Jednoduchý zesilovač na tranzistory s vlastními rukama. Zesilovač na jednom tranzistoru: obvod

Zesilovač na tranzistorech, i přes svou již dlouhou historii, 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. Zvažujeme, jak jsou konstruovány jednoduché zesilovače nízká frekvence

Frekvenční odezva zesilovače

V každém televizním nebo rozhlasovém přijímači, v každém hudebním středisku nebo v zesilovači, najdete tranzistorové zesilovače zvuku (nízká frekvence - LF). Rozdíl mezi zvukovými tranzistorovými zesilovači a jinými typy je jejich frekvenční charakteristika.

Zvukový zesilovač na tranzistory má jednotnou frekvenční odezvu v kmitočtovém pásmu od 15 Hz do 20 kHz. To znamená, že všechny vstupní signály s frekvencí v tomto rozsahu zesilovače konvertují (zesilují) přibližně stejný. Na níže uvedeném obrázku v souřadnicích "Zesílení zesílení Ku - frekvence vstupního signálu" ukazuje ideální křivku frekvenční odezvy pro zesilovač zvuku.

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 zesilovače je určen elektro-rádiovými prvky (ERE) jeho obvodu a především samotnými tranzistory. Nízkofrekvenční zesilovač tranzistory obvykle sestaveny na tzv nízké a střední frekvence tranzistoru s celkovou šířkou pásma vstupních signálů z desítek a stovek Hz až 30 kHz.

Třída provozu zesilovače

Jak je známo, v závislosti na stupni kontinuity toku proudu v době to přes tranzistor zesilovacího stupně (zesilovač) odlišit své třídy operace následující: „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.

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

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

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 má tranzistorový zesilovač třídy "A" 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 Zesilovače výkonu LF na tranzistory mají nestabilní výkon, jejich výstupní signály jsou modulovány v amplitudě poblíž frekvence sítě. To vede k tuhosti zvuku na levém okraji frekvenční odezvy. Různé způsoby stabilizace napětí ztěžují konstrukci zesilovače.

Typická účinnost jednostupňového zesilovače třídy A nepřesahuje 20% kvůli trvale otevřenému tranzistoru a kontinuálnímu proudění komponentu s konstantním proudem. 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 "AB" a "B" narůstá narušení, jak se úroveň signálu snižuje. 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 odrůdu - třídu "A +". V tomto případě vstupní tranzistory nízkého napětí zesilovače této třídy pracují ve třídě "A" a výstupní tranzistory vysokonapěťového tranzistoru zesilovače přecházejí do tříd "B" nebo "AB", jestliže jsou překročeny vstupními signály určité úrovně. Ekonomika takových kaskád je lepší než v čisté třídě "A" a nelineární zkreslení jsou menší (až 0,003%). Zvuk je však také "kovový" kvůli 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, mnozí odborníci v oblasti vysoce kvalitní reprodukci zvuku obhajují návrat k zesilovačů, protože úrovně harmonického zkreslení a harmonických zavedeného nich na výstupní signál, zřejmě nižší než 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 konečnou kvalitu zvuku může poskytnout pouze hybridní trubičkový tranzistorový zesilovač, jehož všechny kaskády jsou jednopólové, nejsou pokryty negativní zpětné vazby a pracovat 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.

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, pomocí něhož je zdroj proměnného vstupního signálu oddělen od zdroje konstantního napětí Vcc. V tomto případě C1 nebrání průchodu střídavého vstupního proudu tranzistorem Q1 tranzistorem B1. Rezistory R1 a R2 společně s odporem přechodové formy "EB" dělič napětí Vcc pro výběr operačního 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.

Za předpokladu, že Vcc = 20 V, R2 = 1 kOhm a současné amplifikace faktoru H = 150. napětí na emitoru zvolte Ve = 9 V, a pokles napětí na uzlu „E - B“ se předpokládá, rovnající se VBE = 0,7 V. Tato hodnota odpovídá tzv. Silikonovému tranzistoru. Pokud bychom považovali zesilovač s germániovými tranzistory, pokles napětí v otevřeném přechodu "EB" by byl Vbe = 0,3 V.

Proud emitoru je přibližně stejný jako proud kolektoru

Ie = 9 B / 1 kΩ = 9 mA asymp-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 obvodu pro průchod proměnné složky emitorového proudu (vlastně kolektorového proudu). 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, kde Ib je základním proudem, který do něj proudí z emitoru a vzniká, když se na základnu aplikuje 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

Stejně jako jakýkoliv zesilovač s efektem pole má zvažovaný obvod svůj analogový signál mezi zesilovači bipolární tranzistory. 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.

Zde je C1 stejný separační kondenzátor, pomocí něhož je zdroj variabilního 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 uzemněn rezistor R1, který má obvykle vysoký odpor (100 kOhm 1 MOhm), není odsunut do vstupního signálu. 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 jednoduché jednostupňové zesilovací tranzistory znázorněné na obrázku níže, je rovněž konfigurován společným zářičem pracovat ve třídě „A“, ale s nízkou impedancí, je připojen prostřednictvím přizpůsobovacího transformátoru.

Primární vinutí transformátoru T1 je zatížení 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).

Dělič napětí zdroje sběrač energie Vcc shromážděné odpory R1 a R3, poskytuje výběr pracovního bodu tranzistoru Q1 (předpětí na jeho základně). Přiřazení zbývajících prvků zesilovače je stejné jako v předchozích schématech.

Dvoudobý zvukový zesilovač

Dvoudobý nízkopásmový zesilovač na dvou tranzistorech rozděluje vstup zvukový signál frekvence do dvou antifázových polovičních vln, 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 nízkofrekvenční signál (štěpení a znovu slučování) v přírodě způsobuje nevratné deformace v ní v důsledku rozdílu frekvence a dynamické vlastnosti obou tranzistorových obvodů. Tato zkreslení snižují kvalitu zvuku na výstupu zesilovače.

Push-pull zesilovače pracující ve třídě "A" dostatečně nereprodukují složité zvukové signály, protože konstantní proud zvýšené velikosti plynule proudí v ramenou. 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.

Jedná se o zesilovač pro práci ve třídě "A", ale může být použit a třídy "AB" a dokonce i "B".

Transformátorový výkonový zesilovač

Transformátory, navzdory úspěchům jejich miniaturizace, stále zůstávají nejtěžší, těžší a dražší ERE. Proto byl nalezen způsob vyloučení transformátoru z dvoudobého obvodu jeho provedením na dvou silných komplementárních tranzistorech různých typů (n-p-n a p-n-p). Většina moderních výkonových zesilovačů používá tento princip a je navržena tak, aby fungovala ve třídě "B". Obvod takového zesilovače výkonu je zobrazen na následujícím obrázku.

Oba jeho tranzistory jsou zahrnuty do schématu se společným sběratelem (emitorem). Proto obvod přenáší vstupní napětí na výstup bez zesílení. Pokud není žádný vstupní signál, oba tranzistory jsou na hranici stavu, ale jsou vypnuty.

Když je harmonický signál aplikován na vstup, jeho pozitivní poloviční vlna otevírá TR1, ale zcela přepne tranzistor TR-2 p-n-p do režimu vypnutí. Takže pouze záporná poloviční vlna zesíleného proudu proudí zatížením. Záporná poloviční vlna vstupního signálu otevírá pouze TR2 a blokuje TR1 tak, že do zátěže je přivedena záporná poloviční vlna zesíleného proudu. Výsledkem je, že na zátěži je zesílen plná sinusová vlna (kvůli proudovému zesílení).

Zesilovač na jednom tranzistoru

Chcete-li asimilovat výše uvedené, shromáždíme jednoduchý zesilovač na tranzistory vlastními rukama a pochopíme, jak to funguje.

V již v základní obvodu T. Pro zdroj nízkého napájecího obvodu jako zatížení tranzistoru BC107 typu T 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 na 100 mikrofaradů budeme 4,5 V / 0,3 A.

Není-li odpor R * připojen, neexistuje žádný základní proud Ib ani kolektorový proud Ic. Pokud je odpor připojen, napětí na základně se zvýší na 0,7 V a protéká proudem Ib = 4 μA. Aktuální zisk tranzistoru je 250, což dává Ic = 250Ib = 1 mA.

Tím, že sestavíme jednoduchý zesilovač na tranzistory vlastními rukama, můžeme nyní testovat. Připojte sluchátka a položte prst na bod 1 okruhu. Budete slyšet hluk. Vaše tělo vnímá záření napájecí sítě při frekvenci 50 Hz. Hluk, který jste slyšeli ze sluchátek, a to je toto záření, jen zesílený tranzistor. Vysvětlete tento proces podrobněji. Střídavé napětí s frekvencí 50 Hz je připojen k bázi tranzistoru přes kondenzátor C. Napětí na základně je nyní roven součtu stejnosměrného předpětí (přibližně 0,7 V), přicházející z odporu R *, a střídavého napětí „prstem“. V důsledku toho kolektorový proud přijímá střídavý komponent s frekvencí 50 Hz. Tento střídavý proud se používá k posunutí membrány reproduktorů tam a zpět se stejnou frekvencí, což znamená, že budeme mít možnost slyšet tón 50 Hz výstup.

Hrát 50 Hz hluku není příliš vzrušující, takže je možné připojit k bodům 1 a 2, zdroj nízkofrekvenční signál (CD-přehrávač nebo mikrofon) a zvýšenou řeči nebo slyšet hudbu.