Каковы основные способы соединения транзисторных усилителей

Способы включения транзисторов в усилителях

Общие сведения

Электронным усилителем называется устройство, предназначенное для увеличения мощности входных сигналов с сохранением их формы и частоты за счет использования энергии внешнего источника питания. Минимальную часть усилителя, способную повышать мощность, принято называть усилительным каскадом.

Усилители принято классифицировать по назначению, используемым усилительным (активным) элементам и режимам их работы, форме усиливаемых сигналов и полосе рабочих частот.

Все практические усилительные схемы усиливают мощность Р входного сигнала, однако в ряде случаев основными показателями усилителя являются величины выходных напряжений U и тока I. При этом необязательно, чтобы условие усиления по току и по напряжению выполнялись одновременно.

Основными параметрами усилителя являются:

1. Входное сопротивление R_вх. Величину входного сопротивления транзисторного усилительного каскада при любом способе включения находят как отношение изменения напряжения на входе каскада dU_вх к вызываемому изменению входного тока dI_вх,

. (1)

2. Выходное сопротивление R_вых. Величину выходного сопротивления транзисторного усилительного каскада можно определить как отношение изменения напряжения на выходе dU_вых к изменению выходного тока dI_вых.

.(2)

3. Коэффициент усиления по напряжению K_U можно определить как отношение изменения напряжения на выходе dU_вых к вызвавшему его изменению напряжения на входе dU_вх,

. (3)

4. Коэффициент усиления каскада по току K_I вычисляется из соотношения изменения выходного тока dI_вых к вызвавшему его изменению входного тока dI_вх,

. (4)

5. Коэффициент усиления по мощности К_Р, равный отношению мощности на выходе усилителя Р_вых к мощности на его входе Р_вх.

. (5)

Способы включения транзисторов в усилителях

Входной сигнал U_вх управляет током, текущим через транзистор. Этот ток в свою очередь управляет напряжением на нагрузке. Транзисторная цепь рассчитана таким образом, чтобы брать напряжение от внешнего источника питания и подавать его на резистор нагрузки в виде выходного напряжения.

Существует несколько способов включения транзистора в цепь: схема с общей базой (ОБ), схема с общим эмиттером (ОЭ), схема с общим коллектором (ОК). В каждой из этих схем один из выводов транзистора служит общей точкой, а два других являются входом и выходом, при этом на переход эмиттер-база подается напряжение в прямом направлении, а на переход коллектор база – в обратном. Каждая схема имеет преимущества и недостатки и может быть собрана как с p-n-p, так и с n-p-n транзистором.

В схеме с общей базой (рис. 1а) входной сигнал подается в цепь эмиттер-база, а выходной снимается с цепи коллектор-база. База является общим элементом для входа и выхода.

В схеме с общим эмиттером (рис. 1б) входной сигнал подается в цепь эмиттер-база, а выходной сигнал снимается с цепи коллектор-эмиттер. Эмиттер является общим для входа и выхода. Этот способ включения используется наиболее широко. Сопротивление R_к является нагрузочным, а выходное напряжение снимается с коллектора транзистора, то есть U_вых=U_к.

Третий тип соединения – это схема включения с общим коллектором (рис.1в). В этой схеме входной сигнал подается в цепь база-коллектор, а выходной сигнала снимается с цепи эмиттер-коллектор. Здесь коллектор является общим для входа и выхода. Выходное напряжение снимается с резистора R_э, то есть в этом случае U_вых=U_э.

В таблице 1 приведены величины входного и выходного сопротивления, а также коэффициентов усиления по напряжению, по току и по мощности для трех схем включения транзистора.

Таблица 1. Значения параметров усилителей при различных способах включения транзистора

Источник

ElectronicsBlog

Обучающие статьи по электронике

Биполярные транзисторы.Часть 3.Усилительный каскад.

Здравствуйте, продолжим знакомство с биполярными транзисторами. В предыдущем посте был рассмотрен транзистор в качестве электронного ключа. Но это ещё не все возможности биполярных транзисторов, можно сказать даже ключевой режим работы – это лишь малая доля в схемах, где используются транзисторы. В львиной доле транзисторных схем транзистор используется в качестве усилительного прибора. В данных схемах транзистор используется в так называемой активной области. Транзистор в качестве усилительного прибора, включается в усилительный каскад, который кроме транзистора содержит ещё цепи питания, нагрузку и цепи связи с последующим каскадом.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Схемы включения транзистора

Для биполярных транзисторов возможны три схемы включения, которые обладают способностью усиливать мощность: с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК). Схемы отличаются способом включения источника сигнала и нагрузки (R_Н).

Схема с общим эмиттером

Схема с общей базой

Схема с общим коллектором.

Для всех схем включения транзистора при отсутствии сигнала, подаваемого от источника (е_Г), необходимо установить начальный режим по постоянному току – режим покоя. При этом как и говорилось в предыдущем посте эмиттерный переход должен быть открытым, а коллекторный – закрытым. Для транзисторов p-n-p это достигается подачей отрицательного напряжения на коллектор (коллекторного напряжения E_0C) и отрицательного напряжения на базу (напряжения смещения E_0B). Для транзисторов n-p-n полярность этих напряжений должна быть противоположной. Режим покоя транзистора опредяляется положением его рабочей точки, которое зависит от тока эмиттера I_E (практически равного току коллектора I_С и зависящего от E_0B) и от напряжения E_0C.

Усилительные параметры транзистора

Усилительные свойства транзисторов для малого переменного сигнала оцениваются с помощью различных систем параметров, связывающих входные токи и напряжения, но нормируются только два основных параметра: h_21e и f_Т (или f_h21b). Зная параметр транзистора h_21e для заданного режима покоя I_E, можно с помощью следующих формул определить основные параметры усилительного каскада в области НЧ:

где S — проводимость транзистора, r_e — сопротивление эмиттера транзистора.

Таким образом, можно вычислить значения |K| — коэффициент усиления напряжения транзистора, |K_i| — коэффициент усиления тока транзистора, Z_ВХ — входное сопротивление транзистора:

Параметры усилительного каскада	Схема включения
	ОЭ	ОБ	ОК
|K|	S*RH	S*RH	S*RH /( 1 + S*RH)
|Ki|	h21e	h21e/(1 + h21e)	h21e
ZВХ	h21e*re	re	h21e*RH

Области применения усилительных каскадов ОЭ, ОБ и ОК определяются их свойствами.

Каскад с общим эмиттером обеспечивает усиление, как по напряжению, так и по току. Его входное сопротивление порядка сотен Ом, а выходное – десятков кОм. Отличительная особенность – изменяет фазу усиливаемого сигнала на 180°. Обладает лучшими усилительными свойствами по сравнению с ОБ и ОК и поэтому является основным типом каскада для усиления малых сигналов.

Каскад с общей базой обеспечивает усиление только по напряжению (практически такое же, как ОЭ). Входное сопротивление каскада в (1+h_21e) раз меньше, чем ОЭ, а выходное – в (1+h_21e) раз больше. В отличие от ОЭ каскад ОБ не изменяет фазы усиливаемого сигнала. Малое входное сопротивление каскада ОБ ограничивает его применение в УНЧ: практически он используется только как элемент дифференциального усилителя.

Каскад с общим коллектором обеспечивает усиление только по току (практически такое же, как ОЭ). В отличие от ОЭ каскад ОК не изменяет фазы усиливаемого сигнала. При К = 1 каскад ОК как бы повторяет усиливаемое напряжение по величине и фазе. Поэтому такой каскад называется эмиттерным повторителем. Входное сопротивление ОК зависит от сопротивления нагрузки R_H и велико (почти в h_21e раз больше R_H), а выходное сопротивление зависит от сопротивления источника сигнала R_Г и мало (почти в h_21e раз меньше R_Г). Каскад ОК благодаря большому входному и малому выходному сопротивлению находит применение как в предварительных, так и в мощных УНЧ.

Цепи питания биполярных транзисторов

Для обеспечения заданного режима работы биполярного транзистора требуется установить положение точки покоя, определяемое током покоя I_С. С этой целью на электроды транзистора должны быть поданы два напряжения: коллекторное и напряжение смешения базы. Полярность этих напряжений зависит от структуры транзистора. Для транзисторов p-n-p оба этих напряжения должны быть отрицательными, а для n-p-n – положительными, относительно эмиттера транзистора.. Величины коллекторного и базового напряжения должны быть различны; кроме того, различными оказываются и требования к стабильности этих напряжений. Поэтому используются две отдельные цепи питания – коллектора и базы.

Питание коллектора

Цепи питания коллектора содержат элементы, показанные ниже.

В многокаскадных усилителях коллекторные цепи всех каскадов подключаются параллельно к одному общему источнику E_0C. В этом случае цепь питания коллектора содержит развязывающий фильтр R_фC_ф. Назначение такого фильтра – устранить паразитную обратную связь через общий источник питания. При питании от сети переменного тока, кроме того, уменьшаются пульсации напряжения питания. Резистор R_ф включают последовательно с нагрузкой R_Н, и на нём теряется часть коллекторного напряжения. Поэтому рекомендуется сопротивление R_ф выбирать исходя из допустимого падения напряжения:

Напряжение между коллектором и эмиттером транзистора U_CE выбирается в пределах

При этом минимальное значение U_C не должно быть менее 0,5 В, иначе рабочая точка переходит в область насыщения и возрастают нелинейные искажения.

Схема цепей питания базы

Цепи питания базы содержат элементы, показанные ниже

Схема с фиксированным током

Схема с фиксированным напряжением

Схема с автоматическим смещением

Заданный режим работы транзистора устанавливается путём подачи на его базу требуемого напряжения смещения U_B или создания в цепи базы требуемого тока смещения I_B. В обоих случаях между эмиттером и базой устанавливается напряжение U_BE,равное (в зависимости от I_B) 0,1…0,3 В (для германиевых транзисторов) или 0,5…0,7 В (для кремниевых). Смещение базы может осуществляться от общего с коллектором источника питания E_0C или от отдельного источника питания базовых цепей E_0В.

При питании от E_0C смещение базы может быть фиксированным (по току или напряжению) или автоматическим. Схемы с фиксированным током и с фиксированным напряжением не обеспечивают стабильности рабочей точки транзистора при изменении температуры.

Расчёт усилительного каскада

Схема с автоматическим смещением, получившая наибольшее распространение, содержит три резистора: R_b1, R_b2 и R_E. За счёт отрицательной обратной связи создаваемой R_E в цепи эмиттера, достигается требуемая стабилизация рабочей точки. Блокировочный конденсатор C_E используется для устранения нежелательной обратной связи по переменному току. Схема эффективна как для германиевых, так и для кремниевых транзисторов. Для определения величин R_b1, R_b2 и R_E должны быть известны напряжение источника питания E_0C и ток покоя I_С. Ориентировочные значения R_b1, R_b2 и R_E могут быть определены с помощью приведённых ниже формул.

Входящие в вышеприведённые формулы b, c и U_BE зависят от типа транзистора и режима его работы.

Для германиевых транзисторов выбираются: b ≈ 0,2; с – в пределах 3…5; U_BE – в пределах 0,1…0,2.

Для кремниевых транзисторов: b ≈ 0,1; с – в пределах 10…25; U_BE – в пределах 0,6…0,7.

При увеличении c и уменьшении b стабильность схемы снижается. Большие значения U_BE выбирают для больших значений I_С.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Источник