Wzmacniacz tranzystorowy, pomimo swojej już długiej historii, pozostaje ulubionym przedmiotem studiów zarówno dla początkujących, jak i weteranów radioamatorów. I to jest zrozumiałe. Jest nieodzownym elementem najpopularniejszych amatorskich urządzeń radiowych: odbiorników radiowych i wzmacniaczy niskich (dźwiękowych) częstotliwości. Przyjrzymy się, jak zbudowane są najprostsze wzmacniacze tranzystorowe niskiej częstotliwości.
Częstotliwość wzmacniacza
W każdym odbiorniku telewizyjnym lub radiowym, w każdym centrum muzycznym lub wzmacniaczu dźwięku można znaleźć tranzystorowe wzmacniacze dźwięku (niska częstotliwość - LF). Różnica między tranzystorowymi wzmacniaczami audio a innymi typami polega na ich charakterystyce częstotliwościowej.
Tranzystorowy wzmacniacz audio ma jednolite pasmo przenoszenia w paśmie częstotliwości od 15 Hz do 20 kHz. Oznacza to, że wszystkie sygnały wejściowe o częstotliwości z tego zakresu są konwertowane (wzmacniane) przez wzmacniacz.o tym samym. Poniższy rysunek przedstawia idealną krzywą odpowiedzi częstotliwościowej dla wzmacniacza audio we współrzędnych „wzmocnienie wzmacniacza Ku – częstotliwość sygnału wejściowego”.
Ta krzywa jest prawie płaska od 15 Hz do 20 kHz. Oznacza to, że taki wzmacniacz powinien być używany specjalnie do sygnałów wejściowych o częstotliwościach od 15 Hz do 20 kHz. W przypadku sygnałów wejściowych o częstotliwościach powyżej 20 kHz lub poniżej 15 Hz ich wydajność i wydajność gwałtownie się pogarszają.
Rodzaj odpowiedzi częstotliwościowej wzmacniacza jest określony przez elektryczne elementy radiowe (ERE) jego obwodu, a przede wszystkim przez same tranzystory. Wzmacniacz audio oparty na tranzystorach jest zwykle montowany na tak zwanych tranzystorach niskiej i średniej częstotliwości o całkowitej szerokości pasma sygnałów wejściowych od dziesiątek i setek Hz do 30 kHz.
Klasa wzmacniacza
Jak wiadomo, w zależności od stopnia ciągłości przepływu prądu w całym jego okresie przez tranzystorowy stopień wzmacniający (wzmacniacz), wyróżnia się następujące klasy jego działania: "A", "B", "AB", "C", "D ".
W klasie działania prąd „A” przepływa przez stolik przez 100% okresu sygnału wejściowego. Kaskada w tej klasie jest zilustrowana na poniższym rysunku.
W stopniu wzmacniacza klasy „AB” prąd przepływa przez niego przez ponad 50%, ale mniej niż 100% okresu sygnału wejściowego (patrz rysunek poniżej).
W klasie działania stopnia „B” prąd przepływa przez niego dokładnie 50% okresu sygnału wejściowego, jak pokazano na rysunku.
Na koniec, w klasie operacyjnej stopnia „C”, prąd przepływa przez niego przez mniej niż 50% okresu sygnału wejściowego.
Wzmacniacz tranzystorowy LF: zniekształcenia w głównych klasach pracy
W obszarze roboczym wzmacniacz tranzystorowy klasy „A” charakteryzuje się niskim poziomem zniekształceń nieliniowych. Ale jeśli sygnał ma impulsowe skoki napięcia, prowadzące do nasycenia tranzystorów, to wokół każdej „standardowej” harmonicznej sygnału wyjściowego pojawiają się wyższe harmoniczne (do 11). Powoduje to zjawisko tzw. dźwięku tranzystorowego lub metalicznego.
Jeżeli niskoczęstotliwościowe wzmacniacze mocy na tranzystorach mają niestabilizowane zasilanie, to ich sygnały wyjściowe są modulowane pod względem amplitudy w pobliżu częstotliwości sieciowej. Prowadzi to do szorstkości dźwięku na lewym skraju pasma przenoszenia. Różne metody stabilizacji napięcia komplikują konstrukcję wzmacniacza.
Typowa sprawność wzmacniacza klasy A typu single-ended nie przekracza 20% ze względu na stale włączony tranzystor i ciągły przepływ składowej DC. Możesz zrobić wzmacniacz push-pull w klasie A, wydajność nieznacznie wzrośnie, ale półfale sygnału staną się bardziej asymetryczne. Przeniesienie kaskady z klasy pracy „A” do klasy pracy „AB” powoduje czterokrotne zwiększenie zniekształceń nieliniowych, chociaż wydajność jego obwodu wzrasta.
Bwzmacniacze klas „AB” i „B” zwiększają zniekształcenia wraz ze spadkiem poziomu sygnału. Mimowolnie chcesz podkręcić taki wzmacniacz głośniej, aby w pełni poczuć moc i dynamikę muzyki, ale często to niewiele pomaga.
Zaawansowane zajęcia zawodowe
Klasa pracy "A" ma odmianę - klasa "A+". W tym przypadku tranzystory wejściowe niskiego napięcia wzmacniacza tej klasy pracują w klasie „A”, a tranzystory wyjściowe wysokiego napięcia wzmacniacza, gdy ich sygnały wejściowe przekroczą określony poziom, przechodzą do klasy „B” lub „AB”. Sprawność takich kaskad jest lepsza niż w czystej klasie „A”, a zniekształcenia nieliniowe są mniejsze (do 0,003%). Brzmią jednak również „metalicznie” ze względu na obecność wyższych harmonicznych w sygnale wyjściowym.
Wzmacniacze innej klasy - "AA" mają jeszcze niższy stopień zniekształceń nieliniowych - około 0,0005%, ale obecne są również wyższe harmoniczne.
Wrócić do wzmacniacza tranzystorowego klasy A?
Dziś wielu specjalistów w dziedzinie wysokiej jakości odtwarzania dźwięku opowiada się za powrotem do wzmacniaczy lampowych, ponieważ poziom zniekształceń nieliniowych i wyższych harmonicznych wprowadzanych przez nie do sygnału wyjściowego jest oczywiście niższy niż w przypadku tranzystorów. Jednak te zalety są w dużej mierze niwelowane przez potrzebę zastosowania transformatora dopasowującego między lampowym stopniem wyjściowym o wysokiej impedancji a głośnikami o niskiej impedancji. Jednak prosty wzmacniacz tranzystorowy może być wykonany z wyjściem transformatorowym, jak pokazano poniżej.
Istnieje również punkt widzenia, że tylko hybrydowy wzmacniacz lampowo-tranzystorowy może zapewnić najwyższą jakość dźwięku, którego wszystkie etapy są single-ended, nie objęte ujemnym sprzężeniem zwrotnym i pracują w klasie „A”. Oznacza to, że taki wtórnik mocy to wzmacniacz na jednym tranzystorze. Jego schemat może mieć maksymalną osiągalną wydajność (w klasie „A”) nie większą niż 50%. Ale ani moc, ani wydajność wzmacniacza nie są wskaźnikami jakości odtwarzania dźwięku. Jednocześnie szczególnie ważna jest jakość i liniowość charakterystyk wszystkich ERE w obwodzie.
Ponieważ obwody z jednym zakończeniem uzyskują tę perspektywę, przyjrzymy się ich opcjom poniżej.
Wzmacniacz jednotranzystorowy z jednym tranzystorem
Jego obwód, wykonany ze wspólnego emitera i połączeń R-C dla sygnałów wejściowych i wyjściowych do pracy w klasie „A”, pokazano na poniższym rysunku.
Pokazuje tranzystor n-p-n Q1. Jego kolektor jest podłączony do dodatniego zacisku +Vcc przez rezystor ograniczający prąd R3, a jego emiter jest podłączony do -Vcc. Wzmacniacz tranzystorowy p-n-p będzie miał ten sam obwód, ale przewody zasilające będą odwrócone.
C1 to kondensator odsprzęgający, który oddziela źródło wejściowe AC od źródła napięcia DC Vcc. Jednocześnie C1 nie zapobiega przechodzeniu przemiennego prądu wejściowego przez złącze baza-emiter tranzystora Q1. Rezystory R1 i R2 wraz z rezystancjąprzejście „E - B” tworzą dzielnik napięcia Vcc do wyboru punktu pracy tranzystora Q1 w trybie statycznym. Typowa dla tego obwodu jest wartość R2=1 kOhm, a położenie punktu pracy to Vcc/2. R3 jest rezystorem obciążającym obwód kolektora i służy do tworzenia zmiennego sygnału wyjściowego napięcia na kolektorze.
Załóżmy, że Vcc=20 V, R2=1 kOhm i wzmocnienie prądowe h=150. Wybieramy napięcie na emiterze Ve=9 V, a spadek napięcia na przejściu „A - B” wynosi wzięta jako równa Vbe=0,7 V. Ta wartość odpowiada tak zwanemu tranzystorowi krzemowemu. Gdybyśmy rozważali wzmacniacz oparty na tranzystorach germanowych, spadek napięcia na otwartym złączu „E - B” wyniósłby Vbe=0,3 V.
Prąd emitera, w przybliżeniu równy prądowi kolektora
Ie=9 V/1 kΩ=9 mA ≈ Ic.
Prąd bazowy Ib=Ic/h=9mA/150=60uA.
Spadek napięcia na rezystorze R1
V(R1)=Vcc - Vb=Vcc - (Vbe + Ve)=20 V - 9,7 V=10,3 V
R1=V(R1)/Ib=10, 3 V/60 uA=172 kΩ.
C2 jest potrzebne do stworzenia obwodu dla przejścia zmiennej składowej prądu emitera (właściwie prądu kolektora). Gdyby go tam nie było, rezystor R2 poważnie ograniczyłby składową zmienną, tak że dany bipolarny wzmacniacz tranzystorowy miałby niskie wzmocnienie prądowe.
W naszych obliczeniach założyliśmy, że Ic=Ib h, gdzie Ib jest prądem bazy płynącym do niego z emitera i powstającym w wyniku przyłożenia napięcia polaryzacji do bazy. Jednak przez bazę zawsze (zarówno z przesunięciem, jak i bez)występuje również prąd upływu z kolektora Icb0. Dlatego rzeczywisty prąd kolektora wynosi Ic=Ib h + Icb0 h, tj. prąd upływu w obwodzie z OE jest wzmacniany 150 razy. Gdybyśmy rozważali wzmacniacz oparty na tranzystorach germanowych, to ta okoliczność musiałaby być uwzględniona w obliczeniach. Faktem jest, że tranzystory germanowe mają znaczny Icb0 rzędu kilku μA. W krzemie jest o trzy rzędy wielkości mniejszy (około kilku nA), więc zwykle jest pomijany w obliczeniach.
Wzmacniacz tranzystorowy MIS z pojedynczym wyjściem
Jak każdy polowy wzmacniacz tranzystorowy, omawiany obwód ma swój odpowiednik wśród bipolarnych wzmacniaczy tranzystorowych. Dlatego rozważ analogię poprzedniego obwodu ze wspólnym emiterem. Wykonany jest ze wspólnego źródła i połączeń R-C dla sygnałów wejściowych i wyjściowych do pracy w klasie „A” i jest pokazany na poniższym rysunku.
Tutaj C1 jest tym samym kondensatorem odsprzęgającym, za pomocą którego źródło wejściowe AC jest oddzielone od źródła napięcia DC Vdd. Jak wiecie, każdy wzmacniacz tranzystorowy polowy musi mieć potencjał bramki tranzystorów MOS poniżej potencjałów ich źródeł. W tym obwodzie bramka jest uziemiona przez R1, który ma zazwyczaj wysoką rezystancję (100 kΩ do 1 MΩ), dzięki czemu nie bocznikuje sygnału wejściowego. Praktycznie nie ma prądu przez R1, więc potencjał bramki przy braku sygnału wejściowego jest równy potencjałowi ziemi. Potencjał źródła jest wyższy niż potencjał ziemi z powodu spadku napięcia na rezystorze R2. WięcZatem potencjał bramki jest niższy niż potencjał źródła, który jest niezbędny do normalnej pracy Q1. Kondensator C2 i rezystor R3 mają to samo przeznaczenie, co w poprzednim obwodzie. Ponieważ jest to obwód ze wspólnym źródłem, sygnały wejściowe i wyjściowe są przesunięte w fazie o 180°.
Wzmacniacz wyjściowy transformatorowy
Trzeci jednostopniowy prosty wzmacniacz tranzystorowy, pokazany na poniższym rysunku, jest również wykonany zgodnie ze wspólnym obwodem emiterowym do pracy w klasie „A”, ale jest podłączony do głośnika o niskiej impedancji poprzez dopasowanie transformator.
Uzwojenie pierwotne transformatora T1 jest obciążeniem obwodu kolektora tranzystora Q1 i wytwarza sygnał wyjściowy. T1 wysyła sygnał wyjściowy do głośnika i zapewnia, że impedancja wyjściowa tranzystora odpowiada niskiej (rzędu kilku omów) impedancji głośnika.
Dzielnik napięcia zasilacza kolektora Vcc, zamontowany na rezystorach R1 i R3, umożliwia wybór punktu pracy tranzystora Q1 (dostarczając napięcie polaryzacji do jego bazy). Przeznaczenie pozostałych elementów wzmacniacza jest takie samo jak w poprzednich obwodach.
Push-pull wzmacniacz audio
Dwutranzystorowy wzmacniacz niskotonowy push-pull dzieli wejściowy sygnał audio na dwie przesunięte w fazie półfale, z których każda jest wzmacniana przez własny stopień tranzystorowy. Po wykonaniu takiego wzmocnienia, półfale są łączone w pełny sygnał harmoniczny, który jest przesyłany do zestawu głośnikowego. Taka transformacja niskiej częstotliwościsygnał (rozdzielanie i ponowne zgrzewanie) powoduje oczywiście nieodwracalne zniekształcenia w nim, ze względu na różnicę częstotliwości i właściwości dynamicznych dwóch tranzystorów układu. To zniekształcenie obniża jakość dźwięku na wyjściu wzmacniacza.
Wzmacniacze przeciwsobne działające w klasie „A” nie odtwarzają wystarczająco dobrze złożonych sygnałów audio, ponieważ w ich ramionach stale płynie zwiększony prąd stały. Prowadzi to do asymetrii półfal sygnału, zniekształceń fazowych i ostatecznie do utraty zrozumiałości dźwięku. Po podgrzaniu dwa potężne tranzystory podwajają zniekształcenia sygnału w niskich i podczerwonych częstotliwościach. Jednak główną zaletą układu push-pull jest jego akceptowalna wydajność i zwiększona moc wyjściowa.
Push-pull tranzystorowy obwód wzmacniacza mocy pokazano na rysunku.
Jest to wzmacniacz klasy „A”, ale można również użyć klasy „AB”, a nawet „B”.
Beztransformatorowy tranzystorowy wzmacniacz mocy
Transformatory, pomimo postępów w ich miniaturyzacji, nadal są najbardziej masywnymi, ciężkimi i najdroższymi ERE. Dlatego znaleziono sposób na wyeliminowanie transformatora z obwodu push-pull, uruchamiając go na dwóch potężnych komplementarnych tranzystorach różnych typów (n-p-n i p-n-p). Większość nowoczesnych wzmacniaczy mocy wykorzystuje tę zasadę i są zaprojektowane do pracy w klasie „B”. Obwód takiego wzmacniacza mocy pokazano na poniższym rysunku.
Oba tranzystory są połączone zgodnie ze wspólnym obwodem kolektora (wtórnika emitera). Dlatego obwód przenosi napięcie wejściowe na wyjście bez wzmocnienia. Jeśli nie ma sygnału wejściowego, to oba tranzystory znajdują się na granicy stanu włączenia, ale są wyłączone.
Kiedy na wejściu pojawia się sygnał harmoniczny, jego dodatnia półfala otwiera TR1, ale ustawia tranzystor p-n-p TR2 w tryb pełnego odcięcia. W ten sposób przez obciążenie przepływa tylko dodatnia półfala wzmocnionego prądu. Ujemna półfala sygnału wejściowego otwiera tylko TR2 i wyłącza TR1, dzięki czemu ujemna półfala wzmocnionego prądu jest dostarczana do obciążenia. W rezultacie do obciążenia dostarczany jest sygnał sinusoidalny o pełnej mocy wzmocniony (dzięki wzmocnieniu prądowemu).
Pojedynczy wzmacniacz tranzystorowy
Aby przyswoić powyższe, zmontujemy prosty wzmacniacz tranzystorowy własnymi rękami i dowiemy się, jak to działa.
Jako obciążenie tranzystora małej mocy T typu BC107 włączamy słuchawki o rezystancji 2-3 kOhm, do bazy przykładamy napięcie polaryzacji z rezystora wysokooporowego R 1 MΩ włączamy odsprzęgający kondensator elektrolityczny C o pojemności od 10 μF do 100 μF w obwodzie bazowym T. Obwód będziemy zasilać z akumulatora 4,5 V / 0,3 A.
Jeżeli rezystor R nie jest podłączony, nie ma prądu bazy Ib ani prądu kolektora Ic. Jeśli rezystor jest podłączony, napięcie na podstawie wzrasta do 0,7 V i przepływa przez niego prąd Ib \u003d 4 μA. Współczynnikwzmocnienie prądowe tranzystora wynosi 250, co daje Ic=250Ib=1 mA.
Po złożeniu własnoręcznie prostego wzmacniacza tranzystorowego możemy go teraz przetestować. Podłącz słuchawki i połóż palec na punkcie 1 schematu. Usłyszysz hałas. Twoje ciało odbiera promieniowanie sieciowe o częstotliwości 50 Hz. Hałas, który słyszysz w słuchawkach, to właśnie to promieniowanie, wzmacniane tylko przez tranzystor. Wyjaśnijmy ten proces bardziej szczegółowo. Napięcie przemienne 50 Hz jest podłączone do bazy tranzystora przez kondensator C. Napięcie na podstawie jest teraz równe sumie napięcia polaryzacji DC (około 0,7 V) pochodzącego z rezystora R i napięcia palca AC. W rezultacie prąd kolektora otrzymuje składową przemienną o częstotliwości 50 Hz. Ten zmienny prąd jest używany do poruszania membraną głośników tam i z powrotem z tą samą częstotliwością, co oznacza, że na wyjściu możemy usłyszeć ton 50 Hz.
Słyszenie poziomu hałasu 50 Hz nie jest zbyt interesujące, więc możesz podłączyć źródła niskiej częstotliwości (odtwarzacz CD lub mikrofon) do punktów 1 i 2 i słyszeć wzmocnioną mowę lub muzykę.
