Транзисторные усилители – Радиолюбительская азбука

July 1, 2015 by admin Комментировать »

Принцип работы и основные схемы включения транзисторов были подробно рассмотрены в томе 1 книги. Поэтому в этом пункте я лишь кратко повторю уже изложенное.

Известны три основные схемы включения биполярных (полевых) транзисторов: схема с общим эмиттером (с общим истоком) — рис. 1.1, а, с общим коллектором (общим стоком) — рис. 1.1,6 и с общей базой (общим затвором) — рис. Ι.Ι,β. Ниже будут рассмотрены схемы включения биполярных транзисторов структуры п-р-п и полевых — с каналом η-типа. Р-п-р и р-канальные транзисторы включаются по тем же схемам, только полярность всех напряжений нужно изменить в противоположную сторону (т. e. «+U» нужно поменять на «—U» и наоборот).

Биполярный транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером (рис. 1.1, с), в зависимости от выходного сопротивления источника сигнала (R1) и сопротивления нагрузки Rh усиливает входной сигнал и по напряжению, и по току.

Коэффициент усиления биполярного транзистора обозначается как h21s (читается: «аш-два-один-э», «э» — схема с общим эмиттером), и у каждого транзистора он разный (для маломощных транзисторов — от 100 до 1000, для мощных — от 5 до 200). Величина коэффициента Ь21э (его полное название — статический коэффициент передачи тока базы h2l3) зависит только от толщины базы транзистора (ее изменить нельзя) и от напряжения между коллектором и эмиттером, поэтому при небольшом напряжении (менее 20 В) на транзисторе его коэффициент передачи тока при любом токе коллектора практически неизменен и незначительно увеличивается при увеличении напряжения на коллекторе.

Коэффициент усиления по току (Кус1) и коэффициент усиления по напряжению (KycU) биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, зависит от отношения сопротивлений нагрузки (RH) и источника сигнала (на схеме обозначено как R1). Если сопротивление источника сигнала в Ь21э раза меньше сопротивления нагрузки, то коэффициент усиления по напряжению чуть меньше единицы (0,95…0,99), а коэффициент усиления по току равен h2u. Когда сопротивление источника сигнала более чем в Ь2|э раза меньше сопротивления нагрузки, то коэффициент усиления по току остается неизменным (равным h2l3), а коэффициент усиления по напряжению — уменьшается.

Рис. 1.2. Схема «внутренностей» биполярного транзистора

Рис. 1.1. Усилители на транзисторах

Если же, наоборот, входное сопротивление уменьшить, то коэффициент усиления по напряжению становится больше единицы, а коэффициент усиления по току, при ограничении протекающего через переход база-эмиттер транзистора тока, не изменяется.

Схема с общим эмиттером — единственная схема включения биполярного транзистора, которая требует ограничения входного (управляющего) тока. Как видно из рис. 1.2, переход база-эмиттер любого биполярного транзистора представляет собой обычный диод (точнее, «стабилитрон», напряжение стабилизации которого равно 7…10 В — оно, кстати, начинает стабилизироваться уже при токе в несколько микроампер), и ток, поступающий в базу транзистора. течет только через этот диод. Усиление сигнала биполярным транзистором возможно только из-за его слишком «хитрого» строения, точнее, из-за очень малой толщины базового перехода, разделяющего коллектор и эмиттер. Так как к коллектору транзистора структуры п-р-п приложено положительное («притягивающее» электроны) напряжение, то при прямом смещении перехода база-эмиттер (т. е. когда через этот переход течет некоторый ток) часть электронов, «предназначенных» для базы, захватывается полем коллектора и течет в нагрузку. Причем в коллектор идет значительная часть электронов — один «базовый» электрон переносит к коллектору h2l9 электронов. Именно благодаря этим «магнитным» свойствам коллектора и возможно усиление тока с помощью биполярного транзистора. А так как ток коллектора жестко зависит от тока базы, то транзистор усиливает сигналы разной амплитуды в одинаковое число раз.

Из этого можно сделать несколько выводов:

•  базовый ток транзистора, включенного по схеме с ОЭ, нужно ограничивать (с помощью резистора или генератора тока), иначе «сгорит» или транзистор, или управляющая им схема;

•  с помощью транзистора, включенного по схеме с ОЭ, очень легко управлять высоковольтной нагрузкой низковольтным источником сигнала. Через базовый, а следовательно, и коллекторный переход протекает значительный ток при напряжении база-эмиттер всего 0,8…1,5 В. Если амплитуда (напряжение) управляющего сигнала больше этой величины — нужно поставить между базой транзистора и выходом управляющей схемы токоограничивающий резистор (R1). Рассчитать его сопротивление можно по формулам:

где IRh — ток через нагрузку, A; Uynp — напряжение источника сигнала, В;

R1 — сопротивление резистора, Ом.

Еще одна особенность схемы с ОЭ ■— падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора можно уменьшить практически до нуля. Но для этого нужно значительно увеличить базовый ток (см. рис. 1.3), что не совсем выгодно. Поэтому такой режим работы транзистора используют только в импульсных, цифровых схемах.

Транзистор, работающий в усилителе аналогового сигнала, должен обеспечивать примерно одинаковое усиление для сигналов с разной амплитудой относительно некоторого «среднего» напряжения. Для этого его нужно немножко «приоткрыть», постаравшись не «переборщить». Как видно из рис. 1.3, ток коллектора и падение напряжения на транзисторе при плавном увеличении тока базы вначале изменяются почти линейно, и лишь потом, с наступлением насыщения транзистора «прижимаются» к осям графика. Нас интересуют только прямые части линий (до насыщения) — очевидно, что они символизируют линейное усиление сигнала, т. е. при изменении управляющего тока в несколько раз во столько же раз изменится и ток коллектора (напряжение в нагрузке).

Форма аналогового сигнала показана на рис. 1.4. Как видно из этого графика, амплитуда сигнала постоянно пульсирует относительно некоего среднего напряжения Ucp, причем она может как увеличиваться, так и уменьшаться. Но ведь биполярный транзистор реагирует только на увеличение входного напряжения (вернее, тока)!

Вывод: нужно сделать так, чтобы транзистор даже при минимальной амплитуде входного сигнала был немножко приоткрыт. При «средней» амплитуде Ucp он откроется чуть сильней, а при максимальной UM3KC — откроется максимально. Но при этом он не должен входить в режим насыщения (см. рис. 1.3) — в этом режиме выходной ток перестает линейно зависеть от входного, следствие чего — сильное искажение сигнала.

Обратимся снова к рис. 1.3. Так как и максимальная UMtKC, и минимальная UH1)H амплитуды входного сигнала относительно «средней» Ucp примерно одинаковы по величине (и противоположны по знаку), то нам нужно подать на базу транзистора такой постоянный ток (ток смещения — 1СМ), чтобы при «среднем» напряжении на входе транзистор был открыт ровно наполовину. Тогда при уменьшении входного тока (вплоть до амплитуды UHHH) транзистор будет закрываться и ток коллектора станет уменьшаться, а при увеличении входного тока он открывается еще сильней.

Схемы однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОЭ, показаны на рис. 1.5. На рис. 1.5, а нарисована наиболее распространенная схема усилителя. Резистор R2 — нагрузка для транзистора, резистор R1 задает начальное смещение транзистора (чтобы при отсутствии сигнала транзистор был приоткрыт, т. е. на его нагрузке (R2) действовало напряжение, примерно равное половине напряжения питания), его сопротивление зависит от сопротивления нагрузки и коэффициента Ь21э транзистора. Конденсатор С1 — разделительный, он нужен для того, чтобы постоянная составляющая входного сигнала не перегружала транзистор.

Рис. 1.5. Усилители. Во всех схемах подбором сопротивления резистора R1 добиваются напряжения па выходе, примерно равном 0,5           В схеме (г) при этом от Unum нужно отнять падение напряжения на резисторе R3

Напряжение на базе транзистора относительно эмиттера может колебаться (под воздействием входного сигнала) только в пределах 0,7…1,0 В. При меньшем напряжении транзистор полностью закрыт (т. е. находится в режиме отсечки), а при большем — полностью открыт (режим насыщения). Но выходное напряжение источника сигнала, которым управляется этот транзистор, обычно равно половине напряжения питания, или при питании 9 В равно 4,5 В. Столь высокое напряжение мгновенно переведет транзистор в режим насыщения. Можно, конечно, в схеме на рис. 1.5, а вместо конденсатора поставить резистор, a R1 убрать, но тогда резко уменьшится усиление каскада — ведь этот резистор будет «заодно» ослаблять и полезный сигнал. Конденсатор же попросту зарядится до разности UBX – Ufe, тем самым «уменьшив» величину постоянной составляющей до напряжения на базе транзистора. Как известно (см. том I книги), сопротивление конденсатора зависит от частоты, и для нулевой частоты (т. е. постоянной составляющей) оно бесконечно. Поэтому на разность напряжений UBX – Ufe транзистор не реагирует. В то же время для сигнала звуковой (или любой другой) частоты емкостное сопротивление конденсатора ничтожно мало’ (относительно), поэтому на звуковой сигнал транзистор реагирует так же, как если бы этого Конденсатора не было, а постоянная составляющая источника сигнала равнялась базовому напряжению транзистора.

Конденсатор С1 в этой схеме совместно с резистором R1 и сопротивлением база-эмиттер транзистора образует так называемую дифференцирующую RC-цепочку (подробнее о ее работе см. том I). Эта цепочка замечательна тем, что является ничем иным, как фильтром верхних частот (ФВЧ). Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) ФВЧ показана на рис. 1.6. Как видно из графика, при нулевой частоте ток на выходе ФВЧ равен нулю, т. е. сигнал через фильтр не проходит. При увеличении частоты сигнала выходной ток увеличивается, и на некоторой частоте «сопротивлением» фильтра можно пренебречь. Эта частота называется частотой среза фильтра (fcp), и на ней коэффициент передачи (отношение выходного напряжения к входному) равен 1/л/2, т. е. примерно 0,7. Частота среза RC фильтра примерно равна где 2π — число, примерно равное 6,28; R — сопротивление резистора (МОм); С — емкость конденсатора (мкФ); fcp — частота среза (Гц).

Рис. 1.6. Амплитудно-частотная характеристика фильтра нижних частот

В усилителях, аналогичных показанному на рис. 1.5, а, сопротивление базового перехода определить довольно сложно, поэтому чаще всего емкость конденсатора С1 подбирают экспериментально: вначале в схему ставят конденсатор заведомо слишком малой емкости (например, вместо «нужного» на 1 мкФ впаивают емкостью 0,1 мкФ), ко входу усилителя подключают источник сигнала, а к выходу — нагрузку. Если вы до сих пор не включили напряжение питания усилителя — обязательно включите его! Это, кстати, наиболее распространенная ошибка у начинающих радиолюбителей — они пытаются настроить устройство, забыв подать на него напряжение питания. Тот же эффект будет, если вы попытаетесь завести машину с пустым бензобаком.

Более опытные радиолюбители, если у них что-то не работает, первым делом проверяют наличие и величину напряжения питания.

Итак, вы включили усилитель. Так как емкость конденсатора С1 слишком мала, то он будет «обрезать» все низкие частоты, и на выходе усилителя будет «свистящий» звук. Если вы теперь параллельно конденсатору С1 подсоедините еще один, большей емкости, то звук станет гораздо лучше — частота среза «фильтра» переместилась в сторону более низких частот или, как обычно говорят, «в усилителе прибавилось басов» (bass (англ.) — низкие частоты). Емкость конденсатора С1 таким образом подбирают до тех пор, пока не добьются от усилителя «нормального» звука. Но желательно, чтобы его емкость была минимально возможной.

Схема на рис. 1.5, б практически ничем не отличается от уже рассмотренной. Но так как резистор R1 подключен к коллектору транзистора, а не к источнику питания, то эта схема менее чувствительна к пульсациям (колебаниям) питающего напряжения. Резистор R1 обеспечивает отрицательную обратную связь (ООС) — коэффициент усиления каскада от этого уменьшается, но и искажения также уменьшаются.

В схеме на рис. 1.5, в добавлен еще один резистор — R3. Из-за него входное сопротивление и коэффициент усиления усилителя (отношение выходного напряжения или тока ко входному) уменьшились, но благодаря ему стабильность работы усилителя заметно возросла. То есть, проще говоря, усилитель, собранный по этой схеме, работает лучше усилителей на рис. 1.5, а и б, но обладает худшим усилением.

Подобные явления в электронике встречаются сплошь и рядом. Очень часто при «придумывании» схемы практически любого устройства разработчики («придумывалыцики») предъявляют к нему порой взаимоисключающие требования — в нашем случае высокий коэффициент усиления и высокое качество этого самого усиления. К сожалению, идеальных приборов в электронике не существует, поэтому в таких случаях всегда приходится идти на некоторый компромисс (в нашем случае — или несколько уменьшить усиление, чтобы улучшить качество усиленного сигнала, или «закрыть глаза» на некоторое ухудшение качества сигнала, дабы добиться большего коэффициента усиления).

Задача каждого разработчика — найти этот самый компромисс. Это не так сложно, как кажется, — очень часто процесс настройки устройства превращается в увлекательную игру. Важно только знать, что именно настраивать. Поэтому в книге так много места уделено всяким «мелочам», которые, как кажется любому опытному радиолюбителю, известны даже детям.

При настройке транзисторного усилителя не нужно пытаться получить от одного транзистора «огромный» коэффициент усиления. Если вам нужен коэффициент усиления, равный 100, то лучше использовать два последовательно включенных каскада (каскад — один из «вагонов» в усилителе — «поезде»: любой усилитель можно разбить на несколько частей (каскадов), каждая из которых выполняет ту или иную функцию. Количество деталей, в том числе и транзисторов, в одном каскаде не ограничено; простейшие усилительные каскады изображены на рис. 1.5) с коэффициентом усиления каждого, равным 10, при последовательном соединении усилителей их коэффициенты усиления перемножаются, — чем пытаться «раскачать» единственный транзистор, пусть даже у него Ь2|э будет больше 1000. Просто при плавном уменьшении коэффициента усиления коэффициент нелинейных искажений (КНИ, измеряется в процентах; чем он меньше, тем лучше; у «хороших» усилителей он меньше 1%) резко уменьшается.

На рис. 1.5, г изображена еще одна, довольно интересная схема усилителя на транзисторе VT1, включенном по схеме с общим эмиттером. Особенность этой схемы — она нечувствительна к перегрузкам по входу: если подать на базу транзистора слишком высокое напряжение, то оно через «диод» перехода база-эмиттер зарядит конденсатор С2 и ограничится на уровне, определяемом резистором R3. В рассмотренных ранее схемах ток через эмиттерный переход ничем не ограничивается и транзистор при перегрузках неизбежно выходит из строя («сгорает»).

Сопротивление резистора R3 подбирается таким образом, чтобы падение напряжения на нем составляло 1/10… 1/5 напряжения питания, т. е. его сопротивление равняется 0,25…0,5 от сопротивления резистора R2. Конденсатор С2 нужен для того, чтобы несколько увеличить коэффициент усиления усилителя на верхних частотах, и его емкость должна быть более чем в kycI раза больше емкости конденсатора С1, т. е. примерно в 5…20 раз. Если вы припаяете конденсатор С2 слишком большой емкости — ничего страшного не произойдет; эта схема попросту «превратится» в схему, изображенную в пункте «б». Нечувствительность к перегрузкам при этом исчезнет. Если же С2 не устанавливать совсем, то коэффициент усиления по току на высоких частотах несколько уменьшится; в целом работа усилителя ухудшится.

Усилитель на полевом транзисторе, включенном по схеме с общим истоком (ОИ), также как и биполярный с ОЭ, обеспечивает усиление и по напряжению, и по току. Но у полевого транзистора есть две особенности, отличающие его от биполярного; 1) он не потребляет ток от источника сигнала и 2) его коэффициент усиления зависит только от сопротивления нагрузки.

Рис. 1.7. Упрощенная эквивалентная схема полевого транзистора

Как я уже говорил в I томе, канал полевого транзистора, соединяющий выводы стока и истока, представляет собой резистор, и его сопротивление при некотором постоянном напряжении на затворе (относительно истока) неизменно. То есть полевой транзистор можно изобразить в виде схемы, изображенной на рис. 1.7. Входное напряжение (не ток!) «передвигает» движок «переменного резистора» RVT (которым является канал транзистора), сопротивление этого «резистора» изменяется, и, так как сопротивление нагрузки неизменно, то напряжение на нагрузке изменяется. Соответственно, изменяется напряжение и на выходе усилителя.

Рис. 1.8. Вольт-амперная характеристика транзистора КП307Б (п-канальный полевой с управляющим р-п переходом)

Для полевого транзистора увеличение управляющего напряжения вызывает уменьшение сопротивления канала, и напряжение на выходе уменьшается. При уменьшении напряжения на затворе сопротивление канала увеличивается и напряжение на выходе, благодаря сопротивлению нагрузки RH, увеличивается. То есть кроме усиления транзистор, включенный по схеме с общим истоком, заодно и инвертирует входной сигнал. От этого ничего не меняется, но знать это нужно.

Входной сигнал инвертирует и биполярный транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером.

Вольт-амперная характеристика одного из наиболее часто используемых радиолюбителями полевого транзистора изображена на рис. 1.8. Для других типов полевых транзисторов кривая имеет ту же форму, но числа на осях графика будут иными.

Как видно из графика, при нулевом напряжении на затворе ток стока транзистора имеет некоторое значение и для транзистора типа КП307 он равен 10… 15 мА. Этот ток называется начальным током стока 1снач. При уменьшении напряжения на затворе ток стока уменьшается, а при увеличении — увеличивается (для р-канального полевого транзистора — наоборот). Напряжение на затворе п-канального транзистора с изоляцией р-п-переходом может колебаться в пределах -20…+0,7 В: при напряжении на затворе более 0,7 В относительно канала открывается диод, изолирующий затвор от канала и через затвор в канал начинает течь ток, а при напряжении менее -20 В может произойти пробой р-п-перехода.

Зависимость изменения тока нагрузки от изменения напряжения на затворе полевого транзистора называется «крутизна характеристики» и обозначается буквой S (у мощных транзисторов измеряется в амперах на вольт — А/В, у маломощных — в миллиамперах на вольт — мА/В). Крутизна характеристики современных полевых транзисторов с управляющим р-п-переходом колеблется в пределах 1…100 мА/В, а у транзисторов с изолированным затвором — в пределах 0,1…60 A/В. Крутизна характеристики, так же как и статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора, для каждого конкретного транзистора величина неизменная, но у разных транзисторов она разная. Коэффициента h2l3 у полевых транзисторов нет, также как у биполярных нет крутизны S. Связано это с разным принципом действия биполярных и полевых транзисторов. Вернее, эти коэффициенты у них есть, но они близки к бесконечности: у полевого транзистора входной ток примерно равен нулю, а при делении любого числа на нуль получается бесконечность; у биполярного транзистора, если не учитывать ток базы, при изменении напряжения на базе от 0,7 до 1,0 В ток коллектора изменяется от нуля до максимального значения, т. е. опять получается слишком большая величина. Поэтому усилительные свойства биполярных и полевых транзисторов измеряются по-разному и сравнивать h2l3 с S нельзя. Все остальные параметры (максимально допустимые напряжение, ток, мощность, емкость переходов и обратное сопротивление) для всех типов полупроводников измеряются одинаково.

Но вернемся к полевым транзисторам. Как видно из графика на рис. 1.8, зависимость тока стока от управляющего напряжения не совсем линейна. Аналогично линия графика «изгибается» параллельно оси управляющего тока и у биполярного транзистора, когда он входит в режим насыщения. Но так как у полевого транзистора ток стока достигает в таком режиме не максимальных, а минимальных значений, то этот режим у него называется режимом отсечки. Минимальное напряжение на затворе, при котором ток стока уже можно не учитывать, называется напряжением отсечки (U31I0TC). Сопротивление полностью закрытого канала большинства современных полевых транзисторов находится в пределах 100 МОм…ЗО ГОм, т. е. может быть даже больше, чем обратное сопротивление диодов. Это свойство полевых транзисторов сделало их незаменимыми в микромощных цифровых КМОП-микросхемах, а также в устройствах выборки-хранения и переключения аналоговых сигналов.

Для линейного усиления входных сигналов полевым транзистором нам нужно перевести его в такой режим, чтобы при изменении входного напряжения в сторону увеличения или уменьшения его крутизна характеристики практически не изменялась. А для большего коэффициента усиления крутизна характеристики должна быть максимальной. Как видно из рис. 1.8, это требование соблюдается только тогда, когда постоянная составляющая на затворе равна нулю или чуть меньше (-0,1…-0,3 В) его: в таком режиме кривая графика представляет собой почти прямую линию, а крутизна характеристики максимальна и равна (16 мА – 12 мА) : 0,7 В = 5,7 мА/В.

Основные схемы включения полевых транзисторов (каскад с ОИ) показаны на рис. 1.9. На рис. 1.9, а изображена «стандартная» схема. Входное сопротивление каскада численно равно сопротивлению резистора R1, и его можно выбирать в пределах десятки килоом (меньше невыгодно) … десятки мегаом. Так как входное сопротивление схемы значительно, то и емкость конденсатора С1 должна быть небольшой, а чем меньше емкость конденсатора, тем меньше его стоимость и габариты.

Рис. 1.9. Включение полевого транзистора по схеме с общим истоком

Резистор R2 — сопротивление нагрузки. Его рассчитывают по формуле:

В нашем случае напряжение питания равно 9 В, а начальный ток стока транзистора — 12 мА (рис. 1.8), поэтому сопротивление резистора R2 равно 0,5 · 9 : 0,012 = 375 (Ом). Только при таком сопротивлении напряжение на стоке транзистора VT1 будет равно половине напряжения питания; при большем сопротивлении оно будет меньше, а при меньшем — больше его. Так как резисторов сопротивлением 375 Ом в ряду Е24 (см. в конце книги) нет, то, учитывая возможное снижение напряжения питания (батарейки «сели»), выбираем ближайшее меньшее сопротивление — т. е. 360 Ом.

Выходное сопротивление каскада, при напряжении на стоке транзистора, равном 0,5 и„ит, численно равно сопротивлению резистора R2. Если напряжение на стоке больше или меньше 0,5 UnitT, то выходное сопротивление будет больше сопротивления R2; если напряжение на стоке меньше 0,5 UnHT, значит, сопротивление резистора R2 слишком большое для данного транзистора и его нужно уменьшить — тогда и выходное сопротивление уменьшится, а работа усилителя — улучшится; если же напряжение на стоке VT1 больше 0,5 UnT, значит, сопротивление резистора слишком мало (когда сопротивление R2 равно нулю — напряжение на стоке равно U„MT, а когда — бесконечности (т. е. его попросту нет), напряжение на стоке транзистора близко к нулю) и его желательно увеличить — выходное сопротивление от этого не изменится (но лишь до тех пор, пока напряжение на стоке не станет меньше 0,5 UnHT), а коэффициент усиления увеличится (он максимален, когда напряжение на стоке равно половине напряжения питания).

Одно из отличий усилителя на полевом транзисторе (рис. 1.9) от аналогичного усилителя на биполярном (рис. 1.5) — постоянная составляющая напряжения на входе (затворе) равна нулю. Благодаря этой особенности стал не нужен разделительный конденсатор С1, если ко входу усилителя в качестве источника сигнала подключен генератор напряжения с постоянной составляющей, равной нулю (например, электродинамический микрофон или головка воспроизведения кассетного магнитофона). Схема такого усилителя изображена на рис. 1.9, б. Датчик В1 — головка воспроизведения, конденсатор С1 совместно с индуктивностью катушки головки образует колебательный контур, благодаря которому качество звука несколько улучшается; его емкость — около 2000 пФ.

Так как в усилителе на входе нет разделительного конденсатора, то его АЧХ представляет собой практически прямую линию и коэффициент усиления усилителя даже на частотах в единицы герц значителен (сравните с АЧХ «обычного» усилителя, с разделительным конденсатором, изображенной на рис. 1.6). Благодаря этому свойству, усилитель очень хорошо усиливает столь ценимые нынешними аудиофилами «басы» (низкие частоты). Кроме того, из-за отсутствия разделительного конденсатора во входном каскаде улучшится работа всего усилителя в целом: идеальных конденсаторов не существует, а неидеальные, установленные в чувствительных входных каскадах, довольно сильно «портят» сигнал. Поэтому в большинстве качественных усилителей, даже собранных на основе биполярных транзисторов, во входных каскадах установлены полевые транзисторы. Дополнительный «плюс» полевого транзистора — отсутствие р-п-переходов между выводами стока и истока (а в транзисторах с изолированным затвором р-п-переходов вообще нет — если не учитывать изоляцию канала от подложки); впрочем, в некоторых очень дорогих сверхмалошумящих транзисторах канал изолирован диэлектриком, т. е. рекомбинационных шумов, возникающих из-за хаотического проникновения («залета») основных носителей тока в соседнюю область, в которой они являются неосновными и в которой рекомбинируют (взаимоуничтожаются) с основными носителями для той области, нет. Например, в транзисторе структуры п-р-п для базы основными носителями тока являются дырки, а неосновными — электроны; в коллекторе основные носители тока — электроны, а неосновные — дырки. Если «коллекторный» электрон случайно залетит в базу, то там он практически мгновенно рекомбинирует с дыркой. В результате в коллекторе станет меньше на 1 электрон, а в базе — на 1 дырку. Так как на базу транзистора подано некоторое неизменное напряжение смещения, то для восстановления равновесия коллектор забирает один электрон у источника питания. А так как в коллектор ток течет через нагрузку, то при этом ток через нагрузку (напряжение на ней) резко и кратковременно (на время прохождения одного электрона) увеличится, после чего снова уменьшится до прежнего значения.

Так как площадь р-п-переходов транзистора, по сравнению с размерами одного электрона, огромна, то за единицу времени даже у самого лучшего транзистора с р-п-переходами происходит огромное множество рекомбинаций. Из-за этого ток в нагрузке такого транзистора, при неизменном входном сигнале, не постоянен, а пульсирующий. Эти пульсации называются шумом; коэффициент шума нелинейно зависит от частоты и при увеличении частоты резко уменьшается. Поэтому даже высокочастотные транзисторы шумят преимущественно в низкочастотной области, и получить высокочастотные (более 1 МГц) колебания из шума, отфильтровав с помощью ФНЧ более низкие частоты, практически невозможно. Но если приходится усиливать слишком слабый сигнал, то шум нужно учитывать на любых частотах.

У транзисторов коэффициент шума измеряется в децибелах, и у хороших биполярных транзисторов он находится в пределах 3…10 дБ, а у полевых — 2…6 дБ. У усилителей шумы измеряются в других, более сложных для понимания единицах, поэтому останавливаться на них я не буду.

Как видно из графика на рис. 1.8, середина линейного участка ВАХ транзистора соответствует напряжению, примерно равному -0,1…-0,5 В. Поэтому, для того чтобы усилитель более равномерно усиливал входной сигнал, на его затвор относительно истока нужно подать именно такое напряжение. Сделать это можно двумя способами: или понизить с помощью внешнего источника питания напряжение (постоянную составляющую) на затворе, или оставить напряжение на затворе равным нулю, а напряжение на истоке немножко повысить. Последний вариант более удобен, поэтому им пользуются чаще.

Схема такого усилителя изображена на рис. 1.9, в. Так как при нулевом напряжении на затворе через канал транзистора и последовательно соединенный с ним резистор R2 течет некоторый ток (в нашем случае — около 12 мА), то на резисторе R3 создается некоторое падение напряжения, которое сглаживается фильтрующим конденсатором С2. Сопротивление резистора R3 подбирается таким образом, чтобы падение напряжения на нем составляло 0,1…0,5 В (или больше — в зависимости от типа транзистора). Так как напряжение на истоке чуть больше нуля, то напряжение на затворе, соединенном с общим проводом, чуть меньше, чем на истоке. То есть это равносильно тому, как если бы мы на рис. 1.8 ось тока стока «сдвинули» влево.

Коэффициент усиления по напряжению полевого транзистора, включенного по схеме с ОИ, очень сильно зависит от сопротивления нагрузки. При нулевом сопротивлении нагрузки (короткое замыкание, или, сокращенно, КЗ — этот режим, кстати, безопасен для маломощных полевых транзисторов и опасен для биполярных и всех остальных полупроводников) коэффициент усиления по напряжению равен нулю. При сопротивлении нагрузки, равном сопротивлению канала (при некоторой неизменной постоянной составляющей на затворе) kycU = S. При бесконечно большом сопротивлении нагрузки kycU равен бесконечности. Коэффициент усиления по току у полевого транзистора близок к бесконечности, но выходной ток при увеличении сопротивления нагрузки уменьшается. Поэтому «золотая середина» — это когда RH и RCH.

Биполярный транзистор, включенный по схеме с общим коллектором (ОК) , и полевой, включенный по схеме с общим стоком (ОС) — рис. 1.1, б, усиливают сигнал только по току; коэффициент усиления по напряжению у таких каскадов чуть меньше единицы. Поэтому в литературе эти схемы часто называют соответственно эмиттерным и истоковым повторителями. Входной сигнал они, в отличие от рассмотренных выше схем, не инвертируют.

Рис. 1.10. Измерение статического коэффициента передачи тока базы биполярного транзистора

Коэффициент усиления по току эмиттерного повторителя примерно равен Ь21э, а напряжение на эмиттере транзистора структуры n-ρ-π всегда на 0,6…1,0 В меньше напряжения на базе (напряжения измеряются относительно общего провода). Этот 1 В падает на открытом р-п-переходе транзистора. Если напряжение на базе транзистора ни при каких условиях не превысит напряжение на коллекторе, то токоограничивающий резистор между источником сигнала и базой эмиттерного повторителя не нужен — транзистор сам «решит», какой ток отобрать ему от источника сигнала. Этот ток всегда в h21s раза меньше тока нагрузки; если источник сигнала не может отдать транзистору столь большой (сравнительно) ток, то напряжение на нагрузке эмиттерного повторителя будет уменьшаться. Это явление радиолюбители называют «нагрузка «садит» источник сигнала».

Статический коэффициент передачи тока Ь21э биполярного транзистора удобнее всего измерять, включив транзистор по схеме с ОК. При этом вначале измеряют ток нагрузки 1н, замкнув амперметром выводы коллектора и эмиттера транзистора (рис. 1.10, а), при этом базу транзистора ни к чему подключать не нужно, а потом измеряют ток базы 16, замкнув амперметром выводы базы и коллектора. При обоих измерениях сопротивление нагрузки и напряжение питания должно оставаться неизменным. Разделив ток нагрузки на ток базы, мы получим статический коэффициент передачи тока, т. е.

Ток базы и ток нагрузки должны измеряться в одних единицах, т. е. или оба — в миллиамперах, или оба — в амперах.

Коэффициент h2l3 при увеличении тока нагрузки незначительно уменьшается, а при увеличении напряжения питания — увеличивается. Эмиттерные повторители используются в основном только в выходных каскадах устройств — для уменьшения выходного сопротивления. Очень широко распространены комплементарные (т. е. выполненные на транзисторах с одинаковыми (идеи-

Рис. 1.11. Составной эмиттерный повторитель (комплементарная пара)

тичными) параметрами, но разной структурой — для биполярных транзисторов, или разным типом канала — для полевых) эмиттерные повторители (рис. 1.11) — в таком случае, если нагрузка к выходу усилителя подключается через разделительный конденсатор, резистор RH, потребляющий значительный ток, не нужен.

Единственный недостаток комплементарных эмиттерных повторителей — сравнительно большое падение напряжения на переходах коллектор — эмиттер, достигающее в сумме для обоих транзисторов величины 1,2…2,0 В.

Зависимость напряжения на выходе эмиттерных повторителей от напряжения на входе показана на рис. 1.12. Если нагрузка включена между выходом и общим проводом, то напряжение на нагрузке увеличивает транзистор структуры п-р-п и напряжение на выходе повторителя символизирует нижняя линия на графике. Если нагрузка включена между выходом и «плюсовой» шиной, напряжение на выходе (относительно общего провода) соответствует верхней линии. И, наконец, если нагрузка подключена через разделительный конденсатор между выходом и одной из шин питания, напряжение на ней соответствует средней, пунктирной линии.

Рис. 1.12. Вольт-амперная характеристика комплементарной пары на биполяных транзисторах

Рассмотрим работу повторителя в последнем случае, т. е. когда нагрузка подключена через разделительный конденсатор (для большей простоты примем, что емкость этого конденсатора близка к бесконечности). Если на вход повторителя подать некоторое напряжение, большее нуля, но меньшее «+U», на выходе повторителя установится напряжение U0. Через некоторое время разделительный конденсатор зарядится и ток, текущий через нагрузку, станет равным нулю. Соответственно, уменьшится до нуля и ток, протекающий через транзисторы VT1 и VT2; напряжение на их эмиттерах станет равным входному напряжению, т. е. напряжению на их базах. Если мы теперь начнем плавно увеличивать входное напряжение, то, пока оно не увеличится на 0,5…0,7 В, напряжение на выходе изменяться не будет — транзистор VT1 начнет открываться только после того, как напряжение на его базе относительно эмиттера не станет больше 0,5…0,7 В. На рис. 1.12 это напряжение обозначено как Umax. Если теперь входное напряжение начнет уменьшаться, то после того, как оно станет равным, относительно выходного напряжения, +0,5…+0,7 В, транзистор VT1 полностью закроется: транзистор VT2 в это время тоже закрыт и начнет открываться только после того, как напряжение на входе станет равным -0,5…-0,7 В относительно выходного. То есть у такого «усилителя» есть зона нечувствительности шириной 1,0…1,5 В и из «красивого» синусоидального сигнала, изображенного на рис. 1.13, а, он «делает» сигнал, изображенный на рис. 1.13,6. Как видно, форма сигнала практически полностью искажена (испорчена), и для приемника сигнала (телевизора, человеческого уха) он не несет практически никакой информации.

Рис. 1.13. а — входной синусоидальный сигнал, б — искаженный выходной (искажение типа «ступенька»)

Этот тип искажений радиолюбителями называется «ступенька». Все искажения, по определению, вредные, поэтому с ними борются всеми силами. Со «ступенькой» можно «расправиться» тремя путями: немножко приоткрыть транзисторы VT1 и VT2 — чтобы через их переходы коллектор-эмиттер при отсутствии входного сигнала протекал некоторый, очень небольшой, ток — тогда даже при незначительном изменении входного тока напряжение на выходе будет довольно резко изменяться; можно между базами и эмиттерами транзисторов включить резистор небольшого сопротивления (равного или чуть больше сопротивления нагрузки) — тогда, пока входной сигнал находится в пределах зоны нечувствительности, ток в нагрузке будет изменяться благодаря этому резистору; и, наконец, можно с помощью специальной схемы попросту контролировать напряжение на выходе эмиттерного повторителя и подавать на его вход такие сигналы, чтобы форма выходного напряжения полностью повторяла форму входного.

Наибольшее распространение в электронике получил третий способ — с функцией контроля выходного напряжения, а также предварительного усиления «слабого» входного сигнала прекрасно справляется операционный усилитель (он будет рассмотрен чуть ниже). Вторым способом пользуются гораздо реже — только в тех случаях, когда источник сигнала достаточно мощный, чтобы кратковременно работать непосредственно с нагрузкой; к тому же у этой схемы коэффициент усиления по току уменьшен до 2…10 раз — с помощью дополнительного резистора; первый же способ используется очень редко, — у такой схемы даже при отсутствии сигнала через транзисторы течет некоторый ток, уменьшающий экономичность усилителя и вызывающий повышенный нагрев транзисторов — за счет бесполезно рассеиваемой на них драгоценной энергии источника питания. Но некоторые видоизмененные варианты этой схемы, потребляющие при отсутствии сигнала значительно меньший ток, используются довольно широко, — они встречаются в мощных выходных каскадах практически всех известных низкочастотных усилителей мощности.

Сфера применения усилителей тока на полевых транзисторах противоположна таковой для биполярных. Полевые транзисторы часто незаменимы во входных каскадах, через которые протекает ничтожный ток, но в мощных выходных каскадах их использовать, со схемотехнической точки зрения, очень сложно (то есть очень сложно «нарисовать» «правильную», работоспособную схему).

Основное отличие усилителя с общим стоком (истоковый повторитель) от усилителя с общим истоком — единичный коэффициент усиления по напряжению. Но это справедливо только при довольно большом сопротивлении нагрузки (более 10…100 кОм) — при меньшем сопротивлении kycU уменьшается (сказывается крутизна характеристики).

Рис. 1.14. Истоковый повторитель

Когда затвор транзистора, изображенного на рис. 1.14, соединен с общим проводом, на резисторе RH создается некоторое падение напряжения. Измерив это напряжение, можно узнать напряжение отсечки (см. рис. 1.6) используемого транзистора при сопротивлении нагрузки, равном RH. Для транзистора КП307Б падение напряжения на резисторе сопротивлением 10 кОм равно 3,3 В, поэтому если его включить по схеме с общим истоком, то транзистор полностью закроется при напряжении на затворе, которое на 3,3 В меньше напряжения на истоке. Для других типов полевых транзисторов (транзисторов с изолированным затвором и индуцируемым каналом — см. том 1) напряжение отсечки может «лежать» между напряжением на стоке и напряжением на истоке — в таком случае U0TC удобнее измерять, включив транзистор по схеме с общим истоком (рис. 1.9); такие транзисторы непригодны для работы в истоковом повторителе.

Истоковые повторители применяются в основном только в генераторах тока. Как известно, ток, протекающий через обычный резистор, зависит от напряжения на его выводах (разности потенциалов) и равен(закон Ома).

Но очень часто возникает надобность в такой схеме, протекающий через которую ток практически не зависит от напряжения. Такая схема и называется генератором тока.

Рис. 1.15. Генераторы тока на основе полевых транзисторов: а — типовая схема; б — с усилителем тока на биполярном транзисторе; в — схематическое обозначение генераторов тока

Генераторы тока строятся как на биполярных, так и на полевых транзисторах. Наибольшее распространение получили генераторы тока на основе полевых (с управляющим р-п-переходом или с изолированным затвором и встроенным каналом) транзисторов — они крайне просты как схематически (рис. 1.15), так и в применении.

Принцип действия генераторов тока был подробно рассмотрен в 1-м томе, поэтому повторяться здесь не будет. Ток стабилизации генератора тока можно определить по формуле:

где 1ст — номинальный ток, протекающий через схему (мА);

U0TCнапряжение отсечки транзистора, взятое по модулю (отбрасывается знак «-»), В;

R — сопротивление резистора, кОм.

Эта формула справедлива только при довольно большом сопротивлении резистора R — пока произведение S · 1/R меньше единицы (S — крутизна, мА/В; R — сопротивление, кОм). При меньшем сопротивлении R линейность изменения тока стабилизации нарушается, а сама величина тока стремится к некоторому небесконечному значению, и при R = О 1ст = 1нач (см. рис. 1.6).

Для получения большего тока стабилизации нужно взять более мощный полевой транзистор, с большей крутизной характеристики. Если же у вас есть только маломощные, единственный выход — подключить между полевым транзистором усилитель тока. Для этой функции идеально подходит эмиттерный повторитель на биполярном транзисторе (рис. 1.15, б) — так как его коэффициент усиления по току равен Ь21э, то можно считать, что крутизна характеристики транзистора VT1 «увеличилась» в h2l3 раза. А так как эмиттерный повторитель не усиливает сигнал по напряжению, то при довольно большом сопротивлении резистора R ток стабилизации схемы на рис. 1.15, б будет примерно таким же, как и у схемы на рис. 1.15, а. Но только примерно — на самом деле он будет чуть меньше: на переходе коллектор-эмиттер транзистора VT2 падает напряжение 0,5…0,7 В — т. е. при расчетах это напряжение нужно отнять от значения U0TC.

Схема, состоящая из полевого транзистора на входе и биполярного на выходе, причем оба транзистора соединены друг с другом непосредственно — без разделительных конденсаторов, радиолюбителями называется «каскод» (не путать с «каскад»!). Преимущество каскодного включения — огромное входное сопротивление (зависит только от сопротивления изоляции затвора полевого транзистора) и довольно небольшое выходное сопротивление. Каскод суммирует все лучшие качества биполярных и полевых транзисторов — в итоге получается почти идеальный усилитель.

Полевые транзисторы в каскоде чаще всего включаются по схеме с общим истоком, а биполярные — или по схеме с общим эмиттером (рис. 1.16, а), или по схеме с общим коллектором (рис. 1.16, б). В обоих случаях благодаря тому, что канал полевого транзистора представляет собой управляемый резистор, коэффициент усиления по напряжению одинаков и равен kycU = S ■ Ь2|э ■ RH (S в мА/В, RH — в кОм). Схема на рис. 1.16, в (аналогична схеме на рис. 1.15,6) стоит несколько особняком — у нее коэффициент усиления по напряжению чуть меньше единицы. То есть она представляет собой обычный истоковый повторитель на «мощном» полевом транзисторе, или эмиттерный повторитель на биполярном транзисторе с бесконечным Ь21э.

В качестве усилителя сигнала истоковые повторители используются очень редко: каскад с общим истоком имеет те же характеристики, что и каскад с общим стоком, но он, кроме того, способен усилить входной сигнал и по напряжению.

Рис. 1.17. Усилитель с общей базой

Рис. 1.16. Каскодпое включение транзисторов

Усилители с общей базой (ОБ) и общим затвором (03) (рис. 1.17) используются только в высокочастотных устройствах. Коэффициент усиления по току у обоих типов транзисторов чуть меньше единицы, а коэффициент усиления по напряжению зависит от Ь21э или S транзистора. И биполярный, и полевой транзисторы, включенные по такой схеме, работают практически одинаково, поэтому далее будет рассмотрен только усилитель с ОБ.

Для нормальной работы усилителя на биполярном транзисторе, на его базу нужно подать некоторое напряжение смещения, приоткрывающее транзистор. Эта функция возложена на резистор R2. Конденсатор С2 сглаживает пульсации управляющего напряжения (они возникают из-за того, что часть (1/Ь2|э) входного тока из эмиттера попадает в базу); его емкость при работе на высоких частотах (более 10 МГц) не должна превышать 1…47 нФ.

Сопротивление резистора R2 подбирается таким образом, чтобы при отсутствии сигнала на входе усилителя на эмиттерном и коллекторном выводах транзистора, относительно общего провода, было напряжение (постоянная составляющая) в пределах 1…2,5 В (при напряжении питания от 9 до 12 В). Чем ниже напряжение питания, тем меньшим должно быть это напряжение — но не менее 1,0 В.

Работает каскад с общей базой следующим образом. При увеличении напряжения на эмиттере транзистора (положительная полуволна входного сигнала) разность напряжений между базой и эмиттером транзистора уменьшается и он закрывается. Напряжение на коллекторе транзистора, благодаря резистору R3, увеличивается, и при полностью закрытом транзисторе (а для этого нужно увеличить напряжение на эмиттере всего на 0,3…0,5 В) оно достигает значения напряжения источника питания. При отрицательной полуволне входного сигнала разность напряжения между базой и эмиттером увеличивается и транзистор открывается — вплоть до насыщения. Напряжение на его коллекторе при этом равно напряжению на эмиттере — т. е. около 1 В.

Таким образом, максимальное значение выходного тока зависит только от входного тока, — база может его только уменьшить, но никак не увеличить. А вот коэффициент усиления по напряжению зависит практически только от h2l3 используемого транзистора и примерно равен ему.

Единственное преимущество схемы с общей базой (общим затвором), благодаря которому эта схема до сих пор не «умерла», — ее большая высокочастотность. Максимальная рабочая частота транзистора, включенного по схеме с ОБ, в несколько раз выше максимальной рабочей частоты того же транзистора, включенного по схеме с ОК или ОЭ. Поэтому транзисторы, включенные по схеме с ОБ, встречаются преимущественно только в высокочастотных устройствах. Еще одно отличие каскада с ОБ — он усиливает сигнал по напряжению, не инвертируя его фазу, как это делает усилитель с ОЭ.

Усилитель с общим затвором работает аналогично усилителю с общей базой. Так как у полевых транзисторов с управляющим р-п-переходом (а в усилителях с 03 используются только они) напряжение отсечки отрицательное, то затвор транзистора можно непосредственно соединить с общим проводом, что чаще всего и делают. Так как коэффициент усиления по напряжению полевого транзистора практически линейно зависит от сопротивления нагрузки (чем меньше RH, тем меньше kycU), то сопротивления резисторов стараются выбрать побольше. Но при этом уменьшается входной/выходной ток усилителя.

Источник: А. С. Колдунов, Радиолюбительская азбука. Том 2. Аналоговые устройства. — М.: СОЛОН-Пресс, 2004. 288 с. — (Серия «СОЛОН — РАДИОЛЮБИТЕЛЯМ» выпуск 24)

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