Усилитель напряжения на биполярном транзисторе

Рис. 1. Использование транзистора в усилителе напряжения: (а) простейшая схема, (б) схема со смешением.

Сигналами в электронных схемах обычно являются постоянные или переменные напряжения. Такие устройства, как например микрофон, создают переменное напряжение, которое должно быть усилено прежде, чем им можно будет воспользоваться. Некоторые источники сигналов, такие как фототранзистор и некоторые детекторы, могут быть источниками тока, который, как правило, еще до усиления преобразуется в напряжение.

Поэтому наиболее важны усилители напряжения и, несмотря на то, что биполярный транзистор работает как устройство, усиливающее ток, основное применение он находит в усилителях напряжения. Рассмотрим основные принципы работы усилителя напряжения на биполярном транзисторе.

Резистор нагрузки

На рис. 1.(a) показан очень простой усилитель напряжения; выходное напряжение V_out возникает на выходе в результате протекания коллекторного тока по резистору нагрузки R_L. Этот пример иллюстрирует одно из наиболее важных применений резисторов в электронных цепях: преобразование тока в напряжение. Входное напряжение V_in, приложенное к переходу база-эмиттер, приводит к увеличению тока базы, зависящего от сопротивления перехода база-эмиттер. Ток базы вызывает намного больший ток коллектора I_c, создающий падение напряжения I_cR_L на резисторе R_L. Эта разность потенциалов пропорциональна V_in, но намного больше по величине.

Важной деталью таких схем является земляная шина, называемая также землей, "нулем вольт" (0 В) или общей шиной и обозначаемая символом, показанным на рисунке. Земляная шина является общей для входного сигнала, выходного сигнала и источника постоянного напряжения, и обычно является точкой, относительно которой отсчитываются все напряжения в схеме.

Рабочая точка и смещение транзистора в схеме усилителя напряжения

Схема, приведенная на рис. 1.(a), как можно догадаться, является сильно упрощенной схемой усилителя напряжения. Она будет давать отклик только на положительное входное напряжение и, кроме того, только на напряжение, большее чем 0,5 В; последнее значение является той э.д.с., которая необходима для смещения перехода база-эмиттер в прямом направлении. Ясно, что если схема предназначена для усиления малых сигналов без искажения, переход база-эмиттер должен быть смещен в прямом направлении даже в отсутствие сигнала. Обычно напряжение переменного сигнала принимает как положительное, так и отрицательное значение, так что выходное напряжение на коллекторе должно иметь возможность двигаться вверх к напряжению источника питания (при отрицательном входном напряжении) и вниз к потенциалу земляной шины (при положительном входном напряжении). Из этого следует, что при равном нулю входном сигнале (это состояние обычно называется режимом покоя) в транзисторе должен протекать такой ток коллектора, чтобы напряжение на коллекторе находилось посредине между землей и напряжением источника питания, готовое изменяться в любом направлении в соответствии с полярностью входного сигнала.

На рис. 1.(б) показана схема, в которой достигается требуемый результат. Маломощный кремниевый транзистор, такой как ВС 107, будет очень хорошо работать с коллекторным током в режиме покоя 1 мА. В этом случае при правильном выборе рабочей (начальной) точки требуется, чтобы напряжение на коллекторе находилось посредине между 0 В и +9 В, то есть на резисторе R_L должно падать 4,5 В. Таким образом, согласно закону Ома, R_L = 4,5 В / 1 мА = 4500 Ом. Ближайшее номинальное значение R_L равно 4,7 кОм. Для рассматриваемой схемы имеем:

V_CE=V_cc-I_cR_L=V_cc-h_FEI_BR_L

где Vcc — напряжение питания.

Если мы примем для транзистора ВС 107 коэффициент усиления постоянного тока h_FE равным 200, то для тока коллектора 1 мА требуется ток базы I_B = 1/200 мА = 5 мкА. Сопротивление базового резистора R_B, задающего ток базы, снова находится согласно закону Ома:

R_B=V_cc/I_B=9/(5x10^-6)=1,8МОм

Напряжением база-эмиттер V_BE (приблизительно равным 0,6 В) здесь пренебрегаем по сравнению с намного большим напряжением питания V_cc.

Разделительные конденсаторы С1 и С2 используются для изоляции внешних цепей от постоянных напряжений, имеющихся на базе и коллекторе в режиме покоя. Свойство конденсатора не пропускать постоянное напряжение и в то же время пропускать переменное очень ценно в электронике; оно является результатом стремления конденсатора сохранять свой заряд и поэтому разность потенциалов на его обкладках остается постоянной. Следовательно, увеличение потенциала на одной обкладке вызывает соответствующее увеличение потенциала на другой. Поданный на одну из обкладок, переменный сигнал изменяет ее потенциал много раз в секунду и, таким образом, передается с одной обкладки на другую. В то же время постоянное напряжение дает возможность конденсатору накопить заряд, соответствующий новой разности потенциалов на его обкладках, и поэтому оно не передается. Время, необходимое для установления новой разности потенциалов, зависит от постоянной времени цепи, которая должна быть больше периода передаваемого переменного напряжения самой низкой частоты. Более подробно этот вопрос обсуждается в главе 8. В рассматриваемом простом усилителе напряжения постоянные времени цепей с разделительными конденсаторами емкостью 10 мкФ обеспечивают передачу переменного напряжения без ослабления вплоть до 10 Гц.

Знак плюс на рисунке у одной из обкладок конденсатора является указанием, как подключать электролитические конденсаторы, у которых изолирующий диэлектрический слой представляет собой чрезвычайно тонкую пленку окиси алюминия, полученную электролитическим осаждением. Такие конденсаторы имеют большие емкости при малых размерах и низкой цене, но должны включаться в схему с учетом полярности, за исключением конденсаторов специального типа — неполярных конденсаторов.

Стабилизация рабочей точки транзистора

Серьезный недостаток схемы на рис. 1.(б) состоит в том, что напряжение коллектора в режиме покоя целиком зависит от величины h_FE транзистора, в то время как численные значения этого параметра имеют большой разброс у различных экземпляров транзисторов одного типа. Например, при типичном значении h_FE для транзистора ВС 107, равном 200, изготовители указывают, что оно может изменяться в пределах от 90 до 450. Изменение h_FE сдвигает рабочую точку по постоянному току. Например, если коэффициент h_FE равен 100 вместо 200, то при этом потечет ток коллектора, равный 0,5 мА, а не 1 мА, и падение напряжения на R_L составит только 2,35 В вместо 4,7 В. Увеличение напряжения на коллекторе в режиме покоя означает, что выходное напряжение в схеме может изменяться в сторону увеличения только на 2 В, а не на 4 В (возможно изменение выходного напряжения в сторону уменьшения до 6 В, но от этого мало пользы, когда положительные приращения ограничены).

Последствия использования транзистора с h_FE = 400 еще более серьезны. В этом случае ток коллектора удвоится до 2 мА. Простое вычисление показывает, что все 9 В питания будут падать на резисторе R_L. Говорят, что транзистор находится в насыщении. Практически между коллектором и эмиттером остается небольшое напряжение порядка 0,2 В. Любое дальнейшее увеличение тока базы почти ни к чему не приводит; действительно, падение напряжения на R_L не может превышать V_cc Поскольку при насыщении транзистора потенциал коллектора фактически равен потенциалу земли, схема теперь не пригодна для линейного усиления: невозможны изменения выходного напряжения в сторону уменьшения.

Возвращаясь к линейному усилителю на рис. 1.(б), можно сказать, что необходимо некоторое усовершенствование схемы, чтобы повысить ее устойчивость к изменениям h_FE. Даже если бы у нас была возможность отбирать транзисторы с h_FE = 200, а это очень дорого при массовом выпуске схем, h_FE увеличивается с ростом температуры, так что схема все равно не была бы надежной. На рис. 2. показано очень простое, но эффективное улучшение. Вместо того, чтобы подключать резистор R_B непосредственно к V_cc, мы, уменьшив сопротивление вдвое, подключим его к коллектору (V_CE≈V_cc/2). Теперь, благодаря этому, ток базы в режиме покоя зависит от коллекторного напряжения в режиме покоя. Даже при увеличении h_FE транзистор не может попасть в насыщение: если коллекторное напряжение падает, то также падает ток базы, «придерживая» коллекторный ток. И наоборот, если h_FE уменьшается, коллекторное напряжение в режиме покоя возрастает, увеличивая ток I_B.

Ток базы определяется теперь соотношением

I_B=V_CE/R_B

и, как и прежде,

V_CE=V_cc-h_FEI_BR_L

Объединяя эти равенства, получим

V_CE=V_cc/(1+h_FER_L/R_B)

Если R_L и R_B имеют значения, указанные на рис. 2, и h_FE = 100, то V_CE≈6 В; если h_FE = 400, то V_CE≈3 В. Хотя здесь все еще положение рабочей точки меняется, это не существенно, пока для получения больших сигналов не требуется иметь возможно большие пределы изменения выходного напряжения. Схема, приведенная на рис. 2., будет работать при изменении параметров транзисторов в очень широком диапазоне и является полезным усилителем напряжения общего назначения. Принцип построения схемы с автокомпенсацией изменений h_FE является просто примером отрицательной обратной связи, которая представляет собой одно из самых важных понятий в электронике.

Усилитель напряжения на транзисторе со стабилизацией рабочей точки

Рис. 2. Усилитель напряжения со стабилизацией рабочей точки.

Для некоторых применений даже относительно небольшие изменения положения рабочей точки, имеющиеся в схеме на рис. 2, недопустимы. Если режим по постоянному току должен практически не зависеть от h_FE можно использовать схему стабилизированного усилителя, показанную на рис. 3. Первым характерным признаком этой схемы является наличие резистора R3 в цепи эмиттера, а это означает, что потенциал эмиттера больше не равняется потенциалу земли, а немного выше его и равен I_ER₃ где I_E — ток эмиттера. Второе отличие состоит в том, что вместо единственного резистора для задания базового тока определенной величины применен делитель напряжения R1 R2 фиксирующий потенциал базы относительно земли. Ток делителя напряжения на порядок выше тока базы, так что последний слабо влияет на потенциал базы. Так как переход база — эмиттер смещен в прямом направлении, на нем падает небольшое напряжение (у кремниевого транзистора приблизительно 0,6 В), так что потенциал эмиттера ниже потенциала базы на 0,6 В.

Итак, если V_B — потенциал базы относительно земли, а V_E — потенциал эмиттера относительно земли, то

V_E = V_B - 0,6.

Но V_E=I_ER₃

поэтому I_E=(V_B-0,6)/R₃

Рис. 3. Стабилизированный усилитель с эмиттерным резистором.

Следовательно, ток эмиттера I_E определяется выбором величин V_B и R₃. При сопротивлениях резисторов R1 и R2, указанных на рис. 3., потенциал базы зафиксирован на уровне 1,6 В; поэтому потенциал эмиттера равен приблизительно 1,0 В, обеспечивая требуемый ток эмиттера 1 мА при сопротивлении эмиттерного резистора 1 кОм.

Поскольку

I_E=I_C+I_B и I_B << I_C

имеем:

I_E≈I_C

Следовательно, ток коллектора также примерно равен 1 мА.

Интересно отметить, что в приведенном расчете схемы отсутствует коэффициент h_FE транзистора. Фактически единственным параметром транзистора, имеющим какое-либо значение в этой схеме, является напряжение V_BE которое принято равным 0,6 В и изменяется очень мало (<0,1 В) от одного транзистора к другому. При расчете стабилизированной схемы падение напряжения на эмиттерном резисторе должно быть больше возможных изменений напряжения V_BE но не настолько большим, чтобы заметно уменьшить амплитуду выходного сигнала (напряжение на коллекторе теперь может изменяться только между V_CC и V_E а не между V_CC и потенциалом земли). Обычно подходящим является напряжение 1 В. Конденсатор большой емкости С3 шунтирует эмиттерный резистор для того, чтобы на эмиттере не появлялось переменное напряжение. Без С3 усиление напряжения очень сильно упадет из-за отрицательной обратной связи, поскольку переменное напряжение на резисторе R3 вычитается из входного сигнала.

Удобный способ измерения коэффициента усиления состоит в том, что на вход усилителя подается сигнал от генератора синусоидальных сигналов, а затем с помощью осциллографа измеряется выходной сигнал V_out и сравнивается с входным сигналом V_in.

Коэффициент усиления напряжения равен

A_v=V_out/V_in

Для схем, рассмотренных в этой статье, коэффициент усиления напряжения имеет величину порядка 150 — 200. Теоретический расчет коэффициента усиления на Времонт.su рассмотрим позже.