Какие схемы соединения транзистора применяются в усилителях

Транзисторы в усилительных каскадах работают в трех базовых конфигурациях: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). Каждая из них определяет ключевые параметры усилителя – коэффициент усиления по напряжению (K_U), входное и выходное сопротивления, фазовый сдвиг сигнала. Например, схема ОЭ обеспечивает K_U ≈ 100–500 при входном сопротивлении 1–10 кОм, но инвертирует сигнал на 180°. ОК (эмиттерный повторитель) имеет K_U ≈ 0,9–0,99 и высокое входное сопротивление (50–500 кОм), что делает его идеальным для согласования импедансов.

Выбор схемы зависит от требований к усилителю. Для усиления слабых сигналов с датчиков (например, микрофона с U_вх = 1–10 мВ) оптимальна схема ОЭ с резистивной нагрузкой в коллекторе. При этом R_к выбирают из условия R_к = (U_пит – U_{кэ нас})/I_к, где U_{кэ нас} ≈ 0,2 В для кремниевых транзисторов. Для стабилизации рабочей точки применяют делитель напряжения в базе (R₁, R₂) и эмиттерный резистор (R_э), который снижает температурный дрейф тока коллектора на 50–80%.

В высокочастотных усилителях (f > 1 МГц) предпочтительна схема ОБ, так как она минимизирует влияние емкости перехода коллектор-база (C_кб). Входное сопротивление ОБ составляет 10–100 Ом, что требует согласования с источником сигнала через трансформатор или эмиттерный повторитель. Пример: усилитель на транзисторе 2N2222 в схеме ОБ с f_гр = 250 МГц обеспечивает K_U ≈ 20 на частоте 10 МГц при R_н = 50 Ом.

Для многокаскадных усилителей критично правильное соединение каскадов. Например, связка ОЭ → ОК позволяет получить K_{U общ} ≈ 1000 при входном сопротивлении 100 кОм и выходном 50 Ом. При этом разделительные конденсаторы (C_р) рассчитывают по формуле C_р = 1/(2πf_нR_вх), где f_н – нижняя граничная частота (20 Гц для аудиоусилителей).

Как выбрать схему включения транзистора для усиления сигнала малой мощности

Для усиления сигналов с амплитудой менее 10 мВ и мощностью до 1 мВт оптимальна схема с общим эмиттером (ОЭ). Она обеспечивает коэффициент усиления по напряжению до 100–300 при токе коллектора 0,5–2 мА, что критично для предварительных каскадов. Входное сопротивление в 1–10 кОм позволяет согласовывать транзистор с высокоомными источниками, например, электретными микрофонами. Температурная стабильность достигается введением резистора в цепь эмиттера (R_э = 100–500 Ом), снижающего дрейф параметров на 20–30%. Пример: транзистор КТ3102 с R_к = 4,7 кОм и R_э = 220 Ом даёт усиление 150 при U_пит = 9 В.

Схема с общим коллектором (ОК), или эмиттерный повторитель, незаменима при необходимости согласования с низкоомной нагрузкой (50–600 Ом). Входное сопротивление достигает 50–200 кОм, выходное – 10–100 Ом, что минимизирует потери сигнала. Коэффициент усиления по напряжению близок к единице, но токовое усиление (β + 1) позволяет эффективно передавать мощность. Пример: транзистор КТ315 с R_э = 1 кОм и нагрузкой 300 Ом обеспечивает выходной ток до 5 мА при входном сигнале 5 мВ. Используется в выходных каскадах усилителей для наушников или линий передачи.

Схема с общей базой (ОБ) применяется редко, но оправдана при работе на частотах выше 10 МГц, где требуется минимальная входная ёмкость (единицы пФ). Входное сопротивление составляет 10–100 Ом, что требует предварительного согласования с источником через трансформатор или каскад ОЭ. Пример: транзистор ГТ311 с R_э = 50 Ом и U_кб = 5 В усиливает сигнал 1 МГц с коэффициентом 10 при входном сопротивлении 30 Ом. Недостаток – низкое усиление по току (α ≈ 0,98), что ограничивает применение в низкочастотных цепях.

Расчёт параметров схемы с общим эмиттером на биполярном транзисторе

Схема с общим эмиттером (ОЭ) – базовый каскад усиления напряжения. Для расчёта ключевых параметров требуются: статический коэффициент передачи тока базы h_21Э (β), напряжение питания U_пит, сопротивления резисторов R_к, R_э, R_б1, R_б2, а также входное и выходное сопротивления нагрузки. Начинают с выбора рабочей точки транзистора, обеспечивающей линейный режим усиления без искажений.

Типовые значения для маломощных транзисторов (например, КТ315, BC547): U_кэ = 5–10 В, I_к = 1–5 мА. При U_пит = 12 В и I_к = 2 мА сопротивление коллектора R_к рассчитывают по формуле:

• R_к = (U_пит – U_кэ) / I_к.
• Для U_кэ = 6 В: R_к = (12 – 6) / 0,002 = 3 кОм.

Сопротивление эмиттера R_э стабилизирует рабочую точку. Рекомендуемое падение напряжения на нём – 0,5–2 В. При U_Rэ = 1 В и I_э ≈ I_к:

• R_э = U_Rэ / I_э = 1 / 0,002 = 500 Ом.
• Для температурной стабилизации выбирают R_э ≥ 0,1·R_к.

Делитель напряжения на базе (R_б1, R_б2) задаёт напряжение U_бэ ≈ 0,6–0,7 В. Ток делителя I_дел должен в 5–10 раз превышать ток базы I_б = I_к / β. Для β = 100 и I_к = 2 мА:

• I_б = 0,002 / 100 = 20 мкА.
• I_дел = 10·I_б = 200 мкА.
• R_б2 = U_бэ / I_дел ≈ 0,7 / 0,0002 = 3,5 кОм.
• R_б1 = (U_пит – U_бэ) / (I_дел + I_б) ≈ (12 – 0,7) / 0,00022 ≈ 51 кОм.

Коэффициент усиления по напряжению K_U зависит от сопротивления нагрузки R_н и внутреннего сопротивления транзистора r_кэ ≈ U_эрли / I_к (для BC547 U_эрли ≈ 100 В):

• r_кэ = 100 / 0,002 = 50 кОм.
• K_U = –β·(R_к || R_н) / (R_вх + R_г), где R_вх ≈ β·(R_э + r_э), r_э ≈ 26 мВ / I_э.
• При R_н = 10 кОм и R_г = 1 кОм: K_U ≈ –100·(3 кОм || 10 кОм) / (100·(500 + 13) + 1000) ≈ –20.

Входное сопротивление каскада R_вх определяется параллельным соединением R_б1, R_б2 и сопротивления база-эмиттер r_бэ ≈ β·(r_э + R_э):

• r_э = 26 / 2 ≈ 13 Ом.
• r_бэ = 100·(13 + 500) ≈ 51,3 кОм.
• R_вх = (R_б1 || R_б2 || r_бэ) ≈ (51 кОм || 3,5 кОм || 51,3 кОм) ≈ 3,1 кОм.

Выходное сопротивление R_вых приближённо равно R_к, если R_н >> R_к. При R_н = 10 кОм и R_к = 3 кОм:

• R_вых ≈ R_к = 3 кОм.
• Для снижения R_вых используют эмиттерный повторитель на выходе.

Полоса пропускания ограничена ёмкостями транзистора и паразитными элементами. Верхняя граничная частота f_в зависит от постоянной времени τ = R_к·C_к (для BC547 C_к ≈ 4 пФ):

• f_в ≈ 1 / (2π·R_к·C_к) = 1 / (2π·3000·4·10^–12) ≈ 13 МГц.
• Для расширения полосы уменьшают R_к или применяют высокочастотные транзисторы (например, КТ368).

Особенности работы усилителя с общим коллектором и его применение

Усилитель с общим коллектором (эмиттерный повторитель) отличается коэффициентом усиления по напряжению, близким к единице (0,9–0,99), но обеспечивает значительное усиление по току. Входное сопротивление схемы достигает десятков килоом, что минимизирует нагрузку на источник сигнала, а выходное сопротивление составляет единицы или десятки ом, позволяя согласовывать низкоомные нагрузки. Фазовый сдвиг между входным и выходным сигналом отсутствует, что критично для цепей с обратной связью.

Температурная стабильность эмиттерного повторителя выше, чем у схем с общим эмиттером, благодаря наличию отрицательной обратной связи через резистор в цепи эмиттера. При изменении температуры на 20°C дрейф выходного напряжения не превышает 5–10 мВ, что делает схему пригодной для прецизионных аналоговых устройств. Для повышения стабильности рекомендуется использовать транзисторы с низким температурным коэффициентом (например, кремниевые планарные структуры).

Полоса пропускания усилителя ограничена частотными свойствами транзистора и паразитными емкостями. На частотах выше 1 МГц коэффициент передачи начинает снижаться из-за влияния емкости коллектор-база (C_cb). Для расширения частотного диапазона применяют транзисторы с граничной частотой f_T ≥ 100 МГц (например, 2N3904, BC547) и минимизируют длину проводников в цепи базы.

Выходная мощность эмиттерного повторителя зависит от тока эмиттера и напряжения питания. При напряжении 12 В и токе 50 мА схема способна отдавать в нагрузку до 600 мВт без искажений. Для увеличения мощности используют составные транзисторы (схему Дарлингтона) или параллельное включение нескольких приборов с выравнивающими резисторами в цепях эмиттеров (0,1–0,5 Ом).

Ключевое применение усилителя – согласование высокоомных источников сигнала с низкоомными нагрузками. Например, в аудиотехнике эмиттерный повторитель используется для подключения электретного микрофона (выходное сопротивление 1–10 кОм) к усилителю мощности (входное сопротивление 100–500 Ом). В измерительных приборах схема обеспечивает развязку чувствительных датчиков от входных цепей АЦП.

В импульсных устройствах эмиттерный повторитель снижает время нарастания фронта сигнала за счет низкого выходного сопротивления. При работе с ТТЛ-логикой (нагрузка 1–2 кОм) время переключения не превышает 20 нс, что позволяет использовать схему в формирователях тактовых импульсов. Для повышения быстродействия выбирают транзисторы с малым временем рассасывания (t_s ≤ 10 нс) и применяют ускоряющие конденсаторы в цепи базы (10–100 пФ).

Эмиттерный повторитель часто применяется в цепях питания для стабилизации напряжения. При включении в качестве выходного каскада линейного стабилизатора схема обеспечивает выходное сопротивление менее 0,1 Ом и ток нагрузки до 1 А. Для защиты от короткого замыкания в цепь эмиттера устанавливают токоограничивающий резистор (0,5–1 Ом) или используют транзисторы с встроенной защитой (например, TIP41C).

При проектировании схемы критически важно правильно выбрать резистор в цепи базы. Его сопротивление должно обеспечивать ток базы, достаточный для насыщения транзистора при максимальном токе нагрузки. Для кремниевых транзисторов с h_FE = 100–300 при токе эмиттера 100 мА сопротивление резистора базы рассчитывается по формуле R_b = (U_вх – 0,7 В) / (I_э / h_FE). При U_вх = 5 В и I_э = 100 мА R_b составит 4,3–13 кОм.

Построение усилителя с общим стоком на полевом транзисторе: шаги и формулы

Схема с общим стоком (истоковый повторитель) на полевом транзисторе (ПТ) обеспечивает высокое входное сопротивление (до сотен МОм) и коэффициент усиления по напряжению, близкий к единице. Начинают с выбора транзистора: для маломощных каскадов подходят JFET (например, 2N3819) или MOSFET с обогащением (IRF510). Ключевые параметры – крутизна *g_m* (0.5–10 мСм) и напряжение отсечки *V_GS(off)* (для JFET) или пороговое *V_th* (для MOSFET). Рассчитывают рабочую точку: при *V_DD* = 12 В выбирают *V_GS* = –1 В (JFET) или *V_GS* = 4 В (MOSFET), обеспечивая *I_D* = 1–5 мА. Сопротивление в цепи истока *R_S* определяют по формуле: *R_S* = (*V_DD* – *V_DS*) / *I_D*, где *V_DS* ≥ 2–3 В для линейного режима.

Входное сопротивление каскада *R_вх* ≈ *R_G*, где *R_G* – резистор затвора (1–10 МОм). Для стабилизации рабочей точки применяют делитель напряжения на затворе: *R₁* и *R₂* выбирают так, чтобы *V_G* = *V_GS* + *I_DR_S*. Пример: для *V_GS* = –1 В, *I_D* = 2 мА и *R_S* = 2 кОм, *V_G* = 3 В. Тогда *R₁* = (*V_DD* – *V_G*) / *I_делит*, *R₂* = *V_G* / *I_делит*, где *I_делит* = 0.1–1 мкА. Коэффициент усиления по напряжению *K_U* = *g_mR_S* / (1 + *g_mR_S*) ≈ 0.8–0.95. Для расчёта *g_m* используют формулу: *g_m* = 2*I_DSS* / |*V_GS(off)*| * √(*I_D* / *I_DSS*) (для JFET) или *g_m* = 2*K*√(*I_D*) (для MOSFET, где *K* – параметр технологии).

Выходное сопротивление *R_вых* ≈ 1 / *g_m* (50–500 Ом). Для согласования с низкоомной нагрузкой (например, 50 Ом) применяют эмиттерный повторитель на биполярном транзисторе или буферный каскад. Разделительные конденсаторы *C_вх* и *C_вых* выбирают из условия *X_C* ≤ 0.1*R_вх/вых* на нижней граничной частоте *f_н*: *C* ≥ 1 / (2π*f_н*0.1*R*). При *f_н* = 20 Гц и *R_вх* = 1 МОм, *C_вх* ≥ 80 нФ. Для MOSFET с изолированным затвором обязательно использование резистора *R_G* = 100 кОм–1 МОм для защиты от статического электричества.

Практическая сборка начинается с монтажа *R_S* и транзистора, затем подключают делитель *R₁*, *R₂* и конденсаторы. Питание подают через фильтр *R_ф* = 100 Ом–1 кОм и *C_ф* = 10–100 мкФ. Настройка: измеряют *V_GS* и *I_D*, корректируя *R_S* или *R₂*. При искажениях сигнала уменьшают амплитуду входного напряжения или увеличивают *V_DS*. Для температурной стабильности *I_D* применяют терморезистор в цепи истока или источник тока вместо *R_S*.

Сравнение коэффициентов усиления в разных схемах включения транзисторов

Коэффициент усиления по напряжению (K_U) и току (K_I) зависит от схемы включения транзистора. В схеме с общим эмиттером (ОЭ) K_U достигает 100–500, а K_I – 50–200, что делает её оптимальной для универсальных усилителей. Схема с общей базой (ОБ) обеспечивает K_U до 1000, но K_I ≈ 1, что ограничивает её применение высокочастотными каскадами. В схеме с общим коллектором (ОК) K_U ≤ 1, зато K_I достигает 100–500, что идеально для согласования импедансов.

Для наглядности приведём сравнительные характеристики при типовом режиме работы (I_C = 1 мА, U_CE = 5 В, h_21Э = 100):

Схема ОЭ выигрывает по балансу параметров, но её K_U снижается на высоких частотах из-за эффекта Миллера. Для компенсации используют каскодное включение (ОЭ + ОБ), где K_U суммируется, а частотные свойства улучшаются. Схема ОБ, несмотря на высокий K_U, требует низкоомного источника сигнала, иначе усиление падает из-за малого R_вх. В ОК основное преимущество – низкое R_вых, что критично для согласования с низкоомной нагрузкой, например, динамиками.

При выборе схемы учитывайте не только коэффициенты усиления, но и требования к входному/выходному сопротивлению. Для предварительных каскадов с высоким R_вх подходит ОК, для промежуточных – ОЭ, для выходных (с низким R_вых) – снова ОК или двухтактные схемы. В высокочастотных усилителях (f > 10 МГц) ОБ часто комбинируют с ОЭ в каскодных схемах, чтобы избежать паразитных обратных связей.

Типовые значения K_U для ОЭ можно оценить по формуле: K_U ≈ (h_21Э · R_C) / (R_вх + R_ист), где R_C – сопротивление коллекторной нагрузки, R_ист – сопротивление источника сигнала. Для ОБ K_U ≈ (h_21Б · R_C) / R_ист, где h_21Б ≈ h_21Э / (1 + h_21Э). В ОК K_U ≈ R_Э / (R_Э + R_ист / h_21Э), где R_Э – сопротивление в цепи эмиттера.