Tranzistorový zesilovač, navzdory své již tak dlouhé historii, zůstává oblíbeným předmětem studia jak pro začátečníky, tak pro zkušené radioamatéry. A to je pochopitelné. Je nepostradatelnou součástí nejoblíbenějších radioamatérských zařízení: rádiových přijímačů a nízkofrekvenčních (zvukových) zesilovačů. Podíváme se, jak se staví nejjednodušší nízkofrekvenční tranzistorové zesilovače.
Frekvenční odezva zesilovače
V každém televizním nebo rozhlasovém přijímači, v každém hudebním centru nebo zesilovači zvuku můžete najít tranzistorové zesilovače zvuku (nízkofrekvenční - LF). Rozdíl mezi audio tranzistorovými zesilovači a ostatními typy spočívá v jejich frekvenční odezvě.
Tranzistorový audio zesilovač má jednotnou frekvenční odezvu ve frekvenčním pásmu od 15 Hz do 20 kHz. To znamená, že všechny vstupní signály s frekvencí v tomto rozsahu jsou konvertovány (zesilovány) zesilovačem.o tom samém. Obrázek níže ukazuje ideální křivku frekvenční odezvy pro audio zesilovač v souřadnicích "zesílení zesilovače Ku - frekvence vstupního signálu".
Tato křivka je téměř plochá od 15Hz do 20kHz. To znamená, že takový zesilovač by měl být použit speciálně pro vstupní signály s frekvencemi mezi 15 Hz a 20 kHz. U vstupních signálů s frekvencemi nad 20 kHz nebo pod 15 Hz se jeho účinnost a výkon rychle zhorší.
Typ frekvenční odezvy zesilovače je určen elektrickými rádiovými prvky (ERE) jeho obvodu a především samotnými tranzistory. Audio zesilovač na bázi tranzistorů je obvykle sestavován na tzv. nízko- a středofrekvenčních tranzistorech s celkovou šířkou pásma vstupních signálů od desítek a stovek Hz do 30 kHz.
Třída zesilovače
Jak víte, v závislosti na stupni kontinuity toku proudu během jeho periody přes tranzistorový zesilovací stupeň (zesilovač) se rozlišují následující třídy jeho činnosti: "A", "B", "AB", "C", "D ".
V provozní třídě proud "A" protéká stupněm po 100 % periody vstupního signálu. Kaskáda v této třídě je znázorněna na následujícím obrázku.
V zesilovacím stupni třídy "AB" jím protéká proud více než 50 %, ale méně než 100 % periody vstupního signálu (viz obrázek níže).
V provozní třídě stupně "B" jím protéká proud přesně 50 % periody vstupního signálu, jak je znázorněno na obrázku.
Konečně, v provozní třídě stupně „C“jím protéká proud méně než 50 % periody vstupního signálu.
NF-tranzistorový zesilovač: zkreslení v hlavních třídách práce
V pracovní oblasti má tranzistorový zesilovač třídy "A" nízkou úroveň nelineárního zkreslení. Ale pokud má signál impulsní rázy napětí, které vedou k saturaci tranzistorů, pak se kolem každé „standardní“harmonické výstupního signálu objeví vyšší harmonické (až 11). To způsobuje jev tzv. tranzistorového nebo kovového zvuku.
Pokud mají nízkofrekvenční výkonové zesilovače na tranzistorech nestabilizované napájení, pak jsou jejich výstupní signály modulovány amplitudou blízko síťové frekvence. To vede k drsnosti zvuku na levém okraji frekvenční odezvy. Různé metody stabilizace napětí dělají konstrukci zesilovače složitější.
Typická účinnost jednopólového zesilovače třídy A nepřesahuje 20 % kvůli stále zapnutému tranzistoru a nepřetržitému toku stejnosměrné složky. Můžete udělat zesilovač třídy A push-pull, účinnost se mírně zvýší, ale půlvlny signálu se stanou více asymetrickými. Převedení kaskády z pracovní třídy "A" do pracovní třídy "AB" zečtyřnásobí nelineární zkreslení, i když se účinnost jejího obvodu zvýší.
Bzesilovače tříd "AB" a "B" zkreslení roste s klesající úrovní signálu. Nedobrovolně chcete zesílit takový zesilovač pro plný pocit síly a dynamiky hudby, ale často to moc nepomůže.
Středně pokročilý pracovní kurz
Pracovní třída "A" má obměnu - třída "A+". V tomto případě nízkonapěťové vstupní tranzistory zesilovače této třídy pracují ve třídě "A" a vysokonapěťové výstupní tranzistory zesilovače, pokud jejich vstupní signály překročí určitou úroveň, přejdou do tříd "B" resp. "AB". Účinnost takových kaskád je lepší než v čisté třídě "A" a nelineární zkreslení je menší (až 0,003%). Znějí však také „kovově“kvůli přítomnosti vyšších harmonických ve výstupním signálu.
Zesilovače jiné třídy - "AA" mají ještě nižší stupeň nelineárního zkreslení - asi 0,0005%, ale jsou přítomny i vyšší harmonické.
Vrátit se k tranzistorovému zesilovači třídy A?
Dnes mnoho specialistů v oblasti vysoce kvalitní reprodukce zvuku obhajuje návrat k elektronkovým zesilovačům, protože úroveň nelineárního zkreslení a vyšších harmonických jimi vnesených do výstupního signálu je zjevně nižší než u tranzistorů. Tyto výhody jsou však do značné míry kompenzovány potřebou přizpůsobovacího transformátoru mezi vysokoimpedančním elektronkovým koncovým stupněm a nízkoimpedančními reproduktory. Jednoduchý tranzistorový zesilovač však lze vyrobit s výstupem transformátoru, jak je znázorněno níže.
Existuje také názor, že nejvyšší kvalitu zvuku může poskytnout pouze hybridní elektronkový-tranzistorový zesilovač, jehož všechny stupně jsou jednostranné, nepokryté negativní zpětnou vazbou a pracují ve třídě „A“. To znamená, že takový výkonový sledovač je zesilovač na jediném tranzistoru. Jeho schéma může mít maximální dosažitelnou účinnost (ve třídě "A") ne více než 50%. Ale ani výkon, ani účinnost zesilovače nejsou ukazateli kvality reprodukce zvuku. Zároveň je obzvláště důležitá kvalita a linearita charakteristik všech ERE v okruhu.
Když obvody s jedním koncem získají tuto perspektivu, níže se podíváme na jejich možnosti.
Jednokoncový jednotranzistorový zesilovač
Jeho obvod, vyrobený se společným emitorem a R-C připojením pro vstupní a výstupní signály pro provoz ve třídě "A", je znázorněn na obrázku níže.
Zobrazuje n-p-n tranzistor Q1. Jeho kolektor je připojen ke kladné svorce +Vcc přes odpor R3 omezující proud a jeho emitor je připojen k -Vcc. Tranzistorový zesilovač p-n-p bude mít stejný obvod, ale napájecí vodiče budou přehozené.
C1 je oddělovací kondenzátor, který odděluje střídavý vstupní zdroj od zdroje stejnosměrného napětí Vcc. C1 zároveň nebrání průchodu střídavého vstupního proudu přechodem báze-emitor tranzistoru Q1. Rezistory R1 a R2 spolu s odporempřechod "E - B" tvoří dělič napětí Vcc pro volbu pracovního bodu tranzistoru Q1 ve statickém režimu. Typická pro tento obvod je hodnota R2=1 kOhm a poloha pracovního bodu je Vcc / 2. R3 je zatěžovací odpor kolektorového obvodu a používá se k vytvoření výstupního signálu s proměnným napětím na kolektoru.
Předpokládejme, že Vcc=20 V, R2=1 kOhm a proudové zesílení h=150. Zvolíme napětí na emitoru Ve=9 V a úbytek napětí na přechodu "A - B" je bráno rovno Vbe=0,7 V. Tato hodnota odpovídá tzv. křemíkovému tranzistoru. Pokud bychom uvažovali o zesilovači založeném na germaniových tranzistorech, pak by úbytek napětí na otevřeném přechodu "E - B" byl Vbe=0,3 V.
Proud emitoru, přibližně stejný jako kolektorový proud
Ie=9 V/1 kΩ=9 mA ≈ Ic.
Základní proud Ib=Ic/h=9mA/150=60uA.
Pokles napětí na rezistoru 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 je potřeba k vytvoření obvodu pro průchod proměnné složky proudu emitoru (ve skutečnosti proudu kolektoru). Pokud by tam nebyl, pak by rezistor R2 výrazně omezoval proměnnou složku, takže dotyčný bipolární tranzistorový zesilovač by měl nízký proudový zisk.
V našich výpočtech jsme předpokládali, že Ic=Ib h, kde Ib je proud báze, který do něj teče z emitoru a vzniká, když je na bázi aplikováno předpětí. Vždy však přes základnu (jak s offsetem, tak bez něj)existuje také svodový proud z kolektoru Icb0. Proto je skutečný kolektorový proud Ic=Ib h + Icb0 h, tzn. svodový proud v obvodu s OE je zesílen 150krát. Pokud bychom uvažovali o zesilovači na bázi germaniových tranzistorů, pak by se tato okolnost musela při výpočtech zohlednit. Faktem je, že germaniové tranzistory mají významné Icb0 v řádu několika μA. V křemíku je o tři řády menší (asi několik nA), takže se při výpočtech obvykle zanedbává.
Jednokoncový tranzistorový zesilovač MIS
Jako každý tranzistorový zesilovač s efektem pole má i tento obvod obdobu mezi bipolárními tranzistorovými zesilovači. Zvažte proto analog předchozího obvodu se společným emitorem. Je vyroben se společným zdrojem a R-C připojením pro vstupní a výstupní signály pro provoz ve třídě "A" a je znázorněn na obrázku níže.
Zde je C1 stejný oddělovací kondenzátor, pomocí kterého je zdroj střídavého vstupu oddělen od zdroje stejnosměrného napětí Vdd. Jak víte, každý tranzistorový zesilovač s efektem pole musí mít hradlový potenciál svých MOS tranzistorů pod potenciály jejich zdrojů. V tomto obvodu je hradlo uzemněno pomocí R1, což je typicky vysoký odpor (100 kΩ až 1 MΩ), takže nedochází k bočnímu přepínání vstupního signálu. Přes R1 neprotéká prakticky žádný proud, takže potenciál hradla při absenci vstupního signálu se rovná potenciálu země. Potenciál zdroje je vyšší než potenciál země v důsledku poklesu napětí na rezistoru R2. TakPotenciál brány je tedy nižší než potenciál zdroje, který je nezbytný pro normální provoz Q1. Kondenzátor C2 a rezistor R3 mají stejný účel jako v předchozím zapojení. Protože se jedná o obvod se společným zdrojem, jsou vstupní a výstupní signály mimo fázi o 180°.
Transformátorový výstupní zesilovač
Třetí jednostupňový jednoduchý tranzistorový zesilovač, znázorněný na obrázku níže, je také vyroben podle obvodu se společným emitorem pro provoz ve třídě "A", ale je připojen k reproduktoru s nízkou impedancí prostřednictvím přizpůsobení transformátor.
Primární vinutí transformátoru T1 je zátěž kolektorového obvodu tranzistoru Q1 a vytváří výstupní signál. T1 posílá výstupní signál do reproduktoru a zajišťuje, že výstupní impedance tranzistoru odpovídá nízké (řádově několik ohmů) impedanci reproduktoru.
Dělič napětí kolektorového napájecího zdroje Vcc, namontovaný na rezistorech R1 a R3, umožňuje volbu pracovního bodu tranzistoru Q1 (dodává předpětí do jeho báze). Účel zbývajících prvků zesilovače je stejný jako v předchozích obvodech.
Push-pull audio zesilovač
Dvoutranzistorový push-pull nízkofrekvenční zesilovač rozděluje vstupní audio signál na dvě mimofázové půlvlny, z nichž každá je zesílena vlastním tranzistorovým stupněm. Po provedení takového zesílení se půlvlny spojí do kompletního harmonického signálu, který se přenese do reproduktorové soustavy. Taková transformace nízkofrekvenčníhosignál (rozdělení a opětovné sloučení) v něm samozřejmě způsobuje nevratné zkreslení, a to kvůli rozdílu ve frekvenci a dynamických vlastnostech dvou tranzistorů obvodu. Toto zkreslení snižuje kvalitu zvuku na výstupu zesilovače.
Push-pull zesilovače pracující ve třídě „A“nereprodukují složité audio signály dostatečně dobře, protože v jejich pažích neustále protéká zvýšený konstantní proud. To vede k asymetrii půlvln signálu, fázovým zkreslením a v konečném důsledku ke ztrátě srozumitelnosti zvuku. Při zahřátí dva výkonné tranzistory zdvojnásobí zkreslení signálu v nízkých a infra-nízkých frekvencích. Ale přesto je hlavní výhodou push-pull obvodu jeho přijatelná účinnost a zvýšený výstupní výkon.
Push-pull tranzistorový výkonový zesilovač je znázorněn na obrázku.
Toto je zesilovač třídy "A", ale lze použít i třídu "AB" a dokonce "B".
Beztransformátorový tranzistorový výkonový zesilovač
Transformátory, navzdory pokroku v jejich miniaturizaci, jsou stále nejobjemnější, nejtěžší a nejdražší ERE. Proto byl nalezen způsob, jak eliminovat transformátor z push-pull obvodu jeho provozováním na dvou výkonných komplementárních tranzistorech různých typů (n-p-n a p-n-p). Většina moderních výkonových zesilovačů využívá tento princip a jsou navrženy pro provoz ve třídě "B". Obvod takového výkonového zesilovače je znázorněn na obrázku níže.
Oba jeho tranzistory jsou zapojeny podle společného obvodu kolektoru (sledovače emitoru). Proto obvod přenáší vstupní napětí na výstup bez zesílení. Pokud není žádný vstupní signál, pak jsou oba tranzistory na hranici zapnutého stavu, ale jsou vypnuté.
Když je na vstupu harmonický signál, jeho kladná půlvlna otevře TR1, ale uvede p-n-p tranzistor TR2 do režimu úplného odpojení. Zátěží tedy protéká pouze kladná půlvlna zesíleného proudu. Záporná půlvlna vstupního signálu otevírá pouze TR2 a vypíná TR1, takže do zátěže je přiváděna záporná půlvlna zesíleného proudu. Výsledkem je, že do zátěže je dodáván sinusový signál s plným výkonem (v důsledku zesílení proudu).
Jeden tranzistorový zesilovač
Abychom asimilovali výše uvedené, sestavíme jednoduchý tranzistorový zesilovač vlastníma rukama a zjistíme, jak to funguje.
Jako zátěž nízkovýkonového tranzistoru T typu BC107 zapneme sluchátka s odporem 2-3 kOhm, na bázi přivedeme předpětí z vysokoodporového rezistoru R 1. MΩ zapneme v základním obvodu T oddělovací elektrolytický kondenzátor C o kapacitě 10 μF až 100 μF. Obvod budeme napájet z baterie 4,5 V / 0,3 A.
Pokud není připojen rezistor R, pak neexistuje proud báze Ib ani proud kolektoru Ic. Pokud je rezistor připojen, napětí na základně stoupne na 0,7 V a protéká jím proud Ib \u003d 4 μA. Součinitelproudové zesílení tranzistoru je 250, což dává Ic=250Ib=1 mA.
Po složení jednoduchého tranzistorového zesilovače vlastníma rukama jej nyní můžeme otestovat. Připojte sluchátka a položte prst na bod 1 schématu. Uslyšíte hluk. Vaše tělo vnímá záření ze sítě o frekvenci 50 Hz. Hluk, který slyšíte ze sluchátek, je toto záření, pouze zesílené tranzistorem. Pojďme si tento proces vysvětlit podrobněji. Na bázi tranzistoru je přes kondenzátor C připojeno střídavé napětí 50 Hz. Napětí na bázi se nyní rovná součtu stejnosměrného předpětí (přibližně 0,7 V) přicházejícího z rezistoru R a střídavého prstového napětí. Výsledkem je, že kolektorový proud přijímá střídavou složku s frekvencí 50 Hz. Tento střídavý proud se používá k pohybu membrány reproduktorů tam a zpět na stejné frekvenci, což znamená, že na výstupu slyšíme tón 50 Hz.
Slyšení hladiny hluku 50 Hz není příliš zajímavé, takže můžete k bodům 1 a 2 připojit nízkofrekvenční zdroje (CD přehrávač nebo mikrofon) a slyšet zesílenou řeč nebo hudbu.
