На чем основано усиление электрических сигналов с помощью транзистора

Усиление электрических сигналов с помощью биполярного транзистора.

Поскольку входное сопротивление транзистора Rэ мало, небольшое изменение тока эмитгера вызовет небольшое изменение напряжения в эмиттерной цепи. В коллекторной цепи на сопротивлении нагрузки Rк это небольшое изменение тока вызовет значительное изменение напряжения Uк=RкIк, т.к. Rк велико.

Действительно, если напряжение между эмиттером и базой изменится на величину DUэб, ток эмиттера изменится на величину DIэ=DUэб/Rэ. Ток коллектора изменится на ту же величину DIк=aDIэ»DIэ, (a»1).Напряжение на нагрузке Rк в коллекторной цепи изменится на DUк=RкDIк или DUк=(Rк/Rэ)DUэб, т.е. приращение напряжения на коллекторной нагрузке в Rк/Rэ раз больше приращения напряжения в эмиттерной цепи. Так как Rк>>Rэ, следовательно, DUк>>DUэб. При этом происходит и усиление по мощности. Приращение входной мощности равно DРвх=РэDIэ 2 приращение выходной мощности DРвых=RкDIк 2 »RкDIэ 2 или DРвых=(Rк/Rэ)DРвх.Т.к. Rк>>Rэ, то DPвых>>DPвх.

При работе транзистора в схеме усилителя на вход его подается переменное напряжение сигнала, которое нужно усилить. В этом случае Еэ не изменяется, но последовательно с ним включенное переменное напряжение сигнала малой величины изменяется, и это будет приводить к большим изменениям (колебаниям) переменного напряжения сигнала на сопротивлении нагрузки Rк, т.е. в схеме будет происходить усиление малого входного сигнала.

В схеме с ОЭ происходит усиление по току и напряжению. Здесь входным током является ток базы, он значительно меньше тока эмиттера. Если изменить входное напряжение Uбэ, изменится потенциально барьер эмиттера и, следовательно, дырочный ток эмиттера и ток коллектора. Так как в базу от источника поступает небольшой ток, меньший по величине, чем ток эмиттера и, следовательно, и коллектора, то незначительное изменение тока во входной цепи вызовет значительно большее изменение тока в выходной цепи коллектора.

Рис.12-16 Структурная схема транзистора с ОБ с нагрузочным резистором в выходной цепи.

Таким образом, в схеме с ОЭ происходит усиление по току. При этом имеется усиление и по напряжению. Так как выходное сопротивление велико, в цепь коллектора можно включить большое сопротивление. На этом сопротивлении напряжение будет значительно выше, чем напряжение во входной цепи. Усиление по напряжению и току приводит к значительное усилению по мощности.

В схеме усиления с ОК (p-n-p) Ku=1, а коэффициент усиления по току Ki=10-100. Так как в этой схеме Uвх=Uвых, то такую схему называют эмиттерный повторитель.

Параметры транзистора:

1) Статический коэффициент усиления по току в схеме с ОБ

Статический коэффициент усиления по току в схеме о ОЭ имеет другое выражение. Его можно получить из соотношения Iк=aIэ+Iко, если подставить в него выражение Iэ=Iб+Iк. Тогда Iк=a(Iб+Iк)+Iко, откуда:

где b=a/(1–a) статический коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ, выраженный через a.

Из уравнения (12.9) можно установить, что схема с ОЭ обладает большим усилением по току. Например, еслиa=0,985, то b=66.

Обратный ток коллекторного перехода в схеме с ОЭ.

Коэффициенты a и b являются важнейшими параметрами транзисторов. Их часто называют коэффициентами передачи тока эмиттера (a) и тока базы (b).

2) Коэффициент обратной связи по напряжению. В схеме с ОБ он равен

=DUэб/DUкб,(12.22)

=DUбэ/DUкэ,(12.23)

где DUэб, DUбэ, DUкб, DUкэ – соответственно приращения напряжений эмиттера, базы и коллектора.

3) Входное сопротивление. В схеме с ОБ равно:

Rвхэ=DUбэ/DIб,(12.24)

где DIэ и DIб – соответственно приращения тока эмиттера и тока базы.

4) Выходное сопротивление. В схеме с ОБ равно

На рис. 12-17 показаны входные и выходные статические характеристики транзистора, включённого по схемам ОБ и ОЭ

Рис. 12-17. Входные (а,б) и выходные (в,г) статические характеристики транзистора, включенного по схеме с ОБ (а,в) и по схеме с ОЭ (б,г)

Схемы замещения транзисторов типа p-n-p

Схемы замещения транзисторов строят на той основе, что эммиттерный переход имеет сопротивление до десятков Ом, коллекторный переход имеет сопротивление до сотни килоОм, область базы имеет сопротивление до сотен Ом.

Рис. 12-18. Схема замещения транзистора p-n-p, включенного по схеме с ОБ.

В схеме ОБ (рис.12-18) входное напряжение равно сумме падений напряжений на сопротивлениях Rэ и Rб при прохождении по ним токов, соответственно эмиттерного и тока базы. Как показывают расчёты, по приведённой схеме, Rвхб совпадает с расчётами Rвхб= Uэб/ Iэ десяткам Ом.

Аналогичные расчёты можно проводить по схемам замещения транзисторов, включённых по схемам с ОК и с ОЭ (рис. 12-19, а, б)

Рис 12-19. а) Схемы замещения транзистора p-n-p, включенного по схеме с ОК.

Рис 12-19. б)Схемы замещения транзистора p-n-p, включенного по схеме с ОЭ.

Н-параметры транзистора. При расчётах часто транзистор рассматривают как усиливающее мощность устройство, имеющее на входе напряжение U₁ и ток I₁, а на выходе соответственно U₂ и I₂. Такую модель называют активным четырёхполюсником. (рис. 12-20)

Рис. 12-20. Транзистор, как активный четырёхполюсник, включённый по схеме с ОЭ.

Рассмотрим Н-параметры транзистора включенного по схеме с ОЭ (рис.12-20)

1. Входное сопротивление VT для переменного тока:

Н₁₁= Uбэ/ iб (Uкэ=const) (12.27)

2. Выходная проводимость: (12.28)

Н₂₂ = iк/ Uкэ (iб=const)

3. Коэффициент усиления по току:

Н₂₁ = iк/ iб ( Uкэ=const) (12.29)

Для маломощных транзисторов:

а для транзисторов средней и большой мощности (12.30)

Выходная проводимость для маломощных транзисторов

, а для средней и большей мощности (31)

Коэффициент усиления по току

(12.32)

Источник

Почему биполярный транзистор может усиливать сигналы

Итак, мы уже знаем, что усиление электрических сигналов возможно в приборах с управляемыми потоками электрических зарядов. Однако сама по себе данная фраза ничего не значит. Возникает естественный вопрос: как, имея управляемый поток зарядов и подавая на вход слабый сигнал, на выходе прибора получить сильный сигнал?

Что же необходимо для работы усилительного устройства? Рассмотрим простой пример. Водитель автомобиля давит на педаль газа, и чем большее усилие он прикладывает к маленькой педали, тем быстрее едет большой и тяжелый автомобиль. Однако всем известно, что автомобиль двигает не слабый водитель, а мощный двигатель. Т.е. педаль — это лишь средство воздействия на двигатель, который и выполняет всю работу. На таком же принципе основано действие и усилителей электрических сигналов. В них создается отдельный мощный сигнал, который и попадает на выход усилителя, а слабый входной сигнал лишь воздействует на этот мощный сигнал, заставляя его изменяться по тому же закону.

Как уже говорилось, в полупроводниках могут существовать потоки электрических зарядов. Если такой поток протекает от одного электрода полупроводникового прибора к другому, то между этими двумя электродами возникает электрический ток, абсолютная величина которого пропорциональна мощности потока (количеству перемещаемых за единицу времени зарядов). Очевидно, что при определенных условиях с помощью мощного внешнего источника питания мы можем создавать в полупроводниковых структурах самые разнообразные потоки зарядов. Вопрос, однако, заключается в том, как обеспечить воздействие на эти потоки слабого сигнала, который мы хотим усилить. Вернемся теперь к рассмотрению биполярного транзистора.

На рис. 1.2 показана схема, в которой на выводы эмиттера и коллектора транзистора \(n\)-\(p\)-\(n\)-типа подано достаточно большое напряжение от внешнего мощного источника питания плюсом к коллектору и минусом к эмиттеру. Если бы между эмиттерной и коллекторной \(n\)-областями транзистора не было тонкой базовой прослойки с проводимостью \(p\)-типа, то очевидно, что в полупроводнике возник бы мощный поток электронов от эмиттера к коллектору.

Рис. 1.2. Схема подачи напряжений на биполярный транзистор n-p-n-типа для обеспечения режима усиления

Однако на практике даже весьма тонкой базовой прослойки оказывается достаточно, чтобы предотвратить это явление. Все изменяется, если мы приложим к базе транзистора некоторое незначительное по величине и положительное относительно эмиттера напряжение (рис. 1.2). При этом эмиттерный p-n-переход транзистора оказывается под напряжением, соответствующим его проводящему состоянию, и в \(p\)-\(n\)-структуре эмиттер—база образуется поток электронов в том же направлении, в котором он мог бы возникнуть при отсутствии базовой области. Электроны, достигая базовой области, по логике должны уходить в базовый электрод, обеспечивая прохождение тока в цепи база—эмиттер транзистора, но на практике происходит другое. Подгоняемые большим напряжением, приложенным между коллектором и эмиттером, электроны быстро пролетают через узкую базовую область и уходят к коллекторному электроду, т.е. возникает тот самый мощный поток зарядов между эмиттером и коллектором, который мы не могли получить ранее. Только крайне незначительная часть электронов попадает в базовый электрод. Таким образом, мы имеем слабый ток в цепи эмиттер—база и сильный ток в цепи эмиттер—коллектор (напомним, что направление электрического тока считается противоположным направлению движения отрицательных зарядов, в нашем случае — электронов). Повышая напряжение на базе транзистора, мы будем наращивать мощность потока электронов, при этом токи в цепях будут расти соответственно.

Итак, оказывается, что в биполярном транзисторе можно создать сильный электрический ток в цепи «коллектор — эмиттер — внешний мощный источник питания» при достаточно слабом токе в цепи «база — эмиттер — маломощный источник сигнала». Причем данное слабое воздействие на базу оказывает управляющее действие на ток в коллекторно-эмиттерной цепи. Если далее в коллекторную или эмиттерную цепь транзистора (рис. 1.2) включить некоторое сопротивление (нагрузку), то окажется, что ток и напряжение на нем повторяют форму входного сигнала на базе транзистора, но мощность, подаваемая на него, гораздо выше мощности входного сигнала, т.е. происходит усиление.

Мы описали работу биполярного транзистора \(n\)-\(p\)-\(n\)-типа. Для приборов \(p\)-\(n\)-\(p\)-типа все выглядит совершенно аналогично. Только здесь мы должны рассматривать не потоки электронов, а потоки положительных зарядов — дырок. При этом полярности всех внешних напряжений меняются на обратные. Других отличий нет.

Источник

Как работает усилитель на транзисторе

Разбор схемы

Это моно-усилитель мощности звуковой частоты.

Транзистор VT1 является главным элементом в схеме усилителя. Поэтому схема называется транзисторный УНЧ (усилитель низкой частоты).

В данном случае используется n-p-n транзистор. Он включен по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Эта схема позволяет выжить максимум из транзистора. Она усиливает и напряжение, и ток одновременно. Итого максимальная мощность.

Данная схема имеет один каскад усиления.

Что такое каскад

Каскад – это по сути этап усиления, который не зависит от другого. Бывают и двухкаскадные усилители. То есть, например, в схеме есть два транзистора. Один работает как предусилитель, и передает усиленный сигнал на вход второго. Поэтому схема называется двухкаскадной. Они не зависят друг от друга, но первый каскад передает сигнал на второй, что позволяет увеличить мощность сигнала.

Как питаемся схема

От качества питания зависит и качество усиления. С какими бы выдающимися характеристиками не был транзистор, если питание плохо отфильтровано или недостаточное, то усиление будет советующего качества.

На клеммы Х3 и Х4 подключается питание 6 В.

Эта схема может питаться и от аккумулятора. Однако, несмотря на то, что аккумулятор – это источник с минимальным шумом, у аккумулятора тоже есть свое сопротивление.

И чтобы оно не мешало и не влияло на работу усилителя, нужен сглаживающий и накопительный конденсатор.

Электролитический конденсатор С3 накапливает энергию источника питания, что позволяет улучшить качество усиления. Чем выше емкость – тем лучше. Естественно, у такого правила есть ограничения. Если поставить слишком большую емкость, то будет большая нагрузка на источник питания.

Во время проектирования схемы все эти параметры рассчитываются. Здесь в схеме у конденсатора С3 емкость 47 микрофарад – этого достаточно для нашего транзистора, поскольку у него не большая мощность, которую он может выдать. Можно поставить и большую емкость, например, 1000 микрофарад. Главное не нежно ставить конденсатор с меньшим пределом по напряжению. Если поставить конденсатор менее 6 В (питание схемы), то конденсатор начнет нагреваться и даже может взорваться.

Вход усилителя

Вход усилителя – это клеммы Х1 и Х2.

Х2 это минус входа, а Х1 – плюс. Так как схема на один канал, то УНЧ называется моно.

Можно подключить как левый канал, так и правый и оба сразу.

Фильтрация входного сигнала

Электролитический конденсатор С1 позволяет отделить постоянную составляющую входящего сигнала от переменной.

По-простому, он пропускает только переменный сигналю. Если сигнала нет, или вход усилителя замкнут, то без этого конденсатора транзистор может перейти в режим насыщения (максимальное усиление), и на выходе появится неприятный хрип.

Емкость конденсатора подобрана под частоту звукового сигнала. Звук начинается от 20 Гц и до 16 кГц.

Рабочая точка и смещение базы

Для того, чтобы транзистор не искажал входной сигнал, нужно его для начала чуть-чуть приоткрыть.

Это можно сделать при помощи делителя напряжения из двух резисторов R1 и R2. Этот делитель напряжения позволяет приоткрыть транзистор VT1 для того, чтобы входной сигнал не тратил свою электрическую энергию на его открытие.

Как определяется класс усилителя

Класс усилителя определяется его рабочей точкой. Рабочая точка выбирается с помощью вольтамперной характеристики транзистора. Чем выше напряжение подается на вход транзистора, тем больше ток, тем выше рабочая точка.

Например, точка по центру это А класс.

А класс самый качественный из усилителей. Он усиливает как положительные, так и отрицательные полуволны входного сигнала. В то же время, у этого класса есть существенный недостаток. Это ограничение мощности и снижение энергоэффективности. Дело в том, что пока на вход УНЧ не поступает входной сигнал, он работает все время, пока он включен.

Получается, что при это расходуется лишняя электроэнергия. Поэтому, еще рабочая точка называется точкой покоя, когда усилитель не усиливает входной сигнал.

Также от рабочей точки зависит и чувствительность усилителя.

Еще есть B класс, AB и D. Они отличаются друг от друга по эффективности усиления и наличию искажений. Все зависит от используемой схемы.

Например. D класс вообще не открывает транзистор, однако с точки зрения энергоэффективности – это самый лучший выбор. Транзистор в покое не потребляет ничего, он включается только при подаче входного сигнала. И при этом если на вход подается аналоговый звуковой сигнал, то он искажается. Такой класс не подойдет для схемы, которую разбираем в этой статье.

А режим АВ применяется в схемах, где есть несколько транзисторов, которые работают на свои полуволны. Есть схемы, где один транзистор усиливает только положительные полуволны, а второй только отрицательные. Такие усилители называются двухтактными.

Стабилизация работы схемы

Когда полупроводник нагревается, его сопротивление уменьшается. Транзистор сделан из полупроводника, и соответственно его p-n переходы тоже.

При работе схемы УНЧ ток течет через транзистор, и он нагревается. Обычно вся мощность рассеивается на коллекторе. И тем не менее, характеристики транзистора резко меняются, поскольку сопротивление его p-n переходом резко снижается по мере повышения температуры.

Чтобы стабилизировать работу транзистора, нужно сбалансировать его сопротивление другим источником. Это можно сделать при помощи дополнительного сопротивления.

Когда сопротивление транзистора VT1 уменьшается, резистор R3 забирает часть напряжения на себя и не позволяет увеличить ток в цепи.

Благодаря этому транзистор:

Это называется термостабилизация работы усилителя.

А чтобы в нормальном режиме работы, когда VT1 не нагревается, резистор R3 не уменьшал мощность схемы, в цепь включен шунтирующий электролитический конденсатор C2. Через него переменная составляющая входного сигнала проходит без потерь.

Выход усилителя

На выход к усилителю можно подключить как другой усилитель, который усилит сигнал еще больше, так и динамическую головку.
Динамическая головка — это обычный динамик. Он воспроизведёт звук с выхода транзистора VT1.

Однако и тут есть много нюансов.

Если сопротивление выхода транзистора намного больше, чем у динамической головки, то он не сможет передать всю мощность. Как минимум большая часть напряжения останется на его контактах.

Для данной схемы нужен динамик с сопротивлением около 1 кОм.

Если поставить меньше, например, на 4 Ома, то и половина мощности не воспроизведется, а коллектор VT1 начнет еще сильнее нагреваться.

Согласование сопротивлений входа, выхода и нагрузки усилителя рассчитывается на этапе проектирования схемы. Поэтому не следует их нарушать.

Как протекает ток по схеме

В начальный момент времени, при подключении питания, электролитический конденсатор С3 заряжается, и начинят питать коллектор и эмиттер транзистора VT1. А также ток проходит через делитель напряжения.

Делитель напряжения R1, R2 смещает базу VT1. Начинает течь ток смещения база-эмиттер (Б-Э), тем самым устанавливается рабочая точка УНЧ.

Когда входной сигнал поступает на клемму Х1, он проходит С1 и через делитель поступает на базу VT1 и частично уходит через эмиттер.

Входной сигнал притягивается коллектором VT1 и тем самым усиливается.

Та часть переменного сигнала, которая перешла на эмиттер транзистора, усиливается эмиттерными током. Он свободно проходит через С2, который в паре с R3 стабилизирует режим работы усилителя от перегрева и искажений.

В итоге входной сигнал усиленный коллекторно-эмиттерным (К-Э) током VT1 поступает на выход, то есть на динамическую головку BF1.

От чего зависит мощность схемы

У этой схемы есть ограничения. Можно поменять VT1 КТ315 на более мощный, у которого коэффициент усиления будет выше, но этот лимит усиления не бесконечный.

В первую очередь, все зависит от используемого транзистора. Если поменять его на более мощный, то и усиление будет выше. Но следует помнить, что чем мощнее транзистор, тем мощнее нужен входной сигнал. К тому же, придется сделать перерасчет всех компонентов. И подключать предусилитель, собирать схему блока питания, а это уже будет совсем другая схема.

У транзисторов есть ряд параметров, которые влияют на схему. Это коэффициент усиления по току (h21э), напряжению, мощности. А также важный параметр — это рассеиваемая мощность на коллекторе. С повышением мощности потребуется радиатор для отвода тепла.

Как собрать схему

Схему можно собрать на текстолите или на макетной плате. Перейдите по ссылке на эту статью, в ней подробнее описывается процесс сборки и проверки схемы.

Используйте качественные детали и хороший припой. Она рабочая. Это вообще классическая схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером.

Также на сайте есть и другие схемы усилителей, которые не сложны в сборке и не дорогие по стоимости деталей.

Как проверить работу схемы

Достаточно прикоснуться до входа УНЧ отверткой, и на выходе послышаться треск. Это переменная наводка, которая усилится схемой.

Источник