Как работает усилительный каскад на транзисторе: Полное руководство для начинающих

Усилительный каскад на транзисторе: Для начинающих

Если вы делаете первые шаги в радиоэлектронике, то термин «усилительный каскад» встретится вам буквально везде — от простых микрофонных усилителей до сложной аудиоаппаратуры, измерительных приборов и радиоприемников.

В этой статье мы подробно и «на пальцах» разберем, как устроен простейший усилительный каскад на биполярном транзисторе, зачем нужен каждый резистор и конденсатор в схеме и как именно слабый сигнал превращается в мощный.

Загляните на мой Телеграмм КАНАЛ Азбука РадиоСхем

Простейшие схемы усилительных каскадов на транзисторах

На рисунках 1 и 2 показаны простейшие схемы резистивных усилительных каскадов на транзисторах, включенных по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Схема с общим эмиттером позволяет одновременно усиливать как ток, так и напряжение сигнала.

• Рис. 1. Простейшая схема резистивного усилительного каскада на транзисторе с общим эмиттером (ОЭ).

• Рис. 2. Схема резистивного усилительного каскада на транзисторе с общим эмиттером (ОЭ) с делителем в цепи базы.

Способы подачи напряжения смещения

Существует два основных способа подачи напряжения смещения на базу транзистора в схеме с ОЭ:

1. Смещение фиксированным током базы (Рис. 1) Напряжение на базу подается через один резистор Rб. При этом напряжение на базе зависит от делителя, состоящего из Rб и внутреннего сопротивления перехода база-эмиттер самого транзистора. Чтобы получить нужное напряжение смещения, Rб обычно выбирают с большим сопротивлением.
2. Смещение фиксированным напряжением база-эмиттер (Рис. 2) Напряжение базового смещения создается внешним делителем из резисторов Rб1 и Rб2. В такой схеме сопротивление базовых резисторов может быть значительно меньше.

Простая и надежная электронная нагрузка своими руками: Подробное руководство для начинающих

Сравнение схем: достоинства и недостатки

• Термостабильность и повторяемость: В схеме на Рис. 2 изменение сопротивления эмиттер-база под действием температуры в меньшей степени влияет на напряжение на базе транзистора. Такой каскад значительно более термостабилен. Кроме того, рабочая точка меньше смещается из-за старения кристалла или при замене транзистора на другой экземпляр.
• Входное сопротивление: Недостаток схемы на Рис. 2 состоит в том, что входное сопротивление каскада оказывается ниже, чем в схеме на Рис. 1. Однако это имеет значение только тогда, когда от каскада требуется высокое входное сопротивление.

Большой НАБОР Транзисторов

Необходимость стабилизации рабочей точки

Даже однотипные транзисторы могут существенно отличаться своими статическими параметрами, а их характеристики сильно зависят от температуры. Поэтому в усилительном каскаде необходима стабилизация режима работы. Проще всего сделать это введением отрицательной обратной связи (ООС) по постоянному току, которая автоматически противодействует дестабилизирующим факторам.

Коллекторная стабилизация режима работы транзистора

На рисунке 3 показана схема коллекторной стабилизации режима работы транзистора.

Каскад очень похож на простейшую схему с ОЭ (рис. 1), но базовый резистор Rб подключен не к положительному полюсу источника питания (+Uп), а непосредственно к коллектору транзистора.

• Принцип работы: Напряжение смещения на базе начинает напрямую зависеть от напряжения на коллекторе.
• Механизм ООС: Если под действием температуры или других факторов напряжение на коллекторе меняется, то пропорционально меняется и напряжение на базе. Это приводит к изменению тока коллектора в противоположную сторону, и исходная рабочая точка каскада автоматически восстанавливается.

Рис. 3. Схема коллекторной стабилизации режима работы транзистора.

Эмиттерная стабилизация режима работы транзистора

Более высокой стабильности рабочей точки можно добиться, применив эмиттерную стабилизацию (рис. 4).

В этой схеме термостабильность повышается при увеличении сопротивления эмиттерного резистора Rэ и уменьшении сопротивлений базового делителя Rб1 и Rб2. Однако при выборе номиналов важно соблюдать баланс:

• Ограничение по Rэ: Слишком большим сопротивление Rэ делать нельзя, иначе падение напряжения на нем будет чрезмерным, а напряжение между коллектором и эмиттером (Uкэ) окажется слишком малым для нормальной работы.
• Ограничение по Rб1 и Rб2: Чрезмерное уменьшение сопротивлений базового делителя приводит к росту тока потребления от источника питания и, что наиболее критично, к существенному падению входного сопротивления каскада.

⚡ Детектор скрытой проводки на трех транзисторах: собираем за 15 минут

Назначение шунтирующего конденсатора Сэ

Чтобы отрицательная обратная связь по постоянному току не снижала усиление каскада по переменному сигналу, параллельно резистору Rэ подключается конденсатор Сэ:

1. Конденсатор не пропускает постоянный ток, поэтому режим по постоянному току задается исключительно резистором Rэ.
2. Переменный сигнал беспрепятственно проходит через реактивное сопротивление конденсатора Сэ в обход резистора.
3. В результате результирующее сопротивление в цепи эмиттера для переменного тока оказывается близким к нулю, и ООС по переменному току практически отсутствует.

Рис. 4. Эмиттерная стабилизация режима работы транзистора.

Каскад с общим коллектором (Эмиттерный повторитель)

Схема каскада с общим коллектором (рис. 5) обеспечивает усиление входного сигнала только по току.

Такие каскады называют эмиттерными повторителями, так как по напряжению они сигнал не усиливают, а повторяют: если на входе сигнал 0,5 В, то и на выходе будет примерно 0,5 В. Однако выходной ток при этом возрастает в разы, что позволяет работать на низкоомную нагрузку.

Ключевые особенности каскада с ОК:

• Высокое входное сопротивление: Применяется в каскадах согласования, когда источник сигнала не рассчитан на большую ток-нагрузку.
• Точка съема сигнала: В отличие от схемы с ОЭ, выходной сигнал снимается не с коллектора, а с эмиттера.
• Фаза сигнала: * В схеме с ОЭ выходной сигнал инвертируется (выходная синусоида находится в противофазе со входной).
  • В схеме с ОК сигнал не инвертируется (входная и выходная синусоиды синфазны).

Рис. 5. Схема каскада с общим коллектором (эмиттерный повторитель).

Главная идея: Что такое усилительный каскад?

Слово «каскад» в электронике означает один законченный функциональный блок. А «усилительный каскад» — это минимальная схема на одном транзисторе (и его обвязке), которая берет на входе слабый электрический сигнал (например, от микрофона или датчика) и выдает на выходе его точную копию, но увеличенную по напряжению или току.

💡 Важный миф: Транзистор сам по себе не создаёт энергию из воздуха. Он работает как «электронный кран» (или вентиль): с помощью маленького входящего тока он управляет большим током, поступающим от источника питания.