, так как мы взяли соотношение резисторов 10 килоом и 1 килоом. Загоняю на вход сигнал амплитудой в 1 В.

Что имеем в итоге на виртуальном осциллографе?

Как вы видите, в этом случае усиленная полуволна сигнала вырезается полностью. Оно и понятно, так как напряжение питания у нас однополярное и проломить «пол» нулевого потенциала невозможно. Но можно сделать одну хитрость: поднять «уровень пола» и дать сигналу место для размаха.

В этом случае нам надо добавить U_см , для того, чтобы поднять сигнал над уровнем «пола». Но не все так просто, дорогие друзья!

Здесь уже будет использоваться более хитрая формула, а не просто вольтдобавка. Приблизительная формула выглядит вот так:

Итак, мы хотим усилить наш сигнал полностью без среза. Какое же должно быть значение U_вых ? Оно должно иметь значение половины U_пит , чтобы сигнал ходил туда-сюда без срезов. Но также надо учитывать и коэффициент усиления, иначе получится насыщение выхода, о чем мы писали выше.

В нашем случае мы хотим увеличить сигнал амплитудой в 1 В в 10 раз. То есть U_пит должно быть как минимум 20 Вольт. Так как ОУ поддерживают однополярное питание до 32 В, то давайте для красоты выставим U_пит = 30 В. Рассчитываем U_см :

Проверяем симуляцию, все ок!

Как здесь можно увидеть, желтый выходной сигнал поднялся над нулевым уровнем и усилился без искажений. В данном случае желтый сигнал — это сумма постоянного напряжения и переменного синусоидального сигнала.

То есть получилось что-то типа вот этого:

Хорошо это или плохо, когда в переменном сигнале есть постоянная составляющая, то есть постоянное напряжение? В некоторых случаях это плохо, потому как такой сигнал трудно использовать, и поэтому чаще всего его прогоняют через конденсатор, так как он пропускает через себя только переменный ток и блокирует прохождение постоянного тока. А еще лучше поставить фильтр из дифференцирующей цепи, с помощью которого можно отсекать лишние частоты.

Свойства инвертирующего усилителя

• выходной сигнал усилителя инвертирован по отношению ко входному сигналу
• входное сопротивление такого усилителя равняется сопротивлению R1
• выходное сопротивление очень мало

Принцип работы можете увидеть на видео:

RC-генератор с операционным усилителем, BJT

RC-генератор является одним из синусоидальных генераторов и создает синусоидальный сигнал на выходе с использованием линейных электронных компонентов. Настроенные LC-генераторы хорошо работают на более высоких частотах, но на низких частотах конденсаторы и катушки индуктивности в колебательном контуре или цепи времени будут иметь очень большие размеры.

[adsense1]

Следовательно, RC-генераторы больше подходят для низкочастотных приложений. RC-генератор состоит из усилителя и цепи обратной связи. Эта сеть обратной связи представляет собой сеть с фазовым сдвигом, состоящую из ряда конденсаторов и резисторов, расположенных в виде лестницы. Вот почему этот осциллятор также называют RC-цепью с фазовым сдвигом лестничного типа.

Основной принцип работы RC-генератора с фазовым сдвигом заключается в том, что перед подачей части выходного сигнала усилителя на вход выходной сигнал усилителя проходит через фазовращающую цепь. Необходимым условием возникновения колебаний является то, что полный фазовый сдвиг вокруг контура должен составлять 360 градусов.

Таким образом, в дополнение к сдвигу фазы на 180 градусов, вносимому усилителем, эта RC-схема сдвига фазы дает сдвиг фазы на 180 градусов, и, следовательно, общий сдвиг фазы составляет 360 градусов, что также равно нулю градусов.

Давайте сначала обсудим RC-схему сдвига фазы, которая используется в цепи обратной связи, прежде чем разбираться в работе этого генератора.

[adsense2]

Outline

RC-цепь с фазовым сдвигом

На рисунке ниже показана одна RC-цепочка, в которой резистор R и конденсатор C расположены последовательно. На рисунке полное сопротивление цепи представляет собой комбинацию сопротивления и индуктивного сопротивления, т. е.

Z = R – j Xc

Z = Z ∠ – Ф Ом

Учтите, что значение действующего напряжения составляет Vi вольт. Тогда ток в цепи определяется как

I = (Vi ∠0)/ Z

I = (Vi ∠ Ф)/ Z

Где Z = √ (R2 + Xc2) и

Ф = tan-1 (Xc/R)

Из полученных выше уравнений видно, что ток опережает входное напряжение Vi на угол Ф. Падение на резисторе совпадает по фазе с током, в то время как падение на конденсаторе отстает от тока на 90 градусов, и результат этих двух падений напряжения показан на рисунке ниже.

Таким образом, регулируя номиналы конденсатора C и резистора R, угол Ф регулируется таким образом, чтобы он был равен 60 градусам.

Сеть обратной связи

Как упоминалось выше, в сети обратной связи используется несколько RC-цепей для обеспечения необходимого фазового сдвига. Эта сеть должна обеспечить в общей сложности 180-градусный фазовый сдвиг, чтобы сделать общий фазовый сдвиг вокруг контура на 360 градусов.

Сеть с одной секцией RC обеспечивает фазовый сдвиг максимум 90 градусов благодаря наличию одного полюса в своей передаточной функции. Поэтому достаточно как минимум двух RC-цепочек, чтобы получить требуемый фазовый сдвиг на 180 градусов.

Однако в практическом RC-генераторе со сдвигом фазы три RC-цепи со сдвигом фазы соединены каскадом, причем каждая секция обеспечивает сдвиг фазы на 60 градусов.

Таким образом, общий фазовый сдвиг, полученный этими тремя секциями в цепи обратной связи, составляет 180 градусов (3 × 60). Эта сеть обратной связи показана на рисунке ниже.

Цепь RC-генератора

RC-генератор с фазовым сдвигом состоит из однокаскадного усилителя с общим эмиттером и фазовращающей обратной связи, состоящей из трех одинаковых RC-цепочек. Однокаскадный усилитель может быть построен как с транзистором, так и с операционным усилителем (ОУ) в качестве активного элемента.

Генератор с фазовым сдвигом RC, использующий BJT

В этом транзисторном генераторе транзистор используется в качестве активного элемента усилительного каскада. На рисунке ниже показана схема RC-генератора с транзистором в качестве активного элемента. Рабочая точка по постоянному току в активной области транзистора устанавливается резисторами R1, R2, RC и RE и напряжением питания Vcc.

Конденсатор CE является шунтирующим конденсатором. Три резистивно-емкостных участка считаются одинаковыми, а сопротивление на последнем участке равно R’ = R — hie. Входное сопротивление транзистора hi добавляется к R’, поэтому результирующее сопротивление схемы равно R.

Смещающие резисторы R1 и R2 больше и, следовательно, не влияют на работу схемы на переменном токе. Также из-за незначительного импеданса, предлагаемого комбинацией RE-CE, это также не влияет на работу переменного тока.

Когда в цепь подается питание, шумовое напряжение (генерируемое электрическими компонентами) запускает колебания в цепи. Небольшой базовый ток на транзисторном усилителе создает ток, сдвинутый по фазе на 180 градусов.

Когда этот сигнал подается обратной связью на вход усилителя, он снова будет сдвинут по фазе на 180 градусов. Если коэффициент усиления контура равен единице, то будут производиться незатухающие колебания.

Упрощая схему с эквивалентной цепью переменного тока, получаем

Частота колебаний,

f = 1/ (2 π R C √ ((4Rc / R) + 6))

Если Rc/R << 1 , тогда

f= 1/ (2 π R C √ 6)

Условие незатухающих колебаний,

hfe (min) = (4 Rc/R) + 23 + (29 R/Rc)

Для фазы сдвига генератора с R = Rc, hfe должно быть 56 для незатухающих колебаний.

Из приведенных выше уравнений видно, что для изменения частоты колебаний необходимо изменить значения R и C.

Но для удовлетворения колебательных условий эти значения трех секций должны быть изменены одновременно. Так что на практике это невозможно, поэтому генератор с фазовым сдвигом используется в качестве генератора с фиксированной частотой для всех практических целей.

Пример задачи

Для транзисторного RC-генератора выберите емкость конденсатора C и транзистора hfe, чтобы обеспечить частоту генератора 2 кГц при сопротивлении Rc=10 кОм, R=8 кОм

Учитывая, что

RC = 10 × 10 ³ Гц

r = 8 × 10 ³ Гц

F = 2 × 10 ³ Гц

В фазовом сдвижном осцилляторе частота осени дается

F. = 1/ (2 π R C √ ((4Rc / R) + 6))

2 × 10 ³ = 1/ (2 π × 8 × 10 ³ C √ ((4 × 10 × 10 ³ / 8 × 10 ³ ) + 6))

C = 3,0 × 10 ^-9 Ф или 0,003 мкФ

Коэффициент усиления транзистора определяется как

hfe ≥ (4 Rc/R) + 23 + (29 R/Rc)

hfe ≥ (4 × 10 × 10 ³ / 8 × 10 ³ ) + 23 + (29 × 8 × 10 ³ / 10 × 10 ³ )

hfe ≥ 51,2

Следовательно, емкость конденсатора C = 3,0 × 10-9 Ф и hfe = 51,2.

RC-генератор с фазовым сдвигом на операционном усилителе

Операционный усилитель RC-генераторы обычно используются в качестве генераторов по сравнению с генераторами на транзисторах. Этот тип генератора состоит из операционного усилителя в качестве усилительного каскада и трех каскадных цепей RC в качестве цепи обратной связи, как показано на рисунке ниже.

Этот операционный усилитель работает в инвертирующем режиме, поэтому выходной сигнал операционного усилителя сдвинут на 180 градусов, чтобы входной сигнал появился на инвертирующем выводе. А дополнительный фазовый сдвиг на 180 градусов обеспечивается RC-цепью обратной связи и, следовательно, условием получения колебаний.

Коэффициент усиления усилителя или операционного усилителя регулируется с помощью сопротивлений Rf и R1. Для получения необходимых колебаний коэффициент усиления настраивается таким образом, чтобы произведение коэффициента усиления ОУ и коэффициента усиления цепи обратной связи было немного больше 1,9.0003

Вышеприведенная схема действует как генератор, т.к. коэффициент усиления контура больше единицы, если ОУ обеспечивает коэффициент усиления больше 29.

Частота колебаний,

1/ (2 π R C √ 6)

Условие возникновения колебаний определяется выражением A ≥ 29.

Мы можем получить такое значение коэффициента усиления усилителя (A), чтобы в цепи возникали колебания, регулируя Rf и R1.

Пример задачи

Для заданного RC-фазосдвигающего генератора на операционном усилителе определить значение Rf, необходимое для схемы, а также определить частоту колебаний.

Мы знаем, что условие возникновения колебаний выражается как

A = 29

Где A — это коэффициент усиления усилителя, следовательно, коэффициент усиления цепи обратной связи, β = 1/29 = R3/Rf.

Следовательно, Rf = 29 × R3

= 29 × 10 × 10 ³

= 290 кОм

Поскольку R1 = R2 = R3 = R и C1 = C2 = C3 = C,

Тогда частота колебаний

f = 1/ (2 π R C √ 6)

= 1/ (2 π × (10 × 10 ³ ) × 0,01× 10 ^-6 × √ 6)

= 6,5 кГц.

Преимущества генераторов с фазовым сдвигом

• Благодаря отсутствию дорогих и громоздких катушек индуктивности конструкция проста и хорошо подходит для частот ниже 10 кГц.
• Они могут генерировать чистую синусоидальную форму сигнала, поскольку только одна частота может удовлетворить требование фазового сдвига Баркгаузена.
• Фиксируется на одной частоте.

Недостатки фазовращателей

Для использования с переменной частотой генераторы с фазовым сдвигом не подходят, потому что значения конденсатора должны быть изменены. А также, для изменения частоты в каждый момент времени требуется регулировка усиления для выполнения условия осцилляции.

• Эти осцилляторы производят 5% уровня искажения на выходе.
• Этот генератор дает только небольшой выходной сигнал из-за меньшей обратной связи
• Эти схемы генератора требуют высокого коэффициента усиления, что практически невозможно.
• Плохая стабильность частоты из-за воздействия температуры, старения и т. д. различных компонентов схемы.

транзисторы — Транзисторный предварительный усилитель

В таком случае я хотел бы знать несколько вещей:

• требуется ли источнику питания (например, электрет + полевой транзистор)
• импеданс источника
• импеданс нагрузки
• размах сигнала максимальной нагрузки
• Коэффициент усиления переменного тока
• пульсации на шине питания

На стороне источника биполярные транзисторы подходят для многих часто встречающихся импедансов источника.

Но есть несколько случаев, когда они не так хороши, особенно источники с очень высоким импедансом. (Кроме того, есть соображения по поводу шума. Здесь не обсуждается.) С точки зрения нагрузки, опять же, схема BJT не так хороша для управления нагрузками с низким импедансом (из-за пассивного квадранта работы). И нет ничего плохого в использовании BJT. усилительный каскад, подобный этому, в микрофонном предусилителе на электретных транзисторах с полевыми транзисторами/ИС, поскольку он может обеспечить приемлемое выходное сопротивление для использования с обычными аудиоразъемами RCA. Но это добавляет особое требование — подачу питания. Таким образом, многие детали включают именно то, что ожидается на входе и выходе. Вы не можете просто проектировать в вакууме. 9{\:’}= \frac{V_T}{I_{_{\text{E}_\text{Q}}}}$$

Предполагается, что Q означает «неподвижный». И это означает значение рабочей точки постоянного тока, когда на схему не подается сигнал.

В схемах, подобных этой, ток эмиттера может варьироваться в широких пределах в течение цикла от входного источника. Таким образом, обычно значение покоя не является репрезентативным значением на протяжении всех переходов приложенного входного сигнала. Влияние этого факта заключается в том, что коэффициент усиления по напряжению имеет тенденцию сильно изменяться при подаче сигнала, что соответствует 9{\: ‘}} = \ frac {R_ {_ \ text {C}}} {\ left [\ frac {V_T} {I_ {_ {\ text {E} _ \ text {Q}}}} \ right ]}=\frac{R_{_\text{C}}}{V_T}\cdot I_{_{\text{E}_\text{Q}}} =\frac{R_{_\text{C} }}{V_T}\cdot\frac{V_{_\text{CC}}-V_{_{\text{C}_\text{Q}}}}{R_{_\text{C}}}\ cdot \ frac {\ beta + 1} {\ beta} \ приблизительно \ frac {V_ {_ \ text {CC}} -V_ {_ {\ text {C} _ \ text {Q}}}} {V_T} $ $

«Приблизительная» эквивалентность, показанная выше, связана с тем, что я предположил, что \$\frac{\beta+1}{\beta}\приблизительно 1\$, что в целом верно для большинства маломощных биполярных транзисторов.

При комнатной температуре (слабосигнальный биполярный транзистор, используемый в подобных приложениях, обычно не сильно нагревается), \$V_T\примерно 25\:\text{мВ}\$. (В пределах милливольта или двух от этого.) Так что нередко записывают приведенное выше (с \$ V_{_{\text{C}_\text{Q}}}\to 0\:\text{V}\ $ или как \$V_{_{\text{CC}}}\gg V_{_{\text{C}_\text{Q}}}\$) как:

$$A_v \приблизительно 40\cdot V_{_\text{CC}}$$

Это максимально возможное значение, если вы хотите установить \$V_{_{\text{C}_\text{ Q}}}\$ достаточно низкий или \$V_{_\text{CC}}\$ достаточно высокий.

Учитывая, что вам предлагается установить \$V_{_{\text{C}_\text{Q}}}=\frac12\cdot V_{_\text{CC}}\$, вышеприведенное заменяется на :

$$A_v \приблизительно 20\cdot V_{_\text{CC}}$$

Это довольно простое условное выражение, которое можно применить в ваших rail и ваш коэффициент усиления переменного тока. (Это очень важный момент, о котором следует помнить.) Однако это также представляет собой максимум, которого можно достичь. Фактическое значение может быть меньше этого.

Рабочая точка постоянного тока (спокойная)

Как я упоминал ранее в комментариях, для смещения постоянного тока конденсаторы игнорируются. (Для целей постоянного тока они являются разомкнутыми цепями.) Так что просто удалите их полностью и сосредоточьтесь на том, что осталось. Здесь вы можете применить к своей схеме обычные правила: KCL и KVL.

При использовании SymPy развивается следующее:

 var('r1 r2 rc re vb vc vcc ibic beta ie vbe')
eq1 = Eq( vc/rc + vc/r1 + ic, vb/r1 + vcc/rc ) # KCL узла коллектора
eq2 = Eq( vb/r1 + vb/r2 + ib, vc/r1 ) # KCL базового узла
eq3 = Eq( vcc - rc*(ic+ib+vb/r2) - r1*(ib+vb/r2) - vbe - re*ie, 0 ) # KVL
eq4 = Eq(ic, бета*ib)
eq5 = Eq( т.е. (beta+1)*ib )
ans0 = решить( [eq1, eq2, eq3, eq4, eq5], [vc, vb, ic, ib, т.е.])
 

Просто в качестве проверочного теста:

 упростить( ans0[ic] / ans0[ib] )
    бета
 

Это то, что мы заявили в самом начале. Так что это хорошо.

Предположим, мы знаем, что \$V_{_\text{CC}}=12\:\text{V}\$ (и, следовательно, что \$A_v\lt 240\$, причем фактическое значение также зависит от того, где задана рабочая точка эмиттера по постоянному току. .. и более), расчет \$\beta=120\$, а это \$V_{_\text{BE}}=800\:\text{мВ}\$ .

Дополнительное примечание: это напряжение база-эмиттер, скорее всего, немного велико для малосигнального биполярного транзистора, поскольку оно подразумевает ток коллектора покоя, который может составлять сотни миллиампер. См. следующую таблицу для PN2222-D от OnSemi:

Предположим также, что мы решили, что \$I_{_{\text{C}_\text{Q}}}\приблизительно 5\:\text{мА}\$ (что будет примерно \$30\ :\text{mW}\$ для BJT.)

Теперь мы можем составить следующие уравнения в SymPy:

 eq6 = Eq(ans0[vc], vcc/2 ) # Желаемая рабочая точка коллектора
eq7 = Eq(ans0[ic], 5e-3) # Требуемый ток коллектора
eq8 = Eq(ans0[vb], 1 + vbe) # Требуемое базовое напряжение BJT
ans1 = решить( [eq6, eq7, eq8], [r1, rc, re])
 

Я исключил \$R_2\$ из списка решений по уважительной причине.

В общем, нам нужна жесткая точка смещения . Это означает, что постоянный ток покоя, протекающий через \$R_1\$ и \$R_2\$, должен примерно в 10 раз превышать базовый ток. Жестче — это нормально, поэтому мы можем приблизительно оценить, что ток базы примерно в 100 раз меньше, чем ток коллектора, или около $50\:\mu\text{A}\$. Таким образом, мы хотели бы, чтобы ток в \$R_2\$ был примерно в 10 раз выше, или \$500\:\mu\text{A}\$. Поскольку мы знаем, что базовое напряжение равно \$1,8\:\text{V}\$ (напряжение эмиттера плюс падение напряжения база-эмиттер), мы можем вычислить \$R_2=\frac{1,8\:\text{V}} {500\:\mu\text{A}}=3,6\:\text{k}\Omega\$.

Так что не нужно было решать для \$R_2\$.

Теперь мы можем распечатать значения:

 для i в ans1[0]: i.subs({beta:120, vcc:12, vbe:0.8, r2:3600})
    7753.84615384615#r1
    1082.70676691729 # rc
    198.347107438017 #ре
 

Ну, это не очень больно. И значения выглядят достаточно реалистично.

Попробуем все это в LTspice.

Теперь, прежде чем я это сделаю, мне нужно вспомнить упомянутую выше проблему с очень высоким значением для \$V_{_\text{BE}}\$, что было не очень реалистично.