Н.М.Изюмов, Д.П.Линде
"ОСНОВЫ РАДИОТЕХНИКИ"
М.,Л.; "ЭНЕРГИЯ", 1965г.

ГЛАВА ДЕВЯТАЯ

УСИЛИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

9-4. 

ТРАНЗИСТОРНЫЕ УСИЛИТЕЛИ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ НА СОПРОТИВЛЕНИЯХ

Принципы усиления на сопротивлениях с применением транзисторов нам известны из предыдущей главы (см. рис. 8-35). Из двух приводившихся способов включения транзистора выгодным для усиления на сопротивлениях оказывается включение с общим эмиттером (см. рис. 8-35, б, а также характеристики рис. 8-36). Именно при этом включении есть возможность составить усилитель из нескольких одинаковых каскадов. При включении же с общей базой (см. рис. 8-35, а) каскад имеет очень малое входное сопротивление, которое шунтирует выход предыдущего каскада и тем самым препятствует усилению напряжения в предыдущем каскаде [см. формулу (8-14)].

Остановившись на схеме с общим эмиттером, мы приведем один из ее практических вариантов (рис. 9-8). Эта схема имеет ряд отличий от показанной на рис. 8-35, б. Здесь изображены транзисторы с проводимостью типа p-n-p, сравнительно часто встречающиеся в нашей практике, особенно для усилителей низкой частоты. В соответствии с этим на коллектор должно быть подано отрицательное напряжение от источника Eк; эмиттер же должен быть положителен по отношению к базе. Отрицательное напряжение на коллектор транзистора T1 данного каскада подается через сопротивление Rк, аналогичное сопротивлению Ra в ламповых схемах; отрицательное напряжение на базу подается от того же источника Eк через сопротивление R1. Для того чтобы по постоянному току база не соединялась с эмиттером через генератор сигнала ГС, последний включен через разделительный конденсатор Cp1. На входе каскада, т.е. на зажимах А-Б (база-эмиттер) создается переменное напряжение с амплитудой Um1. На выходе каскада, т.е. на зажимах база-эмиттер следующего транзистора T2, действует усиленное напряжение Um2. Это напряжение снимается через разделительный конденсатор Cp2, а отрицательное постоянное напряжение ("смещение") на базу транзистора T2 подается от общего источника через сопротивление R2.

Рис. 9-8. Транзисторный усилитель на сопротивлениях, включенный по схеме с общим эмиттером.

Итак, усилитель питается от единственного источника, имеющего к тому же напряжение не более 10-15 В. Это большое достоинство усилителей на транзисторах в сравнении с ламповыми.

Познакомимся кратко с выбором величин элементов схемы усилительного каскада на транзисторе. С этой целью, остановив свой выбор на конкретном типе маломощного низкочастотного транзистора, рассмотрим его входные и выходные характеристики в схеме с общим эмиттером (см. рис. 8-36). Пусть эти конкретные характеристики имеют вид и масштабы, представленные на рис. 9-9.

Рис. 9-9. Характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером:
а - выходные; б - входные.

Начнем с рассмотрения семейства выходных характеристик (рис. 9-9, а), т.е. зависимостей тока в цепи коллектора Iк от напряжения между коллектором и эмиттером Uкэ. Для транзистора с проводимостью типа p-n-p это напряжение отрицательно; однако абсолютные значения Uкэ откладываются вправо от начала координат. Точно так же ток коллектора, направленный во внешней цепи от коллектора к эмиттеру, откладывается вверх по вертикальной оси. Обращает на себя внимание наличие тока в цепи коллектора при разомкнутой цепи базы (Iб = 0). Далее характеристики, снятые при постоянной для каждой из них величине тока базы, образуют возрастающее семейство, сходное с семейством анодных характеристик пентода.

Как выбрать положение исходной точки m в этом семействе? Обычно бывает известна необходимая амплитуда переменного тока на входе следующего каскада. Этот переменный ток составит часть переменного тока коллектора нашего каскада. Очевидно, что постоянная составляющая тока коллектора Iк0 должна быть больше этой амплитуды. Обычно берут , где Im2 - амплитуда входного тока следующего каскада. На рис.9-9,а ток Im2 = 2 мА, а ток Iк0 = 5 мА (что менее выгодно по сравнению с указанным соотношением).

Выбор напряжения между коллектором и эмиттером Uкэ производится по паспортным данным транзистора. Обычно это напряжение берут от 3 до 6 В. На рис.9-9 принято Uкэ = 6 В. Полное же напряжение источника питания Eк (см. рис. 9-8) берется приблизительно удвоенной величины (Eк 2·Uкэ). Следовательно, в нашем примере (рис.9-9,а) следует выбрать Eк = 12 В. Избыточная часть напряжения Eк падает на сопротивлении Rк, включенном в цепь коллектора. Отсюда можно определить и величину этого сопротивления. Для нашего примера

 

Теперь обратимся к входной характеристике транзистора (рис.9-9,б). Это зависимость тока в цепи базы Iб от напряжения между базой и эмиттером Uкэ. Мы должны выбрать именно ту характеристику, которая соответствует выбранному постоянному напряжению на коллекторе (в нашем примере Uкэ = 6 В). Впрочем, входные характеристики при Uкэ > 0 расходятся незначительно, а потому можно было бы воспользоваться и характеристикой для Uкэ = 5 В, которая чаще дается в паспорте транзистора. На входной характеристике мы отметим точку q, соответствующую току базы той выходной характеристики, на которой расположена точка m. В рассматриваемом случае это будет Iб0 = 80 мкА. Положение точки определит на горизонтальной оси нужную величину постоянного напряжения между базой и эмиттером Uбэ0. В нашем примере Uбэ0 = 0,35 В.

Далее имеется возможность определить величину сопротивления смещения R1 в цепи базы нашего каскада: на этом сопротивлении должно падать все напряжение Eк, за вычетом найденного смещения Uбэ0. В нашем примере

 

Таким же путем вычисляется величина сопротивления R2 по данным цепи базы следующего каскада. Величины R1 и R2 оказываются меньше, чем величина сопротивления утечки Rc в ламповых схемах (см. рис. 9-4).

Разделительный конденсатор Cp2 входит в состав рассматриваемого каскада. Принципиально емкость его выбирается из тех же соображений, что и емкость конденсатора Cc в ламповой схеме: он должен иметь на низших звуковых частотах меньшее сопротивление, нежели сумма сопротивления нагрузки данного каскада и входного сопротивления следующего каскада, чтобы наличие конденсатора не отражалось заметно на распределении переменного напряжения между этими сопротивлениями. Но в связи с тем, что обычно сопротивления нагрузки (Rк) и входа (Rвх2) для транзисторных каскадов сравнительно малы, приходится брать емкость Cp гораздо больше, чем Cc в ламповых каскадах (обычно Cp составляет 3-5 мкФ; применяются, как правило, электролитические конденсаторы).

Обратимся к расчету коэффициента усиления транзисторного каскада. На средних частотах

можно не считаться с наличием емкостей в схеме. Полагая, что сопротивление

,

мы должны считать цепь коллектора нагруженной параллельным соединением трех активных сопротивлений: Rк, R2 и Rвх2. При включении следующего каскада по схеме с общим эмиттером входное его сопротивление Rвх2 1000 Ом (как можно видеть из крутизны характеристики на рис.9-9,б, около точки q). Пренебрегая проводимостью ветви R2, найдем, что нагрузочное сопротивление цепи коллектора рассматриваемого каскада

 

Для такого значения Rн на рис. 9-9, а построена динамическая характеристика nmp. В отличие от динамической характеристики на рис. 8-25 в данном случае учтена нагрузка для переменного тока, который не встречает сопротивления в конденсаторе Cp2.

Зная статический коэффициент усиления по току данного транзистора и его входное сопротивление Rвх1, мы определим коэффициент усиления каскада по напряжению на средних частотах:

(9-11)

Если, например, = 0,98, Rн = 550 Ом, Rвх1 = 1000 Ом, то

 

Коэффициент усиления по току не будет равен полной величине , так как часть переменного тока минует полезное сопротивление Rвх2, проходя через ветвь Rк (а также через R2, чем мы пренебрегаем), Коэффициент усиления каскада по току окажется:

(9-12)

В нашем примере

 

Для транзисторного каскада желательно нарисовать эквивалентную схему выходных цепей по переменному току, как это было сделано для лампового каскада на рис. 9-4, б. Но если в ламповом каскаде на низких частотах мы имели основание пренебречь обратной связью через проходную емкость, то в транзисторном каскаде, как мы помним, обратная связь имеется и через "проходное" активное сопротивление, т.е. через общий участок выходной и входной цепей в самом транзисторе. Поэтому лишь с большим допущением мы изобразим выходную цепь без входной (рис. 9-10).

Рис. 9-10. Упрощенная эквивалентная схема выхода транзисторного усилительного каскада на сопротивлениях.

Активным элементом в этой эквивалентной схеме является генератор тока, дающий усиленный переменный ток с амплитудой ·I, где I - амплитуда тока цепи базы.

Понятие о генераторе тока следует попутно разъяснить. До сих пор источник сигнала мы изображали в виде генератора э.д.с. E, имевшего внутреннее сопротивление Ri и работавшего на внешнее сопротивление Rн (рис. 9-11, а). Ток в нагрузочном сопротивлении выражался

величиной

. Наибольшей величины ток достигал при коротком замыкании внешней

цепи и составлял

 

Теперь представим себе, что именно этой величины ток (Iкз) подведен к параллельному соединению сопротивлений Rн и Ri (рис. 9-11, б). Тогда в нагрузочное сопротивление Rн ответвится ток, определяемый из условия разветвления пропорционально проводимостям, т.е.

 

Именно такой же величины ток посылается во внешнее сопротивление и генератором электродвижущей силы. Значит, схемы на рис. 9-11 эквивалентны между собой с точки зрения питания потребителя Rн. Собственная же проводимость генератора тока учтена шунтом Ri, и, кроме нее, генератор тока внутренней проводимости не имеет.

Рис. 9-11. Представления источника сигнала:
а - генератором э.д.с.;
б - эквивалентным генератором тока.

Возвращаясь к схеме на рис. 9-10, оценим ее свойства в полосе частот сигнала. На низших частотах часть выходного напряжения будет падать на сопротивлении конденсатора Cp2, и тем большая часть, чем ниже частота. Следовательно, при недостаточной емкости может быть снижение частотной характеристики в области низших частот. В области же высших частот возрастает проводимость внутренней емкости Cвх2, шунтирующей электронно-дырочный переход транзистора следующего каскада. Это может привести к снижению усиления, так как часть усиленного тока ответвится через емкость Cвх2. Однако практически снижения частотной характеристики по этой причине обычно не наблюдается, так как сопротивление Rвх2 невелико и остается на высшей частоте значительно меньше шунтирующего емкостного сопротивления. Снижение характеристики скорее может иметь место на высших частотах вследствие недостаточной подвижности носителей тока в полупроводнике, которая ограничивает частотные свойства транзистора. В справочниках дается предельное значение частоты, на которой данный транзистор еще обеспечивает удовлетворительное усиление.

Если в отличие от схемы на рис. 9-8 второй каскад выполнен по схеме с общей базой, то условия усиления по напряжению для данного каскада значительно ухудшаются, так как входное сопротивление каскада с общей базой очень мало (например, 20-30 Ом). Но получить удовлетворительное усиление по току возможно. Если же сочетание "высокоомного" выхода каскада с "низкоомным" потребителем затрудняет реализацию усилительных свойств транзистора в схеме с общим эмиттером, то имеется возможность включить между источником сигнала и потребителем промежуточный согласующий каскад, выполненный по схеме с общим коллектором (рис. 9-12). В этой схеме источник сигнала включается в цепь базы, потребитель (сопротивление Rн) - в цепь эмиттера, а коллектор соединяется непосредственно с общей точкой схемы. Питание цепей базы и коллектора показано от разных источников, но удобнее их питать от одного источника, так как знаки напряжений на базе и коллекторе одинаковы.

Рис. 9-12. Согласующий каскад на транзисторе по схеме с общим коллектором.

Не вникая подробнее в физические процессы, характерные для этой схемы (применяемой сравнительно редко), скажем лишь, что она имеет большое входное сопротивление (сотни тысяч Ом) и малое выходное (десятки и сотни Ом). Следовательно, в роли согласующего каскада схема с общим коллектором уместна. Эта схема обеспечивает усиление по току почти в раз благодаря превосходству тока эмиттера, питающего нагрузку Rн, над током базы, но она ослабляет напряжение сигнала, т.е. дает K < 1; причиной такого соотношения является обратная связь, т.е. воздействие выходного тока через сопротивление Rн на вход, о чем будет сказано в специальном разделе.

Из всего сказанного нами о ламповых и транзисторных усилителях можно сделать вывод, что простая замена лампы транзистором невозможна, так как детали, сходные по назначению, существенно отличаются по электрическим величинам.

В этой главе:
9-1. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ
9-2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ УСИЛИТЕЛЯХ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ
9-3. ЛАМПОВЫЕ УСИЛИТЕЛИ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ НА СОПРОТИВЛЕНИЯХ
9-4. ТРАНЗИСТОРНЫЕ УСИЛИТЕЛИ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ НА СОПРОТИВЛЕНИЯХ
9-5. СТАБИЛИЗАЦИЯ ПИТАНИЯ ТРАНЗИСТОРНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
9-6. ВЫХОДНЫЕ КАСКАДЫ УСИЛИТЕЛЕЙ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ
9-7. ПРЕДМОЩНЫЕ КАСКАДЫ. ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ В УСИЛИТЕЛЯХ
9-8. УСИЛИТЕЛИ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ
9-9. УСИЛИТЕЛИ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТЫ
9-10. СОБСТВЕННЫЕ ШУМЫ УСИЛИТЕЛЕЙ
9-11. ЗАДАЧИ МИНИАТЮРИЗАЦИИ
Заряд от USB - универсальный набор кабель+переходники.

Поддерживаемые модели: HTC, iPhone, LG, Motorola, Nokia, Samsung, Sony Ericsson, Sony PSP и другие с разъемом micro-USB и mini-USB.

Удобная почтовая доставка не только по России...

 
Более 3000 типов оригинальных аккумуляторов...

...для смартфонов и мобильных телефонов LG, Samsung, Motorola, Nokia, Sony Ericsson и др.

Доставка почтой, курьером...

webmaster@radio-1895.ru