1. Активний режим транзистора
2. Двухрезісторная схема зсуву
3. Розрахунок каскаду c двома резисторами
4. мінуси схеми
5. висновок

У цій статті ми розглянемо і навіть порахуємо невеликий каскад, а також зберемо його в реалі і випробуємо на практиці.

Активний режим транзистора

Якщо ви читали минулу статтю, то напевно пам'ятаєте, що транзистор в режимі посилення працює тільки в активному режимі. Цей активний режим знаходиться між режимами відсічення і насичення:

Отже, вихідний посилений сигнал повинен знаходитися в області активного режиму, інакше він буде сильно спотворюватися.

Далі згадуємо нехитру формулу

коефіцієнт бета - це коефіцієнт посилення по струму в схемі з загальним емітером (ОЕ). Ну і що все це означає? А значить це те, що в будь-якому транзисторі в активному режимі струм колектора в β (бета) разів більше, ніж струм бази. задавши крихітну силу струму через базу, ми в бета раз можемо збільшити силу струму в ланцюзі колектора.

Що буде, якщо на базу ми подамо змінний сигнал напруги? Отже, в ланцюзі бази змінний сигнал буде або збільшувати, або зменшувати силу струму, що протікає через базу, а змінна сила струму через базу в свою чергу буде "тягнути" за собою силу струму в ланцюзі колектор а, який буде в бета разів більше, ніж базовий струм.

Якщо вставити резистор в ланцюг колектора, то можна буде з нього знімати напругу. Ну хіба не чудово? А звідки візьметься напруга на резисторі? Справа в тому, що резистор і перехід колектор-емітер володіють опором . Самий прикол в тому, що перехід колектор-емітер - це кероване опір, залежне від струму бази. отримуємо простий дільник напруги ;-)

Але для того, щоб підсилювати змінний сигнал правильно, є одне АЛЕ ... І це "НО" полягає ще в одному резисторі.

Двухрезісторная схема зсуву

Я хочу посилити синусоїдальний сигнал і тому подаю його на базу транзистора. На виході хочу отримати посилену копію.

Для того, щоб отримати гарну посилену копію, треба щоб ця копія не виходила за межі режиму відсічення і насичення і бажано, щоб вона розташовувалася посередині активної області. Тобто треба цей сигнал змістити в середину активної області:

Тому, потрібно додати до схеми ще один резистор, щоб вийшла схема зсуву.

Отже, давайте розглянемо найпростішу схему зміщення і на її прикладі розберемося, що до чого

Що тут маємо?

Uпит - напруга живлення. На Uвх подаємо змінний сигнал, на U вих отримуємо посилену копію. Або більш зрозуміло:

Отже, давайте розглянемо призначення радіоелементів в цій схемі. Транзистор використовується для посилення. Я думаю, ви це вже зрозуміли :-) Резистор R2 служить для того, щоб у нас вийшов дільник напруги і потім можна буде зняти з резистора цю напругу.

Конденсатори С1 і С2 у нас пропуску ют змінний струм, а постійний не пропускають. А нам постійний струм на вході і на виході не потрібен. Адже ми хочемо посилювати змінний струм, чи не так?

І найголовніший радіоелемент в цій схемі вважається резистор R1, який якраз і задає режим роботи підсилювача. Навіщо він тут потрібен?

По-перше, щоб відімкнути транзистор. Вивести його з режиму відсічення в активний режим. А для цього, як ви пам'ятаєте, досить подати напругу більше, ніж падіння напруги на переході база - емітер, яке для кремнієвих транзисторів складає 0,6-0,7 Вольт. Тому, Uпит має бути більше, ніж падіння напруги на переході база-емітер.

По-друге, поставити базовий струм, так як через ланцюг + Uпит -> R1 -> база -> емітер -> земля потече струм, сила струму якого буде залежати від того, який резистор ми туди застромимо.

По-третє, задаючи потрібний базовий струм цим резистором, ми вибираємо режим роботи нашого підсилювача. Зараз нас цікавить режим, при якому сигнал буде "бовтатися" між режимами відсічення і насичення приблизно в середині активного режиму.

Як цього добитися?

Для зручності нехай у нас R1 називається RБ (базовий резистор), а R2 назвемо Rк (колекторний резистор):

Так як ми хочемо отримати посилену копію сигналу в активному (лінійному) режимі транзистора, отже, нам треба домогтися того, щоб через базу протікала така сила струму, щоб напруга на колекторі (в вузлі, куди чіпляється конденсатор С2) було ровнехонько половинка від U піт .

Не забуваємо, що у нас вхідний сигнал, що подається на базу, може приймати як позитивні значення, так і негативні. Отже, напруга на колекторі буде приймати меншу або більшого значення. А щоб уже підсилюваний сигнал не доходив до режиму відсічення або насичення, ми його якраз і будемо тримати в серединці активної області.

Розрахунок каскаду c двома резисторами

Беремо рудий радянський транзистор КТ315Б і розрахуємо ось таку схемку при напрузі живлення в 9 Вольт

Для того, щоб розрахувати схему, треба діяти з кінця, тобто з виходу схеми.

Для отримання посиленою копії сигналу, нам треба, щоб напруга на колекторі дорівнювало половині напруги живлення, тобто отримуємо Uк = 9 В / 2 = 4,5 Вольт. Це означає, що на Rк падає напруга в 4,5 Вольт і на транзисторі між висновками колектора і емітера теж падає 4,5 Вольт. Для малопотужних каскадів в основному струм колектора Ік беруть в 1 міліампер, це означає, що струм потече по ланцюгу +9 В -> Rк -> колектор> емітер -> земля і якщо його заміряти в цьому ланцюзі, то отримаємо 1 мА .

Довго не думаючи, знаходимо, чому дорівнює R к. згадуємо дядечка Ома і отримуємо, що Rк = Uк / Ік = 4,5 В / 1 мА = 4,5 кОм. Беремо найближчий з ряду, тобто на 4,7 кОм.

Наступним кроком нам треба приблизно дізнатися коефіцієнт бета. У цьому нам може допомогти простий мультиметр з функцією виміру HFE (β) або RLC-транзистор метр . У моєму випадку на RLC-транзистор-метрі вийшло щось близько 142.

Вираховуємо струм бази. Так як ми знаємо, що

З цієї формули знаходимо IБ. Виходить, що IБ = Ік / β = 1 мА / 142 = 7 мікроампер.

Наступною справою знаходимо опір базового резистора: RБ = (Uпит -0,6) / Іб = 9 В / 7мкА = 1,2 мега. У цій формулі 0,6 В ми беремо, як падіння напруги на переході база-емітер.

Наступним кроком вставляємо ближче до номіналу цей резистор з найближчого ряду і заміряємо силу струму по ланцюгу +9 В -> Rк -> колектор> емітер -> земля за допомогою міліамперметра. Швидше за все ви не отримаєте на міліамперметрів значення в 1 мА, тому треба буде підганяти значення RБ або за допомогою потенціометра або магазина опору , Щоб амперметр показав нам 1 мА на табло. У моєму випадку RБ я підібрав номіналом в 1 Мега.

Ну тепер справа за малим. Конденсатори С1 і С2 використовуються для того, щоб пропускати і знімати тільки змінну напругу, так як ми з вами знаємо, що конденсатор постійний струм через себе не пропускає. Для посилення звукових частот (від 20 і до 20 000 Герц), а також частот більше 20 000 Гц цілком підійдуть конденсатори в 10 мкФ.

Ось фото мого підсилювача, амперметр показує струм в 1,04 міліампер.

Тепер подаю на вхід конденсатора С1 слабкий синусоїдальний сигнал. У нас виходить цікава штука. Після того, як я налаштував каскад, на базі є постійна напруга. Якщо додати до цього напрузі ще напруга, струм бази збільшиться, що призведе до збільшення колекторного струму. Якщо ж зменшити, то навпаки у нас ток бази зменшиться і отже, колекторний струм теж зменшиться. Змінний сигнал, що подається на базу зменшується і збільшується по черзі, отже, виходить типу щось цього:

А ось і осцилограми, які у мене вийшли. Червоний сигнал - це вхідний, який ми подаємо на С1, а жовтий - вихідний, який знімаємо з С2. Частота сигналу і його ціна ділення показані в нижньому лівому куточку скриншота осцилографа.

Ну ось! Більш менш схоже на правду!

Якщо ви помітили своїм спостережливим оком, є одне АЛЕ ... Фаза посиленого сигналу протилежна фазі вихідного сигналу. Якщо ще пам'ятаєте алгебру, то можна сказати, що фаза посиленого сигналу і фаза вихідного розрізняються на 180 градусів. Виходить, що підсилювач за схемою з ОЕ (загальним емітером) інвертує фазу сигналу.

Давайте збільшимо амплітуду вихідного сигналу:

Як ми бачимо, посилений сигнал спотворився. У справу вступили так звані нелінійні спотворення , Тому що наш посилений сигнал дістався до області відсічення (верхній рівень жовтого графіка) і до області насичення (нижній рівень жовтого графіка). Ви ж не забули, що сигнал інвертований? У режимі відсічення, як ми бачимо, синусоїда заокруглилась, а в режимі насичення вона не могла стати більш 9 Вольт, тобто більше, ніж Uпит, тому її різко зрізало.

Давайте посилимо трикутний сигнал

Вийшли трохи "пухловатие" гірки. Як ми бачимо, даний тип підсилювача має погану лінійністю. Це означає, що він не пропорційно збільшує вихідний сигнал.

Давайте посилимо прямокутний сигнал

Начебто нормально.

Навіть якщо додати амплітуду, то сигнал залишається за формою таким же.

Прямокутні сигнали посилювати, передавати, обробляти набагато простіше, тому цифрова електроніка зробила крок далеко вперед.

Даний тип підсилювача, працює в класі "А", тобто в режимі лінійного підсилювача. Це означає, що ми повністю підсилюємо форму сигналу, який подаємо на вхід такого підсилювача. Є також підсилювачі B, C, D класу і інші. У цих підсилювачах посилюється не вся форма сигналу, а залишки сигналу зрізаються в області відсічення.

мінуси схеми

У чому мінуси цієї схеми? У цій схемі робочий режим залежить від коефіцієнта бета. Це не є гуд.

"Схему можна вважати поганою, якщо на її характеристики впливає величина параметра бета"

Хорвіц і Хілл "Мистецтво схемотехніки"

Справа в тому, що коефіцієнт бета "гуляє" в залежності від температури. Отже, наш графік буде зміщений, що призведе до нелінійних спотворень, так як він буде ближче знаходиться або до області насичення, або до області відсічення

висновок

Що хочу сказати по цій схемі? Схема - какашка. Вона годиться тільки для посилення сигналів з малою амплітудою. Цей приклад я показав, щоб вам було зрозуміліше, що і як відбувається в простий підсилювальної схемою на транзисторі. Збирати її не варто, тому що в цій статті вона показана, щоб ви розуміли процес посилення. На практиці краще її не використовувати. У наступній статті ми розберемо і розрахуємо якісний підсилювач, який не боїться коефіцієнта бета, а також перевіримо цей підсилювач в справі.