Стабильный усилительный каскад на транзисторе

June 26, 2010 by admin Комментировать »

Действительно, «правильный» усилительный каскад на транзисторе есть ком­бинация той и другой схемы, показанная на рис. 6.8. Для конкретности предпо­ложим, что Unm= 10 В, Uвх = 5В (постоянная составляющая). Как правильно рассчитать сопротивления Rj и Лк? Заметим, что схема обладает двумя выхода­ми, из которых нас больше интересует выход 1 (выход усилителя напряжения, соответствующий выходу в схеме с общим эмиттером по рис. 6.6).

clip_image002

Рис. 6.8. Стандартный усилительный каскад на биполярном транзисторе

При нормальной работе каскада (чтобы обеспечить максимально возможный размах напряжения на выходе) разумно принять, что в состоянии покоя, то есть когда f/вх равно именно 5 В, на выходе (на коллекторе транзистора) была бы половина питания, то есть в данном случае тоже примерно 5 В. Это на­пряжение зависит от коллекторного тока и от сопротивления нагрузки по этому выходу, которое равно в данном случае R. Как правило, сопротивле­ние нагрузки нам задано, примем для определенности, что Rк = 5,1 кОм. Это означает, что в «хорошем» режиме, чтобы обеспечить Uвых = 5 В, ток коллектора должен составлять 1 мА — посчитайте по закону Ома! Но ток коллектора мы уже умеем рассчитывать, исходя из закономерностей для кас­када с о. к. — он ведь равен (L2bx ~ ЩъУ2ъ .Из этих условий получается, что резистор Rэ должен быть равен 4,3 кОм (мы всегда выбираем ближайшее из стандартного ряда сопротивлений, и больше не будем об этом упоминать). Мы не сильно нарушим законы природы, если просто положим в этой схеме Rэ = 5,1 кОм — с точностью до десятых вольта выходные напряжения по обоим выходам будут равны — проверьте!

Такая (очень хорошая и стабильная) схема не обеспечит нам никакого усиле­ния по напряжению, что легко проверить, если при рассчитанных параметрах увеличить Uвх, скажем, на 1 В. Напряжение на эмиттере увеличится также на 1 В, общий ток коллектора-эмиттера возрастет на 0,2 мА (1 В/5 кОм), что из­менит падение напряжения на коллекторном резисторе также на 1 В в мень­шую сторону (помните, что выходы инвертированы?). Зато! Мы в данном случае имеем схему, которая имеет два совершенно симметричных выхода — один инвертирующий, другой точно совпадающий по фазе с входным сигна­лом. Это дорогого стоит!

Единственное, что портит картинку— факт, что выходные сопротивления такой схемы сильно разнятся. Нагрузив нижний выход (Rвых) еще какой-то нагрузкой (что равносильно присоединению параллельного резистора к Rэ), мы изменим общий ток коллектора, и напряжение верхнего выхода ({ЛыхО также изменится. А обратного не получается, то есть, если мы уменьшим R2, нагрузив его, то {Дых! изменится — но это практически никоим образом не скажется на [/выхг!

Как нам обеспечить полную (или близкую к таковой) симметричность схемы усилителя — чуть далее. А пока нас занимает вопрос — так как же на этом якобы усилителе что-нибудь усилить? У меня есть микрофон или гитарный звукосниматель с выходом 1 мВ. Хочу получить на выходе хотя бы 100 мВ, чтобы хватило для линейного входа усилителя— ну и? Оказывается, все просто, нужно только поступиться принципами, как говаривала незабвенная Нина Андреева еще в советские времена.

Принципы заключаются в следующем: в рассчитанной схеме мы старались все сбалансировать и обеспечить наилучший режим работы транзистора. Но зло и добро в мире, говорят, существует в одинаковых количествах— если режим наилучший, значит, что-то будет наихудшим (в данном случае — уси­ление по напряжению). Ранее мы писали, что коэффициент усиления по на­пряжению каскада с общим эмиттером зависит от соотношения сопротивле­ний (то есть токов в базе и коллекторе). Сделав его неоптимальным для транзистора, мы можем что-то улучшить для себя.

Практически это делается так: пусть мы предполагаем, что максимально воз­можная амплитуда на входе каскада (относительно среднего значения) не превысит, допустим, 1 В. При минимуме сигнала напряжение на базе не должно быть меньше 1,7 В, иначе транзистор запрется, и сигнал будет огра­ничен «снизу». Примем его равным 2 В для надежности. Номинал эмиттерно­го резистора Rj (при все том же оптималь-ном токе коллектора 1 мА), будет тогда равен 1,3 кОм. Нагрузка коллектора (Rк) пусть останется такой же — 5,1 кОм. Обратите внимание, что на выходе  среднее напряжение— на­пряжение покоя — в этом случае осталось тем же самым (5 В).

При таких параметрах каждый вольт изменения напряжения на входе даст уже примерно 4 вольта изменения напряжения на выходе f/выхь то есть коэф­фициент усиления по напряжению составит 4 и всегда будет примерно равен соотношению резисторов в коллекторе и эмиттере. Мы можем в определен­ных пределах увеличить этот коэффициент, уменьшая номинал R2 вплоть до нуля (и тем самым все больше дестабилизируя схему, как показано при опи­сании схемы с общим эмиттером), и одновременно уменьшая диапазон уси­ливаемых входных напряжений. Интересным свойством рассмотренной схе­мы является то, что абсолютное значение напряжения питания здесь не важно — рассчитанный на одно питание, каскад сохранит все свои свойства (кроме максимально допустимого выходного напряжения) и рри другом, та­ковы свойства систем с обратной связью.

Для усилителей переменного тока хорошим — и часто используемым — приемом является шунтирование эмиттерного резистора конденсатором большой емкости. В результате режим усилителя по постоянному току (точка покоя, то есть напряжение на коллекторе) обеспечен, а при наличии пере­менного входного напряжения эмиттерный резистор по номиналу уменьша­ется (к нему оказывается подключен параллельно конденсатор, сопротивле­ние которого тем меньше, чем выше частота, как мы узнали из главы 5), поэтому растет и коэффициент усиления напряжения всей схемы.

Теоретически транзисторный каскад на хорошем биполярном транзисторе в одиночку может усилить переменное напряжение с размахом 1 мВ раз в сто — если он правильно спроектирован, однако лучше полагаться на вели­чину в 10—30 раз (если помните, максимальное увеличение по напряжению для современных биполярных транзисторов ограничено несколькими сотня­ми — это без всякой стабилизации). Еще лучше в этом случае работают опе­рационные усилители, но чтобы перейти к ним {глава 12\ надо еще много понять о работе простых транзисторных каскадов.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты