Анализ схемы усилителя с ОЭ

Проанализируем схему, приведенную на рис. 5.2.

Рис. 5.3. К анализу схемы усилителя с ОЭ

1. Исходя из напряжения питания U_КК=20В и значений резисторов делителя R₁ и R₂ определяем напряжение смещения базы транзистора: U_Б=1,6В.

2. Определяем U_Э=U_Б−0,6В=1В (для n-p-n транзистора).

3. Определяем ток покоя .

4. Определяем напряжение покоя U_К=U_КК–I_КR_К=10В. Проверяем выполнение условия симметричности изменения выходного сигнала. Условие выполняется в пределах максимально возможного динамического диапазона выходного сигнала.

5. Проверяем правильность выбора делителей R₁ и R₂. где R_Б=ßR_Э. Выбор правильный, так как R_ДЕЛ≤10к, а R_Б=100к при ß=100.

6. Определяем частотный диапазон схемы , где – входное сопротивление схемы.

7. Определяем выходное сопротивление схемы: R_ВЫХ≈R_К=10к. Таким образом, схема работает на нагрузку R_Н≥100к=10R_К.

8. Определяем коэффициент усиления схемы .

попробуем спроектировать усилитель низкой частоты. Для начала нам нужен сигнал который мы будем усиливать, это может быть звуковая карта компьютера или любое другое звуковое устройство с линейным выходом. Допустим наш сигнал с максимальной амплитудой примерно 0,5 вольта при токе 0,2 А, примерно такой:

А что бы заработал самый простой 4-х омный 10 ваттный динамик, нам нужно увеличить амплитуду сигнала до 6 вольт, при силе тока I = U / R = 6 / 4 = 1,5 A.

Итак, попробуем подключить наш сигнал к транзистору. Вспомните нашу схему с транзистором и двумя батарейками, теперь вместо 1,5 вольтовой батарейки у нас у нас сигнал линейного выхода. Резистор R1 выполняет роль нагрузки, дабы не было короткого замыкания и наш транзистор не сгорел.

Но тут возникают сразу две проблемы, во-первых наш транзистор npn-типа, и открывается только при положительном значении полуволны, а при отрицательном закрывается.

Во-вторых транзистор, как и любой полупроводниковый прибор имеет нелинейные характеристики в отношении напряжения и тока и чем меньше значения тока и напряжения тем сильнее эти искажения:

Мало того что от нашего сигнала осталась только полуволна, так она ещё и будет искажена:

Это есть так называемое искажение типа ступенька.

Дабы избавиться от этих проблем, нам нужно сместить наш сигнал в рабочую зону транзистора, где поместится вся синусоида сигнала и нелинейные искажения будут незначительны. Для этого подают на базу напряжение смещения, допустим в 1 вольт, с помощью составленного из двух резисторов R2 и R3 делителя напряжения.

А наш сигнал входящий в транзистор будет выглядеть вот так:

Теперь нам нужно изъять наш полезный сигнал с коллектора транзистора. Для этого установим конденсатор C1:

Как мы помним конденсатор пропускает переменный ток и не пропускает постоянный, поэтому он нам будет служить фильтром пропускающим только наш полезный сигнал — нашу синусоиду. А постоянная составляющая не прошедшая через конденсатор будет рассеиваться на резисторе R1. Переменный же ток, наш полезный сигнал, будет стремиться пройти через конденсатор, так сопротивление конденсатора для него ничтожно мало по сравнению с резистором R1.

Вот и получился первый транзисторный каскад нашего усилителя. Но существуют ещё два маленьких нюанса:

Мы не знаем на 100% какой сигнал входит в усилитель, вдруг всё таки источник сигнала неисправен, всякое бывает, опять же статическое электричество или вместе с полезным сигналом проходит постоянное напряжение. Это может стать причиной не правильной работы транзистора или даже спровоцировать его поломку. Для этого установим конденсатор С2, он подобно конденсатору С1 будет блокировать постоянный электрический ток, а так же ограниченная ёмкость конденсатора не будет пропускать пики большой амплитуды, которые могут испортить транзистор. Такие скачки напряжения обычно происходят при включении или отключении устройства.

И второй нюанс, любому источнику сигнала требуется определённая конкретная нагрузка (сопротивление). По этому для нас важно входное сопротивление каскада. Для регулировки входного сопротивления добавим в цепь эмиттера резистор R4:

Теперь мы знаем назначение каждого резистора и конденсатора в транзисторном каскаде. Давайте теперь попробуем рассчитать какие номиналы элементов нужно использовать для него.

Исходные данные:

U = 12 В — напряжение питания;

U бэ ~ 1 В — Напряжение эмиттер-база рабочей точки транзистора;

Выбираем транзистор, для нас подойдёт npn-транзистор 2N2712

P max = 200 мВт — максимальная рассеиваемая мощность;

I max = 100 мА — максимальный постоянный ток коллектора;

U max = 18 В — макcимально допустимое напряжение коллектор-база / коллектор-эмиттер (У нас напряжение питания 12 В, так что хватает с запасом);

U эб = 5 В — макcимально допустимое напряжение эмиттер-база (наше напряжение 1 вольт ± 0,5 вольта);

h21 = 75-225 — коэффициент усиления тока базы, принимается минимальное значение — 75;

Рассчитываем максимальную статическую мощность транзистора, её берут на 20% меньше максимальной рассеиваемой мощности, дабы наш транзистор не работал на пределе своих возможностей:

P ст.max = 0,8*P max = 0,8 * 200мВт = 160 мВт;

Определим ток коллектора в статическом режиме (без сигнала), не смотря на что на базу не подаётся напряжение через транзистор всё равно в малой степени протекает электрический ток.

I к0 = P ст.max / U кэ, где U кэ — напряжение перехода коллектор-эмиттер. На транзисторе рассеивается половина напряжения питания, вторая половина будет рассеиваться на резисторах:

U кэ = U / 2;

I к0 = P ст.max / (U / 2) = 160 мВт / (12В / 2) = 26,7 mA;

Теперь рассчитаем сопротивление нагрузки, изначально у нас был один резистор R1, который выполнял эту роль, но так как мы добавили резистор R4 для увеличения входного сопротивления каскада, теперь сопротивление нагрузки будет складываться из R1 и R4:

R н = R1 + R4, где R н — общее сопротивление нагрузки;

Отношение между R1 и R4 обычно принимается 1 к 10:

R1 = R4*10;

Рассчитаем сопротивление нагрузки:

R1 + R4 = (U / 2) / I к0 = (12В / 2) / 26,7 mA = (12В / 2) / 0,0267 А = 224,7 Ом;

Ближайшие номиналы резисторов это 200 и 27 Ом. R1 = 200 Ом, а R4 = 27 Ом.

Теперь найдем напряжение на коллекторе транзистора без сигнала:

U к0 = (U кэ0 + I к0 * R4) = (U — I к0 * R1) = (12В -0,0267 А * 200 Ом) = 6,7 В;

Ток базы управления транзистором:

I б = I к / h21, где I к — ток коллектора;

I к = (U / R н);

I б = (U / R н) / h21 = (12В / (200 Ом + 27 Ом)) / 75 = 0,0007 А = 0,07 mA;

Полный ток базы определяется напряжением смещения на базе, которое устанавливается делителем R2 и R3. Ток задаваемый делителем должен быть в 5-10 раз больше тока управления базы (I б), что бы собственно ток управления базы не влиял на напряжение смещения. Таким образом для значения тока делителя (I дел) принимаем 0,7 mA и рассчитываем R2 и R3:

R2 + R3 = U / I дел = 12В / 0,007 = 1714,3 Ом

Теперь рассчитаем напряжение на эмиттере в состоянии покоя транзистора (U э):

U э = I к0 * R4 = 0,0267 А * 27 Ом = 0,72 В

Да, I к0 ток покоя коллектора, но этот же ток проходит и через эмиттер, так что I к0 считают током покоя всего транзистора.

Рассчитываем полное напряжение на базе (U б) с учётом напряжения смещения (U см = 1В):

U б = U э + U см = 0,72 + 1 = 1,72 В

Теперь с помощью формулы делителя напряжения находим значения резисторов R2 и R3:

R3 = (R2 + R3) * U б / U = 1714,3 Ом * 1,72 В / 12 В = 245,7 Ом;

Ближайший номинал резистора 250 Ом;

R2 = (R2 + R3) — R3 = 1714,3 Ом — 250 Ом = 1464,3 Ом;

Номинал резистора выбираем в сторону уменьшения, ближайший R2 = 1,3 кОм.

Конденсаторы С1 и С2 обычно устанавливают не менее 5 мкФ. Ёмкость выбирается такой что бы конденсатор не успевал перезаряжаться, иначе он будет отрезать «макушки» у нашего сигнала. Кстати подобный приём используется для создания гитарного эффекта «overdrive»:

Заключение

На выходе каскада мы получаем пропорционально усиленный сигнал и по току и по напряжению, то есть по мощности. Но одного каскада нам не хватит для требуемого усиления, так что придётся добавлять следующий и следующий… И так далее.

Расчёт усилителя с общим эмиттером при небольшом коэффициенте усиления (К_U ≤ 10)

Выбор тока покоя I_ОК, соблюдение условия симметричности , обеспечение достаточно высокого потенциала в эмиттере , что соответствует , а также необходимого коэффициента усиления часто находятся во взаимном противоречии и требуют взаимного учёта.

В целом может быть рекомендована следующая последовательность расчёта.

1. Выбираем ток покоя транзистора .

2. Исходя из условия симметричности U_К=0,5U_КК=U_КК–I_ОКR_К определяем сопротивление R_К.

3. Исходя из требуемого К_U и стремясь одновременно обеспечить величину U_Э=I_ОЭR_Э достаточно высокой для достижения температурной стабильности схемы, выбираем R_Э. Необходимо иметь в виду, что величина U_Э≤0,1U_К не обеспечивает хорошей температурной стабильности усилителя.

4. Определяем напряжение смещения на базе с учетом типа транзистора. Так, для n-p-n транзистора U_Б=U_Э+0,6В, а для p-n-p − U_Б=U_Э−0,6В.

5. Выбираем величины сопротивлений делителя R₁ и R₂, исходя из условия: где R_Б≈ßR_Э.

6. Обеспечиваем частотные свойства каскада, выбирая С₁ таким, чтобы , где . Обычно С₁ выбирают с 3÷5кратным запасом для обеспечения единичного коэффициента передачи ФВЧ в заданном диапазоне частот.