Как работают каскады транзисторов. Усиление NPN.

Переделка на прием КВ, ч. 11. Cхема ВЧ усилителя.

После крайне неудачных экспериментов с активной антенной Mini Whip, схема УВЧ на транзисторах для RTL-SDR (повлекшие крайне благоприятные последствия) - было принято решение : не останавливаться и продолжать двигаться вперед ... Попутно была совершена попытка самостоятельно изготовить емкостную EH антенну на диапазон 27 мГц, чтобы послушать 15 канал дальнобойщиков и вообще проверить, будет ли прием ниже / выше по частоте ... На улице я ее не проверял, а в помещении, никаких экстраординарных результатов - она не показала ...

Конструкция EH емкостной антенны, конечно - интересная, но вызывает - много вопросов ... В частности, один - напрягает больше всего : замена квадрифилярной четырех / заходной антенны на емкостную, для приема изображений погодных метео спутников ... Если, витая RHCP или специальный турникет - имеют открытые области, чтобы вращающийся сигнал правильным образом попадал в приемные области антенны (особенно это касается фазы кругового движения) ... То, как отражающие цилиндры, EH антенны - поведут себя при встрече с ним ? ... Как мне кажется, EH антенну - следует направлять на спутник, чтобы кольца сигнала равномерно одевались на нее ... Иначе - получается обычный вертикальный диполь (без выигрыша), и кстати, о подобном методе приема - я уже где-то слышал (это - работает) ...

Но, все-таки, первейшей задачей, на сегодня - должна стать сборка схемы усилителя на двух КТ368, которую я нашел в прошлый раз ... Так как в схеме не указано напряжение питания, то проведя небольшие расчеты - было выдвинуто предположение, что требуется от 1,5 вольта ... Тогда, пока шла проверка транзисторов на самодельном тестере - заодно решил измерить, а сколько вообще напряжение на выводах ? ... И, получил : коллектор C = 2,6в ; база B = 0,6в ; эмиттер E = 0,1в ... С учетом питания 5 вольт - получается классический усилительный каскад ... Следует учесть, что в этом режиме (в тестере) - транзистор работает, и может быть признан исправным ... Теперь, наложив одно на другое - можно предположить, что 1,5 вольта - явно маловато, и проверку следует начинать , где-то с 3 до 6 вольт ... А, дальше - только через измерения мультиметром - смотреть, что там происходит ...

Немного смущает, что схема ВЧ усилителя позиционируется, как УКВ ... Нет никаких фильтров, мало-мальски отсекающих или выделяющих диапазоны ... Правда, и транзисторы КТ368 - от 900 мГц до 1.1 гГц рабочей частоты ... КТ3102 / КТ3107, которые я считал высокочастотными - едва дотягивают по справочнику, до 150 - 200 мГц (при этом - рекомендуется, чтобы рабочая частота была в 10 раз меньше граничной частоты транзистора, то есть, можно рассчитывать, на : 175 / 10 = 17 мГц) ... Однако - и с частотой есть нюансы, связанные со схемой включения транзистора ... В общем : надо собирать и проверять ...

После сборки - снова протестировал напряжения, однако без генератора сигналов и осциллографа - будет трудно судить об усилительных свойствах ВЧ усилителя ... Цель проверки : определить, как сильно влияет напряжения питания на параметры схемы ... Поскольку стандартная схема усилителя с питанием 3,5 вольта - не раскрыла своего потенциала, то попутно изготовил простенький регулятор напряжения на переменном резисторе и LM7805, с диапазоном выходного напряжения 5 - 12 вольт ...

Питание ... VT1 ... VT2 ...
5v ... B1 = 0,75v ; C1 и E2 = 1,70v ... B2 = 2,42v ; C2 = 3,61v ...
6v ... B1 = 0,71v ; C1 и E2 = 1,95v ... B2 = 2,70v ; C2 = 4,15v ...
7v ... B1 = 0,70v ; C1 и E2 = 2,20v ... B2 = 2,90v ; C2 = 4,75v ...
8v ... B1 = 0,73v ; C1 и E2 = 2,42v ... B2 = 2,90v ; C2 = 5,35v ...
9v ... B1 = 0,75v ; C1 и E2 = 2,65v ... B2 = 3,30v ; C2 = 5,95v ...

Примечание : коллектор VT1 и эмиттер VT2 соединены напрямую ...
В контексте таблицы напряжений : B, C и E - это База, Коллектор и Эммитер ...

По таблице напряжений - сразу становится видно, что изменения величины питания - практически никак не сказывается на потенциале базы первого каскада ... Должно быть, это есть - хорошо ... Другие опорные параметры, которые также вызывают сомнение, например : настройка тока потребления ... Отрегулировать схему на потребление : 2 миллиампера - это достаточно малое значение, если сравнивать его со спецификацией транзистора КТ368 ... По ВАХ, коэффициент передачи тока, h21э - наиболее максимален, если горб графика тока коллектора приходится на 15 - 18 мА ... А, среднее усиление, при токе коллектора 10 мА (тоже - достойное значение) : соответствует напряжению коллектор - база транзистора, равное 7,5 вольт ...

Фактически, при питании 5в, напряжении коллектор - база : 1,7в - 0,7в = 1в, это - самое начало кривой графика усиления, что есть - самое минимальное значение ... Однако, именно такая настройка - и соответствует току 1 мА на транзистор, что подтверждает работу схемы согласно графику : с меньшим энерго / потреблением, но не лучшим усилением (неизвестно, какие задачи преследовал автор, разрабатывая схему УВЧ) ... Получить оптимальные характеристики - можно лишь значительно подняв напряжение питания и пере / настроив схему (чему, позже - будет найдено соответствующее подтверждение) ...

Один из самых главных вопросов к усилителям - какой тип усиления сигнала лучше выбрать : по току или по напряжению ? ... Так как, ток и напряжение - связаны мощностью, то они не могут быть рассмотрены отдельно ... Там, где усиливается ток - усиливается и напряжение ... Действительно, разные схемы включения транзисторов, отчасти - обеспечивают разные варианты усиления ... Однако, по большому счету, все дело - в нагрузке ... Низкоомная нагрузка - легче управляется током ... Высокоомная нагрузка - легче управляется напряжением ... Напряжение, ток и мощность объединяет еще один параметр - сопротивление ... Пример действия закона Ома в жизни ...
Параметр ... Светодиод ... Неоновая лампа ...
Напряжение ... 2,5 в ... 220 в ... Разница в 88 раз ...
Ток ... 80 мА ... 1 мА ... Разница в 80 раз ...
Сопротивление ... 28 Ом ... 220 кОм ... Разница в 7850 раз ...
Мощность ... 0,22 вт ... 0,22 вт ... Никакой разницы - нет : была выполнена одинаковая работа ))) ...
Одна и та же мера силы работы - может зажечь, либо - светодиод, либо - неонку ... Но, на двоих, ее (силы) - не хватит ))) ... В какой то мере, эта сила (мощность) - это мера затрат, которые безусловно нужны на преобразование электричества в фотоны (свет, светодиода или неоновой лампы, которые мы - и можем наблюдать) ...

Так, что ... Один из самых главных вопросов к усилителям, которые следует задавать правильно : на какие входные и выходные нагрузки (сопротивления) будет работать усилитель ? ...

После того, как я измерил контрольные напряжения, тогда - подключил специально изготовленный для таких случаев (тонкой настройки транзисторных каскадов) - резистивный блок, и начал крутить ручки регуляторов в разных комбинациях ... В какие-то моменты - даже проскакивали возможные улучшения, но в общем и целом, ничего знаменательного - обнаружено не было ... В процессе поиска ответов на вопросы, как работает данная схема включения транзисторов - наткнулся на калькулятор расчета параметров каскада ...

Калькулятор расчета каскада NPN транзистора c ОЭ.

Калькулятор номиналов компонентов и расчета, по формулам : работы каскада NPN транзистора, как указывается - включенного по схеме с общим эмиттером ... Если, вывод транзистора, напрямую идет к общему проводу - тут все ясно ... Как понять, что схема с резисторами - имеет тот или иной тип подключения ??? ... Ага, если выход каскада - обозначен на стороне коллектора, то - неважно, есть ли в эмиттерной цепи резисторы или нет - это схема с общим эмиттером ... И - наоборот ...

# ... radiocon-net.narod.ru, Расчет транзисторного каскада. Сопутствующая литература и справочники по транзисторам.

... Кое-какие опечатки были исправлены ... Также, при вычислении - добавлена авто / конвертация диапазонов сопротивлений и емкости ... Здесь и сразу : возникает очень и очень много вопросов ... Похоже - это транзисторный каскад УНЧ / УЗЧ (частота 15 кГц) ; можно ли использовать его расчеты - в УВЧ усилителях ??? ... Далее - не стал углубляться в расчеты транзисторного каскада по переменному току, ограничившись, лишь - постоянным, который можно измерить, сравнить и проанализировать ...

Схема термостабильного каскада NPN транзистора, с эмиттерной стабилизацией.

Сравнение схем включения NPN транзисторов.

И, действительно, если принять R2 - за ноль (так как он отсутствует в схеме усилителя ВЧ), то резистор R1 - достаточно близко соответствует номиналу, указанному в схеме ... Так - какой глубокий сакральный смысл запрятан в схеме ВЧ УКВ усилителя ? ...

УКВ ВЧ усилитель на двух транзисторах. Достоинства и недостатки схемы.

Чтобы понять суть устройства УВЧ усилителя - нужно разобрать его на составляющие и изучить - по отдельности ... Для этого надо познакомиться с основными схемами включения NPN транзисторов ... ОЭ, общий эмиттер ... ОБ, общая база ... ОК, общий коллектор ...

Примитивная схема соединения NPN транзистора с общим ОМ эмиттером, ОБ базой, ОК коллектором.

Включение транзистора по схеме ОЭ, общий эмиттер ...
# Усиление сигнала : высокое, по напряжению и току ; с повышением частоты усиление снижается (нужен 10x кратный запас по граничной частоте транзистора) ...
# Входной сигнал : фаза инвертируется на 180 градусов ...
# Сопротивление ...
- Входное : низкое, сотни Ом ...
- Выходное : высокое, десятки кОм ...
# Применение схемы : усиливающий каскад ...

Включение транзистора по схеме ОБ, общая база ...
# Усиление сигнала ...
- по току : низкое, меньше единицы ...
- по напряжению : высокое, чуть ниже или совпадает со схемой включения ОЭ ...
- среднее, с низким уровнем шумов и в широкой полосе частот (широкополосный, вплоть до граничной частоты транзистора) ... С ростом тока коллектора, усиление - снижается ...
# Входной сигнал : фаза не инвертируется ...
# Сопротивление ...
- Входное : низкое, волновое около 100 Ом ...
- Выходное : низкое, волновое около 100 Ом ...
# Применение схемы : усилительный каскад усилителей высокой частоты ...
- Примечание : ... ВАХ, вольт / амперная характеристика, в схеме с общей базой, недостаточно полно описывает транзистор, при работе в практических схемах ... Если, база - не замкнута явно на массу - труднее распознать этот тип включения ; нужно обратить внимание, что входной сигнал подается на эмиттер (а не - на базу, как в классическом случае), выход - снимается с коллектора ... База - редко присоединяется напрямую к массе, и термин ОБ - подразумевает, что замыкание происходит, именно для сигнала переменной частоты ... Замыкание базы на массу - минимизирует паразитную отрицательную обратную связь с коллектором, и не позволяет ей снижать коэффициент усиления на ВЧ / СВЧ ...

Включение транзистора по схеме ОК, общий коллектор ...
# Усиление сигнала ...
- по току : высокое, сравнимо со схемой включения ОЭ ...
- по напряжению : низкое, меньше единицы ...
# Входной сигнал : фаза не инвертируется ...
# Сопротивление ...
- Входное : высокое, в h21э раз больше сопротивления нагрузки (Rн умножить на коэффициент усиления) ...
- Выходное : низкое ...
# Применение схемы : согласующий каскад, эмиттерный повторитель, усилитель тока ... В схемах ВЧ - могут влиять паразитные емкости коллектора ...
- Примечание : ... В схеме с ОК образуется 100 процентная отрицательная обратная связь по напряжению - это существенно уменьшает нелинейные искажения сигнала ... Каскад по схеме ОК - обладает широким диапазоном усиливаемых частот ...

Проверка схемы усилителя на соответствие рекомендациям.

Из справочника разработчика транзисторных схем и каскадов, в котором может скрываться большая часть ответов на вопросы этой статьи, я укажу, здесь - лишь, то, что имеет непосредственное отношение к схеме УКВ ВЧ усилителя ...
* Малые токи коллектора и низкое напряжение коллектор - база снижают уровень шума, дрейф и приводят к падению усиления каскада ...
* Для снижения шума : ток коллектора должен быть 0,1 мА, а напряжение = 6 вольт или ниже ...
* Увеличив коллекторный ток - усиление возрастает, а входное сопротивление - падает, что приводит к потере силы входного сигнала ...

Теперь - анализ по схемам включения каскадов транзисторов ...
* Первый каскад - ОЭ : низкое входное сопротивление и наилучшее усиление ...
* Второй каскад - ОБ ... Сопротивления - не согласуются ... Широкополосная усилительная возможность - не задействована, так как первый каскад - уже обрезал, все что можно ... Что-то / где-то читал : если сопротивление в эмиттерной цепи слишком велико - поставить вместо него транзистор ... Что то подобное здесь и было реализовано ...
* Практически нет никакой термостабилизации, хотя напряжение на базе первого каскада - держится довольно стабильно ...
* Нет сопротивления в цепи эмиттера первого каскада (снижающее коэффициент усиления), хотя калькулятор расчета каскада - говорит, что надо, Ом 100 воткнуть ... Так - понятно, это же калькулятор термостабильного каскада ...

Вроде бы, усилитель, рассчитан - правильно, по науке ... Не только, с первого, но и - с последующих взглядов, схема усилителя - казалась исправной ... Если бы все так и было - почему бы УВЧ, тогда - не заработать ??? ... То ли, второй каскад нужно поменять с первым ... То ли, вместо второго ОБ нужно ставить ОК ... Навешивать термокомпенсацию и выводить режимы работы коллектора - ближе к 10 мА / 7 вольт ... Или - ему нужна внешняя антенна 20 дБ, установленная на уровне 10 метров от земли, с которой он будет работать, даже - на полу / согнутых ??? ))) ... Нет ... Здесь - думать надо ; считать ; и проверять на практике ... ВЧ усилитель, это - как раз, то самое место, где от перемены мест слагаемых - сумма может очень сильно измениться, и причем - в обе стороны ))) ...

Ноябрь, 2021 ...

Раздел sdr-receiver : список всех страниц ...