Zesilovač na tranzistory, i přes jeho jiždlouhá historie, zůstává oblíbeným předmětem výzkumu jak pro začátečníky, tak pro ctihodné rádioamatéry. A to je pochopitelné. Je nepostradatelnou součástí nejpopulárnějších rádiových amatérských zařízení: rádiových přijímačů a zesilovačů s nízkou (zvukovou) frekvencí. Budeme uvažovat, jak budovat nejjednodušší nízkofrekvenční zesilovače na tranzistorech.

Frekvenční odezva zesilovače

V každém televizoru nebo rozhlasovém přijímači v každémhudební centrum nebo zesilovač zvuku najdete tranzistorové zesilovače zvuku (nízká frekvence - LF). Rozdíl mezi zvukovými tranzistorovými zesilovači a jinými typy je jejich frekvenční charakteristika.

Zvukový zesilovač na tranzistorech májednotná frekvenční odezva v kmitočtovém pásmu od 15 Hz do 20 kHz. To znamená, že všechny vstupní signály s frekvencí v tomto rozmezí, je zesilovač převádí (zvýšení) přibližně stejně. Níže uvedený obrázek ukazuje koordináty „zesílení zesilovače Ku - Vstupní frekvence“ křivka znázorňuje charakteristiku ideální frekvence pro audio zesilovače.

tranzistorový zesilovač

Tato křivka je prakticky plochá od 15 Hz do 20 kHz. To znamená, že takový zesilovač by měl být použit pro vstupní signály s frekvencemi mezi 15 Hz a 20 kHz. U vstupních signálů s frekvencemi nad 20 kHz nebo pod 15 Hz se účinnost a kvalita jejich provozu rychle snižuje.

Typ kmitočtové charakteristiky zesilovačeje určen elektro-rádiovými prvky (ERE) jeho obvodu a především samotnými tranzistory. Zvukový zesilovač na tranzistorech je obvykle sestaven na tzv. Nízko a středně frekvenčních tranzistorech s celkovou šířkou pásma vstupních signálů od desítek do stovek Hz až 30 kHz.

Třída provozu zesilovače

Jak je známo, v závislosti na stupnikontinuita toku proudu během jeho doby přes tranzistorový zesilovač (zesilovač) rozlišuje následující třídy jeho práce: "A", "B", "AB", "C", "D".

Ve třídě práce protéká proud "A" přes kaskádu po dobu 100% doby vstupního signálu. Práce kaskády v této třídě ilustruje následující obrázek.

německý zesilovač

Ve třídě fungování zesilovacího stupně "AB" protéká proud více než 50%, ale méně než 100% doby vstupního signálu (viz obrázek níže).

zesilovač s jedním tranzistorem

Ve třídě provozu kaskády "B" prochází proud přesahující přesně 50% doby vstupního signálu, jak je znázorněno na obrázku.

tranzistorový zesilovač

A nakonec ve třídě provozu kaskády "C" protéká proud méně než 50% doby vstupního signálu.

Nízkofrekvenční zesilovač na tranzistory: zkreslení v hlavních třídách práce

V pracovní oblasti je třída tranzistorového zesilovače"A" má nízkou úroveň nelineárního zkreslení. Pokud však má signál impulzní napětí, které vedou k nasycení tranzistorů, se kolem každé "normální" harmonické výstupního signálu objevují vyšší harmonické (až na 11.). To způsobuje jev takzvaného tranzistoru nebo kovového zvuku.

Pokud mají výkonové zesilovače s nízkým výkonemnestabilizovaný výkon, jsou jejich výstupní signály modulovány v amplitudě blízko frekvence sítě. To vede k tuhosti zvuku na levém okraji frekvenční odezvy. Různé způsoby stabilizace napětí způsobují, že návrh zesilovače je složitější.

Typická účinnost zesilovače třídy A s jedním koncem nenípřesahuje 20% kvůli trvale otevřenému tranzistoru a kontinuálnímu proudění komponentu konstantního proudu. Je možné provádět zesilovač třídy A v režimu push-pull, efektivita se mírně zvýší, ale poloviny vln signálu se stanou více asymetrickými. Převedení stejné kaskády z třídy práce "A" do třídy práce "AB" zvyšuje čtyřnásobné nelineární zkreslení, ačkoli účinnost její schémy se v tomto případě zvyšuje.

V zesilovačích stejných tříd zkreslení "AB" a "B"Zvyšte při snížení úrovně signálu. Nepřijatelně chci zvětšit tento zesilovač na hlasitější hlasitost pro plný pocit síly a dynamiky hudby, ale často to pomáhá trochu.

Středně pokročilé třídy

Třída práce "A" má třídu odrůd"A +". Tak, nízkonapěťové vstupní tranzistory této třídy zesilovač pracuje ve třídě „A“, a vysokonapěťové výstupní tranzistory zesilovače je překročena, když se jejich vstupní signály přejít určité úrovně v třídách „V“ nebo „SR“. Náklady na takových kaskád lepší než čisté třídy „A“, přičemž nelineární zkreslení menší (0,003%). Však také znít „kovové“ v důsledku přítomnosti vyšších harmonických ve výstupním signálu.

V zesilovačích jiné třídy - "AA" je stupeň nelineárního zkreslení ještě nižší - kolem 0,0005%, ale také vyšší harmonické.

Návrat na tranzistorový zesilovač třídy "A"?

Dnes mnoho odborníků v oborukvalita zvukové reprodukce obhajuje návrat do zesilovačů trubek, protože úroveň nelineárního zkreslení a vyšších harmonických, která jsou do nich vnesena do výstupního signálu, je jistě nižší než úroveň tranzistorů. Nicméně tyto výhody nejsou v malém měřítku kompenzovány potřebou odpovídajícího transformátoru mezi vysokotlakým výstupním stupněm trubek a zvukovými sloupci s nízkou impedancí. Při výstupu transformátoru je však možné vytvořit jednoduchý zesilovač s tranzistory, který bude zobrazen níže.

Existuje také názor, že omezeníKvalita zvuku může být zajištěna pouze hybridním trubicovým tranzistorovým zesilovačem, jehož všechny kaskády jsou jednopólové, nejsou pokryty negativní zpětnou vazbou a pracují ve třídě "A". To znamená, že takový zesilovač výkonu je zesilovač na jednom tranzistoru. Jeho schéma může mít maximální dosažitelnou účinnost (ve třídě "A") ne více než 50%. Ale ani výkon ani účinnost zesilovače nejsou ukazatelem kvality reprodukce zvuku. V tomto případě má kvalita a linearita charakteristik všech ERE v systému zvláštní význam.

Vzhledem k tomu, že schémata s jedním cyklem získají takovou perspektivu, zvážíme jejich možnosti.

Jednoduchý zesilovač na jednom tranzistoru

Jeho obvod, vyrobený společným vysílačem a spojením R-C vstupními a výstupními signály pro provoz ve třídě "A", je uveden na následujícím obrázku.

jednoduchý tranzistorový zesilovač

Zobrazuje tranzistor Q1 struktury n-p-n. Jeho kolektor přes rezistor R3 omezující proud se připojuje k kladnému terminálu + Vcc a emitor k -Vcc. Zesilovač na tranzistoru struktury p-n-p bude mít stejný obvod, ale napájecí svorky se vymění.

C1 je oddělovací kondenzátor pomocíjehož zdroj proměnného vstupního signálu je oddělen od zdroje stejnosměrného napětí Vcc. V tomto případě C1 nebrání průchodu střídavého vstupního proudu tranzistorem Q1 tranzistorem B1. Rezistory R1 a R2 společně s odporem přechodu "EB" vytvářejí dělič napětí Vcc pro výběr pracovního bodu tranzistoru Q1 v statickém režimu. Typický pro tento schéma je hodnota R2 = 1 kOhm a poloha operačního bodu je Vcc / 2. R3 je tažný odpor kolektorového obvodu a slouží k vytvoření signálu výstupního napětí na kolektoru.

Předpokládejme, že Vcc = 20 V, R2 = 1 kOhm aproudový zisk h = 150. napětí na emitoru zvolte Ve = 9 V, a pokles napětí na uzlu „E - B“ se předpokládá, rovná Vbe = 0,7 V. Tato hodnota odpovídá tzv křemíku tranzistoru. Pokud se považuje za zesilovač na germania tranzistorů, pokles napětí v otevřeném přechodu „E - B“ by se rovnala VBE = 0,3 V.

Proud emitoru je přibližně stejný jako proud kolektoru

Ie = 9 B / 1 kΩ = 9 mA ≈ Ic.

Základní proud je Ib = Ic / h = 9 mA / 150 = 60 μA.

Pokles napětí přes rezistor 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 kOhm.

C2 je zapotřebí k vytvoření variabilního průchozího řetězcesoučást proudu emitoru (skutečně proud kolektoru). Pokud tomu tak není, odpor R2 by výrazně omezil proměnnou složku, takže zvážený zesilovač na bipolárním tranzistoru by měl malý proudový zisk.

V našich výpočtech jsme předpokládali, že Ic = Ib h, kdeIb je základním proudem, který do něj proudí z emitoru a vzniká v případě, že se na podklad působí zkreslení napětí. Nicméně, unikající proud z kolektoru Icb0 vždy protéká základnou (jak v přítomnosti posunutí, tak bez něj). Proto skutečný proud kolektoru je Ic = Ib h + Icb0h, tj. Svodový proud v obvodu s řídicím systémem se zesiluje 150 krát. Pokud bychom považovali zesilovač s germaniovými tranzistory, měla by se tato okolnost ve výpočtech vzít v úvahu. Faktem je, že germánové tranzistory mají značnou Icb0 řádu několika μA. Pro křemík je to o tři řády menší (asi několik nA), takže jsou obvykle ve výpočtech zanedbávány.

Jednoduchý zesilovač s MIS tranzistorem

Jako každý zesilovač s efektem pole,zvažovaný obvod má svůj analogový signál mezi zesilovači na bipolárních tranzistorech. Zvažme tedy analogii předchozího schématu se společným emitorem. Je implementován společným zdrojem a spojením R-C pro vstupní a výstupní signály pro provoz ve třídě "A" a je zobrazen na následujícím obrázku.

zesilovač s efektem pole

Zde je C1 stejný separační kondenzátor,pomocí něhož je zdroj proměnného vstupního signálu oddělen od zdroje konstantního napětí Vdd. Jak je známo, každý FET zesilovač by měl mít potenciál brány MIS tranzistorů pod potenciálem jejich zdrojů. V tomto obvodu je brána uzemněna rezistorem R1, který má obecně velký odpor (od 100 kΩ do 1 MΩ) tak, aby nevykazoval vstupní signál. Proud přes R1 prakticky neprochází, takže potenciál brány v nepřítomnosti vstupního signálu se rovná potenciálu země. Potenciál zdroje je vyšší než zemní potenciál kvůli poklesu napětí napříč rezistorem R2. Potenciál brány je tedy pod potenciálním zdrojem, který je nezbytný pro normální provoz Q1. Kondenzátor C2 a odpor R3 mají stejnou funkci jako v předchozím schématu. Vzhledem k tomu, že tento obvod má společný zdroj, vstupní a výstupní signály jsou fázově posunuty o 180 °.

Zesilovač s výstupním transformátorem

Třetí jednostupňový jednoduchý zesilovačtranzistory znázorněné na následujícím obrázku jsou také vyrobeny podle schématu se společným emitorem pro provoz ve třídě "A", ale s reproduktorem s nízkou impedancí je připojen přes odpovídající transformátor.

bipolární zesilovač

Primární vinutí transformátoru T1 jezatížení kolektorového obvodu tranzistoru Q1 a vyvíjí výstupní signál. T1 vysílá výstupní signál do reproduktoru a zajišťuje shodu výstupní impedance tranzistoru s nízkou impedancí reproduktoru (řádu několika ohmů).

Sběrač napětí zdroje kolektoruNapájecí zdroj Vcc, sestavený na odporech R1 a R3, poskytuje volbu provozního bodu tranzistoru Q1 (napájení zkreslení napětí na jeho základně). Přiřazení zbývajících prvků zesilovače je stejné jako v předchozích schématech.

Dvoudobý zvukový zesilovač

Dvoudobý nízkopásmový zesilovač se dvěma tranzistoryrozdělí vstupní signál zvukové frekvence na dvě antifázové poloviny, z nichž každá je zesílena vlastní kaskádou tranzistoru. Po provedení tohoto zesílení jsou poloviční vlny kombinovány do integrálního harmonického signálu, který se přenáší do akustického systému. Taková konverze nízkofrekvenčního signálu (dělení a re-fúze) přirozeně způsobuje v něm nevratné zkreslení kvůli rozdílu ve frekvenčních a dynamických vlastnostech dvou tranzistorů obvodu. Tato zkreslení snižují kvalitu zvuku na výstupu zesilovače.

Dvoudobé zesilovače pracující v třídě "A"nejsou dostatečně dobře reprodukovány složité zvukové signály, protože ve svých ramenou plynulo proudí konstantní proud většího rozsahu. To vede k asymetrii polovičních vln signálu, zkreslení fází a nakonec ztráta srozumitelnosti zvuku. Při zahřátí dva silné tranzistory zvyšují zkreslení signálu na nízké a infra-nízké frekvenci o polovinu. Hlavní výhodou okruhu push-pull je však přijatelná účinnost a zvýšený výstupní výkon.

Tlakový obvod zesilovače výkonu na tranzistorech je zobrazen na obrázku.

tranzistorové výkonové zesilovače

Jedná se o zesilovač pro práci ve třídě "A", ale lze použít i třídu "AB" a dokonce i "B".

Transformátorový výkonový zesilovač

Transformátory, navzdory úspěchu v jejichminiaturizace, jsou stále nejtěžší, těžké a drahé ERE. Bylo zjištěno, že cesta byla eliminována transformátorem z okruhu push-pull tím, že se provádí na dvou silných komplementárních tranzistorech různých typů (npn a pnp). Většina moderních výkonových zesilovačů používá tento princip a je určena pro práci ve třídě "B". Obvod takového zesilovače je zobrazen na následujícím obrázku.

výstupní tranzistory zesilovače

Oba tranzistory jsou zapojeny v obvodu se společnýmsběrač (emitor). Proto obvod přenáší vstupní napětí na výstup bez zesílení. Není-li vstupní signál, oba tranzistory jsou na hranici zapnutého stavu, ale jsou také vypnuty.

Když je na vstupu vložen harmonický signálPozitivní poloviční vlna otevírá TR1, nýbrž pnp tranzistor TR2 kompletně přepne do režimu vypnutí. Takže teplo protéká pouze kladnou poloviční vlnou zesíleného proudu. Záporná poloviční vlna vstupního signálu otevírá pouze TR2 a blokuje TR1 tak, aby záporná poloviční vlna zesíleného proudu byla aplikována na zátěž. V důsledku toho se při zatížení uvolní plný sinusový signál, který je zesílen v napájení (v důsledku zesílení proudu).

Jednoduchý tranzistorový zesilovač

Chcete-li asimilovat výše uvedené, budeme sestavit jednoduchý zesilovač na tranzistory s vlastními rukama a uvidíme, jak to funguje.

Jako zatížení tranzistoru s nízkým výkonem TTyp BC107 včetně náhlavních souprav s odporem 2-3 ohmů, bude předpětí k základně poskytovat vysoce hodnota odporu rezistoru R * 1 MOhm, oddělovací kapacitní elektrolytický kondenzátor C 10 mikrofaradů až 100 mikrofaradů obsažen v základním obvodu T. ke krmení obvod z baterie bude 4,5 B / 0,3 A.

tranzistorové nízkofrekvenční zesilovače

Pokud odpor R * není připojen, není proudzákladna Ib, žádný proudový kolektor Ic. Je-li připojen odpor, napětí na základně stoupne na 0,7 V a protéká proudem Ib = 4 μA. Aktuální zisk tranzistoru je 250, což dává Ic = 250Ib = 1 mA.

Shromažďování jednoduchého tranzistorového zesilovačeruce, můžeme to nyní zkusit. Připojte sluchátka a položte prst na bod 1 okruhu. Budete slyšet hluk. Vaše tělo snímá záření napájecího zdroje při 50 Hz. Hluk, který slyšíte ze sluchátek, je záření, které je zesíleno pouze tranzistorem. Tento proces podrobněji vysvětlujeme. Napětí střídavého napětí s frekvencí 50 Hz je připojeno ke spodní části tranzistoru kondenzátorem C. Základní napětí je nyní stejné jako součet DC offsetového napětí (přibližně 0,7 V) přicházejícího z odporu R * a AC napětí z prstu. V důsledku toho kolektorový proud přijímá proměnnou složku s frekvencí 50 Hz. Tento střídavý proud slouží k posunutí membrány reproduktorů tam a zpět se stejnou frekvencí, což znamená, že budeme moci slyšet tón 50 Hz na výstupu.

Poslech úrovně hluku 50 Hz není zajímavý, takže můžete připojit zdroje signálu s nízkým kmitočtem (CD přehrávač nebo mikrofon) do bodů 1 a 2 a slyšet vylepšenou řeč nebo hudbu.