Изследване на базови транзисторни усилвателни схеми

-

Тази история съм посветил на  основните транзисторни усилвателни стъпала: общ емитер, обща база, общ колектор и диференциален усилвател. В нея показвам как те могат да бъдат построени последователно, стъпка по стъпка, разкривайки идеята, която стои зад тях. Този подход използвам в занятията със студентите си по дисциплината СКЕ от 2004 г. и по дисциплината ППЕ от 2015 г. Освен това, съм превел тази история на английски език под заглавие How do we investigate basic transistor amplifier stages? и съм й посветил статията си What is the idea behind the transistor differential amplifier? в секцията Electrical Engineering на платформата за въпроси и отговори Codidact.

Построяваме схемата

Какво е това усилвател?

В буквалния смисъл на думата, усилване на енергия няма. Не е възможно да получим голяма мощност от малка, защото това би нарушило закона за съхранение на енергията (тя може само да се преобразува). Под усилване всъщност се има предвид регулиране. Ето едно просто интуитивно обяснение на този трик...

Усилвател с токов изход...

Включваме един регулиращ елемент (транзистор T) последователно на захранващ източник на напрежение Vcc и започваме да командваме неговото "съпротивление" чрез входния сигнал Vin. В резултат на това, токът Ic започва да се мени.


Мисля, че това е възможно най-простото обяснение на това как работи транзисторът. Но ако не харесвате думата "съпротивление", добавете "нелинейно" пред нея. Ако въобще не сте съгласни с това обяснение, тогава аз бих ви попитал, "Какво друго свойство има транзисторът, за да може да регулира тока във веригата?"

... индициран със светодиод

Освен с класическия амперметър, можем да наблюдаваме тока и с помощта на един светодиод (силата на светене ни дава представа за големината на тока).

Усилвател с напреженов изход...

Но ние имаме нужда от усилвател на напрежение. За целта трябва да превърнем изходния ток в изходно напрежение Vout. За целта включваме един резистор  Rc в изходната верига и върху него възниква "неинвертиран" пад VRc = Ic.Rc (в смисъл, че когато входното напрежение расте, изходното също расте по абсолютна стойност).
Можем да използваме и допълнението на този пад до захранващото напрежение като едно "инвертирано" изходно напрежение Vce (в смисъл, че когато входното напрежение расте, изходното намалява по абсолютна стойност). Така получаваме най-простата схема на свързване на транзистора, известна като общ емитер, в която входното напрежение се подава на базата, а емитерът е свързан към маса.

Входното напрежение като разлика от две входни напрежения

Ако подадем второ напрежение Ve на емитера, възможностите за управление на транзистора се увеличават и можем да получим още схеми на транзисторни усилвателни стъпала - обща база, общ колектор, диференциален усилвател. Сега "истинското" входно напрежение Vbe на транзистора е разлика на двете напрежения Vb и Ve. Vbe е диференциално, "плаващо" (несвързано с масата) напрежение, а Vb и Ve са "единични", несиметрични напрежения, отчитани спрямо масата. Дааа... време е да въведем понятието "маса"...

Практическа схема

Двете напрежения Vb и Ve можем да получим по най-прост начин от захранващото Vcc с помощта на два потенциометъра P1 и P2. Когато някое от напреженията е константно, ще чертаем вместо потенциометър дискретен делител на напрежение, но на практика ще го получаваме чрез потенциометър, на който държим плъзгача неподвижен.

Постановка за изследване на различни базови транзисторни усилвателни стъпала

... и върху черната дъска...


Реализираме схемата върху платката

Използваме следните елементи:

 Линеен потенциометър 1 k...

Транзистор с общо предназначение BC547C

Светодиод VQA13.
Цифрови мултиметри DT830B

Схемата, монтирана на платката...

... в едър план.

Изследваме различни базови транзисторни схеми

Управляваме транзистора откъм базата (схема "общ емитер")

В този случай задаваме някакво постоянно напрежение Ve на емитера и първоначално, приблизително същото базово напрежение Vb.  След това започваме да меним внимателно, в малки граници, базовото напрежение като входно Vin.

В схема "общ емитер", задаваме константно напрежението на емитер Ve и изменяме напрежението на базата Vb.

Забелязваме, че когато базовото напрежение надвиши емитерното с около 600 mV, транзисторът започва да се отпушва и колекторният ток да расте (светодиодът започва да свети). Падът върху колекторния резистор започва да расте, а неговото допълнение - напрежението Vce, намалява. Затова схемата е инвертираща.


Ето и някои студентски експерименти от лабораторията по СКЕ, 16.04.2019 г.

Управляваме транзистора откъм емитера (схема "обща база")

Сега задаваме постоянно напрежение Vb на базата и първоначално, приблизително същото емитерно напрежение Ve.  След това започваме да меним внимателно, в малки граници, емитерното напрежение като входно Vin.

В схема "обща база", задаваме константно напрежението на базата Vb и изменяме напрежението на емитера Ve.

Например, ако базовото напрежение се доближи до емитерното с по-малко от 600 mV, транзисторът започва да се запушва и колекторният ток да намалява (светодиодът започва да свети). Падът върху колекторния резистор започва да намалява, а неговото допълнение - напрежението Vce, да нараства. Затова схемата е неинвертираща.


Но тук забелязваме един неприятен момент - големият колекторен ток протича през входния източник. Това означава, че схемата има малко входно съпротивление.
Ето и някои експерименти от предишни години:



Управляваме транзистора откъм базата с обратна връзка (схема "общ колектор")

В този случай, когато базовото напрежение расте, транзисторът започва да се отпушва все повече и да пропуска все по-голям колекторен ток през емитерния резистор (светодиодът започва да свети все по-силно).
Падът върху колекторния резистор расте, но това няма особено значение в случая. По-същественото е, че емитерното напрежение расте и се стреми да се изравни с базовото напрежение ("повтаря" го, оттам и името на схемата "емитерен повторител").

В схема "общ колектор", изменяме напрежението на базата Vb, а транзисторът сам си мени напрежението на емитера Ve в същата посока

Управляваме транзистора едновременно откъм базата и емитера (диференциален усилвател)

Можем да разширим нашите експерименти, ако започнем да променяме и двете напрежения едновременно. Така неусетно "изобретяваме" праобраза на диференциалния усилвател. Имаме две възможности:

... еднопосочно (синфазно)...

Първо, нека да изменяме напреженията Vb и Ve (движим плъзгачите на потенциометрите) едновременно и в една и съща посока. В резултат на това, входното напрежение Vbe, колекторният ток Ic и изходното напрежение Vout  не се променят, т.е. схемата не усилва.

В схемата на най-елементарния "диференциален усилвател" при синфазен сигнал,  изменяме едновременно и в една и съща посока напреженията Vb и Ve.

... противопосочно (диференциално)

Нека сега да започнем да изменяме напреженията Vb и Ve (движим плъзгачите) едновременно, но в различни посоки (противоположно). Сега входното напрежение Vbe, колекторният ток Ic и изходното напрежение Vout драстично се променят, т.е. схемата усилва много.

В схемата на "диференциалния усилвател" при диференциален сигнал,  изменяме едновременно и в противоположна посока напреженията Vb и Ve.

Несъвършенства

Нашата опитна постановка е подкупващо проста, но все пак тя има някои недостатъци. Нека да видим кои са те и как можем да ги преодолеем:

1. Потенциометрите са доста високоомни и се влияят взаимно през прехода база-емитер, който сякаш ги свързва като парче проводник. Можем да намалим този отрицателен ефект, ако ги заменим  с по-нискоомни, но те трябва да могат да разсейват повечето топлина.

2. Има опасност от повреда на потенциометрите или прехода база-емитер, ако плъзгачите се дадат в крайните им противоположни положения (източникът се дава "накъсо"). Решението е да вмъкнем предпазно съпротивление във веригата.

Уеб ресурси

How do we investigate basic transistor amplifier stages? - същата история в блога ми, но на английски език
What is the idea behind the transistor differential amplifier? моя статия, превод на този материал, публикувана в секцията Electrical Engineering на платформата за въпроси и отговори Codidact
Common Base Amplifier Confusion - материалът ми в StackExchange, описващ тази опитна постановка
Изследване на схема "общ емитер" - СКЕ, лаб. 1217, 16.04.2019 г.
Изследване на схема "обща база" - СКЕ, лаб. 1217, 16.04.2019 г.

Comments

Post a Comment