Как усилить постоянное напряжение, слишком слабое для срабатывания базы транзистора?

Проблема, которую вы правильно определили (хорошо для вас!), заключается в том, что входящий сигнал имеет небольшие колебания напряжения около 0 В, но для включения транзистора требуется около 0,6 В. Решение состоит в том, чтобы сместить транзистор в заданную рабочую точку: обеспечить базовое напряжение, которое вызывает степень включения, существующую при отсутствии сигнала. Затем сигнал смещается к тому же уровню напряжения, так что он колеблется вокруг этого напряжения, а не нуля (или что-то еще, что является его исходным смещением постоянного тока).

Для сигналов переменного тока такое смещение уровня выполняется легко. Мы просто подключаем источник сигнала переменного тока к базе транзистора не через провод, а через конденсатор. Конденсатор блокирует постоянный ток, пропускает через себя колебания переменного напряжения, накладывая их на напряжение целевого узла.

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

В этой схеме генератор синусоидального сигнала сконфигурирован для генерации синусоидального сигнала с амплитудой всего 0,1 мВ. Тем не менее, положительные пики этой волны вызывают пики тока 1,5 мА, протекающие через светодиод. Это связано с тем, что смещение, установленное R1 и D1, создает напряжение, которое передается через R2 на базу Q1, настраивает рабочую точку этого транзистора так, что он слегка включен, просто на грани того, чтобы быть намного больше. включенный. На самом деле, по данным симулятора, через светодиод уже протекает около 50 микроампер при отсутствии входящего сигнала. Таким образом, начиная с этой рабочей точки, любые колебания напряжения в сигнале вызывают реакцию транзистора. (Почему диод? Потому что падение напряжения на диоде аналогично переходу база-эмиттер транзистора того же типа, например кремния.)

Отрицательные колебания на входе игнорируются, а вспышки пикового тока, проходящего через светодиод, пропорциональны амплитуде положительных колебаний, поэтому его яркость должна меняться в зависимости от уровня сигнала. Значения резисторов должны быть скорректированы в зависимости от вашего светодиода.

Отклик на слабые сигналы довольно чувствителен к R1, R2 и R3. Например, если R1 слишком мал, то VBIAS будет сильнее открывать транзистор; небольшие колебания сигнала вызывают больший ток светодиода, чем раньше. R4 необходимо отрегулировать в зависимости от напряжения питания, типа светодиода и желаемого максимального тока, который должен подаваться на него.

R3 всего 0,22$\Omega$что преднамеренно: это должно обеспечить только небольшую обратную связь для стабилизации рабочей точки транзистора против теплового разгона, не жертвуя большим коэффициентом усиления по току, который сделал бы схему менее чувствительной. В чистой схеме включения / выключения светодиода у нас не было бы R3, но здесь мы все время держим транзистор слегка включенным с небольшим током покоя, что создает риск теплового разгона.

R5 защищает диод база-эмиттер транзистора Q1 от тока, подаваемого на вход, поскольку эмиттерного резистора R3 недостаточно.

Одной из проблем с приведенной выше схемой является маленькое входное сопротивление, в основном определяемое резистором R3. Это нормально для работы через выход динамика или наушников, но слишком мало для выходов линейного уровня, которые ожидают что-то около 10K. Поведение также очень нелинейно. Удвоение входного пика с 0,1 В до 0,2 В более чем вдвое увеличивает ток светодиода. Поведение повторяет нелинейную кривую VBE в зависимости от тока коллектора транзистора. Мы можем решить обе проблемы с помощью этих изменений:

^{смоделируйте эту схему}

Первым заметным отличием является гораздо больший эмиттерный резистор R3, который обеспечивает гораздо большую отрицательную обратную связь для стабилизации точки смещения. Само по себе это стоит нам большого выигрыша, но мы можем частично его восстановить, шунтировав R3 конденсатором на землю. R5 больше не нужен. R2 увеличивается, потому что первоначальные 2,7 кОм снижают недавно увеличенный импеданс базы. R1 немного уменьшен, чтобы немного увеличить VBIAS, чтобы компенсировать некоторую потерю чувствительности.

Согласно моделированию, входной импеданс составляет около 8,3 кОм на частоте 1 кГц, что приемлемо для линейного уровня, когда мы на самом деле не пытаемся сохранить частотную характеристику звука, а только зажигаем светодиод. Он падает примерно до 6,4K на частоте 10 кГц.

Вычисление входного импеданса из моделирования: получите график тока, протекающего через C1. Убедитесь, что оно находится в фазе с входным напряжением. Затем разделите размах входного напряжения на размах тока.)

Похоже, Курт видит это так же, как и я. Цепь триггера переменного тока/аудио: -

V2 — аудиовход.

Его можно заставить работать от меньшего источника питания, но я думаю, что 3V3 будет пределом, а также это должен быть обычный светодиод, который падает примерно на 1,8 В.

Более высокое напряжение питания (не более 12 В) означает, что вы можете активировать светодиод большей мощности.

Вы думаете о транзисторе как о цифровом переключателе. Вы думаете, что 0,2 вольта недостаточно, чтобы включить транзистор, которому для этого нужно 0,6 вольта. Но транзистор также предназначался для работы в качестве аналогового устройства. Такие схемы «смещают» транзистор, устанавливая базовое напряжение в область «включения», и они делают это за счет высокого сопротивления. Тогда ваш «маленький» сигнал может быть связан, и это приведет к изменению выходного сигнала транзистора. Выходной сигнал будет усилен, и если этого недостаточно, вы можете сделать это снова с другим каскадом, пока сигнал не станет достаточно большим, чтобы выполнить работу, которую вы намеревались выполнить.

Оператор снова представляет собой (большую) группу транзисторов, делающих то, что я только что описал.

Схема, опубликованная Энди, использует несколько более причудливый источник тока, который, в свою очередь, похож на описанное мной напряжение и высокое сопротивление, только работает лучше (более высокое сопротивление и саморегулировка).