Основой практически любой схемы является транзисторный каскад и от понимания принципов его работы зависит возможность правильно анализировать и налаживать различные схемы. Можно углубляться в математические выкладки и подробности движения носителей в полупроводниках. Но, знаю по себе, хочется побыстрее взяться за паяльник и каким-то более простым способом. Вот я и попытаюсь это сделать.
Но прежде, чем заняться схемами, не вдаваясь в механизм действия транзистора, давайте рассмотрим токи, которые протекают через транзистор:
Прошу некоторых товарищей, пропустивших тему "Электрический ток" в школе, не возбуждаться и не считать меня сумасшедшим. Еще со времен Франклина, который и придумал термины "положительный" и "отрицательный" заряд и далее, до открытия электрона, считалось, что ток течет от плюса к минусу. На этом принципе построены все законы электротехники, и, хоть теперь мы знаем, что в металлических проводниках электроны движутся от минуса к плюсу, это никому не мешает! Помните из начальной школы: "от перемены мест слагаемых сумма не меняется"?
Но вернемся к транзистору. Работой транзистора рулит ток базы: чем он больше, тем больше токи коллектора и эмиттера. Есть такая приятная штучка, которая называется "коэффициент усиления транзистора по постоянному току транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером". Этот коэффициент (h21э) показывает во сколько приращение тока коллектора больше приращения тока базы.
Давайте возьмем, например, транзистор КТ315 с h21э = 100. Допустим. что ток базы изменился на 10 мкА, тогда ток изменится на ... Iк = Iб х h21э = 10 мкА х 100 = 1000 мкА = 1 мА Отсюда вывод: малое приращение тока базы приводит к большому изменению тока коллектора (и эмиттера). А ведь у современных транзисторов h21э не редко бывает более 400, а у некоторых типов - более 10 000. Таким образом, формула будет выглядеть так:
Но в радиолюбительской практике часто принимают более приблизительную формулу, измерение для которой можно проще:
Теперь давайте рассмотрим график зависимости тока коллектора биполярного транзистора от тока базы при неизменном напряжении питания.
В начале кривой зависимость Iк от Iб нелинейна, затем идет участок, где Iк прямо пропорционален Iб, затем опять идет нелинейная область, а потом приращение тока базы не ведет к увеличению тока коллектора, т.е. наступило насыщение транзистора.
Оптимальным, с точки зрения усиления сигнала без искажений будет, если первоначально установить ток базы равным Iбсм, которой соответствует точка Б, расположенная в центе прямолинейного участка кривой. Этому току базы будет соответствовать ток коллектора Iк0 (начальный ток коллектора).
Если мы выберем положение точки Б ниже по прямолинейному участку (ближе к точке А), то может ограничиваться отрицательная полуволна сигнала. Если точку А сдвинуть вверх, ближе к точке В, то может происходить ограничение положительной волны сигнала.
Перейдем к простейшей модели эмиттерного повторителя.
На схеме (рис. 2) в точке Б напряжение постоянного тока Uб = 4,4 В, ток через R1 Iб = 36 мкА. В точке В Uэ = 3,6 В, ток через резистор R2 Iэ = 3,6 мА. Как видим, у транзистора по умолчанию (не указан тип) h21э = 100. Все соотношения, описанные выше, соблюдаются. А самое главное, что эмиттерный повторитель усиливает ток.
Один интересный момент: если сопротивление R=1k, то напряжение на нем в вольтах равно значению протекающего через него тока в мА. Измерять ток в цепи не очень удобно: для этого цепь нужно разорвать, а потом вновь замкнуть. Для измерения напряжения на резисторе цепь разрывать не надо, а ток легко вычисляется по закону Ома, особенно, если брать резисторы, сопротивление которых 10, 100, 1000 Ом и т.д.
Ток эмиттерный повторитель усиливает, а напряжение? Посмотрите: на базе напряжение 4,4 В, а на эмиттере - 3,6 В. Почему? Потому, что существует падение напряжение на переходе эмиттер - база, который можно рассматривать как диод. Это падение напряжения для кремниевых транзисторов составляет примерно 0,7 В, а для германиевых - в два раза меньше.
Как видно на рис. 2, выходной сигнал имеет ту же фазу, что и входной, и их амплитуды близки по величине (отсюда и название - повторитель).
Если мы уменьшим сопротивление резистора R1, то ток его возрастет, возрастет ток базы, а также ток коллектора и эмиттера. В соответствии с законом Ома возрастет и напряжение на эмиттере транзистора. Если увеличить сопротивление R1, то ток через него уменьшится, как и ток базы транзистора, а с ним и токи коллектора и эмиттера.
Давайте в модели увеличим сопротивление R1 до 500 кОм При этом Iб = 12 мкА, Uб = 1,99 В, Iк = 1.2 мА, Uэ = 1,21 В. Смотрим, как проходит сигнал:
Как видим, выходной сигнал ограничен снизу ограничен. Отрицательная полуволна потеряла больше половины (амплитуда сигнала 3В) 3 - 1,2 =1,8 В. А если уменьшить амплитуду входного сигнала до 1 В, не меняя режим по постоянному току?
Как видите, никаких искажений нет. И, если присмотреться, видно, что средняя линия выходной синусоиды (выделена черным отрезком) совпадает с отметкой 1,2 В, что соответствует напряжению на транзисторе. Из этого можно вывести правило: напряжение на эмиттере транзистора эмиттерного повторителя должно быть не меньше, чем амплитуда выходного сигнала.
Для предварительных каскадов усиления, где амплитуда сигнала не превышает 100 - 200 мВ, лучше выбрать напряжение около 1В.
В следующей статье рассмотрим каскад с общим эмиттером.
Всем здоровья и успехов!
