Transistorförstärkaren är, trots sin redan långa historia, fortfarande ett favoritämne för både nybörjare och veteranradioamatörer. Och detta är förståeligt. Det är en oumbärlig komponent i de mest populära amatörradioenheterna: radiomottagare och låg (ljud) frekvensförstärkare. Vi ska titta på hur de enklaste lågfrekventa transistorförstärkarna är byggda.
Amp frekvenssvar
I vilken TV- eller radiomottagare som helst, i varje musikcenter eller ljudförstärkare, kan du hitta transistorljudförstärkare (lågfrekvens - LF). Skillnaden mellan ljudtransistorförstärkare och andra typer ligger i deras frekvenssvar.
Transistorljudförstärkaren har ett enhetligt frekvenssvar i frekvensbandet från 15 Hz till 20 kHz. Detta innebär att alla insignaler med en frekvens inom detta område omvandlas (förstärks) av förstärkaren.ungefär samma. Figuren nedan visar den ideala frekvensgångskurvan för en ljudförstärkare i koordinaterna "förstärkarförstärkning Ku - insignalsfrekvens".
Den här kurvan är nästan platt från 15Hz till 20kHz. Det betyder att en sådan förstärkare bör användas specifikt för ingångssignaler med frekvenser mellan 15 Hz och 20 kHz. För ingångssignaler med frekvenser över 20 kHz eller under 15 Hz försämras dess effektivitet och prestanda snabbt.
Typen av frekvenssvaret för förstärkaren bestäms av de elektriska radioelementen (ERE) i dess krets, och framför allt av transistorerna själva. En ljudförstärkare baserad på transistorer monteras vanligtvis på de så kallade låg- och mellanfrekvenstransistorerna med en total bandbredd på insignaler från tiotals och hundratals Hz till 30 kHz.
Förstärkarklass
Som du vet, beroende på graden av kontinuitet av strömflödet under dess period genom transistorförstärkarsteget (förstärkaren), särskiljs följande klasser av dess funktion: "A", "B", "AB", "C", "D ".
I driftsklass flyter ström "A" genom steget under 100 % av insignalperioden. Kaskaden i denna klass illustreras i följande figur.
I klassen "AB" förstärkarsteget flyter strömmen genom det i mer än 50 %, men mindre än 100 % av ingångssignalens period (se figur nedan).
I driftsklassen för "B"-steget flyter strömmen genom det exakt 50 % av perioden för ingångssignalen, som illustreras i figuren.
Slutligen, i "C"-stegsdriftsklassen, flyter strömmen genom den under mindre än 50 % av insignalperioden.
LF-transistorförstärkare: distorsion i huvudklasserna av arbete
I arbetsområdet har transistorförstärkaren av klass "A" en låg nivå av icke-linjär distorsion. Men om signalen har impulsspänningar, vilket leder till mättnad av transistorerna, uppträder högre övertoner (upp till den 11:e) runt varje "standard" överton i utsignalen. Detta orsakar fenomenet med det så kallade transistoriserade eller metalliska ljudet.
Om lågfrekventa effektförstärkare på transistorer har en ostabiliserad strömförsörjning, så moduleras deras utsignaler i amplitud nära nätfrekvensen. Detta leder till hårdhet i ljudet vid den vänstra kanten av frekvensgången. Olika spänningsstabiliseringsmetoder gör designen av förstärkaren mer komplex.
Den typiska effektiviteten för ensidig klass A-förstärkare överstiger inte 20 % på grund av den alltid påslagna transistorn och det kontinuerliga flödet av DC-komponenten. Du kan göra en klass A-förstärkare push-pull, effektiviteten kommer att öka något, men signalens halvvågor blir mer asymmetriska. Överföringen av kaskaden från arbetsklassen "A" till arbetsklassen "AB" fyrdubblar den olinjära distorsionen, även om effektiviteten hos dess krets ökar.
Bförstärkare av klasserna "AB" och "B" ökar distorsionen när signalnivån minskar. Man vill ofrivilligt skruva upp en sådan förstärkare högre för den fulla känslan av musikens kraft och dynamik, men ofta hjälper det inte mycket.
Intermediate job classes
Arbetsklass "A" har en variant - klass "A+". I detta fall fungerar lågspänningsingångstransistorerna för förstärkaren av denna klass i klass "A", och högspänningsutgångstransistorerna på förstärkaren, när deras insignaler överstiger en viss nivå, går in i klasserna "B" eller "AB". Effektiviteten hos sådana kaskader är bättre än i den rena klassen "A", och den icke-linjära distorsionen är mindre (upp till 0,003%). Men de låter också "metalliska" på grund av närvaron av högre övertoner i utsignalen.
Förstärkare av en annan klass - "AA" har ännu lägre grad av icke-linjär distorsion - cirka 0,0005 %, men högre övertoner finns också.
Återgå till klass A-transistorförstärkare?
Idag förespråkar många specialister inom området för högkvalitativ ljudåtergivning en återgång till rörförstärkare, eftersom nivån av icke-linjär distorsion och högre övertoner som introduceras av dem i utsignalen uppenbarligen är lägre än för transistorer.. Dessa fördelar uppvägs dock till stor del av behovet av en matchande transformator mellan högimpedansrörets slutsteg och lågimpedanshögtalarna. En enkel transistorförstärkare kan dock tillverkas med en transformatorutgång som visas nedan.
Det finns också en synpunkt att endast en hybridrör-transistorförstärkare kan ge den ultimata ljudkvaliteten, vars alla steg är single-ended, inte täcks av negativ feedback och fungerar i klass "A". Det vill säga, en sådan effektföljare är en förstärkare på en enda transistor. Dess schema kan ha den maxim alt uppnåbara effektiviteten (i klass "A") inte mer än 50%. Men varken kraften eller effektiviteten hos förstärkaren är indikatorer på kvaliteten på ljudåtergivningen. Samtidigt är kvaliteten och linjäriteten hos egenskaperna hos alla ERE i kretsen av särskild betydelse.
När ensidiga kretsar får det här perspektivet kommer vi att titta på alternativen nedan.
Entransistorförstärkare med enkel ände
Dess krets, gjord med en gemensam sändare och RC-anslutningar för in- och utgångssignaler för drift i klass "A", visas i figuren nedan
Den visar en n-p-n transistor Q1. Dess kollektor är ansluten till +Vcc positiva terminalen via ett strömbegränsande motstånd R3, och dess emitter är ansluten till -Vcc. P-n-p-transistorförstärkaren kommer att ha samma krets, men strömförsörjningsledningarna kommer att vara omvända.
C1 är en frånkopplingskondensator som separerar AC-ingångskällan från DC-spänningskällan Vcc. Samtidigt förhindrar Cl inte passagen av en växelström ingående genom bas-emitterövergången hos transistorn Q1. Motstånd R1 och R2 tillsammans med motståndövergången "E - B" bildar en spänningsdelare Vcc för att välja arbetspunkten för transistorn Q1 i statiskt läge. Typiskt för denna krets är värdet på R2=1 kOhm, och läget för arbetspunkten är Vcc / 2. R3 är ett belastningsmotstånd för kollektorkretsen och används för att skapa en variabel spänningsutgångssignal på kollektorn.
Antag att Vcc=20 V, R2=1 kOhm och strömförstärkningen h=150. Vi väljer spänningen vid emittern Ve=9 V, och spänningsfallet vid övergången "A - B" är taget lika med Vbe=0,7 V. Detta värde motsvarar den så kallade kiseltransistorn. Om vi övervägde en förstärkare baserad på germaniumtransistorer, så skulle spänningsfallet över den öppna korsningen "E - B" vara Vbe=0,3 V.
Emitterström, ungefär lika med kollektorström
Ie=9 V/1 kΩ=9 mA ≈ Ic.
Basström Ib=Ic/h=9mA/150=60uA.
Spänningsfall över motstånd 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 behövs för att skapa en krets för passage av den variabla komponenten av emitterströmmen (egentligen kollektorströmmen). Om den inte fanns där skulle motståndet R2 kraftigt begränsa den variabla komponenten, så att den aktuella bipolära transistorförstärkaren skulle få en låg strömförstärkning.
I våra beräkningar antog vi att Ic=Ib h, där Ib är basströmmen som flyter in i den från emittern och uppstår när en förspänning påläggs basen. Men genom basen alltid (både med och utan offset)det finns även en läckström från kollektorn Icb0. Därför är den verkliga kollektorströmmen Ic=Ib h + Icb0 h, dvs. läckströmmen i kretsen med OE förstärks med 150 gånger. Om vi övervägde en förstärkare baserad på germaniumtransistorer, måste denna omständighet tas med i beräkningarna. Faktum är att germaniumtransistorer har en signifikant Icb0 i storleksordningen flera μA. I kisel är det tre storleksordningar mindre (ungefär några nA), så det försummas vanligtvis i beräkningar.
MIS-transistorförstärkare med enkel ände
Liksom alla fälteffekttransistorförstärkare har kretsen i fråga sin analoga bland bipolära transistorförstärkare. Överväg därför en analog till den tidigare kretsen med en gemensam sändare. Den är gjord med en gemensam källa och R-C-anslutningar för in- och utsignaler för drift i klass "A" och visas i figuren nedan.
Här är C1 samma avkopplingskondensator, med hjälp av vilken AC-ingångskällan separeras från DC-spänningskällan Vdd. Som ni vet måste alla fälteffekttransistorförstärkare ha gatepotentialen för sina MOS-transistorer under potentialen för deras källor. I denna krets är grinden jordad av R1, som vanligtvis är hög resistans (100 kΩ till 1 MΩ) så att den inte shuntar insignalen. Det finns praktiskt taget ingen ström genom R1, så gatepotentialen i frånvaro av en insignal är lika med jordpotentialen. Källpotentialen är högre än jordpotentialen på grund av spänningsfallet över motståndet R2. SåSåledes är grindpotentialen lägre än källpotentialen, vilket är nödvändigt för normal drift av Q1. Kondensator C2 och motstånd R3 har samma syfte som i föregående krets. Eftersom detta är en gemensam källkrets är ingångs- och utsignalerna ur fas med 180°.
Transformer Output Amplifier
Den tredje enkelstegstransistorförstärkaren, som visas i figuren nedan, är också gjord enligt den gemensamma emitterkretsen för drift i klass "A", men den är ansluten till en lågimpedanshögtalare via en matchande transformator.
Den primära lindningen av transformatorn T1 är kollektorkretsens belastning på transistorn Q1 och utvecklar en utsignal. T1 skickar utsignalen till högtalaren och säkerställer att transistorns utgångsimpedans matchar den låga (i storleksordningen några ohm) högtalarimpedansen.
Spänningsdelaren för kollektorströmförsörjningen Vcc, monterad på motstånden R1 och R3, ger valet av arbetspunkten för transistorn Q1 (tillför en förspänning till dess bas). Syftet med de återstående elementen i förstärkaren är detsamma som i de tidigare kretsarna.
Push-pull ljudförstärkare
Den tvåtransistor push-pull lågfrekventa förstärkaren delar upp den ingående ljudsignalen i två utfasiga halvvågor, som var och en förstärks av sitt eget transistorsteg. Efter att sådan förstärkning har utförts kombineras halvvågorna till en fullständig övertonssignal, som överförs till högtalarsystemet. En sådan omvandling av lågfrekventsignal (delning och återfusion) orsakar naturligtvis irreversibel distorsion i den, på grund av skillnaden i frekvens och dynamiska egenskaper hos de två transistorerna i kretsen. Denna distorsion minskar ljudkvaliteten vid utgången av förstärkaren.
Push-pull-förstärkare som arbetar i klass "A" återger inte komplexa ljudsignaler tillräckligt bra, eftersom en ökad konstant ström ständigt flyter i armarna. Detta leder till asymmetri hos signalens halvvågor, fasförvrängningar och i slutändan till förlust av ljuduppfattbarhet. När de värms upp fördubblar två kraftfulla transistorer signaldistorsionen i de låga och infralåga frekvenserna. Men ändå är den främsta fördelen med push-pull-kretsen dess acceptabel effektivitet och ökade uteffekt.
Push-pull transistor effektförstärkarkrets visas i figuren.
Detta är en klass "A"-förstärkare, men klass "AB" och till och med "B" kan också användas.
Transformerless Transistor Power Amplifier
Transformers, trots framstegen i sin miniatyrisering, är fortfarande den mest skrymmande, tunga och dyra ERE. Därför hittade man ett sätt att eliminera transformatorn från push-pull-kretsen genom att köra den på två kraftfulla komplementära transistorer av olika typer (n-p-n och p-n-p). De flesta moderna effektförstärkare använder denna princip och är designade för att fungera i klass "B". Kretsen för en sådan effektförstärkare visas i figuren nedan.
Båda dess transistorer är anslutna enligt en gemensam kollektorkrets (emitterföljare). Därför överför kretsen ingångsspänningen till utgången utan förstärkning. Om det inte finns någon insignal, är båda transistorerna på gränsen till påslaget, men de är avstängda.
När en övertonssignal matas in, öppnar dess positiva halvvåg TR1, men sätter p-n-p-transistorn TR2 i fullt cutoff-läge. Således flyter endast den positiva halvvågen av den förstärkta strömmen genom lasten. Den negativa halvvågen av ingångssignalen öppnar endast TR2 och stänger av TR1, så att den negativa halvvågen av förstärkt ström tillförs lasten. Som ett resultat levereras en sinusformad signal med full effekt (på grund av strömförstärkning) till lasten.
Enkeltransistorförstärkare
För att assimilera ovanstående kommer vi att montera en enkel transistorförstärkare med våra egna händer och ta reda på hur den fungerar.
Som en belastning av en lågeffekttransistor T av typ BC107 slår vi på hörlurar med ett motstånd på 2-3 kOhm, vi applicerar förspänningen till basen från ett högresistansmotstånd R på 1 MΩ, vi slår på den frånkopplande elektrolytiska kondensatorn C med en kapacitet på 10 μF till 100 μF i baskretsen T. Vi kommer att driva kretsen från ett batteri på 4,5 V / 0,3 A.
Om motstånd R inte är anslutet, finns det varken basström Ib eller kollektorström Ic. Om motståndet är anslutet, stiger spänningen vid basen till 0,7 V och en ström Ib \u003d 4 μA flyter genom den. Koefficientströmförstärkningen för transistorn är 250, vilket ger Ic=250Ib=1 mA.
Efter att ha satt ihop en enkel transistorförstärkare med egna händer kan vi nu testa den. Anslut hörlurarna och placera fingret på punkt 1 i diagrammet. Du kommer att höra ett ljud. Din kropp uppfattar strålningen från elnätet med en frekvens på 50 Hz. Bruset du hör från hörlurarna är denna strålning, endast förstärkt av transistorn. Låt oss förklara denna process mer i detalj. En växelspänning på 50 Hz är ansluten till transistorns bas genom kondensator C. Spänningen vid basen är nu lika med summan av DC-förspänningen (cirka 0,7 V) som kommer från motståndet R och växelströmsfingerspänningen. Som ett resultat får kollektorströmmen en alternerande komponent med en frekvens på 50 Hz. Denna växelström används för att flytta högtalarnas membran fram och tillbaka med samma frekvens, vilket innebär att vi kan höra en 50Hz-ton vid utgången.
Att höra 50 Hz brusnivån är inte särskilt intressant, så du kan ansluta lågfrekventa källor (CD-spelare eller mikrofon) till punkterna 1 och 2 och höra förstärkt tal eller musik.
