Сделаем небольшую разминку: потренируемся на однотранзисторном усилителе. Когда-то чтение аналоговых схем было сродни искусству; профи по внешнему виду безошибочно определяли функционал узла. Наверное, это один из немногих оставшихся навыков, для имитации которых не получится использовать поисковые системы.
Схема на рисунке, вопрос следующий: чему равно значение выходного напряжения Uout? Заметим, что на вход мы еще ничего не подали; таким образом речь идет о задании режима работы по постоянному току, или рабочей точки транзистора.
Однокаскадный транзисторный усилитель
Предсказываю, что зреет следующий вопрос: а какой собственно коэффициент усиления у этого транзистора? Отвечаю сразу: большой. И если после такого ответа вы собираетесь настаивать на своем вопросе, то что сказать… значит вы не понимаете как работает это устройство 🙂
На самом деле, коэффициент усиления, или передачи не играет здесь никакой роли. Вспоминаем, в каких случаях это происходит? А это происходит тогда, когда система (громкое название для нашей схемки) охвачена сильной отрицательной обратной связью, и поэтому ее параметры определяются уже параметрами обратной связи, и в меньшей степени – параметрами самой системы. Найдем здесь эту отрицательную обратную связь.
По Дерибасовской гуляют постепенно
Рассмотрим процесс как в замедленной съемке, например после подачи питания +12В. При этом предположим, что транзистор отрабатывает медленно – настолько медленно, чтобы мы могли провести свой мысленный эксперимент.
После включения, с делителя напряжения R1/R2 потенциал через резистор R3 подается на базу транзистора. Транзистор начинает открываться (мы договорились о замедленной съемке), и по мере его открывания ток, протекающий от эмиттера к коллектору начинает увеличиваться. Увеличивается ток – значит возрастает падение напряжения на резисторе R5, или другими словами на эмиттере транзистора. Поскольку транзистору интересна разность потенциалов между базой и эмиттером (на самом деле ему больше интересен протекающий ток, но не будем мелочиться), то увеличение напряжения на R5 приводит к уменьшению этой разницы. Уменьшение – это уже процесс запирания транзистора. Вот это и есть отрицательная обратная связь.
В конечном счете, в системе установится равновесное состояние. Все, замедленное кино закончилось.
Равновесие
В этом состоянии напряжение эмиттера всегда будет повторять напряжение базы – поэтому по отношению к сигналу на резисторе R5 схема будет себя вести как эмиттерный повторитель. Здесь будет уместна аналогия с системами автоматического управления, когда сигнал обратной связи вычитается из входного и возникает сигнал рассогласования, или ошибки. В нашем случае, на самом деле сигнал на эмиттере будет меньше базового на 0,6В – таково падение напряжение на переходе кремниевого транзистора.
Теперь у нас есть все, что нужно для расчета, а именно понятый принцип работы.
Напряжение на выходе делителя R1/R2 = 12В x 18к/ (33к + 18к) = 4,2В. Предполагаем, что в режиме эмиттерного повторителя ток в базовой цепи мал, поэтому это напряжение полностью прикладывается к базе. Тогда на эмиттере транзистор будет поддерживать напряжение 4,2В – 0,6В = 3,6В. Напряжение будет стабильным даже тогда, когда наша схема будет испытывать температурные перепады: не забываем, при прочих условиях при увеличении температуры среды на 10° ток коллектора будет удваиваться! Поэтому простые решения в аналоговой технике работают у любителей и совершенно непригодны в профессиональной области 🙂
Сразу сделаем еще один вывод: решения, зависящие от коэффициента передачи транзистора, не термостабильны.
Но мы отвлеклись. Дальше – дело техники. Поскольку напряжение на R5=3,6В то ток в эмиттерной цепи = 3,6В / 1k = 3,6мА. Такой же ток течет в коллекторной цепи: ведь мы же пренебрегаем малым током базы, не правда ли? Чуть позже выясним, так ли это.
В коллекторной цепи ток 3,6мА создает падение напряжения на резисторе R4. Оно будет равно 3,6мА х 1,8к ≈ 6,5 В. Тогда напряжение Uout составит 12В – 6,5В = 5,5В. Задачка решена.
Самопроверка
Теперь когда мы знаем токовые соотношения, проверим, насколько корректны допущения которые мы сделали. Если коэффициент передачи транзистора по току большой, как я сказал вначале, пусть он будет равен 100 (поскольку диссертации никто не читает, примем h=100). Тогда ток базы составит 36мкА. При таком токе падение напряжения на резисторе R3 составит 36мкА х 12к = 0.4В. Это очень мало по сравнению с тем напряжением, который держит делитель R1/R2: поэтому мы сделали правильно, что пренебрегли резистором R3 при расчете.
Далее, входное сопротивление цепи базы будет 4,2В / 36мкА = 117кОм. Это значение на порядок больше, чем сопротивления в плечах делителя напряжения R1/R2, поэтому делитель практически не нагружен и его выходное напряжение соответствует действительности.
Зачем тогда вообще нужен резистор R3, если мы пренебрегаем им сплошь и рядом? Несмотря на то что в цепи базы входное сопротивление – высокое, оно все равно шунтируется относительно низкоомным делителем R1/R2. Эта величина соответствует параллельному включению этих резисторов (поскольку для переменного входного сигнала цепь питания и “земля” это одно и то же – можно считать, что по переменному току они замкнуты). Входное сопротивление каскада составит 11,6кОм, и чтобы сделать его побольше, стоит резистор R3. С ним для источника сигнала нагрузка составит 11,6+12 = 23,6кОм, что уже неплохо. Повторюсь еще раз: входное сопротивление транзисторного каскада будет высоким – 117кОм, поэтому значение входного сопротивления всего каскада будет определять резистивная цепь.
AC/DC
Все наши рассуждения были справедливы как для постоянного тока (установка рабочей точки), так и для переменного (для усиления которого собственно и предназначена схема). Однако, есть нюанс. За счет отрицательной обратной связи усиление сигнала будет подавляться точно также, как и для постоянного тока. И точно также значение коэффициента транзистора будет играть второстепенную роль. Коэффициент передачи будет соответствовать соотношению номиналов резисторов R4 и R5 и будет составлять довольно скромную величину 1.8. Для того чтобы избавиться от обратной связи для сигнала, предназначен конденсатор C2. Для переменного напряжения он закорачивает резистор R5, что резко повышает коэффициент усиления всей схемы. Однако, не все так просто – после этого немедленно и кратно упадет входное сопротивление, хотя термостабильность останется. В результате возникнут проблемы для предыдущего каскада – у него упадет коэффициент усиления за счет дополнительной нагрузки.
Но кто обещал, что будет легко? Аналоговая схемотехника – это один сплошной компромисс. Компромиссным решением может стать дополнительный резистор, включенный последовательно с конденсатором C2. Это снизит эффект усиления и соответственно падения входного импеданса.
Роль конденсатора C1 в схеме тривиальна: развязка от предыдущих цепей по постоянному току.
Вот и все. За скобками остался анализ максимального тока коллектора, мощности, паразитных емкостей и частотной характеристики схемы. А так – все будет прекрасно работать.
Leave a Reply