Резистор базы в усилителе на 2N2222 как ключ к стабильной работе схемы

Каждый, кто хоть раз паял усилитель на транзисторе 2N2222, рано или поздно сталкивался с одним и тем же неприятным явлением. Схема собрана, питание подано, сигнал подключён, но вместо чистого усиленного сигнала на выходе появляется высокочастотный писк, шум или хаотичные колебания, которых в проекте никто не планировал. Самовозбуждение усилителя не является неисправностью компонентов и не свидетельствует о браке транзистора. Это закономерное следствие неверно рассчитанного резистора базы в сочетании с паразитными элементами реальной схемы. Понимание того, почему именно резистор базы так сильно влияет на устойчивость усилителя, превращает проектирование из угадывания в осознанную инженерную работу.

Что такое 2N2222 с точки зрения усилительного каскада

Транзистор 2N2222 появился ещё в эпоху металлических корпусов TO-18 и с тех пор пережил несколько поколений радиолюбителей и инженеров. Его популярность объясняется просто: предсказуемое поведение, широкая доступность и достаточно высокая граничная частота fT около 250 МГц при токе коллектора 20 мА. Для большинства звуковых и малосигнальных схем этого запаса хватает с большим перекрытием. Но именно этот частотный запас создаёт скрытую угрозу: транзистор способен усиливать не только рабочую полосу частот, но и паразитные колебания на частотах, о которых разработчик даже не думал.

Когда 2N2222 работает в схеме с общим эмиттером, его задача состоит в линейном усилении переменного сигнала при стабильной рабочей точке по постоянному току. Именно здесь вступает в игру коэффициент усиления по току hFE. У разных экземпляров 2N2222 он варьируется от 75 до 300 и выше в зависимости от производителя и тока коллектора. Резистор базы RB напрямую определяет ток базы IB, а через него и коллекторный ток IC. Формула расчёта выглядит так:

IB = (Vcc - VBE) / RB

Где VBE для кремниевого транзистора принимается равным 0,7 В. Если подставить типичные цифры для питания 9 В и желаемого тока покоя IC около 2 мА при hFE = 100, получим IB = 20 мкА, а значит RB = (9 - 0,7) / 0,00002 = 415 кОм. Но это расчёт для переключателя, а не для усилителя. Для усилительного каскада логика совершенно другая.

Почему фиксированное смещение базы превращает схему в генератор

Самая распространённая ошибка начинающих разработчиков состоит в том, что они ставят один резистор от базы к питанию и считают схему готовой. Такое смещение называется фиксированным, и у него есть принципиальный недостаток: рабочая точка транзистора полностью определяется значением hFE. А поскольку hFE у 2N2222 гуляет в диапазоне 4:1 от экземпляра к экземпляру, рабочая точка плавает вместе с ним.

Что происходит при нагреве? Повышение температуры увеличивает ток коллектора. Рост тока коллектора разогревает переход ещё сильнее. Напряжение VBE снижается примерно на 2 мВ на каждый градус Цельсия, что при фиксированном смещении означает дополнительный прирост тока. Этот замкнутый круг называется тепловым уходом рабочей точки. В лёгких случаях усилитель просто начинает искажать сигнал. В тяжёлых, когда hFE оказывается высоким, а резистор базы недостаточно большим, транзистор открывается настолько, что коллектор прижимается к нулю. В такой ситуации никакого усиления нет, есть только насыщение и нагрев.

Но тепловой уход является медленным процессом. Гораздо опаснее то, что происходит на высоких частотах. Транзистор 2N2222 имеет паразитную ёмкость перехода коллектор-база Cbc порядка 8-10 пФ. Через эту ёмкость часть сигнала с коллектора просачивается обратно на базу. Если импеданс источника сигнала на базе достаточно высок, эта обратная связь оказывается положительной на определённой частоте, и каскад начинает генерировать. Резистор базы напрямую определяет тот самый импеданс, с которым работает эффект Миллера через ёмкость Cbc. Слишком большой резистор базы превращает каскад в высокодобротный контур, готовый возбудиться.

Делитель напряжения как основа стабильного смещения

Профессиональное решение для смещения транзисторного усилителя представляет собой делитель напряжения из двух резисторов. Верхний резистор R1 подключается от питания к базе, нижний R2 от базы к земле. Вместе они создают напряжение на базе VB, которое слабо зависит от hFE конкретного экземпляра. Добавление резистора эмиттера RE замыкает петлю отрицательной обратной связи по постоянному току: если ток коллектора растёт, напряжение на RE растёт, VBE уменьшается, ток базы падает, ток коллектора возвращается к заданному значению. Схема становится устойчивой к разбросу hFE и к температурным дрейфам.

Расчёт для реального проекта с питанием 9 В и желаемым током покоя IC = 2 мА выглядит так:

• Выбираем напряжение коллектор-эмиттер VCE = VCC / 2 = 4,5 В (середина нагрузочной прямой для максимального размаха сигнала)
• Выбираем падение на RE около 10% от VCC, то есть примерно 0,9 В
• RE = 0,9 В / 2 мА = 450 Ом, берём стандартное значение 470 Ом
• Коллекторный резистор RC = (VCC - VCE - VRE) / IC = (9 - 4,5 - 0,9) / 0,002 = 1800 Ом, берём 1,8 кОм
• Напряжение базы VB = VBE + VRE = 0,7 + 0,9 = 1,6 В
• Выбираем ток делителя в 10 раз больше тока базы: IB при hFE = 100 составит 20 мкА, ток делителя 200 мкА
• R2 = VB / Iделителя = 1,6 / 0,0002 = 8 кОм, берём 8,2 кОм
• R1 = (VCC - VB) / Iделителя = (9 - 1,6) / 0,0002 = 37 кОм, берём 36 кОм

Такая схема смещения удержит рабочую точку при изменении hFE от 75 до 300, что перекрывает весь разброс партии транзисторов 2N2222.

Как резистор базы влияет на устойчивость к самовозбуждению

Вернёмся к паразитной ёмкости Cbc. На частоте, где реактивное сопротивление Cbc сравнивается с импедансом цепи базы, обратная связь через ёмкость резко усиливается. Для Cbc = 10 пФ это происходит при:

f = 1 / (2π x RB_eff x Cbc)

Где RB_eff является эффективным импедансом на базе, то есть параллельным сочетанием R1, R2 и импеданса источника сигнала. В схеме с делителем 36 кОм параллельно 8,2 кОм дают около 6,6 кОм. При таком импедансе резонанс через Cbc = 10 пФ возникает примерно на 2,4 МГц. Для звукового усилителя это не страшно, поскольку рабочая полоса заканчивается раньше. Но если схема проектируется для более широкой полосы, или если источник сигнала имеет высокое выходное сопротивление, граница устойчивости смещается в сторону рабочих частот.

Снижение суммарного импеданса на базе сдвигает потенциальную точку самовозбуждения вверх по частоте. Практическое правило: для предотвращения самовозбуждения в схемах с полосой до нескольких сотен килогерц суммарный импеданс делителя базы не должен превышать 10 кОм. Для более широкополосных схем его снижают до 2-5 кОм, принося в жертву ток, потребляемый делителем.

Существует и дополнительный инструмент подавления паразитного возбуждения на высоких частотах. Небольшой резистор номиналом 22-100 Ом, включённый последовательно в цепь базы прямо у вывода транзистора, называемый stopper или стопорным резистором, разрывает добротность паразитного контура, образованного Cbc и паразитными индуктивностями монтажных проводников. Его номинал подбирается экспериментально или расчётно: слишком большое значение снижает усиление и полосу, слишком малое не обеспечивает демпфирования. Для 2N2222 в большинстве случаев достаточно 47-68 Ом.

Конденсатор эмиттера и его скрытая роль в устойчивости схемы

Резистор эмиттера RE обеспечивает стабильность рабочей точки по постоянному току, но одновременно снижает усиление по переменному сигналу. Для восстановления усиления параллельно RE ставят конденсатор шунтирования CE, который на переменном токе закорачивает RE. Здесь кроется нюанс, который часто остаётся незамеченным.

Если конденсатор CE шунтирует RE полностью, усиление каскада определяется только внутренним сопротивлением эмиттерного перехода re, которое при токе коллектора 2 мА составляет около 13 Ом. Коэффициент усиления по напряжению Av = RC / re = 1800 / 13 = примерно 138. Это очень большое усиление, при котором любая паразитная обратная связь с коллектора на базу способна раскачать схему до самовозбуждения.

Профессиональное решение состоит в частичном шунтировании: RE делится на две части, RE1 и RE2. Конденсатор CE шунтирует только RE2, оставляя RE1 в цепи эмиттера на всех частотах. Тогда усиление по переменному сигналу ограничивается значением Av = RC / (RE1 + re), и система получает достаточный запас по фазе для устойчивой работы. Типичный выбор: RE1 = 100-220 Ом, RE2 составляет оставшуюся часть от расчётного значения RE.

Проверка схемы и признаки самовозбуждения в реальной сборке

Самовозбуждение не всегда выглядит как очевидный писк или шум. Иногда оно проявляется тонко: слегка повышенное потребление тока по питанию, искажение формы выходного сигнала при больших амплитудах, нагрев транзистора без видимых причин. Осциллограф, подключённый к коллектору через щуп с делением 10:1, покажет картину честнее любого мультиметра.

Признаки самовозбуждения на осциллографе выглядят следующим образом:

• высокочастотные колебания, наложенные на полезный сигнал или присутствующие при отсутствии входного сигнала
• несимметричный выходной сигнал при симметричном входном, особенно при увеличении амплитуды
• изменение характера картинки при прикосновении рукой к корпусу транзистора или к проводникам монтажа
• скачки постоянного тока коллектора при изменении амплитуды входного сигнала

Если самовозбуждение обнаружено в уже собранной схеме, первым шагом становится проверка конденсаторов шунтирования питания. Конденсатор 100 нФ керамический, установленный непосредственно между коллектором и землёй, нередко решает проблему без каких-либо изменений в цепи смещения. Вторым шагом становится введение стопорного резистора в цепь базы. Третьим шагом при необходимости служит снижение номинала резисторов делителя R1 и R2 пропорционально, с сохранением вычисленного напряжения на базе, но с уменьшением суммарного импеданса.

Транзистор 2N2222 является честным и предсказуемым прибором. Он усиливает то, что ему подают, включая собственные паразитные колебания, если схема смещения даёт для этого возможность. Вся разница между усилителем, который работает так, как задумано, и усилителем, который генерирует неизвестно что, сводится к нескольким резисторам, рассчитанным не наугад, а из физики процесса. Резистор базы в этой цепочке занимает особое место: он одновременно задаёт рабочую точку, определяет импеданс входной цепи и напрямую влияет на то, при какой частоте паразитная обратная связь через ёмкость коллектор-база перестанет быть безобидной.