Каскады усиления на транзисторах

Каскады усиления на транзисторе

Любой усилитель, независимо от частоты, содержит от одного до нескольких каскадов усиления. Для того, чтобы иметь представление о схемотехнике транзисторных усилителей, рассмотрим более подробно их принципиальные схемы.

Транзисторные каскады, в зависимости от вариантов подключения транзисторов, подразделяются на:

-              каскад с общим эмиттером;

-              каскад с общим коллектором;

-              каскад с общей базой.

Схемы каскадов включения показаны на рисунке 1.

Рисунок 1   Схемы транзисторных каскадов

Каскад с общим эмиттером обладает высоким усилением по напряжению и току. К недостаткам данной схемы включения можно отнести невысокое входное сопротивление каскада. К преимуществам - высокий коэффициент усиления.

Рассмотрим работу каскада подробнее: при подаче на базу входного напряжения - входной ток протекает через переход «база-эмиттер» транзистора, что вызывает открывание транзистора и, в следствие этого, увеличение коллекторного тока. В цепи эмиттера транзистора протекает ток, равный сумме тока базы и тока коллектора. На резисторе в цепи коллектора, при прохождении через него тока, возникает некоторое напряжение, величиной значительно превышающей входное. Таким образом, происходит усиление транзистора по напряжению. Так как ток и напряжение в цепи - величины взаимосвязанные, аналогично происходит и усиление входного тока. 

Схема с общим коллектором обладает высоким входным и низким выходным сопротивлениями. Коэффициент усиления по напряжению этой схемы всегда меньше 1. Данная схема используется для согласования каскадов, либо в случае использования источника входного сигнала с высоким входным сопротивлением. В качестве такого источника можно привести, например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон. 

Схема включения транзистора с общей базой используется преимущественно в каскадах усилителей высоких частот. Данное включение транзистора позволяет более полно использовать частотные характеристики транзистора при минимальном уровне шумов. Что такое частотная характеристика транзистора? Это - способность транзистора усиливать высокие частоты, близкие к граничной частоте усиления, Эта величина зависит от типа транзистора. Более высокочастотный транзистор способен усиливать и более высокие частоты. С повышением рабочей частоты, коэффициент усиления транзистора понижается. Если для построения усилителя использовать, например, схему с общим эмиттером, то при некоторой (граничной) частоте каскад перестает усиливать входной сигнал. Использование этого - же транзистора, но включенного по схеме с общей базой, позволяет значительно повысить граничную частоту усиления. Каскад, собранный по схеме с общей базой, обладает низким входным и невысоким выходным сопротивлениями (эти параметры очень хорошо согласуются при работе в антенных усилителях с использованием так называемых «коаксиальных» несимметричных высокочастотных кабелей, волновое сопротивление которых, как правило, не превышает 100 ом).

В практике иногда приходится использовать параллельное включение транзисторов для увеличения выходной мощности (коллекторного тока). Один из вариантов данного включения приведен на рисунке 2.

Рисунок 2   Схема параллельного включения транзисторов

При таком включении нужно стремиться использовать транзисторы с близкими параметрами βст. Транзисторы большой мощности при этом должны устанавливаться на один теплоотвод. Для дополнительного выравнивания токов в данной схеме в цепях эмиттеров применены резисторы. Сопротивление резисторов следует выбирать исходя из падения напряжения на них (в интервале рабочих токов) около 1 вольта (или, по крайней мере, - не менее 0,7 вольта). При параллельном включении двух транзисторов максимальный суммарный ток  коллектора не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора одного из транзисторов. Количество транзисторов, включенных по этой схеме, может быть сколько угодно большим - все зависит от целесообразности...

В практике также иногда бывает необходим транзистор с проводимостью, отличной от имеющегося (например - в выходном каскаде УЗЧ и проч.). Выйти из положения позволяет схема включения, приведенная на рисунке 3.

Рисунок 3   Схема составного транзистора

В данном каскаде используется как правило маломощный транзистор T1 необходимой проводимости, транзистор T2 необходимой мощности, но другой проводимости. Данный каскад (в частности) эквивалентен транзистору с проводимостью N-P-N большой мощности с высоким коэффициентом передачи тока базы (h21Э). Если мы используем в качестве T1, T2 транзисторы противоположной проводимости - получим мощный составной транзистор с проводимостью P-N-P.

При рассмотрении транзисторных каскадов необходимо всегда помнить о их температурной стабилизации.

Транзистор, являясь полупроводниковым прибором, изменяет свои параметры при изменении рабочей температуры. Так, при повышении температуры, усилительные свойства транзистора ухудшаются. Обусловлено это рядом причин, основной из которых является то, что при повышении температуры значительно увеличивается такой параметр транзистора, как обратный ток коллектора. Увеличение обратного тока коллектора транзистора приводит к значительному увеличению коллекторного тока и к смещению рабочей точки в сторону увеличения тока. При некоторой температуре коллекторный ток транзистора возрастает до такой величины, при которой транзистор перестает реагировать на слабый входной (базовый) ток.

Попросту говоря - каскад перестает быть усилительным. Для того, чтобы расширить диапазон рабочих температур, необходимо применять дополнительные меры по температурной стабилизации рабочей точки транзистора. Самым простым способом является коллекторная стабилизация рабочего тока смещения. Рассмотренная нами выше схема каскада по схеме с общим эмиттером является схемой с фиксированным током базы. Ток коллектора в данной схеме зависит от параметров конкретного экземпляра транзистора и должен устанавливаться индивидуально при помощи подбора величины резистора R1. При смене транзистора начальный (при отсутствии сигнала) ток коллектора приходится подбирать заново, так как транзисторы даже одного типа имеют очень большой разброс статического коэффициента усиления тока базы (h21 Э).

На рисунке 4 приведены схемы температурной стабилизации каскадов на транзисторах.

Рисунок 4   Схемы температурной стабилизации каскадов

Схема коллекторной стабилизации, обладая основными недостатками схемы с общим эмиттером (подбор резистора базового смещения под конкретный экземпляр транзистора), тем не менее позволяет расширить диапазон рабочих температур каскада. Как видим, данная схема отличается подключением резистора смещения не к источнику питания, а в коллекторную цепь. Благодаря такому включению удалось значительно (за счет применения отрицательной обратной связи) расширить диапазон рабочих температур каскада. При увеличении обратного тока коллектора транзистора, увеличивается ток коллектора, что вызывает более полное открывание транзистора и уменьшение коллекторного напряжения. Уменьшение коллекторного напряжения, в свою очередь, уменьшает напряжение начального смещения транзистора, что вызывает уменьшение коллекторного тока до приемлемой величины. Таким образом - осуществляется отрицательная обратная связь, которая несколько уменьшает усиление каскада, но зато позволяет увеличить максимальную рабочую температуру.

Более качественную стабилизацию температурных параметров каскада усиления можно осуществить, если несколько усложнить схему и применить так называемую «эмиттерную» температурную стабилизацию. Данная схема, несмотря на сложность, позволяет каскаду сохранять усилительные свойства в очень широком интервале рабочих температур. Кроме того, применение данной схемы стабилизации дает возможность замены транзисторов без последующей настройки. Отдельно следует сказать о конденсаторе С3. Этот конденсатор служит для повышения коэффициента усиления каскада на переменном токе. Он устраняет отрицательную обратную связь каскада. Емкость этого конденсатора зависит от рабочей частоты усилителя. Для усилителя звуковых частот емкость конденсатора может колебаться от 5 до 50 микрофарад, для диапазона радиочастот - от 0,01 до 0,1 микрофарады (но его в некоторых случаях может и не быть).