Это переработанная, дополненная и исправленная статья, которая была опубликована насколько лет назад на моём канале под оригинальным названием «Правильные схемы предварительных каскадов УНЧ».
Сегодня хочу рассказать о некоторых «скрытых» нюансах работы и расчета каскадов предварительного усиления сигналов на транзисторе, включённом по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Теории будет только самый необходимый минимум. Рассмотрим несколько схем «обвязки» транзистора для получения необходимой рабочей точки, на них остановимся поподробнее. Также приведу примеры расчетов (максимально простых, с точностью, достаточной для радиолюбительских схем), и примеры симуляции работы этих самых схем включения транзистора.
Итак, начну своё повествование не с начала, не от самого простого к более сложному, а где-то со средины. С этой вот схемы:
Рис. 1.
Хоровиц и Хилл в своей книге «Искусство схемотехники» называют такую схему включения транзистора в каскаде с ОЭ «правильной». Далее Вы поймёте, почему.
Для нормальной работы такой схемы в режиме усиления слабого сигнала необходимо выполнить несколько простых условий (транзистор VT1 – маломощный кремниевый):
1. Напряжение на коллекторе Uк примерно равно половине напряжения питания;
2. Ток коллектора Iк примерно равен току эмиттера Iэ и равен 1 мА;
3. Напряжение на базе больше напряжения на эмиттере на 0,6 В (Uбэ = 0,6В), что справедливо для кремниевых транзисторов;
4. Транзистор для нашего применения имеет статический коэффициент усиления h21э более 100.
Принятые нами условия очень и очень реальны на практике. Этого достаточно для расчета с приемлемой для радиолюбителей точностью: режима каскада по постоянному току, номиналов резисторов, коэффициента усиления каскада.
Для всех расчётов понадобиться только знание закона Ома и простейшие математические операции.
Для начала давайте рассчитаем номиналы элементов схемы, приведенной на рис.1.
Например, мы хотим иметь усилитель с коэффициентом усиления, равным 10, при напряжении источника питания, равном 12 вольт:
Напряжение питания Uпит = 12в
Коэффициент усиления Ку = 10.
Итак, приступаем к расчёту:
1. Т.к. напряжение на коллекторе по условию равно половине питающего, оно будет составлять Uк = 12В/2 = 6В.
Такое же напряжение будет падать и на Rк, т.е. URк = 6В.
Т.к. ток коллектора равен 1мА, через резистор Rк потечет ток тоже около 1мА (на самом деле токи будут немного меньше из-за влияния Rэ, а напряжение Uк немного больше, но это пока не важно, игнорируем), значит, его номинал можно легко посчитать, используя закон Ома:
Rк = URк/Iк = 6В/1мА = 6 кОм
(если брать напряжение в вольтах, ток в миллиамперах, то сопротивление получим в килоомах).
2. Рассчитаем величину сопротивления Rэ, исходя из необходимого значения коэффициента усиления, равного 10-ти.
Коэффициент усиления каскада с ОЭ определяется отношением Rк и Rэ, т.е.
Ку=Rк/Rэ,
следовательно Rэ = Rк/10 = 6 кОм/10 = 0,6 кОм = 600 Ом.
3. Посчитаем номиналы резисторов смещения RБ1 и RБ2 (без лишних заморочек):
для этого сначала определим напряжение на них. Промежуточный шаг – посчитаем напряжение на эмиттере Uэ, которое равно падению напряжения на резисторе Rэ, т.е.
URэ = IRэ*Rэ = 1мА*0,6кОм = 0,6В,
а также напряжение на базе Uб, которое составит
Uб = Uэ + Uбэ = 0,6В + 0,6В (Uбэ = 0,6В, по условию) = 1,2В.
Значит, напряжение на RБ2 составит те же 1,2 вольта, а на RБ1 упадет
12В – 1,2В = 10,8 вольта.
А теперь давайте ПРОСТО выберем значения RБ1 и RБ2 в килоомах, пропорционально падению напряжения на них, например цифру значения падения напряжения умножив на 5:
Rб1 = 10,8*5 = 54 кОм
Rб2 = 1,2*5 = 6 кОм
(Как выбрать оптимальное значение RБ1 и RБ2 я расскажу во второй части).
Вот и всё. Расчёт каскада окончен (Рис. 1а):
Рис. 1а. Расчитанные режимы и номиналы резисторов схемы.
А теперь самое интересное. Сейчас мы проверим рассчитанную нами схему в симуляторе, в Мультисиме.
Транзистор выберем BC107BР (по параметрам близок к нашим КТ342Б, КТ3102Б).
Запускаем симуляцию, и вот что имеем:
МС1
Видим, что режим работы по постоянному току отличаются от расчетного значения не более, чем на 10%, это вполне приемлемо. Именно так, чаще всего, пишут в разделе про настройку устройства – « режимы работы по постоянному току могут отличаются от указанных на 10%» :)
А теперь давайте номиналы резисторов округлим до ближайших стандартных из ряда Е24 (зачем нам экзотические 54 и 6 килоом), заодно и проверим схему на устойчивость к разбросу параметров элементов:
Rб1 = 51 кОм
Rб2 = 6,2 кОм
Rк = 6,2 кОм
Rэ = 620 Ом
и посмотрим, как изменятся режим работы нашей схемы:
МС2
Как видим, режим далеко не «уплыл», и тоже не отличаются от расчетного значения более, чем на 10%.
Теперь давайте проверим коэффициент усиления. Подключим к нашей схеме на вход функциональный генератор (XFG1), вольтметр переменного напряжения (U1), на выход – осциллограф (XSC1), вольтметр переменного напряжения (U2), измеритель нелинейных искажений (XDA1) и запустим симуляцию:
МС3
Проанализируем. При подаче на вход схемы сигнала с частотой 1 кГц и амплитудой 10 мВ (0,01В) на выходе мы получили сигнал с амплитудой 96 мВ (0, 096В), как показывают вольтметры. Коэффициент усиления составил величину Ку = 9,6 что, как видите, очень близко к нашему расчетному значению (10). КНИ составил 0,02%, очень достойный результат. Ну и форма сигнала на осциллографе (красная осциллограмма – вход, синяя – выход) - симпатичная правильная синусоида:
МС4
А теперь давайте быстро закрепим способ расчета, и посчитаем параметры элементов этой схемы для Uпит = 9В и Ку = 20. Очень кратко о быстро:
1. Uпит/2 = 9В/2 = 4,5В, значит Rк = 4,5 кОм, выберем стандартные 4,7 кОм;
2. Rэ = 4,5 кОм/20 (20 – это Ку) = 0,225 кОм = 225 Ом, выберем стандартные 220 Ом;
3. Uэ = 0,225 Ом*1мА = 0,225В;
4. Uб = URБ2 = 0,225В + 0,6В (это Uбэ по условию)= 0,825в;
5. URБ1 = 9В – 0,825В = 8,175В.
Выбираем значение номиналов RБ1 и RБ2 в килоомах, умножив на 5 цифру (это не вольты!) падения напряжения на них, получаем RБ1 =40,9 кОм, RБ2 = 4,1 ком, ближайшие стандартные – 39 кОм и 4,3 кОм:
Рис.2
Заметьте, в расчетах мы не использовали значение коэффициента усиления транзистора h21э, для этой схемы его значение не важно, будь оно хоть 100, хоть 1000, лишь бы его значение было минимально достаточным (мы приняли значение h21э>100). В этом прелесть и изящество данной схемы. У неё стабильные, легко рассчитываемые параметры, диапазон разброса параметров элементов схемы – плюс-минус «трамвайная остановка»)). Разброс напряжения питания также может быть большим, схема, рассчитанная на напряжение 12В спокойно будет работать и от 9В, и от 24В. К тому же, в ней сведено к минимуму влияние rэ…
Стоп, стоп, а что это за rэ такое?
А rэ - это это активное сопротивление эмиттера, оно же (в других источниках) динамическое сопротивление эмиттерного перехода, включенного в прямом направлении, или ложка дёгтя внутри бочки мёда в транзисторе :), находится внутри транзистора и всегда включено последовательно с цепью эмиттера. Вот так:
Рис.3
Оно ограничивает коэффициент усиления транзистора в схеме с общим эмиттером (ОЭ), делает коэффициент передачи эмиттерного повторителя меньше единицы, искажает форму сигнала и др. Самая главная неприятность заключается в том, что величина этого rэ (в Омах) зависит от тока коллектора (в миллиамперах) и для малых сигналов определяется формулой
rэ = 25/Iк (при 25°С. Оно еще и от температуры зависит)).
Т.е. при токе коллектора в 1мА собственное сопротивление эмиттера транзистора будет равно 25 Ом, при токе 2 мА – 12,5 Ом, а при токе, например, 0,5мА – 50 Ом.
В нашей схеме (рис.1) оно мало по сравнению с Rэ (600 Ом), и не оказывает особое влияние на работу схемы. А вот что будет, если Rэ исключить совсем?
Такие схемы распространены. В них Ку возрастет и будет определяться величиной Rк и rэ, т.е Ку = Rк/rэ. А так как rэ зависит от тока коллектора Iк, который, в свою очередь, меняется при усилении сигнала… то давайте просимулируем эту схемку. Значение RБ2 выберем равным 3 кОм (на нем должно «упасть» 0,6В) а RБ1 подберем таким, чтобы напряжение на коллекторе составило те же 6 вольт. (Заметьте, RБ1 мне пришлось именно подбирать, потому, что значение Uбэ тоже, как и h21э транзистора, величина не постоянная. И без ООС, создаваемой эмиттерным резистором, как в схеме на рис.1, приведённые выше расчёты перестают быть достоверными).
Просимулируем эту схему, которая без Rэ. Амплитуда входного сигнала – тоже 10мВ:
МС6
Что сразу бросается в глаза? Вырос до 212 коэффициент усиления, правда и КНИ вырос до 11%. Много! Почему?
Давайте взглянем на осциллограмму:
МС7
«Невооруженным» глазом видно, что положительная (верхняя) полуволна больше (шире), чем отрицательная (нижняя). И произошло это из-за влияния собственного сопротивления эмиттера транзистора, этого самого rэ.
А объясняется все просто. Когда возрастает ток коллектора (в положительную полуволну), сопротивление rэ уменьшается (см.выше), и коэффициент усиления схемы (Ку = Rк/rэ) увеличивается. И наоборот, когда ток коллектора уменьшается (в отрицательную полуволну), сопротивление rэ увеличивается, а коэффициент усиления каскада уменьшается. Вот так, при усилении сигнала, из-за влияния rэ в пределах периода «гуляет» коэффициент усиления каскада, что и приводит к образованию нелинейных искажений.
Так что же, эта схема совсем не годная? Нет, не совсем. Давайте уменьшим входной сигнал до 1мВ:
МС8
Ку остался примерно таким же, а КНИ снизился до 1,1%. Оно и понятно, коллекторный ток стал изменяться в меньших пределах, соответственно и значение rэ стало меняться в меньших пределах (в 10 раз), вот и КНИ снизился в 10 раз. Синусоида тоже стала красивее:
МС9.
Теперь давайте сделаем выводы, и закончим первую часть статьи.
Как видите, наличие резистора Rэ в цепи эмиттера в каскаде усиления сигналов с ОЭ резко улучшает параметры такого каскада. Инженеры – разработчики качественной РЭА давно знают, почему это происходит - этот резистор сводит практически «на нет» пагубное влияние rэ на работу схемы. Кроме того, в такой схеме (рис.1) легко посчитать значения элементов, разброс которых, как и напряжение питания, мало влияет на её работу.
Исключив эмиттерный резистор Rэ, мы увеличиваем коэффициент усиления схемы и уменьшаем на один количество резисторов. И все. На этом преимущества заканчиваются. А недостатки умножаются:
1. Растет КНИ;
2. Снижается термостабильность, параметры схемы начинают сильно зависеть от температуры;
3. Элементы схемы перестают "поддаваться" расчету, их необходимо подбирать вручную;
4. На параметры схемы сильнее начинают влиять параметры самого транзистора;
5. Режимы работы схемы «резко уплывают» при небольшом изменении напряжения питания...
На этом, пожалуй, остановимся. Во второй части статьи мы рассмотрим другие схемы включения транзистора в каскаде с ОЭ:
Рис.4
А также на понятном языке поговорим о том, как просто посчитать значения таких важных параметров, как входное и выходное сопротивление схемы, и ещё о чём-нибудь, что всплывет по ходу разговора).
Использованная литература: 1986. П. Хоровиц. У. Хилл. Искусство схемотехники. 1 том.
Все свои статьи я пишу не регулярно, а "под настроение" и "для души". Если Вам интересна или в чём-то полезна данная статья, Вы можете выразить свою благодарность, нажав на кнопочку "Поддержать". А я, в свою очередь, благодарю Вас за внимание.
Всем всего доброго!
Продолжение (часть 2) - здесь