Учу электронику

Я всегда интересовался электроникой, собирал всякие схемки, что-то мастерил. Но без фундаментального понимания того, что я, в принципе, делаю. Тупой копи-пейст схем с вебсайтов. Самым моим большим достижением можно считать усилитель НЧ на ИС LM3886TF, но чем тут, в принципе, хвастаться-то? Это ж тупой операционный усилитель, просто очень мощный. Минимум деталей, практически никаких расчётов. А было бы круто, если вдруг нужна какая-то хреновина, суметь сесть, почесать репу, и нарисовать всё самому с нуля. Конечно, потребуется нечто большее, чем паяльник и китайский тестер. Например, осцилограф (которого у меня нет). Но это всё решаемые проблемы!

Сейчас у меня есть время плотнее заняться своими хобби. Читаю Горовица-Хилла, "Искусство схемотехники". Абсолютно гениальная книга, написана прекрасно, замечательно всё объясняет.

Вооружённый новыми знаниями, решил впервые самостоятельно рассчитать схему и её собрать. Схема несложна -- предусилитель для микрофона, для подключения к компьютеру. Запитывать буду от 5 вольт, от USB (благо под рукой).



Схема проста -- двухкаскадный усилитель. Первый каскад -- усилитель с общим эмиттером с отрицательной обратной связью на транзисторе Q1. Выходной сигнал подаётся на второй каскад, эмиттерный повторитель на транзисторе Q2.


Расчёты:

Сначала рассчитаем каскад усиления с общим эмиттером на транзисторе Q1. Выбирем ток простоя на коллекторе в 1 мА. Это обусловит значение резистора R3, так как на нём нужно получить падение напряжения примерно в 2.5 вольта, чтобы у усиленного сигнала был простор для колебаний как вверх так и вниз. Далее выбираем, насколько будем усиливать сигнал. Коэффициент усиления сигнала в этом каскаде рассчитывается как отношение значения коллекторного резистора R3 к значению эмиттерного резистора R4. Усиливать можно не до бесконечности! Максимальное усиление зависит от параметров транзистора и напряжения питания. Согласно Горовицу-Хиллу, максимум, который можно выжать из одного каскада усиления -- 20 * напряжение питания, то-есть, 100 в данном случае. Это если значение эмиттерного резистора сделать равным нулю (заземлить эмиттер). Но при таком подключении уже со страшной силой полезут искажения. Поэтому возьмём более консервативную цифру усиления в 10 раз (вернее, -10, ибо такая схема усилительного каскада инвертирует сигнал). А потом для повышения коэффициента усиления сделаем финт ушами -- шунтируем резистор R4 ёмкостью C5. Для аудиосигнала ёмкость выглядит как сопротивление в доли ома, и поэтому усиление будет существенно выше. А чтобы усиление сделать регулируемым, вкорячим конденсатору последовательно переменный резистор R5, при помощи которого можно будет управлять коэффициентом усиления.

При отсутствии сигнала через резистор R4 тоже должен протекать ток около 1 мА, примерно равный коллекторному. Чтобы это обеспечить, необходимо сделать так, чтобы на резистор приходило 0.24 вольта. Соответственно, на базе транзистора Q1 должно быть 0.24 + 0.65 = 0.89 вольта. Дальше решаем школьную задачку на пропорции. Это даст нам соотношение значений резисторов как 1:4.6. Какие значения им дать? Не слишком низкие -- нельзя, например, вкорячить два резистора, R2 на 1 ом, R1 на 4.6. Потому что через R2 весь сигнал будет утекать на землю; будет слишком низкое входное сопротивление. Нельзя слишком высокие -- ибо тогда делитель напряжения получится очень неустойчивый. Горовиц-Хилл советуют ставить такие значения, при которых ток, протекающий через делитель напряжения, в 10 раз выше тока, с него отбираемого.

Отбираемый ток -- это ток базы. Его посчитать просто -- делим эмиттерный ток на коэффициент усиления по току транзистора. Для данного транзистора это значение составляет около 200. Около -- потому что это параметр не постоянный. Мало того, что в одной партии могут оказаться транзисторы, у которых коэффициент плавает от 100 до 300, так этот параметр ещё меняется вместе с током и температурой. Поэтому любая схема, автор которой заложился на постоянство и точную определённость этого параметра, является плохой, негодной схемой.

Здесь ток базы = 1 мА / 200 = 5 микроампер. Соответственно, нам нужно, чтобы ток, протекающий через делитель, составлял около 50 микроампер (или 0.05 мА). Тупо делим напряжение питания на нужный ток, получаем 100 килоом. Опять детские задачки на пропорции. Считаем, получаем цифры, из существующих номиналов резисторов подбираем подходящиие -- это 18 и 82 килоома.

В принципе, можно жить и с одним каскадом усиления. Но правильней было бы улучшить схему. Сигнал у усилителя с общим эмиттером берётся с коллекторного резистора R3. Поэтому выходное сопротивление такого усилителя равно номиналу этого резистора. В данном случае -- 2.4 килоома. Такой источник сигнала не будет проседать под нагрузкой только в том случае, если он будет подавать сигнал на что-то с существенно более высоким сопротивлением (хорошее общее правило -- входное сопротивление должно быть выше в 10 раз, чем выходное сопротивление предыдущего каскада). А какое входное сопротивление у звуковой карты компьютерной? А пёс его знает! Никто не пишет! Если там 100 килоом -- жить ещё можно. А если 1 килоом? Не взлетит, будет сильно проседать.

Поэтому я решил сделать дополнительный усилительный каскад на эмиттерном повторителе. Эмиттерный повторитель делает ровно одну вещь -- из источника сигнала с высоким выходным сопротивлением делает источник сигнала с более низким выходным сопротивлением. Важно только не забывать, что сигнал на входе не должен падать ниже 0.6 вольт. У нас сигнал в районе 2.6 вольт, так что всё прекрасно.

Так как я подключаю базу транзистора Q2 напрямую к предыдущему каскаду усилителя с уровнем сигнала около 2.6 вольт, мне не нужен делитель напряжения для того, чтобы загнать транзистор в нормальный активный режим (как было нужно для транзистора Q1). Единственное, что нужно сделать -- это подобрать номинал эмиттерного резистора R6. Есть соблазн сделать его как можно выше (дабы снизить ток покоя). Но не взлетит. Транзистор может быть либо источником, либо стоком тока, но не тем и другим одновременно. Стоком тока в такой конфигурации будет являться резистор. Если его сделать слишком большим, будут искажения. Поэтому тупо выберем тот, при котором входное сопротивление повторителя (рассчитываемое как коэффициент усиления транзистора по току, помноженный на значение эмиттерного резистора), будет в 10 раз выше выходного сопротивления предыдущего усилительного каскада. Номинал выберем консервативно -- вдруг коэффициент усиления по току этого транзистора будет всего 100? И получится, что нужен резистор 240 ом, который у меня уже есть. Ток покоя будет составлять чуть менее 1 мА, вполне приемлемо.

Выходное сопротивление эмиттерного повторителя = выходное сопротивление предыдущего усилительного каскада / коэффициент усиления по току. То-есть, где-то 240-120 ом. Этого вполне хватит, чтобы подавать сигнал на нагрузку в 1 килоом.

Добавляем ёмкости C1 и C2, отсекающие постоянный ток, и вуаля -- предусилитель готов.

Если кто заметил какие ляпы -- просьба не сдерживать себя, и критиковать!
Несколько смущает 0.24В на R4 - учитывая что падение напряжения база-эмиттер известно довольно условно, не уверен что при таком мелком напряжении на эмиттере транзистор окажется в расчётном режиме. Я бы делал на R4 1/3...1/4 напряжения питания (R4=R3 или немного меньше), а усиление добирал бы за счёт меньшего значения R5 (кстати, C5 можно бы и побольше - резистор ведь крутить будут, в меньшую сторону. И небольшой постоянный резистор последовательно с R5 не помешал бы - чтобы "крутанув ручку" не улететь в слишком большое усиление. Впрочем, если R5 "подстроечник где-то внутри" а не "ручка снаружи", то и так нормально).

С другой стороны - соразмеримое количество деталей потребовалось бы для операционника, стоит он копейки, а рассчитывать усилитель на ОУ проще :-)

> Транзистор может быть либо источником, либо стоком тока, но не тем и другим одновременно. Стоком тока в такой конфигурации будет являться резистор. Если его сделать слишком большим, будут искажения.

Не понял. Откуда возьмутся искажения? Или речь о ситуации, когда R6 больше входного сопротивления нагрузки? Да и про "источник и сток" тоже непонятно.
> Несколько смущает 0.24В на R4

Вот меня тоже :( Несколько на грани получается.

Но если увеличивать значение эмиттерного резистора, с усилением очень плохо получается!

По крайней мере, при симуляции схемы в SPICE.

Мысль про где-то 12 ом последовательно с подстроечным резистором я тоже думал :) Решил, что несмертельно -- откручу куда мне надо, и так и оставлю. Беда в том, что я не знаю, какой сигнал приходит с электретного микрофона. Одни говорят -- ±10 мВ, другие ±100 мВ, а это две очень большие разницы! Если действительно только ±10 мВ, то мне понадобится всё усиление, на которая способна эта схема!

> С другой стороны - соразмеримое количество деталей потребовалось бы для операционника, стоит он копейки, а рассчитывать усилитель на ОУ проще :-)

Безусловно! :) Но ведь так интереснее!! :)

> Не понял. Откуда возьмутся искажения? Или речь о ситуации, когда R6 больше входного сопротивления нагрузки?

Именно так! Если вкрячить туда 10 кОм, а входное сопротивление 1 кОм -- поплохеет.

> Да и про "источник и сток" тоже непонятно.

У Горовица написано, что эмиттерный повторитель на NPN транзисторе может выступать только источником тока (current source), но не стоком тока (current sink). И половина синусоиды сигнала идёт на землю через эмиттерный резистор. Поэтому нельзя делать его большим.

Может быть, я не так понял.
> Но если увеличивать значение эмиттерного резистора, с усилением очень плохо получается!

Вообще, обычно для сколь-либо разумных усилений (больше 2-3), R4 используют только для задания рабочей точки, а усиление задают параллельной RC-цепочкой (R5-C5). Потому что если я возьму какой-нибудь high-beta транзистор с усилением более тысячи, и захочу получить усиление 100, то режим будет даже от тепла руки уходить.

> У Горовица написано, что эмиттерный повторитель на NPN транзисторе может выступать только источником тока (current source), но не стоком тока (current sink). И половина синусоиды сигнала идёт на землю через эмиттерный резистор. Поэтому нельзя делать его большим.
> Может быть, я не так понял.

Я тут вообще ни слова не понял. Эмиттерный повторитель - источник напряжения, а не тока. Конечно, "на самом деле" транзистор - всё-таки источник тока (через коллектор), а схема с ОК хитрым образом рассчитывается с учётом эмиттерного резистора (играющего роль обратной связи), но поскольку в результате этих расчётов получается, что намного удобнее считать транзистор источником напряжения (на эмиттере), а не источником тока (плюс обвязка из неудобосчитаемых формул), а ХиХ вроде стараются больше давать практические формулы, а сопутствующий матан - не более необходимого для понимания, то непонятно, о чём это они.
Пока транзистор в рабочем режиме (а эмиттерный повторитель, в отличие от схем с ОЭ, не так просто выбить из режима), в резистор идёт не "половина сигнала", а весь сигнал, плюс ток покоя транзистора. Что значит "поэтому" - непонятно, чем у ХиХ отличаются "источник" и "сток" я пока тоже не понял.
А где именно это у ХиХ? Я сейчас скачал second edition (1989, reprinted 1994), там про транзисторы довольно длинно, но навскидку таких фраз не нашёл.
> Вообще, обычно для сколь-либо разумных усилений (больше 2-3), R4 используют только для задания рабочей точки, а усиление задают параллельной RC-цепочкой (R5-C5).

Понимаешь, я вот моделирую эту схему в программе Circuit Maker Student Edition -- её можно бесплатно нагуглить. И в любом случае, где я начинаю повышать номинал эмиттерного резистора, например, до 1 кОма, даже при очень маленьких значениях R в шунтирующей цепочке RC (около 12 ом), на выходе получается ерунда, усиление где-то в районе 20.

Я вот немного не понимаю, почему это, но с программой не спорю....

Сигнал беру с генератора синусоиды (он там тоже есть) с амплитудой 20 милливольт.

Могу выложить .ckt файл схемы.
Что-то непонятное. Надо будет найти время и тоже попробовать помоделировать.
А по постоянному току транзистор "в режиме"? Какое напряжение на коллекторе и эмиттере, какой ток через транзистор? Делитель цепи базы не забыл переправить под новое отношение коллекторного и эмиттерного резистора? Частота генератора, кстати, какая - может, R5C5 не справляется?

С другой стороны, к этим программам моделирования я с подозрением отношусь. Однажды решил помоделировать сверхрегенеретивный приёмник, чисто "чтобы понять": я понимаю почему генерация возникает, но почему она срывается, какая физика за срывом генерации? Взял схему, вбил в программу... и вот понимаешь - лежит на столе эта схема вживую спаянная, и шипит себе спокойно, тем более что схема известная, паял я её не один раз, капризностью она не страдает, спаял - заработало. А в эмуляторе - не шипит, как я параметры не кручу. Генерировать - может, молчать может, а шипеть - не шипит. Хотя казалось бы. Затравочный источник шума добавлял, если что.
Взял книжку -- гля, а там то ли на 85, то ли на 87 странице (точно не помню) -- точно мой усилитель, и с теми же проблемами -- на эмиттере всего 0.175 вольта. И предупреждение -- это слишком мало! При температурных изменениях падение напряжения через базу-эмиттер будет гулять, что приведёт к большим изменениям в токе коллектора! Не делай такую схему, дурило, шунтируй! :D

Пересчитал схему под усиление 4. Эмиттерный резистор теперь 680, на нём около 0.7 вольт. Пересчитал делитель напряжения (заодно сделав его более консервативным). Симулятор -- симулирует, что вроде всё нормально!

Спасибо большое, что не отмолчался, а выступил с аргументированной критикой!
> даже при очень маленьких значениях R в шунтирующей цепочке RC (около 12 ом), на выходе получается ерунда, усиление где-то в районе 20

Circuit Maker Student Edition у меня не завёлся (зависает при установке), поигрался в EWB. И, кажется, понял.

Сопротивление перехода база-эмиттер. Оно далеко не нулевое, особенно при малом токе базы, и при слишком маленьком резисторе в цепи эмиттера мы будем иметь не "идеальный повторитель, напряжение на эмиттере равно входному", а "эмиттер заземлён по AC, переменный ток в базе определяется сопротивлением перехода". Соответственно, при 5В питания и примерно по 1/3 питания на R3 и R4 (оба по 1кОм) я тоже впёрся примерно в к.у. 20 (около 30, если начать эффективно коротить эмиттер на землю). Если поднять ток базы (уменьшив R4 или подняв напряжение питания), усиление вполне нормально растёт (при 50В спокойно выжал к.у.=500 при тех же килоомах в нагрузке и закороченном по AC на землю эмиттере).

Вот же ж. Я про сопротивление перехода никогда и не задумывался в таких схемах :-) Впрочем, когда речь заходит о сопротивлении перехода, неплохо бы ещё вспомнить о сопротивлении источника сигнала (электретный микрофон? Сколько оно там у него, порядка килоома)? При R5=10 Ом и h21э около сотни, уже соразмеримо со входным сопротивлением усилителя, значит делать R5 меньше 10 Ом нет смысла: усиление может и вырастет, но и сигнал на входе упадёт.

И в порядке оффтопика. В некритичных схемах часто использую схему вида "в коллекторе нагрузка (допустим, 1кОм), коллектор соединён с базой резистором с сопротивлением примерно в h21э раз бОльшим, чем коллекторная нагрузка (скажем, 200кОм), ну, и конденсаторные развязки с обоих сторон". Рабочая точка при этом окажется "где-то там" (транзистор гарантированно в линейном режиме, но Uк может оказаться заметно "не по центру"), усиление не регулируется (впрочем, можно засунуть низкоомный подстроечный резистор в цепь эмиттера), и хотя это довольно кривенько, но на малых сигналах вполне работоспособно (и на пару резисторов проще :-)).
Угу, ХиХ пишут, что сопротивление база-эмиттер равно 20/ток коллектора (в миллиамперах). Так что в нашем случае это сопротивление будет около 20 ом.

Проблема в том, что это сопротивление очень сильно гуляет, отсюда лезет нелинейность при заземлённом эмиттере.

Спасибо за идею "некритичной схемы" :)
> может выступать только источником тока (current source), но не стоком тока (current sink). И половина синусоиды сигнала идёт на землю через эмиттерный резистор

А, дошло.
Разница - в направлении тока (ток через транзистор течёт только в одну сторону), поэтому, грубо говоря, в одну сторону ток вытягивает транзистор (а он в схеме с ОК способен делать это хорошо), а в другую - эмиттерный резистор. И если эмиттерный резистор не сможет вытянуть ток (его сопротивление окажется больше сопротивления нагрузки) - будут искажения.

Я правильно понял о чём речь?
Вроде да!

У ХиХ это на странице 67, под заголовком "Important points about followers".

И там как раз характерное искажение, где нижний гребен синусоиды отрезан.