Транзистор как усилитель – CoderLessons.com
Чтобы транзистор действовал как усилитель, он должен быть правильно смещен. Мы обсудим необходимость правильного смещения в следующей главе. Здесь, давайте сосредоточимся, как транзистор работает как усилитель.
Транзисторный усилитель
Транзистор действует как усилитель, повышая силу слабого сигнала. Напряжение смещения постоянного тока, приложенное к основанию соединения эмиттера, заставляет его оставаться в прямом смещенном состоянии. Это прямое смещение поддерживается независимо от полярности сигнала. На рисунке ниже показано, как выглядит транзистор при подключении в качестве усилителя.
Низкое сопротивление входной цепи позволяет любому небольшому изменению входного сигнала привести к значительному изменению выходного сигнала. Ток эмиттера, вызванный входным сигналом, вносит ток коллектора, который, когда протекает через нагрузочный резистор R L , приводит к значительному падению напряжения на нем.
пример
Пусть произойдет изменение входного напряжения на 0,1 В, что дополнительно приведет к изменению тока эмиттера на 1 мА. Этот ток эмиттера, очевидно, вызовет изменение тока коллектора, которое также будет равно 1 мА.
Сопротивление нагрузки 5 кОм, помещенное в коллектор, будет создавать напряжение
5 кОм × 1 мА = 5 В
Следовательно, наблюдается, что изменение на 0,1 В на входе дает изменение на 5 В на выходе, что означает, что уровень напряжения сигнала усиливается.
Производительность усилителя
Поскольку общий тип подключения к излучателю в основном принят, давайте сначала разберемся с несколькими важными терминами, относящимися к этому режиму подключения.
Входное сопротивление
Поскольку входная цепь смещена в прямом направлении, входное сопротивление будет низким.
По определению это отношение небольшого изменения напряжения базы-эмиттера (ΔV BE ) к результирующему изменению тока базы (ΔI B ) при постоянном напряжении коллектор-эмиттер.
Входное сопротивление, Ri= frac DeltaVBE DeltaIB
Где R i = входное сопротивление, V BE = напряжение базы-эмиттера, а I B = ток базы.
Выходное сопротивление
Выходное сопротивление транзисторного усилителя очень высокое. Ток коллектора изменяется очень слабо с изменением напряжения коллектор-эмиттер.
По определению это отношение изменения напряжения коллектора-эмиттера (ΔV CE ) к результирующему изменению тока коллектора (ΔI C ) при постоянном базовом токе.
Выходное сопротивление = Ro= frac DeltaVCE DeltaIC
Где R o = выходное сопротивление, V CE = напряжение коллектор-эмиттер, а I C = напряжение коллектор-эмиттер.
Эффективная нагрузка на коллектор
Нагрузка подключена к коллектору транзистора, и для одноступенчатого усилителя выходное напряжение берется с коллектора транзистора, а для многоступенчатого усилителя то же самое собирается с каскадных каскадов транзисторной цепи.
По определению это общая нагрузка, видимая током коллектора переменного тока. В случае одноступенчатых усилителей эффективная нагрузка коллектора представляет собой параллельную комбинацию R C и R o .
Эффективная нагрузка коллектора, RAC=RC//Ro
= fracRC timesRoRC+Ro=RAC
Следовательно, для одноступенчатого усилителя эффективная нагрузка равна нагрузке коллектора R C.
В многоступенчатом усилителе (то есть имеющем более одного каскада усиления) также учитывается входное сопротивление R i следующего каскада.
Эффективная нагрузка коллектора становится параллельной комбинацией R C , R o и R i, т.
Е.
Эффективная нагрузка коллектора, RAC=RC//Ro//Ri
RC//Ri= fracRCRiRC+Ri
Поскольку входное сопротивление R i довольно мало, следовательно, эффективная нагрузка уменьшается.
Текущая прибыль
Коэффициент усиления по току, когда наблюдаются изменения входных и выходных токов, называется коэффициентом усиления по току . По определению это отношение изменения тока коллектора (I C ) к изменению базового тока (I B ).
Текущая прибыль, beta= frac DeltaIC DeltaIB
Значение β колеблется от 20 до 500. Коэффициент усиления по току указывает, что входной ток становится β-кратным в токе коллектора.
Усиление напряжения
Коэффициент усиления по напряжению, когда наблюдаются изменения входных и выходных токов, называется коэффициентом усиления по напряжению . По определению это отношение изменения выходного напряжения (ΔV CE ) к изменению входного напряжения (ΔV BE ).
Коэффициент усиления по напряжению, AV= frac DeltaVCE DeltaVBE
= fracИзменитьввыводтекущий разэффективныйнагрузкаИзменитьввходтекущий развводсопротивление
= frac DeltaIC timesRAC DeltaIB timesRi= frac DeltaIC DeltaIB times fracRACRi= beta times fracRACRi
Для одной ступени R AC = R C.
Тем не менее, для многоступенчатой,
RAC= fracRC timesRiRC+Ri
Где R i — входное сопротивление следующей ступени.
Усиление силы
Коэффициент усиления по мощности, когда наблюдаются изменения входных и выходных токов, называется коэффициентом усиления по мощности .
По определению это отношение мощности выходного сигнала к мощности входного сигнала.
Усиление мощности, AP= frac( DeltaIC)2 timesRAC( DeltaIB)2 timesRi
= left( frac DeltaIC DeltaIB right) times frac DeltaIC timesRAC DeltaIB timesRi
= Коэффициент усиления по току × коэффициент усиления по напряжению
Следовательно, это все важные термины, которые относятся к производительности усилителей.
|
Рис. 1. Использование транзистора в усилителе напряжения: (а) простейшая схема, (б) схема со смешением. Сигналами в электронных схемах обычно являются постоянные или переменные напряжения. Такие устройства, как например микрофон, создают переменное напряжение, которое должно быть усилено прежде, чем им можно будет воспользоваться. Некоторые источники сигналов, такие как фототранзистор и некоторые детекторы, могут быть источниками тока, который, как правило, еще до усиления преобразуется в напряжение. Поэтому наиболее важны усилители напряжения и, несмотря на то, что биполярный транзистор работает как устройство, усиливающее ток, основное применение он находит в усилителях напряжения. Рассмотрим основные принципы работы усилителя напряжения на биполярном транзисторе. Резистор нагрузкиНа рис. 1.(a) показан очень простой усилитель напряжения; выходное напряжение Vout возникает на выходе в результате протекания коллекторного тока по резистору нагрузки RL. Важной деталью таких схем является земляная шина, называемая также землей, “нулем вольт” (0 В) или общей шиной и обозначаемая символом, показанным на рисунке. Земляная шина является общей для входного сигнала, выходного сигнала и источника постоянного напряжения, и обычно является точкой, относительно которой отсчитываются все напряжения в схеме. Рабочая точка и смещение транзистора в схеме усилителя напряженияСхема, приведенная на рис. 1. На рис. 1.(б) показана схема, в которой достигается требуемый результат. Маломощный кремниевый транзистор, такой как ВС 107, будет очень хорошо работать с коллекторным током в режиме покоя 1 мА. В этом случае при правильном выборе рабочей (начальной) точки требуется, чтобы напряжение на коллекторе находилось посредине между 0 В и +9 В, то есть на резисторе RL должно падать 4,5 В. Таким образом, согласно закону Ома, RL = 4,5 В / 1 мА = 4500 Ом. Ближайшее номинальное значение RL равно 4,7 кОм. Для рассматриваемой схемы имеем: VCE=Vcc-IcRL=Vcc-hFEIBRL где Vcc — напряжение питания. Если мы примем для транзистора ВС 107 коэффициент усиления постоянного тока h RB=Vcc/IB=9/(5×10-6)=1,8МОм Напряжением база-эмиттер VBE (приблизительно равным 0,6 В) здесь пренебрегаем по сравнению с намного большим напряжением питания Vcc. Разделительные конденсаторы С1 и С2 используются для изоляции внешних цепей от постоянных напряжений, имеющихся на базе и коллекторе в режиме покоя. Свойство конденсатора не пропускать постоянное напряжение и в то же время пропускать переменное очень ценно в электронике; оно является результатом стремления конденсатора сохранять свой заряд и поэтому разность потенциалов на его обкладках остается постоянной. Следовательно, увеличение потенциала на одной обкладке вызывает соответствующее увеличение потенциала на другой. Поданный на одну из обкладок, переменный сигнал изменяет ее потенциал много раз в секунду и, таким образом, передается с одной обкладки на другую. В то же время постоянное напряжение дает возможность конденсатору накопить заряд, соответствующий новой разности потенциалов на его обкладках, и поэтому оно не передается. Время, необходимое для установления новой разности потенциалов, зависит от постоянной времени цепи, которая должна быть больше периода передаваемого переменного напряжения самой низкой частоты. Знак плюс на рисунке у одной из обкладок конденсатора является указанием, как подключать электролитические конденсаторы, у которых изолирующий диэлектрический слой представляет собой чрезвычайно тонкую пленку окиси алюминия, полученную электролитическим осаждением. Такие конденсаторы имеют большие емкости при малых размерах и низкой цене, но должны включаться в схему с учетом полярности, за исключением конденсаторов специального типа — неполярных конденсаторов. Стабилизация рабочей точки транзистораСерьезный недостаток схемы на рис. 1.(б) состоит в том, что напряжение коллектора в режиме покоя целиком зависит от величины hFE транзистора, в то время как численные значения этого параметра имеют большой разброс у различных экземпляров транзисторов одного типа. Последствия использования транзистора с hFE = 400 еще более серьезны. В этом случае ток коллектора удвоится до 2 мА. Простое вычисление показывает, что все 9 В питания будут падать на резисторе RL. Говорят, что транзистор находится в насыщении. Возвращаясь к линейному усилителю на рис. 1.(б), можно сказать, что необходимо некоторое усовершенствование схемы, чтобы повысить ее устойчивость к изменениям hFE. Даже если бы у нас была возможность отбирать транзисторы с hFE = 200, а это очень дорого при массовом выпуске схем, hFE увеличивается с ростом температуры, так что схема все равно не была бы надежной. На рис. 2. показано очень простое, но эффективное улучшение. Вместо того, чтобы подключать резистор RB непосредственно к Vcc, мы, уменьшив сопротивление вдвое, подключим его к коллектору (VCE≈Vcc/2). Ток базы определяется теперь соотношением IB=VCE/RB и, как и прежде, VCE=Vcc-hFEIBRL Объединяя эти равенства, получим VCE=Vcc/(1+hFERL/RB) Если RL и RB имеют значения, указанные на рис. 2, и hFE = 100, то VCE≈6 В; если hFE = 400, то VCE≈3 В. Хотя здесь все еще положение рабочей точки меняется, это не существенно, пока для получения больших сигналов не требуется иметь возможно большие пределы изменения выходного напряжения. Усилитель напряжения на транзисторе со стабилизацией рабочей точкиРис. 2. Усилитель напряжения со стабилизацией рабочей точки. Для некоторых применений даже относительно небольшие изменения положения рабочей точки, имеющиеся в схеме на рис. 2, недопустимы. Если режим по постоянному току должен практически не зависеть от hFE можно использовать схему стабилизированного усилителя, показанную на рис. 3. Первым характерным признаком этой схемы является наличие резистора R3 в цепи эмиттера, а это означает, что потенциал эмиттера больше не равняется потенциалу земли, а немного выше его и равен IER3 где IE — ток эмиттера. Итак, если VB — потенциал базы относительно земли, а VE — потенциал эмиттера относительно земли, то VE = VB – 0,6. Но VE=IER3 поэтому IE=(VB-0,6)/R3 Рис. 3. Стабилизированный усилитель с эмиттерным резистором. Следовательно, ток эмиттера IE определяется выбором величин VB и R3. Поскольку IE=IC+IB и IB << IC имеем: IE≈IC Следовательно, ток коллектора также примерно равен 1 мА. Интересно отметить, что в приведенном расчете схемы отсутствует коэффициент hFE транзистора. Фактически единственным параметром транзистора, имеющим какое-либо значение в этой схеме, является напряжение VBE которое принято равным 0,6 В и изменяется очень мало (<0,1 В) от одного транзистора к другому. При расчете стабилизированной схемы падение напряжения на эмиттерном резисторе должно быть больше возможных изменений напряжения VBE но не настолько большим, чтобы заметно уменьшить амплитуду выходного сигнала (напряжение на коллекторе теперь может изменяться только между VCC и VE а не между VCC и потенциалом земли). Удобный способ измерения коэффициента усиления состоит в том, что на вход усилителя подается сигнал от генератора синусоидальных сигналов, а затем с помощью осциллографа измеряется выходной сигнал Vout и сравнивается с входным сигналом Vin. Коэффициент усиления напряжения равен Av=Vout/Vin Для схем, рассмотренных в этой статье, коэффициент усиления напряжения имеет величину порядка 150 — 200. Теоретический расчет коэффициента усиления на Времонт.su рассмотрим позже. |
Этот пример иллюстрирует одно из наиболее важных применений резисторов в электронных цепях: преобразование тока в напряжение. Входное напряжение V in, приложенное к переходу база-эмиттер, приводит к увеличению тока базы, зависящего от сопротивления перехода база-эмиттер. Ток базы вызывает намного больший ток коллектора Ic, создающий падение напряжения IcRL на резисторе RL. Эта разность потенциалов пропорциональна Vin, но намного больше по величине.
(a), как можно догадаться, является сильно упрощенной схемой усилителя напряжения. Она будет давать отклик только на положительное входное напряжение и, кроме того, только на напряжение, большее чем 0,5 В; последнее значение является той э.д.с., которая необходима для смещения перехода база-эмиттер в прямом направлении. Ясно, что если схема предназначена для усиления малых сигналов без искажения, переход база-эмиттер должен быть смещен в прямом направлении даже в отсутствие сигнала. Обычно напряжение переменного сигнала принимает как положительное, так и отрицательное значение, так что выходное напряжение на коллекторе должно иметь возможность двигаться вверх к напряжению источника питания (при отрицательном входном напряжении) и вниз к потенциалу земляной шины (при положительном входном напряжении). Из этого следует, что при равном нулю входном сигнале (это состояние обычно называется режимом покоя) в транзисторе должен протекать такой ток коллектора, чтобы напряжение на коллекторе находилось посредине между землей и напряжением источника питания, готовое изменяться в любом направлении в соответствии с полярностью входного сигнала.
Более подробно этот вопрос обсуждается в главе 8. В рассматриваемом простом усилителе напряжения постоянные времени цепей с разделительными конденсаторами емкостью 10 мкФ обеспечивают передачу переменного напряжения без ослабления вплоть до 10 Гц.
Например, при типичном значении hFE для транзистора ВС 107, равном 200, изготовители указывают, что оно может изменяться в пределах от 90 до 450. Изменение hFE сдвигает рабочую точку по постоянному току. Например, если коэффициент hFE равен 100 вместо 200, то при этом потечет ток коллектора, равный 0,5 мА, а не 1 мА, и падение напряжения на RL составит только 2,35 В вместо 4,7 В. Увеличение напряжения на коллекторе в режиме покоя означает, что выходное напряжение в схеме может изменяться в сторону увеличения только на 2 В, а не на 4 В (возможно изменение выходного напряжения в сторону уменьшения до 6 В, но от этого мало пользы, когда положительные приращения ограничены).
Теперь, благодаря этому, ток базы в режиме покоя зависит от коллекторного напряжения в режиме покоя. Даже при увеличении hFE транзистор не может попасть в насыщение: если коллекторное напряжение падает, то также падает ток базы, «придерживая» коллекторный ток. И наоборот, если hFE уменьшается, коллекторное напряжение в режиме покоя возрастает, увеличивая ток IB.
Схема, приведенная на рис. 2., будет работать при изменении параметров транзисторов в очень широком диапазоне и является полезным усилителем напряжения общего назначения. Принцип построения схемы с автокомпенсацией изменений hFE является просто примером отрицательной обратной связи, которая представляет собой одно из самых важных понятий в электронике.
Второе отличие состоит в том, что вместо единственного резистора для задания базового тока определенной величины применен делитель напряжения R1 R2 фиксирующий потенциал базы относительно земли. Ток делителя напряжения на порядок выше тока базы, так что последний слабо влияет на потенциал базы. Так как переход база — эмиттер смещен в прямом направлении, на нем падает небольшое напряжение (у кремниевого транзистора приблизительно 0,6 В), так что потенциал эмиттера ниже потенциала базы на 0,6 В.
При сопротивлениях резисторов R1 и R2, указанных на рис. 3., потенциал базы зафиксирован на уровне 1,6 В; поэтому потенциал эмиттера равен приблизительно 1,0 В, обеспечивая требуемый ток эмиттера 1 мА при сопротивлении эмиттерного резистора 1 кОм.
Обычно подходящим является напряжение 1 В. Конденсатор большой емкости С3 шунтирует эмиттерный резистор для того, чтобы на эмиттере не появлялось переменное напряжение. Без С3 усиление напряжения очень сильно упадет из-за отрицательной обратной связи, поскольку переменное напряжение на резисторе R3 вычитается из входного сигнала.Как работает усилитель звука (УНЧ) на транзисторе
Рубрика: Статьи обо всем Опубликовано 12.
04.2020 ·
Комментарии: 1
·
На чтение: 9 мин
·
Просмотры:Post Views: 902
Транзистор — это полупроводниковый прибор, который позволяет генерировать, создавать и усиливать электрические колебания. С помощью него можно усилить любой электрический сигнал. Разберем типовую. схему включения биполярного n-p-n транзистора.Разбор схемы
Это моно-усилитель мощности звуковой частоты.
Транзистор VT1 является главным элементом в схеме усилителя. Поэтому схема называется транзисторный УНЧ (усилитель низкой частоты).
В данном случае используется n-p-n транзистор. Он включен по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Эта схема позволяет выжить максимум из транзистора. Она усиливает и напряжение, и ток одновременно. Итого максимальная мощность.
Эмиттер – это силовая часть транзистора, которая позволяет усилить сигнал по максимуму.Данная схема имеет один каскад усиления.
Что такое каскад
Каскад – это по сути этап усиления, который не зависит от другого. Бывают и двухкаскадные усилители. То есть, например, в схеме есть два транзистора. Один работает как предусилитель, и передает усиленный сигнал на вход второго. Поэтому схема называется двухкаскадной. Они не зависят друг от друга, но первый каскад передает сигнал на второй, что позволяет увеличить мощность сигнала.
Как питаемся схема
От качества питания зависит и качество усиления. С какими бы выдающимися характеристиками не был транзистор, если питание плохо отфильтровано или недостаточное, то усиление будет советующего качества.
На клеммы Х3 и Х4 подключается питание 6 В.
Эта схема может питаться и от аккумулятора. Однако, несмотря на то, что аккумулятор – это источник с минимальным шумом, у аккумулятора тоже есть свое сопротивление.
И чтобы оно не мешало и не влияло на работу усилителя, нужен сглаживающий и накопительный конденсатор.
Электролитический конденсатор С3 накапливает энергию источника питания, что позволяет улучшить качество усиления. Чем выше емкость – тем лучше. Естественно, у такого правила есть ограничения. Если поставить слишком большую емкость, то будет большая нагрузка на источник питания.
К тому же, электролитические конденсаторы должны разряжаться после выключения. Тем более, есть предел для увеличения емкости для схемы. Если в эту схему подключить конденсатор емкостью 1 фарад (1 000 000 мкФ), то уровень шума на выходе усилителя будет такой же, как и при 1000 мкФ. Это связано с тем, что у транзистора так же есть и свои «шумы», отсутствие экранировки на входе, динамические искажения и другие параметры.
Во время проектирования схемы все эти параметры рассчитываются. Здесь в схеме у конденсатора С3 емкость 47 микрофарад – этого достаточно для нашего транзистора, поскольку у него не большая мощность, которую он может выдать.
Можно поставить и большую емкость, например, 1000 микрофарад. Главное не нежно ставить конденсатор с меньшим пределом по напряжению. Если поставить конденсатор менее 6 В (питание схемы), то конденсатор начнет нагреваться и даже может взорваться.
Вход усилителя
Вход усилителя – это клеммы Х1 и Х2.
Х2 это минус входа, а Х1 – плюс. Так как схема на один канал, то УНЧ называется моно.
Можно подключить как левый канал, так и правый и оба сразу.
Фильтрация входного сигнала
Электролитический конденсатор С1 позволяет отделить постоянную составляющую входящего сигнала от переменной.
По-простому, он пропускает только переменный сигналю. Если сигнала нет, или вход усилителя замкнут, то без этого конденсатора транзистор может перейти в режим насыщения (максимальное усиление), и на выходе появится неприятный хрип.
Не путайте этот эффект со свистом. Свист – это влияние положительной обратной связи, а в данном случае будет режим насыщения из-за короткого замыкания на входе.
И на выходе усилителя будет слышен именно хрип, а не свит или звук.
Емкость конденсатора подобрана под частоту звукового сигнала. Звук начинается от 20 Гц и до 16 кГц.
Рабочая точка и смещение базы
Для того, чтобы транзистор не искажал входной сигнал, нужно его для начала чуть-чуть приоткрыть.
Это можно сделать при помощи делителя напряжения из двух резисторов R1 и R2. Этот делитель напряжения позволяет приоткрыть транзистор VT1 для того, чтобы входной сигнал не тратил свою электрическую энергию на его открытие.
Как определяется класс усилителя
Класс усилителя определяется его рабочей точкой. Рабочая точка выбирается с помощью вольтамперной характеристики транзистора.
Чем выше напряжение подается на вход транзистора, тем больше ток, тем выше рабочая точка.
Например, точка по центру это А класс.
А класс самый качественный из усилителей. Он усиливает как положительные, так и отрицательные полуволны входного сигнала. В то же время, у этого класса есть существенный недостаток. Это ограничение мощности и снижение энергоэффективности. Дело в том, что пока на вход УНЧ не поступает входной сигнал, он работает все время, пока он включен.
Получается, что при это расходуется лишняя электроэнергия. Поэтому, еще рабочая точка называется точкой покоя, когда усилитель не усиливает входной сигнал.
Также от рабочей точки зависит и чувствительность усилителя.
Еще есть B класс, AB и D. Они отличаются друг от друга по эффективности усиления и наличию искажений. Все зависит от используемой схемы.
Например. D класс вообще не открывает транзистор, однако с точки зрения энергоэффективности – это самый лучший выбор.
Транзистор в покое не потребляет ничего, он включается только при подаче входного сигнала. И при этом если на вход подается аналоговый звуковой сигнал, то он искажается. Такой класс не подойдет для схемы, которую разбираем в этой статье.
Поэтому, схемотехники и инженеры изобрели цифровые усилители. У них аналоговый сигнал преобразовывается в цифровой, и только потом подается на вход усилителя. Транзистор не искажает входной цифрой сигнал. После усиления сигнал снова преобразовывается в аналоговый с наименьшими потерями и искажениями.
А режим АВ применяется в схемах, где есть несколько транзисторов, которые работают на свои полуволны. Есть схемы, где один транзистор усиливает только положительные полуволны, а второй только отрицательные. Такие усилители называются двухтактными.
Стабилизация работы схемы
Когда полупроводник нагревается, его сопротивление уменьшается. Транзистор сделан из полупроводника, и соответственно его p-n переходы тоже.
При работе схемы УНЧ ток течет через транзистор, и он нагревается.
Обычно вся мощность рассеивается на коллекторе. И тем не менее, характеристики транзистора резко меняются, поскольку сопротивление его p-n переходом резко снижается по мере повышения температуры.
Чтобы стабилизировать работу транзистора, нужно сбалансировать его сопротивление другим источником. Это можно сделать при помощи дополнительного сопротивления.
Когда сопротивление транзистора VT1 уменьшается, резистор R3 забирает часть напряжения на себя и не позволяет увеличить ток в цепи.
Благодаря этому транзистор:
- не закрывается;
- не переходит в режим насыщения;
- не искажает сигнал;
- и не перегревается.
Это называется термостабилизация работы усилителя.
А чтобы в нормальном режиме работы, когда VT1 не нагревается, резистор R3 не уменьшал мощность схемы, в цепь включен шунтирующий электролитический конденсатор C2. Через него переменная составляющая входного сигнала проходит без потерь.
Выход усилителя
На выход к усилителю можно подключить как другой усилитель, который усилит сигнал еще больше, так и динамическую головку.
Динамическая головка — это обычный динамик. Он воспроизведёт звук с выхода транзистора VT1.
Однако и тут есть много нюансов.
Самое важное касается согласование сопротивления нагрузки и сопротивления усилителя.
Если сопротивление выхода транзистора намного больше, чем у динамической головки, то он не сможет передать всю мощность. Как минимум большая часть напряжения останется на его контактах.
Для данной схемы нужен динамик с сопротивлением около 1 кОм.
Если поставить меньше, например, на 4 Ома, то и половина мощности не воспроизведется, а коллектор VT1 начнет еще сильнее нагреваться.
Согласование сопротивлений входа, выхода и нагрузки усилителя рассчитывается на этапе проектирования схемы. Поэтому не следует их нарушать.
Как протекает ток по схеме
В начальный момент времени, при подключении питания, электролитический конденсатор С3 заряжается, и начинят питать коллектор и эмиттер транзистора VT1. А также ток проходит через делитель напряжения.
Делитель напряжения R1, R2 смещает базу VT1. Начинает течь ток смещения база-эмиттер (Б-Э), тем самым устанавливается рабочая точка УНЧ.
Когда входной сигнал поступает на клемму Х1, он проходит С1 и через делитель поступает на базу VT1 и частично уходит через эмиттер.
Входной сигнал притягивается коллектором VT1 и тем самым усиливается.
Та часть переменного сигнала, которая перешла на эмиттер транзистора, усиливается эмиттерными током. Он свободно проходит через С2, который в паре с R3 стабилизирует режим работы усилителя от перегрева и искажений.
В итоге входной сигнал усиленный коллекторно-эмиттерным (К-Э) током VT1 поступает на выход, то есть на динамическую головку BF1.
От чего зависит мощность схемы
У этой схемы есть ограничения. Можно поменять VT1 КТ315 на более мощный, у которого коэффициент усиления будет выше, но этот лимит усиления не бесконечный.
В первую очередь, все зависит от используемого транзистора. Если поменять его на более мощный, то и усиление будет выше.
Но следует помнить, что чем мощнее транзистор, тем мощнее нужен входной сигнал. К тому же, придется сделать перерасчет всех компонентов. И подключать предусилитель, собирать схему блока питания, а это уже будет совсем другая схема.
У транзисторов есть ряд параметров, которые влияют на схему. Это коэффициент усиления по току (h31э), напряжению, мощности. А также важный параметр — это рассеиваемая мощность на коллекторе. С повышением мощности потребуется радиатор для отвода тепла.
Как собрать схему
Схему можно собрать на текстолите или на макетной плате. Перейдите по ссылке на эту статью, в ней подробнее описывается процесс сборки и проверки схемы.
Используйте качественные детали и хороший припой. Она рабочая. Это вообще классическая схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером.
Также на сайте есть и другие схемы усилителей, которые не сложны в сборке и не дорогие по стоимости деталей.
Как проверить работу схемы
Достаточно прикоснуться до входа УНЧ отверткой, и на выходе послышаться треск.
Это переменная наводка, которая усилится схемой.
Post Views: 902
Усилитель звука на транзисторах #1 ⋆ diodov.net
Усилитель звука относится к одному из наиболее интересных электронных устройств для начинающих электронщиков или радиолюбителей. И это не удивительно, ведь если устройство собрано правильно, то достаточно подключить динамик и сразу же раздастся звук, оповещающий о том, что усилитель мощности работает. Наличие звука приносить радость успешного завершения сборки усилителя звука своими руками, а его отсутствие – разочарование. Поэтому цель данной статьи – принести радость начинающему электронщику. Но сначала все по порядку…
Усилитель мощности на транзисторах. Базовые положенияУсилитель мощности на транзисторах присутствует в том или ином виде во многих электронных устройствах. Особенно ярко выделено его применение в звуковой технике.
Современный мир электроники полностью опутан различными запоминающими устройствами: флешки, жесткие диски и т.
п. Для воспроизведения информации, хранящейся в памяти накопителей, нужно, прежде всего, преобразовать и усилить ее сигналы.
Главное назначение любого усилителя состоит в преобразовании маломощного сигнала в более мощный. При этом форма его должна сохраняться и не искажаться в процессе преобразования. Иначе произойдет частичная или полная утеря информации.
Начинающим электронщикам следует помнить очень важный момент. Усиление происходит не за счет каких-либо магических свойств транзистора, а за счет энергии блока питания. Транзистор лишь управляет потоком мощности от источника питания к нагрузке. Причем он выполняет свою работу в нужные моменты времени. Отсюда становится понятно, что мощность на нагрузке ограничена лишь мощностью блока питания. Если нагрузка, например динамик, имеет мощность 10 Вт, а источник тока способен выдать только 5 Вт, то нагрузка будет способна развить только 5 Вт.
Структура усилителя состоит из источника и узла, согласующего входной сигнал с источником тока. Такое согласование позволяет получить выходной сигнал.
Поскольку главным элементом усилителя является транзистор, то рассмотрим вкратце устройство и принцип работы это полупроводникового прибора.
Среди довольно обширного выбора полупроводниковых приборов, как по характеристикам, так и по принципу действия, в данной статье мы рассмотрим, и будем применять исключительно биполярные транзисторы (БТ).
Такой электронный прибор состоит из полупроводникового кристалла и трех, подсоединенных к нему электродов. Вся конструкция помещается в корпус, который защищает прибор от разных внешних воздействий (пыль, влага и т.п.). От корпуса отходят три вывода: база (Б), коллектор (К) и эмиттер (Э).
Существуют принципиально два типа БТ n-p-n и p-n-p структуры. Принцип работы их аналогичен, а отличие состоит лишь в полярности подключения к их выводам источника питания и радиоэлектронных элементов, имеющих полярность, например электролитических конденсаторов.
Биполярный транзистор имеет два pn-перехода, поэтому конструктивно его можно рассматривать, как два последовательно встречно соединенных диода. Точка соединения диодов аналогична базе. Но если взять два любых диода и соединить их соответствующим образом, то в такой конструкции не будут проявляться усилительные свойства. Причина в том, что у «настоящего» транзистора слишком малое расстояние между различными полупроводниковыми структурами (база-эмиттер, база-коллектор). Расстояние равно единицам микрометра, то есть несколько тысячных миллиметра (1мкм = 0,001 мм = 0,000001 м). Именно за счет малого расстояния получается транзисторный эффект.
Как работает биполярный транзистор (БТ)Принцип работы БТ упрощенно рассмотрим на примере ниже приведенной схемы.
Базу оставим не подключенной либо соединим ее с минусом источника питания. Последний вариант более предпочтительный, поскольку исключает появление наводок на выводе.
Чтобы исключить короткое замыкание в цепь коллектора следует установить резистор Rн, он же будет служить нагрузкой.
Однако при подключении источника питания Uип, ток в цепи VT и Rн протекать не будет (обратный ток мы не берем в счет, поскольку его значение слишком мало и не превышает единиц микроампер). Отсутствие тока в цепи поясняется тем, что транзистор закрыт. И если вернуться к аналогии с диодом, то мы заметим, что один из них находится под обратным напряжением, поэтому он заперт.
Открыть БТ не составит большого труда. Следует на базу относительно эмиттера (для n-p-n структуры) приложить положительный потенциал, то есть подать напряжение, например от другого источника питания – батарейки. Величина напряжения должна быть порядка 0,6 В, чтобы скомпенсировать падение напряжения на эмиттерном переходе. Резистор Rб служит для ограничения тока, протекающего в цепи базы.
Таким образом, если подать небольшое напряжение на базу, то в цепи нагрузки Rн будет протекать ток коллектора Iк. При смене полярности блока питания VT закроется. Чтобы не запутаться и правильно подключать источник питания следует обратить внимание на направление стрелки эмиттера.
Она указывает на направление протекания токов Iк и Iб. Для БТ n-p-n типа Iк и Iб входят в эмиттер, а для p-n-p – выходят.
Токи базы Iб и коллектора Iк находятся в тесной взаимосвязи. Более того, величина тока, протекающего в цепи коллектора помимо параметров Uип и Rн определяются величиной Iб в прямопропорциональной зависимости. Отношение Iк к Iб называется коэффициентом усиления транзистора по току и обозначается буквой β («бета»):
Коэффициент усиления является одним из важнейших параметров БТ и всегда приводится в справочниках. Для большинства маломощных БТ он находится в диапазоне 50…550 единиц. В общем, β показывает во сколько раз ток коллектора больше тока базы.
Усилитель звука на транзисторахУсилитель звука на транзисторах предназначен для повышения мощности сигнала звуковой частоты, поэтому его еще называют усилитель мощности звуковой частоты или сокращенно УМЗЧ.
Источником звука, подлежащего усилению, чаще всего служит микрофон или выход звуковой карты компьютера, ноутбука, смартфона и т.п. Мощность таких источников довольно низкая и составляет микроватты, а для нормальной работы динамика (громкоговорителя) необходимо обеспечить мощность единицы и десятки ватт, а то и сотни ватт. Поэтому главной задачей УМЗЧ является повышение мощности слабого входного сигнала в тысячи и десятки тысяч раз.
Звуки раздающейся мелодии или речи имеют сложный характер. Однако любой из них, даже самой сложной формы можно разложить в ряд сигналов синусоидальной формы, отличающихся как по частоте, так и по амплитуде.
Поэтому с целью упростить пояснение принципа работы схемы УМЗЧ будем применять входной сигнал синусоидальной формы uc. Нагрузкой на первых порах вместо динамика буде служить резистор Rн.
Однако приведенная выше схема применяется лишь для работы БТ в ключевом режиме, то есть когда полупроводниковый прибор VT находится в двух фиксированных состояниях – открытом и закрытом.
Для усиления переменного сигнала данная схема непригодна, поскольку будет усиливаться только положительная полуволна входного сигнала. Для отрицательной полуволны транзистор будет закрыт. Кроме того, амплитуда входного сигнала должна быть не меньше 0,6 В, иначе просто останется незамеченным, поскольку не откроется эмиттерный переход.
Чтобы схема УМЗЧ работала правильно, а это означает, усиливала без искажений положительные и отрицательные полуволны, изначально следует приоткрыть VT наполовину. Тогда положительная полуволна будет еще больше открывать БТ, а отрицательная – призакрывать его.
Приоткрыть БТ можно небольшим напряжением, поданным на базу, оно же называется напряжением смещения. Сам процесс называют установкой рабочей точки транзистора по постоянному току. Напряжение смещения зачастую подается от общего источника питания через токоограничивающий резистор Rб, согласно схемы, приведенной ниже.
Чтобы постоянное напряжение не воздействовало на источник переменного сигнала, а также не нарушался режим работы схемы по постоянному току, переменная составляющая отделяется конденсатором С1, а нагрузка подключается к коллектору через разделительный конденсатор C2 к клеммам uвых.
Правильная установка или настройка рабочей точки транзисторного усилителя звука имеет ключевое значение, поскольку если ее установить неверно, то выходной сигнал будет иметь искажения либо вовсе отсутствовать. Чтобы установить рабочую точку пользуются выходной статической характеристикой биполярного транзистора. Она характеризует зависимость тока в цепи коллектора от приложенного напряжения между выводами коллектор-эмиттер при разных значениях тока базы. На данной характеристике располагается нагрузочная прямая, на которой выделяют три участка: 1-2, 2-3 и 3-4. Участок 1-2 называется областью отсечки – здесь БТ полностью закрыт; 3-4 – область насыщения – БТ полностью открыт; 2-3 – активная область – здесь БТ находится в приоткрытом состоянии.
Участки 1-2 и 3-4 используются для работы транзистора в ключевом режиме. Активный участок 2-3 соответствует работе БТ в режиме усиления. Именного на него ориентируются при настройке рабочей точки.
Расчет основных параметров усилителя мощности начинается с определения сопротивления резистора, который находится в цепи коллектора Rк. Чтобы его посчитать, согласно закону Ома понадобится прежде определить падение напряжения на нем URк и ток Iк:
Напряжение URк принимают из таких соображений, чтобы на полуоткрытом транзисторе оно было, равное половине напряжения источника питания Uип. Это соответствует половине нагрузочной прямой на выходной статической характеристике – точке А.
Если рабочая точка будет находится значительно выше или ниже точки А, например А1 или А2, то выходной сигнал с усилителя будет искажаться. Произойдет срез его нижних или верхних полуволн, что отразится на ухудшении качества звука.
Поэтому стоит придерживаться средней точки – т. А. Однако это не всегда оправдано, особенно для сигналов очень низкой мощности. В таком случае рабочую точку принимают насколько ниже т. А, что позволяет снизить потребление электроэнергии без искажения формы выходного сигнала.
В нашем случае будем опираться на точку А. Примем напряжение источника питания Uип = 9 В (батарейка «крона»). Тогда напряжение на резисторе Rк равно:
Коллекторный ток, называемый током покоя коллектора, принимают для расчетов 0,8…1,2 мА. Возьмем среднее значение 1 мА = 0,001 А.
Сопротивление Rк равно:
Примем ближайший стандартный номинал резистора 4,7 кОм.
Теперь определит сопротивление в цепи базы Rб:
Коэффициент усиления БТ легко и с достаточной точность можно определить мультиметром. Для pn2222 я определил значение 170 единиц.
Более точную установку тока покоя коллектора устанавливают переменным резистором, включенным в цепь базы и изменяют его до тех пока, пока значение Iк станет равным 1мА.
При этом ориентируются на показания миллиамперметра, установленного в цепь коллектора.
Ниже приведены схемы входных каскадов усилителей с полупроводниковыми приборами разной структуры.
Расчет емкости конденсаторов усилителя мощности звуковой частоты (УМЗЧ)При расчете УМЗЧ следует обратить внимание на емкость развязывающих конденсаторов С1 и С2. Если их принять слишком малыми, то плохо будут проходить токи низкой частоты. Поэтому емкость можно определить по следующему выражению:
где fн – нижняя граница частоты сигнала, Гц. Для УНЧ как правило принимают 20 Гц – нижний порог слышимости человеческого уха;
Rвх – входное сопротивление следующего каскада или нагрузки. Для усилителей, в которых применяется БТ, включенный по схеме с общим эмиттером это сопротивление равняется нескольким килоом. Примем Rвх = 4,7 кОм = 4700 Ом.
Таким образом емкости конденсаторов С1 и С2 следует принимать не менее 10 мкФ.
Однако рассмотренная выше схема усилителя звука имеет недостаток, который исключает применение ее в таком виде в электронных устройствах. В схеме отсутствует температурная стабилизация, поэтому любые изменение температуры могут привести к искажению формы выходного сигнала. Устранение данного недостатка и причины его возникновения подробно рассмотрено в следующей статье.
Еще статьи по данной теме
Работа биполярного транзистора. Режим усиления
Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. Продолжаем осваивать биполярный транзистор и сегодня мы рассмотрим его работу в режиме усиления на примере простого усилителя звуковой частоты, собранного на одном транзисторе.
В режиме усиления транзисторы работают в схемах радиовещательных приемников и усилителях звуковой частоты (УЗЧ).
При работе используются малые токи в базовой цепи транзистора, управляющие большими токами в коллекторной цепи. Этим и отличается режим усиления от режима переключения, который лишь открывает или закрывает транзистор под действием напряжения Uб на базе.
1. Схема усилителя.
В качестве эксперимента соберем простой усилитель на одном транзисторе и разберем его работу.
В коллекторную цепь транзистора VT1 включим высокоомный электромагнитный телефон BF2, между базой и минусом источника питания GB установим резистор Rб, и развязывающий конденсатор Cсв, включенный в базовую цепь транзистора.
Конечно, сильного усиления от такого усилителя мы не услышим, да и чтобы услышать звук в телефоне BF1 его придется очень близко преподнести к уху. Так как для громкого воспроизведения звука нужен усилитель как минимум с двумя-тремя транзисторами или так называемый двухкаскадный усилитель. Но чтобы понять сам принцип усиления, нам будет достаточно и усилителя, собранного на одном транзисторе или однокаскадном усилителе.
Усилительным каскадом принято называть транзистор с резисторами, конденсаторами и другими элементами схемы, обеспечивающими транзистору условия работы как усилителя.
2. Работа схемы усилителя.
При подаче напряжения питания в схему, на базу транзистора через резистор Rб поступает небольшое отрицательное напряжение 0,1 — 0,2В, называемое напряжением смещения. Это напряжение приоткрывает транзистор, и через эмиттерный и коллекторный переходы начинает течь незначительный ток, который как бы переводит усилитель в дежурный режим, из которого он мгновенно выйдет, как только на входе появится входной сигнал.
Без начального напряжения смещения эмиттерный p-n переход будет закрыт и, подобно диоду, «срезать» положительные полупериоды входного напряжения, отчего усиленный сигнал будет искаженным.
Если на вход усилителя подключить еще один телефон BF1 и использовать его как микрофон, то телефон будет преобразовывать звуковые колебания в переменное напряжение звуковой частоты, которое через конденсатор Ссв будет поступать на базу транзистора.
Здесь, конденсатор Ссв выполняет функцию связующего элемента между телефоном BF1 и базой транзистора. Он прекрасно пропускает напряжение звуковой частоты, но преграждает путь постоянному току из базовой цепи к телефону BF1. А так как телефон имеет свое внутреннее сопротивление (около 1600 Ом), то без этого конденсатора база транзистора через внутреннее сопротивление телефона была бы соединена с эмиттером по постоянному току. И естественно, ни о каком усилении сигнала речи и быть не могло.
Теперь, если начать говорить в телефон BF1, то в цепи эмиттер-база возникнут колебания электрического тока телефона Iтлф, которые и будут управлять большим током в коллекторной цепи транзистора. И уже этот усиленный сигнал, преобразованный телефоном BF2 в звук, мы и будем слышать.
Сам процесс усиления сигнала можно описать следующим образом.
При отсутствии напряжения входного сигнала Uвх, в цепях базы и коллектора текут небольшие токи (прямые участки графиков а, б, в), определяемые напряжением источника питания, напряжением смещения на базе и усилительными свойствами транзистора.
Как только в цепи базы появляется входной сигнал (правая часть графика а), то соответственно ему начинают изменяться и токи в цепях транзистора (правая часть графиков б, в).
Во время отрицательных полупериодов, когда отрицательное входное Uвх и напряжение источника питания GB суммируются на базе — токи цепей увеличиваются.
Во время же положительных полупериодов, кода напряжение входного сигнала Uвх и источника питания GB положительны, отрицательное напряжение на базе уменьшается и, соответственно, токи в обеих цепях также уменьшаются. Вот таким образом и происходит усиление по напряжению и току.
Если же нагрузкой транзистора будет не телефон а резистор, то создающееся на нем напряжение переменной составляющей усиленного сигнала можно будет подать во входную цепь второго транзистора для дополнительного усиления.
Один транзистор может усилить сигнал в 30 – 50 раз.
На рисунке ниже показана зависимость тока коллектора от тока базы.
Например. Между точками А и Б ток базы увеличился от 50 до 100 мкА (микроампер), то есть составил 50 мкА, или 0,05 mA. Ток коллектора между этими точками возрос от 3 до 5,5 mA, то есть вырос на 2,5 mA. Отсюда следует, что усиление по току составляет: 2,5 / 0,05 = 50 раз.
Точно также работают транзисторы структуры n-p-n. Но для них полярность включения источника питания, питающей цепи базы и коллектора меняется на противоположную. То есть на базу и коллектор подается положительное, а на эмиттер отрицательное напряжения.
Запомните: для работы транзистора в режиме усиления на его базу, относительно эмиттера, вместе с напряжением входного сигнала обязательно подается постоянное напряжение смещения, открывающее транзистор.
Для германиевых транзисторов отпирающее напряжение составляет не более 0,2 вольта, а для кремниевых не более 0,7 вольта.
Напряжение смещения на базу не подают лишь в том случае, когда эмиттерный переход транзистора используют для детектирования радиочастотного модулированного сигнала.
3. Классификация транзисторов по мощности и по частоте.
В зависимости от максимальной мощности рассеивания биполярные транзисторы делятся на:
1. малой мощности — Pmax ≤ 0,3 Вт;
2. средней мощности — 0,3
3. большой мощности — Pmax > 1,5 Вт.
В зависимости от значения граничной частоты коэффициента передачи тока на транзисторы:
1. низкой частоты – fгр ≤ 3 МГц;
2. средней частоты – 3 МГц
3. высокой частоты — 30 МГц
4. сверхвысокой частоты (СВЧ-транзисторы) — fгр > 300 МГц.
Ну вот и все.
Теперь у Вас не должно возникнуть вопросов о работе биполярного транзистора в режиме усиления.
Удачи!
Литература:
1. Борисов В.Г — Юный радиолюбитель. 1985г.
2. Е. Айсберг — Транзистор?.. Это очень просто! 1964г.
Усилитель класса A на 3 транзисторах MJE13003
Самый простой усилитель с хорошим звуком на транзисторах с помойки
Привет, друзья.
Эту схему я нашел в старой книге по радиолюбительству издания начала 80-х. Это наверно самый простой в мире усилитель мощности звуковой частоты. Собрать такой усилитель можно за полчаса из деталей от старых «энергосберегающих» лам. Обычно электронный балласт таких ламп делают на паре транзисторов типа MJE13003 или 13005. Чаще всего эти лампы выбрасывают, когда выходит из строя сама трубка лампы. Там перегорают спирали накала, которые используются для инициации разряда внутри лампы в момент включения. При этом элементы схемы балласта остаются исправными. Такие лампы модно использовать как доноры неплохих бесплатных радиодеталей для наших конструкций. кстати можно использовать не только транзисторы, но и импульсный трансформатор, конденсаторы и т.д.
Детали, добытые из старых ламп нужно обязательно проверять перед повторным использованием. особенно транзисторы. Также нужно позаботиться об утилизации самой светоизлучающей трубки, так как внутри нее содержится вредная для здоровья и экологии ртуть.
В каждой лампе мы найдем 2 транзистора. В лампах малой мощности вы найдете транзисторы 13003, а в более мощных — 13005 или, если повезет, даже 13007. Это самые мощные из тех, которые применялись в таких балластах. Можно использовать любые из них. Для усилителя нам нужно три транзистора. Кроме цокольных «энергосберегаек» такие транзисторы можно найти и в электронных балластах для больших ЛДС (трубок). Сейчас многие компании и магазины переходят на светодиодное освещение и я часто вижу на свалках целые горы выброшенных старых ЛДС светильников. Вот где можно разжиться транзисторами MJE13005! :). Если вы не хотите связываться со старыми лампами, можно заказать небольшую партию этих транзисторов на Алиэкспресс. Это хорошие высоковольтные транзисторы и они пригодятся вам в вашем дальнейшем творчестве. Транзисторы очень дешевы, 20 штук MJE13003 стоят в районе одного доллара, а более мощные MJE13005 — чуть дороже.
MJE13003 на Алиэкспресс
MJE13005 на Алиэкспресс
Схема усилителя крайне проста.
Она приведена на рисунке ниже:
Три одинаковых транзистора представляют собой составной транзистор (схема Дарлингтона, Darlington transistor). Нагрузкой по постоянному току является резистор R3, а по переменному току — громкоговоритель LS1. Сопротивление катушки громкоговорителя должно быть в районе 8 Ом. Конденсатор C2 должен иметь емкость не менее 1000 микрофарад. Здесь чем больше, тем более низкие частоты будет способен передать усилитель. В качестве C1 можно использовать электролитический конденсатор емкостью от 2.2 до 10 мкФ.
Режим работы и ток покоя схемы устанавливается подстроечным резистором R1. Для настройки усилителя замкнем накоротко его вход, и поворачивая движок RI установим на верхнем по схеме выводе нагрузочного резистора R3 напряжение примерно равное половине напряжения питания, то есть 6В. Резистор R3 будет нагреваться в процессе работы, даже без входного сигнала. Так работает режим класса A. Ток через оконечный каскад, работающий в классе А идет всегда, не зависимо от того есть сигнал или нет.
2 / R, то есть в нашем случае она будет P=6*6 / 10 = 3.6 W. То есть, несмотря на то, что написано на схеме, резистор нужно применить мощностью около 5W или использовать два резистора по 20 Ом 2W, соединённых параллельно.
Второй недостаток — это низкая чувствительность усилителя. Для получения на выходе номинальной выходной мощности на вход нужно продать сигнал амплитудой около трех вольт. дело в том, что данная схема — это фактически составной эмиттерный повторитель, а эмиттерный повторитель не дает усиления по напряжению. Для увеличения чувствительности можно использовать дополнительный каскад усиления, но это сводит на нет простоту усилителя, как одно из его главных достоинств.
Поскольку коллекторы всех транзисторов по схеме соединены, можно закрепить все три транзистора на одной алюминиевой пластине, которая будет служить радиатором. Вывод коллектора у этих транзисторов соединен с корпусом.
Также хорошей идеей может быть использование в качестве Q1 и Q2 транзисторов MJE13003 а в качестве третьего — более мощный MJE13005 или 13007
Достоинства усилителя — крайняя простота схемы и довольно качественный звук, свойственный усилителям класса A.
Хотя максимальная выходная мощность очень невелика — в районе больше 2,5 W
Блок питания усилителя должен обеспечивать ток как минимум 1 ампер на канал, при напряжении 12 вольт. То есть 2 А в случае стереофонического усилителя. Хорошей идеей будет использование здесь импульсного источника питания, например вот такого>>
Второй вариант схемы
Основной ток схемы течет через переход коллектор — эмиттер третьего транзистора и резистор R3. Это около 0.7A в режиме покоя. Ток, который течет через транзистор Q2 боле чем на порядок меньше и составляет примерно 20mA. Фактически это — ток базы транзистора Q3. Ток, проходящий через первый транзистор — это ток базы второго транзистора, и он еще меньше. Поэтому можно усовершенствовать схему усилителя, использовав в качестве первого транзистора маломощный, но с более высокими параметрами по шумам и коэффициенту передачи тока, чем у мощного MJE13005/13003. Например можно использовать транзистор BC549.
Второй вариант схемы я «собрал» в симуляторе Proteus. Возможно чуть позже я проверю его на реальных компонентах и дополню эту статью.
Ниже привожу схему в том виде, как она выглядит в Proteus:
Показы статьи: 705 Посещений сайта: 52042
УНЧ на одном транзисторе
Усилитель мощности низкой частоты – наверное все радиолюбители начинали с него. Собирая простые схемы усилителей, в какой то миг нам хочется чего – то большего и с каждым разом мы чем – то не довольны и стремимся к качеству и большой мощности. Практика, которая дается не легко, процесс продолжается годами и бывает моменты, когда радиомастер с большим стажем собирает простейшие схемы, как бы вспоминая молодость. Мы чуть отошли от нашей темы, но это не так уж и важно, поскольку речь сегодня пойдет именно о простейшем усилителе мощности низкой частоты.
Данная схема усилителя содержит всего один транзистор и несколько радиодеталей, схема упрощена до минимума, чтобы с ней мог справиться человек , который только начал познавать для себя мир радиоэлектроники.
Усилитель конечно не такой уж и мощный, но при мощном транзисторе можно выжимать до 0,5 ватт, неплохо для усилителя с такой схематической развязкой ни правда ли? Транзисторы подойдут буквально любые, ставьте то, что есть под рукой, можно использовать транзисторы прямой или же обратной проводимости, хотя в схеме использован транзистор обратной проводимости. Для получения обещанных пол ватт, желательно использовать мощные низкочастотные транзисторы серии кт819 или кт805 , также их импортные аналоги типа 13007. Входной конденсатор можно применить с емкостью 0,1 микрофарад (маркировка 104), его номинал не так уж и важен, но от него зависит чувствительность усилителя к определенной частоте, он своего рода темброблок, если заменить на конденсатор с большой емкостью, то он будет хорошо пропускать низкие частоты и срезать высокие, если же снизить, то будет срез низких частот и пропускание высоких, этот конденсатор подбирается по вкусу. Питать схему можно от 3-х до 12 вольт.
Напоминаю – этот усилитель собран только с целем демонстрации, и качество звука не может тягаться с специализированными микросхемами или же схемами высококачественных усилителей, при максимальной громкости возможны искажения и хрипы.
Понравилась схема – лайкни!
ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ УНЧ
Смотреть ещё схемы усилителей
УСИЛИТЕЛИ НА ЛАМПАХ УСИЛИТЕЛИ НА ТРАНЗИСТОРАХ
УСИЛИТЕЛИ НА МИКРОСХЕМАХ СТАТЬИ ОБ УСИЛИТЕЛЯХ
Биполярные транзисторы как усилители
- Изучив этот раздел, вы сможете:
- Распознавать основные режимы подключения транзисторного усилителя.
- • Эмиттер обыкновенный.
- • Общий коллектор.
- • Общая база.
- Опишите основные параметры каждого режима усилителя.
- • Коэффициент усиления по напряжению.
- • Текущее усиление.
- • Входное и выходное сопротивление.
Как подключен транзистор для создания усилителя.
Рис. 3.6.1 Подключение усилителя.
Поскольку усилитель должен иметь два входа и два выхода, транзистор, используемый в качестве усилителя, должен иметь один из трех контактов, общих как для входа, так и для выхода, как показано на рисунке 3.6.1. Выбор клеммы, используемой в качестве общего подключения, оказывает заметное влияние на характеристики усилителя.
Транзистор, подключенный в трех режимах, показанных на рис. 3.6.2–3.6.4 будут показывать совершенно разные характеристические кривые для каждого режима. Эти различия могут быть использованы разработчиком схем для создания усилителя с характеристиками, наиболее подходящими для конкретной цели. Обратите внимание, что схемы показаны здесь в упрощенном виде и не предназначены для использования в качестве практических схем.
В схеме транзисторного усилителя, показанной на рис. 3.6.2–3.6.4, линия питания + V и линия 0V могут рассматриваться как одна и та же точка, если речь идет о любом сигнале переменного тока. Это связано с тем, что, хотя очевидно, что между этими двумя точками существует напряжение (напряжение питания), источник постоянного тока всегда отключается большим конденсатором (например, резервуарным конденсатором в источнике питания), поэтому не может быть разницы в напряжении переменного тока. между шинами + V и 0V.
Рис.3.6.2 Режим общего эмиттера.
Режим общего эмиттера
Наиболее распространенная функция транзистора – использование в режиме ОБЩЕГО ЭМИТТЕРА. В этом методе подключения небольшие изменения тока базы / эмиттера вызывают большие изменения тока коллектора / эмиттера. Следовательно, это схема усилителя ТОКА.
Чтобы обеспечить усиление НАПРЯЖЕНИЯ, резистор нагрузки (или импеданс, такой как настроенная цепь) должен быть подключен к цепи коллектора, чтобы изменение тока коллектора вызывало изменение напряжения, возникающего на резисторе нагрузки.Значение резистора нагрузки влияет на УСИЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ усилителя. Это связано с тем, что чем больше резистор нагрузки, тем большее изменение напряжения будет вызвано данным изменением тока коллектора. Обратите внимание, что из-за этого метода подключения форма выходного сигнала будет противофазна входному сигналу. Это связано с тем, что увеличение напряжения базы / эмиттера вызовет увеличение тока базы. Это, в свою очередь, приведет к увеличению тока коллектора, но по мере увеличения тока коллектора падение напряжения на нагрузочном резисторе увеличивается, и, поскольку напряжение на верхнем конце нагрузочного резистора (напряжение питания) не изменится, напряжение на резисторе нагрузки не изменится. нижний конец должен уменьшиться.Следовательно, увеличение напряжения база / эмиттер вызывает снижение напряжения коллектор / эмиттер.
Общие параметры эмиттера
Усиление напряжения: высокое (около 100).
Текущее усиление: высокое (от 50 до 800).
Входное сопротивление: среднее (от 3 кОм до 5 кОм).
Выходное сопротивление: среднее (приблизительное значение резистора нагрузки).
Рис. 3.6.3 Режим общего коллектора.
Режим общего коллектора
Рис.3.6.3 иллюстрирует режим ОБЩИЙ КОЛЛЕКТОР; также называется режимом эмиттерного повторителя, поскольку в этой схеме форма выходного сигнала на эмиттере не инвертируется и поэтому «следует» за формой входного сигнала на базе.
Этот метод подключения часто используется в качестве БУФЕРНОГО УСИЛИТЕЛЯ для таких задач, как согласование импедансов между двумя другими цепями. Это связано с тем, что этот режим дает усилителю высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс. Коэффициент усиления по напряжению в этом режиме немного меньше единицы (x 1), но доступен высокий коэффициент усиления по току (называемый h fc в режиме общего коллектора).
Другой способ использования этого режима подключения – УСИЛИТЕЛЬ ТОКА, часто используемый для выходных цепей, которые должны управлять сильноточными устройствами переменного тока, такими как громкоговорители или устройствами постоянного тока, такими как двигатели и т. Д.
Параметры общего коллектора
Коэффициент усиления напряжения: чуть меньше единицы (1).
Текущее усиление: высокое (от 50 до 800)
Входное сопротивление: высокое (несколько кОм)
Выходное сопротивление: низкое (несколько Ом)
Рис.3.6.4 Режим общей базы.
Режим общей базы
COMMON BASE MODE обычно используется для усилителей VHF и UHF, где, хотя коэффициент усиления по напряжению невелик, существует небольшая вероятность того, что выходной сигнал будет возвращен во входную цепь (что может быть проблемой на этих частотах). Поскольку в этом режиме база транзистора соединена с землей, он образует эффективный заземленный экран между выходом и входом.
Поскольку ток коллектора в этом режиме будет равен току эмиттера минус ток базы, коэффициент усиления по току (h fb в режиме общей базы) меньше единицы (<1).
Параметры общей базы
Коэффициент усиления по напряжению: средний (от 10 до 50).
Текущее усиление: менее единицы (<1)
Входное сопротивление: низкое (около 50 Ом)
Выходное сопротивление: высокое (около 1 МОм)
Начало страницы
Поваренная книга по биполярным транзисторам– Часть 3
В прошлогоднем выпуске этой книги рецептов транзисторов серии описаны практические способы использования биполярных транзисторов в полезных схемах с общим коллектором (повторителем напряжения), включая драйверы реле, генераторы постоянного тока, линейные усилители и повторители дополнительного эмиттера.В этом месяце статья продолжается и показывает различные способы использования биполярных транзисторов в простых, но полезных конфигурациях с общим эмиттером и общей базой.
ЦЕПИ УСИЛИТЕЛЯ ОБЩЕГО ЭМИТТЕРА
Усилитель с общим эмиттером (также известный как схема с общей землей или заземленным эмиттером) имеет среднее значение входного импеданса и обеспечивает существенное усиление напряжения между входом и выходом. Вход схемы подключается к базе транзистора, а выход снимается с его коллектора – основные принципы работы схемы были кратко описаны во вводной части этой серии из восьми частей.Усилитель с общим эмиттером может использоваться в широком спектре цифровых и аналоговых усилителей напряжения. Этот раздел «Поваренной книги » серии начинается с рассмотрения «цифровых» прикладных схем.
ЦИФРОВЫЕ ЦЕПИ
На рисунке 1 показан простой цифровой усилитель, инвертор или переключатель npn с общим эмиттером, в котором входной сигнал имеет либо нулевое напряжение, либо существенно положительное значение, и подается на базу транзистора через последовательный резистор R b . , а выходной сигнал снимается с коллектора транзистора.
Когда на входе ноль, транзистор отключен, а на выходе полное положительное значение шины питания. Когда на входе высокий уровень, транзистор смещен, и ток коллектора течет через R L , тем самым подтягивая выход к низкому уровню. Если входное напряжение достаточно велико, Q1 полностью включается, а выходная мощность падает до значения «насыщения» в несколько сотен мВ. Таким образом, выходной сигнал представляет собой усиленную и инвертированную версию входного сигнала.
РИСУНОК 1. Цифровой инвертор / переключатель (npn)
На рис. 1 резистор R b ограничивает входной ток возбуждения базы до безопасного значения.Входное сопротивление схемы немного больше, чем значение R b , что также влияет на время нарастания и спада выходного сигнала – чем больше значение R b , тем хуже они становятся. Эту загвоздку можно преодолеть путем шунтирования R b с конденсатором «ускорения» (обычно около 1n0), как показано пунктиром на диаграмме.
На практике R b должно быть как можно меньше, соответствовать требованиям безопасности и входному сопротивлению, и не должно превышать R L x h fe .
На рисунке 2 показана схема цифрового инвертора / переключателя в версии pnp. Q1 полностью включается, его выход на несколько сотен мВ ниже положительного значения напряжения питания, когда на входе нулевое напряжение, и выключается (с его выходом при нулевом напряжении), когда входной сигнал поднимается до уровня менее 600 мВ от положительного напряжения питания. железнодорожная стоимость.
РИСУНОК 2. Цифровой инвертор / переключатель (pnp)
Чувствительность схем Рис. 1 и 2 можно увеличить, заменив Q1 парой транзисторов Дарлингтона или Супер-Альфа.В качестве альтернативы можно сделать неинвертирующий цифровой усилитель / переключатель с очень высоким коэффициентом усиления, используя пару транзисторов, подключенных любым из способов, показанных на рисунках 3 или 4 .
Схема Рис. 3 использует два npn-транзистора. Когда на входе нулевое напряжение, Q1 отключается, поэтому Q2 полностью включается через R2, а на выходе низкий уровень (насыщение). Когда входной сигнал «высокий», Q1 приводится в состояние насыщения и подтягивает базу Q2 до значения менее 600 мВ, поэтому Q2 отключен, а выход высокий (при V +).
РИСУНОК 3. Неинвертирующий цифровой усилитель / переключатель с очень высоким коэффициентом усиления на npn-транзисторах
Схема Рис. 4 использует один npn и один pnp транзистор. Когда на входе нулевое напряжение, Q1 отключается, поэтому Q2 также отключается (через R2-R3), а на выходе нулевое напряжение. Когда на входе высокий уровень, Q1 включается и переводит Q2 в насыщение через R3. В этом случае выходной сигнал принимает значение на несколько сотен мВ ниже положительного значения питающей шины.
РИСУНОК 4. Альтернативный неинвертирующий цифровой усилитель / переключатель с использованием пары транзисторов npn-pnp
Рисунок 5 показывает (в базовой форме), как дополнительную пару цепей Рисунок 4 можно использовать для создания сети управления направлением двигателя постоянного тока с использованием двойного источника питания.
Схема работает следующим образом.
РИСУНОК 5. Цепь управления направлением двигателя постоянного тока
Когда SW1 установлен в положение «Вперед», Q1 включается через R1 и подтягивает Q2 через R3, но Q3 и Q4 отключены.Таким образом, «токоведущая» сторона двигателя подключается (через Q2) к положительной шине питания в этом состоянии, и двигатель вращается в прямом направлении.
Когда SW1 установлен в положение «Off», все четыре транзистора отключены, и двигатель не работает.
Когда SW1 установлен в положение «Reverse», Q3 смещается через R4 и включает Q4 через R6, но Q1 и Q2 отключены. Таким образом, «токоведущая» сторона двигателя подключается (через Q4) к отрицательной питающей шине в этом состоянии, и двигатель вращается в обратном направлении.
ДРАЙВЕРЫ РЕЛЕ
Базовые цифровые схемы , рисунки 1–4. можно использовать в качестве эффективных драйверов реле, если они оснащены подходящими схемами диодной защиты.
На рисунках с 6 по 8 показаны примеры таких схем.
Схема , рис. 6, повышает чувствительность реле по току примерно в 200 раз (= коэффициент усиления транзистора Q1 по току) и значительно увеличивает его чувствительность по напряжению. R1 обеспечивает базовую защиту привода и при желании может быть больше 1k0.Реле включается положительным входным напряжением.
РИСУНОК 6. Простая схема управления реле
Текущую чувствительность реле можно повысить примерно в 20 000 раз, заменив Q1 парой транзисторов, соединенных Дарлингтоном. На рис. 7 показан этот метод, используемый для создания цепи, которую можно активировать, поместив сопротивление менее 2M0 на пару датчиков из нержавеющей стали. Контакты воды, пара и кожи имеют сопротивление ниже этого значения, поэтому эту простую небольшую схему можно использовать в качестве реле, активируемого водой, паром или прикосновением.
РИСУНОК 7.
Сенсорный, водяной или паровой релейный переключатель
На рисунке 8 показан другой сверхчувствительный драйвер реле, основанный на схеме на рисунке 4 , которому для активации реле требуется вход всего 700 мВ при 40 мкА. R2 гарантирует, что Q1 и Q2 полностью отключатся, когда входные клеммы разомкнуты.
РИСУНОК 8. Драйвер сверхчувствительного реле (требуется вход 700 мВ при 40 мкА)
ЛИНЕЙНЫЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ
Схема с общим эмиттером может использоваться в качестве линейного усилителя переменного тока, подавая постоянный ток смещения на ее базу, чтобы ее коллектор принимал постоянное значение наполовину напряжения питания (чтобы обеспечить максимальные неискаженные колебания выходного сигнала), а затем подавая входной сигнал переменного тока к его базе и получение выходного переменного тока от его коллектора (как показано на Рисунок 9 ).
РИСУНОК 9.
Простой усилитель npn с общим эмиттером
Первым шагом в разработке схемы типа Basic является выбор номинала резистора нагрузки R2. Чем ниже это значение, тем выше будет верхняя граничная частота усилителя (из-за меньшего шунтирующего влияния паразитной емкости на эффективное сопротивление нагрузки), но тем выше будет рабочий ток покоя Q1. На диаграмме R2 имеет компромиссное значение 5k6, что дает верхнюю частоту «3 дБ вниз» около 120 кГц и потребление тока покоя 1 мА от источника питания 12 В.
Чтобы смещать выход схемы на половину напряжения питания, R1 требуется значение R2 x 2h fe , и (при номинальном h fe 200) это работает примерно на 2M2 в показанном примере. . Формула для входного импеданса схемы (если смотреть на базу Q1) и коэффициента усиления по напряжению приведены на диаграмме. В показанном примере входное сопротивление составляет примерно 5 кОм и шунтируется R1 – коэффициент усиления по напряжению составляет примерно x200, или 46 дБ.
Точка смещения покоя схемы (рис. 9) зависит от значения h fe Q1.Эту слабость можно преодолеть, изменив схему, как показано на рис. 10 , где резистор смещения R1 подключен в режиме обратной связи постоянного тока между коллектором Q1 и базой и имеет значение R2 x h fe . Действие обратной связи таково, что любой сдвиг выходного уровня (из-за изменений h fe , температуры или значений компонентов) вызывает встречное изменение уровня смещения основного тока, таким образом, стремясь отменить исходный сдвиг.
РИСУНОК 10. Усилитель с общим эмиттером и смещением обратной связи
Схема Figure 10 имеет те же значения ширины полосы и усиления по напряжению, что и конструкция Figure 9 , но имеет более низкое общее значение входного импеданса. Это связано с тем, что действие обратной связи по переменному току снижает кажущийся импеданс R1 (который шунтирует базовый импеданс Q1 5 кОм) в 200 раз (= A В ), что дает общее входное сопротивление 2 к7.
При желании шунтирующие эффекты схемы смещения могут быть устранены путем использования двух резисторов обратной связи и их развязки по переменному току, как показано на , рис. 11, .
РИСУНОК 11. Усилитель со смещением обратной связи по переменному току
Наконец, предельная стабильность смещения обеспечивается схемой «смещения делителя потенциала» на фиг. , рис. 12, . Здесь делитель потенциала R1-R2 устанавливает напряжение покоя, немного большее, чем V + / 3, на базе Q1, а действие повторителя напряжения приводит к появлению на эмиттере Q1 напряжения на 600 мВ меньше этого значения. Таким образом, напряжение V + / 3 создается на эмиттерном резисторе R3 5k6, и (поскольку токи эмиттера и коллектора Q1 почти идентичны) аналогичное напряжение падает на R4, который также имеет значение 5k6, таким образом устанавливая на коллекторе значение покоя 2V + / 3.R3 развязан по переменному току через C2, и схема дает усиление по переменному напряжению 46 дБ.
РИСУНОК 12. Усилитель со смещением делителя напряжения
ВАРИАНТЫ ЦЕПИ
На рисунках 13–16 показаны некоторые полезные варианты усилителя с общим эмиттером. Рисунок 13 показывает базовую конструкцию на Рисунке 12, измененную так, чтобы получить коэффициент усиления переменного напряжения x10 – коэффициент усиления фактически равен значению нагрузки коллектора R4, деленному на эффективное значение импеданса «эмиттера», которое в данном случае (поскольку R3 развязан последовательно -connected C2-R5) равняется значению импеданса перехода база-эмиттер последовательно с параллельными значениями R3 и R5 и составляет примерно 560R, что дает усиление по напряжению в 10 раз.Альтернативные значения усиления можно получить, изменив значение R5.
РИСУНОК 13. Усилитель с общим эмиттером с фиксированным усилением (x10)
На рисунке 14 показан полезный вариант вышеупомянутой конструкции.
В этом случае R3 равен R4 и не развязан, поэтому схема дает единичный коэффициент усиления по напряжению. Однако обратите внимание, что эта схема выдает два выходных сигнала с единичным усилением: выход эмиттера синфазен с входом, а сигнал коллектора – в противофазе.Таким образом, эта схема действует как фазоделитель с единичным усилением.
РИСУНОК 14. Фазоделитель с единичным усилением
На рисунке 15 показан другой способ изменения коэффициента усиления схемы. Такая конструкция обеспечивает высокий коэффициент усиления по напряжению между коллектором Q1 и базой, но R2 дает обратную связь по переменному току с базой, а R1 подключается последовательно между входным сигналом и базой Q1 – в итоге коэффициент усиления по напряжению схемы (между входом и выходом) равняется R2 / R1 и работает при x10 в данном конкретном случае.
РИСУНОК 15. Альтернативный усилитель с фиксированным усилением (x10)
Наконец, Рисунок 16 показывает, как можно модифицировать конструкцию Рисунок 10 для обеспечения широкополосных характеристик путем подключения связанного по постоянному току буфера эмиттерного повторителя Q2 между коллектором Q1 и выходной клеммой, чтобы минимизировать шунтирующие эффекты паразитных помех.
емкость на R2 и, таким образом, расширяет верхнюю полосу пропускания до нескольких сотен кГц.
РИСУНОК 16. Усилитель широкополосный
ЦЕПИ С ВЫСОКИМ УСИЛЕНИЕМ
Одноступенчатая схема усилителя с общим эмиттером не может дать усиление по напряжению намного больше 46 дБ при использовании резистивной нагрузки коллектора – если требуется более высокое усиление, необходимо использовать многокаскадную схему. На рисунках 17–19 показаны три полезные конструкции двухтранзисторного усилителя напряжения с высоким коэффициентом усиления.
Схема Рисунок 17 Схема действует как пара усилителей с общим эмиттером с прямой связью, с выходом Q1, поступающим непосредственно на базу Q2, и дает общий коэффициент усиления по напряжению 76 дБ (примерно x6150) и верхнюю частоту -3 дБ 35 кГц.Обратите внимание, что резистор смещения обратной связи R4 питается от эмиттера Q2 с развязкой по переменному току (который «следует» за напряжением покоя коллектора Q1), а не напрямую от коллектора Q1, и что цепь смещения, таким образом, эффективно развязана по переменному току.
РИСУНОК 17. Двухкаскадный усилитель с высоким коэффициентом усиления
Рисунок 18 показывает альтернативную версию вышеуказанной конструкции, использующую выходной каскад pnp – его характеристики такие же, как у Рисунок 17 .
РИСУНОК 18. Альтернативный двухкаскадный усилитель с высоким коэффициентом усиления
Схема Рис. 19 дает усиление по напряжению около 66 дБ. Q1 – это усилитель с общим эмиттером и разделенной нагрузкой коллектора (R2-R3), а Q2 – это эмиттерный повторитель, который подает свой выходной сигнал переменного тока обратно на переход R2-R3 через C3, таким образом «загружая» значение R3 (как описано в рассрочке за последний месяц), чтобы он действовал как высокое сопротивление переменного тока. Таким образом, Q1 дает очень высокий коэффициент усиления по напряжению.Полоса пропускания этой схемы достигает примерно 32 кГц, но ее входное сопротивление составляет всего 330R.
РИСУНОК 19. Начальный усилитель с высоким коэффициентом усиления
ЦЕПИ УСИЛИТЕЛЯ ОБЩЕЙ БАЗЫ
В так называемом транзисторном усилителе с «общей базой» входной сигнал подается на эмиттер транзистора, а выходной сигнал снимается с коллектора транзистора. Усилитель с общей базой имеет очень низкий входной импеданс, дает почти единичный коэффициент усиления по току и высокий коэффициент усиления по напряжению и используется в основном в широкополосных или высокочастотных усилителях напряжения. На рисунке 20 показан пример усилителя с общей базой, который дает хороший широкополосный отклик.
РИСУНОК 20. Усилитель с общей базой
Схема , рисунок 20, смещена так же, как , рисунок 12, . Обратите внимание, однако, что база развязана по переменному току через C1, а входной сигнал подается на эмиттер через C3. Схема имеет очень низкий входной импеданс (равный импедансу прямого смещения перехода база-эмиттер Q1), дает такое же усиление по напряжению, что и усилитель с общим эмиттером (около 46 дБ), дает нулевой сдвиг фазы между входом и выходом и имеет полоса пропускания -3 дБ до нескольких МГц.
На рисунке 21 показан превосходный широкополосный усилитель – «каскодная» схема, которая дает преимущество в широкой полосе пропускания усилителя с общей базой вместе со средним входным сопротивлением усилителя с общим эмиттером. Это достигается последовательным соединением Q1 и Q2, причем Q1 подключен в режиме с общей базой, а Q2 – в режиме с общим эмиттером.
РИСУНОК 21. Широкополосный каскодный усилитель
Входной сигнал подается на базу Q2, которая использует эмиттер Q1 в качестве нагрузки коллектора и, таким образом, дает единичный коэффициент усиления по напряжению и очень широкую полосу пропускания, а Q1 дает коэффициент усиления по напряжению около 46 дБ.Таким образом, полная схема имеет входное сопротивление около 1 кОм, коэффициент усиления по напряжению 46 дБ и полосу пропускания -3 дБ, которая простирается до нескольких МГц.
На рисунке 22 показан близкий родственник усилителя с общей базой – фазоделитель «длинно-хвостовая пара», который дает пару противофазных выходов при возбуждении от несимметричного входного сигнала.
Q1 и Q2 имеют общий эмиттерный резистор («хвост»), а точка смещения схемы устанавливается через RV1, так что два транзистора пропускают почти одинаковые токи коллектора (что дает нулевую разницу между двумя напряжениями коллектора) в условиях покоя.
РИСУНОК 22. Делитель фазы «Длиннохвостая пара»
База Q1 заземлена по переменному току через C1, а входные сигналы переменного тока подаются на базу Q2 через C2. Схема действует следующим образом.
Предположим, что синусоидальный входной сигнал подается на базу Q2. Q2 действует как инвертирующий усилитель с общим эмиттером, и когда сигнал поднимает его базу вверх, его коллектор неизбежно опускается, и наоборот. Одновременно с этим эмиттер Q2 «следует» за входным сигналом, и по мере увеличения его эмиттерного напряжения он неизбежно уменьшает смещение база-эмиттер Q1, тем самым вызывая повышение напряжения коллектора Q1 и т. Д.
Таким образом, Q1 работает в режиме с общей базой и дает тот же коэффициент усиления по напряжению, что и Q2, но дает неинвертирующее действие усилителя.
Эта схема «фазоделителя», таким образом, генерирует пару сбалансированных противофазных выходных сигналов от несимметричного входа.
Наконец, На рисунке 23 показано, как можно сделать приведенную выше схему в качестве дифференциального усилителя, который дает пару противофазных выходов, которые пропорциональны разнице между двумя входными сигналами – если на оба входа подаются одинаковые сигналы. , схема будет (в идеале) давать нулевой выходной сигнал.
РИСУНОК 23. Простой дифференциальный усилитель или длинно-хвостовая пара
Второй входной сигнал подается на базу Q1 через C1, а «хвост» R7 обеспечивает связь между двумя транзисторами. NV
Транзисторный усилитель
| 7+ Важные типы
В этой статье будут обсуждаться различные типы транзисторов, в первую очередь связанные с биполярным переходным транзистором (BJT) и полевым транзистором (FET), а также их характеристики. Однако транзисторы использовались в качестве усилителя в различных схемах и различных каскадах, режимах, конфигурациях и т. Д. Это также будет обсуждаться.
Хотя существуют различные классификации усилителя по разным параметрам:
Изображение предоставлено: Филип Доминек, Конструкция транзисторного усилителя, CC BY-SA 3.0 Классификация транзисторного усилителя Транзисторный усилитель Класс: как по количеству каскадовПо количеству каскадов усиления в транзисторных усилителях доступны два класса:
Одноступенчатый усилительМногокаскадный усилитель– Схема, содержащая одну транзисторную схему только для ступени усиление.
Транзисторный усилитель Класс: по входному сигналу– Эта схема имеет несколько транзисторных схем, которые отвечают за многокаскадное усиление в процессе работы.
По уровню входного сигнала категоризация следующая:
Усилитель слабого сигналаУсилитель большого сигнала– Если входной сигнал очень слабый для генерации незначительных или незначительных колебаний тока коллектора, чем значение покоя, тогда это называется схемой усилителя слабого сигнала.
Класс по выходу– Если колебания тока коллектора должны быть достаточно высокими, то его называют схемой усилителя большого сигнала.
Если выход рассматривать как параметры, то усилитель может быть двух типов. Это – усилители напряжения и усилители мощности.
Усилитель напряженияУсилитель мощности– Это схема усилителя, которая увеличивает уровень входного сигнала (В 0 ), называется усилителем напряжения.
Транзисторный усилитель Класс: согласно частотному диапазону– Это схема усилителя, которая увеличивает уровень мощности входного сигнала (P 0 ), называется усилителем мощности.
Согласно частотам сигналов. диапазона, есть два типа аудиоусилителя и радиоусилителя.
Радиоусилитель– Схема усилителя звука, способная усиливать входной сигнал в диапазоне, отмеченном для аудиосигналов, т.е.е., частотный диапазон: от 20 Гц до 20 кГц.
Транзисторный усилитель Класс: согласно смещению и режиму– Радиоусилитель, способный усиливать входной сигнал в радиодиапазоне или на очень высоких частотах. диапазон.
По смещению и режиму работы классифицируются транзисторные усилители класса A, класса B, класса C и класса AB. Условие выглядит следующим образом:
Усилитель класса AУсилитель класса B– Ток коллектора, протекающий в течение всего цикла (один цикл) подаваемого сигнала переменного тока.
Усилитель класса C– Ток коллектора проходит в течение полупериода (равного 0,5 цикла) подаваемого входного сигнала переменного тока.
Усилители класса AB– Ток коллектора, переносимый в течение менее половины цикла (<0,5 цикла) подаваемого входного сигнала переменного тока.
Транзисторный усилитель Класс: в зависимости от конфигурации– Усилители класса AB: усилители класса AB образуются путем объединения классов A и B.Это помогает достичь всех преимуществ, а также устраняет недостатки.
Классы транзисторного усилителя: Существует три типа в зависимости от конфигурации. Это типы Common Emitter, Common Collector и Common Base.
C E или Конфигурация усилителя с общим эмиттеромC B или конфигурация усилителя с общей базой– Схема усилителя, сформированная с использованием комбинации транзисторов с общим эмиттером, называется усилителем CE.
CC или конфигурация усилителя с общим коллектором– Схема усилителя, сформированная с использованием комбинации транзисторов с общей базой, называется усилителем CB.
Транзисторный усилитель Класс: На основе метода связи– Схема усилителя, сформированная с использованием комбинации транзисторов с общим коллектором, называется CC-усилителем.
Существует три типа на основе метода связи.Это – резистор-конденсаторная, трансформаторная, и последняя – с прямой связью.
Усилитель с прямой связьюRC-связанный усилитель– Если многокаскадный усилитель подключен непосредственно к последующему каскаду.
Усилитель с трансформаторной связью– Многокаскадный усилитель, соединенный с последующим каскадом с помощью резистивно-емкостного (RC) элемента через комбинированную схему, тогда он называется RC-связанным усилителем.
Типы транзисторов:– Многокаскадный усилитель, соединенный с последующим каскадом посредством схемы на основе трансформатора, то есть усилитель с трансформаторной связью.
На рынке доступно несколько транзисторов для различных приложений. Ниже перечислены важные типы.
Тип транзистора Биполярный переходной транзистор (BJT)“ BJT – это тип транзистора, который имеет как электроны, так и дырки. Электроны, а также дырки действуют здесь как носители заряда ».
- Транзистор с биполярным переходом – это устройство, управляемое током.
- Биполярный переходной транзистор (BJT) имеет два PN перехода для своего функционирования.
- Есть два типа стандартных транзисторов: биполярные; ПНП и НПН.
- Транзистор состоит из трех выводов, обозначенных как база (B), коллектор (C) и эмиттер (E).
В транзисторах P-N-P здесь собраны диоды двух типов. Это P-N и N-P.
Транзистор состоит из трех частей:
- – База
- – Коллектор
- – Эмиттер
В конфигурации PNP транзистор P-переход имеет много отверстий, а промежуточный переход, называемый N, имеет КПД и электроны.
Теперь переход EB становится обратным смещением, а переход CB становится обратным смещением.
Из-за соединения образовался перекос, и отверстия начали вытекать из Р-перехода. После этого поток продолжается в сторону N. Здесь происходит рекомбинация. Остальные отверстия снова текут к N. Теперь ток через эмиттер известен как ток эмиттера, который идет на две стороны. Один – это базовый ток, другой – ток коллектора.
I E = I B + I C
Но 2% от общего тока протекает в IB, поэтому IB пренебрежимо мало.
Следовательно, IE = IC
В конфигурации транзистора NPN используются два типа диодов: N-P и P-N.
Как упоминалось ранее, транзистор имеет три вывода. Они – Коллектор, Эмиттер и База.
Из-за соединения образовался перекос, и отверстия начали вытекать из N перехода. После этого поток продолжается в направлении P-области. Здесь происходит рекомбинация. Остальные отверстия снова текут к P. Теперь ток через эмиттер известен как ток эмиттера, который идет на две стороны.
Один – это базовый ток, другой – ток коллектора.
I E = I B + I C
Полевой транзистор (FET):В полевом транзисторе для управления протеканием тока используется только электрическое поле. . У них есть три терминала: Источник, Сток и Ворота. Полевые транзисторы – это униполярные транзисторы.
Чтобы узнать больше об электронике , нажмите здесь
О Soumali Bhattacharya
В настоящее время я работаю в области электроники и связи.
Мои статьи сосредоточены на основных областях базовой электроники с очень простым, но информативным подходом.
Я хорошо учусь и стараюсь быть в курсе всех последних технологий в области электроники.
Давайте подключимся через LinkedIn –
https://www.linkedin.com/in/soumali-bhattacharya-34833a18b/
Конструкция усилителя на транзисторах с общим эмиттером
Основные выводы
Благодаря высокому КПД и положительному коэффициенту усиления больше единицы, наиболее часто используемым транзисторным усилителем является транзисторный усилитель с общим эмиттером.
При проектировании транзисторного усилителя с общим эмиттером без вырождения эмиттера номинал резистора RC выбирается в соответствии с требованиями к усилению усилителя. Коэффициент усиления этого усилителя прямо пропорционален величине резистора RC.
Достоинством дегенеративного усилителя с общим эмиттером и обойденным эмиттерным резистором с параллельной конструкцией резисторов является то, что смещение постоянного тока усилителя не зависит от значения RE1, поэтому разработчик может установить значение RE1 после того, как смещение постоянного тока будет зафиксировано. .
Усилители имеют решающее значение для электронных схем
Транзисторные усилители – это схемы, которые используются для усиления слабых звуковых сигналов, сигналов постоянного или переменного тока и имеют широкий спектр применений. При усилении сигналов переменного тока с помощью транзисторного усилителя напряжение и ток могут усиливаться одновременно.
Существует три конфигурации транзисторных усилителей:
Усилители с общей базой
Усилители с общим эмиттером
Усилители с общим коллектором
Если целью является увеличение амплитуды сигнала переменного тока, разработана схема транзистора с общим эмиттером.Конфигурации с общим эмиттером являются наиболее широко используемым типом транзисторных усилителей из-за их высокой эффективности и положительного усиления больше единицы.
Давайте подробнее рассмотрим усилители на транзисторах с общим эмиттером и обсудим некоторые моменты, которые следует учитывать разработчикам в процессе проектирования усилителей на транзисторах с общим эмиттером.
Критерии проектирования транзисторного усилителя с общим эмиттером
Прежде чем обсуждать, как разработать транзисторный усилитель с общим эмиттером, важно понять типы доступных усилителей с общим эмиттером.Независимо от конфигурации, входной сигнал подается на базу, а выходной сигнал собирается с клеммы коллектора во всех типах усилителей с общим эмиттером. Вывод эмиттера остается общим для базы и коллектора.
В эмиттере с общим эмиттером без вырождения эмиттера байпасный конденсатор C B1 обеспечивает заземление эмиттера, поэтому эту конфигурацию также можно назвать заземленным эмиттером. При проектировании этого транзисторного усилителя номинал резистора R C выбирается в соответствии с требованиями к усилению усилителя.Коэффициент усиления этого усилителя прямо пропорционален значению резистора R C .
В конфигурациях с общим эмиттером без байпасного конденсатора стабильность смещения и коэффициент усиления усилителя зависят от резистора R E . Эта конструкция транзисторного усилителя придает большее значение значениям R C и R E , поскольку с их помощью можно регулировать усиление.
Усилитель вырождения с общим эмиттером и шунтируемым эмиттерным резистором с последовательным эмиттерным резистором имеет шунтирующий конденсатор, который соединяет резистор R E1 с землей для высокочастотных сигналов и стабильности смещения.Несмотря на то, что коэффициент усиления усилителя зависит от R C и R E1 , разработчики обычно оставляют R C постоянным, а R E1 в качестве переменной для управления усилением.
В усилителе вырождения с общим эмиттером с обводным эмиттерным резистором с параллельным резистором значение R E1 значительно меньше, чем R E , что делает путь с низким импедансом для высокочастотных сигналов через обходной конденсатор. В этой конфигурации усиление регулируется путем поддержания постоянного R C и изменения R E1 .Достоинством этой конструкции является то, что смещение постоянного тока усилителя не зависит от значения R E1 , поэтому разработчик может установить значение R E1 после того, как смещение постоянного тока будет фиксированным.
Шаги, необходимые для проектирования усилителя на транзисторах с общим эмиттером
Давайте рассмотрим шаги, необходимые для разработки транзисторного усилителя с общим эмиттером без вырождения эмиттера. В этой спецификации транзисторного усилителя некоторые параметры, такие как напряжение смещения, ток коллектора, входное сопротивление, входной сигнал переменного тока, сопротивление нагрузки, коэффициент усиления и выходное напряжение, могут быть указаны в соответствии с конструкцией усилителя.Далее рассмотрим приведенные значения: напряжение смещения V CC , ток коллектора I C , входное сопротивление R в и сопротивление нагрузки R L .
Шаг 1: Определите R
CЧтобы вычислить значение RC, мы можем использовать уравнение (1), приведенное ниже. Значения V CC и I C известны. Для симметричного выхода максимально возможное значение напряжения V CE составляет 0,5 В CC . Таким образом, подставив эти известные значения и изменив уравнение, мы можем получить уравнение (2), позволяющее рассчитать R C .
Шаг 2: Определение точки «Q»
После получения значений V CE и I C точку Q можно найти по выходным характеристикам транзистора. По выходным характеристикам транзистора найдите кривую тока базы, на которой лежит координата (0,5V CC , I C ). Получен базовый ток, необходимый для этой точки смещения.
Шаг 3: Определите R
EЭмиттерный резистор R E обычно устанавливается как 10% от резистора R C :
Шаг 4. Определите напряжение эмиттера V
EИспользование Значения I B и I C , ток эмиттера I E можно рассчитать с помощью следующего уравнения:
Шаг 5: Определить базовое напряжение V
BШаг 6: Определить R
B1 и R B2Резисторы RB1 и RB2 должны быть спроектированы так, чтобы базовый ток IB, протекающий в цепи, соответствовал базовому току Q-точки.Эквивалентная схема Тевенина делителя напряжения образована RB1 и RB2. VBB – это эквивалентное напряжение Тевенина, RB – эквивалентное сопротивление Тевенина, а Rib – входное сопротивление со стороны базы транзистора.
Шаг 7: Расчет сопротивления Тевенина R B
Входное сопротивление R в можно записать в виде уравнения (9). Сопротивление R ib можно рассчитать по уравнению (10). Из известных значений R в и R ib , сопротивление R B может быть получено из уравнения (9).
Базовое напряжение может быть задано как:
Шаг 8: Рассчитайте R
B1 и R B2Из уравнений (7), (8) и (11) резисторы R B1 и R B2 можно рассчитать.
Шунтирующий конденсатор C E1 выбирается так, чтобы он подчинялся уравнению (12), где X CE – реактивное сопротивление байпасного конденсатора C E1 :
Шаг 9: Определите CC1 и CC2
Конденсаторы связи можно рассчитать с помощью следующих уравнений:
Для удовлетворения требований к усилителям в электронных приложениях можно использовать варианты транзисторных усилителей с общим эмиттером с вырождением или без него.Базовая конструкция усилителя на транзисторах с общим эмиттером может быть выполнена, выполнив шаги с 1 по 9, если известны значения V CC , I C , R в и R L . В зависимости от параметров, указанных в технических характеристиках усилителя, различные уравнения выводятся из принципиальной схемы усилителя, которая поддерживает конструкцию компонентов усилителя.
Подпишитесь на нашу рассылку для получения последних обновлений. Если вы хотите узнать больше о том, как Cadence предлагает вам решение, поговорите с нами и нашей командой экспертов.
Транзисторный усилитель: теория, работа, принципиальная схема
Усиление – это процесс увеличения слабого сигнала. В системах управления усилители используются для увеличения токов и напряжений малых сигналов, чтобы они могли выполнять полезную работу.
Усиление достигается за счет использования небольшого входного сигнала для управления выходом энергии от более крупного источника, такого как блок питания.
Коэффициент усиления усилителяУсиление осуществляется транзисторами и операционными усилителями (ОУ).Усилители необходимы для усиления эффекта небольшого изменения напряжения. Ток и сопротивление производятся входными датчиками.
Основная задача усилителя – добиться усиления. Коэффициент усиления – это отношение амплитуды выходного сигнала к амплитуде входного сигнала.
При определении усиления усилитель можно рассматривать как черный ящик. Сигнал, подаваемый на вход черного ящика, приводит к выходу из ящика.Математически усиление можно найти, разделив выход на вход:
\ [Gain = \ frac {Output} {Input} \]
Часто один усилитель не обеспечивает достаточного усиления для увеличения выходного сигнала до необходимой амплитуды. В таком случае можно использовать два или более усилителя для получения необходимого усиления. См. Рисунок 1.
Например, , усилитель A имеет коэффициент усиления 10, а усилитель B имеет коэффициент усиления 10. Общий коэффициент усиления двух усилителей равен 100 (10 × 10 = 100). Если бы коэффициенты усиления усилителей составляли 8 и 9 соответственно, общее усиление было бы 72 (8 × 9 = 72).
Усилители, подключенные таким образом, называются каскадными усилителями . Для многих усилителей коэффициент усиления исчисляется сотнями или даже тысячами.
Рис. 1. Добавление усилителей для получения необходимого усиления, если один усилитель не обеспечивает достаточного усиления для увеличения выходного сигнала до необходимой амплитуды.
Примечание: Усиление – это отношение выходного сигнала к входному, и к нему не привязаны единицы измерения, такие как вольты или амперы.Поэтому термин «усиление» используется для описания усиления по току, усилению по напряжению и усилению по мощности. В каждом случае вывод просто сравнивается с вводом.
Теория транзисторного усилителя Транзисторымогут использоваться в качестве устройств усиления переменного тока. Транзистор – это трехконтактное устройство, которое регулирует ток через устройство в зависимости от величины напряжения, приложенного к базе. Транзисторы биполярные устройства .
Биполярное устройство – это устройство, в котором и дырки, и электроны используются в качестве внутренних носителей для поддержания протекания тока.Транзисторы могут быть транзисторами PNP или NPN.
Транзистор PNP сформирован путем размещения тонкого слоя материала N-типа между двумя слоями материала P-типа. Транзистор NPN сформирован путем размещения тонкого слоя материала P-типа между двумя слоями материала N-типа. См. Рисунок 2.
Рис. 2. Обозначение транзистора PNP и обозначение транзистора NPN
Клеммы транзистора – это эмиттер (E), база (B) и коллектор (C). Символы для транзисторов PNP и NPN показывают эмиттер, базу и коллектор в одних и тех же местах. Разница в выводах – это направление стрелки эмиттера.
В обоих случаях стрелка указывает от материала P-типа к материалу N-типа.
Схема транзисторного усилителяТри основных транзисторных усилителя: с общим эмиттером, с общей базой и с общим коллектором. См. Рисунок 3.
Каждый усилитель назван в честь транзисторного соединения, общего для входа и нагрузки. Например, , вход схемы с общим эмиттером проходит через базу и эмиттер, а нагрузка – через коллектор и эмиттер. Таким образом, излучатель общий для входа и нагрузки.
Рисунок 3. Принципиальная схема трех основных транзисторных усилителей: транзисторный усилитель с общим эмиттером, транзисторный усилитель с общей базой и транзисторный усилитель с общим коллектором.
Транзисторыизготавливаются с двумя или тремя выводами, выходящими из корпуса.См. Рисунок 4. Эти пакеты принимаются во всей отрасли независимо от производителя.
Когда необходимо использовать транзистор определенной формы, для справки используется номер контура транзистора (TO).
Номер контура транзистора (TO) – это номер, определяемый производителем, который представляет форму и конфигурацию транзистора. См. Рисунок 5.
Габаритные номера транзисторов определяются отдельными производителями. Примечание: на виде снизу транзистора ТО-3 видны только два вывода (клеммы).Обычно транзисторы используют металлический корпус в качестве вывода коллекторного вывода.
Рисунок 4 . Транзисторы имеют два или три вывода, выходящих из корпуса.
Рис. 5. Номер контура транзистора (TO) – это число, определяемое производителем, которое представляет форму и конфигурацию транзистора.
Смещение транзистораВ любой транзисторной схеме соединение база / эмиттер всегда должно быть смещено в прямом направлении, а соединение база / коллектор всегда должно быть смещено в обратном направлении.См. Рисунок 6.
Внешнее напряжение (напряжение смещения) подключается так, что положительный вывод подключается к материалу P-типа (основание), а отрицательный вывод подключается к материалу N-типа (эмиттер). Эта компоновка смещает вперед переход база / эмиттер.
Ток течет от эмиттера к базе. Происходит то же действие, что и для полупроводникового диода с прямым смещением.
В любой транзисторной схеме переход база / коллектор всегда должен иметь обратное смещение.Внешнее напряжение подключается так, что отрицательная клемма подключается к материалу P-типа (основание), а положительная клемма подключается к материалу N-типа (коллектор). Эта компоновка смещает соединение база / коллектор в обратном направлении.
Во внешней цепи течет только очень небольшой ток (ток утечки). Происходит то же действие, что и в полупроводниковом диоде с обратным смещением.
Рисунок 6. В транзисторной схеме соединение база / эмиттер всегда должно быть смещено в прямом направлении, а соединение база / коллектор всегда должно быть смещено в обратном направлении.
Ток транзистора
Отдельные PN-переходы могут использоваться в сочетании с двумя схемами смещения. Переход база / эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база / коллектор – в обратном. Такое расположение цепей приводит к совершенно иному пути тока, чем путь, возникающий при раздельном смещении отдельных цепей.См. Рисунок 7.
Прямое смещение схемы база / эмиттер заставляет эмиттер инжектировать электроны в обедненную область между эмиттером и базой.
Поскольку толщина базы составляет менее 0,001 ′ ′ для большинства транзисторов, более положительный потенциал коллектора тянет электроны через тонкую базу. В результате больший процент (95%) доступных свободных электронов из эмиттера проходит непосредственно через базу (IC) в материал N-типа, который является коллектором транзистора.
Рис. 7. В транзисторе создается совершенно другой путь тока, когда оба перехода смещены одновременно, чем когда каждый переход смещен отдельно.
Что такое транзисторный усилитель? (с иллюстрациями)
Транзисторный усилитель – это электронная схема, в которой для усиления электрических сигналов используется полупроводниковый транзистор вместо лампы или интегральной микросхемы. Транзисторный усилитель, обычно используемый в аудиоприложениях, обеспечивает отличные характеристики в относительно небольшом корпусе.Он в значительной степени заменил ламповый усилитель сигнала и остается сильным конкурентом более современного усилителя на интегральных схемах (ИС).
До изобретения транзистора в 1947 году в усилителях использовались электронные лампы.Электронные лампы были большими, громоздкими, хрупкими и неэффективными, и им требовалось время, чтобы нагреться. Транзисторы устранили все эти проблемы, а также дали возможность усиливать сигналы с гораздо меньшими искажениями. Кроме того, они могли выдавать более мощные сигналы, что позволяло некоторым транзисторным усилителям выдавать сотни ватт на канал. Их небольшой размер и низкое энергопотребление также сделали возможным изобретение портативных аудиокомпонентов с батарейным питанием, таких как транзисторные радиоприемники.
Схема транзисторного усилителя относительно проста. В нем источник питания подключен к выводу коллектора транзистора, а усиливаемый сигнал поступает на вывод базы.Транзистор использует сигнал на базе, чтобы определить, сколько мощности от коллектора протекает через его затвор к выводу эмиттера, который передает усиленный сигнал. Если сравнить транзистор с вентилем крана, коллектор будет подающей трубкой, эмиттер будет там, где выходит вода, а основанием будет рука, которая включает, выключает или где-то посередине.
Усилители, использующие микросхемы IC, начали заменять транзисторные усилители в 1960-х годах.Микросхема IC объединила несколько электронных компонентов на одном небольшом кремниевом элементе, что позволяет делать больше при гораздо меньшем пространстве. Плохое качество звука и очень ограниченная выходная мощность мешали этим типам усилителей. Однако с годами технология улучшилась до такой степени, что в большинстве портативных и недорогих домашних аудиокомпонентов используются усилители на интегральных схемах.
Даже с недорогими ИС во многих домашних аудиокомпонентах по-прежнему используются транзисторные усилители, хотя их часто называют дискретными усилителями.Этот тип схемы более распространен в усилителях мощности и в конечном выходном каскаде усилителей, оба из которых принимают сигнал линейного уровня от предварительного усилителя и усиливают его для вывода на динамики. Однако в некоторых высококачественных компонентах источников и предусилителях также используются транзисторные усилители. В любом случае в этих схемах усилителя в качестве источника усиления используются металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы (MOSFET).
Транзисторный усилитель рабочий, теория.Конструкция RC-связанного усилителя, практическая принципиальная схема
Усилитель – это схема, которая используется для усиления сигнала. Входным сигналом для усилителя будет ток или напряжение, а на выходе – усиленная версия входного сигнала. Схема усилителя, основанная исключительно на транзисторе или транзисторах, называется транзисторным усилителем. Транзисторные усилители обычно используются в таких приложениях, как RF (радиочастота), аудио, OFC (оптоволоконная связь) и т. Д. В любом случае наиболее распространенным применением, которое мы видим в нашей повседневной жизни, является использование транзистора в качестве усилителя звука.Как вы знаете, обычно используются три конфигурации транзисторов: общая база (CB), общий коллектор (CC) и общий эмиттер (CE). В общей базовой конфигурации коэффициент усиления меньше единицы, а в общей конфигурации коллектора (эмиттерный повторитель) коэффициент усиления почти равен единице). Обычный эмиттерный повторитель имеет положительное усиление, превышающее единицу. Таким образом, общая конфигурация эмиттера чаще всего используется в приложениях аудиоусилителя. В этой статье мы узнаем больше о транзисторных усилителях.
Хороший транзисторный усилитель должен иметь следующие параметры; высокий входной импеданс, большая ширина полосы, высокое усиление, высокая скорость нарастания, высокая линейность, высокая эффективность, высокая стабильность и т. д. Приведенные выше параметры объясняются в следующем разделе.
Входное сопротивление: Входное сопротивление – это полное сопротивление источника входного напряжения, когда он подключен ко входу транзисторного усилителя. Чтобы схема транзисторного усилителя не нагружала источник входного напряжения, схема транзисторного усилителя должна иметь высокое входное сопротивление.
Пропускная способность.
Диапазон частот, который усилитель может должным образом усилить, называется полосой пропускания этого конкретного усилителя. Обычно полоса пропускания измеряется на основе точек половинной мощности, то есть точек, где выходная мощность становится половиной пиковой выходной мощности на графике выходной частоты Vs. Проще говоря, полоса пропускания – это разница между нижней и верхней точками половинной мощности. Ширина полосы частот хорошего аудиоусилителя должна составлять от 20 Гц до 20 кГц, потому что это диапазон частот, который слышен человеческим ухом.Частотная характеристика одноступенчатого RC-связанного транзистора показана на рисунке ниже (рис. 3). Точки с метками P1 и P2 являются точками нижней и верхней половин мощности соответственно.
АЧХ связанного RC-усилителяУсиление.
Коэффициент усиления усилителя – это отношение выходной мощности к входной. Он показывает, насколько усилитель может усилить данный сигнал. Усиление может быть просто выражено числами или в децибелах (дБ). Числовое усиление выражается уравнением G = P out / Pin .В децибелах коэффициент усиления выражается уравнением Gain in dB = 10 log (P out / P in ). Здесь Pout – выходная мощность, а Pin – входная мощность. Коэффициент усиления также можно выразить через выходное напряжение / входное напряжение или выходной ток / входной ток. Коэффициент усиления по напряжению в децибелах можно выразить с помощью уравнения: Av в дБ = 20 log (V из / V в ), а коэффициент усиления по току в дБ можно выразить с помощью уравнения Ai = 20 log (I из / I в ).
Выведение прибыли.
G = 10 log (P из / P в ) ……… (1)
Пусть P выходит = V из / R из и P в = V в / R в . Где V out – выходное напряжение, V в – входное напряжение, Pout – выходная мощность, P в – входная мощность, R в – входное напряжение и R out – выходное сопротивление. .Подставив это в уравнение 1, мы получим
G = 10log (V out² / R out ) / (V in² / R in ) …………. (2)
Пусть рэнд выходит из = рэнд в , тогда уравнение 2 превращается в
G = 10log (Vout² / Vin²)
т.е.
G = 20 log (Vout / Vin)
Эффективность.
КПД усилителя показывает, насколько эффективно усилитель использует источник питания. Проще говоря, это мера того, сколько мощности от источника питания полезно преобразовать в выходную мощность.Эффективность обычно выражается в процентах, и уравнение ζ = (P out / P s ) x 100. Где ζ – КПД, P out – выходная мощность, а P s – мощность, потребляемая от блок питания.
Транзисторные усилители класса A имеют КПД до 25%, класс AB – до 55%, класс C – КПД до 90%. Класс A обеспечивает отличное воспроизведение сигнала, но эффективность очень низкая, тогда как класс C имеет высокую эффективность, но воспроизведение сигнала плохое.Между ними стоит класс AB, поэтому он обычно используется в приложениях для аудиоусилителей.
Стабильность.
Стабильность – это способность усилителя сопротивляться колебаниям. Эти колебания могут быть колебаниями большой амплитуды, маскирующими полезный сигнал, или колебаниями очень низкой амплитуды, высокой частотой в спектре. Обычно проблемы со стабильностью возникают при работе на высоких частотах, близких к 20 кГц в случае усилителей звука. Добавление сети Zobel на выходе, обеспечение отрицательной обратной связи и т. Д. Улучшает стабильность.
Скорость нарастания.
Скорость нарастания напряжения усилителя – это максимальная скорость изменения выходной мощности в единицу времени. Он показывает, насколько быстро выходной сигнал усилителя может измениться в ответ на входной сигнал. Проще говоря, это скорость усилителя. Скорость нарастания напряжения обычно выражается в В / мкСм, и уравнение выглядит следующим образом: SR = d V o / d t.
Линейность.
Усилитель называется линейным, если существует линейная зависимость между входной мощностью и выходной мощностью.Он представляет собой равномерность усиления. 100% линейность практически невозможна, поскольку усилители, использующие активные устройства, такие как BJT, JFET или MOSFET, имеют тенденцию терять усиление на высоких частотах из-за внутренней паразитной емкости. В дополнение к этому входные развязывающие конденсаторы постоянного тока (присутствующие почти во всех практических схемах аудиоусилителей) устанавливают более низкую частоту среза.
Шум.
Шум относится к нежелательным и случайным помехам в сигнале. Проще говоря, это могут быть нежелательные колебания или частоты, присутствующие в сигнале.Это может быть связано с конструктивными недостатками, отказами компонентов, внешними помехами, из-за взаимодействия двух или более сигналов, присутствующих в системе, или из-за определенных компонентов, используемых в цепи.
Размах выходного напряжения.
Размах выходного напряжения – это максимальный диапазон, до которого может качаться выход усилителя. Он измеряется между положительным пиком и отрицательным пиком, а в усилителях с однополярным питанием он измеряется от положительного пика до земли. Обычно это зависит от таких факторов, как напряжение питания, смещение и номинальные характеристики компонентов.
Усилитель с RC-связью с общим эмиттером.
Усилитель с RC-связью с общим эмиттером – один из самых простых и элементарных транзисторных усилителей, которые можно сделать. Не ждите большого шума от этой маленькой схемы, основная цель этой схемы – предварительное усиление, то есть сделать слабые сигналы достаточно сильными для дальнейшей обработки или усиления. При правильной конструкции этот усилитель может обеспечить отличные характеристики сигнала. Принципиальная схема одноступенчатого RC-связанного усилителя с общим эмиттером на транзисторе показана на рис.
RC-соединенный усилительКонденсатор Cin – это входной развязывающий конденсатор постоянного тока, который блокирует любую составляющую постоянного тока, если она присутствует во входном сигнале, от достижения базы Q1. Если какое-либо внешнее напряжение постоянного тока достигнет базы Q1, это изменит условия смещения и повлияет на характеристики усилителя.
R1 и R2 – резисторы смещения. Эта сеть обеспечивает базу транзистора Q1 необходимым напряжением смещения, чтобы направить его в активную область. Область работы, в которой транзистор полностью отключен, называется областью отсечки, а область работы, где транзистор полностью включен (например, замкнутый переключатель), называется областью насыщения.Область между отсечкой и насыщением называется активной областью. См. Рис. 2 для лучшего понимания. Для правильной работы транзисторного усилителя он должен работать в активной области. Давайте рассмотрим эту простую ситуацию, когда нет смещения для транзистора. Как мы все знаем, кремниевый транзистор требует 0,7 В для включения, и, несомненно, эти 0,7 В будут взяты из входного аудиосигнала транзистором. Таким образом, все части входной формы волны с амплитудой ≤ 0,7 В будут отсутствовать в выходной форме волны.С другой стороны, если транзистор имеет сильное смещение на базе, он войдет в состояние насыщения (полностью включен) и будет вести себя как замкнутый переключатель, так что любое дальнейшее изменение тока базы из-за входного аудиосигнала не вызовет любое изменение в выводе. Напряжение на коллекторе и эмиттере в этом состоянии будет 0,2 В (Vce sat = 0,2 В). Вот почему для правильной работы транзисторного усилителя требуется правильное смещение.
Выходные характеристики BJTCout – выходной конденсатор развязки постоянного тока.Это предотвращает попадание любого постоянного напряжения на следующую ступень с текущей ступени. Если этот конденсатор не используется, выход усилителя (Vout) будет ограничен уровнем постоянного тока на коллекторе транзистора.
Rc – резистор коллектора, а Re – резистор эмиттера. Значения Rc и Re выбраны таким образом, чтобы 50% Vcc попадало на коллектор и эмиттер транзистора. Это делается для того, чтобы рабочая точка находилась в центре линии нагрузки.40% Vcc отбрасывается через Rc, а 10% Vcc отбрасывается через Re. Более высокое падение напряжения на Re приведет к уменьшению размаха выходного напряжения, поэтому принято поддерживать падение напряжения на Re = 10% Vcc. Ce – обводной конденсатор эмиттера. При нулевом сигнале (то есть при отсутствии входа) через Re течет только ток покоя (установленный резисторами смещения R1 и R2). Этот ток представляет собой постоянный ток величиной несколько миллиампер, и Ce ничего не делает. При подаче входного сигнала транзистор усиливает его, и в результате через Re течет соответствующий переменный ток.Задача Ce – шунтировать эту переменную составляющую эмиттерного тока. Если Ce нет, весь ток эмиттера будет проходить через Re, что вызывает большое падение напряжения на нем. Это падение напряжения добавляется к Vbe транзистора, и настройки смещения будут изменены. На самом деле это все равно, что дать тяжелую отрицательную обратную связь, и поэтому она резко снижает усиление.
Конструкция усилителя с RC-цепочкой.
Конструкция одноступенчатого RC-связанного усилителя показана ниже.
Номинальное значение тока коллектора Ic и hfe можно получить из таблицы данных транзистора.
Дизайн Re и Ce.
Подать напряжение на Re; V Re = 10% V куб. См …………. (1)
Напряжение на Rc; V Rc = 40% V куб. …………… .. ( 2 )
Остальные 50% попадут на коллектор-эмиттер.
Из (1) и (2) R c = 0,4 (V cc / I c ) и Re = 01 (V cc / I c ).
Конструкция R1 и R2.
Базовый ток I b = I c / hfe.
Пусть I c ≈ I e .
Пропустить ток через R1; Я R1 = 10I б.
Также напряжение на R2; V R2 должен быть равен V быть + V Re. Из этого VR2 можно найти.
Следовательно, V R1 = V куб.см -V R2. Поскольку VR1, VR2 и IR1 найдены, мы можем найти R1 и R2, используя следующие уравнения.
R1 = V R1 / I R1 и R2 = V R2 / I R1.
В поисках Ce.
Сопротивление шунтирующего конденсатора эмиттера должно составлять одну десятую Re.
т.е. XCe = 1/10 (Re).
Также X Ce = 1 / 2∏F Ce.
F можно выбрать равным 100 Гц.
Из этого Ce можно найти.
В поисках Кин.
Импеданс входного конденсатора (C в ) должен составлять одну десятую входного сопротивления транзистора (R в ).
т.е. X Cin = 1/10 ( рэндов в )
Rin = R1 параллельно R2 параллельно (1 + (hfe re))
re = 25 мВ / л e.
Xcin = 1 / 2∏FCin.
Из этого C можно найти в .
В поисках Коута.
Импеданс выходного конденсатора (C из ) должен составлять одну десятую выходного сопротивления схемы (R из ).
г.e, XC из = 1/10 (R из ).
рандов из = рандов c.
X Cout = 1/2 FC out.
Из этого Cout можно найти.
Установка усиления.
Введение подходящего нагрузочного резистора RL на коллекторе и земле транзистора установит усиление. Это не показано на рис.
Выражение для коэффициента усиления по напряжению (A v ) транзисторного усилителя с общим эмиттером выглядит следующим образом.
A v = – ( RC / re )
относительно = 25 мВ / л e
и rc = R c параллельно RL
Из этого RL можно найти.
