Транзисторният усилвател, въпреки вече дългата си история, остава любим предмет на обучение както за начинаещи, така и за ветерани радиолюбители. И това е разбираемо. Той е незаменим компонент от най-популярните радиолюбителски устройства: радиоприемници и нискочестотни (звукови) усилватели. Ще разгледаме как се изграждат най-простите нискочестотни транзисторни усилватели.
Честотна характеристика на усилвателя
Във всеки телевизионен или радио приемник, във всеки музикален център или звуков усилвател, можете да намерите транзисторни звукови усилватели (нискочестотни - НЧ). Разликата между аудио транзисторните усилватели и другите видове се крие в тяхната честотна характеристика.
Транзисторният аудио усилвател има еднаква честотна характеристика в честотната лента от 15 Hz до 20 kHz. Това означава, че всички входни сигнали с честота в този диапазон се преобразуват (усилват) от усилвателя.за същото. Фигурата по-долу показва идеалната крива на честотната характеристика за аудио усилвател в координатите "усилване на усилвателя Ku - честота на входния сигнал".
Тази крива е почти плоска от 15Hz до 20kHz. Това означава, че такъв усилвател трябва да се използва специално за входни сигнали с честоти между 15 Hz и 20 kHz. За входни сигнали с честоти над 20 kHz или под 15 Hz, неговата ефективност и производителност се влошават бързо.
Типът на честотната характеристика на усилвателя се определя от електрическите радиоелементи (ERE) на неговата верига и преди всичко от самите транзистори. Аудио усилвател, базиран на транзистори, обикновено се сглобява върху така наречените ниско- и средночестотни транзистори с обща честотна лента на входните сигнали от десетки и стотици Hz до 30 kHz.
Клас на усилвателя
Както знаете, в зависимост от степента на непрекъснатост на тока през целия му период през транзисторния усилвателен етап (усилвател), се разграничават следните класове на неговата работа: "A", "B", "AB", "C", "D".
В работния клас ток "A" протича през етапа за 100% от периода на входния сигнал. Каскадата в този клас е илюстрирана на следващата фигура.
В усилвателния етап от клас "AB", токът протича през него за повече от 50%, но по-малко от 100% от периода на входния сигнал (виж фигурата по-долу).
В класа на работа на етап "B", токът протича през него точно 50% от периода на входния сигнал, както е показано на фигурата..
Накрая, в операционния клас "C", токът протича през него за по-малко от 50% от периода на входния сигнал.
LF-транзисторен усилвател: изкривяване в основните класове работа
В работната зона транзисторният усилвател от клас "А" има ниско ниво на нелинейно изкривяване. Но ако сигналът има импулсни скокове в напрежението, което води до насищане на транзисторите, тогава около всеки „стандартен“хармоник на изходния сигнал се появяват по-високи хармоници (до 11-ти). Това причинява феномена на така наречения транзисторизиран или метален звук.
Ако нискочестотните усилватели на мощност на транзистори имат нестабилизирано захранване, тогава техните изходни сигнали се модулират по амплитуда близо до честотата на мрежата. Това води до грубост на звука в левия край на честотната характеристика. Различните методи за стабилизиране на напрежението правят дизайна на усилвателя по-сложен.
Типичната ефективност на усилвателя от клас А с единична верига не надвишава 20% поради постоянно включен транзистор и непрекъснатия поток на DC компонента. Можете да направите усилвател от клас A push-pull, ефективността ще се увеличи леко, но полувълните на сигнала ще станат по-асиметрични. Прехвърлянето на каскадата от работния клас "A" към работния клас "AB" учетворява нелинейното изкривяване, въпреки че ефективността на неговата верига се увеличава.
Bусилватели от класове "AB" и "B" изкривяването се увеличава с намаляване на нивото на сигнала. Неволно ви се прииска да усилите такъв усилвател по-силно за пълното усещане за силата и динамиката на музиката, но често това не помага много.
Междинни работни класове
Работният клас "A" има вариация - клас "A+". В този случай входните транзистори с ниско напрежение на усилвателя от този клас работят в клас "A", а високоволтовите изходни транзистори на усилвателя, когато техните входни сигнали надвишават определено ниво, преминават в класове "B" или "АВ". Ефективността на такива каскади е по-добра, отколкото в чистия клас "А", а нелинейното изкривяване е по-малко (до 0,003%). Те обаче също звучат "метално" поради наличието на по-високи хармоници в изходния сигнал.
Усилватели от друг клас - "AA" имат още по-ниска степен на нелинейно изкривяване - около 0,0005%, но има и по-високи хармоници.
Връщане към транзисторен усилвател от клас А?
Днес много специалисти в областта на висококачественото възпроизвеждане на звук се застъпват за връщане към ламповите усилватели, тъй като нивото на нелинейните изкривявания и по-високите хармоници, въведени от тях в изходния сигнал, очевидно е по-ниско от това на транзисторите. Въпреки това, тези предимства до голяма степен се компенсират от необходимостта от съгласуващ трансформатор между високоимпедансния тръбен изходен каскад и нискоимпедансните високоговорители. Въпреки това, обикновен транзисторизиран усилвател може да бъде направен с изход на трансформатор, както е показано по-долу.
Има също така гледна точка, че само хибриден лампово-транзисторен усилвател може да осигури най-доброто качество на звука, всички етапи на който са еднофазни, не са обхванати от отрицателна обратна връзка и работят в клас "А". Тоест такъв последовател на мощността е усилвател на един транзистор. Неговата схема може да има максимално достижима ефективност (в клас "А") не повече от 50%. Но нито мощността, нито ефективността на усилвателя са показатели за качеството на възпроизвеждане на звук. В същото време качеството и линейността на характеристиките на всички ERE във веригата са от особено значение.
Тъй като еднокрайните вериги получават тази перспектива, ще разгледаме техните опции по-долу.
Еднотранзисторен усилвател с един транзистор
Неговата верига, направена с общ емитер и RC връзки за входни и изходни сигнали за работа в клас "A", е показана на фигурата по-долу.
Показва n-p-n транзистор Q1. Неговият колектор е свързан към +Vcc положителния извод чрез токоограничаващ резистор R3, а неговият емитер е свързан към -Vcc. P-n-p транзисторният усилвател ще има същата схема, но захранващите проводници ще бъдат обърнати.
C1 е разделителен кондензатор, който разделя входния източник на променлив ток от източника на постоянно напрежение Vcc. В същото време C1 не предотвратява преминаването на променлив входен ток през връзката база-емитер на транзистора Q1. Резистори R1 и R2 заедно със съпротивлениепреход "E - B" образуват делител на напрежение Vcc за избор на работната точка на транзистора Q1 в статичен режим. Типична за тази верига е стойността на R2=1 kOhm, а позицията на работната точка е Vcc / 2. R3 е резистор за натоварване на колекторната верига и се използва за създаване на изходен сигнал с променливо напрежение на колектора.
Да приемем, че Vcc=20 V, R2=1 kOhm и усилването по тока h=150. Избираме напрежението на емитера Ve=9 V, а спадът на напрежението при прехода "A - B" е взето равно на Vbe=0,7 V. Тази стойност съответства на така наречения силициев транзистор. Ако обмисляхме усилвател, базиран на германиеви транзистори, тогава спадът на напрежението в отворения възел "E - B" би бил Vbe=0,3 V.
Ток на емитера, приблизително равен на тока на колектора
Ie=9 V/1 kΩ=9 mA ≈ Ic.
Базов ток Ib=Ic/h=9mA/150=60uA.
Спад на напрежението в резистора R1
V(R1)=Vcc - Vb=Vcc - (Vbe + Ve)=20V - 9.7V=10.3V
R1=V(R1)/Ib=10, 3 V/60 uA=172 kOhm.
C2 е необходим за създаване на верига за преминаване на променливия компонент на тока на емитера (всъщност колекторния ток). Ако го нямаше, тогава резисторът R2 би ограничил сериозно променливия компонент, така че въпросният биполярни транзисторен усилвател щеше да има ниско усилване на тока.
В нашите изчисления приехме, че Ic=Ib h, където Ib е базовият ток, вливащ се в него от емитера и възникващ, когато към основата се приложи напрежение на отклонение. Въпреки това, през основата винаги (както със, така и без изместване)има и ток на утечка от колектора Icb0. Следователно реалният колекторен ток е Ic=Ib h + Icb0 h, т.е. токът на утечка във веригата с ОЕ се усилва 150 пъти. Ако обмисляхме усилвател, базиран на германиеви транзистори, тогава това обстоятелство би трябвало да се вземе предвид при изчисленията. Факт е, че германиеви транзистори имат значителен Icb0 от порядъка на няколко μA. В силиция той е с три порядъка по-малък (около няколко nA), така че обикновено се пренебрегва при изчисленията.
Едностранен MIS транзисторен усилвател
Като всеки полеви транзисторен усилвател, въпросната схема има свой аналог сред биполярните транзисторни усилватели. Ето защо, помислете за аналог на предишната верига с общ емитер. Изработен е с общ източник и RC връзки за входни и изходни сигнали за работа в клас "А" и е показан на фигурата по-долу.
Тук C1 е същият разделящ кондензатор, с помощта на който AC входният източник е отделен от източника на постоянно напрежение Vdd. Както знаете, всеки полеви транзисторен усилвател трябва да има потенциала на портата на своите MOS транзистори под потенциалите на техните източници. В тази верига портата е заземена от R1, който обикновено е с високо съпротивление (100 kΩ до 1 MΩ), така че да не шунтира входния сигнал. През R1 практически няма ток, така че потенциалът на портата при липса на входен сигнал е равен на потенциала на земята. Потенциалът на източника е по-висок от потенциала на земята поради спада на напрежението през резистора R2. ТакаПо този начин потенциалът на портата е по-нисък от потенциала на източника, който е необходим за нормалната работа на Q1. Кондензатор C2 и резистор R3 имат същото предназначение, както в предишната верига. Тъй като това е верига с общ източник, входните и изходните сигнали са извън фаза на 180°.
Изходен усилвател на трансформатор
Трети едностепенен прост транзисторен усилвател, показан на фигурата по-долу, също е направен съгласно схемата с общ емитер за работа в клас "А", но е свързан към високоговорител с нисък импеданс чрез съвпадение трансформатор.
Първичната намотка на трансформатора T1 е натоварването на колекторната верига на транзистор Q1 и развива изходен сигнал. T1 изпраща изходния сигнал към високоговорителя и гарантира, че изходният импеданс на транзистора съответства на ниския (от порядъка на няколко ома) импеданс на високоговорителя.
Делител на напрежението на колекторното захранване Vcc, сглобен върху резистори R1 и R3, осигурява избора на работната точка на транзистора Q1 (подава напрежение на отклонение към неговата база). Предназначението на останалите елементи на усилвателя е същото като в предишните схеми.
Push-pull аудио усилвател
Двухтранзисторният push-pull нискочестотен усилвател разделя входния аудио сигнал на две нефазови полувълни, всяка от които се усилва от собствен транзисторен етап. След като се извърши такова усилване, полувълните се комбинират в пълен хармоничен сигнал, който се предава към системата на високоговорителите. Такава трансформация на ниска честотасигнал (разделяне и повторно сливане), разбира се, причинява необратими изкривявания в него, поради разликата в честотите и динамичните свойства на двата транзистора на веригата. Това изкривяване намалява качеството на звука на изхода на усилвателя.
Push-pull усилвателите, работещи в клас "A", не възпроизвеждат достатъчно добре сложни аудио сигнали, тъй като в ръцете им непрекъснато протича увеличен постоянен ток. Това води до асиметрия на полувълните на сигнала, фазови изкривявания и в крайна сметка до загуба на разбираемост на звука. При нагряване два мощни транзистора удвояват изкривяването на сигнала в ниските и инфра-ниските честоти. Но все пак основното предимство на веригата push-pull е нейната приемлива ефективност и повишена изходна мощност.
Веригата на транзисторния усилвател на мощност е показана на фигурата.
Това е усилвател от клас "A", но може да се използва и клас "AB" и дори "B".
Безтрансформаторен транзисторен усилвател на мощност
Трансформърите, въпреки напредъка в тяхното миниатюризиране, все още са най-обемистите, тежки и скъпи ERE. Следователно беше намерен начин за елиминиране на трансформатора от веригата push-pull чрез пускането му на два мощни допълващи се транзистора от различен тип (n-p-n и p-n-p). Повечето съвременни усилватели на мощност използват този принцип и са проектирани да работят в клас "B". Схемата на такъв усилвател на мощност е показана на фигурата по-долу.
И двата му транзистора са свързани според обща колекторна (емитерна последователна) верига. Следователно веригата прехвърля входното напрежение към изхода без усилване. Ако няма входен сигнал, тогава и двата транзистора са на границата на включеното състояние, но са изключени.
Когато е въведен хармоничен сигнал, неговата положителна полувълна отваря TR1, но поставя p-n-p транзистора TR2 в режим на пълно прекъсване. Така само положителната полувълна на усиления ток протича през товара. Отрицателната полувълна на входния сигнал отваря само TR2 и изключва TR1, така че отрицателната полувълна на усилен ток се подава към товара. В резултат на това към товара се доставя синусоидален сигнал с пълна мощност (поради усилване на тока).
Еднотранзисторен усилвател
За да асимилираме горното, ще сглобим прост транзисторен усилвател със собствените си ръце и ще разберем как работи.
Като натоварване на транзистор T с ниска мощност от тип BC107, включваме слушалки със съпротивление 2-3 kOhm, прилагаме напрежението на отклонение към основата от резистор с високо съпротивление R от 1 MΩ, включваме разделителния електролитен кондензатор C с капацитет от 10 μF до 100 μF в основната верига T. Ще захранваме веригата от батерия от 4,5 V / 0,3 A.
Ако резисторът R не е свързан, тогава няма нито базов ток Ib, нито колекторен ток Ic. Ако резисторът е свързан, тогава напрежението в основата се повишава до 0,7 V и през него протича ток Ib=4 μA. Коефициентусилването на тока на транзистора е 250, което дава Ic=250Ib=1 mA.
Сглобявайки прост транзисторен усилвател със собствените си ръце, вече можем да го тестваме. Свържете слушалките и поставете пръста си върху точка 1 от диаграмата. Ще чуете шум. Вашето тяло възприема излъчването на електрическата мрежа с честота 50 Hz. Шумът, който чувате от слушалките, е това излъчване, само усилено от транзистора. Нека да обясним този процес по-подробно. Променливотоково напрежение от 50 Hz е свързано към основата на транзистора през кондензатор C. Напрежението в основата сега е равно на сумата от DC напрежението на отклонение (приблизително 0,7 V), идващо от резистора R и променливотоковото напрежение на пръста. В резултат на това колекторният ток получава променлив компонент с честота 50 Hz. Този променлив ток се използва за придвижване на мембраната на високоговорителите напред-назад със същата честота, което означава, че можем да чуем 50Hz тон на изхода.
Чуването на нивото на шум от 50 Hz не е много интересно, така че можете да свържете нискочестотни източници (CD плейър или микрофон) към точки 1 и 2 и да чувате усилена реч или музика.
