Усилитель

Когда-то давным-давно, когда компьютеры были большими, основным занятием большинства радиолюбителей нашей страны было изготовление Усилителей Низкой Частоты. Сделать усилок – это было круто. Сейчас, когда на любом углу продаются необходимые детали, в том числе и микросхемы, заменяющие целые устройства, изготовление усилителя не представляет никакого труда, а тогда это было целое искусство. Разрабатывались, обсуждались схемы, с невероятными усилиями доставались детали, точились радиаторы… И у меня дома периодически появлялись усилители – один другого оригинальнее – был даже с испарительным водяным охлаждением.
Я решил написать этот экскурс в усилительную технику (низких частот) с целью показать, что усилитель низкой частоты – это устройство, ничуть не более сложное, чем микроконтроллер и что при понимании процессов, происходящих в нем, разработать, собрать и настроить его сможет любой из нас.
Главное — знать и уметь применять основные законы электротехники.
Итак, начнем.


На этом рисунке изображен простейший усилительный каскад на транзисторе (без переходных и развязывающих конденсаторов). Я не буду подробно описывать его работу, скажу лишь, что при подаче сигнала на его вход, на выходе появляется усиленный сигнал, перевернутый на 180 градусов, то есть, если напряжение на входе увеличивается, то на выходе оно синхронно уменьшается. Усилитель с таким свойством называется инвертирующим, в отличие от неинвертирующего – не переворачивающего сигнал.

Для расчета номиналов элементов такого усилителя надо учесть несколько правил:
1. При нормальной работе транзистора напряжение между базой и эмиттером равно 0,65 вольт. В принципе, в зависимости от режима работы транзистора, эта величина может немого меняться в пределах 0,6…0,7 вольт, но при расчетах на это можно не обращать внимания.
2. Для нормальной работы усилителя желательно, чтобы напряжение между коллектором и эмиттером транзистора было бы примерно равно половине напряжения питания Еп.
3. Ток коллектора транзистора следует выбирать в пределах от 100 микроампер до 100 миллиампер. Меньший ток – для входных малошумящих каскадов, больший, для предвыходных и входных. При этом для маломощных каскадов можно использовать транзисторы КТ3102 (на ток от 0,1 до 5 мА), КТ 503 (на ток от 1 до 20 мА), КТ815 или КТ817 (на ток от 10 до 100 мА) или аналогичные (их неимоверное количество разных типов).
4. Ток базы транзистора почти 0. На самом деле ток базы не равен 0, но для расчета им можно пренебречь.
5. Коэффициент усиления такого каскада равен соотношению между сопротивлениями резисторов R3 и R4. то есть Ky = R3 / R4. Тоже не совсем точно, но этим вполне можно пользоваться.
6. Резисторы в цепи базы нужно выбирать раз в 10 большего сопротивления, чем резисторы в цепи коллектора.

Для примера просчитаем каскад с усилением 5 раз и питанием 12 вольт.
Выберем ток коллектора транзистора равным 1 миллиамперу (я так хочу).
Напряжение между коллектором и эмиттером транзистора должно быть 6 вольт, соответственно на резисторах R3 и R4 напряжение тоже будет 6 вольт и их суммарное сопротивление будет 6 КОм (по закону Ома).
Из стандартных значений выбираем R3 = 5,1 Ком, R4 = 1 Ком.
Напряжение на R4 составит 1 Вольт (опять закон Ома). При этом на базе транзистора (и на R2) должно быть 1 + 0,65 = 1,65 вольт, на R1 12 – 1,65 = 10,35 Вольт.
Выберем R1 = 47 Ком (я так хачу). Ток через резистор составит 10,35 / 47 Ком = 0,22 миллиампер. При этом сопротивление резистора R2 = 1.65 / 0.22 = 7.5 Ком.
Все.
R1 = 47 Ком
R2 = 7,5 Ком
R3 = 5,1 Ком
R4 = 1 Ком
Ik = 1 мА
Ky = 5.
VT1 – любой (КТ301, КТ302, КТ306, КТ 209, КТ315, КТ339, КТ3102, ВС337, BC338, BC347… желающие могут продолжить).

Пока все. Завтра продолжение.

PS: В схеме использовался транзистор n-p-n. Для транзистора p-n-p все то же, только питание отрицательное.
PS1: При экспериментах не забудьте конденсаторы.
  • +11
  • 15 июня 2011, 18:22
  • mzw

Комментарии (63)

RSS свернуть / развернуть
Еще обычно резистор R4 шунтируют конденсатором достаточной емкости, чтоб режим по постоянному току сохранить как есть, а усиление переменного увеличить в разы.
0
Об этом завтра
0
Хе-хе. Легко сказать «применяй законы электротехники». Можно прекрасно всё понимать а схему нормальную не нарисовать. Надо чувствовать всю эту аналоговую хрень.
зы. Кстати, у Свореня оч классно про усилки всё расписано.
0
2. Для нормальной работы усилителя желательно, чтобы напряжение между эмиттером и базой транзистора было бы примерно равно половине напряжения питания Еп.
Баг. На самом деле или К-Э, или К-GND.

Простейшим я бы его тоже не назвал. В действительно простейшем ОЭ каскаде резисторов всего два. Ну и расчет несколько странноват. Хотя и вроде бы работоспособен.
Ну и опять же, УНЧ далеко не только из таких каскадов состоит. А всякие дифкаскады, двухтактники и прочее — уже повеселее.
0
  • avatar
  • Vga
  • 15 июня 2011, 19:33
Спасибо, поправил.
Для УНЧ возможно много разных вариантов. Обо всем постепенно.
0
А на что влияет коллекторный ток? На мощность выходного сигнала?
0
Он, скажем так, влияет на выходное сопротивление. Чем больше ток — тем оно ниже и тем большую по мощности нагрузку может раскачать каскад. Полный расчет там на самом деле довольно веселый. И я, разумеется, его уже начисто забыл)
0
А полный расчет никому и не нужен (кроме авторов учебников). Ведь для монтажа ты применяешь резисторы точностью 5, 10 и даже 20%. К тому-же из ГОСТовстоского ряда. Приведенный расчет вполне обеспечивает такую точность.
0
А у конденсаторов разброс вообще достигает 80%
0
Ну, в нем слишком много «я так хочу». Те же входные и выходные сопротивления, выбор тока коллектора — их тоже лучше посчитать.
0
Я думаю, об этом расскажу позже. Когда будет общее представление об усилителях. Это ведь экскурс, а не учебник. Иначе пришлось бы писать сотню страниц и всем было бы просто скучно.
А по поводу «я так хочу» — могу заменить на «от балды». Интересно, а как ты выбираешь номинал подтягивающих резисторов у контроллеров? Или рабочий ток светодиода? Или тип транзистора для ключа?
Уверяю тебя, в разработке радиоаппаратуры очень многие номиналы непринципиальны в широченных пределах. И границы подсказывает А чаще наличие детали под рукой.
0
Случайно стер. И границы подсказываетопыт.
0
Я знаю. Но фишка в том, что его значение подсказывает опыт. А у ЦА статьи его-то и нету) Поэтому стоит упомянуть критерии его выбора.
Алсо, ток светодиода не в тему. С ним как раз все просто — 5мА (раньше было 10-20, но СИДы все лучше, теперь иногда и 1-2 хватает).
0
Для усилителя в подавляющем случае 1, 3, 3, 6 мА — тоже безразлично. Особенно при сетевом питании.
В специальных случаях — если нужно поменьше шумов, то да, ток должен быть поменьше, если работа на низкоомную нагрузку — то побольше. А так…
Это не та проблема, из-за которой нужно ломать голову.
У нас в институте ходила легенда, что один студент написал в дипломе:
«Транзистор выбираем деревянный потому, что диплом все равно никто читать не будет». Довольно близко к истине.
0
У нас один лет шесть назад написал: «Поскольку меня ломает считать транзисторный коммутатор, и поскольку мой диплом все равно никто не будет читать, то я поставлю негра с рубильником...» Прочитали. Хотели на осень переносить защиту, но кое-как сговорились на тройку. Хотя работа достаточно сильная была…
+2
А ещё вот непонятно.

Для нормальной работы усилителя желательно, чтобы напряжение между эмиттером и базой транзистора было бы примерно равно половине напряжения питания Еп.

Ну тут наверно просто ошибка.

Выберем R1 = 47 Ком (я так хачу). Ток через резистор составит 10,35 / 47 Ком = 0,22 миллиампер.

Вот тут непонятно(( У транзистора ведь ток коллектора зависит от тока базы IК = IБ*h21Э. Скажем, если h21Э=1000, то при IБ=0,22мА, как я понимаю, IК составит 220мА транзистор тупо уйдёт в насыщение и ничего работать не будет. Где я туплю?
0
А он — сюрприз! — не идет через базу! Он идет через R2. Так что все устаканится так, чтобы на эмиттере было на 0.65В меньше, чем на базе. А на базе будет напряжение с делителя R1R2 (хотя ток базы его несколько уменьшит). А уже напряжение на эмиттере (и как следствие — на R4) задаст ток через транзистор, а значит — и падение напряжения на R3. И вот это все надо подобрать так, чтобы при отсутствии сигнала на входе на выходе было полпитания.
0
Упс. Заметил.
4. Ток базы транзистора почти 0. На самом деле ток базы не равен 0, но для расчета им можно пренебречь
А как без тока базы? о_О
Транзистор ведь должен быть немного приоткрыт, для этого нужен ток через базу.
А нафига нужен R2? На открытом переходе ведь и так установится 0,65В!
0
Ток базы есть. Но — ток коллектора 1мА. Ток базы — Ic/h21e. Допустим там КТ3102 с усилением 1000. Ток базы — 1мкА. Т.е. из проходящих через R1 220мкА в базу идет 1мкА, а остальные 219 — через R2. Благодаря этому R1R2 работает как делитель и вполне определенно задает напряжение на базе, а т.к. оно достаточно жестко связано с напряжением на эмиттере — то и его тоже. Ну а раз на R4 стабильное напряжение, определяемое делителем R1R2 — то и ток через него вполне определен и стабилен. Входной сигнал вызывает колебания напряжения на базе, которые практически без изменения амплитуды (точнее, там (1-1/h21e)*dUb ЕМНИП) проходят на эмиттер и вызывают колебания напряжения (а значит и тока) на нем. Поскольку через R3 течет почти такой же ток, как через R4 (точнее, Ic=(1-1/h21e)*Ie, или около того), а сопротивление его в 5 раз больше — на нем изменение напряжения в эти же 5 раз больше.
0
Забавно. Но всё таки не доходит как на к-э устанавливается половина питания. (
0
Всё, понял))
0
R4 задаёт ток через транзистор, а R3 — напряжение на коллекторе при известном токе.
0
гыгы, как всегда в каментах больше полезной инфы, чем в статье)
0
А нафига нужен R2?
… скажем у нас есть входной сигнал с амплитудой 5мВ или 50мВ (без постоянной состовляющей), все равно, этот сигнал никогда не откроит транзистор. Тогда берем эту шалупонь и приподымаем на 0.65В, чтоб он мог поиграть в кампьютэр :))
0
… я бы в этой статье термен делитель (R1/R2), заменил-бы… скажем на преподниматель :)))
0
… смещение?
По-моему их так называют.
0
… да это я прикалываюсь, имхо так проще запомнить
0
Потому-что это напряжене смещает p-n переход в обратном направлении.
0
В прямом. В обратном переход смещают у JFET и ламп.
0
Бля… чего-то я хуйни нагородил))) видимо непроснулся))
0
Неее товарищь! Я проснулся, ты не прав. Изначально коллекторный переход смещается в обратном, и эмиттерный вв прямом! Это в процессе динамики он может изменять направление. Но изначально задается так.
0
… так тут про эмиттерный речь и идёт
0
Не увидел в разговоре речи про эмиттерный p-n.
0
Потому-что это напряжене смещает p-n переход в обратном направлении
… тогда какой переход ты имел ввиду?
0
Он подразумевается, потому что смещение именно на него и подается, как на управляющий работой транзистора. А коллекторный смещен напряжением питания через R3, а вовсе не R1R2.
0
Коллекторный переход в прямом направлении вообще смещается только в режиме насыщения. Но этот режим неприменим для усилителей (для класса D разве что). А смещение подается именно на эмиттерный и смещается он именно в прямом направлении.
0
Цитата.
0
Хм, вроде понемногу доходит.
Получается, напряжение на эмиттере автоматически установится так чтобы каскад вошёл в нужный режим?)
0
Разница уйдет через R2 на общий провод
0
Немного сумбурно рассказано(сам и такого не написал а еще судит) для мимо проходящего слушателя, непонятны назначение всех этих резисторов, и откуда все таки получаеться усиление.Расскажите про выбор рабочей точки транзистора и тому подобное.Как можно подавать смещение: гасящим резистором, делителем.
0
Дык, это та самая практика без теории) А за теорией можно заглянуть к Свореню. Или в ТОЭ (правда, оно неподготовленным моск на раз вынесет).
0
Я наверное не такой, без теории к практике немогу, только в редких случаях
0
Мне помогло «Искусство схемотехники». Там отлично рассказано про расчет транзисторных схем, в том числе про тут описанный усилитель с общим эмиттером, и про то почему и что усиливает каждая из стандартных схем включения транзистора.

P.S. Правда там почему-то про включение с общей базой не рассказано. Или я не помню.
0
Скорее всего рассказано. Но в УНЧ схема с ОБ применяется очень редко.
0
Все равно может пригодится когда нужен положительный коэфициент усиления по напряжению на одном транзисторе.
0
Ну, вообще-то, ОБ имеет коэффициент усиления по напряжению 1, все усиление по току. Именно схему с ОБ применяют в компенсационных стабилизаторах.
0
Наоборот, она усиливает только напряжение (каскад с малым входным и большим выходным сопротивлением, заодно — самый стабильный и высокочастотный из всех вариантов включения транзистора). По току коэффициент усиления чуть меньше единицы. Используется в основном в ВЧ технике и каскодных каскадах.
А то, про что ты — это ОК или эмиттерный повторитель. Большое входное сопротивление, малое выходное, усиление по напряжению чуть менее 1, зато усиливает ток. В стабилизаторах применяют именно его, правда, на этом каскаде довольно большое падение напряжения в этом применении. Поэтому частенько юзают и ОЭ.
0
че-то нас в институте учили, что транзистор надо рассматривать как четырехполюсник, что ток базы имеет значение и I_k = h_21e * I_b
0
Там еще и объясняли, что именно означает запись h21e :) Но mzw прав, этот расчет действительно гораздо проще и приемлем во многих случаях.
P.S. А вот что я запамятовал, так это есть ли разница между β и h21e и в чем она.
0
Вроде бы лишь в том, что β — более олдскульное обозначение.
0
Ну, у них как минимум слегка разный смысл. h21e — коэффициент передачи в схеме с ОЭ, при рассмотрении транзистора как четырехполюсника. Но ЕМНИП он и есть бета. А так h-параметров 12 штук. 11, 21, 12, 22/e, b, c. Но по большей части они или совпадают, или выводятся из других, поэтому указывается только h21e
0
Хз, в справочниках же такого нету, значит не особо оно надо)
Вот h21э есть. А в более старых справочниках, и скажем, в Сворене был β
0
Хи, вроде как всегда β — коэффициент передачи цепи обратной связи был.
0
В старых книжках это коэффициент передачи тока у транзисторов)
0
Букв мало, а величин в электронике дохренища. Так что одна и та же буква нередко юзается для обозначения разных величин.
0
Расчет максимально упрощенный. Оно и к лучшему, если точные расчеты делать то застрелиться можно.
0
для этого каскада — всего-то семь или восемь формул, насколько помню
0
Насколько я помню, на лабораторке по такому каскаду расчетов хватило на 2-3 листа А4 и часа два времени. И помню что мне это не понравилось)
0
ну хз, я в лист умещался)
а пунктов и было 7 или 8, что ли. ну мож в каждом и поболее одной формулы, но там всё просто)
0
Тема назначения резисторов не раскрыта. Например, R4 служит для организации отрицательной последовательной связи по току для термостабилизации рабочей точки каскада. Всего существует 4 комбинации отрицательной обратной связи, которые можно организовать. 1) последовательная по току, 2) последовательное по напряжению, 3) параллельное по току и 4) параллельное по напряжению. Во второй части вскользь упоминается отрицательная связь.
0
Слегка понекропостю. Дошли руки вдумчиво проработать материал статьи. Отрисовал схему в эмуляторе, возникли вопросы.
1. Что подавать на вход? Сделал неидеальный источник переменного напряжения. Получилось, что результат зависит от R1/R2 — если вход не пересилит создать на базе плюс, то будет срезать сигнал.
2. Как учесть сопротивление входа и его напряжение?
0
  • avatar
  • Buba
  • 14 ноября 2011, 01:52
на вход подавать переменку через разделительный конденсатор. смещение базы задавать делителем R1/R2 так, чтобы по возможности вся амплитуда входного сигнала поднималась в область положительных значений напряжения, между нулём и питанием.

сопротивление входа в данном случае нужно смотреть по R2, если не ошибаюсь (ток перехода БЭ пренебрежительно мал -> сопротивление его очень велико).
0
Выберем ток коллектора транзистора равным 1 миллиамперу (я так хочу)

Почему, разве не нужно выбирать рабочую точку на середине линейной области ВАХ?
0
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.