Схемы включения транзистора. » Хабстаб

Воспользуйтесь строкой поиска,
чтобы найти нужный материал

При любом включении транзистора в схему, через один из его выводов, будет течь входной и выходной ток, этот вывод называют общим.

Существуют три схемы включения биполярного транзистора:

• с общим эмиттером;
  
• с общим коллектором;
  
• с общей базой;
  

Начнём со схемы, с общим эмиттером.

• входной сигнал подаётся на базу;
  
• выходной сигнал снимается с коллектора;
  

Схема с общим эмиттером обладает следующими свойствами:

• большим коэффициентом усиления по току;
  
• большим коэффициентом усиления по напряжению;
  

Давайте соберём нарисованную выше схему и посмотрим как будет изменяться выходной сигнал в зависимости от входного.

Во всех осциллограммах в статье первый канал — входной сигнал, второй канал — выходной сигнал. Входной сигнал берется после разделительного конденсатора, иначе конденсатор вносит сдвиг фазы.
На осциллограмме видно, что амплитуда выходного сигнала в несколько раз превышает амплитуду входного, при этом сигнал на выходе инвертирован относительно входного сигнала, это значит, что когда сигнал входе возрастает на выходе он убывает и наоборот. На схеме пунктирной линией изображен конденсатор, его можно подключить если надо увеличить коэффициент усиления. Давайте подключим его.

Видим, что выходной сигнал увеличился примерно на порядок, то есть в 10 раз. Такая схема включения транзистора применяется, в усилителях мощности.

Схема с общим коллектором.

• входной сигнал подаётся на базу;
  
• выходной сигнал снимается с эмиттера;
  

Схема с общим коллектором обладает следующими свойствами:

• большим коэффициент усиления по току;
  
•  напряжения входного и выходного сигнала отличаются примерно на 0,6 V;
  

На осциллограмме видно, что амплитуды сигналов равны потому, что осциллограф отображает только переменную составляющую, если включить осциллограф на отображение постоянной составляющей, то разница между сигналом на входе и выходе составит 0,6 V. Схема сигнал не инвертирует и применяется в качестве буфера или для согласования каскадов.
Под буфером в электронике понимается схема, которая увеличивает нагрузочную способность сигнала, то есть сигнал остается такой же формы, но способен выдать больший ток.

Схема с общей базой.

• входной сигнал подаётся на эмиттер;
  
• выходной сигнал снимается с коллектора;
  

Схема с общей базой обладает следующими свойствами:

•  большим коэффициентом усиления по напряжению;
  
•  близким к нулю усилением по току, ток эмиттера больше тока коллектора на ток базы;
  

Давайте соберём нарисованную выше схему и посмотрим как будет изменяться выходной сигнал в зависимости от входного.

На осциллограмме видно, что амплитуда выходного сигнала примерно в десять раз превышает амплитуду входного сигнала, также сигнал на выходе не инвертирован относительно входного сигнала. Применяется такая схема включения транзистора в радиочастотных усилителях. Каскад с общей базой обладает низким входным сопротивлением, поэтому сигнал генератора искажается, следовательно и выходной сигнал тоже.
Возникает вопрос, почему не использовать для усиления радиочастот схему с общим эмиттером ведь она увеличивает амплитуду сигнала? Все дело в ёмкости перехода база-коллектор, её ещё называют ёмкостью Миллера. Для радиочастот эта ёмкость обладает малым сопротивлением, таким образом, сигнал вместо того, чтобы течь через переход база-эмиттер проходит через эту ёмкость и через открытый транзистор стекает на землю. Как это происходит показано на рисунке ниже.

Пожалуй, это всё, что хотелось рассказать про схемы включения транзистора.  

Источник: hubstub.ru

Статья

Обратная связь (биполярные транзисторы)

Добавлено 23 января 2018 в 04:43

Если на вход усилителя подается некоторая часть его выходного сигнала, так что усилитель усиливает часть собственного выходного сигнала, то мы имеем так называемую обратную связь. Обратная связь бывает двух типов: положительная (так называемая регенеративная) и отрицательная (так называемая дегенеративная). Положительная обратная связь усиливает направление изменения выходного напряжения усилителя, а отрицательная – наоборот.

Известным примером обратной связи являются акустические системы, где кто-то держит микрофон слишком близко к громкоговорителю: возникают сильные «гудение» и «свист», поскольку усилительная аудиосистема обнаруживает и усиливает свой собственный шум. Это частный случай положительной или регенеративной обратной связи, так как любой звук, обнаруженный микрофоном, усиливается и превращается в громкий звук от динамика, который затем снова обнаруживается микрофоном, и так далее. .. Результатом является шум неуклонно увеличивающейся громкости, пока система не будет «насыщена» и не сможет больше увеличивать громкость.

Можно задаться вопросом, какая выгода возможна от обратной связи в схеме усилителя, учитывая такой раздражающий пример, как «гудение» электроакустической системы. Если мы вводим положительную (или регенеративную) обратную связь в схему усилителя, то у него появляется склонность к созданию и поддержанию колебаний, частота которых определяется значениями компонентов, обрабатывающих сигнал обратной связи с выхода на вход. Это один из способов создания схемы генератора для вырабатывания переменного напряжения от источника питания постоянного напряжения. Генераторы – это очень полезные схемы, и поэтому обратная связь имеет для нас определенное практическое применение. Смотрите «Фазосдвигающий генератор» в главе 9 в качестве практического применения положительной обратной связи.

С другой стороны, отрицательная обратная связь оказывает на усилитель эффект «затухания»: если выходной сигнал увеличивает амплитуду, сигнал обратной связи оказывает на вход усилителя понижающее влияние, что противодействует изменению выходного сигнала. В то время как положительная обратная связь ведет схему усилителя к точке неустойчивости (к колебаниям), отрицательная обратная связь ведет ее в противоположном направлении: к точке устойчивости.

Схема усилителя, снабженная отрицательной обратной связью, не только более стабильна, но и меньше искажает входной сигнал и, как правило, способна усиливать более широкий диапазон частот. Плата за эти преимущества (ведь должен же быть у отрицательной обратной связи недостаток?) – это уменьшение коэффициента усиления. Если часть выходного сигнала «подается обратно» обратно на вход, чтобы противодействовать любым изменениям выходного сигнала, то для получения такой же амплитуды выходного сигнала, что была раньше (без обратной связи), потребуется больший входной сигнал. Это уменьшает коэффициент усиления. Однако преимущества стабильности, меньших искажений и большей ширины полосы частот для многих приложений стоят того, чтобы заплатить путем уменьшения коэффициента усиления.

Давайте рассмотрим простую схему усилителя и посмотрим, как мы можем ввести в нее отрицательную обратную связь. Начнем с рисунка ниже.

Схема усилителя, показанная здесь, представляет собой схему с общим эмиттером, со схемой смещения на делителе напряжения из резисторов R₁ и R₂. Конденсатор связывает источник V_вх с усилителем, чтобы на источник сигнала не поступало постоянное напряжение с делителя R₁/R₂. Резистор R₃ служит для управления коэффициентом усиления по напряжению. Мы могли бы убрать его для получения максимального усиления по напряжению, но поскольку подобные ему резисторы базы в схемах усилителей с общим эмиттером распространены, мы оставим его.

Как и все усилители с общим эмиттером, этот усилитель при усилении инвертирует входной сигнал. Другими словами, увеличивающееся входное напряжение приводит к уменьшению выходного напряжения, а уменьшающееся – наоборот. Осциллограммы сигналов показаны на рисунке ниже.

Поскольку выходной сигнал представляет собой инвертированное (или зеркально отраженное) воспроизведение входного сигнала, любое соединение между выходным выводом (коллектором) и входным выводом (базой) транзистора (как на рисунке ниже) создаст в результате отрицательную обратную связь.

Сопротивления R₁, R₂, R₃ и R_{обр.связи} действуют вместе как схема смешения сигналов, поэтому напряжение, наблюдаемое на базе транзистора (относительно земли), является средневзвешенным значением входного напряжения и напряжения обратной связи, в результате чего на транзистор поступает сигнал уменьшенной амплитуды. Таким образом, схем усилителя на рисунке выше будет иметь пониженный коэффициент усиления по напряжению, но и улучшенную линейность (пониженные искажения) и увеличенную полосу частот.

Резистор, связывающий коллектор с базой, не является единственным способом введения в схему этого усилителя отрицательной обратной связи. Другой способ, с трудом понимаемый вначале, заключается в добавлении резистора между выводом эмиттера транзистора и землей на схеме, как показано на рисунке ниже.

Этот новый резистор обратной связи понижает напряжение, пропорциональное току эмиттера через транзистор, и делает это таким образом, чтобы противодействовать влиянию входного сигнала на переход эмиттер-база транзистора. Давайте более подробно рассмотрим переход эмиттер-база и посмотрим, какие изменения вносит этот новый резистор, на рисунке ниже.

Без резистора обратной связи, соединяющего эмиттер с землей, на рисунке ниже (a) независимо от уровня входного сигнала (V_вх), проходящего через конденсатор связи и резисторную цепь R₁/R₂/R₃ будет подаваться непосредственно на переход база-эмиттер как входное напряжение транзистора (V_Б-Э). Другими словами, без резистора обратной связи V_Б-Э будет равно V_вх. Поэтому, если V_вх увеличивается на 100 мВ, то V_Б-Э увеличится на 100 мВ: изменение одного из них совпадает с изменением другого, поскольку оба напряжения равны друг другу.

Теперь рассмотрим эффект вставки резистора (R_{обр.связи}) между выводом эмиттера транзистора и землей, как показано на рисунке ниже (b)

Обратите внимание, что сумма напряжения, падающего на R_{обр.связи}, и V_Б-Э равна V_вх. С резистором Rобр.связи в контуре V_вх–V_Б-Э напряжение V_Б-Э больше не будет равно напряжению V_вх. Мы знаем, что R_{обр.связи} снизит напряжение пропорционально току эмиттера, который, в свою очередь, управляется током базы, который, в свою очередь, управляется напряжением, падающим на переходе база-эмиттера транзистора (V_Б-Э). Таким образом, если V_вх будет увеличиваться в положительном направлении, это увеличит V_Б-Э, вызывая больший ток коллектора (нагрузки), вызывающий больший ток эмиттера, и вызывающий большее напряжение обратной связи, падающее на R_{обр.связи}. Однако, это увеличение падения напряжения на резисторе обратной связи вычитается из V_вх, уменьшая V_Б-Э, поэтому фактическое увеличение V_Б-Э будет меньше, чем увеличение напряжения V_вх. Теперь увеличение V_вх на 100 мВ больше не приведет к увеличению V_Б-Э на эти же 100 мВ, поскольку эти два напряжения не равны друг другу.

Следовательно, входное напряжение обладает меньшим влиянием на транзистор, чем раньше, и коэффициент усиления по напряжению у усилителя уменьшается: это именно то, чего мы ожидали от отрицательной обратной связи.

В практических схемах с общим эмиттером отрицательная обратная связь – это не просто излишество; она необходима для стабильной работы. В идеальном мире мы могли бы собрать и использовать усилитель на транзисторе с общим эмиттером без отрицательной обратной связи и подавать полную амплитуду V_вх на переход база-эмиттер транзистора. Это дало бы нам большой коэффициент усиления по напряжению. Однако, к сожалению, связь между напряжением база-эмиттер и током база-эмиттер изменяется с температурой, что можно предугадать, исходя из «диодного уравнения». По мере того, как транзистор нагревается, прямое падение напряжения на переходе база-эмиттер будет уменьшаться для любого заданного тока. Это создает для нас проблему, поскольку делитель напряжения R₁/R₂ рассчитан для обеспечения соответствующего неизменного тока через базу транзистора, чтобы тот работал в необходимом нам классе работы (в этом примере я показал усилитель, работающий в режиме класса A). Если у транзистора связь напряжение/ток изменяется с температурой, величина постоянного напряжения смещения, необходимого для требуемого класса работы, также изменится. Горячий транзистор будет потреблять больше тока смещения при том же напряжении смещения, что заставляет его нагреваться еще больше, потребляя еще больший ток смещения. В результате, если нет защиты, – тепловой разгон.

Усилители с общим коллектором (рисунок ниже) не страдают от теплового разгона. Почему? Ответ связан с отрицательной обратной связью.

Обратите внимание, что усилитель с общим коллектором (рисунок выше) имеет резистор нагрузки, расположенный точно в том же месте, что и резистор R_{обр.связи} в последней схеме (рисунок выше (b)): между эмиттером и корпусом. Это означает, что напряжение, прикладываемое к переходу база-эмиттер транзистора, равно только разнице между V_вх и V_вых, что приводит к очень низкому усилению по напряжению (обычно около 1 для усилителя с общим коллектором). Для этого усилителя тепловой разгон невозможен: если ток базы увеличивается из-за нагревания транзистора, ток эмиттера также будет увеличиваться, уменьшая напряжение на нагрузке, которое, в свою очередь, вычитается из V_вх, что уменьшает напряжение, падающее на переходе база-эмиттер. Другими словами, отрицательная обратная связь, создаваемая установкой резистора нагрузки, автоматически решает проблему теплового разгона. В обмен на значительное снижение усиления по напряжению мы получаем превосходную стабильность и защиту от теплового разгона.

Добавляя резистор обратной связи между эмиттером и землей в схему усилителя с общим эмиттером, мы создаем усилитель, который чуть меньше похож на «идеальный» усилитель с общим эмиттером и чуть больше похож на усилитель с общим коллектором. Значение резистора обратной связи обычно выбирается немного меньше сопротивления нагрузки, минимизируя величину обратной связи и сохраняя достаточно высокий коэффициент усиления по напряжению.

Другим преимуществом отрицательной обратной связи, явно видимым в схеме с общим коллектором, является то, что она стремится сделать усиление по напряжению усилителя менее зависимым от характеристик транзистора. Обратите внимание, что в усилителе с общим коллектором коэффициент усиления по напряжению почти равен единице (1), независимо от β транзистора. Это означает, среди прочего, что мы могли бы заменить транзистор в усилителе с общим коллектором на другой, который обладает другим коэффициентом β, и не заметить каких-либо значительных изменений в усилении по напряжению. В схеме с общим эмиттером коэффициент усиления по напряжению сильно зависит от коэффициента β. Если бы мы заменили транзистор в схеме с общим эмиттером на другой, с другим коэффициентом β, коэффициент усиления по напряжению усилителя изменился бы значительно. В усилителе с общим эмиттером, снабженном отрицательной обратной связью, коэффициент усиления по напряжению по-прежнему в некоторой степени зависит от β транзистора, но не так сильно, как прежде, делая схему более предсказуемой, несмотря на изменение коэффициента β транзистора.

Тот факт, что мы должны вводить отрицательную обратную связь в усилитель с общим эмиттером, чтобы избежать теплового разгона, является не самым хорошим решением. Возможно ли избежать теплового разгона без необходимости подавлять изначально высокий коэффициент усиления по напряжению усилителя? Лучшее решение этой проблемы станет очевидным, если мы рассмотрим ее более внимательно: усиление по напряжению, которые мы должны уменьшить, чтобы избежать теплового разгона, – это усиление постоянного напряжения, а не переменного. В конце концов, к тепловому разгону транзистор подгоняется не входным сигналом переменного напряжения: транзистору для определенного класса работы требуется постоянное напряжение смещения: этот сигнал постоянного напряжения мы используем, чтобы «заставить» транзистор (по сути, устройство постоянного тока) усиливать сигнал переменного напряжения. Мы можем подавить усиление по постоянному напряжению без подавления усиления по переменному напряжению, если узнаем способ создания отрицательной обратной связи только по постоянному напряжению. То есть, если мы подадим с выхода на вход только инвертированный сигнал постоянного напряжения без инвертированного сигнала переменного напряжения.

Резистор эмиттера R_{обр.связи} обеспечивает отрицательную обратную связь, создавая падение напряжения, пропорциональное току нагрузки. Другими словами, отрицательная обратная связь достигается путем вставки импеданса в путь протекания тока эмиттера. Если мы хотим подавать обратно постоянное напряжение, а не переменное, нам нужен импеданс, который является высоким для постоянного тока и низким для переменного тока. Какая схема представляет высокий импеданс для постоянного тока и низкий импеданс для переменного тока? Конечно фильтр верхних частот!

Подключив конденсатор параллельно резистору обратной связи (рисунок ниже), мы сделаем как раз то, что необходимо: путь от эмиттера к земле, который для переменного тока проще, чем для постоянного.

Переменный ток от эмиттера к корпусу «обходит» резистор через новый конденсатор, поэтому не будет происходить никакого значительного падения напряжения между эмиттером и землей, чтобы «подаваться обратно» на вход и подавлять усиление по напряжению. С другой стороны, постоянный ток не может проходить через конденсатор обхода, поэтому он должен проходить через резистор обратной связи, создавая падение постоянного напряжения между эмиттером и землей, которое уменьшает усиление по постоянному напряжению и стабилизирует отклик усилителя на постоянное напряжение, предотвращая тепловой разгон. Поскольку мы хотим, чтобы реактивное сопротивление этого конденсатора (X_C) было как можно ниже, величина C_обхода должна быть относительно большой. Поскольку полярность на этом конденсаторе никогда не изменится, то для этой задачи безопасно использовать поляризованный (электролитический) конденсатор.

Другим подходом к проблеме снижения усиления по напряжению из-за отрицательной обратной связи является использование не однокаскадных, многокаскадных усилителей. Если ослабленного усиления одного транзистора недостаточно для поставленной задачи, мы можем использовать более одного транзистора, чтобы компенсировать это снижение. Пример схемы, показывающей отрицательную обратную связь в трехкаскадном усилителе с общим эмиттером, приведен ниже.

Путь обратной связи от конечного выхода к входу осуществляется через один резистор R_{обр.связи}. Поскольку каждый каскад представляет собой усилитель с общим эмиттером (соответственно, инвертирующий), нечетное количество каскадов от входа до выхода инвертирует входной сигнал; обратная связь будет отрицательно (дегенеративной). В этом случае можно использовать относительно большую величину обратной связи, не жертвуя усилением по напряжению, поскольку три каскада усилителя изначально обеспечивают очень большое усиление.

Сначала такой подход к разработке схем может показаться неэлегантным и, возможно, даже контрпродуктивным. Разве это не достаточно грубый способ преодолеть снижение усиления, вызванное использованием отрицательной обратной связи, – восстановление усиления путем простого добавления каскад за каскадом? Какай смысл создавать огромное усиление по напряжению с помощью трех транзисторных каскадов, если мы собираемся их просто ослабить отрицательной обратной связью? Суть, хотя, возможно, и неочевидная поначалу, – это повышение предсказуемости и стабильности схемы в целом. Если три транзисторных каскада спроектированы так, чтобы обеспечить произвольно большое усиление по напряжению (десятки тысяч или более) без отрицательной обратной связи, можно обнаружить, что добавление отрицательной обратной связи приводит к тому, что общее усиление по напряжению становится менее зависимым от коэффициентов усиления отдельных каскадов и приблизительно равным простому отношению R_{обр.связи}/R_вх. Чем больше у схемы коэффициент усиления по напряжению (без обратной связи), тем ближе коэффициент усиления по напряжению будет соответствовать отношению R_{обр.связи}/R_вх после установки обратной связи. Другими словами, коэффициент усиления по напряжению этой схемы фиксируется значениями двух резисторов, и не более того.

Это является преимуществом для массового производства электронных схем: если усилители с предсказуемых коэффициентом усиления по напряжению могут быть построены с использованием транзисторов со значениями β в широком диапазоне, это облегчает выбор и замену компонентов. Это также означает, что коэффициент усиления усилителя слабо меняется при изменении температуры. Этот принцип стабильного управления усилением с помощью усилителя с высоким коэффициентом усиления, «прирученного» отрицательной обратной связью, возводится почти до уровня искусства в электронных схемах, называемых операционными усилителями (ОУ). Вы можете прочитеть об этих схемах в главе 8.

Подведем итоги:

• Обратная связь – это соединение выхода усилителя с его входом.
• Положительная (или регенеративная) обратная связь имеет тенденцию делать схему усилителя нестабильной, поскольку она вызывает колебания (переменное напряжение). Частота этих колебаний в значительной степени определяется компонентами схемы обратной связи.
• Отрицательная (или дегенеративная) обратная связь имеет тенденцию делать схему усилителя более стабильной, поскольку его выходной сигнал меньше зависит от входного сигнала, чем без обратной связи. Это уменьшает коэффициент усиления усилителя, но имеет преимущество уменьшения искажений и увеличения полосы пропускания (диапазона частот, в котором может работать усилитель).
• Отрицательная обратная связь может быть введена в схему с общим эмиттером путем соединения коллектора с базой или путем вставки резистора между эмиттером и землей.
• Резистор обратной связи между эмиттером и корпусом обычно встречается в схемах с общим эмиттером как превентивная мера против теплового разгона.
• Отрицательная обратная связь также обладает преимуществом, заключающемся в том, что коэффициент усиления по напряжению усилителя больше зависит от номиналов резисторов и меньше зависит от характеристик транзистора.
• Усилители с общим коллектором обладают большой отрицательной обратной связью из-за размещения резистора нагрузки между эмиттером и корпусом. Эта обратная связь объясняет чрезвычайно стабильное усиления по напряжению усилителя, а также его устойчивость к тепловому разгону.
• Коэффициент усиления по напряжению схемы с общим эмиттером может быть восстановлен без ущерба устойчивости к тепловому разгону путем подключения конденсатора обхода параллельно эмиттерному резистору обратной связи.
• Если коэффициент усиления по напряжению усилителя произвольно высок (десятки тысяч и более), а отрицательная обратная связь используется для его уменьшения до разумного уровня, можно обнаружить, что коэффициент усиления примерно равен R_{обр.связи}/R_вх. Изменения в значениях β транзистора или других значений компонентов мало влияют на коэффициент усиления по напряжению при действующей обратной связи, что приводит к стабильности и простоте разработки.

Оригинал статьи:

• Feedback

Теги

Назад

Оглавление

Вперед

транзисторов.

\$\начало группы\$

Я разработал усилитель класса C. Я использовал генератор сигналов для входного сигнала. Для резонансного контура я использовал катушку 3,3 мкГн и конденсатор 480 пФ. Транзистор BC547-C.

Резонансная частота для этих значений составляет 3,99 МГц. Благодаря допустимым значениям элементов схемы и использованию макетной платы максимальная выходная амплитуда была реализована на частоте 3,45 МГц. Это ожидаемая ситуация.

Меня беспокоят три вопроса.

1. Как амплитуда выходного сигнала стала больше, чем напряжение источника? Когда вы увеличиваете значение катушки (например, 10 мГн), амплитуда выходного сигнала становится больше на резонансной частоте.

2. Выходное сопротивление генератора сигналов 50 Ом. Согласование импеданса необходимо для максимальной передачи мощности. Для этого я рассчитал входное сопротивление транзистора. Если я не ошибаюсь, я рассчитал резистор Rpi как 480 Ом. Расчет доступен на картинке. Я хотел выбрать маленькое базовое сопротивление, чтобы приблизить входное сопротивление к 50 Ом. Я пробовал такие значения, как 100 Ом, 330 Ом и т. Д. Однако максимальная выходная амплитуда была достигнута при базовом сопротивлении 1кОм. Почему максимальная амплитуда возникла при значении thr 1k?

3. Если амплитуда входного сигнала меньше 0,7 В, эта схема не будет работать, потому что транзистору требуется около 0,7 В для срабатывания базы или проведения тока. Как решить эту проблему при амплитуде сигнала ниже 0,7 вольта? Как может работать схема?

edit:Имитация изображения LTSpice. Сильно отличается от результатов реального эксперимента.

• транзисторы
• усилитель
• выход
• амплитуда

\$\конечная группа\$

13

\$\начало группы\$

Как амплитуда на выходе стала больше, чем на источнике Напряжение?

• Коллектор подключается к источнику постоянного напряжения через дроссель
• Это означает, что средний уровень напряжения на коллекторе равен напряжению источника постоянного тока
• Это все о катушках индуктивности; если вы не следите за этим битом, тогда идите и изучайте катушки индуктивности и катушки индуктивности вольт-секунд
• ОК, может быть на несколько милливольт ниже из-за тока коллектора и неидеальности катушки индуктивности
• Предположим, что это одно и то же по практическим соображениям
• Поскольку напряжение коллектора постоянного тока равно напряжению питания, любой сигнал переменного тока на коллекторе будет иметь «пик» выше, чем у источника постоянного тока, и «впадину» ниже, чем у источника постоянного тока. Это будет симметрично (изучайте катушки индуктивности и вольт-секунды)
• Самый низкий неискаженный уровень составляет около 0 вольт (скажем, 0,5 вольта)
• Максимальный неискаженный уровень почти в два раза превышает напряжение питания (скажем, 2*Vcc — 0,5 В)
• Максимальное выходное напряжение размаха почти в два раза превышает напряжение питания постоянного тока

Почему максимальная амплитуда достигается при значении 1k?

Поскольку вы никогда ничего не учитывали — попробуйте смоделировать, чтобы увидеть, что у вас получится, и не забудьте про выходное сопротивление генератора сигналов и миллеровскую емкость транзистора.

Как решить эту проблему при амплитуде сигнала ниже 0,7 вольт? Как может работать схема?

Используйте его как линейный усилитель класса А.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Как амплитуда выходного сигнала стала больше, чем напряжение источника?

Для этого я рассчитал входное сопротивление транзистора. Если я не ошибаюсь, я рассчитал резистор Rpi как 480 Ом.

Если амплитуда входного сигнала меньше 0,7 Вольта, эта схема не будет работать.

Некоторые фотографии, чтобы увидеть, что работает . Почти синусоидальный. (другие впереди).
Может работать на низком уровне, хотя BJT на самом деле не «включен», как в цифровых схемах.
(см. Эберс-Молл на «низкоуровневом» входе…).

Картинки : для генератора амплитуда на входе < 300 мВ пик
Не забывайте, что бак LC имеет «бесконечный» импеданс в резонансе .

NB: Добавление L2 и R4 (а также соответствующая нагрузка на пробник осциллографа x10) , по-видимому, не оказывает «значительного» влияния на кривые, полученные в результате предыдущих симуляций, за исключением « небольшое» понижение частоты работы.

Анализ переменного тока для определения «резонансной» частоты

Моделирование расчета входного импеданса
Входное сопротивление должно быть ~ 800 Ом.

Анализ переходных процессов для наблюдения за поведением -> выходная амплитуда… Управление током. См. низкий ток Ib.

Обратите внимание на больший ток в катушке индуктивности.

И для некоторых других уровней

\$\конечная группа\$

3

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Обязательно, но не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

Усилитель с общим эмиттером — инструментальные средства

В начале этой главы мы видели, как транзисторы можно использовать в качестве переключателей, работающих либо в режиме «насыщения», либо в режиме «отсечки».

В предыдущем разделе мы видели, как транзисторы ведут себя в своих «активных» режимах, между дальними пределами насыщения и отсечки. Поскольку транзисторы способны управлять током аналоговым (бесконечно делимым) способом, они находят применение в качестве усилителей аналоговых сигналов.

Транзистор как простой переключатель

Одна из простейших схем транзисторных усилителей (с общим эмиттером) для изучения ранее иллюстрировала переключающую способность транзистора. (Рисунок ниже)

Транзистор NPN в качестве простого переключателя.

 Конфигурация с общим эмиттером

Он называется   с общим эмиттером  конфигурация , потому что (без учета батареи источника питания) как источник сигнала, так и нагрузка совместно используют вывод эмиттера в качестве общей точки подключения, как показано на рисунке ниже.

Это не единственный способ использования транзистора в качестве усилителя, как мы увидим в следующих разделах этой главы.

Усилитель с общим эмиттером: входной и выходной сигналы подключаются к эмиттеру.

Раньше небольшой ток солнечного элемента насыщал транзистор, зажигая лампу. Зная теперь, что транзисторы могут «дросселировать» свои коллекторные токи в соответствии с величиной базового тока, подаваемого источником входного сигнала, мы должны видеть, что яркость лампы в этой схеме контролируется освещенностью солнечного элемента. .

Когда на солнечный элемент попадает совсем немного света, лампа светится тускло. Яркость лампы будет неуклонно увеличиваться по мере того, как больше света падает на солнечный элемент.

Предположим, что мы заинтересованы в использовании солнечной батареи в качестве инструмента измерения интенсивности света. Мы хотим измерить интенсивность падающего света с помощью солнечного элемента, используя его выходной ток для управления движением измерителя.

Для этой цели можно напрямую подключить датчик движения к солнечной батарее (рисунок ниже). На самом деле, простейшие экспонометры для фотосъемки устроены именно так.

Свет высокой интенсивности напрямую управляет экспонометром.

Хотя этот подход может работать для измерений средней интенсивности света, он не подходит для измерений низкой интенсивности света. Поскольку солнечная батарея должна обеспечивать потребности в энергии для движения счетчика, система обязательно ограничена в своей чувствительности.

Предположим, что нам нужно измерить интенсивность света очень низкого уровня, и нам нужно найти другое решение.

Транзистор в качестве усилителя

Возможно, наиболее прямым решением этой проблемы измерения является использование транзистора (рисунок ниже) для усиления тока солнечного элемента, чтобы можно было получить большее отклонение измерителя при меньшем падающем свете.

Ток ячейки должен быть усилен для света низкой интенсивности.

Ток, проходящий через счетчик движения в этой цепи, будет в β раз больше тока солнечного элемента. Для транзистора β, равного 100, это означает существенное увеличение чувствительности измерения.

Следует отметить, что дополнительная энергия для перемещения стрелки счетчика исходит от батареи в крайнем правом контуре, а не от самой солнечной батареи. Все, что делает ток солнечной батареи, — это управление током батареи на счетчике, чтобы обеспечить большее показание счетчика, чем солнечная батарея могла бы обеспечить без посторонней помощи.

Поскольку транзистор является устройством, регулирующим ток, а показания счетчика основаны на токе, проходящем через катушку движения, показания счетчика в этой цепи должны зависеть только от тока солнечной батареи, а не от величины подаваемого напряжения по батарее.

Это означает, что точность схемы не зависит от состояния батареи, что является важной особенностью! Все, что требуется от батареи, — это определенное минимальное выходное напряжение и выходной ток, необходимые для работы счетчика в полном объеме.

Выходное напряжение из-за тока через нагрузочный резистор

Другой способ использования конфигурации с общим эмиттером — получение выходного напряжения , полученного из входного сигнала, а не определенного выходного тока .

Давайте заменим движение счетчика простым резистором и измерим напряжение между коллектором и эмиттером на рисунке ниже.

Когда солнечный элемент затемнен (нет тока), транзистор будет в режиме отсечки и будет вести себя как открытый переключатель между коллектором и эмиттером. Это создаст максимальное падение напряжения между коллектором и эмиттером для максимального значения V _выход , равный полному напряжению аккумулятора.

При полной мощности (максимальной освещенности) солнечный элемент переводит транзистор в режим насыщения, заставляя его вести себя как замкнутый переключатель между коллектором и эмиттером. Результатом будет минимальное падение напряжения между коллектором и эмиттером или почти нулевое выходное напряжение.

В действительности насыщенный транзистор никогда не сможет обеспечить нулевое падение напряжения между коллектором и эмиттером из-за двух PN-переходов, через которые должен проходить ток коллектора. Однако это «напряжение насыщения коллектор-эмиттер» будет довольно низким, около нескольких десятых вольта, в зависимости от конкретного используемого транзистора.

При уровне освещенности где-то между нулем и максимальной выходной мощностью солнечного элемента транзистор будет находиться в активном режиме, а выходное напряжение будет где-то между нулем и полным напряжением батареи.

Здесь следует отметить важное качество конфигурации с общим эмиттером: выходное напряжение инвертировано по отношению к входному сигналу. То есть выходное напряжение уменьшается по мере увеличения входного сигнала.

По этой причине конфигурация усилителя с общим эмиттером называется инвертор усилитель .

SPICE-моделирование

Быстрое SPICE-моделирование (рисунок ниже) схемы на рисунке ниже подтвердит наши качественные выводы об этой схеме усилителя.

 *усилитель с общим эмиттером
i1 0 1 постоянный ток
q1 2 1 0 мод1
р 3 2 5000
v1 3 0 dc 15
.модель мод1 НПН
.dc i1 0 50u 2u
.участок постоянного тока v (2,0)
.конец
 

Схема общего эмиттера с номерами узлов и соответствующим списком соединений SPICE.

Общий эмиттер: зависимость выходного напряжения коллектора от входного тока базы.

В начале моделирования на рисунке выше, где источник тока (солнечный элемент) выдает нулевой ток, транзистор находится в режиме отсечки, а на выходе усилителя (между узлами 2 и 0).

Когда ток солнечной батареи начинает увеличиваться, выходное напряжение пропорционально уменьшается, пока транзистор не достигнет насыщения при 30 мкА тока базы (3 мА тока коллектора). Обратите внимание, что кривая выходного напряжения на графике абсолютно линейна (1 вольт шагает от 15 вольт до 1 вольта) до точки насыщения, где она никогда не достигает нуля.

Это эффект, упомянутый ранее, когда насыщенный транзистор никогда не может достичь абсолютно нулевого падения напряжения между коллектором и эмиттером из-за эффектов внутреннего перехода.

Мы видим резкое снижение выходного напряжения с 1 В до 0,2261 В по мере увеличения входного тока с 28 мкА до 30 мкА, а затем продолжающееся снижение выходного напряжения с этого момента (хотя и постепенно меньшими шагами).

Самое низкое выходное напряжение, которое когда-либо было получено в этой симуляции, равно 0,129.9 вольт, асимптотически приближаясь к нулю.

Транзистор в качестве усилителя переменного тока

До сих пор мы видели транзистор, используемый в качестве усилителя сигналов постоянного тока. В примере с экспонометром на солнечной батарее нас интересовало усиление выходного постоянного тока солнечной батареи для управления движением измерителя постоянного тока или для получения выходного напряжения постоянного тока.

Однако это не единственный способ использования транзистора в качестве усилителя. Часто усилитель переменного тока для усиления переменный Требуются сигналы тока и напряжения.

Одним из распространенных применений этого является аудиоэлектроника (радио, телевизоры и системы громкой связи). Ранее мы видели пример аудиовыхода камертона, активирующего транзисторный переключатель. (Рисунок ниже)

Давайте посмотрим, сможем ли мы изменить эту схему, чтобы подавать питание на динамик, а не на лампу, как показано на рисунке ниже.

Транзисторный переключатель активируется звуком.

В исходной схеме двухполупериодный мостовой выпрямитель использовался для преобразования выходного сигнала переменного тока микрофона в постоянное напряжение для управления входом транзистора.

Здесь нас интересовало только включение лампы по звуковому сигналу с микрофона, и для этой цели этого достаточно. Но теперь мы хотим воспроизвести сигнал переменного тока и управлять динамиком.

Это означает, что мы больше не можем исправлять выход микрофона, потому что нам нужен неискаженный сигнал переменного тока для управления транзистором! Снимаем мостовой выпрямитель и заменяем лампу динамиком:

Усилитель с общим эмиттером управляет динамиком сигналом звуковой частоты.

Поскольку микрофон может создавать напряжения, превышающие прямое падение напряжения на PN-переходе база-эмиттер (диод), последовательно с микрофоном я установил резистор.

Давайте смоделируем схему на рисунке ниже с помощью SPICE. Список соединений включен в (рисунок ниже)

SPICE-версию аудиоусилителя с общим эмиттером.

 усилитель с общим эмиттером
винпут 1 0 грех (0 1.5 2000 0 0)
р1 1 2 1к
q1 3 2 0 mod1
рспкр 3 4 8
v1 4 0 dc 15
.модель мод1 НПН
.транс 0,02 м 0,74 м
.plot транс v(1,0) i(v1)
.конец
 

Обрезание сигнала на коллекторе из-за отсутствия смещения базы постоянного тока.

Моделирование отображает (рисунок выше) как входное напряжение (сигнал переменного тока с пиковой амплитудой 1,5 В и частотой 2000 Гц), так и ток через 15-вольтовую батарею, который совпадает с током через динамик.

Здесь мы видим полную синусоидальную волну переменного тока, чередующуюся как в положительном, так и в отрицательном направлениях, и полуволновую форму волны выходного тока, которая пульсирует только в одном направлении. Если бы мы на самом деле управляли динамиком с такой формой волны, производимый звук был бы ужасно искажен.

Что не так с цепью? Почему он не будет точно воспроизводить всю форму сигнала переменного тока с микрофона? Ответ на этот вопрос можно найти при внимательном рассмотрении модели источника тока на транзисторном диоде на рисунке ниже.

Модель показывает, что базовый ток течет в одном направлении.

Ток коллектора контролируется или регулируется с помощью механизма постоянного тока в соответствии со скоростью, заданной током через диод база-эмиттер.

Обратите внимание, что оба пути тока через транзистор являются однонаправленными:  только в одну сторону!  Несмотря на наше намерение использовать транзистор для усиления сигнала переменного тока , по сути, это устройство постоянного тока  , способное обрабатывать токи в одном направлении.

Мы можем подать входной сигнал переменного напряжения между базой и эмиттером, но электроны не могут течь в этой цепи во время той части цикла, которая смещает обратное смещение диодного перехода база-эмиттер.

Следовательно, транзистор будет оставаться в режиме отсечки на протяжении всей этой части цикла. Он «включится» в свой активный режим только тогда, когда входное напряжение имеет правильную полярность для прямого смещения диода база-эмиттер, и только когда это напряжение достаточно велико, чтобы преодолеть прямое падение напряжения на диоде.

Помните, что биполярные транзисторы  являются устройствами, управляемыми током : они регулируют ток коллектора на основе наличия тока база-эмиттер , а не напряжение база-эмиттер .

Единственный способ заставить транзистор воспроизвести всю форму сигнала в виде тока через динамик — это постоянно поддерживать транзистор в активном режиме. Это означает, что мы должны поддерживать ток через базу в течение всего цикла входного сигнала.

Следовательно, диодный переход база-эмиттер должен быть постоянно смещен в прямом направлении. К счастью, этого можно добиться с помощью постоянного напряжения смещения , добавленного к входному сигналу.

При последовательном подключении достаточного напряжения постоянного тока к источнику сигнала переменного тока можно поддерживать прямое смещение во всех точках на протяжении цикла волны. (Рисунок ниже)

В _{смещение} удерживает транзистор в активной области.

 усилитель с общим эмиттером
винпут 1 5 грех (0 1.5 2000 0 0)
vbias 5 0 постоянный ток 2,3
р1 1 2 1к
q1 3 2 0 mod1
рспкр 3 4 8
v1 4 0 dc 15
.модель мод1 НПН
.транс 0,02 м 0,78 м
.plot транс v(1,0) i(v1)
.конец
 

Неискаженный выходной ток I(v(1) из-за Vbias

При наличии источника напряжения смещения 2,3 В транзистор остается в активном режиме на протяжении всего цикла волны, точно воспроизводя

Обратите внимание на то, что входное напряжение (измеренное между узлами 1 и 0) колеблется между 0,8 В и 3,8 В, размах напряжения составляет 3 В, как и ожидалось (напряжение источника = 1,5 В пик. )

Выходной ток (динамик) колеблется от нуля до почти 300 мА, 180 ^o  не совпадает по фазе с входным (микрофонным) сигналом.

Иллюстрация на ниже – это другой вид той же схемы, на этот раз с несколькими осциллографами («скопометрами»), подключенными в критических точках для отображения всех соответствующих сигналов.

Ввод смещен вверх в основании. Выход инвертирован.

Смещение

Необходимость смещения схемы транзисторного усилителя для получения полной формы сигнала является важным фактором.

Отдельный раздел этой главы будет полностью посвящен теме смещения и методам смещения. На данный момент достаточно понять, что смещение может быть необходимо для надлежащего выходного напряжения и тока усилителя.

Теперь, когда у нас есть работающая схема усилителя, мы можем исследовать ее усиление по напряжению, току и мощности. Обычный транзистор, использованный в этих SPICE-анализах, имеет β, равное 100, на что указывает краткая распечатка статистики транзистора, включенная в текстовый вывод в таблице ниже (эти статистические данные были вырезаны из двух последних анализов для краткости).

Параметры модели BJT SPICE.

 тип npn
1.00E-16
100.000 донских франков
1000 н.ф.
1000 рублей
№ 1.000
 

β указан под аббревиатурой «bf», что на самом деле означает « b eta, f или выше». Если бы мы хотели вставить собственное отношение β для анализа, мы могли бы сделать это в строке .model списка соединений SPICE.

Поскольку β представляет собой отношение тока коллектора к току базы, и наша нагрузка соединена последовательно с клеммой коллектора транзистора, а наш источник соединен последовательно с базой, отношение выходного тока к входному току равно бета. Таким образом, коэффициент усиления по току для этого примера усилителя составляет 100, или 40 дБ.

Коэффициент усиления по напряжению

Коэффициент усиления по напряжению вычислить немного сложнее, чем коэффициент усиления по току для этой схемы. Как всегда, коэффициент усиления по напряжению определяется как отношение выходного напряжения к входному напряжению.

Чтобы определить это экспериментально, мы изменили наш последний анализ SPICE, чтобы построить выходное напряжение, а не выходной ток, поэтому у нас есть два графика напряжения для сравнения на рисунке ниже.

 усилитель с общим эмиттером
винпут 1 5 грех (0 1.5 2000 0 0)
vbias 5 0 постоянный ток 2,3
р1 1 2 1к
q1 3 2 0 mod1
рспкр 3 4 8
v1 4 0 dc 15
.модель мод1 НПН
.транс 0,02 м 0,78 м
.plot транс v(1,0) v(3)
.конец
 

В(3), выходное напряжение на r _спкр , по сравнению с входным.

На графике в том же масштабе (от 0 до 4 вольт) мы видим, что выходной сигнал на рисунке выше имеет меньшую амплитуду от пика до пика, чем входной сигнал, в дополнение к более низкому напряжению смещения, а не повышен от 0 вольт, как вход. Поскольку коэффициент усиления по напряжению для усилителя переменного тока определяется отношением амплитуд переменного тока, мы можем игнорировать любое смещение постоянного тока, разделяющее две формы сигнала.

Несмотря на это, входной сигнал все еще больше, чем выходной, что говорит нам о том, что коэффициент усиления по напряжению меньше 1 (отрицательное значение в дБ).

Честно говоря, такой низкий коэффициент усиления по напряжению не характерен для всех усилителей с общим эмиттером. Это является следствием большого несоответствия между входным сопротивлением и сопротивлением нагрузки. Наше входное сопротивление (R ₁ ) здесь равно 1000 Ом, а нагрузка (динамик) всего 8 Ом.

Поскольку коэффициент усиления по току этого усилителя определяется исключительно коэффициентом β транзистора, и поскольку этот показатель β фиксирован, коэффициент усиления по току для этого усилителя не изменится при изменении любого из этих сопротивлений. Однако коэффициент усиления по напряжению — это , зависящее от этих сопротивлений.

Если мы изменим сопротивление нагрузки, увеличив его значение, падение напряжения будет пропорционально больше для данного диапазона токов нагрузки, что приведет к большей форме выходного сигнала. Давайте попробуем другое моделирование, только на этот раз с нагрузкой 30 Ом на рисунке ниже вместо нагрузки 8 Ом.

 усилитель с общим эмиттером
винпут 1 5 грех (0 1.5 2000 0 0)
vbias 5 0 постоянный ток 2,3
р1 1 2 1к
q1 3 2 0 mod1
рспкр 3 4 30
v1 4 0 dc 15
.модель мод1 НПН
.транс 0,02 м 0,78 м
.plot транс v(1,0) v(3)
.конец
 

Увеличение r _spkr до 30 Ом увеличивает выходное напряжение.

На этот раз форма волны выходного напряжения на рисунке выше значительно больше по амплитуде, чем форма входной волны. Присмотревшись, мы можем увидеть, что пик выходного сигнала составляет от 0 до 9 вольт: примерно в 3 раза больше амплитуды входного напряжения.

Мы можем провести еще один компьютерный анализ этой схемы, на этот раз поручив SPICE проанализировать ее с точки зрения переменного тока, предоставив нам пиковые значения напряжения для входа и выхода вместо временного графика осциллограмм. (таблица ниже)

Список соединений SPICE для печати входных и выходных напряжений переменного тока.

 усилитель с общим эмиттером
винпут 1 5 ак 1.5
vbias 5 0 постоянный ток 2,3
р1 1 2 1к
q1 3 2 0 mod1
рспкр 3 4 30
v1 4 0 dc 15
.модель мод1 НПН
.ac лин 1 2000 2000
.print ac v(1,0) v(4,3)
.конец
частота v(1) v(4,3)
2.000E 03 1.500E 00 4.418E 00
 

Измерения пикового напряжения на входе и выходе показывают, что входное напряжение составляет 1,5 В, а выходное — 4,418 В. Это дает нам коэффициент усиления по напряжению 2,9.453 (4,418 В / 1,5 В), или 9,3827 дБ.

Поскольку коэффициент усиления по току усилителя с общим эмиттером фиксирован β, а входное и выходное напряжения будут равны входному и выходному току, умноженному на их соответствующие резисторы, мы можем вывести уравнение для приблизительного коэффициента усиления по напряжению :

Как видите, предсказанные результаты усиления по напряжению очень близки к результатам моделирования. При совершенно линейном поведении транзистора два набора цифр точно совпадут.

SPICE делает разумную работу по учету многих «причуд» работы биполярных транзисторов в своем анализе, отсюда и небольшое несоответствие коэффициента усиления напряжения на основе выходных данных SPICE.

Эти коэффициенты усиления по напряжению остаются одинаковыми независимо от того, где мы измеряем выходное напряжение в цепи: на коллекторе и эмиттере или на резисторе последовательной нагрузки, как мы делали в последнем анализе. Величина выходного напряжения  90 195 изменится на 90 196 для любой заданной величины входного напряжения, останется неизменной.

Рассмотрим два следующих анализа SPICE в качестве доказательства этого. Первая симуляция на рисунке ниже основана на времени, чтобы представить график входного и выходного напряжения. Вы заметите, что два сигнала на 180 90 458 o 90 459 не совпадают по фазе.

Второе моделирование в таблице ниже – это анализ переменного тока, позволяющий получить простые показания пикового напряжения для входа и выхода.

 усилитель с общим эмиттером
винпут 1 5 грех (0 1.5 2000 0 0)
vbias 5 0 постоянный ток 2,3
р1 1 2 1к
q1 3 2 0 mod1
рспкр 3 4 30
v1 4 0 dc 15
.модель мод1 НПН
.транс 0,02 м 0,74 м
.plot транс v(1,0) v(3,0)
.конец
 

Усилитель с общим эмиттером показывает коэффициент усиления по напряжению с R _spkr =30 Ом винпут 1 5 ак 1.5 vbias 5 0 постоянный ток 2,3 р1 1 2 1к q1 3 2 0 mod1 рспкр 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .модель мод1 НПН .ac лин 1 2000 2000 .print ac v(1,0) v(3,0) .конец частота v(1) v(3) 2.000E 03 1.500E 00 4.418E 00

У нас по-прежнему пиковое выходное напряжение 4,418 вольт при пиковом входном напряжении 1,5 вольт. Единственным отличием от последнего набора симуляций является фаза выходного напряжения.

До сих пор во всех примерах схем, показанных в этом разделе, использовались NPN-транзисторы. Транзисторы PNP так же подходят для использования, как и NPN, в любой конфигурации усилителя , при условии соблюдения правильной полярности и направления тока, и усилитель с общим эмиттером не является исключением.

Выходная инверсия и коэффициент усиления транзисторного усилителя PNP такие же, как и у его аналога NPN, отличается только полярность батареи. (Рис. ниже)

PNP-версия усилителя с общим эмиттером.

Обзор

Транзисторные усилители с общим эмиттером называются так потому, что точки входного и выходного напряжения имеют общий эмиттерный вывод транзистора друг с другом, без учета источников питания.

Транзисторы, по сути, являются устройствами постоянного тока: они не могут напрямую работать с напряжениями или токами, имеющими обратное направление. Чтобы заставить их работать для усиления сигналов переменного тока, входной сигнал должен быть компенсирован постоянным напряжением, чтобы транзистор оставался в активном режиме на протяжении всего цикла волны. Это называется , смещающим .

Если измеряется выходное напряжение между эмиттером и коллектором усилителя с общим эмиттером, оно будет на 180 ^o не в фазе с формой сигнала входного напряжения.