Будь-який підсилювач, незалежно від частоти, містить від одного до кількох каскадів посилення. Для того, щоб мати уявлення щодо схемотехніки транзисторних підсилювачів, розглянемо докладніше їх принципові схеми. Транзисторні каскади, залежно від варіантів підключення транзисторів, поділяються на:

1 Каскад із загальним емітером (на схемі показаний каскад з фіксованим струмом бази - це один з різновидів усунення транзистора).

2 Каскад із загальним колектором

3 Каскад із загальною базою

Схеми включення транзистора

Каскад із загальним емітером володіє високим посиленням за напругою та струмом. До недоліків даної схеми включення можна віднести невисокий вхідний опір каскаду (порядку сотень), високий (порядку десятків ком) вихідний опір. Відмінна риса – зміна фази вхідного сигналу на 180 градусів (тобто – інвертування). Завдяки високому коефіцієнту посилення схема з ОЕ має переважно застосування в порівнянні з ПРО і ОК.

Розглянемо роботу каскаду докладніше: при подачі на основу вхідної напруги - вхідний струм протікає через перехід "база-емітер" транзистора, що викликає відкриття транзистора і, тому, збільшення колекторного струму. У ланцюзі емітера транзистора протікає струм, що дорівнює сумі струму бази та струму колектора. На резисторі в ланцюзі колектора, при проходженні через нього струму, виникає деяка напруга, що значно перевищує вхідне. Таким чином відбувається посилення транзистора за напругою. Так як струм і напруга в ланцюзі - взаємопов'язані величини, аналогічно відбувається і посилення вхідного струму.

Схема із загальним колектором має високий вхідний і низький вихідний опір. Коефіцієнт посилення по напрузі цієї схеми завжди менше 1. Вхідний опір каскаду з ОК залежить від опору навантаження (Rн) і більше (приблизно) в Н21е раз. (Величина "Н21е" - це статичний коефіцієнт посилення даного екземпляра транзистора, включеного за схемою із Загальним Еміттером). Дана схема використовується для узгодження каскадів або у разі використання джерела вхідного сигналу з високим вхідним опором. Як джерело можна навести, наприклад, п'єзоелектричний звукознімач або конденсаторний мікрофон. Схема із ОК не змінює фази вхідного сигналу. Іноді таку схему називають емітерним повторювачем.

Схема увімкнення транзистора із загальною базою використовується переважно в каскадах підсилювачів високих частот. Посилення каскаду з ПРО забезпечує посилення лише за напругою. Дане включення транзистора дозволяє повніше використовувати частотні характеристики транзистора за мінімального рівня шумів. Що таке частотна характеристика транзистора? Це - здатність транзистора посилювати високі частоти, близькі до граничної частоти посилення, ця величина залежить від типу транзистора. Більш високочастотний транзистор здатний посилювати і вищі частоти. З підвищенням робочої частоти коефіцієнт посилення транзистора знижується. Якщо для побудови підсилювача використовувати, наприклад, схему із загальним емітером, то за деякої (граничної) частоти каскад перестає посилювати вхідний сигнал. Використання цього - транзистора, але включеного за схемою із загальною базою, дозволяє значно підвищити граничну частоту посилення. Каскад, зібраний за схемою із загальною базою, має низький вхідний і невисокий вихідний опір (ці параметри дуже добре узгоджуються при роботі в антенних підсилювачах з використанням так званих "коаксіальних" несиметричних високочастотних кабелів, хвильовий опір яких як правило не перевищує 100 ом). Якщо порівнювати величини опорів для каскаду з ОЕ і ПРО, то вхідний опір каскаду з ОБ (1+Н21е) разів менше, ніж з ОЕ, а вихідний в (1+Н21е) разів більше. Каскад ПРО не змінює фази вхідного сигналу.

У практиці радіоаматора іноді доводиться використовувати паралельне включення транзисторів збільшення вихідний потужності (колекторного струму). Один із варіантів даного включення наведений нижче:

При такому включенні необхідно використовувати транзистори з близькими параметрами Вст. Транзистори великої потужності повинні встановлюватися на один тепловідвід. Для додаткового вирівнювання струмів у цій схемі ланцюгах емітерів застосовані резистори. Опір резисторів слід вибирати виходячи з падіння напруги на них (в інтервалі робочих струмів) близько 1 вольта (або принаймні - не менше 0,7 вольта). Дана схема повинна застосовуватися з великою обережністю, тому що навіть транзистори одного типу та з однієї партії випуску мають дуже великий розкид за параметрами. Вихід з ладу одного з транзисторів неминуче призведе до виходу з ладу та інших транзисторів у ланцюжку... При паралельному включенні двох транзисторів максимальний сумарний струм колектора не повинен перевищувати 1,6-1,7 від граничного струму колектора одного з транзисторів! Кількість транзисторів, включених за цією схемою, може бути скільки завгодно великою - все залежить від доцільності...

У радіоаматорській практиці іноді необхідний транзистор з провідністю, відмінною від наявного (наприклад - у вихідному каскаді УЗЧ та ін.). Вийти зі становища дозволяє схема включення, наведена нижче:

У цьому каскаді використовується зазвичай малопотужний транзистор VT1 необхідної провідності, транзистор VT2 необхідної потужності, але інший провідності. Даний каскад (зокрема) еквівалентний транзистору з провідністю N-P-N великої потужності з високим коефіцієнтом передачі струму бази (h21Е). Якщо ми використовуємо як VT1, VT2 транзистори протилежної провідності - отримаємо потужний складовий транзистор з провідністю P-N-P.

Якщо в даній схемі застосувати транзистори однієї структури – отримаємо так званий складовий транзистор. Таке включення транзисторів називають Схемою Дарлінгтон. Промисловість випускає такі транзистори в одному корпусі. Існують як малопотужні (типу КТ3102 тощо) і потужні (наприклад - КТ825) складові транзистори.

А зараз поговоримо трохи про температурну стабілізацію підсилювача.

Транзистор, як напівпровідниковий прилад, змінює свої параметри при зміні робочої температури. Так, у разі підвищення температури, підсилювальні властивості транзистора погіршуються. Зумовлено це низкою причин: при підвищенні температури значно збільшується такий параметр транзистора, як зворотний струм колектора. Збільшення зворотного струму колектора транзистора призводить до значного збільшення колекторного струму і зміщення робочої точки в бік збільшення струму. При певній температурі колекторний струм транзистора зростає до такої величини, коли транзистор перестає реагувати на слабкий вхідний (базовий) струм. Просто кажучи - каскад перестає бути підсилювальним. Для того, щоб розширити діапазон робочих температур, необхідно застосовувати додаткові заходи щодо температурної стабілізації робочої точки транзистора. Найпростішим способом є колекторна стабілізація робочого струму усунення. Розглянута нами вище схема каскаду за схемою із загальним емітером є схемою із фіксованим струмом бази. Струм колектора в даній схемі залежить від параметрів конкретного екземпляра транзистора і повинен встановлюватись індивідуально за допомогою підбору величини резистора R1. При зміні транзистори початковий (за відсутності сигналу) струм колектора доводиться підбирати наново, оскільки транзистори навіть одного типу мають дуже великий розкид статичного коефіцієнта посилення струму бази (h21 Е). Інший різновид каскаду - схема з фіксованою напругою усунення. Ця схема також має недоліки, описані вище:

Для підвищення термостабільності каскаду необхідно використовувати спеціальні схеми включення:

Схема колекторної стабілізації, володіючи основними недоліками схеми із загальним емітером (підбір резистора базового зміщення під конкретний екземпляр транзистора), дозволяє розширити діапазон робочих температур каскаду. Як бачимо, дана схема відрізняється підключенням резистора зміщення не до джерела живлення, а в колекторний ланцюг. Завдяки такому включенню вдалося значно за рахунок застосування негативного зворотного зв'язку розширити діапазон робочих температур каскаду. При збільшенні зворотного струму колектора транзистора, збільшується струм колектора, що викликає повніше відкриття транзистора і зменшення колекторної напруги. Зменшення колекторного напруги, своєю чергою, зменшує напругу початкового зміщення транзистора, що викликає зменшення колекторного струму до прийнятної величини. Таким чином - здійснюється негативний зворотний зв'язок, який дещо зменшує посилення каскаду, зате дозволяє збільшити максимальну робочу температуру.

Більш якісну стабілізацію температурних параметрів каскаду посилення можна здійснити, якщо дещо ускладнити схему та застосувати так звану "емітерну" температурну стабілізацію. Ця схема, незважаючи на складність, дозволяє каскаду зберігати підсилювальні властивості в дуже широкому інтервалі робочих температур. Крім того, застосування цієї схеми стабілізації дає можливість заміни транзисторів без наступного налаштування. Окремо скажу про конденсатор С3. Цей конденсатор служить підвищення коефіцієнта посилення каскаду на змінному струмі. Він усуває негативний зворотний зв'язок каскаду. Місткість цього конденсатора залежить від робочої частоти підсилювача. Для підсилювача звукових частот ємність конденсатора може коливатися від 5 до 50 мікрофарад, для діапазону радіочастот - від 0,01 до 0,1 мікрофаради (але в деяких випадках може і не бути).

Тепер давайте спробуємо розрахувати термостабільний каксад по постійному струму: УВАГА! Дані розрахунку виходять досить приблизні! Остаточний номінал резистора R1 потрібно підібрати при налагодженні більш точно!

Спочатку нам потрібно визначитися з вихідними даними для розрахунку. На верхньому прямокутнику дані постійні величини відповідно для германієвого (Ge) і кремнієвого (Si) транзистора.

Для початку розрахунку нам потрібні наступні вхідні параметри: Напруга живлення (Uk), у Вольтах (Приймаємо – як приклад – рівне 6 вольтам). Струм колектора (Ik), в Мілліамперах (приймаємо рівний 1 міліамперу); тип транзистора (Ge. Si), мінімальна робоча частота Fmin у герцах (припустимо 150000 герц - для роботи в діапазоні ДВ). Опір у ланцюзі колектора R3 приймаємо рівним 1 Кілоому. Величина цього резистора зазвичай не розраховується, а береться рівним 750 ом - 4,7 Кілоом. Від величини цього резистора залежить коефіцієнт посилення каскаду змінного струму. Транзистор, припустимо, КТ315 – кремнієвий. Розрахунок ведемо згідно з малюнком зверху-вниз! Спочатку за формулою розраховуємо опір резистора в ланцюзі емітера R4 = 0,6 кілом. Далі знаходимо опір резистора R2 = 19,5 кілоом. Далі – опір резистора R1 = 70,5 Кілоом. За формулою обчислюємо мінімальну ємність конденсатора С1 = 0,016 мікрофарад. Тут можна без погіршення частотних властивостей каскаду поставити конденсатор більшої ємності (наприклад, 0,022 мікрофарад). Так, зробивши нескладні обчислення, ми отримали розрахований каскад для роботи в підсилювачі радіочастоти. Оскільки під час розрахунку ми отримали номінали резисторів, що не відповідають стандартному ряду, можна дещо скоригувати їх. Так замість резистора R4 можна поставити резистор на 620 ом, резистор R2 замінимо на резистор з номіналом 20 кілоом, резистор R1 замінюємо на резистор 75 кілоом. Ці незначні відхилення від розрахунку не призведуть до будь-яких проблем при роботі каскаду - всього лише трохи зміниться колекторний струм.

Тепер давайте розрахуємо роботу каскаду по змінному струму: Для цього розрахунку нам знадобляться наступні параметри: Опір резисторів R1 - R4, Вхідний опір наступного каскаду (навантажувального).

Спочатку визначаємо опір Rе. Для нашого випадку (струм колектора 1 міліампер) Rе = 26 ом, Далі визначимо провідність S = 38.46 мікросименсу (орієнтовно), обчислюємо значення R11. Для транзистора типу КТ315Б середнє значення параметра h21е дорівнює 200, звідси R11 дорівнює 5200, Величину Rb необхідно визначити для обчислення вхідного опору каскаду, що є навантаженням. Вона дорівнює (при номіналах резисторів, взятих у нашому прикладі) 5,75 кілоом, Для спрощення розрахунку можна не обчислювати опір Rн, а прийняти його рівним R3. Очікуваний коефіцієнт посилення даного каскаду на транзисторі типу КТ315Б із середнім значенням h21е рівним 200 виходить близько 40. Слід пам'ятати, що отримане значення коефіцієнта посилення каскаду дуже приблизно! На практиці це значення може відрізнятися в 1,5 – 2 рази (іноді – більше) та залежить від конкретного екземпляра транзистора! При розрахунку коефіцієнта посилення транзисторонного каскаду по змінному струму слід враховувати, що цей коефіцієнт залежить від частоти сигналу, що посилюється. Максимальна частота застосованого транзистора повинна бути принаймні в 15-20 разів вищою за граничну частоту посилення (визначається за довідником).