Tranzistoru pastiprinātājs, neskatoties uz jau tā seno vēsturi, joprojām ir iecienīts mācību priekšmets gan iesācējiem, gan pieredzējušiem radioamatieriem. Un tas ir saprotams. Tā ir neaizstājama populārāko radioamatieru ierīču sastāvdaļa: radio uztvērēji un zemas (skaņas) frekvences pastiprinātāji. Mēs apskatīsim, kā tiek būvēti vienkāršākie zemfrekvences tranzistoru pastiprinātāji.
Amp frekvences reakcija
Jebkurā televīzijas vai radio uztvērējā, katrā mūzikas centrā vai skaņas pastiprinātājā varat atrast tranzistoru skaņas pastiprinātājus (zemas frekvences - LF). Atšķirība starp audio tranzistoru pastiprinātājiem un citiem veidiem ir to frekvences reakcija.
Tranzistora audio pastiprinātājam ir vienmērīga frekvences reakcija frekvenču joslā no 15 Hz līdz 20 kHz. Tas nozīmē, ka pastiprinātājs pārveido (pastiprina) visus ieejas signālus ar frekvenci šajā diapazonā.apmēram tāpat. Zemāk esošajā attēlā ir parādīta ideālā frekvences reakcijas līkne audio pastiprinātājam koordinātēs "pastiprinātāja pastiprinājums Ku - ievades signāla frekvence".
Šī līkne ir gandrīz plakana no 15Hz līdz 20kHz. Tas nozīmē, ka šāds pastiprinātājs ir īpaši jāizmanto ieejas signāliem ar frekvencēm no 15 Hz līdz 20 kHz. Ieejas signāliem ar frekvencēm virs 20 kHz vai zem 15 Hz tā efektivitāte un veiktspēja strauji pasliktinās.
Pastiprinātāja frekvences reakcijas veidu nosaka tā ķēdes elektriskie radio elementi (ERE) un galvenokārt paši tranzistori. Uz tranzistoriem balstīts audio pastiprinātājs parasti tiek montēts uz tā sauktajiem zemas un vidējas frekvences tranzistoriem ar kopējo ieejas signālu joslas platumu no desmitiem un simtiem Hz līdz 30 kHz.
Pastiprinātāja klase
Kā jūs zināt, atkarībā no strāvas plūsmas nepārtrauktības pakāpes visā tās periodā caur tranzistora pastiprināšanas pakāpi (pastiprinātāju), izšķir šādas darbības klases: "A", "B", "AB", "C", "D ".
Darbības klasē strāva "A" plūst cauri pakāpei 100% no ieejas signāla perioda. Šīs klases kaskāde ir parādīta nākamajā attēlā.
Pastiprinātāja pakāpē "AB" strāva plūst caur to vairāk nekā 50%, bet mazāk nekā 100% no ieejas signāla perioda (skatiet attēlu zemāk).
"B" posma darbības klasē strāva caur to plūst tieši 50% no ieejas signāla perioda, kā parādīts attēlā.
Visbeidzot, "C" pakāpes darbības klasē strāva plūst caur to mazāk nekā 50% no ieejas signāla perioda.
LF-tranzistora pastiprinātājs: kropļojumi galvenajās darba klasēs
Darba zonā "A" klases tranzistora pastiprinātājam ir zems nelineāro kropļojumu līmenis. Bet, ja signālam ir impulsa sprieguma pārspriegums, kas noved pie tranzistoru piesātinājuma, tad ap katru izejas signāla “standarta” harmoniku parādās augstākas harmonikas (līdz 11.). Tas izraisa tā sauktās tranzistorizētās jeb metāliskās skaņas fenomenu.
Ja tranzistoru zemfrekvences jaudas pastiprinātājiem ir nestabilizēta strāvas padeve, tad to izejas signāli tiek modulēti amplitūdā tuvu tīkla frekvencei. Tas noved pie skaņas skarbuma frekvences reakcijas kreisajā malā. Dažādas sprieguma stabilizācijas metodes padara pastiprinātāja konstrukciju sarežģītāku.
Tipiskā A klases viena gala pastiprinātāja efektivitāte nepārsniedz 20% vienmēr ieslēgtā tranzistora un līdzstrāvas komponenta nepārtrauktās plūsmas dēļ. Jūs varat izveidot A klases pastiprinātāju push-pull, efektivitāte nedaudz palielināsies, bet signāla pusviļņi kļūs asimetriskāki. Kaskādes pārnešana no darba klases "A" uz darba klasi "AB" četrkāršo nelineāro kropļojumu, lai gan palielinās tās ķēdes efektivitāte.
B"AB" un "B" klases pastiprinātāju kropļojumi palielinās, samazinoties signāla līmenim. Jūs neviļus vēlaties ieslēgt šādu pastiprinātāju skaļāk, lai pilnībā izjustu mūzikas spēku un dinamiku, taču bieži tas neko daudz nepalīdz.
Starpposma darba nodarbības
Darba klasei "A" ir variācija - klase "A+". Šajā gadījumā šīs klases pastiprinātāja zemsprieguma ieejas tranzistori darbojas "A" klasē, bet pastiprinātāja augstsprieguma izejas tranzistori, kad to ieejas signāli pārsniedz noteiktu līmeni, nonāk klasē "B" vai "AB". Šādu kaskāžu efektivitāte ir labāka nekā tīrajā "A" klasē, un nelineārie kropļojumi ir mazāki (līdz 0,003%). Tomēr tie arī izklausās "metāliski", jo izejas signālā ir augstākas harmonikas.
Citas klases - "AA" pastiprinātājiem ir vēl zemāka nelineāro kropļojumu pakāpe - aptuveni 0,0005%, taču ir arī augstākas harmonikas.
Atgriezties pie A klases tranzistora pastiprinātāja?
Mūsdienās daudzi speciālisti augstas kvalitātes skaņas reproducēšanas jomā iestājas par atgriešanos pie lampu pastiprinātājiem, jo nelineāro kropļojumu līmenis un augstākas harmonikas, ko tie ievada izejas signālā, acīmredzami ir zemāki nekā tranzistoriem.. Tomēr šīs priekšrocības lielā mērā kompensē vajadzība pēc atbilstoša transformatora starp augstas pretestības caurules izejas stadiju un zemas pretestības skaļruņiem. Tomēr vienkāršu tranzistorizētu pastiprinātāju var izgatavot ar transformatora izeju, kā parādīts zemāk.
Pastāv arī viedoklis, ka tikai hibrīdlampu tranzistoru pastiprinātājs var nodrošināt izcilu skaņas kvalitāti, kura visi posmi ir viengala, uz kuriem neattiecas negatīvas atsauksmes un darbojas "A" klasē. Tas ir, šāds jaudas sekotājs ir viena tranzistora pastiprinātājs. Tās shēmai var būt maksimālā sasniedzamā efektivitāte ("A" klasē) ne vairāk kā 50%. Taču ne pastiprinātāja jauda, ne efektivitāte nav skaņas reproducēšanas kvalitātes rādītāji. Tajā pašā laikā visu ķēdē esošo ERE raksturlielumu kvalitātei un linearitātei ir īpaša nozīme.
Tā kā viena gala shēmas iegūst šo perspektīvu, mēs apskatīsim tālāk norādītās to iespējas.
Viena gala viena tranzistora pastiprinātājs
Tā ķēde, kas izveidota ar kopēju emitētāju un R-C savienojumiem ieejas un izejas signāliem darbībai "A" klasē, ir parādīta attēlā zemāk.
Tas parāda n-p-n tranzistoru Q1. Tā kolektors ir savienots ar +Vcc pozitīvo spaili, izmantojot strāvu ierobežojošu rezistoru R3, un tā emitētājs ir savienots ar -Vcc. P-n-p tranzistora pastiprinātājam būs tāda pati ķēde, taču strāvas padeves vadi tiks apgriezti.
C1 ir atsaistes kondensators, kas atdala maiņstrāvas ievades avotu no līdzstrāvas sprieguma avota Vcc. Tajā pašā laikā C1 neaizkavē maiņstrāvas pāreju caur tranzistora Q1 bāzes-emitera savienojumu. Rezistori R1 un R2 kopā ar pretestībupāreja "E - B" veido sprieguma dalītāju Vcc, lai izvēlētos tranzistora Q1 darbības punktu statiskā režīmā. Tipiska šai ķēdei ir vērtība R2=1 kOhm, un darbības punkta pozīcija ir Vcc / 2. R3 ir kolektora ķēdes slodzes rezistors, un to izmanto, lai uz kolektora izveidotu mainīga sprieguma izejas signālu.
Pieņemsim, ka Vcc=20 V, R2=1 kOhm un strāvas pastiprinājums h=150. Mēs izvēlamies spriegumu pie emitētāja Ve=9 V, un sprieguma kritums pārejā "A - B" ir ņemts vienāds ar Vbe=0,7 V. Šī vērtība atbilst tā sauktajam silīcija tranzistoram. Ja mēs apsvērtu pastiprinātāju uz germānija tranzistoriem, tad sprieguma kritums atvērtajā krustojumā "E - B" būtu Vbe=0,3 V.
Emitera strāva, aptuveni vienāda ar kolektora strāvu
Ie=9 V/1 kΩ=9 mA ≈ Ic.
Bāzes strāva Ib=Ic/h=9mA/150=60uA.
Sprieguma kritums rezistorā 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 ir nepieciešams, lai izveidotu ķēdi emitētāja strāvas mainīgās sastāvdaļas (faktiski kolektora strāvas) pārejai. Ja tā nebūtu, tad rezistors R2 stipri ierobežotu mainīgo komponentu, lai attiecīgajam bipolārajam tranzistora pastiprinātājam būtu zems strāvas pastiprinājums.
Savos aprēķinos mēs pieņēmām, ka Ic=Ib h, kur Ib ir bāzes strāva, kas tajā ieplūst no emitētāja un rodas, ja bāzei tiek pielikts nobīdes spriegums. Tomēr caur pamatni vienmēr (gan ar nobīdi, gan bez)ir arī noplūdes strāva no kolektora Icb0. Tāpēc reālā kolektora strāva ir Ic=Ib h + Icb0 h, t.i. noplūdes strāva ķēdē ar OE tiek pastiprināta 150 reizes. Ja mēs apsvērtu pastiprinātāju uz germānija tranzistoriem, tad šis apstāklis būtu jāņem vērā aprēķinos. Fakts ir tāds, ka germānija tranzistoriem ir ievērojams Icb0, kas ir vairāki μA. Silīcijā tas ir par trim lieluma kārtām mazāks (apmēram par dažiem nA), tāpēc aprēķinos to parasti neņem vērā.
Viena gala MIS tranzistora pastiprinātājs
Tāpat kā jebkuram lauka efekta tranzistoru pastiprinātājam, attiecīgajai shēmai ir savs analogs starp bipolārajiem tranzistoru pastiprinātājiem. Tāpēc apsveriet iepriekšējās ķēdes analogu ar kopēju emitētāju. Tas ir izgatavots ar kopēju avotu un R-C savienojumiem ieejas un izejas signāliem darbam klasē "A", un tas ir parādīts attēlā zemāk.
Šeit C1 ir tas pats atsaistes kondensators, ar kura palīdzību maiņstrāvas ievades avots tiek atdalīts no līdzstrāvas sprieguma avota Vdd. Kā jūs zināt, jebkura lauka efekta tranzistoru pastiprinātāja MOS tranzistoru vārtu potenciālam jābūt zemākam par to avotu potenciālu. Šajā shēmā vārti ir iezemēti ar R1, kas parasti ir ar augstu pretestību (100 kΩ līdz 1 MΩ), lai tas netraucētu ieejas signālu. Caur R1 praktiski nav strāvas, tāpēc vārtu potenciāls, ja nav ieejas signāla, ir vienāds ar zemes potenciālu. Avota potenciāls ir augstāks par zemējuma potenciālu, jo rezistoram R2 ir sprieguma kritums. TātadTādējādi vārtu potenciāls ir zemāks par avota potenciālu, kas nepieciešams Q1 normālai darbībai. Kondensatoram C2 un rezistoram R3 ir tāds pats mērķis kā iepriekšējā shēmā. Tā kā šī ir kopēja avota ķēde, ieejas un izejas signāli ir par 180° ārpus fāzes.
Transformatora izejas pastiprinātājs
Trešais vienpakāpes vienkāršā tranzistora pastiprinātājs, kas parādīts zemāk esošajā attēlā, arī ir izgatavots saskaņā ar kopējo emitētāja ķēdi darbam "A" klasē, bet tas ir savienots ar zemas pretestības skaļruni, izmantojot atbilstošu transformators.
Transformatora T1 primārais tinums ir tranzistora Q1 kolektora ķēdes slodze un attīsta izejas signālu. T1 nosūta izejas signālu uz skaļruni un nodrošina, ka tranzistora izejas pretestība atbilst zemajai (dažu omu) skaļruņa pretestībai.
Kolektora barošanas avota Vcc sprieguma dalītājs, kas samontēts uz rezistoriem R1 un R3, nodrošina tranzistora Q1 darbības punkta izvēli (tā pamatnei piegādā nobīdes spriegumu). Atlikušo pastiprinātāja elementu mērķis ir tāds pats kā iepriekšējās shēmās.
Push-pull audio pastiprinātājs
Divu tranzistoru push-pull zemfrekvences pastiprinātājs sadala ieejas audio signālu divos ārpusfāzes pusviļņos, no kuriem katrs tiek pastiprināts ar savu tranzistora pakāpi. Pēc šādas pastiprināšanas pusviļņi tiek apvienoti pilnīgā harmoniskā signālā, kas tiek pārraidīts uz skaļruņu sistēmu. Šāda zemfrekvences transformācijasignāls (sadalīšana un atkārtota saplūšana), protams, rada tajā neatgriezeniskus kropļojumus, jo divu ķēdes tranzistoru frekvences un dinamiskās īpašības atšķiras. Šie kropļojumi samazina skaņas kvalitāti pastiprinātāja izejā.
Push-pull pastiprinātāji, kas darbojas "A" klasē, nepietiekami labi reproducē sarežģītus audio signālus, jo to rokās pastāvīgi plūst palielināta konstanta strāva. Tas izraisa signāla pusviļņu asimetriju, fāzes kropļojumus un galu galā skaņas saprotamības zudumu. Sildot, divi jaudīgi tranzistori divkāršo signāla kropļojumus zemajās un infra-zemajās frekvencēs. Tomēr galvenā push-pull shēmas priekšrocība ir tās pieņemamā efektivitāte un palielināta izejas jauda.
Push-pull tranzistora jaudas pastiprinātāja ķēde ir parādīta attēlā.
Šis ir "A" klases pastiprinātājs, taču var izmantot arī "AB" un pat "B" klasi.
Beztransformatora tranzistoru jaudas pastiprinātājs
Transformeri, neskatoties uz progresu to miniaturizācijā, joprojām ir apjomīgākie, smagākie un dārgākie ERE. Tāpēc tika atrasts veids, kā izslēgt transformatoru no push-pull ķēdes, darbinot to ar diviem jaudīgiem dažāda veida komplementāriem tranzistoriem (n-p-n un p-n-p). Lielākā daļa mūsdienu jaudas pastiprinātāju izmanto šo principu un ir paredzēti darbam "B" klasē. Šāda jaudas pastiprinātāja shēma ir parādīta attēlā zemāk.
Abi tā tranzistori ir savienoti saskaņā ar kopēju kolektora (emitera sekotāja) ķēdi. Tāpēc ķēde pārsūta ieejas spriegumu uz izeju bez pastiprināšanas. Ja nav ieejas signāla, abi tranzistori atrodas uz ieslēgšanas stāvokļa robežas, taču tie ir izslēgti.
Kad tiek ievadīts harmoniskais signāls, tā pozitīvais pusvilnis atver TR1, bet p-n-p tranzistoru TR2 ieslēdz pilnas izslēgšanas režīmā. Tādējādi caur slodzi plūst tikai pastiprinātās strāvas pozitīvais pusvilnis. Ieejas signāla negatīvais pusvilnis atver tikai TR2 un izslēdz TR1, lai slodzei tiktu piegādāts pastiprinātas strāvas negatīvais pusvilnis. Rezultātā slodzei tiek piegādāts pilnas jaudas pastiprināts (strāvas pastiprinājuma dēļ) sinusoidālais signāls.
Viena tranzistora pastiprinātājs
Lai asimilētu iepriekš minēto, mēs ar savām rokām saliksim vienkāršu tranzistora pastiprinātāju un izdomāsim, kā tas darbojas.
Kā BC107 tipa mazjaudas tranzistora T noslogojumu mēs ieslēdzam austiņas ar pretestību 2-3 kOhm, bāzei pievienojam nobīdes spriegumu no augstas pretestības rezistora R 1 MΩ, mēs ieslēdzam atsaistes elektrolītisko kondensatoru C ar jaudu no 10 μF līdz 100 μF bāzes ķēdē T. Mēs barosim ķēdi no 4,5 V / 0,3 A akumulatora.
Ja rezistors R nav pieslēgts, tad nav ne bāzes strāvas Ib, ne kolektora strāvas Ic. Ja rezistors ir pievienots, spriegums pie pamatnes paaugstinās līdz 0,7 V un caur to plūst strāva Ib \u003d 4 μA. Koeficientstranzistora strāvas pastiprinājums ir 250, kas dod Ic=250Ib=1 mA.
Ar savām rokām salikuši vienkāršu tranzistora pastiprinātāju, tagad varam to pārbaudīt. Pievienojiet austiņas un novietojiet pirkstu uz diagrammas 1. punkta. Jūs dzirdēsiet troksni. Jūsu ķermenis uztver tīkla starojumu ar frekvenci 50 Hz. Troksnis, ko dzirdat no austiņām, ir šis starojums, ko tikai pastiprina tranzistors. Paskaidrosim šo procesu sīkāk. Maiņstrāvas spriegums 50 Hz ir pievienots tranzistora pamatnei caur kondensatoru C. Spriegums pie pamatnes tagad ir vienāds ar līdzstrāvas nobīdes sprieguma (apmēram 0,7 V) summu, kas nāk no rezistora R, un maiņstrāvas pirksta sprieguma. Tā rezultātā kolektora strāva saņem mainīgu komponentu ar frekvenci 50 Hz. Šī maiņstrāva tiek izmantota, lai pārvietotu skaļruņu membrānu uz priekšu un atpakaļ ar tādu pašu frekvenci, kas nozīmē, ka mēs varam dzirdēt 50 Hz signālu pie izejas.
Dzirdēt 50 Hz trokšņu līmeni nav īpaši interesanti, tāpēc 1. un 2. punktam varat pievienot zemfrekvences avotus (CD atskaņotāju vai mikrofonu) un dzirdēt pastiprinātu runu vai mūziku.
