В комментариях к статье о двухполярном питании ОУ, точнее, каскадов и устройств с ОУ, мне задали вопрос о расчете усилительного каскада на транзисторе при двухполярном питании. Затруднения у автора вопроса были вызваны тем, что в учебниках зачастую рассматривается работа каскадов лишь при однополярном питании. Исключением являются дифференциальные каскады (причем не всегда) и двухтактные выходные каскады (в старых учебниках рассматриваются редко).
Автор вопроса пишет, что обращался и к преподавателям. Однако, преподаватели отправили его к тем же самым учебникам не сделав попытки объяснить, почему описанного в учебниках на самом деле достаточно. И какие все таки отличия возникают при расчетах.
Я не преподаватель, но попробую ответить на возникший у читателя вопрос, причем достаточно развернуто. Вопросам питания в учебниках электроники (разных годов выпуска) действительно уделяется не так много внимания. А у новичков и любителей вопросы возникают достаточно часто.
Но сначала нам нужно разобраться с самыми общими, зачастую понятийными, вопросами. Давайте начнем с самого начала, я бы даже сказал, издалека.
Статья, с которой все и началось
Для чего ОУ двухполярное питание?
Один источник питания. Выбор полярности
Простейший вопрос? Не спешите, для начинающих тут не все так просто. Вот один из типовых вопросов, который задают новички. Почему раньше, когда транзисторы были германиевыми, к общему проводу подключали положительный полюс источника питания и питание устройств было "отрицательным", а сегодня к общему проводу подключают ртрицательный полюс источника и питание устройств "положительное"?
Да, можно ответить очень просто и стандартно (и при этом неправильно!) - германиевые транзисторы, в большинстве своем, имели структуру p-n-p, а кремниевые имеют структуру n-p-n, поэтому и полярность разная. Но ведь дело то не только в типе проводимости транзисторов. В устройстве могут использоваться транзисторы разной структуры, причем даже в примерно одинаковом количестве. А значит, простой ответ является совершенно недостаточным.
Кроме того, устройства могут быть не только транзисторными, но и ламповым. И даже релейными. А еще есть ЭСЛ логика
Переключатель тока на биполярном транзисторе. Почему ЭСЛ такая быстрая
в которой используются транзисторы n-p-n, но общим проводом является положительный полюс источника питания.
На самом деле, все просто. Из физики (школьной достаточно) известно, что напряжение это разность потенциалов двух точек. Мы не можем измерить напряжение иначе как относительно некоторого "опорного потенциала". И таким опорным потенциалом в схемах обычно считается один из полюсов источника питания.
В общем случае, если не накладывается никаких других условий, в качестве опорного мы можем выбрать любой полюс. Однако, большинство устройств получают различные сигналы из внешнего мира и передают сигналы во внешний мир. И эти сигналы тоже подаются относительно какой то "опорной точки". И удобно принять за такую точку тот же самый полюс источника питания, который считается "нулевым потенциалом" (опорным)
Таким образом, у нас появляется единая точка нулевого потенциала. Именно эту точку и называют общим проводом. Иногда ее называют "землей", что некорректно. Функция заземления совсем иная, но бороться с многолетними привычками бывает сложно.
Безусловно, бывают ситуации, когда входной сигнал не имеет никакой связи с общим проводом. Например, когда он подается на изолированную от остальной части схемы обмотку трансформатора. Однако, вторичная обмотка такого разделительного трансформатора все таки имеет связь с остальной частью схемы.
Если рассматривать не устройство в целом, а отдельные каскады, то ничего принципиально не изменяется. И не смотря на то, что входной сигнал обычно подается между эмиттером и базой (для биполярного транзистора), нам ничто не запрещает принять за общий провод любой полюс источника питания
Да, знаки и величины напряжений на схеме иные, но режим работы абсолютно не изменился. Точно так же, напряжение коллектор-эмиттер транзистора равно 5.5 В. Точно такой же ток коллектора. Неизменны остались и номиналы элементов схемы. Причина, по которой схемотехник сделал такой выбор общего провода, совершенно не важна.
То есть, полярность питания определяется лишь выбором "общего провода", точки отсчета, начала системы координат. При этом, безусловно, величины и знаки напряжений между электродами (выводами) элементов схемы должны быть верными и лежать в допустимых пределах.
В ЭСЛ причиной выбора в качестве общего провода положительного полюса источника питания (цепей питания коллекторов) стали вопросы помехоустойчивости.
Зачем нужны несколько источников питания?
Очень большое число устройств прекрасно обходятся одним источником питания. Зачем может потребоваться несколько источников? Нам придется немного заглянуть, в том числе, в историю электроники...
Рассмотрим только некоторые случаи.
Дополнительный отдельный источник питания
В ламповой технике использовалось, минимум, два источника питания. Первый, для питания анодный цепей и дополнительных сеток в многоэлектродных лампах. Здесь не требовался большой ток, но требовалось относительно высокое напряжение. Второй, для питания накалов ламп. Здесь не требовалось высокое напряжение, но нужен был большой ток.
Типичное напряжение источников питания анодов составляло 200-300 В. Но могло быть и меньше, для сверхминиатюрных ламп и батарейного питания, и значительно больше, до десятков кВ. Типичное напряжение накала ламп составляло 6.3 В, но были и ламы с накалом рассчитанным на меньшее напряжение, например, 1.2 В.
Разумеется, использовать один источник питания было практически невозможно. На балластном резисторе, при питании накалов от источника анодного напряжения, бесполезно рассеивалась бы очень большая мощность. Поэтому и использовали два источника.
При питании от сети дополнительным источником была отдельная обмотка на силовом трансформаторе. Накалы при этом, в подавляющем большинстве случаев, питались переменным напряжением. Катоды прямого накала, а так же косвенного, если требовалось минимизировать помехи, питались постоянным напряжением.
При питании от батарей могли использоваться и разные батареи (БН - батарея накальная, БА - батарея анодная, БАН - батарея анодно-накальная), и одна батарея с преобразователем напряжения. Преобразователь это часть источника питания, поэтому принципиальных отличий в данном случае нет.
Другим, уже более современным, примером является отдельный маломощный источник питания использующийся для питания, например, микросхемы часов реально времени (RTC) при отсутствии основного питания. Или микросхемы хранящей основные настройки компьютеров, в былые времена, когда для этого не использовалась EEPROM.
Однако, все эти примеры нам сегодня не интересны, так как они относятся скорее к технологическим особенностям, а не к схемотехнике собственно устройств.
Раздельные источники питания отдельных узлов устройства
В общем и целом, этот случай сводится к предыдущему. Например, питание предварительного транзисторного усилителя может осуществляться от источника с напряжением 12 В, а мощный выходной каскад может питаться от отдельного источника с напряжением 50 В.
Оба эти источника, фактически, являются независимыми. И мы можем провести расчет предварительно усилителя учитывая только его собственный источник питания.
Так что и этот случай нам сегодня не интересен. Что же нас будет интересовать? Например...
Источник питания цепей смещения
Давайте посмотрим на танзисторные ключи. И начнем мы с германиевых транзисторов (по традиции, p-n-p). Да, это снова небольшой исторический экскурс.
Сегодня, в большинстве случаев, мы увидим на схеме подключение Rсм не к отдельному источнику запирающего напряжения, а к общему проводу. Зачем нужен этот дополнительный источник Есм, да еще и иной полярности? Прежде всего, это уменьшает время выключения ключа. Поэтому использование дополнительного источника запирающего напряжения можно встретить и сегодня, но редко. Альтернативой является шунтирование Rб конденсатором. Об этом рассказывалось в статье
Ненасыщенные ключи на биполярных транзисторах
Вторая причина больше специфична именно для германиевых транзисторов, которые имеют довольно большие обратные токи. Обратный ток коллектор-база создает падение напряжения на Rб и Rсм . При повышенной температуре ток возрастает настолько, что этого может оказаться достаточно для приоткрывания транзистора. Германиевый p-n переход начинает открываться при напряжении порядка 0.2 В, а не 0.6 В, как кремниевый.
Подробный анализ работы транзисторного ключа не является темой сегодняшней статьи. Поэтому динамические параметры затрагивать не будем. Но вот статических кратко коснемся.
При нулевом напряжении на входе ключа и подключенном на общий провод Rсм напряжение на базе транзистора будет равно (знак я не учитываю)
Uб = Iкб.о * (Rб || Rсм)
А в случае подключения Rсм к источнику Eсм напряжение на базе будет определяться делителем Rб и Rсм. Если ток делителя намного больше Iкб.о
Uб = Eсм * Rб / (Rб + Rсм)
При поступлении входного сигнала транзистор открывается. На базе открытого германиевого транзистора напряжение будет примерно 0.3 В. Да, оно зависит от токов базы и коллектора, но нам сейчас это не важно. А открываться транзистор начинает при напряжении на базе примерно 0.2 В. Таким образом получаем, что при отсутствии Eсм транзистор начнет открываться при напряжении
Uвх * Rсм / (Rб + Rсм) = 0.2
Uвх = 0.2 * (Rб + Rсм) / Rсм
А при наличии Eсм при напряжении (по модулю)
(Uвх - Есм) * Rсм / (Rб + Rсм) = 0.2
Uвх = 0.2 * (Rб + Rсм)/ Rсм + Есм
То есть напряжение начала открывания ключа просто возрастает на величину Eсм (по модулю).
Точно так же легко можно посчитать ток через Rсм и ток базы транзистора в обоих случаях. Пожалуй, я не стану приводить формулы, оставлю это читателям в качестве упражнения. Для кремниевых транзисторов формулы останутся теми же самыми, только напряжения будут другими.
Теперь обратимся к электронным лампам и полевым транзисторам с p-n переходом. В рабочем режиме, для большинства приемно-усилительных ламп, напряжение на управляющей сетке должно быть запирающим. То есть, отрицательным относительно катода. Полевой транзистор с p-n переходом тоже работает при запирающих напряжениях на затворе. Для транзистора с каналом n-типа это отрицательное напряжение относительно истока (на стоке положительное). Для транзисторов с каналом p-типа полярность иная.
То есть, нам опять требуется источник напряжения с иной полярностью. Однако, если речь идет не о ключевых каскадах, то можно обойтись без дополнительного источника. Необходимое смещение обеспечит резистор в цепи катода или истока
Это классическое автоматическое смещение. Пример для лампы я не буду приводить. Величина напряжения смещения определяется током стока, который равен току истока, и сопротивлением резистора в цепи истока. Резистор в цепи истока обычно шунтируют конденсатором в усилителях переменного напряжения. Но для очень низких частот и постоянного напряжения это невозможно. Поэтому истоковый резистор начинает вносить заметный вклад в работу каскада, особенно, если его сопротивление должно быть высоким. И вот в этом случае дополнительный источник напряжения смещения действительно может понадобиться.
Необходимость работы с двухполярным сигналом
Этот случай уже относится к теме данной статьи. В общем случае, входной сигнал можно рассматривать как совокупность постоянной и переменной составляющей. Это верно даже для случая работы с сигналами постоянного тока. Постоянная составляющая может присутствовать во входном сигнале и в выходном.
Вспомним наш усилительный каскад с ОЭ из начала статьи
В состоянии покоя на коллекторе транзистора присутствует постоянное напряжение 6 В, которое и является постоянной составляющей выходного сигнала. Если нам нужно подключить выход этого каскада к входу последующего, то мы можем сделать это только в двух случаях:
- Напряжение на входе последующего каскада, в покое, равно напряжению на выходе предыдущего, в покое. При этом мы можем спокойно соединить выход со входом.
- Влияние постоянной составляющей выходного сигнала на вход последующего каскада исключено, например, с помощью разделительного конденсатора.
На практике применяют оба способа. И прекрасно обходятся одним источником питания. Проблема в том, что разделительные конденсаторы вносят частотную зависимость. А для работы с очень низкими частотами, например, 1 Гц и ниже, емкость конденсаторов требуется очень большая. Не говоря уже о том, что они неприменимы для работы сигналами постоянного тока.
А если наш входной сигнал не имеет постоянной составляющей (она равна 0) и использовать разделительный конденсатор нельзя? Или требуется обеспечить отсутствие постоянной составляющей в выходном сигнале и использовать разделительный конденсатор нельзя?
Если источник входного сигнала может быть не связанным с общим проводом, то можно использовать дополнительный источник напряжения для создания постоянной составляющей, смещения. Примерно так
Но решит ли это все проблемы? Нет, не решит. Во первых, таких источников смещения может потребоваться несколько, так как напряжения смещения могут быть разными. Во вторых, диапазон отрицательных значений входного сигнала может быть больше напряжения смещения. Например, минимальное мгновенное значение входного напряжения может быть равно -1.5 В, что сделает невозможным использование нашего усилителя из примера.
В третьих, использование источника дополнительного смещения может быть просто невозможным, если источник сигнала связан с общим проводом.
Поэтому решение с источником дополнительного смещения не является универсальным. Но мы можем использовать дополнительный источник не для смещения, а для питания. Это позволит построить каскад способный работать с любой полярностью входного сигнала. И мы пришли к тому, что обычно и называется
Двухполярное питание
Двухполярным питанием чаще всего называется использование двух источников с одинаковыми напряжениями
Однако, в общем случае, напряжения источников питания могут различаться. И именно таковыми, различающимися, я и буду считать их в дальнейшем.
Обратите внимание, что теперь мы можем спокойно считать, что постоянная составляющая входного и выходного сигнала отсутствует (равна 0).
Усилительный каскад с ОЭ и двухполярное питание
Именно каскад с ОЭ и просил меня рассмотреть задавший вопрос читатель. Он даже привел иллюстрацию такого каскада. Вот она
Это классическая схема, которая обычно и рассматривается в учебниках. В таком виде она не предусматривает использования двухполярного питания. Более того, такой каскад плохо подходит для работы с двухполярным питанием. И что бы понять, в чем тут могут быть проблемы, давайте посмотрим на схему внимательнее.
Я сразу хочу предупредить, что классический каскад с ОЭ плохо подходит для использования двухполярного питания! И я его рассматриваю только по той причине, что меня об этом просили.
Как мы можем ввести в в этот каскад двухполярное питание? Вариантов не так и много
Вариант а) позволяет исключить входной разделительный конденсатор. Вариант б) позволяет исключить выходной разделительный конденсатор. Первый источник питания подключен между Е+ и 0, второй между 0 и Е-. Причем напряжения источников могут быть разными. То есть
Е+ ≠ Е-
Прежде чем мы перейдем к более внимательному рассмотрению этих вариантов, нужно ответить на один важный вопрос. Почему нельзя избавиться сразу от двух разделительных конденсаторов?
Не использовать разделительный конденсатор можно при отсутствии постоянной составляющей в сигнале. Если постоянная составляющая отсутствует и на входе, и на выходе, то напряжение на базе должно быть равно напряжению на коллекторе, в состоянии покоя. То есть, транзистор будет на грани насыщения.
Теперь мы можем более внимательно рассмотреть наши две схемы. И начнем мы с варианта а). Тем более, что и читатель интересовался им больше
Классическое питание от однополярного источника
Давайте начнем с состояния покоя. Вспомним расчет каскада, упрощенно, по постоянному току для классического случая однополярного питания
Предположим, что ток коллектора в состоянии покоя уже выбран. Этот ток создает падение напряжения на резисторе R3. А значит, напряжение на коллекторе будет
Uк = Е - Iк * R3
Ток эмиттера равен сумме токов коллектора и базы. Ток базы
Iб = Iк / h21э
Значит
Iэ = Iк + Iк / h21э
Однако, у современных транзисторов h21э достаточно высок, что позволяет не учитывать вклад тока базы в ток эмиттера. То есть, мы можем считать
Iэ = Iк
Ток эмиттера создает падение напряжения на резисторе R4. Это позволяет определить напряжение на эмиттере транзистора
Uэ = Iэ * R4 = Iк * R4
Зная напряжение на эмиттере мы можем определить требуемое напряжение на базе транзистора
Uб = Uэ + Uбэ
Напряжение на базе определяется делителем R1 и R2. Что бы оно не зависело от тока базы нужно выбрать ток через делитель много больше тока базы
Iдел ≫ Iб
Iдел ≫ Iк / h21э
Исходя из этого можно выбрать сопротивления резисторов делителя. Вот в общем то и все.
Основной вопрос, какое напряжение Uбэ подставлять в формулы? Вопрос не так прост. Классически совет из учебников - воспользоваться графиком зависимости тока базы от напряжения база-эмиттер приводимым в справочниках. Проблема лишь в том, что этот график приводится далеко не всегда. Кроме того, он зависит и от тока коллектора, и от напряжения на коллекторе, и от температуры. И это не считая большого разброса даже при комнатной температуре. Кошмар?
Не очень большой кошмар. Посмотрите еще раз на формулы. Собственно говоря, ток базы нигде для расчета и не использовался. Мы проигнорировали его вклад в ток эмиттера. И использовали лишь как ориентир при выборе тока делителя. Получается, нам не очень то и важен график зависимости тока базы от напряжения база-эмиттер.
Все верно, мы постарались максимально абстрагироваться от параметров конкретного транзистора. Что бы разброс параметров и зависимость от температуры оказывали на работу схемы минимальное влияние. И сделать это нам позволил резистор R4 в цепи эмиттера. Резистор R4 создает ООС по току. И чем выше его сопротивление, тем глубже ООС. Но выбирать R4 слишком большим не стоит.
Раз мы абстрагировались от параметров реального транзистора, мы и Uбэ можем взять типовое, усредненное. Для кремниевых транзисторов не будет большой ошибкой считать Uбэ равным 0.7 В. При работе в активном режиме, который и используется в усилителях.
Ну а теперь давайте проверим, не ошиблись ли мы в формулах. Для этого рассчитаем усилительный каскад в состоянии покоя, по постоянному току. Возьмем транзистор BC847A, который я часто использую в качестве примера. Для него h21э лежит в пределах 110-220. Выберем для примера ток коллектора в состоянии покоя 1 мА, при этом напряжение на коллекторе должно быть равным 7 В. Напряжение питания каскада 12 В.
Поскольку ток коллектора и напряжение на коллекторе известны, найти сопротивление резистора R3 не составляет труда
R3 = (12 - 7) / 0.001 = 5000 Ом
Выбираем резистор из стандартного ряда, ближайшее значение 5.1 кОм.
Теперь нам надо выбрать сопротивление резистора R4. Жестких критериев здесь нет. Желательно, что бы напряжение на эмиттере, то есть, падение напряжения на R4 было не менее Uбэ. Мне нравиться напряжение 1 В. Оно больше 0.7 В, которое мы ранее приняли за типовое, и при этом не очень велико. Отсюда
R4 = Uэ / Iэ = 1 / 0.001 = 1000 Ом
Напомню, мы не учитываем вклад тока базы в ток эмиттера. Напряжение на базе при этом будет равно
Uб = Uэ + Uбэ = 1 + 0.7 = 1.7 В
Ток базы при минимальном h21э будет равен
Iб = Iк / h21э.min = 0.001 / 100 = 10 мкА
Значит, ток через делитель должен быть не менее 100 мкА. И мы можем определить максимальное суммарное сопротивление резисторов
Rдел = E / Iдел.min = 120 кОм
Выберем сопротивление R1=51 кОм. При R2=8.2 кОм Напряжение на базе будет равно
Uб = 8.2 * 12 / (51 + 8.2) = 1.66 В
Немного меньше, чем хотелось бы, но для начала устроит.
Посмотрим, что у нас получилось в результате. А получилось у нас, по результатам моделирования в MPLAB Mindi (можете проверить на реальных деталях, если сомневаетесь)
Uб = 1.62 В
Iк = 956 мкА
Uк = 7.2 В
То есть, довольно близко к ожидаемому. Но как будут влиять на это параметры транзистора? Для проверки вместо BC847A возьмем BC847C, у него h21э лежит в пределах 420-800. Все резисторы оставим без изменения. Получим такой результат
Uб = 1.65 В
Iк = 987 мкА
Изменения есть, небольшие. Ток коллектора вырос на 31 мкА, то есть, чуть более 3%. При значительно выросшем, в 4 раза, h21э. А если взять значительно отличающийся транзистор? Давайте возьмем BF457. Этот транзистор может рассеивать 6 Вт при напряжении на коллекторе 160 В. При этом h21э у него от 25 до 240. Получим такой результат
Uб = 1.56 В
Iк = 920 мкА
Изменения побольше, целым 36 мкА, снижение примерно на 3.5%
Вполне хороший результат для столь упрощенного расчета. И таких больших колебаний параметров транзисторов. Это позволит избежать настройки каскада, если он будет собран в реальности. Если же требуется точность установки тока коллектора (напряжения на коллекторе), то обычно предусматривается подбор сопротивления R1. На некоторых схемах можно увидеть, что такие резисторы помечены звездочкой, что и обозначает подбор при настройке.
Можно подстраивать ток коллектора и подбором сопротивления резистора R4. То есть, если требуется точность настройки, у нас есть две степени свободы. Точнее, даже 3, так как можно подбирать и R2. Но в большинстве случаев подстройка не требуется.
Расчет коэффициента усиления по переменному току я не буду рассматривать. Скоро вы поймете, почему. Шунтирование R4 конденсатором тоже не буду рассматривать, здесь нет никаких особенностей.
Вариант а), к общему проводу привязан вход
Очевидно, что в этом случае, в покое, у нас напряжение на базе транзистора будет равно нулю. И мы можем базу просто соединить с общим проводом, причем напрямую. Поскольку потенциал базы обязан быть равным потенциалу общего провода, ток все равно протекать не будет.
А значит, наша схема станет вот такой
Но не слишком ли много компонентов я убрал? Нет, не слишком. Резисторы делителя питания базы теперь совершенно лишние. Ведь они просто подключены между точками постоянного потенциала (между источником питания и общим проводом) и совершенно не влияют на работу схемы. А все остальное осталось на месте.
Но что у нас изменилось в расчете каскада по постоянному току? Не так и много, хотя с первого взгляда этого и не скажешь. Напряжение на коллекторе по прежнему определяется током коллектора и сопротивлением резистора, в данном случае, R1.
Uк = (E+) - Iк * R1
А вот с напряжением на эмиттере все стало довольно плохо. Напряжение база-эмиттер осталось неизменным, для активного режима мы приняли его равным 0.7 В. Но это означает, что Uэ у нас теперь стало постоянным и равно -0.7 В.
Другими словами, толку от источника питания отрицательной полярности практически нет. Фактически, нам просто достаточно источника небольшого, 1-2 В, отрицательного смещения. Не совсем то, что мы ожидали от двухполярного питания, правда? И это суровая реальность.
Сопротивление R4 теперь будет определяться так
R4 = (|(E-)| - |Uбэ|) / Iк
На нем будет падать все напряжение отрицательного источника за вычетом Uбэ. Да, ООС будет очень глубокой, а значит и влияние параметров транзистора будет малым. Но это единственный плюс.
На этом все различия и закончились. Работа каскада осталась точно такой же, как и раньше. Напряжение на базе и раньше не зависело от тока базы, было фиксированным.
Давайте рассчитаем каскад при напряжениях питания +12 В и -3 В. Остальные условия останутся неизменными. Сопротивление R1 у нас по прежнему будет равно 5 кОм, это очевидно. А вот R2 будет существенно более высокоомным.
R2= (3 - 0.7) / 0.001 = 2.3 кОм
Если напряжение источника питания отрицательной полярности будет больше, то и сопротивление резистора будет выше. И рассеиваемая им мощность больше. Только вот толку от этого не будет.
Если возникнет необходимость подстроить ток коллектора, то при таком включении осталась лишь одна степень свободы - резистор R2.
Необходимость шунтировать R2 конденсатором теперь еще более очевидна. Но что вообще можно сказать о коэффициенте усиления по переменному току?
Здесь нет отличий от каскада с однополярным питанием. Сопротивление источников питания (источников напряжения) по переменному току мало, зачастую его вообще считают близким к нулю и не учитывают. Влияние базового делителя теперь отсутствует, так как отсутствует сам делитель. Но в целом, малосигнальная эквивалентная схема каскада близка к таковой при классическом однополярном питании. Поэтому я и не стал уделять внимания расчету коэффициента усиления.
В общем и целом, вариант а) потерпел фиаско, хоть и не полное. Такой вариант имеет право на жизнь, если исключение входного разделительного конденсатора является наиглавнейшей задачей. В остальном... Лучше про него забыть
Вариант б), к общему проводу привязан выход
Очевидно, что теперь, в покое, равно нулю будет напряжение на коллекторе транзистора. И схема принимает такой вид
Не пугайтесь, что выход закорочен на общий провод. Напомню, что мы рассматриваем состояние покоя. А в покое у нас напряжение на коллекторе равно 0. Это я и показал на иллюстрации. По переменному току между коллектором транзистора и общим проводом будет включено сопротивление нагрузки, причем без разделительного конденсатора. Короткого замыкания не будет
А теперь посмотрим, что изменилось в расчете. И прежде всего в глаза бросается, что теперь ток коллектора и ток через R3 совершенно не зависимы. В покое, конечно. Ток через R3 будет определяться только напряжением (Е+) и сопротивлением R3. А ток коллектора будет определяться точно так же, как и при однополярном питании.
Напряжение на эмиттере
Uэ = (Е-) + Iк * R4
И теперь оно отрицательно. Напряжение на базе
Uб = Uэ + Uбэ
здесь нет никаких отличий. За исключением того, что и напряжение на базе теперь отрицательно. Минимальный ток через делитель определяется по прежнему. Нет отличий и в выборе сопротивлений делителя.
А что насчет минусов? Они тоже есть. И прежде всего, это нестабильность напряжения на коллекторе, которая приводит к появлению постоянной составляющей выходного сигнала. Но еще хуже, что это приводит к протеканию через нагрузку постоянного тока.
Безусловно, выставить точно нулевое напряжение на коллекторе возможно в процессе настройки каскада. Более того, в данном случае это будет практически неизбежная операция. Но и влияние температуры здесь будет весьма ощутимым. Для маломощных каскадов работающих при относительно стабильной температуре использовать такое включение еще как то возможно. В в целом, так делать не стоит.
Нужно сказать еще про небольшую особенность. Сопротивление резистора R3 стоит выбирать таким, что бы ток через него в состоянии покоя равнялся току коллектора транзистора. Даже несмотря на то, что для состояния покоя они независимы.
Ну, как всегда, расчет небольшого примера. Транзистор тот же. Ток коллектора тот же. Напряжение питания +12 В и -12 В. И сразу становится видно, что сопротивление R3 у нас будет отличаться. Что бы через него протекал ток равный току коллектора, сопротивление должно быть 12 кОм.
Выбор сопротивления R4 удобнее проводить не исходя их напряжения на эмиттере, а исходя из падения напряжения на резисторе. Да и базовый делитель удобнее рассчитывать относительно отрицательной шины питания. Ведь у нас вход не привязан к общему проводу. А раз так, то становится видно, что сопротивление R4 у нас по прежнему будет 1 кОм. Ток через него не изменился, да и падение напряжения на нем оставим прежним, 1 мА.
Напряжение на базе, относительно отрицательной шины питания, тоже не изменится, 1.7 В. А вот сопротивления резисторов делителя будут другими. Примем ток делителя равный 100 мкА, мы раньше это уже определяли, а транзистор у нас остался тем же самым. Но теперь делитель подключен между шинами +12 В и -12 В. А значит, к нему приложено напряжение 24 В. И минимальное суммарное сопротивление резисторов теперь будет равно 240 кОм.
Я выберу для R1 сопротивление 110 кОм. Если выбрать R2=8.2 кОм, как и раньше, напряжение на базе, относительно отрицательной шины питания, будет равно
Uб = 8.2 * 24 / (110 + 8.2) = 1.66 В
И режим работы каскада будет таким же, как при однополярном питании.
А что насчет коэффициента усиления? В данном случае, он будет выше, так как выше сопротивление R3. Насколько именно выше, будет зависеть и от сопротивления нагрузки. При этом малосигнальная эквивалентная схема для переменного тока будет такой же, как и для питания от однополярного источника.
Более удачные варианты каскадов для работы при двухполярном питании
Мы рассмотрели классический каскад с ОЭ и обнаружили, что он не подходит для работы при двухполярном питании. Но как же так, ведь двухполярное питание действительно используется, и все прекрасно работает. В чем же была наша ошибка?
В том, что мы пытались решить вопрос "в лоб". И единственное, что нас извиняет, это просьба рассмотреть работу и расчет именно такого каскада при двухполярном питании.
Давайте теперь рассмотрим варианты каскадов, которые действительно хорошо работают при двухполярном питании. И начнем мы с выходного каскада.
Классический двухтактный выходной каскад
Эта схема,без малейших сомнений, известна всем.
Транзисторы в таком каскаде включены по схеме с ОК. Причем здесь не требуется разделительный конденсатор ни на входе, ни на выходе. При двухполярном питании.
Внимательные читатели конечно заметили, что каскад в таком виде приводит к появлению, не менее классической, ступеньки в выходном сигнале. Проблема решается цепями смещения для баз транзисторов, просто я не стал это показывать, так как к теме статьи отношения не имеет. А еще лучше, ввести и обратную связь, для усилителя в целом, конечно.
Дифференциальный входной каскад
Не менее классическая, и безусловно всем известная, схема
На первый взгляд, эта схема очень похожа на пару объединенных каскадов с ОЭ, которые мы только что забраковали. Но дело в том, что это фактически мостовая схема, выходной сигнал которой снимается с коллекторов транзисторов. И этот сигнал пропорционален разности напряжений на входах.
В нашем случае, этот каскад ценен не сам по себе (хотя и это сомнений не вызывает), а как один из каскадов усилителя, который позволяет легко реализовать обратную связь. И подключив базу правого транзистора не к общему проводу, а к выходу усилителя, мы можем устанавливать выходное напряжение не полагаясь на прихоти разброса параметров компонентов и температурный дрейф, а задавая напряжение на втором входе, базе левого транзистора.
Разумеется, придется добавить и каскад перехода от дифференциального сигнала к обычному. И этот каскад вполне может быть каскадом с ОЭ. Скорее всего, потребуется и каскад сдвига уровней. Но зато такой усилитель будет устойчивым (про фазовые соотношения пока не будем), будет мало зависеть от разброса параметров компонентов. И будет работать с двухполярными сигналами, относительно общего провода.
Да, мы собственно говоря получим операционный усилитель. Во всяком случае, все будет похоже. И если посмотреть на схемы УНЧ, которые работают с двухполярным питанием, то мы скорее всего увидим там или интегральный ОУ, или дифференциальный каскад на входе собранный на дискретных транзисторах.
Заключение
Это внеплановая статья, из серии "по просьбам читателей". Здесь я не столько рассказывал о каком то схемотехническом решении или способе расчета, сколько пытался показать, что анализ схем не сводится к простому использованию готовых формул. И что все не так страшно, как может показаться. Все принципы, которые вам давали преподаватели в ВУЗе, которые описаны во множестве учебников, остаются применимыми и к схемам, которые в учебниках или на лекциях не рассматривались.
А еще, я старался показать, что решения "в лоб" далеко не всегда бывают удачными. И что прикидочные, довольно простые, способы расчета имеют право на жизнь. Ведь использованные в статье формулы гораздо проще тех, которые приводятся в учебниках. Безусловно, всей полноты картины эти формулы не учитывают, но они позволяют провести быструю оценку. Пусть и предварительную.
