Усилительный каскад на транзисторах

При расчете усилительных каскадов на полупроводниковых элементах нужно знать много теории. Но если требуется сделать простейший УНЧ, то достаточно подобрать транзисторы по току и коэффициенту усиления. Это основное, нужно еще определиться с тем, в каком режиме должен работать усилитель. Это зависит от того, где планируется его использовать. Ведь усиливать можно не только звук, но и ток – импульс для управления каким-либо устройством.

Виды усилителей

Когда реализуются конструкции усилительных каскадов на транзисторах, нужно решить несколько важных вопросов. Сразу определитесь с тем, в каком из режимов будет работать устройство:

1. А – линейный усилитель, на выходе присутствует ток в любой момент времени работы.
2. В – ток проходит только в течение первого полупериода.
3. С – при высоком КПД нелинейные искажения становятся сильнее.
4. D и F – режимы работы усилителей в режиме «ключа» (переключателя).

Распространенные схемы транзисторных усилительных каскадов:

1. С фиксированным током в цепи базы.
2. С фиксацией напряжения в базе.
3. Стабилизация коллекторной цепи.
4. Стабилизация эмиттерной цепи.
5. УНЧ дифференциального типа.
6. Двухтактные усилители НЧ.

Чтобы понять принцип работы всех этих схем, нужно хотя бы вкратце рассмотреть их особенности.

Фиксация тока в цепи базы

Это самая простая схема усилительного каскада, которая может использоваться в практике. За счет этого ее широко используют начинающие радиолюбители – повторить конструкцию не составит труда. Цепи базы и коллектора транзистора запитаны от одного источника, что является преимуществом конструкции.

Но у нее имеются и недостатки – это сильная зависимость нелинейных и линейных параметров УНЧ от:

1. Питающего напряжения.
2. Степени разброса параметров полупроводникового элемента.
3. Температуры – при расчете усилительного каскада обязательно нужно учитывать этот параметр.

Недостатков довольно много, они не позволяют применять такие устройства в современной технике.

Стабилизация напряжения базы

В режиме А могут работать усилительные каскады на биполярных транзисторах. А вот если осуществить фиксацию напряжения на базе, то можно использовать даже полевики. Только это будет фиксация напряжения не базы, а затвора (названия выводов у таких транзисторов другие). В схему вместо биполярного элемента устанавливается полевой, ничего переделывать не придется. Нужно только подобрать сопротивления резисторов.

Стабильностью такие каскады не отличаются, основные его параметры при работе нарушаются, причем очень сильно. Ввиду крайне плохих параметров такая схема не используется, вместо нее лучше на практике применить конструкции со стабилизацией цепей коллектора или эмиттера.

Стабилизация коллекторной цепи

При использовании схем усилительных каскадов на биполярных транзисторах со стабилизацией коллекторной цепи получается сохранить на его выходе около половины от значения напряжения питания. Причем происходит это в относительно большом диапазоне питающих напряжений. Делается это за счет того, что имеется отрицательная обратная связь.

Такие каскады получили широкое распространение в усилителях высоких частот – УРЧ, УПЧ, буферных устройствах, синтезаторах. Такие схемы применяются в гетеродинных радиоприемниках, передатчиках (включая мобильные телефоны). Сфера применения таких схем очень большая. Конечно, в мобильных схема реализуется не на транзисторе, а на составном элементе – один маленький кристалл кремния заменяет огромную схему.

Эмиттерная стабилизация

Эти схемы можно часто встретить, так как у них имеются явные преимущества – высокая стабильность характеристик (если сравнивать со всеми теми, о которых было рассказано выше). Причина – очень большая глубина обратной связи по току (постоянному).

Усилительные каскады на биполярных транзисторах, выполненные со стабилизацией эмиттерной цепи, используются в радиоприемниках, передатчиках, микросхемах для повышения параметров устройств.

Дифференциальные усилительные устройства

Дифференциальный усилительный каскад используется довольно часто, у таких устройств очень высокая степень устойчивости к помехам. Для питания таких устройств можно применять низковольтные источники – это позволяет уменьшить габариты. Дифусилитель получается, если соединить эмиттеры двух полупроводниковых элементов на одном сопротивлении. «Классическая» схема дифференциального усилителя представлена на рисунке ниже.

Такие каскады очень часто применяются в интегральных микросхемах, операционных усилителях, УПЧ, приемниках ЧМ-сигналов, радиотрактах мобильных телефонов, смесителях частот.

Двухтактные усилители

Двухтактные усилители могут работать в практически любом режиме, но чаще всего используется В. Причина – эти каскады устанавливаются исключительно на выходах устройств, а там нужно повышать экономичность, чтобы обеспечить высокий уровень КПД. Реализовать схему двухтактного усилителя можно как на полупроводниковых транзисторах с одинаковым типом проводимости, так и с разным. «Классическая» схема двухтактного усилителя на транзисторах представлена на рисунке ниже.

Независимо от того, в каком режиме работы усилительный каскад находится, получается существенно уменьшить количество четных гармоник во входном сигнале. Именно это является главной причиной широкого распространения такой схемы. Двухтактные усилители часто используются в КМОП-элементах и прочих цифровых элементах.

Схема с общей базой

Такая схема включения транзистора встречается относительно часто, она является четырехполюсником – два входа и столько же выходов. Причем один вход является одновременно и выходом, соединяется с выводом «база» транзистора. К ней подключается один вывод от источника сигнала и нагрузка (например, динамик).

Чтобы запитать каскад с общей базой, можно применить:

1. Схему фиксации тока базы.
2. Стабилизацию напряжения базы.
3. Коллекторную стабилизацию.
4. Эмиттерную стабилизацию.

Особенность схем с общей базой – очень низкое значение входного сопротивления. Оно равно сопротивлению эмиттерного перехода полупроводникового элемента.

Схема с общим коллектором

Конструкции такого типа тоже используются довольно часто, это четырехполюсник, у которого два входа и столько же выводов. Очень много сходств со схемой усилительного каскада с общей базой. Только в этом случае коллектор является общей точкой подключения источника сигнала и нагрузки. Среди преимуществ такой схемы можно выделить ее высокое сопротивление по входу. Благодаря этому она часто применяется в усилителях низких частот.

Для того чтобы запитать транзистор, необходимо использовать стабилизацию по току. Для этого идеально подходит эмиттерная и коллекторная стабилизация. Нужно учесть, что такая схема не может инвертировать входящий сигнал, не усиливает напряжение, именно по этой причине ее называют «эмиттерным повторителем». Такие схемы имеют очень большую стабильность параметров, глубина ОС по постоянному току (обратной связи) почти 100%.

Общий эмиттер

Усилительные каскады с общим эмиттером имеют очень большой коэффициент усиления. Именно с использованием таких схемных решений строятся высокочастотные усилители, используемые в современной технике – системах GSM, GPS, в беспроводных сетях Wi-Fi. У четырехполюсника (каскада) имеется два входа и столько же выходов. Причем эмиттер соединен одновременно с одним выводом нагрузки и источника сигнала. Для питания каскадов с общим эмиттером желательно использовать двухполярные источники. Но если это сделать невозможно, допускается использование однополярных источников, только добиться высокой мощности вряд ли получится.