Un amplificator simplu pe tranzistori cu mâinile lor. Amplificator pe un tranzistor: circuit

Amplificatorul pe tranzistori, în ciuda istoriei sale deja lungi, rămâne un subiect preferat de cercetare atât pentru începătorii, cât și pentru amatorii de radio venerabili. Și acest lucru este de înțeles. Este o componentă indispensabilă a celor mai populare dispozitive radio amatori: receptoare radio și amplificatoare de frecvență joasă (sunet). Vom analiza modul în care sunt construite amplificatoarele simple frecvență joasă

Răspunsul de frecvență al amplificatorului

În orice receptor TV sau radio, în fiecare centru de muzică sau amplificator audio găsiți amplificatoare de transmisie de sunet (frecvență joasă - LF). Diferența dintre amplificatoarele tranzistorului audio și alte tipuri este caracteristica lor de frecvență.

Amplificatorul de sunet pe tranzistori are un răspuns uniform de frecvență în banda de frecvențe de la 15 Hz la 20 kHz. Aceasta înseamnă că toate semnalele de intrare cu o frecvență din acest domeniu al amplificatorului convertesc (amplifică) aproximativ aceleași. În figura de mai jos, în coordonatele "câștig amplificator Ku - frecvența semnalului de intrare" este afișată curba ideală de răspuns al frecvenței pentru amplificatorul de sunet.

Această curbă este practic netedă de la 15 Hz la 20 kHz. Aceasta înseamnă că un astfel de amplificator ar trebui utilizat pentru semnale de intrare cu frecvențe cuprinse între 15 Hz și 20 kHz. Pentru semnalele de intrare cu frecvențe mai mari de 20 kHz sau sub 15 Hz, eficiența și calitatea funcționării sale scad rapid.

Tipul caracteristicilor de frecvență ale amplificatorului este determinat de elementele electro-radio (ERE) ale circuitului său și, în primul rând, de tranzistorii înșiși. tranzistori amplificator audio asamblate, de obicei, pe așa-numitul tranzistor medie și joasă frecvență, cu o lățime de bandă totală de semnale de intrare de la zeci și sute de Hz până la 30 kHz.

Clasa de funcționare a amplificatorului

După cum se știe, în funcție de gradul de continuitate a fluxului de curent în timpul perioadei de ea prin etapa amplificator tranzistor (amplificator) distinge clasele sale operație: „A“, „B“, „AB“, „C“, „D“.

În clasa de lucru, curentul "A" prin cascadă curge pentru 100% din perioada semnalului de intrare. Lucrarea cascadei din această clasă este ilustrată în figura următoare.

În clasa de funcționare a stadiului de amplificare "AB", curentul prin acesta curge mai mult de 50%, dar mai puțin de 100% din perioada semnalului de intrare (vezi figura de mai jos).

În clasa de funcționare a cascadei "B", curentul prin acesta circulă exact 50% din perioada semnalului de intrare, așa cum este ilustrat în figură.

Și în final, în clasa de funcționare a cascadei "C" curentul prin acesta curge mai puțin de 50% din perioada semnalului de intrare.

Amplificator cu frecvență joasă pe tranzistori: distorsiune în clasele principale de lucru

În zona de lucru, amplificatorul tranzistor de clasa "A" are un nivel scăzut de distorsiune neliniară. Dar dacă semnalul are tensiuni de impuls care conduc la saturarea tranzistorilor, armonice mai mari (până la 11) apar în jurul fiecărei armonice "regulate" a semnalului de ieșire. Acest lucru provoacă fenomenul așa-numitului tranzistor sau sunet metalic.

În cazul în care LF amplificatoare de putere pe tranzistori au putere nestabilizată, semnalele lor de ieșire sunt modulate în amplitudine în apropierea frecvenței rețelei. Aceasta conduce la o rigiditate a sunetului pe marginea din stânga a răspunsului de frecvență. Diferitele modalități de stabilizare a tensiunii fac din proiectarea amplificatorului mai complicată.

Eficiența tipică a amplificatorului de clasă A cu o singură treaptă nu depășește 20% datorită tranzistorului deschis permanent și a fluxului continuu al unei componente de curent constant. Este posibil să se efectueze un amplificator de clasă A într-un mod push-pull, eficiența va crește ușor, dar jumătatea valurilor semnalului devine mai asimetrică. Traducerea aceleiași cascade din clasa de lucru "A" în clasa de lucru "AB" mărește distorsiunile neliniare de patru ori, deși eficiența schemei sale crește în acest caz.

În amplificatoarele din aceleași clase "AB" și "B", distorsiunile cresc pe măsură ce nivelul semnalului scade. Din nefericire, vreau să transform acest amplificator într-un volum mai puternic pentru plinătatea senzațiilor puterii și dinamicii muzicii, dar de multe ori acest lucru ajută puțin.

Clase de lucru intermediare

Clasa de lucru "A" are o varietate - clasa "A +". Astfel, de joasă tensiune tranzistori de intrare ale acestui amplificator de clasă operează în clasa „A“ și tranzistori de ieșire de înaltă tensiune ale amplificatorului este depășită atunci când semnalele de intrare trece peste un anumit nivel în clase „V“ sau „AB“. Economia unor astfel de cascade este mai bună decât în ​​clasa pură "A", iar distorsiunile neliniare sunt mai mici (până la 0,003%). Cu toate acestea, sunetul este, de asemenea, "metalic" din cauza prezenței unor armonici mai mari în semnalul de ieșire.

În amplificatoarele unei alte clase - "AA", gradul de distorsiune neliniară este chiar mai mic - aproximativ 0,0005%, dar sunt prezente și armonice mai înalte.

Întoarceți-vă la clasa amplificatoarelor tranzistorului "A"?

Astăzi, mulți experți în domeniul de reproducere a sunetului de înaltă calitate susțin o revenire la amplificatoare de tub, deoarece nivelul de distorsiune armonică și armonici introduse de acestea într-un semnal de ieșire, în mod evident mai mică decât cea a tranzistori. Cu toate acestea, aceste avantaje nu sunt în mică măsură compensate de necesitatea unui transformator de potrivire între treapta de ieșire a tubului de înaltă rezistență și coloanele audio cu impedanță redusă. Totuși, cu o ieșire a transformatorului, se poate realiza un amplificator simplu cu tranzistori, care va fi prezentat mai jos.

Există, de asemenea, un punct de vedere conform căruia calitatea finală a sunetului poate fi asigurată numai de un amplificator hibrid tranzistor tranzitoriu, toate cascadele acestuia fiind monofazate, nu sunt acoperite feedback-uri negative și să lucreze în clasa "A". Adică un astfel de repetor de putere este un amplificator pe un tranzistor. Schema sa poate avea o eficiență maximă posibilă (în clasa "A") nu mai mult de 50%. Dar nici puterea, nici eficiența amplificatorului nu reprezintă un indicator al calității reproducerii sunetului. În acest caz, calitatea și liniaritatea caracteristicilor tuturor ERE din schemă dobândesc o semnificație deosebită.

Deoarece schemele cu ciclu unic primesc o astfel de perspectivă, vom examina mai jos opțiunile posibile.

Amplificator cu un singur capăt pe un tranzistor

Circuitul său, realizat cu un emițător comun și conexiuni R-C prin semnale de intrare și ieșire pentru funcționarea în clasa "A", este prezentat în figura de mai jos.

Acesta arată tranzistorul Q1 al structurii n-p-n. Colectorul său prin rezistența limitatoare de curent R3 este conectat la borna pozitivă + Vcc, iar emițătorul la -Vcc. Amplificatorul de pe tranzistor al structurii p-n-p va avea același circuit, dar terminalele de alimentare vor fi schimbate.

C1 este un condensator de separare prin intermediul căruia sursa semnalului de intrare variabil este separată de sursa de tensiune constantă Vcc. În acest caz, C1 nu împiedică trecerea curentului de intrare alternativ prin tranzitarea emițătorului de bază al tranzistorului Q1. Rezistoarele R1 și R2 împreună cu rezistența formei de tranziție "EB" separator de tensiune Vcc pentru a selecta punctul de funcționare al tranzistorului Q1 în modul static. Tipic pentru această schemă este valoarea R2 = 1 kOhm, iar poziția punctului de operare este Vcc / 2. R3 este o rezistență de tracțiune a circuitului colector și servește la crearea unui semnal de tensiune de ieșire pe colector.

Presupunând că Vcc = 20 V, R2 = 1 kohm, iar curentul factorului de amplificare h = 150. Tensiunea emitorul select Ve = 9 V, iar căderea de tensiune pe joncțiunea "E - B" se presupune egal cu Vbe = 0,7 V. Această valoare corespunde așa-numitului tranzistor de siliciu. Dacă am considera un amplificator cu tranzistori germaniu, atunci căderea de tensiune la tranziția deschisă "EB" ar fi Vbe = 0,3 V.

Curentul emițătorului este aproximativ egal cu curentul colectorului

Ie = 9 B / 1 kΩ = 9 mA asymp- Ic.

Curentul de bază este Ib = Ic / h = 9 mA / 150 = 60 μA.

Tensiunea de tensiune pe rezistența R1

Vc = Vcc - Vb = Vcc - (Vbe + Ve) = 20 V - 9,7 V = 10,3 V,

R1 = V (R1) / Ib = 10,3 V / 60 pA = 172 kOhm.

C2 este necesar pentru a crea un circuit pentru trecerea componentei variabile a curentului emițătorului (de fapt curentul colectorului). Dacă nu, rezistența R2 ar restricționa sever componenta variabilă, astfel încât amplificatorul considerat pe un tranzistor bipolar să aibă un câștig de curent redus.

În calculele noastre am presupus că Ic = Ib h, unde Ib este curentul de bază care curge în el de la emițător și apare atunci când tensiunea de polarizare este aplicată pe bază. Cu toate acestea, curentul de scurgere din colectorul Icb0 curge întotdeauna prin bază (atât în ​​prezența deplasării cât și fără ea). Prin urmare, curentul de colector actual este Ic = Ib h + Icb0h, adică Curentul de scurgere din circuitul cu MA este amplificat de 150 de ori. Dacă considerăm un amplificator cu tranzistori germaniu, această circumstanță ar trebui luată în considerare în calcule. Faptul este că tranzistorii de germaniu au un Icb0 substanțial de ordinul mai multor μA. Pentru siliciu, este de trei ordine de mărime mai mică (aproximativ câțiva nA), deci ele sunt de obicei neglijate în calcule.

Amplificator cu un singur capăt cu tranzistor MIS

Ca orice amplificator cu efect de câmp, circuitul avut în vedere are analogul său între amplificatoare în tranzistori bipolari. De aceea, să luăm în considerare analogul schemei anterioare cu un emițător comun. Acesta este implementat cu o sursă comună și conexiuni R-C pentru semnale de intrare și ieșire pentru funcționarea în clasa "A" și este prezentată în figura de mai jos.

Aici C1 este același condensator de separare prin intermediul căruia sursa semnalului de intrare variabil este separată de sursa de tensiune constantă Vdd. După cum se știe, orice amplificator FET ar trebui să aibă potențialul porții tranzistorilor MIS sub potențialul surselor. În acest circuit, poarta este legată de un rezistor R1, care are, în general, o rezistență mare (de la 100 kΩ la 1 MΩ), astfel încât să nu deterioreze semnalul de intrare. Curentul prin R1 nu trece practic, astfel încât potențialul porții în absența unui semnal de intrare este egal cu potențialul solului. Potențialul sursei este mai mare decât potențialul solului din cauza căderii de tensiune pe rezistența R2. Astfel, potențialul porții este sub potențialul sursă, care este necesar pentru funcționarea normală a Q1. Condensatorul C2 și rezistorul R3 au aceeași funcție ca în schema anterioară. Deoarece acest circuit are o sursă comună, semnalele de intrare și ieșire sunt deplasate în fază cu 180 °.

Amplificator cu ieșire transformator

Un al treilea simplu tranzistori amplificator-o singură etapă prezentată în figura de mai jos, este de asemenea configurată de common-emițător pentru a opera în clasa „A“, dar cu un difuzor impedanță redusă este conectat printr-un transformator de potrivire.

Înfășurarea primară a transformatorului T1 este sarcina circuitului colector al tranzistorului Q1 și dezvoltă un semnal de ieșire. T1 transmite semnalul de ieșire către difuzor și asigură potrivirea impedanței de ieșire a tranzistorului cu o impedanță redusă (de ordinul mai multor ohme) a difuzorului.

Divizorul de tensiune al sursei de alimentare colectoare Vcc, asamblat pe rezistoarele R1 și R3, oferă alegerea punctului de funcționare al tranzistorului Q1 (alimentarea tensiunii de polarizare la baza acestuia). Alocarea elementelor rămase ale amplificatorului este aceeași ca în diagramele anterioare.

Amplificator audio în doi timpi

Amplificatorul cu două trepte low-pass pe două tranzistoare împarte intrarea semnal sonor frecvență în două jumătăți de undă antifază, fiecare dintre acestea fiind amplificată de cascada tranzistorului propriu. După efectuarea o astfel de amplificare semiundă sunt combinate într-un semnal armonic integral, care se transmite la sistemul de difuzoare. O astfel de conversie a semnalelor de frecvență joasă (divizare și re-fuzionare) provoacă în mod natural denaturări ireversibile în acesta, datorită diferenței de frecvență și proprietățile dinamice ale celor două circuite tranzistor. Aceste distorsiuni reduc calitatea sunetului la ieșirea amplificatorului.

Amplificatoarele de tip push-pull care funcționează în clasa "A" nu reproduc suficient semnale audio complexe, deoarece un curent constant de mărime crescută continuă să curgă în umeri. Aceasta duce la asimetria semicuplajelor semnalului, distorsiunile de fază și, în cele din urmă, pierderea inteligibilității sunetului. Când sunt încălzite, două tranzistoare puternice măresc distorsiunea semnalului la frecvențele joase și infraroșu la jumătate. Însă, principalul avantaj al circuitului push-pull este eficiența sa acceptabilă și creșterea puterii de ieșire.

Circuitul push-pull al amplificatorului de putere pe tranzistori este prezentat în figură.

Acesta este un amplificator pentru lucrul în clasa "A", dar poate fi folosit și clasa "AB", și chiar "B".

Transformator de putere fără amplificator

Transformatorii, în ciuda succeselor din miniaturizarea lor, rămân încă ERE greoi și mai greoi. Așadar, un mod de eliminare a transformatorului din circuitul în doi timpi a fost găsit prin efectuarea acestuia pe două tranzistoare complementare puternice de diferite tipuri (n-p-n și p-n-p). Majoritatea amplificatoarelor de putere moderne utilizează acest principiu și sunt proiectate să funcționeze în clasa "B". Circuitul unui astfel de amplificator de putere este prezentat în figura de mai jos.

Ambii tranzistori sunt incluși în schemă cu un colector comun (emițător). Prin urmare, circuitul transmite tensiunea de intrare la ieșire fără amplificare. Dacă nu există niciun semnal de intrare, ambele tranzistoare se află pe frontiera de stat, dar sunt oprite.

Când semnalul armonic este aplicat la intrare, semnalul său pozitiv deschide TR1, dar transformă complet tranzistorul p-n-p TR2 în modul de decuplare. Astfel, doar o jumătate de undă pozitivă a curentului amplificat curge prin sarcină. Semnalul semnalului de intrare negativ deschide numai TR2 și blochează TR1, astfel încât un semnal negativ de jumătate de undă de curent amplificat este introdus în sarcină. Ca urmare, un val sinus plin este amplificat pe sarcină (datorită amplificării curente).

Amplificator pe un tranzistor

Pentru a asimila cele de mai sus, colectăm un simplu amplificator pe tranzistori cu mâinile noastre și înțelegem cum funcționează.

În incluse în T. circuitul de bază Pentru a alimenta circuitul de joasă putere ca sarcină tranzistor BC107 tip T incluzând căști cu o rezistență de 2-3 ohmi, o tensiune de polarizare a bazei va oferi o rezistență ridicată valoare rezistor R * 1 Mohm, decuplarea capacitance electrolitic condensator C de 10 microfarazi la 100 microfarazi vom fi 4,5 V / 0,3 A.

Dacă rezistența R * nu este conectată, atunci nu există nici un curent de bază Ib sau un curent colector Ic. Dacă rezistența este conectată, atunci tensiunea pe bază crește la 0,7 V și curentul Ib = 4 μA curge prin ea. Câștigul curent al tranzistorului este 250, ceea ce dă Ic = 250Ib = 1 mA.

Prin aducerea un simplu tranzistori amplificator cu propriile lor mâini, acum putem experimenta. Conectați căștile și puneți degetul pe punctul 1 al circuitului. Veți auzi un zgomot. Corpul tău percepe radiația rețelei electrice la o frecvență de 50 Hz. Zgomotul ai auzit de la căști, iar această radiație este doar tranzistor de putere. Să explicăm acest proces în detaliu. tensiune de curent alternativ cu o frecvență de 50 Hz este conectat la baza tranzistorului printr-un condensator C. Tensiunea pe baza este acum egal cu suma tensiunii de polarizare de CC (aproximativ 0,7 V), care vine din rezistorul R *, și o tensiune de curent alternativ „cu degetul“. Ca rezultat, curentul colectorului primește o componentă alternativă cu o frecvență de 50 Hz. Acest curent alternativ este folosit pentru a schimba diafragma difuzorului înainte și înapoi, cu aceeași frecvență, ceea ce înseamnă că vom putea auzi tonul de 50 Hz ieșire.

Pentru a asculta nivelul de zgomot de 50 Hz nu este foarte interesant, astfel încât să puteți conecta sursele de frecvență joasă (CD player sau microfon) la punctele 1 și 2 și să auziți vorbire amplificată sau muzică.