3. Транзисторные усилители

В этой части рассматриваются линейные усилительные схемы, т.е. такие схемы усилителей, для которых зависимость выходного напряжения от входного приблизительно линейна. В рамках нашей простой модели транзистора мы будем руководствоваться правилом: Если в коллекторной цепи транзистора течет ток, то напряжение между базой и эмиттером равно приблизительно 0,6В и почти не зависит от тока базы.

Это замечательное свойство транзистора, во-первых, значительно упрощает расчеты радиосхем, а во-вторых, часто помогает обнаружить в работающей схеме неисправный транзистор.

3.1. Усилитель с общим коллектором

Рассмотрим схему на рис.6. Как обычно, будем считать, что входное и выходное напряжения измеряются относительно общего провода. ПустьU_ВХ0,6В. Тогда в цепи базы возникает ток базыI_Б, что приведет к появлению в коллекторной цепи токаI_Ки тока в цепи эмиттераI_Э=I_Б+I_К, то есть через резисторR. УвеличимU_ВХна величинуU_ВХ. Тогда, согласно нашему правилу, напряжениеU_ВЫХувеличится также на величинуU_ВХ. Иными словами, коэффициент усиления по напряжению К_U для каскада с общим коллектором (ОК) приблизительно равен +1. Сейчас мы уточним, что значит“приблизительно”. Для этого вычислим входное и выходное сопротивление каскада:,U_ВХ=U_ВЫХ=RI_Э,I_Э=I_Б+I_К=I_Б(1+), поэтомуU_ВХ=RI_Б(1+), а так какI_ВХ=I_Б, то при1

r_ВХ=R(1+)R.                                                (4)

По определению r_ВЫХ=U_ВЫХ/I_ВЫХпри неизменной величинеU_ВХ. Увеличим выходной ток на величинуI_ВЫХ(например, путем присоединения какого-либо резистора величиной много больше, чем R, параллельно R). Тогда выходное напряжение уменьшится на величинуU_ВЫХ. Так какU_ВЫХ=U_ВХ‑0,6В, то на такую же величину уменьшится иU_ВХ, поэтомуU_ВХ=U_ВЫХ. Изменится же оно из-за того, что ток, потребляемый от источника входного напряжения, также возрос на величинуI_ВХ=I_ВЫХ/(1+), что уменьшило U_ВХна величинуU_ВХ=r_ГI_ВХ=r_ГI_ВЫХ/(1+)=U_ВЫХ. Отсюда ясно, что при1

r_ВЫХ=r_Г/(1+)r_Г/.                                                (5)

Конечное значение входного сопротивления каскада с ОК приводит к тому, что коэффициент усиления по напряжению для него меньше единицы. В самом деле, входную цепь каскада с ОК можно представить, как показано на рис.7. Поэтому можно считать, что К_Uбудет определяться коэффициентом передачи этой цепочки

.                            (6)

Если R(+1)R_Г, то К_U1.

Рассмотрим усиление малых сигналов переменного тока. ЗависимостьU_ВЫХ=f(U_ВХ) для схемы, представленной на рис.6, показана на рис.8. Пунктирная линия на рисунке соответствует зависимостиU_ВЫХ=К_UU_ВХ, приК_U1.Из рисунка видно, что усилитель будет передавать только сигналы положительной полярности, а входной сигнал напряжением меньше 0,6В вообще на выходе не появится. Чтобы преодолеть эту трудность, на вход каскада с ОК подают сумму напряжений – усиливаемое переменное и постоянное, так называемое напряжение смещения, определяющее“рабочую точку”каскада. Сделать это можно различными способами, как показано на рис.9.

На рис.9а представлен наиболее распространенный способ задания рабочей точки. Если выбрать R₁=R₂, то в этом случае в отсутствие входного сигналаU_ВЫХ=Е_П/2-0,6ВЕ_П/2. На частотах, для которых импеданс входного конденсатора С₁невелик, входное сопротивление каскада определяется сопротивлением входного делителя и входным сопротивлением каскада со стороны базы:r_ВХ=R₁R₂R(+1). Чтобыr_ВХне зависело от, величинадолжна быть достаточно велика, т.е. R_Э(+1)R₁, R₂и тогдаr_ВХ=R₁R₂. Недостатком подобного каскада является то, что пульсации напряжения питания через делитель R₁, R₂передаются на вход и появляются на выходе. Этот эффект можно значительно уменьшить, используя схему на рис.9б. Как и в предыдущем случае, выбирают R₁, R₂, R₃R_Э(+1), тогда R_ВХR₃. Шунтирование резистора R₂конденсатором С₂уменьшает проникновение пульсаций напряжения питания на вход каскада, поскольку для пульсаций действие цепи R₁R₂С₂эквивалентно действию интегрирующей цепочки с постоянной времени=С₂(R₁R₂). Часто вместо С₂R₂устанавливают стабилитрон с подходящим напряжением, что наиболее эффективно для данной схемы.

Схема на рис.9в чрезвычайно привлекательна, но требует использования двух источников питания разной полярности. Для нее напряжение смещения равно нулю, поэтому пульсации питания на вход не проникают. Ее входное сопротивление r_ВХ=R₁R_Э(+1) или R_ВХR₁при R₁R_Э(+1).

Усиление всех перечисленных каскадов со стороны низких частот ограничивает импеданс конденсатора С₁, возрастающий на низкой частоте, поэтому нижняя граничная частота усиления.

Основное назначение каскадов усиления с ОК – согласование источников сигнала, имеющих высокое выходное сопротивление, с низкоомной нагрузкой. Классическим примером источника такого сигнала может служить пьезоэлектрический звукосниматель или электретный микрофон.

Пример.Рассчитать каскад, согласующий пьезоэлектрический звукосниматель с входом усилителя низкой частоты. Дано:U_ВХmax=1,0В,r_Г=0,1МОм (типичное значение для пьезоэлектрического звукоснимателя), входное сопротивление усилителяr_ВХ,УС=10кОм,f_Н=20Гц. Выберем схему на рис.9а. Для простоты расчетов берем R₁=R₂.

1. Выберем напряжение питания. Размах входного напряжения равен 21,41=2,8В (так как нам задано среднеквадратичное значение U_ВХ). С учетом запаса 0,6В на каждый полупериод сигнала необходимо Е2,8+0,62=4В. Выберем Е=6В.

2. Выбор транзистора. Для того чтобы вход усилителя, подключенного к выходу нашего каскада не уменьшал выходной сигнал, необходимо, чтобы r_ВЫХR_ВХ,УС, т.е.r_Г/(+1)R_ВХ,УС, поэтому(+1)r_Г/R_ВХ,УС, если учесть, что1, аr_Г/r_ВХ,УС=0,1МОм/10кОм=10⁵Ом/10⁴Ом=10,то10. С физической точки зрения значок“много больше”означает больше, по крайней мере, на порядок. Таким образом100. Исходя из этого выбираем транзистор КТ3102Б, имеющий_min=200,U_КЭmax=50В,I_Кmax=100мА.

3. Чтобы входное сопротивление нашего каскада с ОК не шунтировало выход звукоснимателя, необходимо r_ВХr_Г. У насr_ВХ=R₁R₂R_Э(+1). Если R₁,R₂R_Э(+1) и R₁=R₂, то R_ВХ=R₁/2. Выбираем R₁=1,0МОм, тогда R_Э(+1)R₁/2. Выбираем R_Э=10R₁/2_min=1010⁶/2200=2500Ом=2,5кОм.

Величину разделительной емкости выберем из условия (6) .

Рассчитанный каскад представлен на рис.10.

5. В отсутствие входного сигналаU_ВЫХ=Е_П/2‑0,6В=6/2‑0,6=2,4В. I_КI_Э=U_ВЫХ/R=2,4/2500=0,00096А1мА. При этом мощность, рассеиваемая на транзисторе, равна (Е_П-U_ВЫХ)I_К=(6-2,4)10^-3=3,610^-3Вт=3,6мВт.

6. Коэффициент передачи по напряжению .

Упражнения для самоконтроля.

Упражнение 1.Рассчитайте каскад с теми же входными данными, используя схему на рис.9в.

Упражнение 2.Проанализируйте схему на рис.11. Будет ли она работать хорошо? Для этой схемы предполагается=100. РезисторR₁рассчитывается так, чтобы обеспечитьU_ВЫХ=5В в отсутствие входного сигнала.

Упражнение 3.Не меняя полярности напряжения питания, измените схему на рис.9а так, чтобы в ней можно было применить транзистор типаp-n-p.