Wzmacniacz tranzystorowy: typy, układy, proste i złożone

Najprostszy wzmacniacz tranzystorowy może być dobrym narzędziem do badania właściwości urządzeń. Schematy i projekty są dość proste, możesz samemu wykonać urządzenie i sprawdzić jego działanie, zmierzyć wszystkie parametry. Dzięki nowoczesnym tranzystory polowe Możesz dosłownie stworzyć trzy elementy miniaturowego wzmacniacza mikrofonowego. I podłącz go do komputera osobistego, aby poprawić parametry nagrywania. Tak, a rozmówcy podczas rozmów będą znacznie lepiej i jaśniej słyszeli twoją wypowiedź.

Odpowiedź częstotliwościowa

Wzmacniacze niskiej częstotliwości (dźwiękowe) są dostępne w prawie wszystkich urządzeniach domowych - centrach muzycznych, telewizorach, radiach, radiu, a nawet komputerach osobistych. Ale wciąż istnieją wzmacniacze RF na tranzystorach, lampach i mikroukładach. Różnica polega na tym, że ULF może wzmocnić sygnał częstotliwości dźwięku, który jest odbierany przez ludzkie ucho. Wzmacniacze dźwięku tranzystory umożliwiają odtwarzanie sygnałów o częstotliwościach w zakresie od 20 Hz do 20 000 Hz.

Dlatego nawet najprostsze urządzenie może wzmacniać sygnał w tym zakresie. I robi to tak równomiernie, jak to tylko możliwe. Wzmocnienie zależy bezpośrednio od częstotliwości sygnału wejściowego. Wykres tych wartości jest praktycznie prostą linią. Jeżeli sygnał wejściowy wzmacniacza z częstotliwością poza zakresem, jakość i wydajność urządzenia szybko się zmniejszy. Kaskady ULF są zwykle montowane na tranzystorach działających w zakresie niskich i średnich częstotliwości.

Klasy wydajności wzmacniacza dźwięku

Wszystkie urządzenia wzmacniające są podzielone na kilka klas, w zależności od stopnia przepływu w okresie działania prądu przez kaskadę:

1. Klasa "A" - prąd przepływa nieprzerwanie przez cały czas działania kaskady wzmacniacza.
2. W klasie pracy przepływa prąd "B" przez połowę tego okresu.
3. Klasa "AB" mówi, że prąd przepływa kaskadą wzmacniacza przez czas równy 50-100% okresu.
4. W trybie "C" prąd elektryczny przepływa przez mniej niż połowę czasu pracy.
5. Tryb "D" ULF jest używany w amatorskiej praktyce radiowej całkiem niedawno - nieco ponad 50 lat. W większości przypadków urządzenia te realizowane są w oparciu o elementy cyfrowe i mają bardzo wysoką sprawność - ponad 90%.

Obecność zniekształceń w różnych klasach wzmacniaczy niskiej częstotliwości

Obszar roboczy wzmacniacza tranzystorowego klasy "A" charakteryzuje się stosunkowo małymi zniekształceniami nieliniowymi. Jeżeli sygnał wejściowy emituje impulsy o wyższym napięciu, powoduje to nasycenie tranzystorów. W sygnale wyjściowym zaczynają pojawiać się wyższe (do 10 lub 11) w pobliżu każdej harmonicznej. Z tego powodu pojawia się metaliczny dźwięk, charakterystyczny tylko dla wzmacniaczy tranzystorowych.

Przy niestabilnym zasilaniu, sygnał wyjściowy będzie amplitudy modelowany w pobliżu częstotliwości sieci. Dźwięk stanie się bardziej sztywny po lewej stronie pasma przenoszenia. Ale im lepsza stabilizacja mocy wzmacniacza, tym trudniejszy staje się projekt całego urządzenia. ULF działający w klasie "A" mają stosunkowo małą sprawność - mniej niż 20%. Powodem jest to, że tranzystor jest stale otwarty, a prąd przepływa przez niego ciągle.

Aby zwiększyć (choć niewielką) efektywność, można użyć schematów push-pull. Jedną wadą jest to, że fale pół na wyjściu stają się asymetryczne. Jeśli przestawimy z klasy "A" na "AV", zniekształcenia nieliniowe wzrosną 3-4 razy. Jednak wydajność całego obwodu urządzenia wciąż rośnie. Klasy ULF "AB" i "B" charakteryzują wzrost zniekształceń ze spadkiem poziomu sygnału na wejściu. Ale nawet jeśli zwiększysz głośność, to nie pomoże całkowicie pozbyć się niedociągnięć.

Praca w klasach pośrednich

Każda klasa ma kilka odmian. Na przykład istnieje klasa wzmacniaczy roboczych "A +". W nim tranzystory wejściowe (niskie napięcie) działają w trybie "A". Ale wysokie napięcie, zainstalowane w stopniach wyjściowych, działa albo w "B" albo w "AV". Takie wzmacniacze są o wiele bardziej ekonomiczne niż praca w klasie "A". Zauważalnie mniej nieliniowych zniekształceń - nie więcej niż 0,003%. Wyższe wyniki można uzyskać za pomocą tranzystorów bipolarnych. Zasada działania wzmacniaczy na tych elementach zostanie omówiona poniżej.

Ale wciąż istnieje duża liczba wyższych harmonicznych w sygnale wyjściowym, powodując, że dźwięk staje się charakterystyczny metaliczny. Istnieją również obwody wzmacniacza działające w klasie AA. W ich przypadku nieliniowe zniekształcenia są jeszcze mniejsze - do 0,0005%. Ale główna wada wzmacniaczy tranzystorowych nadal istnieje - charakterystyczny metaliczny dźwięk.

"Alternatywne" projekty

Nie można powiedzieć, że są one alternatywne, tylko niektórzy profesjonaliści zajmujący się projektowaniem i montażem wzmacniaczy do wysokiej jakości odtwarzania dźwięku, coraz częściej preferują projekty lampowe. Wzmacniacze lamp mają takie zalety:

1. Bardzo niski poziom zniekształceń nieliniowych w sygnale wyjściowym.
2. Wyższe harmoniczne są mniejsze niż w projektach tranzystorowych.

Ale jest jedna wielka wada, która przewyższa wszystkie zalety - na pewno trzeba zainstalować urządzenie do zatwierdzenia. Faktem jest, że kaskada lampy ma bardzo dużą rezystancję - kilka tysięcy omów. Ale rezystancja uzwojenia głośnika wynosi 8 lub 4 omy. Aby je koordynować, musisz zainstalować transformator.

Oczywiście nie jest to duża wada - istnieją również urządzenia tranzystorowe, które wykorzystują transformatory do dopasowania do stopnia wyjściowego i systemu głośników. Niektórzy eksperci twierdzą, że najbardziej skutecznym schematem jest hybryda - w której stosowane są wzmacniacze single-ended, które nie są objęte negatywnym sprzężeniem zwrotnym. Co więcej, wszystkie te kaskady działają w trybie "A" klasy ULF. Innymi słowy, tranzystorowy wzmacniacz mocy jest używany jako wzmacniacz.

Co więcej, wydajność takich urządzeń jest dość wysoka - około 50%. Ale nie należy skupiać się tylko na wskaźnikach wydajności i mocy - nie mówią one o wysokiej jakości reprodukcji dźwięku przez wzmacniacz. Znacznie większe znaczenie ma liniowość cech i ich jakość. Dlatego musimy zwracać uwagę przede wszystkim na nich, a nie na władzę.

Jednoprzewodowy obwód tranzystorowy ULF

Najprostszy wzmacniacz, zbudowany zgodnie ze schematem ze wspólnym nadajnikiem, działa w klasie "A". Układ wykorzystuje element półprzewodnikowy o strukturze NPN. W obwodzie kolektora zainstalowana rezystancja R3, ograniczająca przepływ prądu. Obwód kolektora jest podłączony do dodatniego przewodu zasilającego, a obwód emitera jest podłączony do ujemnego. W przypadku stosowania tranzystorów półprzewodnikowych o strukturze pnp, obwód będzie dokładnie taki sam, tylko konieczna będzie zmiana polaryzacji.

Za pomocą sprzęgającego kondensatora C1 można oddzielić zmienny sygnał wejściowy od źródła prąd stały W tym przypadku kondensator nie jest przeszkodą dla przepływu prądu przemiennego wzdłuż ścieżki emiter-stacja. Wewnętrzna rezystancja połączenia nadajnik-podstawa razem z rezystorami R1 i R2 reprezentuje najprostszy dzielnik napięcia. Zazwyczaj rezystor R2 ma rezystancję 1-1,5 kΩ - najbardziej typowe wartości dla takich obwodów. W tym przypadku napięcie zasilania jest dzielone dokładnie na połowę. A jeśli zasilasz obwód napięciem 20 woltów, możesz zauważyć, że wartość prądu wzmocnienia h21 będzie wynosić 150. Należy zauważyć, że wzmacniacze HF na tranzystorach są wykonywane zgodnie z podobnymi schematami, działają tylko trochę inaczej.

Jednocześnie napięcie emitera wynosi 9 V, a spadek w obwodzie "EB" wynosi 0,7 V (co jest charakterystyczne dla tranzystorów na kryształach krzemu). Jeśli weźmiemy pod uwagę wzmacniacz na tranzystorach germanowych, to w tym przypadku spadek napięcia na odcinku "EB" będzie równy 0,3 V. Prąd w obwodzie kolektora będzie równy prądowi płynącemu w nadajniku. Możliwe jest obliczenie poprzez podzielenie napięcia emitera przez rezystancję R2 - 9V / 1 kΩ = 9 mA. Aby obliczyć bazową wartość prądu, konieczne jest podzielenie 9 mA przez wzmocnienie h21 - 9mA / 150 = 60 μA. W konstrukcji tranzystorów bipolarnych ULF zwykle stosuje się. Zasada działania różni się od zasadniczych.

Na rezystorze R1 można obliczyć wartość spadku - jest to różnica między napięciem podstawowym a napięciowym. W takim przypadku napięcie podstawowe można rozpoznać po formule - sumie charakterystyk emitera i przejścia "EB". Zasilany ze źródła 20 woltów: 20 - 9,7 = 10,3. Stąd można obliczyć wartość rezystancji R1 = 10,3 V / 60 μA = 172 kΩ. W obwodzie występuje pojemność C2, która jest niezbędna do realizacji obwodu, wzdłuż którego może przechodzić zmienny składnik prądu emitera.

Jeśli nie zainstalujesz kondensatora C2, zmienny komponent będzie bardzo ograniczony. Z tego powodu taki tranzystorowy wzmacniacz audio będzie miał bardzo niskie wzmocnienie prądowe h21. Należy zauważyć, że w powyższych obliczeniach założono, że prądy podstawowe i kolektorowe są równe. Prąd bazowy został pobrany przez ten, który wpada do obwodu z emitera. Występuje tylko pod warunkiem, że na wyjście podstawy tranzystora przykładane jest napięcie polaryzacji.

Należy jednak pamiętać, że absolutnie zawsze, niezależnie od obecności odchylenia, prąd upływowy kolektora przepływa przez obwód podstawowy. W obwodach ze wspólnym nadajnikiem prąd upływu jest zwiększany co najmniej 150 razy. Ale zwykle ta wartość jest brana pod uwagę tylko podczas obliczania wzmacniaczy na tranzystorach germanowych. W przypadku krzemu, w którym prąd obwodu "KB" jest bardzo mały, wartość ta jest po prostu ignorowana.

Wzmacniacze MOSFET

Wzmacniacz tranzystorowy z efektem polowym przedstawiony na schemacie ma wiele analogów. Łącznie z używaniem tranzystory bipolarne. Dlatego można uznać za podobny przykład budowę wzmacniacza dźwięku zmontowanego zgodnie ze schematem ze wspólnym nadajnikiem. Zdjęcie pokazuje obwód wykonany zgodnie z obwodem ze wspólnym źródłem. Na obwodach wejściowych i wyjściowych gromadzone są połączenia RC, dzięki czemu urządzenie działa w trybie wzmacniacza klasy "A".

Prąd przemienny ze źródła sygnału jest oddzielone od napięcia zasilania DC przez kondensator C1. Wzmacniacz tranzystorowy z efektem polowym musi mieć potencjał bramki, który będzie niższy niż podobna charakterystyka źródłowa. W przedstawionym obwodzie bramka jest podłączona do wspólnego przewodu przez rezystor R1. Jego rezystancja jest bardzo duża - zwykle w konstrukcji stosowane są rezystory 100-1000 kΩ. Tak duża rezystancja jest tak dobrana, że ​​sygnał wejściowy nie jest blokowany.

Opór ten prawie nie przepuszcza prądu elektrycznego, w wyniku czego potencjał bramki (w przypadku braku sygnału na wejściu) jest taki sam, jak potencjał gruntu. U źródła potencjał jest większy niż potencjał ziemi, tylko ze względu na spadek napięcia na rezystancji R2. Z tego wynika, że ​​brama ma niższy potencjał niż źródło. Mianowicie, jest to wymagane do normalnego funkcjonowania tranzystora. Musisz zwrócić uwagę na to, że C2 i R3 w tym obwodzie wzmacniacza mają ten sam cel, co w powyższej konstrukcji. A sygnał wejściowy jest przesunięty względem wyjścia o 180 stopni.

ULF z transformatorem wyjściowym

Możesz zrobić taki wzmacniacz własnymi rękami do użytku domowego. Przeprowadza się go zgodnie ze schematem pracującym w klasie "A". Projekt jest taki sam jak omówiono powyżej - ze wspólnym emiterem. Jedną z cech jest konieczność użycia transformatora do dopasowania. Jest to wada tego tranzystorowego wzmacniacza audio.

Obwód kolektora tranzystora jest ładowany przez uzwojenie pierwotne, które rozwija sygnał wyjściowy przesyłany przez wtórny do głośników. Rezystory R1 i R3 montowane dzielnik napięcia, który pozwala wybrać punkt pracy tranzystora. Za pomocą tego łańcucha zapewnione jest dostarczanie napięcia polaryzacji do podstawy. Wszystkie pozostałe elementy mają taki sam cel, jak na powyższych schematach.

Wzmacniacz audio push-pull

Nie oznacza to, że jest to prosty wzmacniacz tranzystorowy, ponieważ jego działanie jest nieco bardziej skomplikowane niż te rozważane wcześniej. W układzie typu push-pull ULF sygnał wejściowy jest podzielony na dwie półfale, różniące się fazowo. I każda z tych półfali jest wzmacniana kaskadą wykonywaną na tranzystorze. Po wzmocnieniu każdej półfali oba sygnały są połączone i podawane do głośników. Takie złożone transformacje mogą powodować zniekształcenie sygnału, ponieważ właściwości dynamiczne i częstotliwościowe dwóch tranzystorów, nawet tego samego typu, będą różne.

W rezultacie wyjście wzmacniacza znacznie obniża jakość dźwięku. W przypadku działania wzmacniacza push-pull w klasie "A" nie jest możliwe jakościowe odtworzenie złożonego sygnału. Powodem jest to, że zwiększony prąd płynie w sposób ciągły wzdłuż ramion wzmacniacza, półfalówki są asymetryczne i powstają zniekształcenia fazowe. Dźwięk staje się mniej czytelny, a po podgrzaniu zniekształcenia sygnału są jeszcze większe, szczególnie przy niskich i bardzo niskich częstotliwościach.

Beztransformatorowy ULF

Wzmacniacz LF na tranzystorze, wykonany za pomocą transformatora, mimo że konstrukcja może mieć niewielkie wymiary, jest nadal niedoskonały. Transformatory są nadal ciężkie i nieporęczne, więc najlepiej się ich pozbyć. Obwód wykonany na komplementarnych elementach półprzewodnikowych o różnych typach przewodności jest znacznie bardziej efektywny. Większość nowoczesnych ULF wykonywana jest według takich schematów i pracuje w klasie "B".

Dwa potężne tranzystory stosowane w pracach projektowych zgodnie z obwodem wtórnika emitera (wspólny kolektor). W takim przypadku napięcie wejściowe jest przesyłane na wyjście bez utraty i wzmocnienia. Jeśli na wejściu nie ma sygnału, tranzystory są bliskie włączenia, ale nadal są wyłączone. Kiedy sygnał harmoniczny jest podawany do wejścia, dodatnia półfala pierwszego tranzystora otwiera się, a druga jest w tym czasie w trybie odcięcia.

Dlatego tylko dodatnie fale pół-przechodzą przez obciążenie. Ale te ujemne otwierają drugi tranzystor i całkowicie blokują pierwszy. W takim przypadku ładowane są tylko ujemne półfalmy. W rezultacie sygnał wzmocniony mocą jest wysyłany z urządzenia. Taki układ wzmacniacza tranzystorowego jest dość skuteczny i zdolny do zapewnienia stabilnej pracy, wysokiej jakości odtwarzania dźwięku.

Układ ULF na jednym tranzystorze

Po przestudiowaniu wszystkich powyższych cech, możesz złożyć wzmacniacz własnymi rękami na prostej podstawie elementu. Tranzystor może być używany w domowym KT315 lub dowolnym jego zagranicznym odpowiedniku - na przykład BC107. Jako obciążenie należy użyć słuchawek, których rezystancja wynosi 2000-3000 Ohm. U podstawy tranzystora konieczne jest zastosowanie napięcia polaryzacji przez rezystor 1 Mom i kondensator odsprzęgający 10 μF. Zasilanie obwodu można wykonać ze źródła 4,5-9 V, prąd - 0,3-0,5 A.

Jeżeli rezystancja R1 nie jest podłączona, wtedy nie będzie prądu w podstawie i kolektorze. Jednak po podłączeniu napięcie osiąga poziom 0,7 V i umożliwia przepływ prądu około 4 μA. W tym przypadku bieżące wzmocnienie będzie wynosić około 250. Stąd można wykonać proste obliczenia tranzystorów wzmacniacza i znaleźć prąd kolektora - okazuje się, że wynosi on 1 mA. Zbierając ten obwód wzmacniacza na tranzystorze, możesz go przetestować. Podłącz wyjście do wyjścia - słuchawki.

Dotknij palcem wejścia wzmacniacza - powinien pojawić się charakterystyczny szum. Jeśli nie, najprawdopodobniej projekt zostanie złożony nieprawidłowo. Ponownie sprawdź wszystkie połączenia i oceny elementów. Aby demonstracja była wyraźniejsza, podłącz źródło dźwięku do wejścia ULF - wyjście z odtwarzacza lub telefonu. Słuchaj muzyki i ciesz się jakością dźwięku.