Меню

Усилитель напряжения переменных сигналов



ВРемонт.su — ремонт фото видео аппаратуры, бытовой техники, обзор и анализ рынка сферы услуг

Home Радиотехника Усилитель напряжения на биполярном транзисторе

Усилитель напряжения на биполярном транзисторе

Простые схемы усилителей 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 Vout возникает на выходе в результате протекания коллекторного тока по резистору нагрузки RL. Этот пример иллюстрирует одно из наиболее важных применений резисторов в электронных цепях: преобразование тока в напряжение. Входное напряжение Vin, приложенное к переходу база-эмиттер, приводит к увеличению тока базы, зависящего от сопротивления перехода база-эмиттер. Ток базы вызывает намного больший ток коллектора Ic, создающий падение напряжения IcRL на резисторе RL. Эта разность потенциалов пропорциональна Vin, 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 RL должно падать 4,5 В. Таким образом, согласно закону Ома, RL = 4,5 В / 1 мА = 4500 Ом. Ближайшее номинальное значение RL равно 4,7 кОм. Для рассматриваемой схемы имеем:

где Vcc — напряжение питания.

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

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

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.

Читайте также:  Тиристор напряжения 12 220 схема

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 hFE транзистора, в то время как численные значения этого параметра имеют большой разброс у различных экземпляров транзисторов одного типа. Например, при типичном значении hFE для транзистора ВС 107, равном 200, изготовители указывают, что оно может изменяться в пределах от 90 до 450. Изменение hFE сдвигает рабочую точку по постоянному току. Например, если коэффициент hFE равен 100 вместо 200, то при этом потечет ток коллектора, равный 0,5 мА, а не 1 мА, и падение напряжения на RL 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 hFE = 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 RL. 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 RL не может превышать Vcc 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 hFE. Даже если бы у нас была возможность отбирать транзисторы с hFE = 200, а это очень дорого при массовом выпуске схем, hFE 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 RB непосредственно к Vcc, мы, уменьшив сопротивление вдвое, подключим его к коллектору (VCE≈Vcc/2). Теперь, благодаря этому, ток базы в режиме покоя зависит от коллекторного напряжения в режиме покоя. Даже при увеличении hFE транзистор не может попасть в насыщение: если коллекторное напряжение падает, то также падает ток базы, «придерживая» коллекторный ток. И наоборот, если hFE уменьшается, коллекторное напряжение в режиме покоя возрастает, увеличивая ток IB.

Читайте также:  Дополнительные средства защиты при напряжении выше 1000в

Ток базы определяется теперь соотношением

Объединяя эти равенства, получим

Если RL и RB имеют значения, указанные на рис. 2, и hFE = 100, то VCE≈6 В; если hFE = 400, то VCE≈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 hFE является просто примером отрицательной обратной связи, которая представляет собой одно из самых важных понятий в электронике.

Усилитель напряжения на транзисторе со стабилизацией рабочей точки

Усилитель напряжения 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 hFE 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 IER3 где IE — 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 VB — потенциал базы относительно земли, а VE — потенциал эмиттера относительно земли, то

Стабилизированный усилитель с эмиттерным резистором

Рис. 3. Стабилизированный усилитель с эмиттерным резистором.

Следовательно, ток эмиттера IE определяется выбором величин VB 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.

Источник

ПРИНЦИП УСИЛЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Назначение и классификация усилителей.Усилители переменного напряжения являются наиболее распрост­раненным типом электронных усилителей на дискретных элементах. Связь усилителя с источником входных сигна­лов и нагрузкой, а также между отдельными каскадами в многокаскадных усилителях переменного напряжения в большинстве случаев осуществляется через раздели­тельные RC-цепи и реже — с помощью трансформаторов. При таких связях усиливается и передается в нагрузку только переменная составляющая сигнала, несущая по­лезную информацию. Лишь в интегральных усилителях ввиду сложности изготовления катушек индуктивности и конденсаторов большой емкости применяются гальва­нические связи, пропускающие как переменные, так и постоянные составляющие усиливаемого сигнала. Общими требованиями, предъявляемыми к цепям межкаскадных связей, являются минимальные потери усиления, мини­мальные вносимые искажения, достаточная электриче­ская прочность.

Среди усилителей переменного напряжения видное место занимают усилители низкой частоты (УНЧ), усиливающие электрические колебания в диапа­зоне частот от единиц герц до десятков килогерц. УНЧ, работающие в диапазоне частот 16 Гц. 20 кГц, называют усилителями звуковой частоты (УЗЧ).

УНЧ применяются в радиоприемных и радиотранс­ляционных устройствах, системах автоматического регу­лирования и телеметрии и др.

Напряжение на входе УНЧ может изменяться в ши­роких пределах: от долей микровольта до нескольких вольт. Значения напряжений усиленных электрических колебаний могут быть от десятых долей вольта до сотен вольт, а их мощность — от нескольких милливатт до сотен ватт и киловатт. Для получения такого усиления напря­жения и мощности УНЧ должен быть, как правило, много­каскадным. Первые каскады образуют предварительный усилитель, который осуществляет в основном усиление на­пряжения. Такие усилители называют усилителями на­пряжения низкой частоты (УННЧ). Основное требование, предъявляемое к УННЧ — это получение максимального коэффициента усиления напряжения при минимальных искажениях усиливаемых электрических колебаний.

Читайте также:  Как организовать работы под напряжением

По принципу построения усилительные каскады могут быть однотактными и двухтактными.

Усилители напряжения низкой частоты могут быть выполнены на электронно-управляемых лампах, бипо­лярных или полевых транзисторах. В последнее время очень часто используются УННЧ на интегральных микро­схемах.

В качестве нагрузок в УННЧ могут использоваться резисторы, трансформаторы, обмотки электродвигателей, динамические головки громкоговорителей и др.

Из транзисторных УННЧ наибольшее применение получили усилители с общим истоком (ОИ) и общим эмиттером (ОЭ). Это связано с тем, что такие усилители обеспечивают получение большого коэффициента усиле­ния при сравнительно высоком входном сопротивлении. Для уменьшения частотной зависимости технических по­казателей в транзисторных УННЧ в качестве нагрузок обычно используют резисторы.

Работа усилителя.Схема простейшего усилителя на полевом транзисторе, включенном по схеме с ОИ и ре-зистивной нагрузкой Rc, показана на рис. 5.1, а.

Источник с ЭДС еBX создает на входе усилителя (рис. 5.1, б) на зажимах 1 — 1 переменное напряже­ние uвх, изменяющееся по закону .

При неработающем источнике усилитель находится в режиме покоя (интервал времени ), который характеризуется постоянными напря-

жениями затвора и стока и током . Ток покоя про­текает через резистор нагрузки Rc и создает на его со­противлении напряжение , поэтому

В момент времени включается источник перемен­ного напряжения и напряжение затвора начинает изме­няться по закону

Режим работы активного элемента, при котором хотя бы один из его параметров изменяется во времени, на­зывается динамическим. Следовательно, с момента вре­мени ПТ и усилитель в целом из режима покоя (стати­ческого режима) переходят в динамический режим.

Во время положительного полупериода входного на­пряжения (интервал ) напряжение затвора стано­вится менее отрицательным. Это вызывает увеличение тока стока и падения напряжения на резисторе Rc. Напряже­ние в соответствии с выражением (5.1) умень­шается.

Во время отрицательного полупериода входного на­пряжения (интервал ) напряжение становится более отрицательным, чем в режиме покоя. Это приводит к уменьшению тока стока, падения напряжения на ре­зисторе Rс и увеличению напряжения .

Таким образом, под действием переменной составляю­щей напряжения затвора ток стока, напряже­ние стока и напряжение на нагрузке преобразуются из постоянных, какими они были в режиме покоя, в пульси­рующие, содержащие постоянные и переменные состав­ляющие:

Из последнего уравнения видно, что изменение на­пряжения на резисторе Rc численно равно изменению напряжения стока, т. е. . Поэтому последнее уравнение можно записать в виде

Знак «минус» в этом выражении означает противо-фазность переменных составляющих напряжений стока и затвора.

Так как , то при соответствующем выборе сопротивления резистора Rc можно получить , т. е. усиление входного напряжения.

Усиленное переменное напряжение поступает на выход усилителя через разделительный конденсатор Ср. Емкость этого конденсатора должна быть достаточно большой, чтобы на его сопротивлении падала лишь незначитель­ная часть переменной составляющей напряжения . При этом можно считать, что .

Схема простейшего усилителя на биполярном тран­зисторе, включенном с ОЭ, показана на рис. 5.2, а, а принцип его работы иллюстрируется графиками, приве­денными на рис. 5.2, б.

Усилители, приведенные на рис. 5.1, а и 5.2, а, на­зываются инвертирующими, так как у них фаза выходного напряжения противоположна фазе входного напряжения.

В рассмотренных усилителях выходные напряжения создаются переменными составляющими токов стока и коллектора, значительно превышающими по амплитуде входные токи — токи затвора и базы. Поэтому усиление напряжения происходит при одновременном усилении мощности.

Усилитель можно выполнить на биполярном транзи­сторе, включенном посхеме с общей базой (рис. 5.3). Физические процессы в таком усилителе ничемнеотли­чаются от физических процессов в усилителе на БТ с ОЭ. С помощью графиков, отображающих изменения напря­жений и токов при действии на входе усилителя пере­менного напряжения, можно убедиться в том,

что выход­ное напряжение в усилителе на БТ с ОБ совпадает по фазе с входным. Такой усилитель называют неинверти­рующ и м.

Источник