Малошумящий high-end предусилитель натранзисторах

Рабочая точка и смещение базы

Для того, чтобы транзистор не искажал входной сигнал, нужно его для начала чуть-чуть приоткрыть.
Это можно сделать при помощи делителя напряжения из двух резисторов R1 и R2. Этот делитель напряжения позволяет приоткрыть транзистор VT1 для того, чтобы входной сигнал не тратил свою электрическую энергию на его открытие.

Ток, который протекает через R1 и R2 поступает на базу транзистора VT1, который потом уходит через эмиттер, тем самым его открывая. Это называется базовое смещение транзистора, то есть его открытие. Напряжение смещения определяет рабочую точку. В данном случае усилитель А класса.

Как определяется класс усилителя

Класс усилителя определяется его рабочей точкой. Рабочая точка выбирается с помощью вольтамперной характеристики транзистора. Чем выше напряжение подается на вход транзистора, тем больше ток, тем выше рабочая точка.

Например, точка по центру это А класс.

А класс самый качественный из усилителей. Он усиливает как положительные, так и отрицательные полуволны входного сигнала. В то же время, у этого класса есть существенный недостаток. Это ограничение мощности и снижение энергоэффективности. Дело в том, что пока на вход УНЧ не поступает входной сигнал, он работает все время, пока он включен.

Получается, что при это расходуется лишняя электроэнергия. Поэтому, еще рабочая точка называется точкой покоя, когда усилитель не усиливает входной сигнал.

Еще есть B класс, AB и D. Они отличаются друг от друга по эффективности усиления и наличию искажений. Все зависит от используемой схемы.

Например. D класс вообще не открывает транзистор, однако с точки зрения энергоэффективности – это самый лучший выбор. Транзистор в покое не потребляет ничего, он включается только при подаче входного сигнала. И при этом если на вход подается аналоговый звуковой сигнал, то он искажается. Такой класс не подойдет для схемы, которую разбираем в этой статье.

Поэтому, схемотехники и инженеры изобрели цифровые усилители. У них аналоговый сигнал преобразовывается в цифровой, и только потом подается на вход усилителя. Транзистор не искажает входной цифрой сигнал. После усиления сигнал снова преобразовывается в аналоговый с наименьшими потерями и искажениями.

А режим АВ применяется в схемах, где есть несколько транзисторов, которые работают на свои полуволны. Есть схемы, где один транзистор усиливает только положительные полуволны, а второй только отрицательные. Такие усилители называются двухтактными.

Устройство и принцип действия

Транзистор — электронный полупроводник, состоящий из 3 электродов, одним из которых является управляющий. Транзистор биполярного типа отличается от полярного наличием 2 типов носителей заряда (отрицательного и положительного).

Отрицательные заряды представляют собой электроны, которые высвобождаются из внешней оболочки кристаллической решетки. Положительный тип заряда, или дырки, образуются на месте высвобожденного электрона.

Устройство биполярного транзистора (БТ) достаточно простое, несмотря на его универсальность. Он состоит из 3 слоев проводникового типа: эмиттера (Э), базы (Б) и коллектора (К).

Эмиттер (от латинского «выпускать») — тип полупроводникового перехода, основной функцией которого является инжекция зарядов в базу. Коллектор (от латинского «собиратель») служит для получения зарядов эмиттера. База является управляющим электродом.

Слои эмиттерный и коллекторный почти одинаковые, однако отличаются степенью добавления примесей для улучшения характеристик ПП. Добавление примесей называется легированием. Для коллекторного слоя (КС) легирование выражено слабо для повышения коллекторного напряжения (Uк). Эмиттерный полупроводниковый слой легируется сильно для того, чтобы повысить обратное допустимое U пробоя и улучшить инжекцию носителей в базовый слой (увеличивается коэффициент передачи по току — Kт). Слой базы легируется слабо для обеспечения большего сопротивления (R).

Переход между базой и эмиттером меньший по площади, чем К-Б. Благодаря разнице в площадях и происходит улучшение Кт. При работе ПП переход К-Б включается со смещением обратного типа для выделения основной доли количества теплоты Q, которое рассеивается и обеспечивает лучшее охлаждение кристалла.

Быстродействие БТ зависит от толщины базового слоя (БС). Эта зависимость является величиной, изменяющейся по обратно пропорциональному соотношению. При меньшей толщине — большее быстродействие. Эта зависимость связана с временем пролета носителей заряда. Однако при этом снижается Uк.

Между эмиттером и К протекает сильный ток, называемый током К (Iк). Между Э и Б протекает ток маленькой величины — ток Б (Iб), который используется для управления. При изменении Iб произойдет изменение Iк.

У транзистора два p-n перехода: Э-Б и К-Б. При активном режиме Э-Б подключается со смещением прямого типа, а подключение К-Б происходит с обратным смещением. Так как переход Э-Б находится в открытом состоянии, то отрицательные заряды (электроны) перетекают в Б. После этого происходит их частичная рекомбинация с дырками. Однако большая часть электронов достигает К-Б из-за малой легитивности и толщины Б.

В БС электроны являются неосновными носителями заряда, и электромагнитное поле помогает им преодолеть переход К-Б. При увеличении Iб произойдет расширение открытия Э-Б и между Э и К пробежит больше электронов. При этом произойдет существенное усиление сигнала низкой амплитуды, т. к. Iк больше, чем Iб.

Смотрите это видео на YouTube

Для того чтобы проще понять физический смысл работы транзистора биполярного типа, нужно ассоциировать его с наглядным примером. Нужно предположить, что насос для закачки воды является источником питания, водопроводный кран — транзистором, вода — Iк, степень поворота ручки крана — Iб. Для увеличения напора нужно немного повернуть кран — совершить управляющее действие. Исходя из примера можно сделать вывод о простом принципе работы ПП.

Однако при существенном увеличении U на переходе К-Б может произойти ударная ионизация, следствием которой является лавинное размножение заряда. При комбинации с тоннельным эффектом этот процесс дает электрический, а с увеличением времени и тепловой пробой, что выводит ПП из строя. Иногда тепловой пробой наступает без электрического в результате существенного увеличения тока через выход коллектора.

Кроме того, при изменении U на К-Б и Э-Б меняется толщина этих слоев, если Б тонкая, то происходит эффект смыкания (его еще называют проколом Б), при котором происходит соединение переходов К-Б и Э-Б. В результате этого явления ПП перестает выполнять свои функции.

Элементарная база

Современная элементная база позволяет создавать качественные УНЧ на основе малошумящих операционных усилителей (ОУ), например, К548УН1, К548УН2, К548УНЗ, КР140УД12, КР140УД20 и т.д.

Однако, несмотря широкую номенклатуру специализированных микросхем и ОУ, и их высокие параметры, УНЧ на транзисторах в настоящее время не потеряли своего значения. Использование современных, малошумящих транзисторов, особенно в первом каскаде, позволяет создать оптимальные по параметрам и сложности усилители : малошумящие, компактные, экономичные, рассчитанные на низковольтное питание. Поэтому транзисторные УНЧ часто оказываются хорошей альтернативой усилителям на интегральных микросхемах.

Для минимизации уровня шумов в усилителях, особенно в первых каскадах, целесообразно использовать высококачественные элементы. К таким элементам относятся малошумящие биполярные транзисторы с высоким коэффициентом усиления, например, КТ3102, КТ3107. Однако в зависимости от назначения УНЧ используются и полевые транзисторы.

Большое значение играют и параметры остальных элементов. В малошумящих каскадах электронных схем используют оксидные конденсаторы К53-1, К53-14, К50-35 и т. п., неполярные – КМ6, МБМ и т. п., резисторы – не хуже традиционных 5% МЛТ-0.25 и МЛ Т-0.125, лучший вариант резисторов – проволочные, безиндуктивные резисторы.

Входное сопротивление УНЧ должно соответствовать сопротивлению источника сигнала – микрофона или заменяющего его датчика. Обычно входное сопротивление УНЧ стараются сделать равным (или немного больше) сопротивлению источника-преобразователя сигнала на основных частотах.

Для минимизации электрических помех целесообразно для подключения микрофона к УНЧ использовать экранированные провода минимальной длины. Электретный микрофон МЭК-3 рекомендуется монтировать непосредственно на плате первого каскада микрофонного усилителя.

При необходимости значительного удаления микрофона от УНЧ следует использовать усилитель с дифференциальным входом, а подключение осуществлять витой парой проводов в экране. Экран подключается к схеме в одной точке общего провода максимально близко к первому ОУ. Это обеспечивает минимизацию уровня наведенных в проводах электрических помех.

BC560 Datasheet (PDF)

..1. bc559 bc560.pdf Size:107K _motorola

MOTOROLAOrder this documentSEMICONDUCTOR TECHNICAL DATAby BC559/DLow Noise TransistorsPNP SiliconBC559, B, CBC560CCOLLECTOR12BASE3EMITTER1MAXIMUM RATINGS23Rating S

..2. bc556 bc557 bc558 bc559 bc560.pdf Size:43K _fairchild_semi

BC556/557/558/559/560Switching and Amplifier High Voltage: BC556, VCEO= -65V Low Noise: BC559, BC560 Complement to BC546 … BC 550TO-9211. Collector 2. Base 3. EmitterPNP Epitaxial Silicon TransistorAbsolute Maximum Ratings Ta=25C unless otherwise noted Symbol Parameter Value UnitsVCBO Collector-Base Voltage : BC556 -80 V: BC557/560 -50 V: BC558/559 -30 V

..3. bc559 bc560.pdf Size:298K _cdil

Continental Device India LimitedAn ISO/TS 16949, ISO 9001 and ISO 14001 Certified CompanyPNP SILICON PLANAR EPITAXIAL TRANSISTORS BC559, B, CBC560, B, CTO-92Plastic PackageLow Noise TransistorsABSOLUTE MAXIMUM RATINGS(Ta=25C unless specified otherwise)DESCRIPTION SYMBOL BC559 BC560 UNITSVCEOCollector Emitter Voltage 30 45 VVCBOCollector Base Voltage 30 50 VVEBOEmit

..4. bc559 bc560.pdf Size:28K _kec

SEMICONDUCTOR BC559/560TECHNICAL DATA EPITAXIAL PLANAR PNP TRANSISTORLOW NOISE APPLICATION. B CFEATUREFor Complementary with NPN Type BC549/550.N DIM MILLIMETERSA 4.70 MAXEKG B 4.80 MAXMAXIMUM RATING (Ta=25 )C 3.70 MAXDD 0.45CHARACTERISTIC SYMBOL RATING UNITE 1.00F 1.27BC559 -30G 0.85VCBOCollector-Base Voltage VH 0.45BC560 -50 _H J 14.00 + 0.50K

Малошумящий микрофонный УНЧ на транзисторах

На рисунке 2 представлен пример схемы УНЧ на транзисторах. В первых каскадах транзисторы работают в режиме микротоков, что обеспечивает минимизацию внутренних шумов УНЧ. Здесь целесообразно использовать транзисторы с большим коэффициентом усиления, но малым обратным током.

Это могут быть, например, 159НТ1В (Iк0=20нА) или КТ3102 (Iк0=50нА), или аналогичные.

Рис. 2. Схема УНЧ на транзисторах и варианты подключения микрофонов: а УНЧ на транзисторах, б – подключение динамического микрофона, в – подключение электретного микрофона, г – подключение удаленного микрофона.

Элементы для схемы на рисунке 2 :

R1=43к-51к, R2=510к (подстройка, Uкт2=1.2В-1,8В),
R3=5.6к-6.8к (регулятор громкости), R4=3к, R5=750,
R6=150к, R7=150к, R8=33к; R9=820-1.2к, R10=200-330,
R11=100к (подстройка, Uэт5=Uэт6=1.5В),
R12=1 к (подстройка тока покоя Т5 и Т6, 1-2 мА);
С1=10мкФ-50мкФ, С2=0.15мкФ-1мкФ, С3=1800,
С4=10мкФ-20мкФ, С5=1мкФ, С6=10мкФ-50мкФ, С7=100мкФ-500мкФ;
Т1, Т2, Т3 -159НТ1 В, КТ3102Е или аналогичные,
Т4, Т5 – КТ315 или аналогичные, но можно и МП38А,
Т6 – КТ361 или аналогичные, но можно и МП42Б;
М – МД64, МД200 (б), МЭК-3 или аналогичный (в),
Т – ТМ-2А.

Использование подобных транзисторов позволяет обеспечить не только устойчивую работу транзисторов при малых коллекторных токах, но и достичь хороших усилительных характеристик при низком уровне шумов.

Выходные транзисторы могут использоваться как кремниевые (КТ315 и КТ361, КТ3102 и КТ3107, и т.п.), так и германиевые (МП38А и МП42Б и т.п.). Настройка схемы сводится к установке резистором R2 и резистором RЗ соответствующих напряжений на транзисторах: 1,5В – на коллекторе Т2 и 1,5В – на эмиттерах Т5 и Т6.

Импортные и отечественные аналоги

Из представленной выше информации видно, что транзисторы BC546-550 различаются по допустимым величинам напряжений и имеют хотя не одинаковые, но близкие показатели коэффициента шума. Остальные электрические параметры и типовые характеристики у них идентичны.

Среди транзисторов российского производства наиболее близким к этой группе можно считать КТ3102, который имеет такой же корпус и цоколевку, но более высокий коэффициент усиления (КТ3102Г, Е).

В таблице приведены пригодные для замены BC547 n-p-n транзисторы (в корпусе ТО-92) и их основные параметры.

Тип	V_CEO, В	I_C, мA	P_C, мВт	h_FE	f_T, МГц	Цоколевка (слева направо)
BC547	50	100	500	110-800	300	кбэ
Отечественное производство
КТ3102	20-50	100	250	100-1000	от 150	+ (кбэ)
Импорт
BC171	45	100	350	120-800	150	+ (кбэ)
BC182	50	100	350	120-500	100	+ (кбэ)
BC237	45	100	500	120-460	100	+ (кбэ)
BC414	45	100	300	120-800	200	+ (кбэ)
BC447	80	300	625	50-460	от 100	+ (кбэ)
BC550	45	200	500	110-800	300	+ (кбэ)
2SC2474	30	100	310	20	2000	+ (кбэ)
2SC828A	45	100	400	130-520	220	— (экб)
2SC945	50	100	250	150-450	от 150	— (экб)

Примечания:

У КТ3102 значения V_CEO и h_FE зависит от буквы, следующей за последней цифрой.
В последнем столбце знак «+» означает совпадение порядка следования выводов с BC547, знак «-» – различие.
Параметры транзисторов указанные в таблице взяты из производителя.

Маркировка транзисторов

Транзистор КТ361 и КТ361-1.
Тип транзистора указывается в этикетке, а также на корпусе прибора в виде буквы указывалась группа. На корпусе указывается полное название транзистора или только буква, которая находится по центру корпуса транзистора. Товарный знак завода может не указываться. Дата выпуска ставится в цифровом или кодированном обозначении (при этом могут указывать только год выпуска). Точка в составе маркировки транзистора указывает на его применяемость – в составе цветного телевидения, станков с числовым программным управлением и бытовой электроники высшего класса, соответственно такие транзисторы были повышенной надежности и проходили дополнительные испытания при изготовлении. Пример маркировки транзистора КТ361-1 показан на рисунке 1 (в случае КТ361 цифра в маркировке отсутствует).

Следует также отметить, что транзисторы КТ315 и КТ361 были первыми массовыми транзисторами с кодовой маркировкой в миниатюрном пластмассовом корпусе КТ-13. Транзистор КТ361 тоже маркировался одной буквой, как и КТ315, но буква располагалась по центру, а также иногда слева и справа от неё были тире. Однако транзисторы, поставляемые с отклонениями по внешнему виду и габаритным размерам, дополнительно маркировались диагональной чертой. Подавляющее большинство транзисторов КТ315 и КТ361 (характеристики такие же, как у КТ315, а проводимость p-n-p) было выпущено в корпусах желтого или красно-оранжевого цветов, значительно реже можно встретить транзисторы розового, зелёного и черного цветов. В маркировку транзисторов предназначенных для продажи помимо буквы обозначающей группу, товарного знака завода и даты изготовления входила и розничная цена, например «ц20к», что означало цена 20 копеек.

Транзистор КТ361-2 и КТ361-3.
Тип транзистора также указывается в этикетке, а на корпусе указывается полное название транзистора. Пример маркировки транзистора КТ361-2 приведен на рисунке 2(в случае КТ361-3 на корпусе указывается цифра 3).

Биполярный транзистор BC560 — описание производителя. Основные параметры. Даташиты.

Наименование производителя: BC560

Тип материала: Si

Полярность: PNP

Максимальная рассеиваемая мощность (Pc): 0.5
W

Макcимально допустимое напряжение коллектор-база (Ucb): 50
V

Макcимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер (Uce): 45
V

Макcимально допустимое напряжение эмиттер-база (Ueb): 5
V

Макcимальный постоянный ток коллектора (Ic): 0.1
A

Предельная температура PN-перехода (Tj): 150
°C

Граничная частота коэффициента передачи тока (ft): 150
MHz

Ёмкость коллекторного перехода (Cc): 4.5
pf

Статический коэффициент передачи тока (hfe): 110

Корпус транзистора:

BC560
Datasheet (PDF)

..1. bc559 bc560.pdf Size:107K _motorola

MOTOROLAOrder this documentSEMICONDUCTOR TECHNICAL DATAby BC559/DLow Noise TransistorsPNP SiliconBC559, B, CBC560CCOLLECTOR12BASE3EMITTER1MAXIMUM RATINGS23Rating S

..2. bc556 bc557 bc558 bc559 bc560.pdf Size:43K _fairchild_semi

..3. bc559 bc560.pdf Size:298K _cdil

..4. bc559 bc560.pdf Size:28K _kec

Другие транзисторы… BC558VI
, BC559
, BC559A
, BC559AP
, BC559B
, BC559BP
, BC559C
, BC559CP
, BF422
, BC560A
, BC560AP
, BC560B
, BC560BP
, BC560C
, BC560CP
, BC582A
, BC582B
.