Как работает напряжение смещения транзисторов усилителя классе А. Если вы хотите спроектировать схему на биполярных транзисторах, вам нужно четко представлять принцип работы этого популярного полупроводникового прибора в различных схемах.
Смещение усилителя класса A
Смещение транзистора — это подача электричества на транзистор определенным образом, чтобы заставить прибор работать так, как вы хотите. Если говорить конкретно об УМЗЧ, то существует пять основных классов усилителей: класс A, класс B, класс AB, класс C и класс D.
В этой статье мы сосредоточимся на том, как работает напряжение смещения транзистора в конфигурации с общим эмиттером для линейного усилителя звуковой частоты класса А. Линейный означает, что выходной сигнал такой же, как и входной, но усиленный.
Как работает напряжение смещения
Чтобы обычный кремниевый транзистор работал в активном режиме (используется в большинстве схем усилителей), его база должна быть подключена к напряжению не менее чем на 0,7 В выше, чем эмиттер. Это для кремниевых приборов.
После того, как вы подали напряжение смещения, транзистор открывается, и начинает течь ток коллектора с падением напряжения от 0,2 до 0,5V между коллектором и эмиттером. В активном режиме ток коллектора примерно равен току базы, умноженному на коэффициент усиления по току (hfe,β) транзистора.
Ib = Ic/hfe
Ic = Ib*hfe
В PNP-транзисторе этот процесс обратный, он перестает проводить ток при подаче на его базу определенного напряжения.
Фиксированное смещение
Самый простой способ смещения напряжения на биполярных транзисторах усилителя класса А представлен на рисунке ниже, R1 обеспечивает смещение базы, а выходной сигнал поступает между R2 и коллектором через разделительный конденсатор постоянного тока.
В это же время входной сигнал подается на базу через такой же разделительный конденсатор. Эту конфигурацию следует использовать только в простых предварительных усилителях и никогда не применять в выходных каскадах, особенно с динамиком вместо R2.
Чтобы обеспечить напряжение смещения транзистора, нам нужно знать вольтаж питания (Ucc), напряжение база-эмиттер (Ube, 0,7 В для кремния, 0,3 для германиевых транзисторов), требуемый ток базы (Ib) или ток коллектора (Ic) и усиление по току транзистора (hfe,β).
R1 = (Ucc — Ube)/Ib
R1 = (Ucc — Ube)/(Ic/hfe)
Значение R2 для оптимального усиления можно определить, разделив напряжение питания на ток коллектора. Коэффициент усиления усилителя при таком значении резистора R2 будет высок, примерно равен коэффициенту усиления по току транзистора (hfe,β).
После подключения к выходу нагрузки, например динамика или следующего каскада усиления, выходное напряжение упадет на резисторе R2, и нагрузка будет выполнять роль делителя напряжения. Рекомендуется, чтобы полное сопротивление нагрузки или входное сопротивление следующего каскада было не менее чем в 4 раза больше, чем R2.
Соединительные конденсаторы должны обеспечивать менее 1/8 импеданса нагрузки или входного сопротивления следующего каскада на самой низкой рабочей частоте.
Смещение напряжения делителя — собственное смещение
На приведенном ниже рисунке показана наиболее широко используемая конфигурация смещения, она устойчива к температуре и обеспечивает очень хорошее усиление и линейность.
В высокочастотных усилителях резистор R3 можно заменить ВЧ-дросселем. В дополнение к одному базовому резистору (R1) и коллекторному резистору (R3) у нас есть дополнительный базовый резистор (R2) и эмиттерный резистор (R4).
Сопротивления R1 и R2 образуют делитель напряжения и вместе с падением напряжения на R4 задают базовое напряжение (Ub) схемы. Расчеты несколько сложнее, так как необходимо учитывать больше компонентов и переменных.
Сначала мы начнем с расчета коэффициента сопротивления базового делителя напряжения, определяемого формулой, показанной ниже. Для начала расчетов нам необходимо определить значения тока коллектора и резисторов R2 и R4.
Резистор R4 нужно рассчитать на падение напряжения на нем от 0,5V до 2V при желаемом токе коллектора, а резистор R2 должен быть в 10-20 раз больше, чем R4. Для предусилителей R4 обычно находится в пределах 1-2кОм.
Не развязанный R4 вызывает отрицательную обратную связь, уменьшая усиление, одновременно снижая искажения и улучшая линейность. Развязка конденсатором увеличивает коэффициент усиления, поэтому рекомендуется использовать последовательно установленный конденсатор большой емкости с небольшим резистором.