Назначение разделительных конденсаторов в транзисторном каскаде

Усилительный режим транзистора определяется постоянными напряжениями между электродами и токами, протекающими в цепях электродов. Их задают элементы внешних цепей транзистора, которые составляют схему его включения. Усилительный прибор, его обвязка, источник питания и нагрузка образуют усилительный каскад.

Рис.20 Схема усилительного каскада на транзисторе с ОЭ

Обозначения в схеме:

— входное и выходное сопротивления транзистора V1 переменному току без

учёта элементов внешней цепи (обвязки).

— входное и выходное сопротивления усилительного каскада.

R_U — сопротивление источника сигнала.

— эквивалентное сопротивление нагрузки каскада переменному току.

R_ВХ.СЛ — входное сопротивление следующего каскада.

Примечание: Все сопротивления цепей измерены в направлении стрелки при разрыве схемы вдоль пунктирных линий.

Независимо от схемы включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) или общим коллектором (ОК) назначение элементов усилительного каскада одинаково.

Рассмотрим назначения элементов стандартной обвязки транзистора включённого с общим эмиттером (ОЭ) в типовой схеме усилительного каскада (Рис.20).

Развязывающий фильтр по питанию R_ф С_ф.

При питании усилителя от выпрямителя фильтр по питанию R_фС_Ф обеспечивает сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения электрической сети Е_К.

Но более важную роль он выполняет в многокаскадном усилителе при развязке (устранение связей) каскадов, которые питаются от общей шины Е_К. Если внутреннее сопротивление источника питания R_i(Рис.21) отличное от нуля и составляет единицы или даже доли Омма, то переменные токи оконечных каскадов усилителя мощности достигающие единиц Ампер образуют на нём падения напряжения ΔU = I_ВЫХ R_i. Это значит, что напряжение питания предварительных каскадов и особенно чувствительного входного каскада U = E_K — ΔU не будет постоянным. Оно изменяется пропорционально сигналу за счёт паразитной обратной связи между каскадами.

Развязывающие фильтры по питаниюR_ф С_ф с большой постоянной времени в каждом каскаде устраняют паразитные связи между этими каскадами.

Рис.21 Схема образование паразитных связей между каскадами.

Сопротивление резистора R_Ф выбирается из расчёта допустимого снижения к.п.д. усилителя и лежит в пределах от долей Ома в оконечных каскадах до единиц кОм в маломощных каскадах, так чтобы ΔU = (0,1…0,2) E_K. Тогда ёмкость конденсатора С_Ф для звуковых частот может достигать десятки и сотни мкФ, а для её расчёта можно пользоваться приближённой формулой

Базовый делитель R_Б1 R_Б2.

Два резистора R_Б1 и R_Б2, включённых последовательно по постоянному току между шиной питания E_K и общим проводом, являются базовым делителем напряжения питания и образуют начальное базовое смещение U_0Б = U_Б – U_Э между базой и эмиттером транзистора V1. Это напряжение U_0б определяет режим работы транзистора: А, В или АВ.

Чем меньше сопротивления резисторов R_Б1 R_Б2 тем выше температурная стабильность каскада, но при этом недопустимо снижается входное сопротивление каскада по переменному току R_ВХ

(входное сопротивление транзистора) включены параллельно.

Поэтому типовыми значениями номиналов резисторов базового делителя для каскадов предварительного усиления являются: R_Б1 – десятки кОм, R_Б2 – единицы — десятки кОм.

Сопротивление коллекторной нагрузки R_К.

Резистор R_К образует путь протекания коллекторного тока покоя I_0К, который определяется выбранным режимом работы транзистора V1 (А, В или АВ).

В сильной степени сопротивление коллекторной нагрузки R_К влияет на усилительные свойства транзистора, так как от его номинала зависит угол наклона выходной динамической характеристики. Чем больше сопротивление резистора R_К (десятки кОм) тем больше коэффициент усиления каскада по напряжению К_U и, наоборот, чем меньше R_К (сотни Ом) – тем больше коэффициент усиления по току К_I.

Максимальное усиление мощности будет при соизмеримых значениях R_К и R_ВЫХ.V

(выходного сопротивления транзистора переменному току).

По переменному току сигнала сопротивление коллекторной нагрузки R_К включено параллельно R_ВЫХ.V

и может привести к недопустимому снижению выходного сопротивления каскада R_ВЫХ.

Резистор автосмещения R_Э.

Эмиттерный ток транзистора I_Э (как постоянный I_0Э так и переменный I_mЭ), протекая через резистор R_Э образует на нём падение напряжения U_Э. Это напряжение является напряжением обратной связи U_ОС, так как связано с входными параметрами транзистора выражением: U_0Б = U_Б – U_Э,

где U_Б – напряжение на базе V1, измеренное по отношению общего провода.

Как будет доказано в последующих темах, отрицательная обратная связь (ООС) противодействует изменению параметров усилительного каскада, обеспечивая стабилизацию его режима, в том числе и температурного.

Например, повышение температуры tºС вызывает увеличение эмиттерного тока I_0Э и U_Э, но при этом автоматически уменьшается начальное базовое смещение U_0Б = U_Б – U_Э, которое подзапирает транзистор и, как следствие, уменьшает эмиттерный ток, компенсируя его зависимость от температуры. Отсюда название R_Э – резистор автосмещения. Таким образом ООС по постоянному току благоприятно сказывается на стабильность режима работы усилительного каскада.

Но за счёт протекания тока сигнала I_mЭ через R_Э образуется ООС по переменному току, которая уменьшает, к сожалению, коэффициент усиления каскада. Включив параллельно резистору R_Э конденсатор большой ёмкости С_Э, можно уменьшить эквивалентное сопротивление эмиттерной цепи на несколько порядков для самых низких рабочих частот.

Конденсатор С_Э предназначен для устранения отрицательной обратной связи по переменному току, в результате чего можно избежать снижения коэффициента усиления.

Разделительные конденсаторы С_Р1С_Р2

Разделительные конденсаторы С_Р1 С_Р2– устраняют связь между каскадами по постоянному току. При их отсутствии режимы работы всех транзисторов гальванически (непосредственно) связанных между собой будут взаимозависимы. Причём, незначительное изменение режима первого транзистора за счёт усилительных свойств приведёт к недопустимому изменению режима последнего.

Ёмкость разделительных конденсаторов выбирается из расчёта, чтобы их реактивное сопротивления ХСр самым низким рабочим частотам FН было хотя бы на порядок меньше эквивалентного сопротивления последующих нагрузочных цепей RЭКВ. ХСр = 1 ⁄(2πFН СР) > 1).

Рис.24 Схема усилительного каскада с ОБ.

Свойство транзисторного усилительного каскада с ОБ противоположные свойствам каскада с ОК. Каскады с включением транзистора по схеме с ОБ в низкочастотных усилителях УНЧ (звуковых частот УЗЧ) практически не используются.

Усилитель колебаний ЗЧ — составная часть каждого современного радиоприемника, радиолы, телевизора или магнитофона. Усилитель является основой радиовещания по проводам, аппаратуры телеуправления, многих измерительных приборов, электронной автоматики и вычислительной техники, кибернетических устройств. Но в этой беседе я буду говорить о немногом: об элементах и работе транзисторных усилителей применительно к очень узкой области радиотехники — для усиления и преобразования электрических колебаний звуковой частоты в звук.

КАСКАДЫ УСИЛИТЕЛЯ

Усилительным каскадом принято называть транзистор с резисторами, конденсаторами и другими деталями, которые обеспечивают ему условия работы как усилителя. Усилитель, который ты делал к детекторному приемнику (см. рис. 92), был однокаскадным. Его транзистор может быть составным (см. рис. 95), но усилитель все равно останется однокаскадным. Но однокаскадный транзисторный усилитель не может обеспечить усиление сигнала звуковой частоты, достаточное для громкого звуковоспроизведения.

Для громкого воспроизведения колебаний звуковой частоты транзисторный усилитель должен быть минимум двух-трехкаскадным. В усилителях, содержащих несколько каскадов, различают каскады предварительного усиления и выходные, или оконечные, каскады. Выходным называют последний каскад усилителя, работающий на телефоны или динамическую головку громкоговорителя, а предварительными — все находящиеся перед ним каскады.

Задача одного или нескольких каскадов предварительного усиления заключается в том, чтобы увеличить напряжение звуковой частоты до значения, необходимого для работы транзистора выходного каскада. От транзистора выходного каскада требуется повышение мощности колебаний звуковой частоты до уровня, необходимого для работы динамической головки.

Для выходных каскадов наиболее простых транзисторных усилителей радиолюбители часто используют маломощные транзисторы, такие же, что и в каскадах предварительного усиления. Объясняется это желанием делать усилители более экономичными, что особенно важно для переносных конструкций с питанием от батарей. Выходная мощность таких усилителей небольшая — от нескольких десятков до 100-150 мВт, но и ее бывает достаточно для работы телефонов или маломощных динамических головок. Если же вопрос экономии энергии источников питания не имеет столь существенного значения, например при питании усилителей от электроосветительной сети, в выходных каскадах используют мощные транзисторы.

Каков принцип работы усилителя, состоящего из нескольких каскадов?

Схему простого транзисторного двухкаскадного усилителя ЗЧ ты видишь на рис. 173. Рассмотри ее внимательно. В первом каскаде усилителя работает транзистор V1, во втором — транзистор V2. Здесь первый каскад является каскадом предварительного усиления, второй — выходным. Между ними — разделительный конденсатор С2. Принцип работы любого из каскадов этого усилителя одинаков и аналогичен знакомому тебе принципу работы однокаскадного усилителя.

Рис. 173. Двухкаскадный усилитель на транзисторах

Разница только в деталях: нагрузкой транзистора V1 первого каскада служит резистор R2, а нагрузкой транзистора V2 выходного каскада — телефоны В1 (или, если выходной сигнал достаточно мощный, головка громкоговорителя). Смещение на базу транзистора первого каскада подается через резистор R1, а на базу транзистора второго каскада — через резистор R3. Оба каскада питаются от общего источника ииль которым может быть батарея гальванических элементов или выпрямитель. Режимы работы транзисторов устанавливают подбором резисторов R1 и R3, что обозначено на схеме звездочками.

Действие усилителя в целом заключается в следующем. Электрический сигнал, поданный через конденсатор С1 на вход первого каскада и усиленный транзистором V1, с нагрузочного резистора R2 через разделительный конденсатор С2 поступает на вход второго каскада. Здесь он усиливается транзистором V2 и телефонами В1, включенными в коллекторную цепь транзистора, преобразуется в звук.

Какова роль конденсатора С1 на входе усилителя? Он выполняет две задачи: свободно пропускает к транзистору переменное напряжение сигнала и предупреждает замыкание базы на эмиттер через источник сигнала. Представь себе, что этого конденсатора во входной цепи нет, а источником усиливаемого сигнала служит электродинамический микрофон с малым внутренним сопротивлением. Что получится? Через малое сопротивление микрофона база транзистора окажется соединенной с эмиттером. Транзистор закроется, так как будет работать без начального напряжения смещения. Он будет открываться только при отрицательных полупериодах напряжения сигнала. А положительные полупериоды, еще больше закрывающие транзистор, будут им «срезаны». В результате транзистор станет искажать усиливаемый сигнал.

Конденсатор С2 связывает каскады усилителя по переменному току. Он должен хорошо пропускать переменную составляющую усиливаемого сигнала и задерживать постоянную составляющую коллекторной цепи транзистора первого каскада. Если вместе с переменной составляющей конденсатор — будет проводить и постоянный ток, режим работы транзистора выходного каскада нарушится и звук станет искаженным или совсем пропадет.

Конденсаторы, выполняющие такие функции, называют конденсаторами связи, переходными или разделительными.

Входные и переходные конденсаторы должны хорошо пропускать всю полосу частот усиливаемого сигнала — от самых низких до самых высоких. Этому требованию отвечают конденсаторы емкостью не менее 5 мкФ. Использование в транзисторных усилителях конденсаторов связи больших емкостей объясняется относительно малыми входными сопротивлениями транзисторов. Конденсатор связи оказывает переменному току емкостное сопротивление, которое будет тем меньшим, чем больше его емкость. И если оно окажется больше входного сопротивления транзистора, на нем будет падать часть напряжения переменного тока, большая, чем на входном сопротивлении транзистора, отчего будет проигрыш в усилении. Емкостное сопротивление конденсатора связи должно быть по крайней мере в 3-5 раз меньше входного сопротивления транзистора. Поэтому-то на входе, а также для связи между транзисторными каскадами ставят конденсаторы больших емкостей. Здесь используют обычно малогабаритные электролитические конденсаторы с обязательным соблюдением полярности их включения.

Таковы наиболее характерные особенности элементов двухкаскадного транзисторного усилителя ЗЧ.

Для закрепления в памяти принципа работы транзисторного двухкаскадного усилителя ЗЧ предлагаю смонтировать, наладить и проверить в действии несколько его вариантов.

Создание связи по переменному току необходимо, чтобы запретить протекание постоянного тока между определенными точками схемы и обес­печить при этом свободное прохождение переменного тока. Электрон­ные компоненты, обеспечивающие связь по переменному току, например конденсаторы или трансформаторы, обычно устанавливаются на входе и выходе усилителя. Таким образом, заданный режим покоя (статический режим) транзистора не влияет на статические режимы предыдущего и последующего каскадов.

В схеме, приведенной на рис. 23.1. конденсатор связывает точки А и В по переменному току, aR – нагрузочный резистор. Для постоянного тока конденсатор действует как разрыв цепи, полностью блокируя протекание постоянного тока между точками А и В. По этой причине конденсатор связи называют блокировочным или разделительным конденсатором.

Удовлетворительное качество связи по переменному току достигается только в том случае, когда реактивное сопротивление Х_с конденсатора на рабочей частоте много меньше сопротивления нагрузочного резистора R. Тогда на этом конденсаторе падает (и теряется) очень малая часть напряжения входного сигнала. Например, если V_вх = 100 мВ, то связь по переменному току можно считать удовлетворительной, когда выходное напряжение V_вых = 95 мВ и на разделительном конденсаторе падает 5 мВ (5%). Требуемую емкость разделительного конденсатора определяют два фактора.

1. Сопротивление загрузочного резистора R. Считая, что удовлетвори­тельная связь но переменному току достигается, когда Х с = R /20, для R = 1 кОм получаем Х с = 50 Ом.

Рис. 23.1. Установка разделительного Рис. 23.2. Влияние развязывающего конденсатора. конденсатора.

Указаны потен­циалы точки А без развязывающего конденсатора (а) и с развязывающим конденсатором (б).

Предположим, что рабочая частота f = 300 Гц. Поскольку Х_c = 1/2πfC₁, то

Если сопротивление нагрузочного резистора увеличить до 100 кОм, то Х_c= R/20 = 1/20·100 = 5 кОм

Таким образом, если сопротивление нагрузочного резистора увеличить в 100 раз (с 1 кОм до 100 кОм), то емкость разделительного конденсатора можно уменьшить в той же пропорции (с 10 мкФ до 0,1 мкФ).

Вообще, чем больше сопротивление нагрузочного резистора, тем мень­ше требуемая емкость разделительного конденсатора.

2. Рабочая частота. Возьмем в качестве исходного вышеприведенный пример, где удовлетворительная связь по переменному току достига­лась при С = 10 мкФ и R = 1 кОм для f = 300 Гц.

Если теперь рабочую частоту увеличить до 300 кГц, то с учетом усло­вия Хс = R/20 = 50Ом получаем

Таким образом, если рабочую частоту увеличить в 1000 раз (с 300 Гц до 300 кГц), то емкость разделительного конденсатора можно уменьшить в 1000 раз (с 10 мкФ до 0,01 мкФ).

Вообще, при заданном сопротивлении нагрузочного резистора для низ­ких рабочих частот необходимо использовать разделительные конденсаторы большой емкости, и наоборот.

Когда речь идет о рабочем диапазоне частот, емкость разделительно­го конденсатора определяется наименьшей частотой из этого диапазона. Обращаясь к рассмотренным выше примерам, мы видим, что конденсатор) емкостью 10 мкФ в соответствии с расчетами обеспечивает адекватную связь по неременному току при частоте 300 Гц и тем более при частоте 300 кГц. С другой стороны, конденсатор емкостью 0,1 мкФ обеспечива­ет адекватную связь при частоте 300 кГц, но непригоден для реализации связи по переменному току при частоте 300 Гц.

Развязка

На рис. 23.2(6) показан конденсатор С. обеспечивающий развязку рези­стора R. В отсутствие конденсатора (рис- 23.2(^.1) в точке А постоянный потенциал равен 10 В, а переменный потенциал сигнала — 10 мВ. Кон­денсатор, представляющий собой разрыв цени для постоянного тока, не оказывает никакого влияния на постоянный потенциал точки А, Одна­ко если емкость этого конденсатора такова, что па рабочей частоте его реактивное сопротивление существенно меньше сопротивления резистора R, то конденсатор будет эффективно осуществлять короткое замыкание сигнала переменного тока на землю. Таким образом, потенциал точки А по переменному току будет равен нулю. ёмкость конденсатора С, обес­печивающая удовлетворительную развязку, определяется сопротивлени­ем резистора R и рабочей частотой — но тем же самым формулам, ко­торые использовались для расчета емкости разделительного конденса­тора.

Усилитель с ДС-связью

На рис. 23.3 приведена схема усилителя с ДС-связыо, где С> — входной разделительный конденсатор. Емкость этого конденсатора должна быть сравнительно велика в силу низкого входного сопротивления транзистора в схеме с ОЭ (это сопротивление становится еще меньше за счет шунтиро-вания входа, усилителя резистором R^>. Конденсатор С-^ связывает выход усилителя с нагрузкой или следующим каскадом, его емкость сравнима с емкостью конденсатора Ci. Типичные значения емкостей разделитель-ьшх конденсаторов следующие:

10-50 мкФ. 0.01-0,1 мкФ.

для звуковых частот:

Рис. 23.3. Усилитель с RC-связью с

развязывающим конденсатором С₃ в цепи эмиттера. Рис. 23.4. Инвертирование (измене­ние на 180°) фазы сигнала в усили­теле с ОЭ.

Развязывающий конденсатор

Отрицательная обратная связь через резистор R₄ в усилителе на рис. 23.3, с одной стороны, обеспечивает необходимую стабильность усилителя по постоянному току, а с другой стороны, снижает его коэффициент усиле­ния до очень малой величины (2-3). Снижение коэффициента усиления связано с действием отрицательной обратной связи по переменному току, обусловленной падением напряжения сигнала на резисторе R₄. Для устранения этой отрицательной обратной связи по переменному току и одновременного сохранения стабильности по постоянному току применя­ется эмиттерный развязывающий конденсатор С₃.

Типичные значения емкости эмиттерного развязывающего конденса­тора того же порядка, что и для разделительного конденсатора.

Усиление

Схема, приведенная на рис. 23.3, является законченной схемой однокас­кадного усилителя с ОЭ. При подаче сигнала (например, синусоидальной формы) на вход усилителя этот сигнал передается через конденсатор С₁ на базу транзистора. В начале положительного полупериода входного сигнала потенциал базы возрастает относительно потенциала эмиттера, напряжение V_BEувеличивается, ток эмиттера I_e, а с ним и ток коллек­тора I_c, возрастают, в результате уменьшается напряжение на коллекторе V_c. Это означает, что положительному полу периоду входного сигнала со­ответствует отрицательный полупериод выходного сигнала. С другой сто­роны, отрицательному полупериоду входного сигнала соответствует поло­жительный полупериод изменения коллекторного напряжения. Таким образом, сигналы на входе и выходе усилителя противофазны, как по­казано на рис. 23.4. Усиление сигнала происходит в силу того, что очень малый размах напряжения V_BEприводит к большому размаху тока транзистора, который, проходя через резисторR₃, вызывает большой размах коллекторного напряжения.

Линия нагрузки

Выходные характеристики транзистора дают общее представление о рабо­те транзистора. Для того чтобы получить представление о работе транзи­стора в конкретной схеме, нужно начертить линию нагрузки. На рис. 23.5 изображены семейство выходных характеристик транзистора, работаю­щего в схеме усилителя на рис. 23.3, и линия нагрузки XY.

Прежде чем проводить линию нагрузки, нужно сначала зафиксиро­вать две точки, попадающие на эту линию. Лучше всего использовать точку Х на оси х, где ток I_c = 0, и точку Y на оси у, где V_c = 0. Через эти две точки проводится прямая линия — линия нагрузки. Предполагается, что V_c = V_CE .

Точка X. В этой точке ток транзистора I_c = 0. Транзистор находится в состоянии отсечки. Следовательно, напряжение на коллекторе V_c = V_CC.

Рис. 23.5. Линия нагрузки.

Для величин, указанных на рис. 23.3, положение точек Х и Y будет определяться следующими параметрами:

Таким образом, XY — это линия нагрузки для нагрузочного резистора сопротивлением R₃ = 3,3 кОм.

При использовании нагрузочного резистора меньшего номинала (2,2 кОм) получаем линию нагрузки ХY_a. Положение точки Х не изменяется по сравнению с предыдущим случаем, поскольку напряжение V_СС остается тем же самым — 10 В. Для точки Y_b получаем I_c = V_CC / R₃ = 10 В/2,2кОм = 4,55мА.

Нагрузочному резистору более высокого номинала, например 4,9 кОм, соответствует линия нагрузки ХY_b с точкой Y_b при I_c = 10 В/4, 9 кОм ≈ 2 мА.

Графический анализ

Процесс усиления сигнала осуществляется вдоль линии нагрузки и может быть представлен графически, как показано на рис. 23.6. Точка Q есть статическая рабочая точка, представляющая режим работы усилителя по постоянному току, т. е. в отсутствие сигнала. Рабочая точка задает смещение транзистора в статическом режиме. В рассматриваемом случае смещение определяется следующими величинами:

Рис. 23.6. Графическое представление работы усилителя.

Рис. 23.7. Перегрузка усилителя, приводящая к ограничению выходного сиг­нала.

При подаче сигнала базовый ток изменяется по синусоиде с амплитудой 20 мкА (от 0 до 40 мкА). Это приводит к изменению коллекторного тока I _c с размахом 2,8 мА и изменению коллекторного напряжения с размахом около 9 В.

С одной стороны размах входного сигнала ограничен линией I _b = 0, соответствующей отсечке транзистора (точка М на линии нагрузки), а с другой стороны – линией I _b = 40 мкА, соответствующей насыщению транзистора (точка N на линии нагрузки). Для рассматриваемого уси­лителя рабочая точка Q выбирается в середине линии нагрузки. В этом случае при подаче сигнала с амплитудой 20 мкА на базу транзистора базовый ток изменяется в пределах от 0 до 40 мкА, обеспечивая максимальную величину неискаженного выходного сигнала.

Рис. 23.8. Графическое представление работы усилителя с использованием пе­редаточной характеристики.

Любая попыт­ка превышения этой величины входного сигнала приводит к искажению формы выходного сигнала. Это хорошо видно на рис. 23.7, где иллюстри­руется случай перегрузки усилителя с результирующим ограничением синусоидального сигнала. Входной и выходной сигналы могут быть так­же представлены графически с помощью передаточной характеристики транзистора (рис. 23.8). Рабочий диапазон усилителя ограничен линей­ным участком характеристики передачи, выход за границы этого участка приводит к искажениям.