Amplifikator tranzystora: Małe sygnały, duży ujemnik

Transistor jako regulowany zawór

Bipolarny przewodnik tranzystora (BJT) elektronicznie jest źródłem prądu sterowanym prądem. W typowym urządzeniu NPN, mały prąd przepływający do zasięgu, przez przódowo napiętego zasięgu zewnetrzne-base-emitter, pozwala na przepływ większego prądu między zbieraczy a emiterem. Proporcja między nimi to współczynnik zwiększania się prądu β (także napisany jako hFE), zwykle pomiędzy 50 a kilka setek dla małej sygnału tranzystora. To nie jest bezpłatny naprężenie — dodatkowy prąd pochodzi z zapasowego zasięgu zbieracza — ale base steruje nim, a prąd base potrzebny do sterowania nim jest niewielki w porównaniu.

Biasowanie: znalezienie idealnej pozycji

Zanim dotrze do transistora żaden sygnał, potrzebuje on punktu operacyjnego DC (punktu spoczynkowego, lub Q-point) odległego od obu raili, zazwyczaj blisko połowy napięcia dostawczego na zbieraczu. To jest biasowanie klasy A: utrata pewnej mocy polegająca na utrzymaniu transistora w polowym stanie aktywnym w każdym momencie, ale kupuje symetryczne marginesy dla wyjścia do zasięgu zarówno w górę jak i w dół wokół wartości spoczynkowej bez dotarcia do jednego z raili dostawczych ani satywacyjnego napięcia na drugiej stronie.

Standardowa metoda to biasowanie dzielników napięcia: dwie rezystory ustawiają ustalone napięcie na podstawie, rezystor emiterowy ustawia napięcie emitera około spadku diody poniżej tego, a prawo Ohma poziomu prądu zbieracza — w dużym stopniu niezależnie od dokładnej wartości β transistora, która się znacznie różni między częściami tej samej rodziny.

Vb  = Vcc * R2 / (R1 + R2)      // divider sets the base voltage
Ve  = Vb - 0.7                  // one diode drop below the base
Ie  = Ve / Re                   // Ohm's law fixes the current
Ic  ≈ Ie                        // base current is small, Ic ≈ Ie
Vc  = Vcc - Ic * Rc              // resting collector voltage, aim ≈ Vcc/2

Model małych sygnałów i źródło zwiększenia

Po ustawieniu prądu, odpowiedź tranzystora na małe drgań wokół punktu równowagi Q jest dobrze przybliżona jako liniowa. Kluczowy parametr to przepustowość transcykladu gm — ile się zmienia prąd zbieracza za każdy wolt zmiennego napięcia między podstawą a zbieraczem — i dla tranzystora BJT zależy on tylko od prądu ustawienia: gm = Ic / VT, gdzie VT to napięcie termiczne, około 26 mV przy pokojowej temperaturze. Dla etapu z ujemną podstawą z rezystorem zbieracza Rc, zwiększenie małych sygnałów jest przybliżone do -gm·Rc, a minus oznacza to, że wyjście jest odwrotnie skierowane w stosunku do wejścia, ponieważ większy prąd podstawy przeprowadza więcej prądu przez Rc, co spowoduje większe opad napięcia i mniejsze napięcie na zbieraczu.

Jeśli rezystor ujemny pozostanie niezdecydowany, zwiększenie spada do około -Rc/Re — znacznie mniej zależne od exact tranzystora, bardziej przewidupotworne i z niższym deformowaniem, na koszt czystego zwiększenia. Popularnym trikiem jest obiegowanie rezystora ujemnego przez kondensator przy częstotliwościach sygnału, co przywraca pełne zwiększenie gm·Rc dla AC, zachowując stabilność DC zapewniającą rezystor.

Common-emitter, common-collector, common-base

Trzy podstawowe konfiguracje pojedynczego tranzystora zastępują się w inny sposób przybliżeniem, przeporządkowaniem i fazie. Opisany powyżej etap common-emitter daje duży przyrost napięcia oraz średnie wartości przeporczy, za cenę odwróconej wyjścia. Common-collector (emitter follower) ma przyrost napięcia prawie równy 1, ale bardzo wysoką impedancję wejściową i bardzo niską impedancję wyjściową, co sprawia, że jest standardowym wyborem jako bufor między słabej źródłowej a wymagającym obciążeniem. Common-base daje niską impedancję wejściową, wysoką impedancję wyjściową, dobry przyrost oraz brak odwrócenia fazowego, co sprawia, że jest ceniony w pracy radiowolnościennej ze względu na szeroką przepustowość, ponieważ nie ma mnożenia kapacitacji Miller między wejściem a wyjściem.

Zakłócenia, kliptime i granice liniowości

Model małych sygnałów liniowy jest prawdziwy tylko dla sygnałów wystarczająco niskich, aby charakterystyka eksponencjalna przewodnika tranzystora wyglądała lokalnie prostopadłościanowo. Gdy podanie sygnału staje się silniejsze, dwa rzeczy w końcu się zdarzają: napięcie zbieracza wykorzystuje wszystkie dostępne mu miejsca i kliptime przecina się na poziomie przepływu prądu dostarczanego lub napięcia satywacji, lub łącze base-emitter przestaje przewodnić podczas ujemnej półcyklu i kliptime przecina się na punkcie wyłączania. Jeden z tych błądów spłaszcza część formy sygnału, dodając zakłócenia harmoniczne, które spektroskop analizator widzi jako dodatkową energię wielokrotności częstotliwości wejściowej. Realizacja projektu amplitfikatora jest głównie sztuką wyboru punktu napięcia i sprzężenia zwrotnego tak, aby sygnał, który oczekujesz widzieć, pozostawał wewnątrz tego okna liniowości, z marginesem do zaszczytu.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Transistor Amplifier — Small Signals Made Large i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.