В статье я простыми словами расскажу о схемотехнике однотранзисторного усилительного каскада с улучшенными характеристиками. Рассмотрим назначение каждого элемента схемы. Каскад можно использовать как входную часть усилителя мощности звуковой частоты или как самостоятельный предусилитель с батарейным питанием, например, встроенный в микрофон или в электрогитару. Это позволит улучшить соотношение сигнал/шум и упростит задачу оцифровки, так как по сигнальному кабелю будет передаваться сигнал большей амплитуды.
Вначале предупрежу негодование. Уровень статьи любительский. В настоящее время построение усилителей на отдельных транзисторах — это скорее техническое развлечение для энтузиастов или дань уважения прошлому. Если вам нужен стабильный и повторяемый результат с высокими характеристиками, лучше использовать схемотехнические решения на современных операционных усилителях. Описание упрощено, я постарался обойтись без формул. О базовых свойствах биполярных транзисторов я рассказывал в предыдущей статье и настоятельно рекомендую начать именно с неё.
В книгах 80-х годов для начинающих радиолюбителей приводилась типичная простейшая схема усилителя на одном транзисторе, где эмиттер подключён к шине «земли», а смещение на базу поступает через резистор, номинал которого предполагалось подбирать под конкретный транзистор.
В то время была распространена практика применения положительной шины питания в качестве общего электрода («земли»). Это было связано с популярностью германиевых транзисторов, которые технологически проще изготавливались в p-n-p исполнении. Сегодня ситуация противоположна: «земля» почти всегда выбирается отрицательной, потому как биполярные кремниевые n-p-n транзисторы более энергоэффективны.
Вот как выглядела «детская» схема усилителя с включением по типу общего (заземлённого) эмиттера. На приведённом примере два каскада, но они одинаковы по конструкции. (Схема из книги Борисова В.Г. «Юный радиолюбитель», 1985 г.)
Такая схема хороша для понимания новичками, но имеет несколько очевидных недостатков. Первый — необходимость подбирать номинал резистора, через который подаётся ток для приоткрытия транзистора (так называемое смещение). Про назначение смещения я уже писал в предыдущей статье про эмиттерный повторитель. Вновь рекомендую с ней ознакомиться.
Из-за естественного несовершенства технологических процессов транзисторы имеют разброс параметров. Даже современные из одной партии отличаются друг от друга коэффициентом передачи тока, что существенно влияет на усилительные свойства. Это означает необходимость индивидуального подбора базового резистора для каждого транзистора, что представляет собой лишний этап производства. Но это только половина проблемы.
Коэффициент передачи тока зависит от напряжения питания, тока базы-эмиттер и температуры кристалла транзистора. Все эти условия приводят к нестабильности параметров каскада и ухудшают работу устройства, росту искажений звука.
Второй недостаток связан с нелинейными усилительными свойствами транзистора. Если на вход упрощённого каскада подать пилообразный сигнал, на выходе получится усиленный, но искажённый сигнал.
Обратите внимание: у осциллографов на схеме разный масштаб отображения. Это сделано для наглядности формы сигналов. На вход поступает сигнал 5,4 милливольта (среднеквадратичное значение или RMS), а на выходе 1916 милливольт. Коэффициент усиления получился около 355.
Проведём эксперимент и включим в цепь эмиттера резистор на порядок меньший, чем в цепи коллектора, 470 ом.
На выходе сигнал стал меньше — всего 56 милливольт при том же входном уровне; коэффициент усиления уменьшился до 10. Амплитуда снизилась, зато повысилась линейность: форма сигнала на выходе повторяет треугольник.
Если продолжать увеличивать сопротивление резистора в эмиттере, схема превратится в эмиттерный повторитель с коэффициентом усиления, близким к единице. Получается, что наличие эмиттерного резистора создаёт некий гибрид схемы с общим эмиттером и эмиттерного повторителя (такую схему называют ещё схемой с общим коллектором, хотя термин лично мне кажется менее понятным).
Третий недостаток усилителей с заземлённым эмиттером — это отсутствие температурной компенсации. Для нормальной работы усилительного каскада необходимо создание определённого тока базы, при котором рабочая точка (точка покоя) транзистора располагается примерно посередине диапазона от нуля до напряжения питания устройства. Если настроить рабочую точку при определённой температуре, при изменении температуры даже на десяток градусов эта точка сместится к одному из крайних значений, и усилитель начнёт искажать сигнал.
Биполярные транзисторы (особенно винтажные германиевые) имеют свойство увеличивать обратный ток p-n-переходов при повышении температуры. Эмиттерный резистор позволяет успешно бороться с этим явлением. Постараюсь объяснить это проще: при нагреве и росте обратного тока коллектора потенциал эмиттера повышается, поэтому ток базы уменьшается (по закону Ома). Этот процесс и обеспечивает отрицательную обратную связь по постоянному току, стабилизируя рабочую точку. Точно как это происходит в эмиттерном повторителе. Оптимальным считается соотношение номиналов резистора в эмиттере и резистора в коллекторе примерно 1 к 10.
Мы рассмотрели, какие преимущества даёт эмиттерный резистор. Что ещё можно улучшить? Раньше смещение на базу подавалось через единственный резистор, ограничивающий ток и требующий индивидуального подбора. Используя простой делитель напряжения, можно зафиксировать потенциал базы на желаемом уровне. Рассмотрим каскад в режиме покоя, для наглядности я подготовил анимацию, отображающую силу тока в разных точках схемы:
В схеме используется питание 20 Вольт — не лучшее и не самое удобное напряжение. Такая схема приведена в книге «Искусство схемотехники» П. Хоровица и У. Хилла (1984 г, рус. изд., стр. 118). Рекомендую ознакомиться с оригиналом, там подробно описан принцип работы. Нам же достаточно понять основной смысл.
На входе установлены два резистора, средняя точка которых подключена к базе транзистора. Это простой делитель напряжения, номиналы которого выбраны так, чтобы в средней точке появился потенциал примерно 1,6 Вольт. Выбор оптимальных номиналов резисторов (не только их соотношения, но и абсолютных значений) важен для получения стабильности при разумном расходе энергии.
Например, можно было выбрать номиналы резисторов порядка сотен ом и получить бессмысленный расход заряда батареи, который будет рассеиваться в виде тепла, но получится «железобетонно» устойчивая точка потенциала. Если выбрать номиналы порядка сотен килоом, получится делитель с очень высоким внутренним сопротивлением, и потенциал средней точки будет легко просаживаться ненулевым входным сопротивлением транзистора. Аналоговая схемотехника — это всегда поиск оптимальных режимов в зависимости от задачи.
Осталось пропустить переменную составляющую сигнала обходным путём. Для этого параллельно эмиттерному резистору подключают конденсатор. Чтобы также обеспечить необходимую отрицательную обратную связь (ООС) для переменного сигнала, конденсатор подключают последовательно с сопротивлением меньшего номинала. Конденсатор выбирают таким образом, чтобы на нижней граничной частоте полосы пропускания его реактивное сопротивление было небольшим. То же правило действует и для межкаскадных разделительных конденсаторов.
Интерактивная модель схемы: tinyurl.com/232ve9xy.
Я хочу ещё раз вернуться к неисчерпаемой теме биполярных транзисторов, потому что испытываю к ним иррациональное благоговение и некоторую радость от того, что мои многолетние попытки разобраться наконец-то дают результат. В последующей публикации хочу рассчитать транзисторный предусилитель с питанием от одного литий-ионного аккумулятора, собрать и испытать на доступных компонентах и, если получится, измерить её параметры. Но вначале необходимо собрать и испытать генератор эталонного сигнала. Покупать готовый не интересно, а сделать самодельный не так просто как казалось.
Не отчаивайтесь, если столкнулись с затруднениями или не до конца разобрались в теме. Аналоговая схемотехника — сложная головоломка, вопросов возникает больше с каждым новым уровнем понимания. Это нормально для нашего мозга, который не был приспособлен эволюцией для решения абстрактных задач и осмысления процессов, скрытых от непосредственного наблюдения. Я изучаю тему много лет и многое не понимаю. Возможно, где-то существуют сверхразумы в недрах НИИ, которые видят картину во всех подробностях от атомарного уровня до сложных многоблочных схем. Но мы с вами — энтузиасты. Продолжайте тянуться к знаниям — это достойное занятие.
Если вы хотите более глубоко изучить основы полупроводниковых схем, рекомендую вам курс, который читает Григорьев Александр Алексеевич, доцент кафедры радиотехники МФТИ.
© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»
Вначале предупрежу негодование. Уровень статьи любительский. В настоящее время построение усилителей на отдельных транзисторах — это скорее техническое развлечение для энтузиастов или дань уважения прошлому. Если вам нужен стабильный и повторяемый результат с высокими характеристиками, лучше использовать схемотехнические решения на современных операционных усилителях. Описание упрощено, я постарался обойтись без формул. О базовых свойствах биполярных транзисторов я рассказывал в предыдущей статье и настоятельно рекомендую начать именно с неё.
▍ Недостатки схемы с заземлённым эмиттером
В книгах 80-х годов для начинающих радиолюбителей приводилась типичная простейшая схема усилителя на одном транзисторе, где эмиттер подключён к шине «земли», а смещение на базу поступает через резистор, номинал которого предполагалось подбирать под конкретный транзистор.
В то время была распространена практика применения положительной шины питания в качестве общего электрода («земли»). Это было связано с популярностью германиевых транзисторов, которые технологически проще изготавливались в p-n-p исполнении. Сегодня ситуация противоположна: «земля» почти всегда выбирается отрицательной, потому как биполярные кремниевые n-p-n транзисторы более энергоэффективны.
Вот как выглядела «детская» схема усилителя с включением по типу общего (заземлённого) эмиттера. На приведённом примере два каскада, но они одинаковы по конструкции. (Схема из книги Борисова В.Г. «Юный радиолюбитель», 1985 г.)
Такая схема хороша для понимания новичками, но имеет несколько очевидных недостатков. Первый — необходимость подбирать номинал резистора, через который подаётся ток для приоткрытия транзистора (так называемое смещение). Про назначение смещения я уже писал в предыдущей статье про эмиттерный повторитель. Вновь рекомендую с ней ознакомиться.
Из-за естественного несовершенства технологических процессов транзисторы имеют разброс параметров. Даже современные из одной партии отличаются друг от друга коэффициентом передачи тока, что существенно влияет на усилительные свойства. Это означает необходимость индивидуального подбора базового резистора для каждого транзистора, что представляет собой лишний этап производства. Но это только половина проблемы.
Коэффициент передачи тока зависит от напряжения питания, тока базы-эмиттер и температуры кристалла транзистора. Все эти условия приводят к нестабильности параметров каскада и ухудшают работу устройства, росту искажений звука.
Второй недостаток связан с нелинейными усилительными свойствами транзистора. Если на вход упрощённого каскада подать пилообразный сигнал, на выходе получится усиленный, но искажённый сигнал.
Обратите внимание: у осциллографов на схеме разный масштаб отображения. Это сделано для наглядности формы сигналов. На вход поступает сигнал 5,4 милливольта (среднеквадратичное значение или RMS), а на выходе 1916 милливольт. Коэффициент усиления получился около 355.
Проведём эксперимент и включим в цепь эмиттера резистор на порядок меньший, чем в цепи коллектора, 470 ом.
На выходе сигнал стал меньше — всего 56 милливольт при том же входном уровне; коэффициент усиления уменьшился до 10. Амплитуда снизилась, зато повысилась линейность: форма сигнала на выходе повторяет треугольник.
Если продолжать увеличивать сопротивление резистора в эмиттере, схема превратится в эмиттерный повторитель с коэффициентом усиления, близким к единице. Получается, что наличие эмиттерного резистора создаёт некий гибрид схемы с общим эмиттером и эмиттерного повторителя (такую схему называют ещё схемой с общим коллектором, хотя термин лично мне кажется менее понятным).
Третий недостаток усилителей с заземлённым эмиттером — это отсутствие температурной компенсации. Для нормальной работы усилительного каскада необходимо создание определённого тока базы, при котором рабочая точка (точка покоя) транзистора располагается примерно посередине диапазона от нуля до напряжения питания устройства. Если настроить рабочую точку при определённой температуре, при изменении температуры даже на десяток градусов эта точка сместится к одному из крайних значений, и усилитель начнёт искажать сигнал.
Биполярные транзисторы (особенно винтажные германиевые) имеют свойство увеличивать обратный ток p-n-переходов при повышении температуры. Эмиттерный резистор позволяет успешно бороться с этим явлением. Постараюсь объяснить это проще: при нагреве и росте обратного тока коллектора потенциал эмиттера повышается, поэтому ток базы уменьшается (по закону Ома). Этот процесс и обеспечивает отрицательную обратную связь по постоянному току, стабилизируя рабочую точку. Точно как это происходит в эмиттерном повторителе. Оптимальным считается соотношение номиналов резистора в эмиттере и резистора в коллекторе примерно 1 к 10.
▍ Усовершенствованная схемотехника
Мы рассмотрели, какие преимущества даёт эмиттерный резистор. Что ещё можно улучшить? Раньше смещение на базу подавалось через единственный резистор, ограничивающий ток и требующий индивидуального подбора. Используя простой делитель напряжения, можно зафиксировать потенциал базы на желаемом уровне. Рассмотрим каскад в режиме покоя, для наглядности я подготовил анимацию, отображающую силу тока в разных точках схемы:
В схеме используется питание 20 Вольт — не лучшее и не самое удобное напряжение. Такая схема приведена в книге «Искусство схемотехники» П. Хоровица и У. Хилла (1984 г, рус. изд., стр. 118). Рекомендую ознакомиться с оригиналом, там подробно описан принцип работы. Нам же достаточно понять основной смысл.
На входе установлены два резистора, средняя точка которых подключена к базе транзистора. Это простой делитель напряжения, номиналы которого выбраны так, чтобы в средней точке появился потенциал примерно 1,6 Вольт. Выбор оптимальных номиналов резисторов (не только их соотношения, но и абсолютных значений) важен для получения стабильности при разумном расходе энергии.
Например, можно было выбрать номиналы резисторов порядка сотен ом и получить бессмысленный расход заряда батареи, который будет рассеиваться в виде тепла, но получится «железобетонно» устойчивая точка потенциала. Если выбрать номиналы порядка сотен килоом, получится делитель с очень высоким внутренним сопротивлением, и потенциал средней точки будет легко просаживаться ненулевым входным сопротивлением транзистора. Аналоговая схемотехника — это всегда поиск оптимальных режимов в зависимости от задачи.
Осталось пропустить переменную составляющую сигнала обходным путём. Для этого параллельно эмиттерному резистору подключают конденсатор. Чтобы также обеспечить необходимую отрицательную обратную связь (ООС) для переменного сигнала, конденсатор подключают последовательно с сопротивлением меньшего номинала. Конденсатор выбирают таким образом, чтобы на нижней граничной частоте полосы пропускания его реактивное сопротивление было небольшим. То же правило действует и для межкаскадных разделительных конденсаторов.
Интерактивная модель схемы: tinyurl.com/232ve9xy.
▍ Планы
Я хочу ещё раз вернуться к неисчерпаемой теме биполярных транзисторов, потому что испытываю к ним иррациональное благоговение и некоторую радость от того, что мои многолетние попытки разобраться наконец-то дают результат. В последующей публикации хочу рассчитать транзисторный предусилитель с питанием от одного литий-ионного аккумулятора, собрать и испытать на доступных компонентах и, если получится, измерить её параметры. Но вначале необходимо собрать и испытать генератор эталонного сигнала. Покупать готовый не интересно, а сделать самодельный не так просто как казалось.
▍ Напутствие
Не отчаивайтесь, если столкнулись с затруднениями или не до конца разобрались в теме. Аналоговая схемотехника — сложная головоломка, вопросов возникает больше с каждым новым уровнем понимания. Это нормально для нашего мозга, который не был приспособлен эволюцией для решения абстрактных задач и осмысления процессов, скрытых от непосредственного наблюдения. Я изучаю тему много лет и многое не понимаю. Возможно, где-то существуют сверхразумы в недрах НИИ, которые видят картину во всех подробностях от атомарного уровня до сложных многоблочных схем. Но мы с вами — энтузиасты. Продолжайте тянуться к знаниям — это достойное занятие.
Если вы хотите более глубоко изучить основы полупроводниковых схем, рекомендую вам курс, который читает Григорьев Александр Алексеевич, доцент кафедры радиотехники МФТИ.
© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»
Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT 💻
