Transistorforsterkeren er, til tross for sin allerede lange historie, fortsatt et favorittfag for både nybegynnere og veteranradioamatører. Og dette er forståelig. Det er en uunnværlig komponent i de mest populære amatørradioenhetene: radiomottakere og lavfrekvente (lyd)forsterkere. Vi skal se på hvordan de enkleste lavfrekvente transistorforsterkerne er bygget.
Amp frekvensrespons
I enhver TV- eller radiomottaker, i alle musikksentre eller lydforsterkere, kan du finne transistorlydforsterkere (lavfrekvent - LF). Forskjellen mellom lydtransistorforsterkere og andre typer ligger i deres frekvensrespons.
Transistorlydforsterkeren har en jevn frekvensrespons i frekvensbåndet fra 15 Hz til 20 kHz. Dette betyr at alle inngangssignaler med en frekvens innenfor dette området konverteres (forsterkes) av forsterkeren.omtrent det samme. Figuren nedenfor viser den ideelle frekvensresponskurven for en lydforsterker i koordinatene "amplifier gain Ku - input signal frequency".
Denne kurven er nesten flat fra 15Hz til 20kHz. Dette betyr at en slik forsterker bør brukes spesifikt for inngangssignaler med frekvenser mellom 15 Hz og 20 kHz. For inngangssignaler med frekvenser over 20 kHz eller under 15 Hz, forringes effektiviteten og ytelsen raskt.
Typen av frekvensresponsen til forsterkeren bestemmes av de elektriske radioelementene (ERE) i dens krets, og fremfor alt av transistorene selv. En lydforsterker basert på transistorer er vanligvis satt sammen på de såk alte lav- og mellomfrekvenstransistorene med en total båndbredde av inngangssignaler fra titalls og hundrevis av Hz til 30 kHz.
Forsterkerklasse
Som du vet, avhengig av graden av kontinuitet av strømstrømmen gjennom hele perioden gjennom transistorforsterkertrinnet (forsterkeren), skilles følgende klasser av driften ut: "A", "B", "AB", "C", "D ".
I driftsklasse flyter strømmen "A" gjennom trinnet i 100 % av inngangssignalperioden. Kaskaden i denne klassen er illustrert i følgende figur.
I klasse "AB" forsterkertrinnet flyter strømmen gjennom det i mer enn 50 %, men mindre enn 100 % av perioden til inngangssignalet (se figuren nedenfor).
I driftsklassen til "B"-trinnet, flyter strømmen gjennom det nøyaktig 50 % av perioden til inngangssignalet, som illustrert i figuren.
Til slutt, i driftsklassen "C"-trinn, flyter strømmen gjennom den i mindre enn 50 % av inngangssignalperioden.
LF-transistorforsterker: forvrengning i hovedklassene av arbeid
I arbeidsområdet har transistorforsterkeren i klasse "A" et lavt nivå av ikke-lineær forvrengning. Men hvis signalet har impulsstøt i spenning, noe som fører til metning av transistorene, vises høyere harmoniske (opp til den 11.) rundt hver "standard" harmonisk i utgangssignalet. Dette forårsaker fenomenet den såk alte transistoriserte eller metalliske lyden.
Hvis lavfrekvente effektforsterkere på transistorer har en ustabilisert strømforsyning, blir utgangssignalene deres modulert i amplitude nær nettfrekvensen. Dette fører til hardhet i lyden ved venstre kant av frekvensresponsen. Ulike spenningsstabiliseringsmetoder gjør utformingen av forsterkeren mer kompleks.
Typisk effektivitet for ensidig klasse A-forsterker overstiger ikke 20 % på grunn av alltid-på-transistoren og den kontinuerlige flyten til DC-komponenten. Du kan lage en klasse A-forsterker push-pull, effektiviteten vil øke litt, men halvbølgene til signalet vil bli mer asymmetriske. Overføringen av kaskaden fra arbeidsklassen "A" til arbeidsklassen "AB" firedobbler den ikke-lineære forvrengningen, selv om effektiviteten til kretsen øker.
Bforsterkere av klassene "AB" og "B" forvrengning øker når signalnivået synker. Du vil ufrivillig skru opp en slik forsterker høyere for å få full følelse av kraften og dynamikken i musikken, men ofte hjelper ikke dette mye.
Intermediate job classes
Arbeidsklasse "A" har en variant - klasse "A+". I dette tilfellet opererer lavspenningsinngangstransistorene til forsterkeren i denne klassen i klasse "A", og høyspenningsutgangstransistorene til forsterkeren, når inngangssignalene deres overstiger et visst nivå, går inn i klassene "B" eller "AB". Effektiviteten til slike kaskader er bedre enn i den rene klasse "A", og den ikke-lineære forvrengningen er mindre (opptil 0,003%). Imidlertid høres de også "metallisk" ut på grunn av tilstedeværelsen av høyere harmoniske i utgangssignalet.
Forsterkere av en annen klasse - "AA" har enda lavere grad av ikke-lineær forvrengning - omtrent 0,0005 %, men høyere harmoniske er også tilstede.
Gå tilbake til klasse A-transistorforsterker?
I dag tar mange spesialister innen høykvalitets lydgjengivelse til orde for en retur til rørforsterkere, siden nivået av ikke-lineær forvrengning og høyere harmoniske introdusert av dem i utgangssignalet åpenbart er lavere enn transistorer.. Disse fordelene blir imidlertid i stor grad oppveid av behovet for en matchende transformator mellom utgangstrinnet for høyimpedansrøret og høyttalerne med lav impedans. Imidlertid kan en enkel transistorisert forsterker lages med en transformatorutgang som vist nedenfor.
Det er også et synspunkt at bare en hybrid rør-transistorforsterker kan gi den ultimate lydkvaliteten, alle trinnene er single-ended, ikke dekket av negativ tilbakemelding og fungerer i klasse "A". Det vil si at en slik effektfølger er en forsterker på en enkelt transistor. Ordningen kan ha maksimal oppnåelig effektivitet (i klasse "A") ikke mer enn 50%. Men verken kraften eller effektiviteten til forsterkeren er indikatorer på kvaliteten på lydgjengivelsen. Samtidig er kvaliteten og lineariteten til egenskapene til alle ERE-er i kretsen av spesiell betydning.
Ettersom single-ended kretser får dette perspektivet, skal vi se på alternativene nedenfor.
Single-ended single-transistor forsterker
Kretsen, laget med en felles emitter og RC-tilkoblinger for inngangs- og utgangssignaler for drift i klasse "A", er vist i figuren under.
Den viser en n-p-n transistor Q1. Kollektoren er koblet til +Vcc positive terminal via en strømbegrensende motstand R3, og emitteren er koblet til -Vcc. p-n-p transistorforsterkeren vil ha samme krets, men strømforsyningsledningene vil bli reversert.
C1 er en avkoblingskondensator som skiller AC-inngangskilden fra DC-spenningskilden Vcc. Samtidig forhindrer ikke C1 passasjen av en vekselinngangsstrøm gjennom base-emitter-overgangen til transistoren Q1. Motstander R1 og R2 sammen med motstandovergang "E - B" danner en spenningsdeler Vcc for å velge driftspunktet til transistoren Q1 i statisk modus. Typisk for denne kretsen er verdien av R2=1 kOhm, og posisjonen til driftspunktet er Vcc / 2. R3 er en kollektorkretsbelastningsmotstand og brukes til å lage et variabelt spenningsutgangssignal på kollektoren.
Anta at Vcc=20 V, R2=1 kOhm, og strømforsterkningen h=150. Vi velger spenningen ved emitteren Ve=9 V, og spenningsfallet ved overgangen "A - B" er tatt lik Vbe=0,7 V. Denne verdien tilsvarer den såk alte silisiumtransistoren. Hvis vi vurderte en forsterker basert på germaniumtransistorer, ville spenningsfallet over det åpne krysset "E - B" vært Vbe=0,3 V.
Emitterstrøm, omtrent lik kollektorstrøm
Ie=9 V/1 kΩ=9 mA ≈ Ic.
Basisstrøm Ib=Ic/h=9mA/150=60uA.
Spenningsfall over motstand 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 er nødvendig for å lage en krets for passering av den variable komponenten av emitterstrømmen (egentlig kollektorstrømmen). Hvis den ikke var der, ville motstanden R2 sterkt begrenset den variable komponenten, slik at den aktuelle bipolare transistorforsterkeren ville fått lav strømforsterkning.
I våre beregninger antok vi at Ic=Ib h, der Ib er basisstrømmen som strømmer inn i den fra emitteren og oppstår når en forspenning påføres basen. Men gjennom basen alltid (både med og uten forskyvning)det er også en lekkasjestrøm fra kollektoren Icb0. Derfor er den reelle kollektorstrømmen Ic=Ib h + Icb0 h, dvs. lekkasjestrømmen i kretsen med OE forsterkes med 150 ganger. Hvis vi vurderer en forsterker basert på germanium-transistorer, må denne omstendigheten tas med i beregningene. Faktum er at germaniumtransistorer har en betydelig Icb0 i størrelsesorden flere μA. I silisium er det tre størrelsesordener mindre (omtrent noen få nA), så det blir vanligvis neglisjert i beregninger.
Enkeltende MIS-transistorforsterker
Som alle felteffekttransistorforsterkere, har den aktuelle kretsen sin analoge blant bipolare transistorforsterkere. Vurder derfor en analog av den forrige kretsen med en felles emitter. Den er laget med felles kilde og RC-koblinger for inngangs- og utgangssignaler for drift i klasse "A" og er vist i figuren under.
Her er C1 den samme avkoblingskondensatoren, ved hjelp av hvilken AC-inngangskilden separeres fra DC-spenningskilden Vdd. Som du vet, må enhver felteffekttransistorforsterker ha gatepotensialet til sine MOS-transistorer under potensialet til kildene. I denne kretsen er porten jordet av R1, som typisk er høy motstand (100 kΩ til 1 MΩ) slik at den ikke shunter inngangssignalet. Det er praktisk t alt ingen strøm gjennom R1, så portpotensialet i fravær av et inngangssignal er lik jordpotensialet. Kildepotensialet er høyere enn jordpotensialet på grunn av spenningsfallet over motstanden R2. SåDermed er portpotensialet lavere enn kildepotensialet, som er nødvendig for normal drift av Q1. Kondensator C2 og motstand R3 har samme formål som i forrige krets. Siden dette er en felleskildekrets, er inngangs- og utgangssignalene ute av fase med 180°.
Transformer Output Amplifier
Den tredje enkelt-trinns enkle transistorforsterkeren, vist i figuren nedenfor, er også laget i henhold til den vanlige emitterkretsen for drift i klasse "A", men den er koblet til en lavimpedans høyttaler gjennom en matchende transformator.
Primærviklingen til transformator T1 er kollektorkretsbelastningen til transistoren Q1 og utvikler et utgangssignal. T1 sender utgangssignalet til høyttaleren og sørger for at utgangsimpedansen til transistoren stemmer overens med den lave (i størrelsesorden noen få ohm) høyttalerimpedansen.
Spenningsdeleren til kollektorstrømforsyningen Vcc, montert på motstandene R1 og R3, gir valget av operasjonspunktet til transistoren Q1 (tilfører en forspenning til basen). Hensikten med de gjenværende elementene i forsterkeren er den samme som i de tidligere kretsene.
Push-pull lydforsterker
Den to-transistor push-pull lavfrekvente forsterker deler inn lydsignalet i to ut-av-fase halvbølger, som hver forsterkes av sitt eget transistortrinn. Etter at slik forsterkning er utført, kombineres halvbølgene til et fullstendig harmonisk signal, som overføres til høyttalersystemet. En slik transformasjon av lavfrekventsignal (splitting og re-fusjon) forårsaker selvfølgelig irreversibel forvrengning i det, på grunn av forskjellen i frekvens og dynamiske egenskaper til de to transistorene i kretsen. Denne forvrengningen reduserer lydkvaliteten ved utgangen av forsterkeren.
Push-pull-forsterkere som opererer i klasse "A" gjengir ikke komplekse lydsignaler godt nok, siden en økt konstant strøm konstant flyter i armene deres. Dette fører til asymmetri av halvbølgene til signalet, faseforvrengninger og til slutt tap av lydforståelighet. Ved oppvarming dobler to kraftige transistorer signalforvrengningen i de lave og infralave frekvensene. Men likevel er hovedfordelen med push-pull-kretsen dens akseptable effektivitet og økte utgangseffekt.
Push-pull transistor effektforsterkerkrets er vist på figuren.
Dette er en klasse "A" forsterker, men klasse "AB" og til og med "B" kan også brukes.
Transformerless Transistor Power Amplifier
Transformers, til tross for fremgangen i miniatyriseringen, er fortsatt den mest klumpete, tunge og dyre ERE. Derfor ble det funnet en måte å eliminere transformatoren fra push-pull-kretsen ved å kjøre den på to kraftige komplementære transistorer av forskjellige typer (n-p-n og p-n-p). De fleste moderne effektforsterkere bruker dette prinsippet og er designet for å fungere i klasse "B". Kretsen til en slik effektforsterker er vist i figuren nedenfor.
Begge transistorene er koblet i henhold til en felles kollektor (emitterfølger)-krets. Derfor overfører kretsen inngangsspenningen til utgangen uten forsterkning. Hvis det ikke er noe inngangssignal, er begge transistorene på grensen til på-tilstanden, men de er slått av.
Når et harmonisk signal sendes inn, åpner dens positive halvbølge TR1, men setter p-n-p-transistoren TR2 i full cutoff-modus. Dermed flyter bare den positive halvbølgen til den forsterkede strømmen gjennom lasten. Den negative halvbølgen til inngangssignalet åpner bare TR2 og slår av TR1, slik at den negative halvbølgen av forsterket strøm tilføres lasten. Som et resultat blir et sinusformet signal med full effekt (på grunn av strømforsterkning) levert til lasten.
Enkelttransistorforsterker
For å assimilere det ovennevnte, vil vi sette sammen en enkel transistorforsterker med egne hender og finne ut hvordan den fungerer.
Som en belastning av en laveffekttransistor T av type BC107, slår vi på hodetelefoner med en motstand på 2-3 kOhm, vi påfører forspenningen til basen fra en høymotstandsmotstand R på 1 MΩ, slår vi på den avkoblingselektrolytiske kondensatoren C med en kapasitet på 10 μF til 100 μF i basiskretsen T. Vi vil drive kretsen fra et batteri på 4,5 V / 0,3 A.
Hvis motstand R ikke er tilkoblet, er det verken basestrøm Ib eller kollektorstrøm Ic. Hvis motstanden er tilkoblet, stiger spenningen ved basen til 0,7 V og en strøm Ib \u003d 4 μA strømmer gjennom den. Koeffisientstrømforsterkningen til transistoren er 250, som gir Ic=250Ib=1 mA.
Etter å ha satt sammen en enkel transistorforsterker med egne hender, kan vi nå teste den. Koble til hodetelefonene og plasser fingeren på punkt 1 i diagrammet. Du vil høre en lyd. Kroppen din oppfatter strålingen fra strømnettet med en frekvens på 50 Hz. Støyen du hører fra hodetelefonene er denne strålingen, kun forsterket av transistoren. La oss forklare denne prosessen mer detaljert. En vekselspenning på 50 Hz er koblet til basen av transistoren gjennom kondensator C. Spenningen ved basen er nå lik summen av DC-forspenningen (ca. 0,7 V) som kommer fra motstand R og AC-fingerspenningen. Som et resultat mottar kollektorstrømmen en alternerende komponent med en frekvens på 50 Hz. Denne vekselstrømmen brukes til å flytte membranen til høyttalerne frem og tilbake med samme frekvens, noe som betyr at vi kan høre en 50Hz tone ved utgangen.
Å høre 50 Hz støynivået er lite interessant, så du kan koble lavfrekvente kilder (CD-spiller eller mikrofon) til punkt 1 og 2 og høre forsterket tale eller musikk.
