Из предыдущих разделов этой главы мы уже знаем, что транзисторы могут использоваться в качестве переключателей, работающих в режиме «насыщения» или «отсечки». В предыдущем разделе мы увидели, как транзисторы ведут себя в своих «активных» режимах, работая между крайними пределами насыщения и отсечки. Поскольку транзисторы управляют током аналоговым способом (то есть, управляемый ток может меняться плавно и непрерывно), они находят применение в качестве усилителей аналоговых сигналов.
Транзистор как простой переключатель
Общий эмиттер
Раннее мы уже разбирали простейшую схему транзисторного усилителя, демонстрирующую коммутационную способность транзистора.
Это так называемая конфигурация с общим эмиттером, потому что (если не учитывать батарею, являющуюся источником питания) и источник сигнала, и нагрузка совместно используют вывод эмиттера в качестве общей точки подключения, как показано на рисунке 2 ниже. Это не единственный способ использования транзистора в качестве усилителя, как мы увидим в последующих разделах этой главы.
Рис. 2. Усилитель с общим эмиттером: входные и выходные сигналы имеют общее соединение с эмиттером.
Раньше небольшой ток солнечного элемента насыщал транзистор, зажигая лампочку. Теперь, зная, что транзисторы могут «дросселировать» свои коллекторные токи в соответствии с размером базового тока, подаваемого источником входного сигнала, мы видим, что яркость лампы в этой схеме регулируется освещением солнечного элемента. Когда на солнечный элемент попадает совсем мало света, лампа светиться будет тускло. Яркость лампы будет постоянно увеличиваться по мере того, как на солнечный элемент попадает всё больше света.
Предположим, что нас интересует использование солнечного элемента в качестве прибора для измерения силы света. Мы хотим измерить интенсивность падающего света с солнечного элемента, используя его выходной ток для движителя измерителя. Для этого можно напрямую подключить движитель к солнечному элементу. Собственно, так и устроены простейшие экспонометры (измерители яркости), используемые фотографами.
Рис. 3. Свет высокой интенсивности напрямую управляет экспонометром.
Хотя данный подход работает для измерения средней интенсивности света, он не будет работать при низкой интенсивности. Для движителя измерителя необходимую энергию обеспечивает солнечный элемент, что неизбежно ограничивает чувствительность системы. Если нужно измерить интенсивность света очень низкого уровня, то придётся искать другое решение.
Транзистор как усилитель
Возможно, наиболее прямым решением данной проблемы измерения является использование транзистора для усиления тока солнечного элемента, чтобы можно было получить большее отклонение измерителя при меньшем количестве падающего света.
Рис. 4. Ток от солнечного элемента усиливается для измерения яркости света низкой интенсивности.
Ток, проходящий через движитель измерителя этой цепи, будет в β раз больше тока солнечного элемента. С транзисторным бета-коэффициентом, равным 100, это будет существенное увеличение чувствительности измерения. Стоит отметить, что дополнительная энергия для перемещения стрелки на индикаторе исходит от батареи в правой части схемы, а не от самого солнечного элемента. Всё, что делает ток солнечного элемента – это контролирует тот ток батареи, что поступает в измеритель, обеспечивая более высокие показания счётчика, чем солнечный элемент мог бы обеспечить без посторонней помощи.
Поскольку транзистор является регулятором тока, и поскольку показания измерителя основаны на токе, проходящем через подвижную катушку, показания в этой цепи зависят только от тока от солнечного элемента, а не от величины напряжения, обеспечиваемого аккумулятором. Это значит, что точность схемы не зависит от состояния батареи, что немаловажно! Всё, что требуется от батареи – это определённое минимальное выходное напряжение и выходной ток, чтобы была возможность измерять для полной шкалы.
Выходное напряжение из-за тока, протекающего через нагрузочный резистор
Другой способ использования конфигурации с общим эмиттером – это создание выходного напряжения, полученного из входного сигнала, а не определённого выходного тока. Заменим механизм счётчика на простой резистор и измерим напряжение между коллектором и эмиттером.
Когда солнечный элемент затемнён (и не даёт тока), транзистор будет находиться в режиме отсечки и вести себя как разомкнутый переключатель между коллектором и эмиттером. Это приведёт к максимальному падению напряжения между коллектором и эмиттером для максимального выходного напряжения V, равного полному напряжению батареи.
На полной мощности (при максимальной освещённости) солнечный элемент переводит транзистор в режим насыщения, заставляя его вести себя как замкнутый переключатель между коллектором и эмиттером. Результатом будет минимальное падение напряжения между коллектором и эмиттером или почти нулевое выходное напряжение. В действительности насыщенный транзистор никогда не может достичь нулевого падения напряжения между коллектором и эмиттером из-за двух P-N-переходов, через которые должен проходить коллекторный ток. Однако это «напряжение насыщения коллектор/эмиттер» будет довольно низким, всего нескольких десятых вольта, в зависимости от конкретного используемого транзистора.
Для среднего уровня освещённости (где-то между нулём и максимальной выходной мощностью солнечного элемента) транзистор будет находиться в активном режиме, а выходное напряжение будет где-то между нулём и полным напряжением батареи. Здесь важно отметить важное качество конфигурации с общим эмиттером: выходное напряжение инвертировано по отношению к входному сигналу. То есть выходное напряжение уменьшается по мере увеличения входного сигнала. По этой причине конфигурация усилителя с общим эмиттером называется инвертирующим усилителем.
Быстрое моделирование SPICE схемы подтверждает наши качественные выводы об этой схеме усилителя:
Рис. 6. Схема с общим эмиттером с номерами узлов и соответствующим списком соединений SPICE.
*common-emitter amplifier i1 0 1 dc q1 2 1 0 mod1 r 3 2 5000 v1 3 0 dc 15 .model mod1 npn .dc i1 0 50u 2u .plot dc v(2,0) .end
Рис. 7.Общий эмиттер: выходное коллекторное напряжение относительно входного базового тока.
В этом моделирования изначально источник тока (солнечный элемент) выдаёт нулевой ток, транзистор находится в режиме отсечки, а полные 15 вольт от батареи отображаются на выходе усилителя (между узлами 2 и 0). Когда ток солнечного элемента начинает расти, выходное напряжение пропорционально уменьшается, пока транзистор не достигнет насыщения при базовом токе 30 мкА (коллекторный ток при этом составит 3 мА). Обратите внимание, что линия выходного напряжения на графике является идеально линейной (с шагом 1 вольт от 15 до 1 вольт) до точки насыщения, где оно никогда не достигает нуля. Про этот эффект упоминали ранее, когда насыщенный транзистор никогда не достигает точно нулевого падения напряжения между коллектором и эмиттером из-за эффектов внутреннего перехода. Что мы действительно видим, так это резкое снижение выходного напряжения с 1 вольт до 0,2261 вольт при увеличении входного тока с 28 мкА до 30 мкА, а затем продолжающееся снижение выходного напряжения с этого момента (хотя и шаг изменений постепенно уменьшается). Самое низкое выходное напряжение, когда-либо полученное в этой модели, составляет 0,1299 вольт, асимптотически приближаясь к нулю.
Транзистор как усилитель переменного тока
До сей поры мы рассматривали транзисторы, используемые в качестве усилителей сигналов постоянного тока. В предыдущем примере с измерителем света на солнечном элементе мы были заинтересованы в усилении выхода постоянного тока солнечного элемента для управления движителем измерителя постоянного тока или для создания выходного напряжения постоянного тока. Однако это не единственный способ использования транзистора в качестве усилителя. Часто требуется усилитель переменного тока для усиления сигналов переменного тока и переменного напряжения. Одно из распространённых применений – в аудиоэлектронике (радио, телевизоры и системы громкой связи). Ранее мы видели пример аудиовыхода камертона, активирующего транзисторный переключатель. Давайте посмотрим, сможем ли мы изменить эту схему для передачи энергии на динамик, а не на лампу:
В исходной схеме двухполупериодный мостовой выпрямитель использовался для преобразования выходного переменного сигнала микрофона в постоянное напряжение для управления входом транзистора. Всё, что нас заботило – это включение лампы с помощью звукового сигнала от микрофона, и такого устройства для этого было достаточно. Но теперь мы хотим воспроизвести сигнал переменного тока и запустить для этого динамик. Это означает, что мы больше не можем что-либо делать с выходом микрофона, потому что нам нужен неискажённый сигнал переменного тока для управления транзистором. Так что мы избавляемся от мостового выпрямителя и заменяем лампу динамиком:
Рис. 9. Усилитель с общим эмиттером приводит в действие динамик с помощью звукового сигнала.
Поскольку микрофон может создавать напряжения, превышающие прямое падение напряжения на (диодном) P-N-переходе база/эмиттер, резистор нужно установить последовательно с микрофоном. Смоделируем схему с помощью SPICE:
Моделирование отображает как входное напряжение (сигнал переменного тока с пиковой амплитудой 1,5 В и частотой 2000 Гц), так и силу тока, проходящего через 15-вольтовую батарею, который совпадает с током, проходящим через динамик. Здесь мы видим полную синусоидальную волну переменного тока, чередующуюся как в положительном, так и в отрицательном направлениях, и полуволновую волну выходного тока, которая пульсирует только в одном направлении. Если бы мы управляли динамиком с такой формой волны, воспроизводимый звук был бы искажён.
Что не так с этой схемой? Почему не получается точно воспроизвести всю форму волны переменного тока с микрофона? Ответ на этот вопрос можно найти, если внимательно рассмотреть модель транзистора, как комбинацию диода и источника тока:
Рис. 12. Модель показывает, что базовый ток течёт только в одном направлении.
Коллекторный ток регулируется механизмом протекания постоянного тока в соответствии со скоростью, задаваемой током, проходящим через диодный переход база/эмиттер. Обратите внимание, что оба пути тока, проходящих через транзистор однонаправлены: они текут только в одну и ту же сторону! Несмотря на наше намерение использовать транзистор для усиления сигнала переменного тока, по сути, это транзистор для постоянного тока, устройство, способное обрабатывать только токи, протекающие в одном направлении. Мы можем подавать входной сигнал переменного напряжения между базой и эмиттером, но ток не может течь в этой цепи в течение той части цикла, которая вызывает обратное смещение диодного перехода база/эмиттер. Следовательно, транзистор будет оставаться в режиме отсечки в течение этой части цикла. Он будет «включаться» в активном режиме только тогда, когда входное напряжение имеет правильную полярность для прямого включения диодного перехода база/эмиттер, и только когда это напряжение достаточно высокое, чтобы преодолеть прямое падение напряжения на диоде. Не забывайте, что биполярные транзисторы – это устройства управляющие током: они регулируют коллекторный ток в зависимости от наличия тока между базой и эмиттером, а не напряжения между базой и эмиттером.
Единственный способ заставить транзистор воспроизводить всю форму волны в виде тока, проходящего через динамик – это поддерживать транзистор в активном режиме всё время. Это значит, что мы должны поддерживать ток, проходящий через базу в течение всего цикла входного сигнала. Следовательно, диодный переход база-эмиттер должен всегда оставаться смещённым в прямом направлении. На наше счастье, это реализуемо, если добавить к входному сигналу напряжение смещения постоянного тока. Последовательно подключив достаточное постоянное напряжение к источнику переменного тока, прямое смещение может поддерживаться во всех точках на протяжении волнового цикла:
Рис. 13. VСмещение удерживает транзистор в активной области.
Рис. 14. Неискаженный выходной ток I(v(1)) из-за VСмещение
При наличии источника напряжения смещения 2,3 В транзистор остаётся в активном режиме на протяжении всего волнового цикла, точно воспроизводя форму волны в динамике. Обратите внимание, что входное напряжение (измеренное между узлами 1 и 0) колеблется от 0,8 до 3,8 вольт, размах напряжения 3 вольт, как и ожидалось (напряжение источника = 1,5 вольта на пике). Выходной (от динамика) ток варьируется от нуля до почти 300 мА, со сдвигом на 180° по фазе с входным (микрофонным) сигналом.
Иллюстрация на рисунке 15 ниже – по сути та же схема, но в другом виде, на этот раз с несколькими осциллографами («скопометрами»), подключёнными в критических точках для отображения всех соответствующих сигналов.
Рис. 15. Вход базы смещён вверх. Выход инвертирован.
Смещение
Необходимость смещения схемы транзисторного усилителя для получения полного воспроизведения сигнала – это очень важно. Отдельный раздел этой главы будет полностью посвящён смещению и приёмам смещения. На данный момент достаточно знать, что смещение может быть необходимо для правильного вывода напряжения и тока из усилителя.
Теперь, когда у нас есть работающая схема усилителя, мы можем исследовать её напряжение, ток и прирост мощности. Типовой транзистор, используемый в этих анализах SPICE, имеет β, равный 100, на что указывает короткая распечатка статистики транзисторов (эти статистические данные для краткости были вырезаны из предыдущих двух анализов):
β указан под аббревиатурой «bf», что на самом деле означает «бета-коэффициент, направление вперёд» (англ. «beta, forward»). Если бы мы хотели вставить наше собственное соотношение β для анализа, мы могли бы сделать это в строке .model в списке соединений SPICE.
Поскольку β – это отношение коллекторного тока к базовому току, и наша нагрузка подключена последовательно с выводом коллекторатранзистора, а источник – последовательно с базой, отношение выходного тока к входному току равно бета-коэффициенту. Таким образом, наше текущее усиление для этого примера усилителя составляет β = 100 или 40 дБ.
Усиление напряжения
Коэффициент усиления напряжения немного сложнее вычислить, чем коэффициент усиления тока для этой схемы. Как обычно, коэффициент усиления напряжения определяется как отношение выходного напряжения к входному. Чтобы экспериментально определить это, модифицируем наш последний анализ SPICE для отображения выходного напряжения, а не выходного тока, поэтому у нас тут два графика напряжения для сравнения:
Рис. 16. Кривая V(3) – это сравнение выходного напряжение на rspkr по сравнению с входным.
На графике в том же масштабе (от 0 до 4 вольт) мы видим, что выходной сигнал на рисунке 16 выше имеет меньший размах амплитуды, чем входной сигнал, в дополнение к более низкому напряжению смещения, не превышающему 0 вольт по сравнению с входом. Поскольку усиление напряжения для усилителя переменного тока определяется соотношением амплитуд переменного тока, мы можем игнорировать любое смещение постоянного тока, разделяющее две формы сигнала. Даже в этом случае входной сигнал всё ещё больше, чем выходной сигнал, что свидетельствует о том, что коэффициент усиления напряжения меньше 1 (отрицательное значение в дБ).
Низкое усиление напряжения характерно не для всех усилителей с общим эмиттером. Это следствие большой разницы между входным сопротивлением и сопротивлением нагрузки. Входное сопротивление (R1) здесь составляет 1000 Ом, а сопротивление нагрузки (динамика) всего 8 Ом. Поскольку коэффициент усиления тока данного усилителя определяется исключительно β транзистора, и поскольку это значение β является фиксированным, коэффициент усиления тока для этого усилителя не будет изменяться при изменении любого из этих сопротивлений. Однако усиление напряжения зависит от этих сопротивлений. Если мы изменим сопротивление нагрузки, сделав его значение больше, оно упадёт пропорционально большему напряжению для своего диапазона токов нагрузки, что приведёт к большему выходному сигналу. Попробуем другое моделирование, только на этот раз с нагрузкой 30 Ом вместо нагрузки 8 Ом:
Рис. 17. Увеличение rspkr до 30 Ом увеличивает выходное напряжение.
На этот раз волна выходного напряжения (то, что повыше, синий цвет) значительно больше по амплитуде, чем волна входного сигнала. Присмотревшись, мы видим, что амплитуда выходного сигнала колеблется от 0 до 9 вольт: примерно в 3 раза больше амплитуды входного напряжения.
Мы можем провести еще один компьютерный анализ этой схемы, на этот раз проанализировать в SPICE с точки зрения переменного тока, вывев значения пикового напряжения для входа и выхода вместо временно́го графика для сигналов:
Список соединений SPICE для печати входных и выходных напряжений переменного тока
common-emitter amplifier vinput 1 5 ac 1.5 vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .ac lin 1 2000 2000 .print ac v(1,0) v(4,3) .end
freq
v(1)
v(4,3)
2.000E+03
1.500E+00
4.418E+00
Измерения пикового напряжения на входе и выходе показывают, что входное напряжение составляет 1,5 В, а выходное напряжение – 4,418 В. Это даёт нам коэффициент усиления напряжения 2,9453 (4,418 В / 1,5 В) или 9,3827 дБ.
Рис. 18. Решение для усиления напряжения.
Поскольку коэффициент усиления тока для усилителя с общим эмиттером – это фиксированное β, и поскольку входное и выходное напряжения будут равны входному и выходному токам, умноженным на их соответствующие сопротивления, выводим уравнение для приблизительного усиления напряжения:
Рис. 19. Уравнение для приблизительного усиления напряжения.
Как видим, прогнозируемые результаты для усиления напряжения довольно близки к результатам моделирования. При идеально линейном поведении транзистора эти два набора цифр будут точно совпадать. SPICE резонно учитывает многие «причуды» биполярных транзисторов в своём анализе, отсюда и некоторое несоответствие в усилении напряжения на основе выходного сигнала SPICE.
Эти приросты напряжения остаются неизменными независимо от того, где мы измеряем выходное напряжение в цепи: на коллекторе и эмиттере или на последовательном нагрузочном резисторе, как мы это делали в последнем анализе. Величина изменения выходного напряжения для любого заданного входного напряжения останется прежняя. Рассмотрим ещё два анализа SPICE как доказательство этого. Первое моделирование основано на времени, чтобы обеспечить график входных и выходных напряжений. Как видите, оба сигнала сдвинуты по фазе на 180° относительно друг друга. Вторая симуляция в таблице ниже – это анализ переменного тока, чтобы обеспечить простые показания пикового напряжения для входа и выхода.
Рис. 20. Усилитель с общим эмиттером показывает усиление напряжения при rspkr = 30 Ом.
common-emitter amplifier vinput 1 5 ac 1.5 vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .ac lin 1 2000 2000 .print ac v(1,0) v(3,0) .end
freq
v(1)
v(3)
2.000E+03
1.500E+00
4.418E+00
У нас всё ещё есть пиковое выходное напряжение 4,418 вольт с пиковым входным напряжением 1,5 вольт.
До сих пор все примеры схем, показанные в этом разделе, использовали NPN транзисторы. PNP транзисторы так же пригодны для использования в любой конфигурации усилителя, как и NPN, при условии соблюдения правильной полярности и направления тока. Усилитель с общим эмиттером не является исключением. Инверсия выхода и коэффициент усиления транзисторного усилителя PNP такие же, как и у его аналога NPN, только полярность батареи отличается.
Транзисторы – это, по сути, устройства постоянного тока: они не могут напрямую обрабатывать напряжения или токи, протекающие «не в том» направлении. Чтобы заставить их работать для усиления сигналов переменного тока, входной сигнал должен быть смещён напряжением постоянного тока, чтобы транзистор оставался в активном режиме на протяжении всего цикла волны. Это так называемое смещение.
Если выходное напряжение измеряется между эмиттером и коллектором усилителя с общим эмиттером, оно будет сдвинуто по фазе на 180° по сравнению с волной входного напряжения. Таким образом, усилитель с общим эмиттером иногда называют схемой инвертирующего усилителя.
Коэффициент усиления тока в транзисторном усилителе с общим эмиттером при нагрузке, включённой последовательно с коллектором, равен β. Коэффициент усиления напряжения в транзисторном усилителе с общим эмиттером приблизительно можно вычислить по этой формуле: Рис. 22. Формула для нахождения приблизительного коэффициента усиления тока в усилительном каскаде с общим эмиттером.
Где, «RВых.» – это резистор, подключённый последовательно с коллектором, а «RВх.» – резистор, подключённый последовательно с базой.
