ТРАНЗИСТОРНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Цель исследования: исследовать транзисторный усилитель, принцип работы и обозначение в цепи.

Задача исследования: усвоить теоретический материал и провести анализ. Изучить транзисторные усилители

Методы исследования:

1. Аналитический

2. Теоретический.

Актуальность: Это является актуально потому что, принцип работы транзисторного усилителя основан на том что с помощью небольших напряжений или тока во входной цепи транзистора можно получить значительно большие изменения напряжения или тока в его выходной цепи, что является важно в это время так как большинство приборов которыми мы пользуемся в повседневной жизни используют транзисторные усилители.

Рисунок 1. Схема

1.Транзисторные усилители

Усилитель - это схема, которая принимает электронный сигнал на входе и выдает больший сигнал на выходе. Обычно это относится к напряжению, но это также может быть ток, шум или мощность. В этой статье мы рассмотрим наиболее распространенные и полезные усилители напряжения. Они обычно классифицируются как усилители звука (AF) или радио (RF). Диапазон частот определяет их, а это, в свою очередь, определяет тип используемых компонентов.

Аудиоусилители - это усилители, работающие в диапазоне от 10 Гц до 30 кГц. Радиоусилители работают выше, чем до нескольких ГГц.

Для примера проекта мы будем использовать аудиоусилитель в диапазоне 0-20 кГц с акцентом на низкий уровень шума и низкие искажения. Мы также будем использовать радиоусилитель, обычно от 500 кГц до десятков ГГц, с серой областью между ними, обычно для ультразвука и видео, которые могут использовать оба метода. Усилители радиосигнала или радиочастотные усилители представляют собой совершенно другой тип усилителей и будут подробно рассмотрены в отдельной статье.

2. Усиление

Коэффициент усиления относится к величине коэффициента усиления и соотношению между выходным и входным сигналами. Усиление напряжения обычно относится к небольшим усилителям сигнала (таким как операционные усилители); усиление мощности будет использоваться для усилителей мощности (таких как усилители Hi-Fi или усилители передатчиков). Мы можем обозначить коэффициент усиления как “раз” или “X”, то есть 10X, что означает, что выходное напряжение в десять раз превышает входное напряжение. Стоит отметить, что они могут иметь разные сопротивления, которые влияют на полезную мощность, которая может подаваться. Коэффициент усиления также часто указывается в дБ, где,

и прирост мощности в качестве

Это означает, что 10-кратное усиление по напряжению составляет 20 дб10 или 20 дБ, а 100-кратное усиление по напряжению составляет 40 дБ.

Но зачем это делать? Каждый из них может иметь различное усиление в системе с несколькими каскадами и даже затухание в радиочастотных системах. Следовательно, вы просто складываете их, чтобы получить общий выигрыш системы. В усилителе мощности это становится более важным. Допустим, у вас есть усилитель с входным сопротивлением 50 Ком и выходным сопротивлением 8 Ом, и вы измерили входное напряжение как 10 В, а выходное напряжение как 10 В. Возможно, вы ошибаетесь, думая, что выигрыш равен 1. Входная мощность составляет V2/R = 102/50k = 2 МВт. Выходная мощность 102/8 = 12,5 Вт. Это увеличение мощности на 10% (12.5/2* 10-3 ) = 38 дБ, в то время как коэффициент усиления по напряжению составляет 0 дБ.

3.Усилитель с общим излучателем с электретным микрофоном

Спроектировать транзисторный усилитель не так уж и сложно. Есть только некоторые предположения, которые вам понадобятся, и некоторые данные о транзисторе, который вы будете использовать. Выбор транзистора зависит от диапазона частот и уровня мощности. Здесь мы создаем небольшой усилитель сигнала автофокусировки и можем использовать любой из сотен транзисторов. Итак, давайте воспользуемся хорошо известным BC337.

4.Обозначение

Рисунок 2. Обозначение

5.Транзистор с внутренним Ре

В эмиттере имеется ‘скрытый’ резистор Re. Вы не можете измерить это мультиметром, но оно есть. Re имеет динамическое значение, зависящее от тока коллектора Ic, так что Re = 25 / Ic, где Ic в мА.

Итак, если Ic равен 10 мА, то Re = 2,5 Ом. Еще одна важная вещь, которую следует знать, - это то, что коэффициент усиления по току транзистора может быть аппроксимирован как Ic / Ib и называется hfe.

Как правило, от 50 до 1000 для небольших транзисторов. Выбор транзистора в этой конструкции не является проблемой; подойдет практически любой небольшой тип сигнала NPN.

Чтобы любой транзистор работал, он должен быть смещен. Это означает, что база поднята или сдвинута на 0,6 В выше, чем излучатель. Кроме того, нам также нужно подумать о запасе сигнала и входном сопротивлении. Любое напряжение, которое мы устанавливаем на входе, будет влиять на выходное напряжение. Выходное напряжение представляет собой смещение постоянного тока, и мы хотим, чтобы это работало в нашу пользу. Выбор коллекторного резистора и тока через него будет регулировать это. Первое предположение состоит в том, что эта схема будет контролировать, какое выходное сопротивление она должна иметь. У нас должно быть выходное сопротивление как минимум в 2-5 раз ниже, чем у следующей ступени. Итак, давайте предположим, что входное сопротивление следующего каскада будет равно 47 Ком, и сделаем наше выходное сопротивление 10 ком. Мы делаем это просто, создавая R110k (это немного упрощение, но достаточно близко).

Следующее предположение состоит в том, что мы не хотим искажать выходные данные, когда один из полупериодов зажат. Мы хотим установить напряжение на коллекторе Q1 наполовину. Таким образом, если R1 равен 10k, а напряжение на нем равно 12/2, то есть 6 В, ток через R1 равен V / R = 6/10000 = 0,6 мА. Это наш ток коллектора, и теперь мы можем найти re = 25 / Ic = 42 Ом. Мы воспользуемся этим позже. Для обеспечения стабильности и хорошего смещения мы бы хотели, чтобы излучатель Q1 находился на уровне около 1 В. Это обеспечит разумное колебание сигнала на основе Q1. Итак, чтобы получить 1 В через R2, зная, что ток через него составляет 0,6 мА, R2 = V / I = 1/0,6 = 1,6 К, давайте сделаем это 1k5. Это немного изменит напряжение на эмиттере, так что V = IR = 0,6 * 1500 = 0,9 В.

Теперь напряжение на базе ВСЕГДА будет на 0,6 выше, чем на эмиттере, а ток в эмиттере будет равен Icollector / hfe. В спецификации для BC337 указан hfe 600. Давайте предположим, что немного меньше, чтобы быть в безопасности, скажем, 200. Таким образом, Ibase составляет 0,6 / 200 = 0,003мА. Для стабильности мы сделаем ток, протекающий через цепь делителя R3, R4, в десять раз больше, т.е. 0,03 мА, поэтому напряжение на R4 равно 0,9 + 0,6 = 1,5, а ток через 0,03, R4 = V / I = 1,5 / 0,03 = 50k. Мы устанавливаем его стандартное значение в 47 тысяч. Это немного изменяет ток до 1,5/47k = 0,032 мА. R3 имеет 12 В на одном конце и 1,5 на другом. Напряжение на нем становится 12-1,5 = 10,5 В, и, следовательно, R3 = V / I = 10,5 / 0,032 = 328 К. Сделайте его стандартным значением 330 тыс. R5 не имеет никакого отношения к конструкции транзистора. Он обеспечивает напряжение для питания электретного микрофона (он имеет электростатический конденсатор, подключенный к небольшому полевому транзистору внутри), и 10k - это обычное значение.

Итак, на какую выгоду мы можем рассчитывать? Коэффициент усиления составит R1/R2 + re = 10k/ 1k5 + 42 = 6,48. Это не так полезно, но мы можем увеличить это, обойдя переменный ток R2 с помощью конденсатора C3, оставив только re. Условия постоянного тока остаются прежними, но коэффициент усиления теперь составляет 1500/42 = 35. Мы должны сделать C3 с таким значением, чтобы его реактивное сопротивление было равно R2 на нашей самой низкой частоте, 40 Гц, поэтому C3 = 1/2 Nfxc = 2,6 Мкф. Следовательно, сделайте его 10 мкФ. Остальная конструкция предназначена для входных и выходных конденсаторов. C1 - это просто. Входное сопротивление представляет собой комбинацию R3 параллельно с R4 параллельно с R2+re*hfe, (1k5+42)*200 = 300k. Это в значительной степени немного меньше, чем R4, скажем, 40k, но оно должно иметь емкостное реактивное сопротивление, равное R4 на самой низкой частоте, которую мы намерены усилить. Если мы выберем 40 Гц Xc = 1/(2nfC), то C = 1/2 nfxc = 0,39 мкф. Аналогично, C2 = 1/2π40*10k = 0,4 мкф. Следовательно, сделайте его 1uF.

Следующим шагом в нашей разработке является добавление буферного транзистора для увеличения выходной мощности привода для включения небольшого (высокоимпедансного) динамика. Это называется повторителем излучателя. Он не имеет усиления по напряжению, но имеет гораздо более низкое выходное сопротивление. Мы также обеспечим некоторую отрицательную обратную связь по постоянному току, чтобы "заблокировать" смещение Q1.

Рисунок 3. Схема

Единственными компонентами, подлежащими замене, являются R3 и C4; C2 был заменен на C4. Без C4 было бы смещение постоянного тока через динамик. Нам нужно знать, каково сопротивление нагрузки, то есть динамика. Эта простая схема не может управлять динамиком с сопротивлением 8 Ом; для этого вам понадобится усилитель мощности. Предположим, мы используем наушники для мобильного телефона с сопротивлением около 100 Ом. Для колебания 12 В pp, которое будет составлять около 1 Вт, что подталкивает его к этой простой схеме, статическая мощность постоянного тока эмиттера должна быть равна той, которая приводит к 100 мА в транзисторе, что выходит за рамки его возможностей. Мы собираемся отступить от наших ожиданий и допустить максимум 10 мА во 2 квартале. Поскольку излучатель Q2 равен 6-0,6 В = 5,4 В, то R6 = 5,4 / 0,01 = 540, назовем его 560 ОМ. R3 теперь подключен не к 12V, а к 6V, его значение становится (6-1,5)/0.03 = 150K. C4 теперь составляет 1/2π40 * 100 = 25 мкф.

Конечные значения

Рисунок 4. Схема

Вывод:

Результаты переменного тока с входом генератора сигналов и без нагрузки на выходе:

Без C3, Vswing без искажений 9.6Vpp для входа 1.68Vpp, усиление 5.7.

Расчетное усиление составило R1/R2 = 10/1,5 = 6,6.

С C3, Vswing без искажений 6.7Vpp для входа 50mV ie усиление 6.8 / 0.05 = 136.

Предполагаемое усиление 10k / 42 = 238 неожиданная разница? Это связано с тем, что последовательное сопротивление C3 не равно нулю.

Этот маленький усилитель не очень подходит для привода динамика среднего импеданса. Я подключил наушники 300Ω и обнаружил, что существенно увеличил ток коллектора в Q2, сделав R6 = 390Ω. Мне удалось получить неискаженный выходной сигнал 4Vpp.

Таким образом, мы сделали строгий компонентный дизайн двухступенчатого аудио-усилителя. Если вы будете следовать этим правилам проектирования, вы сможете создать свой собственный.

Заключение: В данной статье был изучен транзисторный усилитель, обозначение в цепи, рассмотрели примеры и провели расчёты.