Попередні підсилювачі на транзисторах

1. Призначення та структурна схема підсилювача сигналів низької частоти (ПНЧ)

Основне призначення підсилювача – це підсилення потужності вхідного електричного сигналу.

В якості джерела вхідного сигналу в ПНЧ можуть використовуватися такі пристрої як мікрофон, звукознімач, фотоелемент, термопара тощо. Типи навантажень теж можуть бути різними, зокрема: гучномовець, вимірювальний прилад, осцилограф, реле, наступний підсилювач.

Більшість джерел вхідного сигналу розвивають низьку напругу. Подавати її безпосередньо на каскад підсилення потужності не має смислу, так як при такій малій керуючій напрузі неможливо отримати значну зміну вихідного струму, а відповідно – і вихідної потужності. Тому структурна схема ПНЧ складається із ряду послідовно – з'єднаних попередніх каскадів підсилення та вхідного каскаду, який віддає необхідну потужність корисного сигналу в навантаження (рис. 1.).

Рисунок 1. Структурна схема ПНЧ

Слід зауважити, що для будь-якого каскаду підсилення, вхідний малопотужний сигнал керує енергією, що подається в навантаження від джерела живлення значно більшої потужності. Таким чином, завдяки використанню підсилювального елементу (біполярного або польового транзистора) і зовнішнього джерела живлення стає можливим підсилення потужності вхідного сигналу (рис. 2.).

Рисунок 2. Структурна схема каскаду ПНЧ

2. Кола зміщення підсилювальних каскадів

Режим роботи підсилювача за постійним струмом (режим спокою) визначається положенням робочої точки на навантажувальній прямій. Щоб задати робочу точку при відсутності вхідного змінного сигналу, необхідно на вхід підсилювального каскаду подати певне значення постійної напруги, яка має назву напруги зміщення. Кола, що забезпечуються подачу цієї напруги називають колами зміщення.

Існують дві схеми створення початкової напруги: з фіксованим струмом та фіксованою напругою.

2.1. Схема підсилювального каскаду з фіксованим базовим струмом

Схему зміщення фіксованим струмом бази за наявності одного джерела напруги зображено на рис.1. Схема представляє собою підсилювальний каскад з СЕ. Вхідний сигнал поступає на базу і змінює її потенціал відносно заземленого емітера. Це приводить до зміни струму бази,а значить, до зміни струму колектора і напруги на навантажувальному опорові.

Рисунок 1. Схема резистивного каскаду з фіксованим базовим струмом

Розглянемо склад схеми та призначення елементів: VT1 - біполярний транзистор - підсилювальний елемент, RК – колекторне навантаження транзистора за постійним струмом, ЕК – джерело живлення.

Роздільний конденсатор Ср1 виключає потрапляння постійної напруги UБЕ на джерело вхідного сигналу. Роздільний конденсатор Ср2 виключає потрапляння постійної напруги з колектора на опір навантаження RН, яка змінюється за законом вхідного сигналу, але значно перевищує його за величиною.

Для цієї схеми СР1 та СР2 вибирають із наступних умов:

де ωН – нижня границя діапазону частот підсилювального сигналу. Навантаження каскаду за змінним струмом визначається виразом:

Резистор RБ в колі бази, забезпечує вибір робочої точки Р на характеристиках транзистора і визначає режим роботи каскаду за постійним струмом. Процес підсилення сигналу ілюструється на рис.2.

Рисунок 2. Графічне пояснення процесу підсилення сигналу схемою з СЕ

Із рисунку видно, що напруга вхідного сигналу з амплітудою Umвх = Uбеm синфазно змінює величину струму бази. Ці зміни базового струму викликають в колекторному колі пропорційні зміни струму колектора і напруги на колекторі. Амплітуда колекторної напруги Uкеm (3 врахування масштабу по осі абсцис) виходить значно більшою за амплітуду напруги на базі Uбеm.

Слід звернути увагу на то, що напруга сигналу на вході і на виході каскаду зсунуті між собою за фазою на 180°, тобто знаходяться в протифазі.

Для отримання найменших спотворень підсилювального сигналу робочу точку Р слід розміщувати на середині відрізку АВ навантажувальної прямої, побудованої в сім'ї вихідних характеристик транзистора. Із рисунку видно, що положення робочої точки Р відповідає струмові зміщення ІБР, що забезпечується величиною опору резистора RБ.

2.2. Схема підсилювального каскаду з фіксованою базовою напругою

Схема з фіксованим базовим струмом використовується лише тоді, коли каскад працює при малих коливаннях температури транзистора.

IД – струм, що проходить через дільник напруги.

Більш ефективною є схема зміщення з фіксованою базовою напругою (рис. 3.)

Рисунок 3. Схема підсилювача з фіксованою напругою зміщення

В цій схемі резистори і представляють дільник напруги, який ввімкнений паралельно до джерела живлення ЕК. Опори дільника вибираються із наступних співвідношень:

При цьому підвищується стабільність режиму роботи схеми, так як зміни струму в колах емітера і колектора транзистора незначно випливають на величину напруги зміщення.

Зазвичай струм дільника IД вибирають в границях:

3. Температурна стабілізація режимів роботи підсилювачів

При зміні температури навколишнього середовища положення робочої точки змінюється. Так, при нагріванні транзистора робоча точка зміщується по навантажувальній прямій, що приводить до збільшення колекторного струму IК і зменшенню напруги UКЕ (рис.4.). Це рівнозначно збільшенню провідності транзистора.

Рисунок 4. Температурний дрейф робочої точки

 Для забезпечення температурної стабілізації положення робочої точки на характеристиках використовують різні способи термостабілізації режимів роботи транзисторних каскадів.

Опір резистора RЕ для малопотужних та потужних каскадів вибирають відповідно з співвідношень:

а резистор R2 з співвідношення: 

де– вхідний опір транзистора в робочій точці, що відповідає його h11E.

При підвищенні температури напруга UБЕР.Т збільшується, так як через зростання струму Iкб0 збільшується напруга UR2. Одночасно зростає напруга на резисторі RE емітерного кола. Схема може бути розрахована так, що при збільшенні UR2 відбувається практично таке саме збільшення URE, в результаті чого напруга UБЕР.Т на керуючому переході транзистора змінюється не значно.