Если вы хотите разработать схемы биполярных транзисторов, вам нужно знать, как их смещать. Смещение - это приложение электричества к транзистору определенным образом, чтобы транзистор работал так, как вы хотите. В основном существует пять классов усилителей - класс A, класс B, класс AB, класс C и класс D. В этой статье мы сосредоточимся на смещении транзистора в конфигурации с общим эмиттером для работы усилителя линейной звуковой частоты класса A, линейная означает выходной сигнал такой же, как входной, но усиленный.
Основы
Чтобы обычный кремниевый транзистор работал в активном режиме (используется в большинстве схем усилителя), его база должна быть подключена к напряжению, по крайней мере, на 0,7 В (для кремниевых устройств) выше, чем эмиттер. После подачи этого напряжения транзистор включается, и начинает течь коллекторный ток с падением между коллектором и эмиттером от 0,2 до 0,5 В. В активном режиме ток коллектора примерно равен току базы, умноженному на коэффициент усиления по току (hfe, β) транзистора.
Ib = Ic / hfe Ic = Ib * hfe
В транзисторе PNP этот процесс обратный, он перестает проводить при подаче определенного напряжения на его базу. Узнайте больше о транзисторах NPN и PNP здесь.
Фиксированное смещение
Самый простой способ смещения BJT представлен на рисунке ниже, R1 обеспечивает смещение базы, а выход берется между R2 и коллектором через блокирующий конденсатор постоянного тока, а входной сигнал подается на базу через блокирующий конденсатор постоянного тока. Эту конфигурацию следует использовать только в простых предварительных усилителях и никогда не использовать выходные каскады мощности, особенно с динамиком вместо R2.
Для смещения транзистора нам необходимо знать напряжение питания (Ucc), напряжение база-эмиттер (Ube, 0,7 В для кремниевых, 0,3 для германиевых транзисторов), требуемый базовый ток (Ib) или ток коллектора (Ic) и коэффициент усиления транзистора по току (hfe, β).
R1 = (Ucc - Ube) / Ib R1 = (Ucc - Ube) / (Ic / hfe)
Значение R2 для оптимального усиления и искажений можно оценить, разделив напряжение питания на ток коллектора. Коэффициент усиления усилителя с этим значением R2 высок, примерно равен значению коэффициента усиления по току транзистора (hfe, β). После добавления нагрузки к выходу, такой как громкоговоритель или следующий каскад усиления, выходное напряжение упадет из-за R2, и нагрузка будет действовать как делитель напряжения. Рекомендуется, чтобы полное сопротивление нагрузки или входное сопротивление следующей ступени было как минимум в 4 раза больше, чем R2. Конденсаторы связи должны обеспечивать менее 1/8 полного сопротивления нагрузки или входного сопротивления следующего каскада при самой низкой рабочей частоте.
Смещение делителя напряжения / собственное смещение
На приведенном ниже рисунке представлена наиболее широко используемая конфигурация смещения, она стабильна по температуре и обеспечивает очень хорошее усиление и линейность. В ВЧ усилителях R3 можно заменить на ВЧ дроссель. В дополнение к одному базовому резистору (R1) и коллекторному резистору (R3) у нас есть дополнительный базовый резистор (R2) и эмиттерный резистор (R4). R1 и R2 образуют делитель напряжения и вместе с падением напряжения на R4 устанавливаются равными базовому напряжению (Ub) схемы. Расчеты усложняются из-за того, что необходимо учитывать больше компонентов и переменных.
Сначала мы начнем с расчета коэффициента резисторов базового делителя напряжения, который определяется формулой, показанной ниже. Для начала расчетов нам необходимо оценить значения тока коллектора и резисторов R2 и R4. Резистор R4 может быть рассчитан на падение от 0,5 В до 2 В при желаемом токе коллектора, а R2 устанавливается в 10-20 раз больше, чем R4. Для предусилителей R4 обычно находится в диапазоне 1–2 кОм.
Без развязки R4 вызывает отрицательную обратную связь, уменьшая усиление, уменьшая искажения и улучшая линейность. Разделение его с помощью конденсатора увеличивает коэффициент усиления, поэтому рекомендуется использовать конденсатор большой емкости с небольшим резистором последовательно.