Всем доброго времени суток! После небольшого перерыва я решил написать статью про усилители на транзисторах. Хотя, чисто транзисторные усилители на современном этапе развития радиоэлектроники применяются редко, но некоторые каскады, например входные или выходные, на транзисторах встречаются довольно часто.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

В одном из предыдущих постов я писал об усилительных каскадах, сегодняшняя статья несколько расширит ваши знания о транзисторах. Транзисторы в усилителях, как упоминалось ранее, могут быть в одной из трёх схем включения: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК). Наибольшее распространение получили схемы с ОК и с ОЭ, так как схема с ОБ имеет низкое входное сопротивление, она используется лишь в некоторых особых случаях, например в дифференциальных усилителях или в усилителях на очень высоких частотах.

Усилители разделяются на несколько типов:

• по типу построения схемы (однотактные и двухтактные);
• по типу нагрузки (трансформаторные и безтрансформаторные);
• по режиму работы (А, В, АВ, С и др.).

В зависимости от типа усилителя и режима его работы усилители имеют различные входные и выходные параметры: входное и выходное сопротивления, коэффициенты усиления по току и по напряжению, коэффициент полезного действия (КПД) и амплитудно-частотную характеристику (АЧХ).

Классы работы усилителя

Прежде чем говорить о режимах работы усилителя необходимо сказать несколько слов о транзисторах, а точнее о проходной характеристике транзистора. Проходная характеристика – это зависимость выходного тока от напряжения или тока на входе.

Проходная характеристика транзисторов

На данной характеристике хорошо видно, что при напряжении коллектор-эмиттер, большем порогового напряжения, зависимость имеет экспоненциальный характер, а при напряжении, меньшем порогового, отклоняется от экспоненциальной зависимости. Таким образом режим работы усилителя определяется положением рабочей точки на проходной характеристики усилительного транзистора.

При работе в классе А рабочая точка Т лежит примерно в средней части проходной характеристики транзистора и выходной ток транзистора (коллекторный ток I_C) протекает в течении всего периода гармонического колебания. В этом случае транзистор работает без отсечки тока (угол отсечки θ = 180°). Другими словами транзистор в усилителе постоянно находится в активном режиме, а в режим отсечки никогда не переходит. При работе в данном режиме усилители характеризуются наибольшей линейностью, но в тоже время значение КПД никогда не превышает 47,5%, а в большинстве случаев едва достигает нескольких десятков процентов.

Работа транзистора в режиме усиления класса A.

При работе в классе В в идеальном случае рабочая точка Т находится на пересечении проходной характеристики с осью абсцисс и коллекторный ток (I_C) в отсутствие сигнала равен нулю. Транзистор в таком усилителе работает с отсечкой тока (угол отсечки θ = 90°). Таким образом, транзистор усиливает только одну полуволну гармонического колебания и переходит в режим отсечки сигнала. Теоретически значение КПД в данном режиме имеет максимальное значение 78,5%, но практически никогда не достигает этого значения. В связи с тем, что транзистор при работе в данном режиме усилителя работает также в линейном режиме и режиме отсечки тока, усиленный сигнал имеет несколько большие искажения, чем при работе усилителя в режиме А, поэтому чистый режим В применяют редко. Значительно чаще применяют усилители, в которых транзисторы работают в режиме АВ.

Работа транзистора в режиме усиления класса B.

Режим усилителя класса АВ. Как ясно из названия в данном случае рабочая точка лежит на проходной характеристике несколько выше, чем при режиме В и коллекторный ток (I_C) имеет небольшое значение, практически, чтобы только выйти из режима отсечки. Транзистор в таком режиме усиления работает с отсечкой тока (угол отсечки 180° > θ > 90°). В данном случае происходит усиление одной полуволны и некоторой части другой полуволны, что при наличии двух усилительных приборов работающих в режиме АВ и усиливающих разные полуволны получить полный усиленный сигнал. Режим АВ характеризуется лучшей линейностью, чем режим В и большим значением КПД, чем режим А.

Работа транзистора в режиме усиления класса AB.

Существуют так же и другие классы работы усилителей, но они имеют значительные недостатки или сложны в управлении. Например, в классе С транзистор работает с отсечкой тока (угол отсечки θ < 90°), что приводит к ещё большим искажениям усиленного сигнала, чем в классе В, но в тоже время КПД больше, чем при классе В. Класс работы D практически представляет собой ключевой режим работы транзистора, при котором усилительный транзистор большую часть времени находится либо в режиме отсечки, либо режиме насыщения.

Предварительные и входные усилители

Предварительные усилители используются во входных каскадах усиления, поэтому к ним предъявляют ряд требований, выполнение которых позволяет получить высокую линейность усиленного сигнала и более равномерную амплитудно-частотную характеристику. Усилительные каскады различаются в зависимости от схемы включения транзистора и по виду связи с последующим каскадом. Данные типы усилителей работают только в режиме усиления класса А, а усилительный транзистор с ОК или с ОЭ.

Каскад по схеме с общим эмиттером

Типовая схема каскада с резисторно-емкостной связью и включением транзистора по схеме с общим эмиттером представлена ниже.

Усилительный каскад на транзисторе с ОЭ.

Данная схема содержит два основных элемента: транзистор VT1 и коллекторную нагрузку (резистор R_C). Остальные элементы схемы – вспомогательные. Резисторы R_b1, R_b2, R_E, R_Ф и конденсаторы С_Е и С_Ф являются элементами цепей питания, а конденсаторы С_Р1 и С_Р2 – элементами цепей связи.

Входное сопротивление каскада (R_ВХ) зависит от входного сопротивления транзистора R₁₁ и сопротивления цепей питания базы. Ориентировочно оно может быть определено по следующим формулам

Выходное сопротивление каскада (R_ВЫХ) зависит от выходного сопротивления транзистора R₂₂ и сопротивления коллекторной нагрузки R_С. В связи с тем, что выходное сопротивление транзистора значительно меньше сопротивления коллекторной нагрузки, можно считать, что

Коэффициент усиления каскада по напряжению (К₀) зависит от крутизны транзистора (S) и сопротивления нагрузки (R_H). В свою очередь сопротивление нагрузки зависит от сопротивления коллекторной нагрузки R_С и входного сопротивления следующего каскада (R_BX.CL).

Каскад по схеме с общим коллектором

Типовая схема каскада с резисторно — емкостной связью и включением транзистора по схеме с общим коллектором представлена ниже.

Усилительный каскад на транзисторе с ОК

Данная схема содержит два основных элемента: транзистор VT1 и эмиттерную нагрузку (резистор R_Е). Остальные элементы схемы – вспомогательные. Резисторы R_b1 и R_b2 являются элементами цепей питания, а конденсаторы С_Р1 и С_Р2 – элементами цепей связи.

Входное сопротивление каскада (R_ВХ) зависит от входного сопротивления транзистора R₁₁ и сопротивления цепей питания базы. Ориентировочно оно может быть определено по следующим формулам

Выходное сопротивление каскада (R_ВЫХ) зависит от выходного сопротивления транзистора R_22C и сопротивления эмиттерной нагрузки R_Е, а также выходного сопротивления источника сигнала R_g. Таким образом выходное сопротивление каскада определяется по формуле

Коэффициент усиления каскада по напряжению (К₀) зависит от крутизны транзистора (S) и сопротивления нагрузки (R_H). В свою очередь сопротивление нагрузки зависит от сопротивления коллекторной нагрузки R_С и входного сопротивления следующего каскада (R_BX.CL).