Amplificatorul cu tranzistori, în ciuda istoriei sale deja îndelungate, rămâne un subiect de studiu preferat atât pentru începători, cât și pentru radioamatorii veterani. Și acest lucru este de înțeles. Este o componentă indispensabilă a celor mai populare aparate radio amatori: receptoare radio și amplificatoare de frecvență joasă (de sunet). Ne vom uita la modul în care sunt construite cele mai simple amplificatoare cu tranzistori de joasă frecvență.
Răspuns în frecvență de amperi
În orice receptor de televiziune sau radio, în fiecare centru muzical sau amplificator de sunet, puteți găsi amplificatoare de sunet cu tranzistori (frecvență joasă - LF). Diferența dintre amplificatoarele cu tranzistori audio și alte tipuri constă în răspunsul lor în frecvență.
Amplificatorul audio cu tranzistor are un răspuns uniform în frecvență în banda de frecvență de la 15 Hz la 20 kHz. Aceasta înseamnă că toate semnalele de intrare cu o frecvență în acest interval sunt convertite (amplificate) de către amplificator.cam la fel. Figura de mai jos arată curba de răspuns în frecvență ideală pentru un amplificator audio în coordonatele „amplificator gain Ku - frecvența semnalului de intrare”.
Această curbă este aproape plată de la 15Hz la 20kHz. Aceasta înseamnă că un astfel de amplificator ar trebui utilizat special pentru semnale de intrare cu frecvențe între 15 Hz și 20 kHz. Pentru semnalele de intrare cu frecvențe de peste 20 kHz sau sub 15 Hz, eficiența și performanța acestuia se deteriorează rapid.
Tipul de răspuns în frecvență al amplificatorului este determinat de elementele radio electrice (ERE) ale circuitului său și, mai ales, de tranzistorii înșiși. Un amplificator audio bazat pe tranzistori este de obicei asamblat pe așa-numitele tranzistoare de joasă și medie frecvență cu o lățime de bandă totală a semnalelor de intrare de la zeci și sute de Hz la 30 kHz.
Clasa de amplificator
După cum știți, în funcție de gradul de continuitate a fluxului de curent pe parcursul perioadei sale prin treapta de amplificare a tranzistorului (amplificator), se disting următoarele clase de funcționare a acestuia: "A", "B", "AB", „C”, „D „.
În clasa de funcționare, curentul „A” trece prin treaptă pentru 100% din perioada semnalului de intrare. Cascada din această clasă este ilustrată în figura următoare.
În treapta de amplificare din clasa „AB”, curentul trece prin aceasta mai mult de 50%, dar mai puțin de 100% din perioada semnalului de intrare (vezi figura de mai jos).
În clasa de funcționare a etapei „B”, curentul trece prin aceasta exact 50% din perioada semnalului de intrare, așa cum este ilustrat în figură.
În sfârșit, în clasa de funcționare a treptei „C”, curentul trece prin ea pentru mai puțin de 50% din perioada semnalului de intrare.
Amplificator cu tranzistor LF: distorsiuni în principalele clase de lucru
În zona de lucru, amplificatorul cu tranzistori din clasa „A” are un nivel scăzut de distorsiune neliniară. Dar dacă semnalul are creșteri de tensiune de impuls, ceea ce duce la saturarea tranzistorilor, atunci apar armonici mai mari (până la a 11-a) în jurul fiecărei armonici „standard” a semnalului de ieșire. Aceasta provoacă fenomenul așa-numitului sunet tranzistor sau metalic.
Dacă amplificatoarele de putere de joasă frecvență de pe tranzistoare au o sursă de alimentare nestabilizată, atunci semnalele lor de ieșire sunt modulate în amplitudine în apropierea frecvenței rețelei. Acest lucru duce la asprimea sunetului la marginea stângă a răspunsului în frecvență. Diverse metode de stabilizare a tensiunii fac proiectarea amplificatorului mai complexă.
Eficiența tipică a amplificatorului single-ended de clasă A nu depășește 20% datorită tranzistorului mereu pornit și fluxului continuu al componentei DC. Puteți face un amplificator de clasa A push-pull, eficiența va crește ușor, dar semi-undele semnalului vor deveni mai asimetrice. Transferul cascadei de la clasa de lucru „A” la clasa de lucru „AB” depășește de patru ori distorsiunea neliniară, deși eficiența circuitului său crește.
Bdistorsiunea amplificatoarelor din clasele „AB” și „B” crește pe măsură ce nivelul semnalului scade. În mod involuntar, vrei să ridici un astfel de amplificator mai tare pentru senzația deplină a puterii și dinamicii muzicii, dar adesea acest lucru nu ajută prea mult.
Clasuri de locuri de muncă intermediare
Clasa de muncă „A” are o variantă - clasa „A+”. În acest caz, tranzistoarele de intrare de joasă tensiune ai amplificatorului din această clasă funcționează în clasa „A”, iar tranzistoarele de ieșire de în altă tensiune ale amplificatorului, atunci când semnalele lor de intrare depășesc un anumit nivel, intră în clasele „B” sau „AB”. Eficiența unor astfel de cascade este mai bună decât în clasa pură „A”, iar distorsiunea neliniară este mai mică (până la 0,003%). Cu toate acestea, ele sună și „metalice” datorită prezenței armonicilor mai mari în semnalul de ieșire.
Amplificatoarele din altă clasă - „AA” au un grad și mai mic de distorsiune neliniară - aproximativ 0,0005%, dar sunt prezente și armonici mai mari.
Reveniți la amplificatorul cu tranzistori de clasă A?
Astăzi, mulți specialiști în domeniul reproducerii sunetului de în altă calitate pledează pentru o revenire la amplificatoarele cu tuburi, deoarece nivelul de distorsiune neliniară și armonici mai mari introduse de acestea în semnalul de ieșire este evident mai mic decât cel al tranzistorilor.. Cu toate acestea, aceste avantaje sunt compensate în mare măsură de necesitatea unui transformator de potrivire între treapta de ieșire a tubului cu impedanță mare și difuzoarele cu impedanță joasă. Cu toate acestea, un amplificator tranzistor simplu poate fi realizat cu o ieșire de transformator, așa cum se arată mai jos.
Există, de asemenea, un punct de vedere conform căruia doar un amplificator hibrid cu tub-tranzistor poate oferi calitatea maximă a sunetului, toate etapele fiind cu un singur capăt, neacoperite de feedback negativ și funcționând în clasa „A”. Adică, un astfel de adept de putere este un amplificator pe un singur tranzistor. Schema sa poate avea eficiența maximă realizabilă (în clasa „A”) nu mai mult de 50%. Dar nici puterea, nici eficiența amplificatorului nu sunt indicatori ai calității reproducerii sunetului. În același timp, calitatea și liniaritatea caracteristicilor tuturor ERE-urilor din circuit sunt de o importanță deosebită.
Pe măsură ce circuitele cu un singur capăt capătă această perspectivă, ne vom uita la opțiunile lor mai jos.
Amplificator cu un singur tranzistor cu un singur capăt
Circuitul său, realizat cu un emițător comun și conexiuni R-C pentru semnalele de intrare și ieșire pentru funcționarea în clasa „A”, este prezentat în figura de mai jos.
Afișează un tranzistor n-p-n Q1. Colectorul său este conectat la borna pozitivă +Vcc printr-un rezistor de limitare a curentului R3, iar emițătorul său este conectat la -Vcc. Amplificatorul tranzistorului p-n-p va avea același circuit, dar cablurile de alimentare vor fi inversate.
C1 este un condensator de decuplare care separă sursa de intrare AC de sursa de tensiune DC Vcc. În același timp, C1 nu împiedică trecerea unui curent de intrare alternativ prin joncțiunea bază-emițător a tranzistorului Q1. Rezistoarele R1 și R2 împreună cu rezistențatranziția "E - B" formează un divizor de tensiune Vcc pentru a selecta punctul de funcționare al tranzistorului Q1 în modul static. Tipic pentru acest circuit este valoarea lui R2=1 kOhm, iar poziția punctului de operare este Vcc / 2. R3 este o rezistență de sarcină a circuitului de colector și este utilizat pentru a crea un semnal de ieșire cu tensiune variabilă pe colector.
Să presupunem că Vcc=20 V, R2=1 kOhm, iar câștigul de curent h=150. Selectăm tensiunea la emițător Ve=9 V, iar căderea de tensiune la tranziția „A - B” este luată egală cu Vbe=0,7 V. Această valoare corespunde așa-numitului tranzistor de siliciu. Dacă am lua în considerare un amplificator bazat pe tranzistoare cu germaniu, atunci căderea de tensiune pe joncțiunea deschisă „E - B” ar fi Vbe=0,3 V.
Curentul emițătorului, aproximativ egal cu curentul colectorului
Ie=9 V/1 kΩ=9 mA ≈ Ic.
Curentul de bază Ib=Ic/h=9mA/150=60uA.
Cădere de tensiune pe rezistorul 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 este necesar pentru a crea un circuit pentru trecerea componentei variabile a curentului emițătorului (de fapt curentul colectorului). Dacă nu ar fi acolo, atunci rezistorul R2 ar limita sever componenta variabilă, astfel încât amplificatorul cu tranzistor bipolar în cauză ar avea un câștig de curent scăzut.
În calculele noastre, am presupus că Ic=Ib h, unde Ib este curentul de bază care curge în el de la emițător și care apare atunci când se aplică o tensiune de polarizare pe bază. Cu toate acestea, prin bază întotdeauna (atât cu și fără compensare)exista si un curent de scurgere de la colectorul Icb0. Prin urmare, curentul real al colectorului este Ic=Ib h + Icb0 h, i.e. curentul de scurgere în circuitul cu OE este amplificat de 150 de ori. Dacă am avea în vedere un amplificator bazat pe tranzistoare cu germaniu, atunci această circumstanță ar trebui să fie luată în considerare în calcule. Faptul este că tranzistoarele cu germaniu au un Icb0 semnificativ de ordinul mai multor μA. În siliciu, este cu trei ordine de mărime mai mic (aproximativ câțiva nA), așa că este de obicei neglijat în calcule.
Amplificator cu tranzistor MIS cu un singur capăt
Ca orice amplificator cu tranzistor cu efect de câmp, circuitul în cauză are analogul dintre amplificatoarele cu tranzistor bipolar. Prin urmare, luați în considerare un analog al circuitului anterior cu un emițător comun. Este realizat cu o sursă comună și conexiuni R-C pentru semnalele de intrare și ieșire pentru funcționare în clasa „A” și este prezentat în figura de mai jos.
Aici C1 este același condensator de decuplare, prin intermediul căruia sursa de intrare AC este separată de sursa de tensiune DC Vdd. După cum știți, orice amplificator cu tranzistor cu efect de câmp trebuie să aibă potențialul de poartă al tranzistorilor săi MOS sub potențialul surselor lor. În acest circuit, poarta este împământată de R1, care este în mod obișnuit rezistență mare (100 kΩ la 1 MΩ), astfel încât să nu devieze semnalul de intrare. Practic nu există curent prin R1, astfel încât potențialul de poartă în absența unui semnal de intrare este egal cu potențialul de masă. Potențialul sursei este mai mare decât potențialul de masă din cauza căderii de tensiune pe rezistorul R2. Asa deAstfel, potențialul de poartă este mai mic decât potențialul sursei, care este necesar pentru funcționarea normală a Q1. Condensatorul C2 și rezistența R3 au același scop ca în circuitul anterior. Deoarece acesta este un circuit cu sursă comună, semnalele de intrare și de ieșire sunt defazate cu 180°.
Amplificator de ieșire transformator
Al treilea amplificator cu tranzistor simplu cu o singură treaptă, prezentat în figura de mai jos, este, de asemenea, realizat conform circuitului emițător comun pentru funcționare în clasa „A”, dar este conectat la un difuzor cu impedanță scăzută printr-o potrivire. transformator.
Înfășurarea primară a transformatorului T1 este sarcina circuitului colector al tranzistorului Q1 și dezvoltă un semnal de ieșire. T1 trimite semnalul de ieșire către difuzor și se asigură că impedanța de ieșire a tranzistorului se potrivește cu impedanța scăzută (de ordinul a câțiva ohmi) a difuzorului.
Divizorul de tensiune al sursei de alimentare a colectorului Vcc, asamblat pe rezistențele R1 și R3, oferă alegerea punctului de funcționare al tranzistorului Q1 (furnizează o tensiune de polarizare la baza acestuia). Scopul elementelor rămase ale amplificatorului este același ca și în circuitele anterioare.
Amplificator audio Push-pull
Amplificatorul de joasă frecvență push-pull cu doi tranzistori împarte semnalul audio de intrare în două semi-unde defazate, fiecare dintre ele amplificată de propria treaptă a tranzistorului. După ce se realizează o astfel de amplificare, semi-undele sunt combinate într-un semnal armonic complet, care este transmis sistemului de difuzoare. O astfel de transformare de joasă frecvențăsemnalul (diviziunea și refuziunea), desigur, provoacă o distorsiune ireversibilă în el, datorită diferenței de frecvență și proprietăți dinamice ale celor două tranzistoare ale circuitului. Această distorsiune reduce calitatea sunetului la ieșirea amplificatorului.
Amplificatoarele push-pull care funcționează în clasa „A” nu reproduc suficient de bine semnalele audio complexe, deoarece un curent constant crescut curge constant în brațele lor. Acest lucru duce la asimetria semi-undelor semnalului, distorsiuni de fază și, în cele din urmă, la pierderea inteligibilității sunetului. Când sunt încălzite, doi tranzistori puternici dublează distorsiunea semnalului în frecvențele joase și infra-joase. Dar totuși, principalul avantaj al circuitului push-pull este eficiența acceptabilă și puterea de ieșire crescută.
Circuitul amplificatorului de putere cu tranzistor Push-pull este prezentat în figură.
Acesta este un amplificator de clasa „A”, dar pot fi folosite și clasa „AB” și chiar „B”.
Amplificator de putere cu tranzistor fără transformator
Transformers, în ciuda progresului în miniaturizare, sunt încă cele mai voluminoase, grele și scumpe ERE. Prin urmare, a fost găsită o modalitate de a elimina transformatorul din circuitul push-pull prin rularea acestuia pe două tranzistoare complementare puternice de diferite tipuri (n-p-n și p-n-p). Majoritatea amplificatoarelor de putere moderne folosesc acest principiu și sunt proiectate să funcționeze în clasa „B”. Circuitul unui astfel de amplificator de putere este prezentat în figura de mai jos.
Ambele tranzistori ai săi sunt conectați conform unui circuit colector comun (urmare emițător). Prin urmare, circuitul transferă tensiunea de intrare la ieșire fără amplificare. Dacă nu există semnal de intrare, atunci ambii tranzistori sunt la limita stării de pornire, dar sunt opriți.
Când este introdus un semnal armonic, semi-undă pozitivă deschide TR1, dar pune tranzistorul p-n-p TR2 în modul de întrerupere completă. Astfel, numai semiunda pozitivă a curentului amplificat curge prin sarcină. Semiunda negativă a semnalului de intrare deschide doar TR2 și oprește TR1, astfel încât semiunda negativă a curentului amplificat este furnizată sarcinii. Ca rezultat, un semnal sinusoidal amplificat de putere maximă (datorită amplificării curentului) este livrat sarcinii.
Amplificator cu un singur tranzistor
Pentru a asimila cele de mai sus, vom asambla un simplu amplificator cu tranzistor cu propriile noastre mâini și vom afla cum funcționează.
Ca sarcină a unui tranzistor de putere redusă T de tip BC107, pornim căști cu o rezistență de 2-3 kOhm, aplicăm tensiunea de polarizare la bază de la un rezistor de mare rezistență R de 1 MΩ, pornim condensatorul electrolitic de decuplare C cu o capacitate de 10 μF la 100 μF în circuitul de bază T. Vom alimenta circuitul de la o baterie de 4,5 V / 0,3 A.
Dacă rezistența R nu este conectată, atunci nu există nici curent de bază Ib, nici curent de colector Ic. Dacă rezistorul este conectat, atunci tensiunea de la bază crește la 0,7 V și un curent Ib \u003d 4 μA trece prin el. Coeficientcâștigul de curent al tranzistorului este de 250, ceea ce dă Ic=250Ib=1 mA.
După ce am asamblat un amplificator cu tranzistor simplu cu propriile noastre mâini, acum îl putem testa. Conectați căștile și plasați degetul pe punctul 1 al diagramei. Vei auzi un zgomot. Corpul tău percepe radiația rețelei la o frecvență de 50 Hz. Zgomotul pe care îl auzi de la căști este această radiație, doar amplificată de tranzistor. Să explicăm acest proces mai detaliat. O tensiune de curent alternativ de 50 Hz este conectată la baza tranzistorului prin condensatorul C. Tensiunea de la bază este acum egală cu suma tensiunii de polarizare de curent continuu (aproximativ 0,7 V) provenită de la rezistorul R și tensiunea de curent alternativ. Ca urmare, curentul colectorului primește o componentă alternativă cu o frecvență de 50 Hz. Acest curent alternativ este folosit pentru a muta membrana difuzoarelor înainte și înapoi la aceeași frecvență, ceea ce înseamnă că putem auzi un ton de 50 Hz la ieșire.
Auzirea nivelului de zgomot de 50 Hz nu este foarte interesantă, așa că puteți conecta surse de joasă frecvență (CD player sau microfon) la punctele 1 și 2 și puteți auzi vorbire sau muzică amplificată.
