Усилительный каскад на транзисторе
Если открыть любой учебник по схемотехнике усилителей, можно там же найти и методики расчета усилителей. В учебнике обязательно будет приведена классификация усилительных каскадов по способу включения транзистора как активного элемента и свойства каскадов при разных способах включения транзисторов. Однако чаще всего применяют включение транзистора с общим эмиттером. Это означает, что эмиттер служит общим выводом для входной и выходной цепи. Тем, кто интересуется теоретическими аспектами вопроса, кому хотелось бы методично во всем разобраться, я могу порекомендовать несколько книг.
1. Герасимов, Мигулин, Яковлев. Расчет полупроводниковых усилителей и генераторов. Киев, 1961.
2. Воронков, Овечкин. Основы проектирования усилительных и импульсных схем на транзисторах. Москва, 1973.
3. П. Шкритек. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. Москва, 1991.
Мы же воспользуемся преимуществами, которые получаем от использования компьютера.
Несколько слов о том, почему мне хочется начать с усилительного каскада на транзисторе (рис. 3.9). Мне кажется, что знание работы транзистора закладывает основу понимания и аналоговой техники, и цифровой, включая микропроцессорную, техники. Конечно, сегодня при разработке электронных устройств или ремонте использование микросхем подразумевает знание не того, как устроена микросхема, а того, какими свойствами она обладает (ее параметров), для чего предназначена и какие сигналы использует. В этом смысле сегодняшняя работа с. электроникой ближе к программированию на объектно-ориентированных языках, в отличие от программирования с использованием процедурных языков. Некоторые преподаватели информатики даже считают, что знания процедурных языков мешает быстрому освоению современного программирования. Возможно, так. Но быстрое освоение в узкой области знаний рано или поздно может завести в тупик. Я так думаю, но спорить не готов.
Вот так будет выглядеть усилительный каскад с общим эмиттером. В качестве источника сигнала использован генератор синусоидального напряжения, а сигналы на входе и выходе усилителя мы наблюдаем с помощью осциллографа. Немного изменим нашу схему, как показано на рис. 3.10.
В схеме появились два вольтметра переменного тока для измерения величины сигнала. Как видно из рисунка (по показаниям вольтметров), сигнал на входе усилителя - около 6 мВ, а на выходе - 2 В. Отношение выходного сигнала к входному - это коэффициент усиления каскада по напряжению. Разделив 2 В на 6 мВ, мы получим, что Кн = 333. Усиление по напряжению интересует нас довольно часто.
Здесь уместно пояснить один момент, касающийся единиц измерения. Усиление мы измеряем в относительных единицах как отношение выходного напряжения к входному
(Ку = ивых / Ubx). Есть и другие единицы измерения - децибелы. Формула перехода выглядит так - Ку, дБ = 201g Ку или Ку, дБ = 201g (Ubbix / Ubx).
Зачем нужны другие единицы? Общее усиление двухкас - кадного усилителя равно произведению коэффициентов усиления. А мы знаем из свойств логарифмов, что логарифм произведения равен сумме логарифмов. Таким образом, вместо сложной операции умножения можно применить более простую операцию - сложение. Порой это удобно.
Вернемся к схеме. Для чего служат ее элементы? Сопротивление R1 определяет базовый ток транзистора, ток коллектора которого равен некоторому параметру транзистора, называемому статическим коэффициентом усиления транзистора, умноженному на его базовый ток. Расчет каскада «на вскидку» можно провести так - мы определяем, что в отсутствие сигнала напряжение на коллекторе должно быть равно половине напряжения питания (чтобы симметричный сигнал мог усиливаться максимально, но без искажений). Зная величину сопротивления R2 = 5 кОм (сопротивления нагрузки транзистора) и величину напряжения (12В/2 = 6В), можно легко определить необходимый ток коллектора. Ток коллектора равен половине напряжения питания, деленной на сопротивление нагрузки (6 В / 5 кОм =1,2 мА). Ток коллектора связан с током базы величиной статического коэффициента усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером (Вст = 200 для данного транзистора 2N2222): Ік = Вст х 16, где 1к - ток коллектора, 16 - ток базы.
Таким образом, ток базы должен быть в 200 раз меньше, то есть б мкА. Через резистор R1 должен протекать ток в б мкА, а напряжение на нем должно быть равно напряжению питания минус напряжение база-эмиттер транзистора. Для расчетов «на вскидку» последним можно пренебречь, приняв напряжение на резисторе равным напряжению питания. Тогда величина резистора R1 будет равна отношению напряжения питания к току базы транзистора - 12В / бмкА (то есть, 2 МОм). Что мы и сделали. Остался вопрос, почему величина резистора R2 выбрана равной 5 кОм? Эта величина обычно определяется входным сопротивлением следующего каскада. Например, можно считать, что наш усилитель будет подключен
