Биполярный транзистор. Работа в режиме усиления. Часть 2
В прошлой статье мы с вами хотели с помощью одного только транзистора и резистора
усилить произвольный синусоидальный сигнал и тупо подали напряжение синусоиды в несколько Вольт, в надежде что на выходе получим усиленную синусоиду, но жестоко обломались.
Но как-то ведь строят усилительные каскады с помощью транзистора? В этой статье мы как раз рассмотрим и даже посчитаем небольшой каскад, а также соберем его в реале и испытаем на практике.
Если вы читали прошлую статью, то помните, что транзистор в режиме усиления работает только в активном режиме. А этот активный режим находится между режимами отсечки и насыщения:
Следовательно, выходной усиленный сигнал должен находиться в области активного режима, иначе он будет искажаться.
Именно в этой области происходит усиление сигнала
Далее вспоминаем нехитрую формулу, она нам еще пригодится
Коэффициент бета - это коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером (ОЭ). Ну и что все это значит? А значит это то, что в любом транзисторе в активном режиме ток коллектора в β (бета) раз больше, чем ток базы. Задав крохотную силу тока через базу, мы в бета раз можем увеличить силу тока в цепи коллектора.
А что будет, если на базу мы подадим переменный сигнал напряжения? Следовательно, в цепи базы переменный сигнал будет либо увеличивать, либо уменьшать силу тока, протекающую через базу, а переменная сила тока через базу в свою очередь будет "тащить" за собой силу тока в цепи коллектора, который будет в бета раз больше, чем базовый ток. А если, как я уже писал, вставить резистор в цепь коллектора, то можно будет с него снимать переменное напряжение. Ну разве не замечательно? А откуда возьмется напряжение на резисторе? Дело в том, что резистор и переход коллектор-эмиттер обладают сопротивлением. Самый прикол в том, что переход коллектор-эмиттер - это управляемое сопротивление, зависящее от тока базы. Получаем простой делитель напряжения ;-)
Но для того, чтобы усиливать переменный сигнал правильно, есть одно НО... И это "НО" заключается еще в одном резисторе.
Двухрезисторная схема смещения (схема с заземленным эмиттером)
Я хочу усилить синусоидальный сигнал, поэтому подаю его на базу. На выходе хочу уже получить усиленную копию.
Для того, чтобы получить красивую усиленную копию, надо чтобы эта усиленная копия не выходила за границы режима отсечки и насыщения и желательно, чтобы она располагалась посередине активной области. То есть надо этот сигнал сместить в середину:
А для этого надо к транзистору добавить некоторые радиоэлементы, чтобы получилась схема смещения.
Итак, давайте рассмотрим самую простую схему смещения и на ее примере разберемся, что к чему
Что здесь имеем?
Uпит - напряжение питания. На Uвх подаем переменный сигнал, на Uвых получаем усиленную копию. Или более понятно:
Итак, давайте рассмотрим назначение радиоэлементов в этой схеме. Транзистор используется для усиления. Я думаю, вы это уже поняли :-) Резистор R2 служит для того, чтобы у нас получился делитель напряжения и потом можно будет снять с резистора это напряжение.
Конденсаторы С1 и С2 у нас пропускают переменный ток, а постоянный не пропускают. А нам постоянный ток на входе и на выходе не нужен. Мы ведь хотим усиливать переменный ток, не так ли?
И самый главный радиоэлемент в этой схеме считается резистор R1, который как раз и задает режим работы усилителя. Зачем он здесь нужен?
Во-первых, чтобы отпереть транзистор. Вывести его из режима отсечки в активный режим. А для этого, как вы помните, достаточно подать напряжение более, чем падение напряжения на переходе база - эмиттер, которое для кремниевых транзисторов составляет 0,6-0,7 Вольт. Поэтому, Uпит должно быть больше, чем падение напряжения на переходе база-эмиттер.
Во-вторых, задать базовый ток, так как через цепь +Uпит ----> R1----> база ----> эмиттер ----> земля потечет ток, сила тока которого будет зависеть от того, какой резистор мы туда воткнем.
В-третьих, задавая нужный базовый ток этим резистором, мы выбираем режим работы нашего усилителя. Сейчас нас интересует режим, при котором сигнал будет "болтаться" между режимами отсечки и насыщения примерно в середине активного режима.
Как этого добиться?
Для удобства пусть у нас R1 называется RБ (базовый резистор), а R2 назовем Rк (коллекторный резистор):
Так как мы хотим получить усиленную копию сигнала в активном (линейном) режиме транзистора, следовательно, нам надо добиться того, чтобы через базу протекала такая сила тока, чтобы напряжение на коллекторе (в узле, куда цепляется конденсатор С2) было ровненько половинка от Uпит.
Не забываем, что у нас входной сигнал, подаваемый на базу, может принимать как положительные значения, так и отрицательные. Следовательно, напряжение на коллекторе будет принимать меньшее или большее значение. А чтобы уже усиливаемый сигнал не доходил до режима отсечки или насыщения, мы его как раз и будем держать в серединке ;-)
Берем рыжий советский транзистор КТ315Б и рассчитаем вот такую схемку при напряжении питания в 9 Вольт
Для того, чтобы рассчитать схему, надо действовать с конца, то есть с выхода схемы.
Для получения усиленной копии сигнала, нам надо, чтобы напряжение на коллекторе было равно половине напряжения питания, то есть получаем Uк = 9 В/2 = 4,5 Вольт. Это значит, что на Rк падает напряжение в 4,5 Вольт и на транзисторе между выводами коллектора и эмиттера тоже падает 4,5 Вольт. Для маломощных усилительных каскадов в основном ток коллектора Iк берут в 1 миллиАмпер, это значит, что ток потечет по цепи +9 В ---> Rк ----> коллектор---> эмиттер---->земля и если его замерить в этой цепи, то получим 1мА.
Долго не думая, находим, чему равняется Rк . Вспоминаем дядюшку Ома и получаем, что Rк = Uк /Iк =4,5 В/1 мА=4,5 КилоОм. Берем ближайший из ряда, то есть на 4,7 КилоОм.
Следующим шагом нам надо приблизительно узнать коэффициент бета. В этом нам может помочь простой мультиметр с функцией замера HFE (β) либо RLC-транзистор метр. В моем случае на RLC-транзистор-метре получилось что-то около 142.
Высчитываем ток базы. Так как мы знаем, что
Из этой формулы находим IБ. Получается, что IБ = Iк / β = 1мА/142 = 7 микроАмпер.
Следующим делом находим сопротивление базового резистора: RБ =Uпит / IБ = 9 В/7мкА=1,28 МегаОм
Следующим шагом вставляем ближе к номиналу этот резистор из ближайшего ряда и замеряем силу тока по цепи +9 В ---> Rк ----> коллектор---> эмиттер---->земля с помощью миллиАмперметра. Скорее всего вы не получите на миллиАмперметре значение в 1мА, поэтому надо будет подгонять значение RБ либо с помощью потенциометра либо магазина сопротивления, чтобы амперметр показал нам 1 мА на табло. В моем случае RБ я подобрал номиналом в 1 МегаОм.
Ну теперь дело за малым. Конденсаторы С1 и С2 используются для того, чтобы пропускать и снимать только переменное напряжение, так как мы с вами знаем, что конденсатор постоянный ток через себя не пропускает. Для усиления звуковых частот (от 20 и до 20 000 Герц) , а также частот более 20 000 Гц вполне подойдут конденсаторы в 10 мкФ.
Вот фото моего псевдосилителя, амперметр показывает ток в 1,04 миллиАмпер.
Теперь подаю на вход конденсатора С1 слабый синусоидальный сигнал. У нас получается интересная штука. После того, как я настроил каскад, на базе имеется постоянное напряжение. Если добавить к этому напряжению еще напряжение, ток базы увеличится, что приведет к увеличению коллекторного тока. Если же уменьшить, то наоборот у нас ток базы уменьшится и следовательно, коллекторный ток тоже уменьшится. Переменный сигнал, подаваемый на базу уменьшается и увеличивается поочередно, следовательно, получается типа что-то этого:
А вот и осциллограммы, которые у меня получились. Красный сигнал - это входной, который мы подаем на С1, а желтый - выходной, который снимаем с С2. Частота сигнала и его цена деления показаны в нижнем левом уголке скрина с осцила.
Ну вот! Более менее похоже на правду!
Если вы заметили своим наблюдательным глазом, есть одно НО... Фаза усиленного сигнала противоположна фазе исходного сигнала. Если еще помните алгебру, то можно сказать, что фаза усиленного сигнала и фаза исходного различаются на 180 градусов. То есть получается, что усилитель по схеме с ОЭ (Общим Эмиттером) инвертирует фазу сигнала.
Давайте увеличим амплитуду исходного сигнала:
Как мы видим, усиленный сигнал исказился. В дело вступили так называемые нелинейные искажения, потому что наш усиленный сигнал добрался до области отсечки (верхний уровень желтого графика) и до области насыщения (нижний уровень желтого графика). Вы ведь не забыли, что сигнал инвертированный? В режиме отсечки, как мы видим, синусоида закруглилась, а в режиме насыщения она не могла стать более 9 Вольт, то есть больше, чем Uпит, поэтому ее резко срезало.
Давайте усилим треугольный сигнал
Получились чуток "пухловатые" горки. Как мы видим, данный тип усилителя обладает плохой линейностью. Это значит, что он не пропорционально увеличивает исходный сигнал. Это уже не есть гуд.
Давайте усилим прямоугольный сигнал
Вроде бы нормально.
Даже если добавить амплитуду, то сигнал остается по форме таким же.
Прямоугольные сигналы усиливать, передавать, обрабатывать намного проще, поэтому цифровая электроника шагнула далеко вперед.
Данный тип усилителя, работает в классе "А" , то есть в режиме линейного усилителя. Это означает, что мы полностью усиливаем форму сигнала, который подаем на вход такого усилителя. Есть также усилители B,C,D класса и другие. В этих усилителях усиливается не вся форма сигнала, а остатки сигнала срезаются в области отсечки.
В чем минус этой схемы? В этой схеме рабочий режим зависит от коэффициента бета. Это не есть гуд.
"Схему можно считать плохой, если на ее характеристики влияет величина параметра бета"
Хорвиц и Хилл "Искусство схемотехники"
Дело в том, что коэффициент бета "гуляет" в зависимости от температуры. Следовательно, наш график будет смещен, что приведет к нелинейным искажениям, так как он будет ближе находится или к области насыщения, либо к области отсечки. Что хочу сказать по этой схеме? Схема - какашечка. Она годится только для усиления сигналов с малой амплитудой. Этот пример я показал, чтобы вам было понятнее, что и как происходит в простой усилительной схеме на транзисторе. Собирать ее не стоит, потому что в этой статье она показана, чтобы вы понимали процесс усиления. На практике лучше ее не использовать. В следующей статье мы разберем и рассчитаем качественный усилитель, который не боится коэффициента бета, а также проверим этот усилитель в деле.
Читайте также