Skip to content
АЦУ · Тема 2 · Усилвателят

Транзисторът – кран за ток

Сърцето на нашия микрофонен предусилвател е един транзистор. Тук отваряме кутията от тема 1 – как малкият ток на базата управлява голям ток на колектора, защо транзисторът трябва да стои в точно определена работна точка и какво става, ако тя „плава“. Накрая – полевият транзистор MOSFET.

≈ 5 мин четене∿ 4 живи уредаСамопроверка: 4 въпроса

Биполярният транзистор ​

Транзисторът е кран за ток. Има три извода – емитер, база, колектор. Малък ток в базата IБ отваря крана и през колектора тече β пъти по-голям ток IК = β·IБ. При нашия транзистор β = 200. За да усилва, преходът база–емитер е отпушен (≈ 0,65 V), а колекторният – запушен.

Как се държи, се вижда от изходните характеристики: за всеки ток на базата – колко колекторен ток тече при всяко напрежение UКЕ. Схемата на предусилвателя позволява само точките от товарната права: колкото повече ток тече през RК = 4,7 kΩ, толкова повече напрежение пада върху него. Пресечната точка е работната точка: IК = 1,39 mA, UКЕ = 4,12 V.

Изходни характеристики
IК(UКЕ) при различен ток на базата
0246810120123UКЕ, VIК, mA
IБ = 2 μA IБ = 4 μA IБ = 6 μA IБ = 8 μA IБ = 10 μA IБ = 12 μA товарна права работната точка
Фигура 1.

Всяка сива линия е един ток на базата (през 2 μA); синята е 8 μA. Почти хоризонтални са: токът зависи от базата, не от UКЕ. Леко нагоре са заради ефекта на Ърли. Вдясно, близо до 0 V, транзисторът е в насищане – кранът е отворен докрай. Дръпни RК до 10 kΩ: правата става полегата и работната точка стига насищането.

Работната точка и как се задава ​

Работната точка трябва да стои, където сме я сложили. Но β на два транзистора от една кутия може да е 100 и 400, а и се мени с температурата. Най-простият начин е фиксиран ток на базата: един резистор RБ от захранването. Той дава IБ, а IК = β·IБ – значи работната точка плава заедно с β.

Предусилвателят прави друго: делител RБ1/RБ2 задава напрежението на базата, а резисторът RЕ в емитера – тока: IК ≈ (UБ − 0,65)/RЕ, без β! Ако токът порасне, напрежението на RЕ расте и запушва базата – това е отрицателна обратна връзка (тема 5).

При β = 200 колекторът е на 5,09 V с фиксиран ток и на 5,51 V с делител.

Работната точка плава
Напрежението на колектора срещу β
1002003004000510β на транзистораUК, V
фиксиран ток на базата делител + RЕ (предусилвателят) сега
+Ucc 12 V∿микрофонCвх 10 μFRБ 1,62 MΩβ = 200RК 4,7 kΩUК
Входът: звукът, както е записан
020040060080010001200−101t – време, msx
входът x(n)
Изходът: звукът с фиксиран ток
020040060080010001200−101t – време, msy
изходът y(n)
Фигура 2.

Червената линия (фиксиран ток) пада от захранването до нула; зелената (делител) почти не мърда. Чуй думата през схемата с фиксиран ток (изходът е в един и същ мащаб): при β = 200 минава; при 400 транзисторът е наситен и остават само горните полувълни – хрипти; при 50 токът е малък, стръмността също, и думата е 4 пъти по-тиха.

Класове на работа ​

Колко от периода тече ток през транзистора, зависи от отместването на базата. Тук към него 1,8 V се добавя синус 1 V. Токът тече 360° от периода – клас A.

КласТок течеКПДКъде
A360° – винаги≤ 25 %предусилватели (нашият)
B180° – половината≤ 78,5 %двутактни крайни стъпала (тема 7)
ABмалко над 180°между A и Bкрайни стъпала без „стъпало“
C< 180°високВЧ предаватели с LC контур
Dключ: включено/изключено> 90 %ШИМ усилватели
Класове A, AB, B, C
Колекторният ток
00,511,520102030t – време, msiК, mA (и uБ, V)
колекторен ток входът (отместване + синус)
Фигура 3.

Пунктирът е входът, зеленото – колекторният ток. В клас A токът никога не стига нула: изходът е цял синус, но транзисторът харчи и в покой. В клас B тече само при положителната полувълна. В C – само на върха.

Полевият транзистор MOSFET ​

MOSFET управлява тока на стока с напрежението на гейта спрямо сорса. Гейтът е изолиран – в него не тече ток (огромно Rвх). Под прага Uпраг = 2 V ток няма; над него токът расте квадратично, не експоненциално. Затова е по-„мек“, но с по-малка стръмност при малки токове.

При UГС = 3 V през стока текат 105 mA, а стръмността е S = 200 mA/V. Биполярният при 1,4 mA има S = IК/VT ≈ 54,2 mA/V.

Биполярен срещу MOSFET
Биполярен: експонента
0,550,60,650,70102030UБЕ, VIК, mA
IК(UБЕ)
MOSFET: парабола над прага
012340200400UГС, VIС, mA
IС(UГС) сега
Фигура 4.

Вляво: 50 mV повече на базата дават ~7 пъти повече ток. Вдясно: до 2 V – нищо, после парабола.

Схеми на свързване и h-параметри ​

Транзисторът има 3 извода, а усилвателят трябва да има 4 (2 вход + 2 изход). Затова единият извод е общ – оттам имената:

Общ еБиполяренПолевиЛампа
втори изходен електродобщ емитер (ОЕ)общ сорсобщ катод
първи изходен електродобщ колектор (ОК)общ дрейнобщ анод
управляващ електродобща база (ОБ)общ гейтобща решетка

При малък сигнал транзисторът е четириполюсник с четири числа – h-параметрите. В работната точка на предусилвателя (IК = 1,39 mA): h21e = β = 200; h11e ≈ β·VT/IК = 3,72 kΩ; h22e ≈ IК/UA = 13,9 μS; h12e ≈ 0.

Самопроверка ​

1. Защо работната точка с фиксиран ток на базата е нестабилна?

IК = β·IБ, а β се мени от транзистор на транзистор и с температурата – колекторното напрежение плава.

2. Какво прави RЕ в схемата с делител?

Отрицателна обратна връзка по ток: ако IК порасне, расте UЕ, намалява UБЕ и токът се връща. IК ≈ (UБ − 0,65)/RЕ не зависи от β.

3. Каква част от периода провежда транзисторът в клас B? Какъв е максималният КПД?

180°; 78,5 %.

4. Каква е основната разлика между биполярен транзистор и MOSFET?

Биполярният се управлява с ток на базата (експоненциално), MOSFET – с напрежение на гейта (квадратично), а в гейта не тече ток.