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 Rн 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.
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 ).
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 Rн .
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.
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.
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
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 ).
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.
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 .
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».
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.
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.
2.1. Задание рабочей точки в транзисторном каскаде
Задание тока базы с помощью одного резистора.
Схема транзисторного каскада с общим эмиттером представлена на рис.2. Режим, в котором работает каскад, можно определить, построив его нагрузочную линию на выходной характеристике транзистора. Данный способ позволяет описать поведение транзистора в режимах насыщения, усиления и отсечки.
ежим насыщения определяется следующим условием (ток коллектора не управляется током базы):
где IКН – ток коллектора насыщения, определяется сопротивлением rk в цепи коллектора и напряжением источника питания ек:
Этот режим характеризуется низким падением напряжения коллектор-эмиттер (порядка 0,1 В). Для перевода транзистора в этот режим необходимо в базу транзистора подать ток, больший чем ток насыщения базы IБ:
Ток насыщения базы задается с помощью резистора RБН с сопротивлением, равным:
, (13)
где UБЭ0 – пороговое напряжение перехода база-эмиттер. Для кремниевых транзисторов UБЭ0 = 0,7 В.
В режиме усиления ток коллектора меньше тока IКН и описывается уравнением нагрузочной прямой:
. (14)
Рабочая точка в статическом режиме задается током базы и напряжением на коллекторе. Она определяется точкой пересечения нагрузочной прямой и выходной характеристики транзистора. Базовый ток транзистора определяется как ток через сопротивление в цепи базы RБ (см. рис.2):
. (15)
Ток коллектора вычисляется по формуле: IК = DCIБ . (16)
Напряжение коллектор-эмиттер определяется из уравнения нагрузочной прямой:
В режиме отсечки ток коллектора равен нулю и не создает на резисторе RК падения напряжения. Следовательно, напряжение UКЭ максимально и равно напряжению источника питания ЕК. Ток коллектора с учетом тепловых токов определяется из следующего выражения:
где IКЭ0, IКБ0 – обратные токи переходов коллектор-эмиттер и коллектор-база соответственно.
Коэффициент нестабильности тока коллектора (St) из-за влияния тепловых токов в схеме определяется как:
. (19)
Примечание: Как следует из этого выражения, при рассматриваемом способе задания тока базы коэффициент нестабильности зависит от статического коэффициента передачи, который для транзисторов одного и того же типа может сильно различаться.
Задание тока базы с помощью делителя напряжения. NPN-транзистор.
Схема задания тока базы NPN транзистора с помощью делителя напряжения в каскаде с общим эмиттером представлена на рис.3. Рассмотрим режимы насыщения, усиления и отсечки.
ок коллекторав режиме насыщения описывается следующим выражением:
. (20)
Независимо от сопротивления резисторов R1 и R2 делителя напряжения ток насыщения базы определяется из выражения:
, (21)
а напряжение UБ на базе равно:
. (22)
Это же напряжение задается делителем напряжения. Зная EК и UБ, можно определить отношение сопротивлений плеч делителя:
. (23)
Суммарное сопротивление делителя обычно выбирается таким образом, чтобы ток, протекающий через него, был больше тока базы. Составив систему уравнений и решив её, можно найти сопротивления R1 и R2 плеч делителя, которые обеспечивают ток базы, необходимый для перевода транзистора в режим насыщения. Аналогичным образом каскад рассчитывается и в усилительном режиме, но с учетом следующих выражений.
Ток коллектора в усилительном режиме описывается уравнением нагрузочной прямой:
. (24)
Ток базы определяется из выражения: 
. (26)
Ток коллектора связан с током эмиттера следующим выражением:
Напряжение на базе транзистора равно: UБ = IЭRЭ + UБЭ0 . (28)
Далее рассчитываются сопротивления R1 и R2 делителя напряжения. Суммарное сопротивление делителя должно обеспечивать больший по сравнению с током базы ток делителя.
Рабочая точка определяется пересечением нагрузочной прямой и выходной характеристики транзистора.
При известных значениях сопротивлений R1 и R2 напряжение между базой транзистора и общей шиной можно найти из выражения:
, (29)
Ток эмиттера определяется по падению напряжения на сопротивлении RЭ в цепи эмиттера и вычисляется как разность потенциалов UБ и UБЭ0:
. (30)
Значение напряжения коллектор-эмиттер UКЭ вычисляется по закону Кирхгофа:
Коэффициент нестабильности тока коллектора (St) из-за влияния тепловых токов в схеме при условии, что UЭ > UБЭ0 определяется как:
, (32)
где 
. (33)
Примечание: Как следует из этого выражения, при данном способе задания тока базы коэффициент нестабильности определяется элементами схемы и практически не зависит от характеристик транзистора, что улучшает стабильность рабочей точки.
Задание тока базы с помощью резистора в цепи база-коллектор.
Схема задания тока базы с помощью резистора в цепи база-коллектор в каскаде с общим эмиттером представлена на рис.4.
ок коллекторав усилительном режиме описывается уравнением:
. (34)
Рабочая точка определяется точкой пересечения нагрузочной прямой и выходной характеристики транзистора. Ток базы определяется из выражения:
. (35)
Как видно из выражения, ток базы зависит от напряжения коллектор-эмиттер, что делает схему менее чувствительной к разбросу значений статического коэффициента передачи устанавливаемых в нее транзисторов. Выразив из равенства (35) UКЭ и подставив его в уравнение (34) можно определить ток коллектора:
. (36)
Значение напряжения коллектор-эмиттер вычисляется по формуле:
Статический коэффициент передачи тока DC определяется отношением тока коллектора к току базы: DC = IК / IБ . (38)
Коэффициент нестабильности тока коллектора (St) из-за влияния тепловых токов в схеме с резистором в цепи база-коллектор определяется как:
. (39)
Как следует из выражения, коэффициент нестабильности этой схемы несколько выше, чем у схем с сопротивлением RЭ в цепи эмиттера.
