fon3

Усилитель на биполярном транзисторе

Сразу определимся, что обозначает термин "усилитель". Вот как это трактует Wikipedia: "Термин усилитель в своём первичном (основном) значении относится к преобразованию (увеличению, усилению) одной из характеристик исходного входного сигнала (будь то механическое движение, колебания звуковых частот, давление жидкости или поток света), при этом вид сигнала остаётся неизменным".
В нашем случае речь идет о том, что транзистор будет усилителем тогда, когда мощность сигнала, полученная на его выходе, больше мощности сигнала, поданной на его вход и при этом вид сигнала остается прежним.
При помощи транзисторов можно конструировать различные виды усилителей, но на практике наиболее чаще применяют линейные усилители, или усилители класса А. В них переменный выходной сигнал многократно увеличенный по мощности должен иметь ту же форму, что и входной, т.е. существует линейная зависимость.

Обычно в исcледовательских работах на вход усилителя на биполярном транзисторе подают синусоидальные колебания. Но звуковой (акустический) сигнал речи, музыки имеет более сложную форму в отличии от синусоидального. Можно ли простым синусоидальным сигналом протестировать реальный звуковой сигнал?
Можно, потому что самый сложный звуковой сигнал, согласно теореме Фурье, состоит из суммы большого числа других синусоидальных колебаний, представляющих собой частотный спектр. Если за основную частоту взять сигнал с частотой равной f1=440Гц, то в акустическом сигнале будут присутствовать, так называемые, вторая гармоника 2f1 с частотой вдвое большей основной частоты равной 2f1=880Гц, третья гармоника которая больше втрое больше основной частоты и равна 3f1=1320ГЦ и т.д. А тональность звука будет зависеть не только от частоты гармоник, а еще и от величин амплитуд отдельных гармоник.
Теоретически число гармоник может быть бесконечно велико, но практика показывает, что с увеличением порядкового номера гармоник их амплитуда уменьшается. Поэтому достаточно учесть только первые 5-7 гармоник, а остальными можно пренебречь из-за их незначительных амплитуд.
Так что, если усилитель хорошо усиливает несколько определенных частот спектра (включая самую низкую и самую высокую), то, очевидно, он хорошо усиливает и самое сложное колебание.

Но в усилителе на биполярном транзисторе во время работы на различных участках схемы действуют одновременно не только переменные но и постоянные напряжения. В результате в цепях протекают одновременно постоянный и переменный токи, или, как говорят, постоянная и переменная составляющие тока. И для того, чтобы разобраться, как появляются и чем отличаются эти токи, нужно определиться из чего состоит звуковой сигнал и как он преобразовывается в электрический сигнал.
Это сделаем на примере работы схемы с угольным микрофоном (рис.1), где рассмотрим как преобразовывается акустический звук в электрический ток. В схеме присутствуют микрофон М, источник питания GB, сопротивление R, нагрузочное сопротивление и разделительный конденсатор С.
Угольный микрофон представляет собой корпус в виде капсулы в котором к металлической мембране 1 прикреплен подвижный электрод 2, а напротив - неподвижный электрод 6. Между ними находится графитовый порошок 5, который имеет свойство при изменении своей плотности изменять электрическое сопротивление.
mikrofon По схеме в цепь микрофона последовательно включен гальванический элемент GB. Когда на микрофон не подается звук в микрофоной цепи протекает постоянный ток. При подаче звука мембрана микрофона колеблется, нажимая подвижным электродом то сильнее, то слабее на графитовые зерна, в зависимости от величины звукового давления. От этого меняется плотность порошка, а значит меняется и его сопротивление между электродами. Значит при большой величине звука мембрана уплотняет порошок и его сопротивление уменьшается, что приводит к увеличению тока через микрофон , а при малом звуке сопротивление увеличивается и ток на нагрузке уменьшается. В результате ток в цепи изменяется так же, как и колебания звука.
Следовательно, сам микрофон не является источником напряжения звуковой частоты, а только преобразовывает постоянное напряжение источника питания в электрический звуковой сигнал, величина усиления которого зависит от величины тока GB. А теперь эти электрические процессы рассмотрим на графиках (рис.2).

tranz usilit

При отсутствии звука в цепи микрофон М - сопротивление R - источник GB протекает постоянный микрофонный ток Iмо(постоянная составляющая) и на сопротивлении R образуется падение напряжения по постоянному току UR, а конденсатор С не пропускает постоянное напряжение. Поэтому на выходе нет напряжения.
При появлении звука в этой же цепи протекает уже ток, состоящий из постоянной составляющей тока Iмm и переменной составляющей тока с амплитудой URm. Переменная составляющая тока проходит через конденсатор и появляется на выходе. Ее амплитуда будет зависит от величины реактивного сопротивления конденсатора Xc и нагрузочного сопротивления .
Из всего этого можно сделать следующие выводы:
- при отсутствии сигнала в цепях схемы присутствует только постоянная составляющая тока, создаваемая источником питания;
- при наличии сигнала в цепях существуют одновременно постоянная и переменная составляющие тока, при этом в один полупериод они имеют одно направление (потенциал) и суммируются, а в другой - противоположного направления и вычитаются.

А теперь,чтобы понять, как работает усилитель на биполярном транзисторе, рассмотрим уже конкретную схему на n-p-n транзиcторе КТ206А, в которой в коллекторную цепь включено нагрузочное сопротивление R= 2 кОм. И на этом примере покажем, что мощность (напряжение и ток) переменной составляющей тока на нагрузке больше, чем мощность на входе транзистора.
tranz usilit1 Сначала рассмотрим схему на рис.3, где база транзистора соединена с эмиттером.
В этом случае транзистор закрыт и коллекторный ток Iк ≈ 0, т. к. сопротивление коллекторно - эмиттерного перехода велико (от 0,1 до 1МОм). Поэтому почти все напряжение источника тока GB2 падает на этом переходе (Uкэ ≈ 9В), а на резисторе падение напряжения почти равно нулю (UR ≈ 0).
При подаче на базу транзистора напряжение смещения 0,5 В от источника GB1 (рис.4) появится небольшой базовый ток Iб = 10 μА, величину которого определяем по входной характеристике транзистора.
Данный транзистор имеет коэффициент усиления β = 100, поэтому коллекторный ток будет равен
Iк = β·Iб = 100·10 = 1000 μА = 1 mA.
Этот ток будет образовывать на сопротивлении R падение напряжения
UR = Iк·R =1·10ˉ³·2·10³ = 2 B,
а напряжение между коллектором и эмиттером будет равно разности между напряжением батареи GB2 и падением напряжения на сопротивлении UR: Uкэ = 9 - 2 = 7 B.
Теперь на вход усилителя на биполярном транзисторе от генератора Г подадим синусоидальный сигнал с амплитудой Uг = 20 mB и рассмотрим какой будет выходной сигнал при положительном и отрицательном полупериодах.

При положительном полупериоде (рис.5) напряжение сигнала генератора (переменная составляющая тока) будет суммироваться с напряжением источника тока UGB1 (постоянная составляющая тока) и на входе будет действовать уже сумма напряжений:
Uбэ = UGB1+Uг =0,5+0,02 = 0,52 В.
Из входной характеристики транзистора находим базовый ток уже по напряжению смещения в 0,52. Он увеличится до Iб = 14 μА, а коллекторный ток будет
Iк = β·Iб = 100·14 = 1400μА = 1,4 mA,
который создаст падение напряжение на сопротивлении:
UR = Iк·R = 1,4·10ˉ³·2·10³ = 2,8 B,
а напряжение коллектор - эмиттер будет равен
Uкэ = UGB2 - UR =9 -2,8 =6,2 B.

tranz usilit2

При отрицательном полупериоде (рис.6) напряжение генератора будет вычитаться из напряжения источника тока GB1 и на входе транзистора будет напряжение равное
Uбэ = UGB1 - Uг =0,5 - 0,02 = 0,48 В.
Из входной характеристики при таком значении Uбэ базовый ток равен Iб = 6 μА, значить коллекторный ток будет
Iк = β·Iб = 100·6 = 600 μА = 0,6 mA. Падение напряжение на R:
UR = Iк·R = 0,6·10ˉ³·2·10³ = 1,2 B,
а напряжение на к-э переходе:
Uкэ = UGB2 - UR = 9 - 1,2 = 7,8 B. Если сравнить оба состояния (рис.5,6) при подаче сигнала с генератора и с состоянием без входного сигнала (рис.4) можно сделать следующие выводы:
1. При отсутствии сигнала (состояние покоя) на базе транзистора напряжение равно 0,5 В и базовый ток - 10 μА.
Коллекторный ток равен 1 mA, падение напряжение (постоянная составляющая) на нагрузочном сопротивлении равно 2 В, а напряжение на коллекторе -7 В.
2. При подаче входного сигнала амплитуда переменной составляющей базового тока будет равна увеличению базового тока Iб сиг - Iб пок = 14 - 10 = 4 μА, а амплитуда переменного коллекторного тока равна увеличению этого тока Iк сиг - Iк пок = 1,4 - 1 = 0,4 mA.
Следовательно коэффициент усиления транзистора по току, включенный как в данной схеме, равен:
Кi = Iвых/Iвх = 0,4·10ˉ³/0,004·10ˉ³ = 100.
3. При подаче сигнала на усилитель на нагрузочном сопротивлении напряжение увеличивается, по сравнению с напряжением в состоянии покоя, на URсиг - URпок = 2,8 - 2 = 0,8 В.
Это и будет величиной амплитуды выходного сигнала усилителя на биполярном транзисторе. А так как входной сигнал от генератора имеет амплитуду 20 mB, то коэффициент усиления по напряжению будет
Кu = Uвых/Uвх = 0,8/20·10ˉ³ = 40.
Теперь можно определить коэффициент усиления по мощности:
Кр = Кu· Кi = 40·100 = 4000.

Рабочая точка транзистора

tranz rab tochka1

Чтобы транзистор работал как усилитель для него выбираются такие параметры по постоянному току, которые обеспечивали бы нормальный режим усиления при подаче входного сигнала.
Перечислим эти необходимые параметры:
1. Напряжение смещения на базе транзистора в режиме покоя называемое Uэбп или Uбэп.
2. Базовый ток покоя Iбп. Он зависит от напряжения смещения Uбэп и они определяют рабочую точку транзистора на его входной характеристике (рис.7,8).
3. Коллекторный ток покоя Iкп, который в β раз больше базового тока покоя.
4. Коллекторное напряжение покоя Uкэп не должно быть меньше 0,8 - 1 В, т.к. при очень малых коллекторных напряжениях базовый ток не управляет коллекторным током, потому что в этом интервале характеристики сливаются в одну линию. На рис.9 этот интервал равен Uо ст.
5. Коллекторные напряжение Uкэп и ток Iкп покоя определяют рабочую точку транзистора на его выходных характеристиках (рис.9).

tranz rab tochka2

Если выбрана определенная рабочая точка, то все эти параметры не могут быть произвольными, а связаны между собой и характеризуют только эту рабочую точку транзистора. Это наглядно видно на рис.10 на котором отражены входные, выходные характеристики и характеристика прямой передачи по току, которая представляет собой связь между входным и выходным токами транзистора ( см. "Статические характеристики прямой передачи по току").
Масштабы величин любых двух соседних характеристик должны быть одинаковы.
На выходных характеристиках изображена рабочая точка транзистора А, с параметрами Iкп = 1 mA и Uкэп = -4,5 В.
Проектируем эту точку на остальные характеристики.
Получается, что чтобы иметь Iкп = 1 mA, надо чтобы ток Iбп = 20 μА был при напряжении смещения Uэбп = 0,15 В.

tranz rab tochka3

Одной из важных задач при проектировании транзисторных схем является правильный выбор рабочей точки транзистора.
При подаче определенного напряжения смещения мы этим определяем рабочую точку на входной характеристике, а значит, тем самым определяется базовый и коллекторный токи покоя.
Но когда на вход подается переменное напряжение сигнала (рис.11) напряжение смещения становится то больше, то меньше в зависимости от формы сигнала и рабочая точка А колеблется в интервале между точками 1 и 2.
tranz rab tochka4 Это приводит к колебанию базового, и, соответственно, коллекторного токов. Появляется на входе и выходе переменные составляющие токов с амплитудами Iбm и Iкm. И здесь важно определить величину напряжения смещения в зависимости от амплитуды входного сигнала.
На рис.12 показано как при малом напряжении смещения из двух синусоидальных сигналов с разными по величине амплитудами без искажений усилится только слабый сигнал, а сильный сигнал "обрежется".
tranz rab tochka5 А на рис.13 выбрана рабочая точка транзистора Б с бОльшим напряжением смещения и все сигналы усилились без искажений.
Кажется, что из этого можно сделать вывод, что лучше выбрать рабочую точку с большим напряжением смещения, чем морочить голову рассчитывая рабочие точки для каждого каскада в зависимости от величины амплитуды входного сигнала.
Но это так кажется. При выборе бОльшего базового тока входное сопротивление транзистора, которое равно отношению малого изменения напряжения на базе ∆Uб к вызываемому им изменению тока базы ∆Iб (Rвх = ∆Uб/∆Iб), уменьшается и возрастает нагрузка по переменному току предыдущего каскада,что приводит к уменьшению его усиления.
На рис.8 приведен пример, как изменяется входное сопротивление от выбора рабочей точки. Точка В находится в начале входной характеристики транзистора с небольшой крутизной. Выберем интервал напряжения на базе от 0,4 до 0,5 вольт. Тогда изменение базового тока будет от 5 до 13 μА. Рассчитаем входное сопротивление:
∆Uб = 0,5-0,4 = 0,1 В; ∆Iб = 13-5 = 8 μА;
Rвх = 0,1/0,008·10ˉ³ = 12,5·10³ Ом = 12,5 кОм.
В точке Б крутизна характеристики больше и в интервале базового напряжения ∆Uб = 0,65-0,55 = 0,1 В будет следующие приращение тока
∆Iб = 68-23 = 45 μА.
Тогда входное сопротивление равно:
Rвх = 0,1/045·10ˉ³ = 2,2·10³ Ом = 2,2 кОм.
В качестве примера бралась входная характеристика маломощного транзистора и поэтому сопротивления хоть и отличаются, но величина их довольно большая.
В транзисторах средней и большой мощности коллекторные напряжения и базовые токи побольше, а входные сопротивления, соответственно, поменьше. Они будут в пределах десятков - сотен Ом, которые могут уже существенно увеличивать нагрузку предыдущего каскада, что может привести к искажению его выходного сигнала.

tranz rab tochka6

Выбор рабочей точки транзистора находится в тесной зависимости от амплитуды усиливаемого сигнала.
Например, рабочая точка А (рис.14) выбрана правильно для малого сигнала.
Рабочая точка Б подходит для большого сигнала, а для малого сигнала этот режим не экономичен, т.к. транзистор из-за повышенного базового тока покоя и, соответственно повышенного начального коллекторного тока, будет потреблять больше энергии источника тока.

Транзистор может использоваться не только как линейный усилитель, но и в качестве нелинейного усилителя у которого выходной сигнал отличается от входного.
Поэтому различают несколько классов усиления. Практически этого добиваются путем выбора рабочей точки.

<< Предыдущая Cледующая>>

Вверх

radionet