Транзисторний підсилювач: Малі Сигнали Зрощені у Великі

Транзистор як контрольований клапан

Біполярний транзистор (BJT) електрично є джерелом струму, керованим током. У типовому NPN пристрої невеликий струм, що протікає від основи до емітера через перехід між основою та емітером, дозволяє значному більшому струму проходити від колектора до емітера. Відношення між ними є коефіцієнтом підсилення β (також записаний як hFE), який зазвичай коливається від 50 до кількох сотень для малосигнального транзистора. Це не вільна енергія – додатковий струм походить від колекторного джерела живлення, але основа контролює його, і струм основи, необхідний для цього контролю, є мізерним порівняно з ним.

Перетворіть цей клапан, керований струмом, на підсилювач напруги, пропустивши струм колектора через резистор. Коли напруга основи коливається вгору та вниз, струм колектора також коливається з нею, а напруга, що випадає на колекторному резисторі, також коливається – у значно більшому обсязі, оскільки невелика зміна струму через кілька кілоомів є великим перепадом напруги.

Bias: пошук оптимальної точки

Перед прибуттям будь-якого сигналу транзистор потребує постійного DC режиму роботи (тримальний рівень, або Q-точка), що знаходиться подалі від обох шин, зазвичай близько половини напруги живлення на колекторі. Це класифікація A: вона споживає певну потужність, підтримуючи транзистор частково увімкненим, але забезпечує симетричне овердрайту для коливань вихідної напруги як вгору, так і вниз навколо рівноважного значення без досягнення напруги живлення на одному боці або напруги відключення на іншому.

Стандартна схема – це ділильне збудження напруги: два резистори встановлюють фіксовану напругу на базі, резистор емітера встановлює напругу емітера приблизно на одну напругу пропуску нижче цієї, а закон Ома через резистор емітера визначає струм колектора – значною мірою незалежний від точного β транзистора, який може сильно варіюватися між частинами одного типу.

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

Малий сигнальний модель та звідки береться виграш

Після налаштування, відповідь транзистора на невеликі коливання навколо точки Q добре наближена лінійною. Ключовий параметр — трансконденсація gm — скільки колекторного струму змінюється на вольт зміни бази-емітера — і для BJT вона залежить лише від струму живлення: gm = Ic / VT, де VT — термальна напруга, приблизно 26 мВ за кімнатної температури. Для загально-емісійного етапу з колекторним опором Rc, невеликий виграш сигналу становить приблизно -gm·Rc, а мінус знак вказує на те, що вихід перевернутий відносно входу, оскільки більший струм бази тягне більше струму через Rc, який падає більше напруги та залишає менше на колекторі.

Якщо не підключати резистор емітера, виграш падає приблизно до -Rc/Re — значно менше чутливий до точного транзистора, більш передбачуваний і з меншим спотворенням, але за рахунок чистого виграшу. Часто використовується прийом обходу резистора емітера конденсатором на частотах сигналу, який відновлює повний виграш gm·Rc для AC, зберігаючи DC-стабільність, яку забезпечує резистор.

Общий эмиттер, коллектор-источник, база

Три основных однотранзисторных конфигурации обмениваются выигрышем, импедансом и фазой по-разному. Указанная выше стадия общего эмиттера обеспечивает большой коэффициент усиления напряжения и умеренный импеданс, но при этом выдает инвертированный выход. Коллектор-источник (последователь эмиттера) имеет коэффициент усиления напряжения чуть меньше 1, но очень высокий входной импеданс и очень низкий выходной импеданс, что делает его стандартным выбором в качестве буфера между слабым источником и требовательным нагрузчиком. Стадия общей базы имеет низкий входной импеданс, высокий выходной импеданс, хороший коэффициент усиления и отсутствие фазовой инверсии, и ценится в радиочастотной работе за свою широкую полосу пропускания, поскольку она не имеет умножения емкости Миллера между входом и выходом.

Спотворення, обрізання та межі лінійності

Лінійне мале-сигнал моделювання має сенс лише для сигналів, які достатньо невеликі, щоб експоненційний характер бази-емітера транзистора локально виглядав як пряма лінія. Якщо посилити вхідний сигнал, то зрештою відбуваються дві речі: напруга колектора виходить за межі та обрізається рівномірно проти осцилового джерела живлення або база-емітерний перемикач припиняє провідність у негативному півхвилі та обрізається до відключення. Будь-яка з цих невдач вирівнює частину форми хвилі, додаючи гармонійної спотвореності, яку спектроаналізатор бачить як додаткову енергію при множниках вхідної частоти. Реальний дизайн підсилювача в основному є мистецтвом вибору точки зміщення та зворотного зв'язку так, щоб очікуваний сигнал дійсно залишався всередині цього лінійного вікна, з запасом.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Transistor Amplifier і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.