Усилительный каскад на транзисторе

Продолжаем знакомиться с работой биполярного транзистора. Принципы работы самого транзистора мы уже разбирали в этой статье, теперь посмотрим, как усилительные свойства транзистора применяются на практике.

Давайте сразу договоримся, что усиливать мы будем переменный сигнал. Хотя транзисторы прекрасно могут усиливать и постоянный сигнал (например, в устройствах с бинарной логикой), эти схемы строятся немного по-другому и заслуживают отдельной статьи.

А пока, не долго думая, подключим источник переменного сигнала к базе. В качестве нагрузки пока что возьмём обыкновенный резистор R_н (хотя это может быть и громкоговоритель или дроссель или другое устройство), и посмотрим, что получилось:

Хм, первый опыт был неудачным: наш усилитель срезал половину сигнала. Ведь что мы хотим от усилителя: чтобы увеличилась амплитуда сигнала, но форма его осталась неизменной. А если усилитель будет так чудовищно искажать сигнал, то, например, вместо музыкального произведения мы услышим из радиоприемника только невнятные хрипы и свисты.

Почему так вышло? В этом нет ничего удивительного, если вспомнить, что эмиттерный переход, по сути, представляет собой диод, который пропускает ток только в одном направлении. Нижний полупериод сигнала является для этого диода запирающим, и закрывает весь транзистор.

Ток смещения

Чтобы решить эту проблему, на базу транзистора добавляют постоянную составляющую, так называемое смещение. Складываясь с входным сигналом, оно «поднимает» его полностью в положительную область, так что через эмиттерный переход всегда течет ток, а транзистор всегда открыт.

На рисунке приведены два основных способа установить постоянное смещение: схема с фиксированным током базы и схема с фиксированным напряжением базы. Вот теперь сигнал усиливается без искажений:

Схема с фиксированным напряжением базы, хоть и содержит на один резистор больше, является более стабильной, а режим её работы меньше зависит от индивидуальных характеристик транзистора и окружающих условий.

Разделительный конденсатор

Как вы заметили, в схеме добавился также разделительный конденсатор C_р. Он выполняет сразу несколько функций:

• Во-первых, он не пускает постоянную составляющую от предыдущего каскада, чтобы она не вмешивалась в режим работы нашего транзистора по постоянному току.
• Во-вторых, если у источника сигнала маленькое внутреннее сопротивление, он, по сути, закоротит собой базу и эмиттер. Что, опять же, приведёт к искажению режима работы транзистора или даже его полному закрытию.
• В-третьих, без конденсатора наше постоянное напряжение смещения приложено не только к базе, но и попадает на предыдущей каскад, что, чаще всего, совершенно ему (каскаду) не нужно и даже вредно.

Поэтому на входе и на выходе каскада ставят разделительные кондесаторы, которые прекрасно пропускают полезный (переменный) сигнал, но развязывают каскады по постоянной составляющей.

Стабилизация по постоянному току

Раз уж заговорили о стабилизации режима работы, рассмотрим ещё пару технических приёмов.

Собственно, основная причина нестабильности подобных усилительных каскадов кроется в неуправляемом коллекторном токе. Дело в том, что, помимо основных носителей заряда в полупроводниках всегда присутствует небольшое количество собственных носителей. Так, в зоне с электронной n-проводимостью есть небольшое количество дырок, и наоборот, в p-зоне c дырочной проводимостью найдётся небольшое количество свободных электронов. Эти неосновные заряды и создают неуправляемый коллекторный ток, который присутствует даже при запирающем напряжении на базе.

Неприятная особенность этого тока состоит в том, что он сильно зависит от температуры. По мере нагрева транзистора количество свободных зарядов растёт примерно в два раза на каждые 10 градусов. Во столько же раз увеличивается неуправляемый коллекторный ток.

Этот ток проходит и через эмиттерный переход транзистора, причём приложен он в «открывающей» полярности. В некоторых условиях это может привести к лавинообразному процессу: неуправляемый коллекторный ток открывает транзистор, что приводит к ещё большему увеличению тока и нагреву транзистора, что ещё больше увеличивает неуправляемый ток и так далее. Так что в конце концов транзистор выходит из строя от перегрева.

Справедливости ради нужно отметить, что могут быть и другие внешние факторы, нарушающие работу усилительного каскада. Например, изменилось напряжение питания. Или, взяли транзистор с другим коэффициентом усиления. Технология производства транзисторов не позволяет точно задать все параметры прибора, часто они находятся в некотором диапазоне значений даже в рамках одной модели. Например, для транзистора С1815 в справочнике приводится коэффициент усиления по току h_fe: от 70 до 700, то есть может отличаться в 10 раз! Разумеется, транзистор с коэффициентом 70 и транзистор с коэффициентом 700 совершенно по-разному поведут себя в одной и той же схеме.

Как же добиться предсказуемой и стабильной работы каскада? Для этого используются два основных схемотехнических приёма: коллекторная стабилизация и эмиттерная стабилизация.

В первом случае смещение на базу подаётся не от источника питания, а от коллектора. Когда транзистор открывается сильнее, напряжение на нагрузке увеличивается, а на коллекторе падает. Поэтому падает и смещение на базе и транзистор немного прикрывается.

Во втором случае резистор ставят в эмиттерную цепь. Принцип действия тот же самый: весь коллекторный ток проходит через R_э. При увеличении тока растёт и напряжение на R_э. По сути, увеличивается потенциал на эмиттере, что эквивалентно уменьшению открывающего напряжения: разница потенциалов между базой и эмиттером уменьшается. Параллельно R_э ставят конденсатор C_э, который беспрепятственно пропускает переменную составляющую сигнала, которой совершенно ни к чему проходить через R_э.

В общем, обе эти схемы вносят в наш усилительный каскад отрицательную обратную связь (ООС) по постоянному току. Благодаря ей часть выходного сигнала (в данном случае, постоянной составляющей) попадает во входную цепь, причём в противофазе, то есть вычитается из входного сигнала. Конечно, это несколько снижает усилительные способности каскада, но зато делает его режим работы более стабильным.

Ну а если сравнивать эти два метода стабилизации между собой, то эмиттерная стабилизация считается более эффективной, так как обеспечивает более глубокую ООС. Дело в том, что в схеме коллекторной стабилизации отрицательное напряжение, которое передаётся по обратной связи, снимается с делителя, образованного R_к и переходом база-эмиттер транзистора. Следовательно, на базу попадает только часть того напряжения, которое создано коллекторным током. А в схеме с эмиттерной стабилизацией резистор только один, R_э, и всё падение напряжения, которое на нём есть, приложено к эмиттерному переходу.

В следующей статье мы рассмотрим вольт-амперные характеристики биполярного транзистора и выбор рабочей точки.