Какие схемы соединения транзистора применяются в усилителях

13

Схемы включения транзистора как усилителя электрических сигналов

Одна из основных областей применения биполярного транзистора — усиление электрических сигналов. Для использования транзистора в качестве усилителя напряжения, тока или мощности входной сигнал, который надо усилить, подают на два каких-либо электрода, и с двух электродов схемы снимают усиленный сигнал. В усилительных схемах биполярные транзисторы работают в активном режиме, напряжения на их выводах содержат постоянную и переменную составляющие.

Схема включения транзистора с общей базой

Схема включения транзистора с общей базой как усилителя сигналов приведена на рис. 6.15. Источник сигнала (ИС) в этой схеме включается в цепь эмиттера, сопротивление нагрузки R_н – в цепь коллектора.

Рис. 6.15. Схема включения транзистора с общей базой

как усилителя сигналов

Схема включения транзистора с общим эмиттером

Схема включения транзистора с общим эмиттером как усилителя сигналов приведена на рис. 6.16. Источник сигнала (ИС) в этой схеме включается в цепь базы, сопротивление нагрузки R_н – в цепь коллектора.

Рис. 6.16. Схема включения транзистора с общим эмиттером

Схема включения транзистnора с общим коллектором

Схема включения транзистора с общим коллектором как усилителя сигналов приведена на рис. 6.17. Источник сигнала (ИС) в этой схеме включается в цепь базы, сопротивление нагрузки R_н – в цепь эмиттера.

Рис. 6.17. Схема включения транзистора с общим коллектором

Используя статические характеристики транзистора, можно определить важные параметры основных схем включения транзистора.

Свойства схем усиления на транзисторах определяются коэффициентами усиления по току k_I, напряжению k_U, мощности k_P и значением сопротивлений входной R_вх и выходной R_вых цепей.

Эти параметры могут быть определены экспериментально и рассчитаны по характеристикам с помощью следующих выражений:

(6.10) (6.13)

(6.11) (6.14)

; (6.12)

Транзисторные усилители

Транзистор — это полупроводниковый элемент, предназначенный для усиления электрических сигналов.

Транзисторы подразделяются на биполярные и полевые. Первые управляются сигналом тока, подаваемым на его вход, а вторые — напряжением. Биполярный транзистор имеет два электронно-дырочных, перехода и три вывода – эмиттер, базу и коллектор. Биполярные транзисторы могут быть прямой или обратной проводимостями, а полевые с р или п каналами. Возможны три схемы включения транзистора: с общей базой, с общим коллектором и с общим эмиттером.

На рис. 2 показаны схемы включения биполярного транзистора прямой проводимости их основные характеристики: а) – с общей базой; б) с общим коллектором; в) с общим эмиттером:

где К _i – коэффициент усиления по току; K _u – коэффициент усиления по напряжению; R_вх – входное сопротивление; R_вых – выходное сопротивление.

Преимущественное распространение имеет схема с общим эмиттером (рис. 2, в).

Свойства транзистора в статическом режиме при такой схеме включения определяются семействами входных и выходных характеристик, показанных нарис. 3, а, б. Зависимость тока коллектора от тока базы определяется выражением

где I _к — ток коллектора; I _б -ток базы; I _к.о — обратный ток коллектора; β -коэффициент передачи тока базы. Значение коэффициента β в зависимости от типа транзистора и режима его работы может быть от 30 до 300. Биполярный транзистор имеет малое входное и значительное выходное сопротивление. Если в цепь коллектора включить резистор, то при изменении тока базы будут одновременно изменяться ток и напряжение коллектора. При этом изменение мощности, выделяемой в коллекторной цепи, будет значительно больше изменения мощности на входе транзистора. На этом основана работа транзисторного усилителя.

По роду усиливаемого, сигнала различают транзисторные усилители постоянного и переменного тока. Так как с помощью одного каскада не удается решить задачу усиления, то усилители обычно выполняются многокаскадными. В многокаскадных усилителях переменного тока связи между каскадами, между источником сигнала и входом усилителя, а также между выходом и нагрузкой выполняются с помощью конденсаторов или трансформаторов. В усилителях постоянного тока эти связи выполняются непосредственно. Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельные каскадов.

Каскад (усиления) – это функциональный узел устройства, содержащий усилительный элемент, связанный с предыдущими или последующими узлами устройства.

Схема усилительного каскада переменного тока с ёмкостной связью показана на рис. 4, а.

В ней резисторы R1 и R2 обеспечивают режим покоя транзистора (на входе нет сигнала) заданием потенциала базы, при котором усилитель работает в пределах линейного участка входной характеристики транзистора. Резистор R _эи конденсатор С _эпредназначены для температурной стабилизации схемы. Конденсаторы С/ и С2 обеспечивают развязку каскада по постоянному току и напряжению со стороны его входа и выхода.

Коэффициент усиления каскада зависит от частоты сигнала, подаваемого на вход. В области средних частот его значение К _о. Эта зависимость может быть представлена амплитудно-частотной характеристикой (рис. 4, б), которая содержит три области частот: средние ω₀, низшие ω_н и высшие ω_в. Снижение коэффициента усиления в области низших частот определяется наличием, входной и выходной емкостей, а в области высших частот — емкостью коллекторного электронно-дырочного перехода транзистора и паразитной емкостью монтажа.

Усилители постоянного тока (УПТ) — применяются в автоматических регуляторах, в моделирующих устройствах и в других системах. Особенностью их является непосредственная связь между источником сигнала и входом усилителя, между каскадами и между выходным каскадом и нагрузкой. Это обстоятельство требует, чтобы в режиме покоя потенциалы точек связи были равны, что достигается с помощью резисторных делителей напряжения, опорных диодов или дополнительных источников питания.

Усилители постоянного тока имеют недостаток, называемый дрейфом нуля. Он состоит в том, что при закороченном входе выходное напряжение может изменяться по случайному закону. Это явление связано с температурной нестабильностью параметров транзисторов и других элементов схемы усилителя, а также со случайными колебаниями напряжения источника питания. Существует ряд схемных методов уменьшения дрейфа нуля, к которым относится применение отрицательной обратной связи и балансных схем УПТ.

Схема трехкаскадного УПТ и его частотная характеристика показаны на рис. 5, а

Завал частотной характеристики в области высших частот (рис. 5, б) связан с теми же причинами, что и в усилителях переменного тока (наличие С_к и емкости монтажа). УПТ могут усиливать и переменные сигналы.

Для получения значительной мощности, соответствующей мощности нагрузки, применяются выходные каскады усилителей — усилители мощности. Они бывают однотактными и двухтактными. В первых транзистор усиливает обе полуволны, а во вторых имеется два транзистора, каждый из которых усиливает свою полуволну (рис.4.5.).

Усилители мощности могут быть с трансформаторными входом и выходом. Применение трансформатора позволяет согласовать сопротивление усилителя и нагрузки и таким образом получить большой коэффициент усиления.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

2.1. Три основные схемы усилителей на транзисторах

Усилитель – это устройство (четырехполюсник), увеличивающее мощность сигнала. Увеличение мощности сигнала происходит за счет преобразования энергии источника питания в энергию сигнала. Форма сигнала при усилении должна сохраняться без существенных искаже­ний.

Усилители используются для компенсации потерь при передаче информационных сигналов на большие расстояния, для обеспечения работы регистрирующих устройств, для создания нормальных усло­вий восприятия информации человеком и т.д. Например, для обеспе­чения работы громкоговорителей мультимедиа-компьютера, как пра­вило, требуется усилитель, так как поступающие от источников звуковые сигналы имеют недостаточную мощность.

По усиливаемой электрической величине различают: усилители мощности, напряжения и тока. Коэффициент передачи усилителя по одному из указанных электрических параметров, как правило, много больше единицы. По другим параметрам коэффициент передачи уси­лителя может быть меньше единицы. Однако у всех усилителей по определению коэффициент передачи по мощности должен быть больше единицы. Поэтому, например, повышающий трансформатор, у которого коэффициент передачи по напряжению может быть больше единицы, к усилителям не относится.

По диапазону усиливаемых частот усилители делятся:

· на усилители постоянного тока (УПТ);

· на усилители низкой (звуковой) частоты (УНЧ);

· на усилители высокой частоты (УВЧ);

· на сверхвысокие (СВЧ) усилители.

В компьютерах, например, УПТ используются в источниках питания, УНЧ – в звуко­вых платах, УВЧ- и СВЧ-усилители – в приемниках радио- и телеви­зионных сигналов. В дальнейшем будем рассматривать в основном только усилители переменных напряжений и токов, так как такие сиг­налы являются основными в системах передачи информации.

По используемым элементам различают усилители на транзисто­рах, микросхемах, электронных лампах, диодах и т.д. Далее мы будем рассмат­ривать усилители только на транзисторах и микросхемах. Такие усилители широко используются в компьютерах.

По режимам работы различают линейные и нелинейные усилители. В линейных усилителях уровни входных и выходных сигналов малы (для полупроводниковых элементов U_m < 0,1 В) и поэтому все элемен­ты усилителя при воздействии малых переменных сигналов характе­ризуются линейной зависимостью между токами и приложенными напряжениями. Если амплитуда сигнала велика (U_m> 0,1 В для полупроводниковых элементов), то линейная зависимость между токами и напряжениями нарушается. Возникает нелинейный режим работы усилителя. Далее мы будем рассматривать усилители, работающие только в линейном режиме.

Усилители классифицируют также по числу каскадов, по назначе­нию, по полосе усиливаемых частот, по характеру усиливаемого сиг­нала и т.д.

Основными показателями усилителя являются коэффициенты уси­ления по напряжению, по току, по мощности:

а также сопротивления, входное ( ) и выходное ( ). К дополни­тельным параметрам усилителя относят: коэффициент полезного дей­ствия, потребляемую от источника питания мощность, нелинейные искажения, массу и габариты и т.п.

Схемотехника усилителей на транзисторах отличается многообра­зием и сложностью. Однако в этом многообразии можно выделить три основные схемы, на основе которых строятся более сложные схемы. При использовании биполярных транзисторов различают:

· усилитель с общим эмиттером (ОЭ);

· усилитель с общей базой (ОБ);

· усилитель с общим коллектором (ОК).

По переменному напряжению в этих схе­мах с корпусом усилителя соединяется, соответственно, эмиттер, база или коллектор транзистора.

В схеме с общим эмиттером (рис. 2.1) эмиттер транзистора соединен с корпусом усилителя. Через катушку с большой индуктив­ностью, называемую дросселем Др, на базу транзистора подается напряжение смещения Е_БЭ = 0,5…0,8 В. Это напряжение предназначено для того, чтобы открыть эмиттерный переход и обес­печить постоянный ток коллектора в активном режиме работы транзистора.

Вместе с напряжением питания (Е_П) ток (I_КН) и напряжение смещения (Е_БЭ) определяют режим по постоянному току усилителя. Описанный режим по постоянному току – обязательное условие, обуслов­ливающее возможность усиления слабых сигналов в усилителе. Если транзистор закрыт и постоянный ток коллектора транзистора равен нулю, то каскад не будет усиливать слабые переменные сигналы.

Совокупность переменных токов и напряжений на элементах кас­када определяют режим усилителя по переменному напряжению. Че­рез конденсатор С_Р (рис. 2.1) переменный входной сигнал поступает на базу транзистора и управляет относительно большим током коллекто­ра. Конденсатор С_Р в схеме имеет большую емкость. Следовательно, его емкостное сопротивление (Хс = 1/wС_Р) мало, и поэтому он хорошо пропускает переменный входной ток.

Основное назначение этого кон­денсатора – не пропустить на вход усилителя постоянное напряже­ние, которое может присутствовать во входном сигнале. Поэтому конденсатор С_Р называется разделительным. В рассматриваемой схеме разделительный конденсатор, кроме того, не пропускает на входную клемму усилителя постоянное напряжение смещения, при­сутствующее на базе транзистора. Часто усилитель, у которого на входе установлен разделительный конденсатор, называют усилителем с «закрытым» входом.

Через дроссель Др (см. рис. 2.1) проходит напряжение смещения, так как сопротивление катушки постоян­ному току равно нулю. Для переменного тока этот дроссель, имея большую индуктивность, создает большое сопротивление. Входной переменный ток через дроссель практически не ответвляется, а весь поступает на управление транзистором. Поэтому этот дроссель также часто называют разделительным, но разделяются здесь переменные потенциалы.

В цепи коллектора (рис. 2.1) включено сопротивление внутренней нагрузки каскада, по которому протекает часть переменного тока коллектора. Большая часть переменного тока коллектора через выходной разделительный конденсатор протекает по внешней нагрузке усилителя , подключаемой к выходному зажиму каскада (см. рис. 2.1). На этой нагрузке выделяется усиленный по мощности переменный сиг­нал.

В схеме усилителя с общей базой (рис. 2.2) назначе­ние разделительных конденсаторов, дросселя, коллекторного сопротивления аналогично их назначению в схеме ОЭ. В отли­чие от схемы с общим эмиттером в усилителе ОБ через дроссель Др на эмиттер транзистора подается отрицательное напряжение смеще­ния. Только при такой полярности напряжения смещения открывается транзистор, через него начинает протекать постоянный ток и только в этом случае усилитель ОБ сможет усиливать слабые переменные сигналы.

В схеме усилителя с общим коллектором (рис. 2.3) важную роль играет блокировочный конденсатор С_БЛ. Имея большую емкость и, следовательно, малое сопротивление, бло­кировочный конденсатор используется для того, чтобы сделать прак­тически одинаковыми переменные потенциалы двух узлов. Тем самым, «блокируется» поступление переменного напряжения из одной части в другую.

В усилителе ОБ (рис. 2.3) основное назначение блокировочного кон­денсатора – соединить через свое малое сопротивление коллектор транзистора по переменному напряжению с корпусом усилителя. По­этому в точке на коллекторе переменное напряжение будет практически равно нулю, что соответствует схеме ОК. В отличие от схем с общим эмиттером и с общей базой, коллектор транзистора в схеме с общим коллектором (см. рис. 2.3) с корпусом не соединен. На коллекторе присутствует большое постоянное напряжение источника питания.

Отметим, что при отсутствии блоки­ровочного конденсатора рассматриваемая схема (