Рис. 7.5. Исправленная схема включения транзистора с общей базой Надеюсь, что с включением транзистора с общим коллектором у меня получится удачней.

Включение транзистора с общим коллектором

Основным достоинством схемы с общим коллектором является большое входное сопротивление каскада и маленькое выходное. Именно эти свойства используются, например, в усилителе мощности звуковой частоты, когда транзистор работает на низкоомную нагрузку, громкоговоритель с сопротивлением звуковой катушки в несколько ом. Первоначально усилители на транзисторах, подобно ламповым усилителям, строили с выходным трансформатором. В этом есть свои преимущества, но и свои недостатки, к которым можно сразу отнести стоимость трансформатора и его габариты, соответственно, и вес. Бестрансформаторный выходной каскад усилителя мощности, кроме того, позволяет ввести очень глубокую отрицательную обратную связь, улучшающую параметры усилителя пропорционально глубине обратной связи. Правда, при глубокой отрицательной обратной связи транзисторных усилителей разработчики столкнулись с другими проблемами качества звука, но это отдельная история.

Итак, включение транзистора в схему с общим коллектором. То есть, общим для входного и выходного сигналов становится коллектор транзистора. Как это выглядит на схеме?

Рис. 7.6. Включение транзистора с общим коллектором

Гораздо лучше, чем в прошлый раз. Напомню, что для сигнала, переменного напряжения с частотой 1 кГц, сопротивление источника питания, практически нулевое, его можно «замкнуть накоротко», и тогда и вход усилителя, и его выход будут иметь общую точку, соединенную с коллектором транзистора, то есть, коллектор будет общим для входного и выходного сигналов. Вольтметр Pr1 показывает (таблица в верхней части), что резистор R1 выбран так, чтобы на постоянном токе напряжение на резисторе нагрузки каскада R2 было равно половине напряжения питания.

Что еще можно сказать, глядя на рисунок? Резистор R2, как и в предыдущей схеме, будет резистором обратной связи. Напряжение генератора (источника переменного напряжения V2) распределится между напряжением на этом резисторе и напряжением база-эмиттер транзистора, которое и будет, меняя базовый ток, управлять усилением сигнала. Обратная связь отрицательная, а напряжения, как видно из диаграммы, где амплитуда сигнала на резисторе R2 почти равна 1 В, скорее всего будут вычитаться. При включении транзистора с общим коллектором его сопротивление нагрузки, одновременно являясь сопротивлением отрицательной обратной связи, вводит глубокую обратную связь, вследствие чего усиление по напряжению такого каскада будет меньше единицы. А как же с усилением? Усиление по току будет существенным. Это и позволяет использовать, например, низкоомную нагрузку. И входное сопротивление, которое в предыдущей схеме было не больше 500 Ом, в этой может иметь порядок сравнимый с сопротивлением R1 = 400 кОм. Значит, такое включение особенно полезно, когда нужно получить большое входное сопротивление каскада усиления.

Включение транзистора с общим эмиттером

Этот способ включения транзистора наиболее распространен. В схеме с общим эмиттером транзистор имеет коэффициенты усиления по току и по напряжению значительно больше единицы. Что и позволяет говорить о схеме, как схеме усилителя, без каких-либо оговорок.

Я даже начну эту часть рассказа не со схемы, а с рассказа о способах задания рабочего режима по постоянному току.

Рис. 7.7. Способы задания рабочего режима транзистора

Самый простой способ показан на рисунке 7.7.a. В зависимости от назначения каскада усиления напряжение на коллекторе транзистора может выбираться в пределах от долей напряжения источника питания до полного его значения. Однако часто это напряжение выбирается равным половине напряжения источника питания. В этом случае сигнал может менять это напряжение от близкого к нулю до почти равного напряжению питания, что очень важно при усилении симметричных сигналов, таких как синусоидальные. Реально сигнал не может достигать на выходе значения равного нулю. Некоторое напряжение, от долей вольта до 1-2 вольт, всегда остается на коллекторе транзистора сколько бы мы ни увеличивали ток базы. Это напряжение еще называют напряжением насыщения транзистора.

Резистор R2 является нагрузкой каскада на транзисторе. Его величину определяют, исходя из разных соображений. Часто величину нагрузки определяет каскад, следующий за данным каскадом усиления. Точнее его входное сопротивление. Если выходное сопротивление данного каскада будет больше, чем входное сопротивление следующего каскада, то можно ожидать искажений сигнала, связанных с перегрузкой. Для сигнала резистор R2,

динамическое сопротивление транзистора и входное сопротивление следующего каскада образуют параллельно включенные сопротивления. Если входное сопротивление следующего каскада значительно больше, чем первые два компонента общего сопротивления, то мы можем рассматривать параметры данного каскада независимо от следующего, тот не внесет больших изменений в работу.

Для определенности положим, что входное сопротивление следующего каскада 10 кОм. Тогда сопротивление нагрузки каскада на транзисторе T1 равное 2 кОм вполне можно считать подходящим. А если мы определили, что будем работать с синусоидальным сигналом, то нам нужно получить напряжение на этом резисторе равное половине напряжения питания, которое для определенности положи равным 10 В. При падении напряжения на резисторе R2 5 В и его сопротивлении 2 кОм мы получим (по закону Ома) ток через этот резистор 2.5 мА. Это ни что иное, как ток коллектора транзистора T1. Если транзистор имеет статический коэффициент усиления по току равный 100, то базовый ток однозначно должен быть равен 25 мкА. Именно этот ток определит величину резистора R1. Падение напряжения на этом резисторе практически равно (за вычетом напряжения 0.5-0.7 В на переходе база-эмиттер) напряжению питания. Разделив 10 В на 25 мкА мы получим значение сопротивления R1 = 400 кОм (если я правильно посчитал). Вот мы и определили все элементы нашего простейшего каскада с общим эмиттером. Осталось проверить их.

Рис. 7.8. Проверка расчетов простейшего усилителя

Расчеты были простейшие, но как видно на графике выходной сигнал искажен не очень сильно, а его амплитуда близка к половине напряжения питания. В таблице в верхней части рисунка можно увидеть ток коллектора (амперметр Pr1) равный 2.3 мА и напряжение на

коллекторе (вольтметр Pr2) равное 5.4 В. Расчетные данные близки к результату полученному в программе Qucs, хотя я уверен, что формулы, использованные для моделирования работы транзистора в программе, были значительно более точными. И еще одно. Я в первых главах говорил об источнике тока. Если мы рассмотрим источник напряжения V1 в сочетании с резистором R1 как источник тока, а сопротивление постоянному току база-эмиттер транзистора значительно меньше, чем 400 кОм, то базовый ток не должен зависеть от замены одного транзистора другим. Проверим это предположение. Перенесем амперметр Pr1 в цепь базы, измерим ток базы – 2.3e-05. После замены транзистора ток базы и напряжение на коллекторе будут:

Рис. 7.9. Ток базы и напряжение на коллекторе 2N2222A

Рис. 7.10. Ток базы и напряжение на коллекторе 2N4401

Как можно заметить, напряжения на коллекторе разных транзисторов различны, а токи базы схожи. А это может означать, что либо предположение было верно, либо величина сопротивления постоянному току цепи базы у разных транзисторов почти одинакова. Как бы это проверить?

На рисунке 7.7.b сопротивление база-эмиттер шунтируется резистором R4. Если исследуемое нами сопротивление значительно ниже 400 кОм, то ток после добавления резистора R4 через резистор R1 не должен сильно отличаться от полученных ранее значений... и не отличается.

Однако изменился ток базы. Часть тока, ранее уходившего в базу транзистора, ответвляется в добавленное нами сопротивление. Изменилось и напряжение на базе транзистора. Делитель напряжения, прежде образованный резистором R1 и сопротивлением перехода база-эмиттер транзистора, теперь формируется в нижнем плече параллельно включенными переходом и добавленным резистором. А от напряжения база-эмиттер зависит ток базы.

После замены резистора R1 на сопротивление 90 кОм ток базы можно вернуть к исходному значению, как на рисунке ниже.

Теперь рабочий режим транзистора задается делителем напряжения в его базовой цепи. Если выбрать резистор R3 (на рисунке 7.11) сопротивлением заведомо ниже сопротивления перехода база-эмиттер на постоянном токе, то именно напряжение делителя будет полностью определять режим работы.

Рис. 7.11. Токи и напряжения в схеме с делителем напряжения на входе

Расчет такой схемы несколько сложнее. Для его проведения необходимо знать зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер. Такие данные можно получить из документации к полупроводниковому прибору или снять зависимость самостоятельно. Резисторы R1 и R3 образуют делитель напряжения, а падение напряжения на R3 определит ток базы, а соответственно и ток коллектора. В остальном порядок расчета одинаков. При замене транзистора на другой, похожего, но другого типа, параметры схемы следует подбирать заново, то же происходит при изменении напряжения питания. И возникает вопрос – а зачем усложнять схему, если это не дает заметного выигрыша?

Первую схему я бы назвал схемой с фиксированным током базы. Вторую с фиксированным напряжением база-эмиттер. Мы говорили выше, что при изменении температуры величина сопротивления меняется. В первой схеме ток базы, определяющий все параметры схемы, зависит от величины сопротивления одного резистора, который будет менять базовый ток под действием температуры. Во второй схеме при таком же действии температуры на резисторы оба изменят сопротивление, но напряжение на резисторе R3 останется неизменным. Программа Qucs позволяет вам проверить мои рассуждения, возможно, ошибочные. Вы можете построить зависимость тока базы от напряжения, можете изменить значения резисторов. Вот таблицы, которые иллюстрируют сказанное.

Рис. 7.12. Таблицы испытаний схемы рисунка 7.8 при изменении R1

Сопротивление нагрузки оставалось неизменным. В качестве нагрузки мог оказаться колебательный контур или наушники, которые при изменении температуры ведут себя иначе. Таблицы, представленные выше, я собрал по результатам экспериментов с помощью графического редактора GIMP. Но Qucs предоставляет возможность провести этот эксперимент иначе, с помощью развертки параметра.

Для этого необходимый мне параметр, в данном случае сопротивление R1, я обозначаю как Rvar. После выбора вида моделирования в свойствах Развертки параметра достаточно выбрать в качестве моделирования DC1 (моделирование на постоянном токе предварительно добавлено), в качестве параметра для развертки Rvar, начало задать как 320 кОм, конечное значение параметра 480 кОм, и шаг 40 кОм. Пять точек измерения должны соответствовать прежде проделанным измерениям.

Запуск моделирования и выбор вида диаграммы в виде таблицы не отличается от обычных завершающих операций, они производятся после выполнения моделирования, когда появляется рабочее поле для сохранения результатов измерений в файле с расширением dpl. В диалоговом окне выбора переменных для отображения на диаграмме соответственно выбраны Pr1 и Pr2 — показания амперметра в цепи базы и показания вольтметра, подключенного к коллектору транзистора.

Рис. 7.13. Применение моделирования в виде развертки параметра Согласитесь, удобно.

А теперь я хотел бы повторить изменения в тех же пределах резисторов R1 и R3 схемы на рисунке 7.11, но с начальными значениями 11.3 кОм и 1 кОм. Повторить развертку параметра я не могу, поскольку параметров два, а я не знаю, как в этом случае поступить, придется проделать несколько повторных запусков моделирования и собрать результаты в графическом редакторе.

Рис. 7.14. Результаты измерений параметров схемы рисунка 7.11 при вариации R1 и R3

Как видно из таблиц, результаты лучше, чем предыдущие. И эксперимент не столь сложен. Изменить величину двух резисторов, запустить моделирование, получить результат... Но я

подумал, может быть, лучше было так:

Рис. 7.15. Развертка двух параметров в программе Qucs

Схема установки рабочей точки транзистора с помощью делителя напряжения решает некоторые проблемы, но не все. Посмотрим, что нам даст схема на рисунке 7.7.c. Она похожа на схему 7.7.a, но резистор включен в цепь отрицательной обратной связи. Расчет, думаю, такой же, только напряжение для вычисления величины резистора следует взять равным половине напряжения питания. Я попробую просто уменьшить это значение вдвое.

И, конечно, я воспользуюсь разверткой параметра в качестве вида моделирования. А чтобы легче было сравнить результаты, вставлю таблицу результатов первого эксперимента с помощью графического редактора.

Рис. 7.16. Испытания схемы рисунка 7.7.c

И эти результаты явно лучше, чем результаты первого эксперимента. Остается проверить только схему на рисунке 7.7.d. Резистор, добавляемый в цепь эмиттера транзистора, вы уже знаете это, тоже добавляет обратную связь по постоянному току в схему каскада усиления. Ниже я приведу схему эксперимента, но хочу добавить, что никто и ничто не мешает и в этом случае использовать вторую обратную связь, как в схеме на рисунке 7.7.с. Каскад будет иметь два резистора отрицательной обратной связи. Удовольствие провести эксперименты с этим вариантом я оставлю вам.

Обратите внимание на то, что резистор в эмиттерной цепи вводит последовательную обратную связь, напряжение обратной связи включено последовательно со входным напряжением, что увеличивает входное сопротивление каскада.

Тогда же, когда вы включаете сопротивление между коллектором и базой транзистора, вы вводите параллельную обратную связь. При такой обратной связи входное сопротивление каскада уменьшается. Как в программе Qucs проверить входное сопротивление... об этом я рассказывал, а проверить его на макетной плате... тоже рассказывал, но так же, как и в программе Qucs.