Что такое транзисторный каскад

9

Как работает усилительный каскад на транзисторе, начинающим

Что такое транзисторный усилительный каскад и как он работает, примеры схем усилительных каскадов на транзисторе. В любой аналоговой электронной технике применяются усилительные каскады на транзисторах, как самостоятельные, так и в составе микросхем. И так, из школьного курса физики, мы знаем что биполярные транзисторы бывают структур P-N-P и N-P-N.

Вдаваться в подробности строения кристалла мы здесь не будем. Лучше разберемся что это нам дает. Так вот, питание биполярного транзистора P-N-P подается плюсом на его эмиттер, а минусом на его коллектор. И некоторое отрицательное, относительно эмиттера, напряжение смещения подается на его базу.

А вот питание биполярного транзистора N-P-N, совсем наоборот, — подается минусом на его эмиттер, а плюсом на его коллектор, и некоторое положительные, относительно эмиттера, напряжение смещение на его базу. Здесь будем рассматривать усилительные каскады на транзисторах структуры N-P-N.

Потому что такие каскады сейчас наиболее распространены, — почти вся современная аппаратура имеет общий минус, а питается положительным напряжением относительно общего минуса. Все что здесь будет сказано в отношении транзистора N-P-N применимо и к транзистору P-N-P, только все напряжения будут в обратной полярности.

Простейшие схемы усилительных каскадов на транзисторах

На рисунках 1 и 2 показаны простейшие схемы резистивных усилительных каскадов на транзисторах, включенных по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Схема с общим эмиттером позволяет усиливать как ток, так и напряжение сигнала.

Рис. 1. Простейшая схема резистивного усилительного каскада на транзисторе с общим эмиттером (ОЭ).

Рис. 2. Еще одна схема резистивного усилительного каскада на транзисторе с общим эмиттером (ОЭ).

Есть два основных способа подачи напряжения смещения на базу транзистора в схеме с ОЭ. В схеме на рисунке 1 напряжение на базу подается через резистор R6, при этом само напряжение на базе зависит от делителя, состоящего из R6 и внутреннего сопротивления база-эмиттер транзистора.

В такой схеме для получения нужного напряжения смещения R6 имеет обычно большое сопротивление. Такой тип смещения называют смещением, фиксированным током базы.

На рисунке 2 напряжение базового смещения создается делителем из резисторов Rб1 и Rб2. В такой схеме сопротивление базовых резисторов может быть значительно меньше.

Это интересно тем, что изменение сопротивления эмиттер-база под действием изменения температуры в меньшей степени влияет на напряжение на базе транзистора. Такой каскад более термостабилен.

Кроме того меньше влияния на рабочую точку транзистора изменений в кристалле транзистора от старения, или при замене неисправного транзистора другим. Такой тип смещения называется фиксированным напряжением база-эмиттер.

Недостаток схемы на рис.2 в том, что входное сопротивление такого каскада значительно ниже, чем в схеме по рис.1. Но это важно, только если нужно большое входное сопротивление.

Разные экземпляры даже однотипных транзисторов могут существенно отличаться своими статическими параметрами, кроме того, есть и зависимость от температуры, поэтому желательно чтобы в усилительном каскаде была стабилизация режима работы транзистора.

Проще всего это сделать введением в каскад отрицательной обратной связи (ООС) по постоянному току, так, чтобы изменения входного тока или напряжения, к которым приводит работа ООС, противодействовали влиянию дестабилизирующих факторов.

Коллекторная стабилизация режима работы транзистора

На рисунке 3 показана схема коллекторной стабилизации режима работы транзистора. Обратите внимание, — каскад очень похож на схему на рис.1, но базовый резистор R6 подключен не к плюсу источника питания (+Uп), а к коллектору транзистора. Теперь получается, что напряжение смещения на базе транзистора зависит от напряжения на его коллекторе.

Которое, в свою очередь, зависит от напряжения на базе. И если по какой-то причине напряжение на коллекторе изменится, то и напряжение на базе изменится таким образом, что необходимая рабочая точка каскада будет восстановлена.

Рис. 3. Схема коллекторной стабилизации режима работы транзистора.

Эмиттерная стабилизация режима работы транзистора

Более высокой стабильности можно достигнуть применив эмиттерную стабилизацию режима работы транзистора (рис.4). Здесь стабильность повышается при увеличении сопротивления Rэ и уменьшении сопротивлений Rб1 и Rб2.

Однако и слишком большим сопротивление Rэ выбирать не следует, потому что при этом напряжение коллектор-эмиттер может оказаться слишком малым.

Не стоит увлекаться и сильным уменьшением сопротивлений R61 и R62, потому что при очень малых их величинах не только увеличивается ток потребления, но и, что гораздо важнее, очень сильно снижается входное сопротивление.

Рис. 4. Эмиттерная стабилизация режима работы транзистора.

Чтобы снизить влияние ООС на переменный ток вводится конденсатор Сэ. Как известно, конденсатор имеет реактивное сопротивление, и постоянный ток через него не проходит, но проходит переменный. В результате переменный ток «обтекает» резистор Rэ через реактивное сопротивление Сэ.

И результирующее сопротивление в цепи эмиттера по переменному току оказывается значительно ниже, чем по постоянному. Поэтому ООС по переменному току значительно меньше, чем по постоянному.

Каскад с общим коллектором

Схема каскада с общим коллектором (рис.5.) обеспечивает усиление входного сигнала только по току.

Такие каскады называются эмиттерными повторителями, потому что по напряжению они не усиливают сигнал, а только повторяют его (было на входе 0,5V, и на выходе тоже будет 0,5V).

Но сила тока на выходе через нагрузку будет больше.

Они применяются тогда, когда нужно получить большое входное сопротивление. Отличие каскада с ОК (общим коллектором) от каскада ОЭ (общим эмиттером) в том, что в схеме с ОК выходной сигнал снимается с эмиттера. При этом сигнал не усиливается по напряжению и не инвертируется.

Рис. 5. Схема каскада с общим коллектором.

В схеме же с ОЭ сигнал инвертируется. Это демонстрируется на рисунках изображениями синусоид у входа и выхода каскадов. В схеме с ОЭ выходная синусоида противофазна входной. В схеме с ОК — они синфазны.

Схемы включения транзисторов: общий эмиттер, общая база, общий коллектор

В этой статье более подробно поговорим о различных схемах включения транзистора в усилительных каскадах. И начнём с шуточного равенства: 2 + 2 = 3. Как же так, спросите вы? Очень просто: обычный усилительный каскад является четырёхполюсником, у него два провода для источника сигнала и два для нагрузки. А у транзистора всего три вывода: база, эмиттер, коллектор. Следовательно, один из выводов транзистора должен быть общим и для входной и для выходной цепи. Общим может быть любой из выводов, значит, возможны схемы с общей базой, с общим эмиттером и общим коллектором.

Отметим, что то же самое можно сказать об усилительных каскадах на полевых транзисторах, у них бывают схемы с общим затвором, общим истоком, общим стоком. А применительно к радиолампам говорят об общей сетке, общем аноде и общем катоде. Но, пока что давайте остановимся на биполярных транзисторах.

Содержание статьи:

Схема с общим эмиттером

Начнём со схемы с общим эмиттером. Она является самой распространённой, и, наверное, знакома большинству читателей. При таком включении транзистора достигается наибольшее усиление сигнала по мощности.

Схема с общим эмиттером в упрощённом виде

Мы уже обсуждали подобную схему в одной из статей. А сейчас остановимся на таких важных характеристиках усилительного каскада, как входное и выходное сопротивление.

Входное и выходное сопротивление каскада

Дело в том, что транзистор оказывает разное сопротивление постоянному и переменному токам. Чтобы в этом убедиться, посмотрим на выходную характеристику транзистора. Она показывает связь между током базы, током коллектора и напряжением на коллекторе.

Выходная характеристика транзистора в схеме с общим эмиттером

Как определить сопротивление постоянному току? Очень просто, по закону Ома: взять напряжение и поделить на силу тока. Давайте вычислим сопротивление в рабочей точке А (см. рисунок). Получается 4.5 В / 4.5 мА = 1 кОм.

В случае переменного тока нужно смотреть на дифференциальное сопротивление. Если простыми словами: насколько сильно меняется ток при изменении напряжения. В приведённом примере, если напряжение на коллекторе меняется от 3 до 7 вольт при фиксированном токе базы, это довольно слабо влияет на ток коллектора, он меняется всего на 0.1 мА. Это соответствует сопротивлению (7-3)/0.1 = 40 кОм. Как видите, сопротивления постоянному и переменному току значительно отличаются.

Аналогичные рассуждения можно провести для входного сопротивления транзисторного каскада, только там нужно рассматривать вольт-амперную характеристику эмиттерного перехода.

Почему важны все эти сопротивления? Дело в том, что для наибольшей эффективности схемы сопротивления между каскадами должны быть согласованы.

Согласование сопротивлений

Посмотрим на следующий рисунок. Выходное сопротивление источника сигнала и входное сопротивление нагрузки образуют делитель напряжения.

Слева: подключение нагрузки к источнику с внутренним сопротивлением. Справа: график зависимости тока, напряжения и мощности, выделяемой на нагрузке, при фиксированном R_ист=10 Ом и разном сопротивлении нагрузки R_нагр.

На графике видно, что наибольшая мощность достигается при равенстве R_ист и R_нагр.

Это и понятно: если сопротивление нагрузки мало, то ей достаётся слишком маленькая доля напряжения сигнала. А если сопротивление нагрузки велико, то слишком малой будет сила тока в цепи.

И теперь мы подходим с самому главному: различные схемы включения транзистора имеют разное входное и выходное сопротивление. Это позволяет упростить согласование каскадов с источником сигнала или с нагрузкой.

Схема с общей базой

Схема с общей базой в упрощённом виде

В схеме с общей базой (ОБ) по входной цепи проходит уже не маленький базовый ток, а весь эмиттерный ток целиком. Из этого вытекают два следствия. Во-первых, коллекторный ток не может быть больше эмиттерного. А, значит, схема с общей базой не даёт усиления по току (по этой причине схему ОБ называют повторителем тока). Во-вторых, входное сопротивление такой схемы очень мало: ток протекает большой, а напряжение база-эмиттер невелико. Большой ток при маленьком напряжении и означает низкое сопротивление.

Что касается выходного сопротивления, оно, наоборот, выше, чем в схеме с ОЭ. Коллекторное напряжение практически не влияет на ток, т.к. цепь коллектора полностью изолирована от командного пункта транзистора, эмиттерного перехода. Маленькое изменение тока при большом изменении напряжения как раз и означает высокое дифференциальное сопротивление.

Отметим, что схема с общей базой не инвертирует сигнал. В схеме с общим эмиттером, когда напряжение на базе растёт, на коллекторе оно падает, т.е. сигнал поворачивается на 180 градусов. В схеме с общей базой такого не происходит, вход и выход находятся в фазе.

Важное преимущество схемы с общей базой — она лучше работает на высоких частотах, поскольку в ней практически к нулю сведён так называемый эффект Миллера. Остановимся на нём чуть подробнее.

Эффект Миллера

В транзисторе есть несколько паразитных ёмкостей.

Паразитные ёмкости в транзисторе

В принципе, любое скопление зарядов может являться обкладкой конденсатора, а в транзисторе, как мы знаем, три зоны разной проводимости, между которыми и возникают попарно паразитные ёмкости. Самая неприятная из них — между коллектором и базой, т.к. через этот конденсатор усиленный сигнал с коллектора попадает обратно на вход, на базу.

К примеру, если паразитная ёмкость коллектор-база составляет 4 пФ, за счёт усиления это эквивалентно ёмкости несколько сотен пФ между базой и землёй. В этом увеличении ёмкости и состоит эффект Миллера. Особенно он заметен на высоких частотах. Чем выше частота, тем ниже сопротивление паразитного конденсатора С_бк, и тем больше он искажает сигнал. Так вот, в схеме с общей базой база заземлена по переменной составляющей, так что эффект Миллера сходит на нет.

Схема с общим коллектором

Упрощённая схема включения с общим коллектором

Схема с общим коллектором в некотором смысле является обратным отражением схемы с общей базой.

Схема с ОБ не усиливала ток, а схема с ОК не усиливает напряжение: нагрузка здесь включена в эмиттерную цепь, проходящий по ней ток создаёт на нагрузке падение потенциала, которое действует против напряжения на базе, уменьшает смещение база-эмиттер. Так что если напряжение на нагрузке вдруг превысит напряжение на базе, транзистор просто закроется.

Поэтому схему с ОК называют также "эмиттерный повторитель" — она не усиливает напряжение сигнала, а только повторяет его.

Выходное сопротивление в этой схеме низкое: напряжение на нагрузке маленькое, а токи протекают значительные. В то же время входное сопротивление схемы с общим коллектором очень большое, всё из-за того же "мешающего" действия напряжения на нагрузке. Ведь базовое напряжение практически не влияет на входной ток: выросло напряжение на базе, тут же подросло напряжение на эмиттере, и смещение база-эмиттер осталось прежним, значит, не изменился и ток. Это равносильно тому, что входная цепь имеет высокое сопротивление.

Сводная табличка

Характеристики всех трёх схем сведены в табличке:

Схемы включения на практике

Отвлечёмся немного от характеристик схем включения транзистора, и обсудим важный момент. Часто новички, глядя на схему, не могут определить тип включения транзистора. Понятно, транзистор обвешан другими деталями — резисторами, конденсаторами. Какой вывод у него общий — сразу и не скажешь. Кажется, что общего вообще нету!

Здесь важно понимать такую вещь: пути постоянного и переменного тока в одной и той же схеме могут быть совершенно различны. Вполне может быть, скажем, что по постоянному току транзистор включён как ОЭ, а по переменному — как ОБ. Нужно уметь видеть две отдельных схемы в одной: "постоянную" и "переменную".

Возьмём типичный каскад по схеме ОЭ. Элементы нам знакомы: делитель задающий смещение на базу, коллекторная нагрузка, резистор температурной стабилизации. Всё это позволяет задать рабочую точку транзистора.

Схема транзисторного каскада с общим эмиттером

А теперь сделаем вот что: входной сигнал подадим не на базу, а на эмиттер. Разумеется, через разделительный конденсатор. А саму базу, опять же, через конденсатор, заземлим по переменной составляющей:

Транзистор с общей базой по переменному току

Вуаля! Мы получили включение по схеме с общей базой, по переменному сигналу. При этом, добавляя конденсаторы, мы не внесли практически никаких изменений в режим по постоянному току: сопротивление конденсатора постоянной составляющей очень велико.

Ну и рисовать схему можно по-разному. Вот, например, та же самая схема, скомпонованная по-другому:

Та же схема с общей базой в другой компоновке

Нужно уметь абстрагироваться от конкретного начертания схемы и подмечать особенности протекания постоянных и переменных токов. Ну и как Вы уже поняли, в схеме с ОБ могут использоваться те же приёмы, что и в схеме с ОЭ. Например, резистор стабилизации Rэ. Также может быть применена коллекторная стабилизация (подробнее см. статью про усилительный каскад).

Ещё один совет: ищите ту ногу транзистора, потенциал на которой постоянный. Она не обязательно должна быть заземлена (непосредственно, или через конденсатор) — но, вероятно, соединена с источником питания таким образом, что напряжение на ней постоянно, и не зависит от входного сигнала или нагрузки.

Примеры схем

Давайте посмотрим ещё несколько примеров, чтобы потренироваться.

Типичный стабилизатор напряжения для трансформаторного блока питания. Транзистор включён по схеме с общим коллектором.

Схема антенного усилителя. Первый каскад собран по схеме с ОЭ, два следующих — ОК

Один из простейших усилителей низкой частоты. Первый транзистор включен как ОЭ и усиливает мощность. Дальше идёт двухтактный каскад, оба транзистора в котором включены с общим коллектором — что позволяет без трансформатора согласовать выход с низкоомным громкоговорителем.

Усилитель высокой частоты. Первый транзистор с общим эмиттером, второй — с общей базой.

Биполярные транзисторы.Часть 3.Усилительный каскад.

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

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

Схемы включения транзистора

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

Схема с общим эмиттером

Схема с общей базой

Схема с общим коллектором.

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

Усилительные параметры транзистора

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

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

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

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

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

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

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

Цепи питания биполярных транзисторов

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

Питание коллектора

Цепи питания коллектора содержат элементы, показанные ниже.

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

Напряжение между коллектором и эмиттером транзистора U_CE выбирается в пределах

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

Схема цепей питания базы

Цепи питания базы содержат элементы, показанные ниже

Схема с фиксированным током

Схема с фиксированным напряжением

Схема с автоматическим смещением

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

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

Расчёт усилительного каскада

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

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

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

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

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

Теория это хорошо, но необходимо отрабатывать это всё практически ПОПРОБОВАТЬ МОЖНО ЗДЕСЬ

Что такое каскад в радио схеме

При реализации транзисторных усилителей приходится решать ряд специфических задач. Прежде всего требуется обеспечить рабочий режим транзистора. Виды рабочих режимов транзистора, таких как режим линейного усиления A, режимы B, C, ключевые режимы D и F, мы уже рассматривали ранее. Чаще всего схемы усилительных каскадов на транзисторах рассматриваются применительно к режиму A. Наиболее распространенными схемами усилительных каскадов являются:

• Схема с фиксированным током базы
• Схема с фиксированным напряжением на базе
• Схема коллекторной стабилизации
• Схема эмиттерной стабилизации
• Дифференциальный усилитель
• Двухтактный усилитель

Схема с фиксированным током базы

Схема с фиксированным током базы является самой простой схемой усилительного каскада. Эта схема усилительного каскада используется в основном начинающими радиолюбителями. Кроме того она рассматривается в учебном процессе при обучении основам схемотехники. Схема усилительного каскада с фиксированным током базы позволяет использовать для питания цепей базы и коллектора транзистора один и тот же источник питания. Схема с фиксированным током базы приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 Схема усилительного каскада с фиксированным током базы

Недостатком данной схемы усилительного каскада является зависимость линейных и нелинейных параметров усилителя от температуры, напряжения источника питания и разброса параметров транзисторов. По этой причине усилительные каскады с фиксированным током базы в современной аппаратуре не применяется. Подробнее.

Схема с фиксированным напряжением на базе

Схема с фиксированным напряжением на базе может применяться не только для питания усилительных каскадов на биполярных транзисторах, но и для реализации усилительных каскадов на полевых транзисторах. Схема с фиксированным напряжением на базе приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 Схема усилительного каскада с фиксированным напряжением на базе

Схема усилительного каскада с фиксированным напряжением на базе вполне может подойти и для питания полевого транзистора В этом случае она будет называться схемой с фиксированным напряжением на затворе. Схема усилительного каскада с фиксированным напряжением на затворе приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 Схема усилительного каскада с фиксированным напряжением на затворе

Стабильность параметров данной схемы усилительного каскада на транзисторе тоже является неудовлетворительной, что приводит к нестабильности основных параметров усилительного каскада, поэтому большее распространение получили схемы усилительных каскадов с эмиттерной и коллекторной стабилизацией. Подробнее.

Схема коллекторной стабилизации

Схема коллекторной стабилизации позволяет сохранять на выходе усилительного каскада половину питания в широком диапазоне питающих напряжений. Это достигнуто за счет отрицательной обратной связи по напряжению по постоянному току. В качестве примера коллекторной стабилизации режима работы транзистора на рисунке 4 приведена схема усилительного каскада на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером и коллекторной стабилизацией.

Рисунок 3 Схема усилительного каскада с коллекторной стабилизацией

Схемы усилительных каскадов с коллекторной стабилизацией обычно применяются в высокочастотных усилителях, таких как усилители радиочастоты, усилители промежуточной частоты или буферные усилители в синтезаторах частот, которые используются в гетеродинах приемников и передатчиков систем мобильной радиосвязи (в том числе и в сотовых телефонах). Подробнее.

Схема эмиттерной стабилизации

Схема эмиттерной стабилизации — это самая распространенная схема стабилизации режима работы транзисторного каскада в настоящее время. Усилительный каскад с эмиттерной стабилизацией обладает наибольшей стабильностью параметров из рассмотренных нами схем. Это связано с наибольшей достижимой глубиной обратной связи по постоянному току. Наиболее распространенная схема усилительного каскада с эмиттерной стабилизацией и включением транзистора с общим эмиттером приведена на рисунке 5.

Рисунок 5 Схема усилительного каскада с эмиттерной стабилизацией

В настоящее время усилительные каскады с эмиттерной стабилизацией наиболее широко применяются в схемах радиоприемников и передатчиков, входящих в состав радиоэлектронной аппаратуры. Они ставятся на входе специализированных микросхем для улучшения качественных параметров устройства в целом. Подробнее.

Дифференциальный усилитель

Еще одной распространенной схемой усилительного каскада является дифференциальный усилитель. Схема дифференциального усилителя получила распространение благодаря высокой помехоустойчивости входного дифференциального сигнала. Еще одним преимуществом данной схемы усилительного каскада является возможность применения низковольтных источников питания. Дифференциальный усилитель образуется при соединении эмиттеров двух транзисторов на едином сопротивлении или генераторе тока. Один из вариантом усилительного каскада, реализованного в виде дифференциального усилителя приведен на рисунке 6.

Рисунок 6 Схема дифференциального усилителя

Усилительные каскады, построенные по схеме дифференциального усилителя широко применяются в современных интегральных схемах, таких как операционные усилители, усилители промежуточной частоты и даже полностью функциональные узлы, такие как приемник ЧМ синалов, радиотракт сотовых телефонов, высококачественные смесители частоты и т.д. Подробнее.

Двухтактный усилитель

В двухтактном усилителе может быть использован любой из режимов работы транзистора, однако чаще всего в этой схеме каскада усилителя используется режим работы B. Это связано с тем, что двухтактные каскады применяются на выходе усилителя, где требуется повышенная экономичность работы (высокий к.п.д. усилительного каскада). Двухтактные усилители реализуются как на транзисторах с одинаковой проводимостью, так и с разной проводимостью транзисторов. Схема одного из самых распространенных видах двухтактных усилителей приведена на рисунке 7.

Рисунок 7 Схема двухтактного усилителя

Схемы двухтактных усилителей позволяют значительно уменьшать уровень четных гармоник входного сигнала, поэтому данная схема усилительного каскада получила значительное распространение, однако схема двухтактного усилителя широко применяется и в цифровой техники. В качестве примера можно привести КМОП-микросхемы. Подробнее.

Дата последнего обновления файла 20.11.2013

Понравился материал? Поделись с друзьями!

1. Шило В. Л. «Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре» под ред. Е.И. Гальперина — М.: «Сов. радио» 1974
2. Усилительный каскад на биполярном транзисторе Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича

Вместе со статьей «Cхемы усилительных каскадов на транзисторах» читают:

Как работает усилительный каскад на транзисторе, начинающим

Что такое транзисторный усилительный каскад и как он работает, примеры схем усилительных каскадов на транзисторе. В любой аналоговой электронной технике применяются усилительные каскады на транзисторах, как самостоятельные, так и в составе микросхем. И так, из школьного курса физики, мы знаем что биполярные транзисторы бывают структур P-N-P и N-P-N.

Вдаваться в подробности строения кристалла мы здесь не будем. Лучше разберемся что это нам дает. Так вот, питание биполярного транзистора P-N-P подается плюсом на его эмиттер, а минусом на его коллектор. И некоторое отрицательное, относительно эмиттера, напряжение смещения подается на его базу.

А вот питание биполярного транзистора N-P-N, совсем наоборот, — подается минусом на его эмиттер, а плюсом на его коллектор, и некоторое положительные, относительно эмиттера, напряжение смещение на его базу. Здесь будем рассматривать усилительные каскады на транзисторах структуры N-P-N.

Потому что такие каскады сейчас наиболее распространены, — почти вся современная аппаратура имеет общий минус, а питается положительным напряжением относительно общего минуса. Все что здесь будет сказано в отношении транзистора N-P-N применимо и к транзистору P-N-P, только все напряжения будут в обратной полярности.

Простейшие схемы усилительных каскадов на транзисторах

На рисунках 1 и 2 показаны простейшие схемы резистивных усилительных каскадов на транзисторах, включенных по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Схема с общим эмиттером позволяет усиливать как ток, так и напряжение сигнала.

Рис. 1. Простейшая схема резистивного усилительного каскада на транзисторе с общим эмиттером (ОЭ).

Рис. 2. Еще одна схема резистивного усилительного каскада на транзисторе с общим эмиттером (ОЭ).

Есть два основных способа подачи напряжения смещения на базу транзистора в схеме с ОЭ. В схеме на рисунке 1 напряжение на базу подается через резистор R6, при этом само напряжение на базе зависит от делителя, состоящего из R6 и внутреннего сопротивления база-эмиттер транзистора.

В такой схеме для получения нужного напряжения смещения R6 имеет обычно большое сопротивление. Такой тип смещения называют смещением, фиксированным током базы.

На рисунке 2 напряжение базового смещения создается делителем из резисторов Rб1 и Rб2. В такой схеме сопротивление базовых резисторов может быть значительно меньше.

Это интересно тем, что изменение сопротивления эмиттер-база под действием изменения температуры в меньшей степени влияет на напряжение на базе транзистора. Такой каскад более термостабилен.

Кроме того меньше влияния на рабочую точку транзистора изменений в кристалле транзистора от старения, или при замене неисправного транзистора другим. Такой тип смещения называется фиксированным напряжением база-эмиттер.

Недостаток схемы на рис.2 в том, что входное сопротивление такого каскада значительно ниже, чем в схеме по рис.1. Но это важно, только если нужно большое входное сопротивление.

Разные экземпляры даже однотипных транзисторов могут существенно отличаться своими статическими параметрами, кроме того, есть и зависимость от температуры, поэтому желательно чтобы в усилительном каскаде была стабилизация режима работы транзистора.

Проще всего это сделать введением в каскад отрицательной обратной связи (ООС) по постоянному току, так, чтобы изменения входного тока или напряжения, к которым приводит работа ООС, противодействовали влиянию дестабилизирующих факторов.

Коллекторная стабилизация режима работы транзистора

На рисунке 3 показана схема коллекторной стабилизации режима работы транзистора. Обратите внимание, — каскад очень похож на схему на рис.1, но базовый резистор R6 подключен не к плюсу источника питания (+Uп), а к коллектору транзистора. Теперь получается, что напряжение смещения на базе транзистора зависит от напряжения на его коллекторе.

Которое, в свою очередь, зависит от напряжения на базе. И если по какой-то причине напряжение на коллекторе изменится, то и напряжение на базе изменится таким образом, что необходимая рабочая точка каскада будет восстановлена.

Рис. 3. Схема коллекторной стабилизации режима работы транзистора.

Эмиттерная стабилизация режима работы транзистора

Более высокой стабильности можно достигнуть применив эмиттерную стабилизацию режима работы транзистора (рис.4). Здесь стабильность повышается при увеличении сопротивления Rэ и уменьшении сопротивлений Rб1 и Rб2.

Однако и слишком большим сопротивление Rэ выбирать не следует, потому что при этом напряжение коллектор-эмиттер может оказаться слишком малым.

Не стоит увлекаться и сильным уменьшением сопротивлений R61 и R62, потому что при очень малых их величинах не только увеличивается ток потребления, но и, что гораздо важнее, очень сильно снижается входное сопротивление.

Рис. 4. Эмиттерная стабилизация режима работы транзистора.

Чтобы снизить влияние ООС на переменный ток вводится конденсатор Сэ. Как известно, конденсатор имеет реактивное сопротивление, и постоянный ток через него не проходит, но проходит переменный. В результате переменный ток «обтекает» резистор Rэ через реактивное сопротивление Сэ.

И результирующее сопротивление в цепи эмиттера по переменному току оказывается значительно ниже, чем по постоянному. Поэтому ООС по переменному току значительно меньше, чем по постоянному.

Каскад с общим коллектором

Схема каскада с общим коллектором (рис.5.) обеспечивает усиление входного сигнала только по току.

Такие каскады называются эмиттерными повторителями, потому что по напряжению они не усиливают сигнал, а только повторяют его (было на входе 0,5V, и на выходе тоже будет 0,5V).

Но сила тока на выходе через нагрузку будет больше.

Они применяются тогда, когда нужно получить большое входное сопротивление. Отличие каскада с ОК (общим коллектором) от каскада ОЭ (общим эмиттером) в том, что в схеме с ОК выходной сигнал снимается с эмиттера. При этом сигнал не усиливается по напряжению и не инвертируется.

Рис. 5. Схема каскада с общим коллектором.

В схеме же с ОЭ сигнал инвертируется. Это демонстрируется на рисунках изображениями синусоид у входа и выхода каскадов. В схеме с ОЭ выходная синусоида противофазна входной. В схеме с ОК — они синфазны.

Что такое каскад в радио схеме

Усилитель колебаний ЗЧ — составная часть каждого современного радиоприемника, радиолы, телевизора или магнитофона. Усилитель является основой радиовещания по проводам, аппаратуры телеуправления, многих измерительных приборов, электронной автоматики и вычислительной техники, кибернетических устройств. Но в этой беседе я буду говорить о немногом: об элементах и работе транзисторных усилителей применительно к очень узкой области радиотехники — для усиления и преобразования электрических колебаний звуковой частоты в звук.

КАСКАДЫ УСИЛИТЕЛЯ

Усилительным каскадом принято называть транзистор с резисторами, конденсаторами и другими деталями, которые обеспечивают ему условия работы как усилителя. Усилитель, который ты делал к детекторному приемнику (см. рис. 92), был однокаскадным. Его транзистор может быть составным (см. рис. 95), но усилитель все равно останется однокаскадным. Но однокаскадный транзисторный усилитель не может обеспечить усиление сигнала звуковой частоты, достаточное для громкого звуковоспроизведения.

Для громкого воспроизведения колебаний звуковой частоты транзисторный усилитель должен быть минимум двух-трехкаскадным. В усилителях, содержащих несколько каскадов, различают каскады предварительного усиления и выходные, или оконечные, каскады. Выходным называют последний каскад усилителя, работающий на телефоны или динамическую головку громкоговорителя, а предварительными — все находящиеся перед ним каскады.

Задача одного или нескольких каскадов предварительного усиления заключается в том, чтобы увеличить напряжение звуковой частоты до значения, необходимого для работы транзистора выходного каскада. От транзистора выходного каскада требуется повышение мощности колебаний звуковой частоты до уровня, необходимого для работы динамической головки.

Для выходных каскадов наиболее простых транзисторных усилителей радиолюбители часто используют маломощные транзисторы, такие же, что и в каскадах предварительного усиления. Объясняется это желанием делать усилители более экономичными, что особенно важно для переносных конструкций с питанием от батарей. Выходная мощность таких усилителей небольшая — от нескольких десятков до 100-150 мВт, но и ее бывает достаточно для работы телефонов или маломощных динамических головок. Если же вопрос экономии энергии источников питания не имеет столь существенного значения, например при питании усилителей от электроосветительной сети, в выходных каскадах используют мощные транзисторы.

Каков принцип работы усилителя, состоящего из нескольких каскадов?

Схему простого транзисторного двухкаскадного усилителя ЗЧ ты видишь на рис. 173. Рассмотри ее внимательно. В первом каскаде усилителя работает транзистор V1, во втором — транзистор V2. Здесь первый каскад является каскадом предварительного усиления, второй — выходным. Между ними — разделительный конденсатор С2. Принцип работы любого из каскадов этого усилителя одинаков и аналогичен знакомому тебе принципу работы однокаскадного усилителя.

Рис. 173. Двухкаскадный усилитель на транзисторах

Разница только в деталях: нагрузкой транзистора V1 первого каскада служит резистор R2, а нагрузкой транзистора V2 выходного каскада — телефоны В1 (или, если выходной сигнал достаточно мощный, головка громкоговорителя). Смещение на базу транзистора первого каскада подается через резистор R1, а на базу транзистора второго каскада — через резистор R3. Оба каскада питаются от общего источника ииль которым может быть батарея гальванических элементов или выпрямитель. Режимы работы транзисторов устанавливают подбором резисторов R1 и R3, что обозначено на схеме звездочками.

Действие усилителя в целом заключается в следующем. Электрический сигнал, поданный через конденсатор С1 на вход первого каскада и усиленный транзистором V1, с нагрузочного резистора R2 через разделительный конденсатор С2 поступает на вход второго каскада. Здесь он усиливается транзистором V2 и телефонами В1, включенными в коллекторную цепь транзистора, преобразуется в звук.

Какова роль конденсатора С1 на входе усилителя? Он выполняет две задачи: свободно пропускает к транзистору переменное напряжение сигнала и предупреждает замыкание базы на эмиттер через источник сигнала. Представь себе, что этого конденсатора во входной цепи нет, а источником усиливаемого сигнала служит электродинамический микрофон с малым внутренним сопротивлением. Что получится? Через малое сопротивление микрофона база транзистора окажется соединенной с эмиттером. Транзистор закроется, так как будет работать без начального напряжения смещения. Он будет открываться только при отрицательных полупериодах напряжения сигнала. А положительные полупериоды, еще больше закрывающие транзистор, будут им «срезаны». В результате транзистор станет искажать усиливаемый сигнал.

Конденсатор С2 связывает каскады усилителя по переменному току. Он должен хорошо пропускать переменную составляющую усиливаемого сигнала и задерживать постоянную составляющую коллекторной цепи транзистора первого каскада. Если вместе с переменной составляющей конденсатор — будет проводить и постоянный ток, режим работы транзистора выходного каскада нарушится и звук станет искаженным или совсем пропадет.

Конденсаторы, выполняющие такие функции, называют конденсаторами связи, переходными или разделительными.

Входные и переходные конденсаторы должны хорошо пропускать всю полосу частот усиливаемого сигнала — от самых низких до самых высоких. Этому требованию отвечают конденсаторы емкостью не менее 5 мкФ. Использование в транзисторных усилителях конденсаторов связи больших емкостей объясняется относительно малыми входными сопротивлениями транзисторов. Конденсатор связи оказывает переменному току емкостное сопротивление, которое будет тем меньшим, чем больше его емкость. И если оно окажется больше входного сопротивления транзистора, на нем будет падать часть напряжения переменного тока, большая, чем на входном сопротивлении транзистора, отчего будет проигрыш в усилении. Емкостное сопротивление конденсатора связи должно быть по крайней мере в 3-5 раз меньше входного сопротивления транзистора. Поэтому-то на входе, а также для связи между транзисторными каскадами ставят конденсаторы больших емкостей. Здесь используют обычно малогабаритные электролитические конденсаторы с обязательным соблюдением полярности их включения.

Таковы наиболее характерные особенности элементов двухкаскадного транзисторного усилителя ЗЧ.

Для закрепления в памяти принципа работы транзисторного двухкаскадного усилителя ЗЧ предлагаю смонтировать, наладить и проверить в действии несколько его вариантов.