Унч класса а на транзисторах схема: Ультралинейный усилитель класса А (расширенная версия) — SJRacing — тюнинг комплектующие для вашего автомобиля

Содержание

Схема мощного УНЧ класса АВ на транзисторах КТ825, КТ827 (200Ватт)

При разработке усилителей ЗЧ с максимальной выходной мощностью более 100 Вт первостепенное значение приобретает необходимость получения возможно большего КПД усилителя при достаточно малых нелинейных искажениях.

Вопрос о допустимом проценте нелинейных искажений усилителя ЗЧ не раз обсуждался на страницах журнала «Радио» [1, 2], получение же высокого КПД усилителя чаще всего не уделялось должного внимания. Известно, что хороший КПД имеет выходной каскад усилителя мощности, работающий в режиме В. Однако ему свойственны большие нелинейные искажения.

В журнале «Радио» рассказывалось о коррекции таких искажений с помощью прямой связи [3]. Рассматривался и способ снижения искажений, основанный на использовании усилительных каскадов, работающих в разных режимах [4].

Варианты выходных каскадов УМЗЧ

Автором предлагается еще два варианта выходных каскадов усилителя, работающих в разных режимах и позволяющих снизить коэффициент гармоник мощного УМЗЧ.

Их упрощенные электрические схемы показаны на рис. 1а и рис. 1б. Каждый из усилителей состоит из двух выходных каскадов — основного и вспомогательного, включенных параллельно. Причем основной каскад работает в режиме В, а вспомогательный — в режиме АВ.

Рис. 1. Схемы вариантов выходных каскадов мощного УМЗЧ.

Основной каскад усилителя, показанный на рис. 1а, выполнен на транзисторах VT1, VT2, включенных по схеме комплементарного эмиттерного повторителя, работающего в режиме В.

Транзисторы VT3, VT4 и резисторы R6…R9 образуют вспомогательный каскад, который работает в режиме АВ. Резисторы R1 …R5 и диоды VD1, VD2 обеспечивают необходимое смещение на базах транзисторов и задают режим работы обоих каскадов.

Как видно из схемы, напряжение смещения на базах транзисторов вспомогательного каскада всегда больше, чем на базах основного каскада на величину падения напряжения на диодах VD1, VD2.

В результате с помощью изменения сопротивления резистора R4 задается напряжение смещения на базах транзисторов VT1, VT2, при котором каскад будет работать в режиме В. Резисторы R8, R9 создают необходимую термостабилизацию вспомогательного каскада, а резисторы R6, R7 ограничивают базовый ток транзисторов VT3, VT4.

При малых уровнях входного сигнала транзисторы основного каскада VT1, VT2 закрыты, и при этом работает только вспомогательный каскад.

При этом переменный ток, поступающий в нагрузку, мал, мало и падение напряжения на резисторах R8, R9. С ростом входного напряжения начинают открываться транзисторы VT1, VT2 и увеличивается ток. поступающий в нагрузку от включенных параллельно выходных каскадов. Увеличение тока, протекающего через резисторы R8, R9, приводит к росту падения напряжения на них и ограничению тока транзисторов VT3 и VT4.

При максимальном выходном токе, например, при положительной полуволне входного напряжения, транзистор VT1 полностью открыт, а через транзистор VT3 при этом протекает в нагрузку гораздо меньший ток, ограниченный в основном резистором R8 и частично R6.

Таким образом, чем больше будет сопротивление резисторов R8, R9, тем на меньшем уровне будет ограничен максимальный ток транзисторов вспомогательного каскада, а значит, и максимальная мощность в режиме АВ, отдаваемая в нагрузку.

Как показало макетирование, сопротивление резисторов R8, R9 порядка 2… 10 Ом офаничивает максимальный ток транзисторов вспомогательного каскада на уровне 200…40 мА.

Более сложен выходной каскад, изображенный на рис. 1, б. Он обеспечивает усиление как по току, так и по напряжению. В основном каскаде (VT3, VT4) предусматривается использование мощных составных транзисторов

КТ825, КТ827.

Вспомогательный каскад VT5…VT8 также должен быть собран на составных транзисторах Резисторы R1 ..R11, стабилитроны VD1, VD2, диоды VD3, VD4 и транзисторы VT1, VT2 определяют режим работы выходных каскадов, который не меняется при изменении напряжения питания в значительных пределах.

Объясняется это тем. что напряжение смещения на базах транзисторов VT1, VT2 поддерживается постоянными стабилитронами VD1, VD2. Работа транзисторов выходного каскада в режиме усиления тока и напряжения обеспечивает максимальный КПД выходного каскада, поскольку в этом случае напряжение насыщения транзисторов минимально, и максимальное значение амплитуды выходного сигнала приближается к напряжению питания.

Как и при коррекции искажений с использованием прямой связи, усилитель мощности, построенный по предложенным схемам, должен иметь достаточно глубокую ООС, обеспечивающую малые нелинейные искажения в широком динамическом диапазоне выходных сигналов.

Очевидно, что наилучшим образом решить эту задачу позволяют современные быстродействующие ОУ. Применив в предварительном каскаде УМЗЧ быстродействующий ОУ и построив его выходной каскад по схеме, указанной на рис. 1 б, удалось сконструировать усилитель.

Основные технические характеристики УМЗЧ

Номинальный диапазон частот, Гц — 20…20000;
Макс. выходная мощность при Rн 4 Ом, Вт — 200;
Коэф. гармоник при выходной мощности 0,5-150 Вт, %: на частоте 1 кГц — 0,1; на частоте 10 кГц — 0,15; на частоте 20 кГц — 0,2;
КПД, % — 68;
Ном. входное напряжение, В — 1;
Входное сопротивление, кОм — 10;
Скорость нарастания выходного напряжения на эквиваленте нагрузки при замкнутой накоротко катушки индуктивности.
В/мкс — 10.

Принципиальная схема УНЧ на 200 Ватт

Принципиальная схема УМЗЧ приведена на рис. 2. Каскад предварительного усиления выполнен на быстродействующем ОУ DA1 (К544УД2Б), который наряду с необходимым усилением по напряжению обеспечивает работу усилителя с глубокой ООС.

Резистор обратной связи R5 и R1 определяют коэффициент усиления усилителя. Выходной каскад выполнен на транзисторах VT1 …VT8. Его работа была рассмотрена выше.

Конденсаторы С6…С9 корректируют фазовую и частотную характеристики каскада. Стабилитроны VD1, VD2 стабилизируют напряжение питания ОУ, которое одновременно используется для создания необходимого напряжения смещения выходного каскада.

Рис. 2. Принципиальная схема мощного усилителя низкой частоты на 200 Ватт, КТ825, КТ827.

Делитель выходного напряжения ОУ R6, R7, диоды VD3…VD6 и резистор R4 образуют цепь нелинейной ООС, которая уменьшает коэффициент усиления ОУ когда выходное напряжение усилителя мощности достигнет своего максимального значения.

В результате уменьшается глубина насыщения транзисторов VT1, VT2 и снижается вероятность возникновения сквозного тока в выходном каскаде. Конденсаторы С4, С5 -корректирующие. С увеличением емкости конденсатора С5 растет устойчивость усилителя, но одновременно увеличиваются нелинейные искажения, особенно на высших частотах.

Усилитель сохраняет работоспособность при снижении напряжения питания до ±25 В. Возможно и дальнейшее снижение напряжения питания вплоть до ±15 В и даже до ±12 В при уменьшении сопротивления резисторов R2, R3 или непосредственном подключении выводов питания ОУ к общему источнику питания и исключении стабилитронов VD1, VD2.

Снижение напряжения питания приводит к уменьшению максимальной выходной мощности усилителя прямо пропорционально квадрату изменения напряжения питания, т.е. при уменьшении напряжения питания в два раза максимальная выходная мощность усилителя уменьшается в четыре раза. Усилитель не имеет защиты от короткого замыкания и перегрузок.

Эти функции выполняет блок питания.

Стабилизированный блок питания

В журнале «Радио» высказывалось мнение о необходимости питания УМЗЧ от стабилизированного источника питания для обеспечения более естественного его звучания.

Действительно, при максимальной выходной мощности усилителя пульсации напряжения нестабилизированного источника могут достигать нескольких вольт. При этом напряжение питания может существенно снижаться за счет разряда конденсаторов фильтра.

Это незаметно при пиковых значениях выходного напряжения на высших звуковых частотах благодаря достаточной емкости фильтрующих конденсаторов, но сказывается при усилении низкочастотных составляющих большого уровня, так как в музыкальном сигнале они имеют большую длительность.

В результате фильтрующие конденсаторы успевают разряжаться, снижается напряжение питания, а значит, и максимальная выходная мощность усилителя. Если же напряжение приводит к уменьшению тока покоя выходного каскада усилителя, то это может приводить и к возникновению дополнительных нелинейных искажений.

С другой стороны, использование стабилизированного источника питания, построенного по обычной схеме параметрического стабилизатора, увеличивает потребляемую мощность и требует применения сетевого трансформатора большей массы и габаритов.

Помимо этого, возникает необходимость отвода тепла, рассеиваемого выходными транзисторами стабилизатора. Причем зачастую мощность, рассеиваемая выходными транзисторами УМЗЧ, равна мощности, рассеиваемой выходными транзисторами стабилизатора, т.е. половина мощности тратится впустую-Импульсные стабилизаторы напряжения имеют высокий КПД, но достаточно сложны в изготовлении, имеют большой уровень высокочастотных помех и не всегда надежны.

Если к блоку питания не предъявлять жестких требований по стабильности напряжения и уровню пульсаций, что характеризует, в частности, описанный выше усилитель мощности, то в качестве источника питания можно использовать обычный двухполярный блок питания, принципиальная схема которого показана на рис. 3.

Мощные составные транзисторы VT7 и VT8, включенные по схеме эмиттерных повторителей, обеспечивают достаточно хорошую фильтрацию пульсаций напряжения питания с частотой сети и стабилизацию выходного напряжения благодаря установленным в цепи стабилитронов VD5…VD10. Элементы L1, L2, R16, R17, С11, С12 устраняют возможность возникновения высокочастотной генерации, склонность к которой объясняется большим коэффициентом усиления по току составных транзисторов.

Величина переменного напряжения, поступающего от сетевого трансформатора, выбрана такой, чтобы при максимальной выходной мощности УМЗЧ (что соответствует току в нагрузке 4 А) напряжение на конденсаторах фильтра С1 …С8 снижалось примерно до 46…45 В. В этом случае падение напряжения на транзисторах VT7, VT8 не будет превышать 4 В, а рассеиваемая мощность транзисторами составит 16 Вт.

При уменьшении мощности, потребляемой от источника питания, увеличивается падение напряжения на транзисторах VT7, VT8, но рассеиваемая на них мощность остается постоянной из-за уменьшения потребляемого тока.

Блок питания работает как стабилизатор напряжения при малых и средних токах нагрузки, а при максимальном токе — как транзисторный фильтр. В таком режиме его выходное напряжение может снижаться до 42…41 В, уровень пульсаций на выходе достигнет значения 200 мВ, КПД равен 90%.

Рис. 3. Принципиальная схема стабилизированного блока питания для УМЗЧ на 44В + 44В.

Как показало макетирование, плавкие предохранители не могут защитить усилитель и блок питания от перегрузок по току из-за своей инерционности.

По этой причине было применено устройство быстродействующей защиты от короткого замыкания и превышения допустимого тока нагрузки, собранное на транзисторах VT1 …VT6.

Причем функции защиты при перегрузках положительной полярности выполняют транзисторы VT1, VT2, VT5, резисторы R1, R3, R5, R7…R9, R13 и конденсатор С9, а отрицательной — транзисторы VT4, VT3, VT6, резисторы R2, R4, R6, R10…R12, R14 и конденсатор С10.

Рассмотрим работу устройства при перегрузках положительной полярности. В исходном состоянии при номинальной нагрузке все транзисторы устройства защиты закрыты. При увеличении тока нагрузки начинает расти падение напряжения на резисторе R7, и, если оно превысит допустимое значение, начинает открываться транзистор VT1, а вслед за ним и транзисторы VT2 и VT5.

Последние уменьшают напряжение на базе регулирующего транзистора VT7, а значит, и напряжение на выходе блока питания. При этом за счет положительной обратной связи, обеспечиваемой резистором R13. уменьшение напряжения на выходе блока питания приводит к ускорению дальнейшего открывания транзисторов VT1, VT2, VT5 и быстрому закрыванию транзистора VT7.

Если сопротивление резистора положительной обратной связи R13 мало, то после срабатывания устройства защиты напряжение на выходе блока питания не восстанавливается даже после отключения нагрузки.

В этом режиме необходимо было бы предусмотреть кнопку запуска, отключающую, например, на короткое время резистор R13 после срабатывания защиты и в момент включения блока питания.

Однако, если сопротивление резистора R13 выбрать таким, чтобы при коротком замыкании нагрузки ток не был равен нулю, то напряжение на выходе блока питания будет восстанавливаться после срабатывания устройства защиты при уменьшении тока нагрузки до безопасной величины.

Практически сопротивление резистора R13 выбирается такой величины, при которой обеспечивается надежное включение блока питания при ограничении тока короткого замыкания значением 0,1 …0,5 А. Ток срабатывания устройства защиты определяет резистор R7. Аналогично работает устройство защиты блока питания при перегрузках отрицательной полярности.

Конструкция и детали

Все детали УМЗЧ и блока питания размещены на одной плате. Исключение составляют транзисторы VT3, VT4, VT6, VT8 УМЗЧ, установленные на общем теп-лоотводе с площадью рассеиваемой поверхности 1200 см2 и транзисторы VT7, VT8 БП, размещенные на отдельных теп-лоотводах с площадью рассеивающей поверхности 300 см2 каждый.

Катушки L1, L2 блока питания (рис. 3) и L1 усилителя мощности содержат 30…40 витков провода ПЭВ-1 диаметром 1,0 мм, намотанного на корпусе резистора С5-5 или МЛТ-2.

Резисторы R7, R12 блока питания представляют собой отрезок медного провода ПЭЛ, ПЭВ-1 или ПЭЛШО диаметром 0,33 мм и длиной 150 мм, намотанного на корпусе резистора МЛТИ.

Трансформатор питания выполнен на тороидальном магнитопроводе из электротехнической стали Э320, толщиной 0,35 мм, ширина ленты 40 мм, внутренний диаметр магнитопровода 80 мм, наружный-130 мм. Сетевая обмотка содержит 700 витков провода ПЭЛШО диаметром 0,47 мм, вторичная — 2×130 витков провода ПЭЛШО диаметром 1,2 мм.

Вместо ОУ К544УД2Б можно использовать К544УД2А, К140УД11 или К574УД1. Каждый из транзисторов КТ825Г можно заменить составными КТ814Г и КТ818А, а транзистор КТ827А — составными КТ815Г и КТ819Г (что очень нежелательно).

Диоды VD3…VD6 УМЗЧ можно заменить любыми высокочастотными кремниевыми диодами. VD7, VD8-любыми кремниевыми с максимальным прямым током не менее 100 мА. Вместо стабилитронов КС515А можно использовать соединенные последовательно стабилитроны Д814А (Б, В, Г, Д) и КС512А.

Налаживание

Налаживание блока сводится к установке (подстроечным резистором R12) тока покоя выходных транзисторов VT6, VT8 в пределах 10…15 мА. Включают усилитель после проверки исправности блока питания. Для этого, заменив резисторы R7, R12 блока питания более высокоомными (примерно 0,2…0,3 Ом), проверяют работоспособность блока питания устройства защиты. Оно должно срабатывать при токе нагрузки 1…2А.

Убедившись в нормальной работе блока питания и УМЗЧ, устанавливают резисторы R7, R12 с номинальными сопротивлениями, указанными на принципиальной схеме, проверяют работу усилителя при максимальной мощности, контролируя отсутствие срабатывания устройства защиты блока питания.

Литература:

Лексины Валентин и Виктор. О за-метности нелинейных искажениях усилителя мощности. — Радио, 1984, №2, с. 33.
Солнцев Ю. Какой же Кг допустим? — Радио, 1985, №2, с. 26.
Солнцев Ю. Высококачественный усилитель мощности. — Радио, 1984, №5, с. 29.
Гумеля Е. Качество и схемотехника УМЗЧ. — Радио, №9, с. 31.

Простые унч на транзисторах своими руками. Простой транзисторный усилитель класса «А. Схемы и инструкции по изготовлению усилителя в домашних условиях

Редакция сайта «Две Схемы» представляет простой, но качественный усилитель НЧ на транзисторах MOSFET. Его схема должна быть хорошо известна радиолюбителям аудиофилам, так как ей уже лет 20. Схема является разработкой знаменитого Энтони Холтона, поэтому её иногда так и называют — УНЧ Holton. Система усиления звука имеет низкие гармонические искажения, не превышающие 0,1%, при мощности на нагрузку порядка 100 Ватт.

Данный усилитель является альтернативой для популярных усилителей серии TDA и подобных попсовых, ведь при чуть большей стоимости можно получить усилитель с явно лучшими характеристиками.

Большим преимуществом системы является простая конструкция и выходной каскад, состоящий из 2-х недорогих МОП-транзисторов. Усилитель может работать с динамиками сопротивлением как 4, так и 8 Ом. Единственной настройкой, которую необходимо выполнить во время запуска — будет установка значения тока покоя выходных транзисторов.

Принципиальная схема УМЗЧ Holton

Усилитель Холтон на MOSFET — схема

Схема является классическим двухступенчатым усилителем, он состоит из дифференциального входного усилителя и симметричного усилителя мощности, в котором работает одна пара силовых транзисторов. Схема системы представлена выше.

Печатная плата

Печатная плата УНЧ — готовый вид

Вот архив с PDF файлами печатной платы — .

Принцип работы усилителя

Транзисторы Т4 (BC546) и T5 (BC546) работают в конфигурации дифференциального усилителя и рассчитаны на питание от источника тока, построенного на основе транзисторов T7 (BC546), T10 (BC546) и резисторах R18 (22 ком), R20 (680 Ом) и R12 (22 ком). Входной сигнал подается на два фильтра: нижних частот, построенный из элементов R6 (470 Ом) и C6 (1 нф) — он ограничивает ВЧ компоненты сигнала и полосовой фильтр, состоящий из C5 (1 мкф), R6 и R10 (47 ком), ограничивающий составляющие сигнала на инфранизких частотах.

Нагрузкой дифференциального усилителя являются резисторы R2 (4,7 ком) и R3 (4,7 ком). Транзисторы T1 (MJE350) и T2 (MJE350) представляют собой еще один каскад усиления, а его нагрузкой являются транзисторы Т8 (MJE340), T9 (MJE340) и T6 (BD139).

Конденсаторы C3 (33 пф) и C4 (33 пф) противодействуют возбуждению усилителя. Конденсатор C8 (10 нф) включенный параллельно R13 (10 ком/1 В), улучшает переходную характеристику УНЧ, что имеет значение для быстро нарастающих входных сигналов.

Транзистор T6 вместе с элементами R9 (4,7 ком), R15 (680 Ом), R16 (82 Ом) и PR1 (5 ком) позволяет установить правильную полярность выходных каскадов усилителя в состоянии покоя. С помощью потенциометра необходимо установить ток покоя выходных транзисторов в пределах 90-110 мА, что соответствует падению напряжения на R8 (0,22 Ом/5 Вт) и R17 (0,22 Ом/5 Вт) в пределах 20-25 мВ. Общее потребление тока в режиме покоя усилителя должен быть в районе 130 мА.

Выходными элементами усилителя являются МОП-транзисторы T3 (IRFP240) и T11 (IRFP9240). Транзисторы эти устанавливаются как повторитель напряжения с большим максимальным выходным током, таким образом, первые 2 каскада должны раскачать достаточно большую амплитуду для выходного сигнала.

Резисторы R8 и R17 были применены, в основном, для быстрого измерения тока покоя транзисторов усилителя мощности без вмешательства в схему. Могут они также пригодиться в случае расширения системы на еще одну пару силовых транзисторов, из-за различий в сопротивлении открытых каналов транзисторов.

Резисторы R5 (470 Ом) и R19 (470 Ом) ограничивают скорость зарядки емкости проходных транзисторов, а, следовательно, ограничивают частотный диапазон усилителя. Диоды D1-D2 (BZX85-C12V) защищают мощные транзисторы. С ними напряжение при запуске относительно источников питания у транзисторов не должно быть больше 12 В.

На плате усилителя предусмотрены места для конденсаторов фильтра питания С2 (4700 мкф/50 в) и C13 (4700 мкф/50 в).

Самодельный транзисторный УНЧ на МОСФЕТ

Управление питается через дополнительный RC фильтр, построенный на элементах R1 (100 Ом/1 В), С1 (220 мкф/50 в) и R23 (100 Ом/1 В) и C12 (220 мкф/50 в).

Источник питания для УМЗЧ

Схема усилителя обеспечивает мощность, которая достигает реальных 100 Вт (эффективное синусоидальная), при входном напряжении в районе 600 мВ и сопротивлением нагрузки 4 Ома.

Усилитель Холтон на плате с деталями

Рекомендуемый трансформатор — тороид 200 Вт с напряжением 2х24 В. После выпрямления и сглаживания должно получиться двух полярное питание усилители мощности в районе +/-33 Вольт. Представленная здесь конструкция является модулем монофонического усилителя с очень хорошими параметрами, построенного на транзисторах MOSFET, который можно использовать как отдельный блок или в составе .

После освоения азов электроники, начинающий радиолюбитель готов паять свои первые электронные конструкции. Усилители мощности звуковой частоты, как правило самые повторяемые конструкции. Схем достаточно много, каждая отличается своими параметрами и конструкцией. В этой статье будут рассмотрены несколько простейших и полностью рабочих схем усилителей, которые успешно могут быть повторены любым радиолюбителем. В статье не использованы сложные термины и расчеты, все максимально упрощено, чтобы не возникло дополнительных вопросов.

Начнем с более мощной схемы.
Итак, первая схема выполнена на известной микросхеме TDA2003. Это монофонический усилитель с выходной мощностью до 7 Ватт на нагрузку 4 Ом. Хочу сказать, что стандартная схема включения этой микросхемы содержит малое количество компонентов, но пару лет назад мною была придумана иная схема на этой микросхеме. В этой схеме количество комплектующих компонентов сведено к минимуму, но усилитель не потерял свои звуковые параметры. После разработки данной схемы, все свои усилители для маломощных колонок стал делать именно на этой схеме.

Схема представленного усилителя имеет широкий диапазон воспроизводимых частот, диапазон питающих напряжений от 4,5 до 18 вольт (типовое 12-14 вольт). Микросхему устанавливают на небольшой теплоотвод, поскольку максимальная мощность достигает до 10 Ватт.

Микросхема способна работать на нагрузку 2 Ом, это значит, что к выходу усилителя можно подключать 2 головки с сопротивлением 4 Ом.
Входной конденсатор можно заменить на любой другой, с емкостью от 0,01 до 4,7 мкФ (желательно от 0,1 до 0,47 мкФ), можно использовать как пленочные, так и керамические конденсаторы. Все остальные компоненты желательно не заменять.

Регулятор громкости от 10 до 47 кОм.
Выходная мощность микросхемы позволяет применять его в маломощных АС для ПК. Очень удобно использовать микросхему для автономных колонок к мобильному телефону и т.п.
Усилитель работает сразу после включения, в дополнительной наладке не нуждается. Советуется минус питания дополнительно подключить к теплоотводу. Все электролитические конденсаторы желательно использовать на 25 Вольт.

Вторая схема собрана на маломощных транзисторах, и больше подойдет в качестве усилителя для наушников.

Это наверное самая качественная схема такого рода, звук чистый, чувствуются весь частотный спектр. С хорошими наушниками, такое ощущение, что у вас полноценный сабвуфер.

Усилитель собран всего на 3-х транзисторах обратной проводимости, как самый дешевый вариант, были использованы транзисторы серии КТ315, но их выбор достаточно широк.

Усилитель может работать на низкоомную нагрузку, вплоть до 4-х Ом, что дает возможность, использовать схему для усиления сигнала плеера, радиоприемника и т.п. В качестве источника питания использована батарейка типа крона с напряжением 9 вольт.
В окончательном каскаде тоже применены транзисторы КТ315. Для повышения выходной мощности можно применить транзисторы КТ815, но тогда придется увеличить напряжение питания до 12 вольт. В этом случае мощность усилителя будет достигать до 1 Ватт. Выходной конденсатор может иметь емкость от 220 до 2200 мкФ.
Транзисторы в этой схеме не нагреваются, следовательно, какое-либо охлаждение не нужно. При использовании более мощных выходных транзисторов, возможно, понадобятся небольшие теплоотводы для каждого транзистора.

И наконец — третья схема. Представлен не менее простой, но проверенный вариант строения усилителя. Усилитель способен работать от пониженного напряжения до 5 вольт, при таком случае выходная мощность УМ будет не более 0,5 Вт, а максимальная мощность при питании 12 вольт достигает до 2-х Ватт.

Выходной каскад усилителя построен на отечественной комплементарной паре. Регулируют усилитель подбором резистора R2. Для этого желательно использовать подстроечный регулятор на 1кОм. Медленно вращаем регулятор до тех пор, пока ток покоя выходного каскада не будет 2-5 мА.

Усилитель не обладает высокой входной чувствительностью, поэтому желательно перед входом применить предварительный усилитель.

Немало важную роль в схеме играет диод, он тут для стабилизации режима выходного каскада.
Транзисторы выходного каскада можно заменить на любую комплементарную пару соответствующих параметров, например КТ816/817. Усилитель может питать маломощные автономные колонки с сопротивлением нагрузки 6-8 Ом.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Мой блокнот
	Усилитель на микросхеме TDA2003
	Аудио усилитель	TDA2003	1		В блокнот
С1		47 мкФ х 25В	1		В блокнот
С2	Конденсатор	100 нФ	1	Пленочный	В блокнот
С3	Электролитический конденсатор	1 мкФ х 25В	1		В блокнот
С5	Электролитический конденсатор	470 мкФ х 16В	1		В блокнот
R1	Резистор	100 Ом	1		В блокнот
R2	Переменный резистор	50 кОм	1	От 10 кОм до 50 кОм	В блокнот
Ls1	Динамическая головка	2-4 Ом	1		В блокнот
	Усилитель на транзисторах схема №2
VT1-VT3	Биполярный транзистор	КТ315А	3		В блокнот
С1	Электролитический конденсатор	1 мкФ х 16В	1		В блокнот
С2, С3	Электролитический конденсатор	1000 мкФ х 16В	2		В блокнот
R1, R2	Резистор	100 кОм	2		В блокнот
R3	Резистор	47 кОм	1		В блокнот
R4	Резистор	1 кОм	1		В блокнот
R5	Переменный резистор	50 кОм	1		В блокнот
R6	Резистор	3 кОм	1		В блокнот
	Динамическая головка	2-4 Ом	1		В блокнот
	Усилитель на транзисторах схема №3
VT2	Биполярный транзистор	КТ315А	1		В блокнот
VT3	Биполярный транзистор	КТ361А	1		В блокнот
VT4	Биполярный транзистор	КТ815А	1		В блокнот
VT5	Биполярный транзистор	КТ816А	1		В блокнот
VD1	Диод	Д18	1	Или любой маломощный	В блокнот
С1, С2, С5	Электролитический конденсатор	10 мкФ х 16В	3

Появилось желание собрать более мощный усилитель «А» класса. Прочитав достаточное количество соответствующей литературы и выбрал из предлагавшегося самую последнюю версию. Это был усилитель мощностью 30 Вт соответствующий по своим параметрам усилителям высокого класса.

В имеющеюся трассировку оригинальных печатных плат никаких изменений вносить не предполагал, однако, ввиду отсутствия первоначальных силовых транзисторов, был выбран более надежный выходной каскад с использованием транзисторов 2SA1943 и 2SC5200. Применение этих транзисторов в итоге позволило обеспечить большую выходную мощность усилителя. Принципиальная схема моей версии усилителя далее.

Это изображение плат собранных по этой схеме с транзисторами Toshiba 2SA1943 и 2SC5200.

Если присмотреться, то сможете увидеть на печатной плате вместе со всеми компонентами стоят резисторы смещения, они мощность 1 Вт углеродного типа. Оказалось, что они более термостабильны. При работе любого усилителя большой мощности выделяется огромное количества тепла, поэтому соблюдение постоянства номинала электронного компонента при его нагреве является важным условием качественной работы устройства.

Собранная версия усилителя работает при токе около 1,6 А и напряжении 35 В. В результате чего 60 Вт мощности непрерывного рассеивается на транзисторах в выходном каскаде. Должен заметить, что это только треть мощности, которую они способны выдержать. Постарайтесь представить, сколько тепла выделяется на радиаторах при их нагреве до 40 градусов.

Корпус усилителя сделан своими руками из алюминия. Верхняя плита и монтажная плита толщиной 3 мм. Радиатор состоит из двух частей, его габаритные размеры составляют 420 x 180 x 35 мм. Крепеж — винты, в основном с потайной головкой из нержавеющей стали и резьбой М5 или М3. Количество конденсаторов было увеличено до шести, их общая ёмкость 220000 мкФ. Для питания был использован тороидальный трансформатор мощностью 500 Вт.

Блок питания усилителя

Хорошо видно устройство усилителя, которое имеет медные шины соответствующего дизайна. Добавлен небольшой тороид, для регулируемой подачи под управлением схемы защиты от постоянного тока. Так же имеется ВЧ фильтр в цепи питания. При всей своей простоте, надо сказать обманчивой простоте, топологии платы этого усилителя и звук им производится как бы без всякого усилия, подразумевающего в свою очередь возможность его бесконечного усиления.

Осциллограммы работы усилителя

Спад 3 дБ на 208 кГц

Синусоида 10 Гц и 100 Гц

Синусоида 1 кГц и 10 кГц

Сигналы 100 кГц и 1 МГц

Меандр 10 Гц и 100 Гц

Меандр 1 кГц и 10 кГц

Полная мощность 60 Вт отсечение симметрии на частоте 1 кГц

Таким образом становится понятно, что простая и качественная конструкция УМЗЧ не обязательно делается с применением интегральных микросхем — всего 8 транзисторов позволяют добиться приличного звучания со схемой, собрать которую можно за пол дня.

Усилитель на одном транзисторе — здесь представлена конструкция простого УНЧ на одном транзисторе. Именно с подобных схем многие радиолюбители начинали свой путь. Однажды собрав несложный усилитель мы всегда стремимся изготовить более мощное и качественное устройство. И так все идет по нарастающей, всегда присутствует желание изготовить безупречный усилитель мощности.

Показанная ниже простейшая схема усилителя выполнена на одном биполярном транзисторе и шести электронных компонентах, включая динамик. Эта конструкция прибора усиливающего звук низкой частоты, создана как раз для начинающих радиолюбителей. Основная ее цель, это дать понять простой принцип работы усилителя, поэтому она собрана с использованием минимального количества радиоэлектронных элементов.

Этот усилитель естественно обладает небольшой мощностью, для начала она большая и не нужна. Однако, если установить более мощный транзистор и поднять немного напряжение питания, то на выходе можно получить примерно 0,5 Вт. А это уже считается довольно приличной мощностью для усилителя имеющего такую конструкцию. На схеме, для наглядности применен биполярный транзистор c проводимостью n-p-n, вы же можете использовать любые и с любой проводимостью.

Чтобы получить 0,5 Вт на выходе, то лучше всего применить мощные биполярные транзисторы типа КТ819 либо их зарубежные аналоги, например 2N6288, 2N5490. Также можно использовать кремневые транзисторы типа КТ805 их зарубежный аналог — BD148, BD149. Конденсатор в цепи выходного тракта можно установить 0,1mF, хотя его номинальное значение не играет большой роли. Тем не менее он формирует чувствительность прибора относительно частоты звукового сигнала.

Если поставить конденсатор имеющий большую емкость, то тогда на выходе будут преимущественно низкие частоты, а высокие будут срезаться. И наоборот, если емкость будет маленькая, то будут резаться низкие частоты, а высокие пропускаться. Поэтому, этот выходной конденсатор подбирается и устанавливается исходя из ваших предпочтений относительно звукового диапазона. Напряжение питания для схемы нужно выбирать в пределах от 3v — до 12v.

Хотелось бы еще пояснить — данный усилитель мощности представлен вам только в демонстрационных целях, показать принцип работы такого устройства. Звучание этого аппарата конечно будет на низком уровне и не идет ни в какое сравнение с высококачественными устройствами. При усилении громкости воспроизведения, в динамике будут возникать искажения в виде хрипов.

Читатели! Запомните ник этого автора и никогда не повторяйте его схемы.
Модераторы! Прежде чем меня забанить за оскорбления, подумайте, что Вы «подпустили к микрофону» обыкновенного гопника, которого даже близко нельзя подпускать к радиотехнике и, тем более, к обучению начинающих.

Во-первых, при такой схеме включения, через транзистор и динамик пойдет большой постоянный ток, даже если переменный резистор будет в нужном положении, то есть будет слышно музыку. А при большом токе повреждается динамик, то есть, рано или поздно, он сгорит.

Во-вторых, в этой схеме обязательно должен быть ограничитель тока, то есть постоянный резистор, хотя бы на 1 КОм, включенный последовательно с переменным. Любой самоделкин повернет регулятор переменного резистора до упора, у него станет нулевое сопротивление и на базу транзистора пойдет большой ток. В результате сгорит транзистор или динамик.

Переменный конденсатор на входе нужен для защиты источника звука (это должен обьяснить автор, ибо сразу же нашелся читатель, который убрал его просто так, считая себя умнее автора). Без него будут нормально работать только те плееры, в которых на выходе уже стоит подобная защита. А если ее там нет, то выход плеера может повредиться, особенно, как я сказал выше, если выкрутить переменный резистор «в ноль». При этом на выход дорогого ноутбука подастся напряжение с источника питания этой копеечной безделушки и он может сгореть. Самоделкины, очень любят убирать защитные резисторы и конденсаторы, потому-что «работает же!» В результате, с одним источником звука схема может работать, а с другим нет, да еще и может повредиться дорогой телефон или ноутбук.

Переменный резистор, в данной схеме должен быть только подстроечным, то есть регулироваться один раз и закрываться в корпусе, а не выводиться наружу с удобной ручкой. Это не регулятор громкости, а регулятор искажений, то есть им подбирается режим работы транзистора, чтобы были минимальные искажения и чтобы из динамика не шел дым. Поэтому он ни в коем случае не должен быть доступен снаружи. Регулировать громкость, путем изменения режима НЕЛЬЗЯ. За это нужно «убивать». Если очень хочется регулировать громкость, проще включить еще один переменный резистор последовательно с конденсатором и вот его уже можно выводить на корпус усилителя.

Вообще, для простейших схем — и чтобы заработало сразу и чтобы ничего не повредить, нужно покупать микросхему типа TDA (например TDA7052, TDA7056… примеров в интернете множество) , а автор взял случайный транзистор, который завалялся у него в столе. В результате доверчивые любители будут искать именно такой транзистор, хотя коэффициент усиления у него всего 15, а допустимый ток аж 8 ампер (сожгет любой динамик даже не заметив).

Простой транзисторный усилитель класса «А. Описание работы усилителя мощности звука на транзисторах MOSFET Унч на 2 транзисторах разной проводимости схема

Усилитель на транзисторах, несмотря на свою уже долгую историю, остается излюбленным предметом исследования как начинающих, так и маститых радиолюбителей. И это понятно. Он является непременной составной частью самых массовых и усилителей низкой (звуковой) частоты. Мы рассмотрим, как строятся простейшие усилители на транзисторах.

Частотная характеристика усилителя

В любом теле- или радиоприемнике, в каждом музыкальном центре или усилителе звука можно найти транзисторные усилители звука (низкой частоты — НЧ). Разница между звуковыми транзисторными усилителями и другими видами заключается в их частотных характеристиках.

Звуковой усилитель на транзисторах имеет равномерную частотную характеристику в полосе частот от 15 Гц до 20 кГц. Это означает, что все входные сигналы с частотой внутри этого диапазона усилитель преобразует (усиливает) примерно одинаково. На рисунке ниже в координатах «коэффициент усиления усилителя Ку — частота входного сигнала» показана идеальная кривая частотной характеристики для звукового усилителя.

Эта кривая практически плоская с 15 Гц по 20 кГц. Это означает, применять такой усилитель следует именно для входных сигналов с частотами между 15 Гц и 20 кГц. Для входных сигналов с частотами выше 20 кГц или ниже 15 Гц эффективность и качество его работы быстро уменьшаются.

Вид частотной характеристики усилителя определяется электрорадиоэлементами (ЭРЭ) его схемы, и прежде всего самими транзисторами. Звуковой усилитель на транзисторах обычно собран на так называемых низко- и среднечастотных транзисторах с суммарной полосой пропускания входных сигналов от десятков и сотен Гц до 30 кГц.

Класс работы усилителя

Как известно, в зависимости от степени непрерывности протекания тока на протяжении его периода через транзисторный усилительный каскад (усилитель) различают следующие классы его работы: «А», «B», «AB», «C», «D».

В классе работы ток «А» через каскад протекает на протяжении 100 % периода входного сигнала. Работу каскада в этом классе иллюстрирует следующий рисунок.

В классе работы усилительного каскада «AB» ток через него протекает более чем 50 %, но менее чем 100 % периода входного сигнала (см. рисунок ниже).

В классе работы каскада «В» ток через него протекает ровно 50 % периода входного сигнала, как это иллюстрирует рисунок.

И наконец в классе работы каскада «C» ток через него протекает менее чем 50 % периода входного сигнала.

НЧ-усилитель на транзисторах: искажения в основных классах работы

В рабочей области транзисторный усилитель класса «А» обладает малым уровнем нелинейных искажений. Но если сигнал имеет импульсные выбросы по напряжению, приводящие к насыщению транзисторов, то вокруг каждой «штатной» гармоники выходного сигнала появляются высшие гармоники (вплоть до 11-й). Это вызывает феномен так называемого транзисторного, или металлического, звука.

Если НЧ-усилители мощности на транзисторах имеют нестабилизированное питание, то их выходные сигналы модулируются по амплитуде вблизи частоты сети. Это ведет к жёсткости звука на левом краю частотной характеристики. Различные же способы стабилизации напряжения делают конструкцию усилителя более сложной.

Типовой КПД однотактного усилителя класса А не превышает 20 % из-за постоянно открытого транзистора и непрерывного протекания постоянной составляющей тока. Можно выполнить усилитель класса А двухтактным, КПД несколько повысится, но полуволны сигнала станут более несимметричными. Перевод же каскада из класса работы «А» в класс работы «АВ» повышает вчетверо нелинейные искажения, хотя КПД его схемы при этом повышается.

В усилителях же классов «АВ» и «В» искажения нарастают по мере снижения уровня сигнала. Невольно хочется врубить такой усилитель погромче для полноты ощущений мощи и динамики музыки, но зачастую это мало помогает.

Промежуточные классы работы

У класса работы «А» имеется разновидность — класс «А+». При этом низковольтные входные транзисторы усилителя этого класса работают в классе «А», а высоковольтные выходные транзисторы усилителя при превышении их входными сигналами определенного уровня переходят в классы «В» или «АВ». Экономичность таких каскадов лучше, чем в чистом классе «А», а нелинейные искажения меньше (до 0,003 %). Однако звук у них также «металлический» из-за наличия высших гармоник в выходном сигнале.

У усилителей еще одного класса — «АА» степень нелинейных искажений еще ниже — около 0,0005 %, но высшие гармоники также присутствуют.

Возврат к транзисторному усилителю класса «А»?

Сегодня многие специалисты в области качественного звуковоспроизведения ратуют за возврат к ламповым усилителям, поскольку уровень нелинейных искажений и высших гармоник, вносимых ими в выходной сигнал, заведомо ниже, чем у транзисторов. Однако эти достоинства в немалой степени нивелируются необходимостью согласующего трансформатора между высокоомным ламповым выходным каскадом и низкоомными звуковыми колонками. Впрочем, с трансформаторным выходом может быть сделан и простой усилитель на транзисторах, что будет показано ниже.

Существует и точка зрения, что предельное качество звучания может обеспечить только гибридный лампово-транзисторный усилитель, все каскады которого являются однотактными, не охвачены и работают в классе «А». То есть такой повторитель мощности представляет собой усилитель на одном транзисторе. Схема его может иметь предельно достижимый КПД (в классе «А») не более 50 %. Но ни мощность, ни КПД усилителя не являются показателями качества звуковоспроизведения. При этом особое значение приобретают качество и линейность характеристик всех ЭРЭ в схеме.

Поскольку однотактные схемы получают такую перспективу, мы рассмотрим ниже их возможные варианты.

Однотактный усилитель на одном транзисторе

Схема его, выполненная с общим эмиттером и R-C-связями по входному и выходному сигналам для работы в классе «А», приведена на рисунке ниже.

На ней показан транзистор Q1 структуры n-p-n. Его коллектор через токоограничивающий резистор R3 присоединен к положительному выводу +Vcc, а эмиттер — к -Vcc. Усилитель на транзисторе структуры p-n-p будет иметь такую же схему, но выводы источника питания поменяются местами.

C1 — разделительный конденсатор, посредством которого источник переменного входного сигнала отделяется от источника постоянного напряжения Vcc. При этом С1 не препятствует прохождению переменного входного тока через переход «база — эмиттер транзистора Q1». Резисторы R1 и R2 совместно с сопротивлением перехода «Э — Б» образуют Vcc для выбора рабочей точки транзистора Q1 в статическом режиме. Типичной для этой схемы является величина R2 = 1 кОм, а положение рабочей точки — Vcc/2. R3 является нагрузочным резистором коллекторной цепи и служит для создания на коллекторе переменного напряжения выходного сигнала.

Предположим, что Vcc = 20 В, R2 = 1 кОм, а коэффициент усиления по току h = 150. Напряжение на эмиттере выбираем Ve = 9 В, а падение напряжения на переходе «Э — Б» принимаем равным Vbe = 0,7 В. Эта величина соответствует так называемому кремниевому транзистору. Если бы мы рассматривали усилитель на германиевых транзисторах, то падение напряжения на открытом переходе «Э — Б» было бы равно Vbe = 0,3 В.

Ток эмиттера, примерно равный току коллектора

Ie = 9 B/1 кОм = 9 мА ≈ Ic.

Ток базы Ib = Ic/h = 9 мА/150 = 60 мкА.

Падение напряжения на резисторе R1

V(R1) = Vcc — Vb = Vcc — (Vbe + Ve) = 20 В — 9,7 В = 10,3 В,

R1 = V(R1)/Ib = 10,3 В/60 мкА = 172 кОм.

С2 нужен для создания цепи прохождения переменной составляющей тока эмиттера (фактически тока коллектора). Если бы его не было, то резистор R2 сильно ограничивал бы переменную составляющую, так что рассматриваемый усилитель на биполярном транзисторе имел бы низкий коэффициент усиления по току.

В наших расчетах мы принимали, что Ic = Ib h, где Ib — ток базы, втекающий в нее из эмиттера и возникающий при подаче на базу напряжения смещения. Однако через базу всегда (как при наличии смещения, так и без него) протекает еще и ток утечки из коллектора Icb0. Поэтому реальный ток коллектора равен Ic = Ib h + Icb0 h, т.е. ток утечки в схеме с ОЭ усиливается в 150 раз. Если бы мы рассматривали усилитель на германиевых транзисторах, то это обстоятельство нужно было бы учитывать при расчетах. Дело в том, что имеют существенный Icb0 порядка нескольких мкА. У кремниевых же он на три порядка меньше (около нескольких нА), так что в расчетах им обычно пренебрегают.

Однотактный усилитель с МДП-транзистором

Как и любой усилитель на полевых транзисторах, рассматриваемая схема имеет свой аналог среди усилителей на Поэтому рассмотрим аналог предыдущей схемы с общим эмиттером. Она выполнена с общим истоком и R-C-связями по входному и выходному сигналам для работы в классе «А» и приведена на рисунке ниже.

Здесь C1 — такой же разделительный конденсатор, посредством которого источник переменного входного сигнала отделяется от источника постоянного напряжения Vdd. Как известно, любой усилитель на полевых транзисторах должен иметь потенциал затвора своих МДП-транзисторов ниже потенциалов их истоков. В данной схеме затвор заземлен резистором R1, имеющим, как правило, большое сопротивление (от 100 кОм до 1 Мом), чтобы он не шунтировал входной сигнал. Ток через R1 практически не проходит, поэтому потенциал затвора при отсутствии входного сигнала равен потенциалу земли. Потенциал же истока выше потенциала земли за счет падения напряжения на резисторе R2. Таким образом, потенциал затвора оказывается ниже потенциала истока, что и нужно для нормальной работы Q1. Конденсатор C2 и резистор R3 имеют такое же назначение, как и в предыдущей схеме. Поскольку эта схема с общим истоком, то входной и выходной сигналы сдвинуты по фазе на 180°.

Усилитель с трансформаторным выходом

Третий одноступенчатый простой усилитель на транзисторах, показанный на рисунке ниже, также выполнен по схеме с общим эмиттером для работы в классе «А», но с низкоомным динамиком он связан через согласующий трансформатор.

Первичная обмотка трансформатора T1 является нагрузкой коллекторной цепи транзистора Q1 и развивает выходной сигнал. T1 передает выходной сигнал на динамик и обеспечивает согласование выходного полного сопротивления транзистора с низким (порядка нескольких Ом) сопротивлением динамика.

Делитель напряжения коллекторного источника питания Vcc, собранный на резисторах R1 и R3, обеспечивает выбор рабочей точки транзистора Q1 (подачу напряжения смещения на его базу). Назначение остальных элементов усилителя такое же, как и в предыдущих схемах.

Двухтактный звуковой усилитель

Двухтактный НЧ-усилитель на двух транзисторах расщепляет входной частоты на две противофазные полуволны, каждая из которых усиливается своим собственным транзисторным каскадом. После выполнения такого усиления полуволны объединяются в целостный гармонический сигнал, который и передается на акустическую систему. Подобное преобразование НЧ-сигнала (расщепление и повторное слияние), естественно, вызывает в нем необратимые искажения, обусловленные различием частотных и динамических свойств двух транзисторов схемы. Эти искажения снижают качество звука на выходе усилителя.

Двухтактные усилители, работающие в классе «А», недостаточно хорошо воспроизводят сложные звуковые сигналы, так как в их плечах непрерывно протекает постоянный ток повышенной величины. Это приводит к несимметрии полуволн сигнала, фазовым искажениям и в конечном итоге к потере разборчивости звука. Нагреваясь, два мощных транзистора увеличивают вдвое искажения сигнала в области низких и инфранизких частот. Но все же основным достоинством двухтактной схемы является ее приемлемый КПД и повышенная выходная мощность.

Двухтактная схема усилителя мощности на транзисторах показана на рисунке.

Это усилитель для работы в классе «А», но может быть использован и класс «АВ», и даже «В».

Бестрансформаторный транзисторный усилитель мощности

Трансформаторы, несмотря на успехи в их миниатюризации, остаются все же самыми громоздкими, тяжелыми и дорогими ЭРЭ. Поэтому был найден путь устранения трансформатора из двухтактной схемы путем выполнения ее на двух мощных комплементарных транзисторах разных типов (n-p-n и p-n-p). Большинство современных усилителей мощности используют именно этот принцип и предназначены для работы в классе «В». Схема такого усилителя мощности показана на рисунке ниже.

Оба ее транзистора включены по схеме с общим коллектором (эмиттерного повторителя). Поэтому схема передает входное напряжение на выход без усиления. Если входного сигнала нет, то оба транзистора находятся на границе включенного состояния, но при этом они выключены.

Когда гармонический сигнал подан на вход, его положительная полуволна открывает TR1, но переводит p-n-p транзистор TR2 полностью в режим отсечки. Таким образом, только положительная полуволна усиленного тока протекает через нагрузку. Отрицательная полуволна входного сигнала открывает только TR2 и запирает TR1, так что в нагрузку подается отрицательная полуволна усиленного тока. В результате на нагрузке выделяется полный усиленный по мощности (за счет усиления по току) синусоидальный сигнал.

Усилитель на одном транзисторе

Для усвоения вышеизложенного соберем простой усилитель на транзисторах своими руками и разберемся, как он работает.

В качестве нагрузки маломощного транзистора Т типа BC107 включим наушники с сопротивлением 2-3 кОм, напряжение смещения на базу подадим с высокоомного резистора R* величиной 1 МОм, развязывающий электролитический конденсатор C емкостью от 10 мкФ до 100 мкФ включим в базовую цепь Т. Питать схему будем от батареи 4,5 В/0,3 А.

Если резистор R* не подключен, то нет ни тока базы Ib, ни тока коллектора Ic. Если резистор подключен, то напряжение на базе поднимается до 0,7 В и через нее протекает ток Ib = 4 мкА. Коэффициент усиления транзистора по току равен 250, что дает Ic = 250Ib = 1 мА.

Собрав простой усилитель на транзисторах своими руками, можем теперь его испытать. Подключите наушники и поставьте палец на точку 1 схемы. Вы услышите шум. Ваше тело воспринимает излучение питающей сети на частоте 50 Гц. Шум, услышанный вами из наушников, и является этим излучением, только усиленным транзистором. Поясним этот процесс подробнее. Напряжение переменного тока с частотой 50 Гц подключено к базе транзистора через конденсатор С. Напряжение на базе теперь равно сумме постоянного напряжения смещения (приблизительно 0,7 В), приходящего с резистора R*, и напряжения переменного тока «от пальца». В результате ток коллектора получает переменную составляющую с частотой 50 Гц. Этот переменный ток используется для сдвига мембраны динамиков вперед-назад с той же частотой, а это означает, что мы сможем услышать тон 50 Гц на выходе.

Слушать уровень шума 50 Гц не очень интересно, поэтому можно подключить к точкам 1 и 2 низкочастотные источника сигнала (CD-плеер или микрофон) и слышать усиленную речь или музыку.

Схема № 2

Схема второго нашего усилителя значительно сложнее, но зато позволяет получить и более качественной звучание. Достигнуто это за счет более совершенной схемотехники, большего коэффициента усиления усилителя (и, следовательно, более глубокой обратной связи), а также возможностью регулировать начальное смещение транзисторов выходного каскада.

Схема нового варианта усилителя приведена на рис. 11.20. Этот усилитель, в отличие от своего предшественника, питается от двухполярного источника напряжения.

Входной каскад усилителя на транзисторах VT1-VT3 образует т. н. дифференциальный усилитель. Транзистор VT2 в дифференциальном усилителе является источником тока (довольно часто в дифференциальных усилителях в качестве источника тока ставят обычный резистор достаточно большого номинала). А транзисторы VT1 и VT3 образуют два пути, по которым ток из источника уходит в нагрузку.

Если ток в цепи одного транзистора увеличится, то ток в цепи другого транзистора уменьшится на точно такую же величину — источник тока поддерживает сумму токов обоих транзисторов постоянной.

В итоге транзисторы дифференциального усилителя образуют почти «идеальное» устройство сравнения, что важно для качественной работы обратной связи. На базу одного транзистора подается усиливаемый сигнал, на базу другого — сигнал обратной связи через делитель напряжения на резисторах R6, R8.

Противофазный сигнал «расхождения» выделяется на резисторах R4 и R5, и поступает на две цепочки усиления:

транзистор VT7;
транзисторы VT4-VT6.

Когда сигнал рассогласования отсутствует, токи обоих цепочек, т. е. транзисторов VT7 и VT6, равны, и напряжение в точке соединения их коллекторов (в нашей схеме такой точкой можно считать транзистор VT8) в точности равно нулю.

При появлении сигнала рассогласования токи транзисторов становятся разными, и напряжение в точке соединения становится больше или меньше нуля. Это напряжение усиливается составным эмиттерным повторителем, собранным на комплементарных парах VT9, VT10 и VT11, VT12, и поступает на АС — это выходной сигнал усилителя.

Транзистор VT8 используется для регулировки т. н. тока «покоя» выходного каскада. Когда движок подстроечного резистора R14 находится в верхнем по схеме положении, транзистор VT8 полностью открыт. При этом падение напряжение на нем близко к нулю. Если же перемещать движок резистора в нижнее положение, падение напряжения на транзисторе VT8 будет увеличиваться. А это равносильно внесению сигнала смещения в базы транзисторов выходного эмиттерного повторителя. Происходит смещение режима их работы от класса С до класса В, а в принципе — и до класса А. Это, как мы уже знаем, один из способов улучшения качества звука — не следует полагаться в этом только на действие обратной связи.

Плата . Усилитель собран на плате из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1.5 мм размерами 50×47.5 мм. Разводку печатной платы в зеркальном изображении и схему расположения деталей можно скачать . Работу усилителя смотрим на . Внешний вид усилителя приведен на рис. 11.21.

Аналоги и элементная база . При отсутствии необходимых деталей транзисторы VT1, VT3 можно заменить любыми малошумящими с допустимым током не менее 100 мА, допустимым напряжением не ниже напряжения питания усилителя и как можно большим коэффициентом усиления.

Специально для таких схем промышленностью выпускаются транзисторные сборки, представляющие собой пару транзисторов в одном корпусе с максимально подобными характеристиками — это был бы идеальный вариант.

Транзисторы VT9 и VT10 обязательно должны быть комплементарными, также как и VT11, и VT12. Они должны быть рассчитаны на напряжение не менее удвоенного напряжения питания усилителя. Не забыли, уважаемый радиолюбитель, что усилитель питается от двухполярного источника напряжения?

Для зарубежных аналогов комплементарые пары обычно указываются в документации на транзистор, для отечественных приборов — придется попотеть в Инете! Транзисторы выходного каскада VT11, VT12 дополнительно должны выдерживать ток, не меньший:

I в = U / R, А,

U — напряжение питания усилителя,
R — сопротивление АС.

Для транзисторов VT9, VT10 допустимый ток должен быть не менее:

I п = I в / B, А ,

I в — максимальный ток выходных транзисторов;
B — коэффициент усиления выходных транзисторов.

Обратите внимание, что в документации на мощные транзисторы иногда приводятся два коэффициента усиления — один для режима усиления «малого сигнала», другой — для схемы с ОЭ. Вам нужен для расчета не тот, который для «малого сигнала». Обратите внимание также на особенность транзисторов КТ972/КТ973 — их коэффициент усиления составляет более 750.

Найденный вами аналог должен обладать не меньшим коэффициентом усиления — это существенно для данной схемы. Остальные транзисторы должны иметь допустимое напряжение не менее удвоенного напряжения питания усилителя и допустимый ток не мене 100 мА. Резисторы — любые с допустимой рассеиваемой мощностью не менее 0.125 Вт. Конденсаторы — электролитические, с емкостью не менее указанной и рабочим напряжением не менее напряжения питания усилителя.

Продолжение читайте

Данный усилитель является альтернативой для популярных усилителей серии TDA и подобных попсовых, ведь при чуть большей стоимости можно получить усилитель с явно лучшими характеристиками.

Принципиальная схема УМЗЧ Holton

Усилитель Холтон на MOSFET — схема

Печатная плата

Печатная плата УНЧ — готовый вид

Вот архив с PDF файлами печатной платы — .

Принцип работы усилителя

На плате усилителя предусмотрены места для конденсаторов фильтра питания С2 (4700 мкф/50 в) и C13 (4700 мкф/50 в).

Самодельный транзисторный УНЧ на МОСФЕТ

Источник питания для УМЗЧ

Усилитель Холтон на плате с деталями

Вторая схема собрана на маломощных транзисторах, и больше подойдет в качестве усилителя для наушников.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Мой блокнот
	Усилитель на микросхеме TDA2003
	Аудио усилитель	TDA2003	1		В блокнот
С1		47 мкФ х 25В	1		В блокнот
С2	Конденсатор	100 нФ	1	Пленочный	В блокнот
С3	Электролитический конденсатор	1 мкФ х 25В	1		В блокнот
С5	Электролитический конденсатор	470 мкФ х 16В	1		В блокнот
R1	Резистор	100 Ом	1		В блокнот
R2	Переменный резистор	50 кОм	1	От 10 кОм до 50 кОм	В блокнот
Ls1	Динамическая головка	2-4 Ом	1		В блокнот
	Усилитель на транзисторах схема №2
VT1-VT3	Биполярный транзистор	КТ315А	3		В блокнот
С1	Электролитический конденсатор	1 мкФ х 16В	1		В блокнот
С2, С3	Электролитический конденсатор	1000 мкФ х 16В	2		В блокнот
R1, R2	Резистор	100 кОм	2		В блокнот
R3	Резистор	47 кОм	1		В блокнот
R4	Резистор	1 кОм	1		В блокнот
R5	Переменный резистор	50 кОм	1		В блокнот
R6	Резистор	3 кОм	1		В блокнот
	Динамическая головка	2-4 Ом	1		В блокнот
	Усилитель на транзисторах схема №3
VT2	Биполярный транзистор	КТ315А	1		В блокнот
VT3	Биполярный транзистор	КТ361А	1		В блокнот
VT4	Биполярный транзистор	КТ815А	1		В блокнот
VT5	Биполярный транзистор	КТ816А	1		В блокнот
VD1	Диод	Д18	1	Или любой маломощный	В блокнот
С1, С2, С5	Электролитический конденсатор	10 мкФ х 16В	3

Простейший усилитель на транзисторах может быть хорошим пособием для изучения свойств приборов. Схемы и конструкции достаточно простые, можно самостоятельно изготовить устройство и проверить его работу, произвести замеры всех параметров. Благодаря современным полевым транзисторам можно изготовить буквально из трех элементов миниатюрный микрофонный усилитель. И подключить его к персональному компьютеру для улучшения параметров звукозаписи. Да и собеседники при разговорах будут намного лучше и четче слышать вашу речь.

Частотные характеристики

Усилители низкой (звуковой) частоты имеются практически во всех бытовых приборах — музыкальных центрах, телевизорах, радиоприемниках, магнитолах и даже в персональных компьютерах. Но существуют еще усилители ВЧ на транзисторах, лампах и микросхемах. Отличие их в том, что УНЧ позволяет усилить сигнал только звуковой частоты, которая воспринимается человеческим ухом. Усилители звука на транзисторах позволяют воспроизводить сигналы с частотами в диапазоне от 20 Гц до 20000 Гц.

Следовательно, даже простейшее устройство способно усилить сигнал в этом диапазоне. Причем делает оно это максимально равномерно. Коэффициент усиления зависит прямо от частоты входного сигнала. График зависимости этих величин — практически прямая линия. Если же на вход усилителя подать сигнал с частотой вне диапазона, качество работы и эффективность устройства быстро уменьшатся. Каскады УНЧ собираются, как правило, на транзисторах, работающих в низко- и среднечастотном диапазонах.

Классы работы звуковых усилителей

Все усилительные устройства разделяются на несколько классов, в зависимости от того, какая степень протекания в течение периода работы тока через каскад:

Класс «А» — ток протекает безостановочно в течение всего периода работы усилительного каскада.
В классе работы «В» протекает ток в течение половины периода.
Класс «АВ» говорит о том, что ток протекает через усилительный каскад в течение времени, равного 50-100 % от периода.
В режиме «С» электрический ток протекает менее чем половину периода времени работы.
Режим «D» УНЧ применяется в радиолюбительской практике совсем недавно — чуть больше 50 лет. В большинстве случаев эти устройства реализуются на основе цифровых элементов и имеют очень высокий КПД — свыше 90 %.

Наличие искажений в различных классах НЧ-усилителей

Рабочая область транзисторного усилителя класса «А» характеризуется достаточно небольшими нелинейными искажениями. Если входящий сигнал выбрасывает импульсы с более высоким напряжением, это приводит к тому, что транзисторы насыщаются. В выходном сигнале возле каждой гармоники начинают появляться более высокие (до 10 или 11). Из-за этого появляется металлический звук, характерный только для транзисторных усилителей.

При нестабильном питании выходной сигнал будет по амплитуде моделироваться возле частоты сети. Звук станет в левой части частотной характеристики более жестким. Но чем лучше стабилизация питания усилителя, тем сложнее становится конструкция всего устройства. УНЧ, работающие в классе «А», имеют относительно небольшой КПД — менее 20 %. Причина заключается в том, что транзистор постоянно открыт и ток через него протекает постоянно.

Для повышения (правда, незначительного) КПД можно воспользоваться двухтактными схемами. Один недостаток — полуволны у выходного сигнала становятся несимметричными. Если же перевести из класса «А» в «АВ», увеличатся нелинейные искажения в 3-4 раза. Но коэффициент полезного действия всей схемы устройства все же увеличится. УНЧ классов «АВ» и «В» характеризует нарастание искажений при уменьшении уровня сигнала на входе. Но даже если прибавить громкость, это не поможет полностью избавиться от недостатков.

Работа в промежуточных классах

У каждого класса имеется несколько разновидностей. Например, существует класс работы усилителей «А+». В нем транзисторы на входе (низковольтные) работают в режиме «А». Но высоковольтные, устанавливаемые в выходных каскадах, работают либо в «В», либо в «АВ». Такие усилители намного экономичнее, нежели работающие в классе «А». Заметно меньшее число нелинейных искажений — не выше 0,003 %. Можно добиться и более высоких результатов, используя биполярные транзисторы. Принцип работы усилителей на этих элементах будет рассмотрен ниже.

Но все равно имеется большое количество высших гармоник в выходном сигнале, отчего звук становится характерным металлическим. Существуют еще схемы усилителей, работающие в классе «АА». В них нелинейные искажения еще меньше — до 0,0005 %. Но главный недостаток транзисторных усилителей все равно имеется — характерный металлический звук.

«Альтернативные» конструкции

Нельзя сказать, что они альтернативные, просто некоторые специалисты, занимающиеся проектировкой и сборкой усилителей для качественного воспроизведения звука, все чаще отдают предпочтение ламповым конструкциям. У ламповых усилителей такие преимущества:

Очень низкое значение уровня нелинейных искажений в выходном сигнале.
Высших гармоник меньше, чем в транзисторных конструкциях.

Но есть один огромный минус, который перевешивает все достоинства, — обязательно нужно ставить устройство для согласования. Дело в том, что у лампового каскада очень большое сопротивление — несколько тысяч Ом. Но сопротивление обмотки динамиков — 8 или 4 Ома. Чтобы их согласовать, нужно устанавливать трансформатор.

Конечно, это не очень большой недостаток — существуют и транзисторные устройства, в которых используются трансформаторы для согласования выходного каскада и акустической системы. Некоторые специалисты утверждают, что наиболее эффективной схемой оказывается гибридная — в которой применяются однотактные усилители, не охваченные отрицательной обратной связью. Причем все эти каскады функционируют в режиме УНЧ класса «А». Другими словами, применяется в качестве повторителя усилитель мощности на транзисторе.

Причем КПД у таких устройств достаточно высокий — порядка 50 %. Но не стоит ориентироваться только на показатели КПД и мощности — они не говорят о высоком качестве воспроизведения звука усилителем. Намного большее значение имеют линейность характеристик и их качество. Поэтому нужно обращать внимание в первую очередь на них, а не на мощность.

Схема однотактного УНЧ на транзисторе

Самый простой усилитель, построенный по схеме с общим эмиттером, работает в классе «А». В схеме используется полупроводниковый элемент со структурой n-p-n. В коллекторной цепи установлено сопротивление R3, ограничивающее протекающий ток. Коллекторная цепь соединяется с положительным проводом питания, а эмиттерная — с отрицательным. В случае использования полупроводниковых транзисторов со структурой p-n-p схема будет точно такой же, вот только потребуется поменять полярность.

С помощью разделительного конденсатора С1 удается отделить переменный входной сигнал от источника постоянного тока. При этом конденсатор не является преградой для протекания переменного тока по пути база-эмиттер. Внутреннее сопротивление перехода эмиттер-база вместе с резисторами R1 и R2 представляют собой простейший делитель напряжения питания. Обычно резистор R2 имеет сопротивление 1-1,5 кОм — наиболее типичные значения для таких схем. При этом напряжение питания делится ровно пополам. И если запитать схему напряжением 20 Вольт, то можно увидеть, что значение коэффициента усиления по току h31 составит 150. Нужно отметить, что усилители КВ на транзисторах выполняются по аналогичным схемам, только работают немного иначе.

При этом напряжение эмиттера равно 9 В и падение на участке цепи «Э-Б» 0,7 В (что характерно для транзисторов на кристаллах кремния). Если рассмотреть усилитель на германиевых транзисторах, то в этом случае падение напряжения на участке «Э-Б» будет равно 0,3 В. Ток в цепи коллектора будет равен тому, который протекает в эмиттере. Вычислить можно, разделив напряжение эмиттера на сопротивление R2 — 9В/1 кОм=9 мА. Для вычисления значения тока базы необходимо 9 мА разделить на коэффициент усиления h31 — 9мА/150=60 мкА. В конструкциях УНЧ обычно используются биполярные транзисторы. Принцип работы у него отличается от полевых.

На резисторе R1 теперь можно вычислить значение падения — это разница между напряжениями базы и питания. При этом напряжение базы можно узнать по формуле — сумма характеристик эмиттера и перехода «Э-Б». При питании от источника 20 Вольт: 20 — 9,7 = 10,3. Отсюда можно вычислить и значение сопротивления R1=10,3В/60 мкА=172 кОм. В схеме присутствует емкость С2, необходимая для реализации цепи, по которой сможет проходить переменная составляющая эмиттерного тока.

Если не устанавливать конденсатор С2, переменная составляющая будет очень сильно ограничиваться. Из-за этого такой усилитель звука на транзисторах будет обладать очень низким коэффициентом усиления по току h31. Нужно обратить внимание на то, что в вышеизложенных расчетах принимались равными токи базы и коллектора. Причем за ток базы брался тот, который втекает в цепь от эмиттера. Возникает он только при условии подачи на вывод базы транзистора напряжения смещения.

Но нужно учитывать, что по цепи базы абсолютно всегда, независимо от наличия смещения, обязательно протекает ток утечки коллектора. В схемах с общим эмиттером ток утечки усиливается не менее чем в 150 раз. Но обычно это значение учитывается только при расчете усилителей на германиевых транзисторах. В случае использования кремниевых, у которых ток цепи «К-Б» очень мал, этим значением просто пренебрегают.

Усилители на МДП-транзисторах

Усилитель на полевых транзисторах, представленный на схеме, имеет множество аналогов. В том числе и с использованием биполярных транзисторов. Поэтому можно рассмотреть в качестве аналогичного примера конструкцию усилителя звука, собранную по схеме с общим эмиттером. На фото представлена схема, выполненная по схеме с общим истоком. На входных и выходных цепях собраны R-C-связи, чтобы устройство работало в режиме усилителя класса «А».

Переменный ток от источника сигнала отделяется от постоянного напряжения питания конденсатором С1. Обязательно усилитель на полевых транзисторах должен обладать потенциалом затвора, который будет ниже аналогичной характеристики истока. На представленной схеме затвор соединен с общим проводом посредством резистора R1. Его сопротивление очень большое — обычно применяют в конструкциях резисторы 100-1000 кОм. Такое большое сопротивление выбирается для того, чтобы не шунтировался сигнал на входе.

Это сопротивление почти не пропускает электрический ток, вследствие чего у затвора потенциал (в случае отсутствия сигнала на входе) такой же, как у земли. На истоке же потенциал оказывается выше, чем у земли, только благодаря падению напряжения на сопротивлении R2. Отсюда ясно, что у затвора потенциал ниже, чем у истока. А именно это и требуется для нормального функционирования транзистора. Нужно обратить внимание на то, что С2 и R3 в этой схеме усилителя имеют такое же предназначение, как и в рассмотренной выше конструкции. А входной сигнал сдвинут относительно выходного на 180 градусов.

УНЧ с трансформатором на выходе

Можно изготовить такой усилитель своими руками для домашнего использования. Выполняется он по схеме, работающей в классе «А». Конструкция такая же, как и рассмотренные выше, — с общим эмиттером. Одна особенность — необходимо использовать трансформатор для согласования. Это является недостатком подобного усилителя звука на транзисторах.

Коллекторная цепь транзистора нагружается первичной обмоткой, которая развивает выходной сигнал, передаваемый через вторичную на динамики. На резисторах R1 и R3 собран делитель напряжения, который позволяет выбрать рабочую точку транзистора. С помощью этой цепочки обеспечивается подача напряжения смещения в базу. Все остальные компоненты имеют такое же назначение, как и у рассмотренных выше схем.

Двухтактный усилитель звука

Нельзя сказать, что это простой усилитель на транзисторах, так как его работа немного сложнее, чем у рассмотренных ранее. В двухтактных УНЧ входной сигнал расщепляется на две полуволны, различные по фазе. И каждая из этих полуволн усиливается своим каскадом, выполненном на транзисторе. После того, как произошло усиление каждой полуволны, оба сигнала соединяются и поступают на динамики. Такие сложные преобразования способны вызвать искажения сигнала, так как динамические и частотные свойства двух, даже одинаковых по типу, транзисторов будут отличны.

В результате на выходе усилителя существенно снижается качество звучания. При работе двухтактного усилителя в классе «А» не получается качественно воспроизвести сложный сигнал. Причина — повышенный ток протекает по плечам усилителя постоянно, полуволны несимметричные, возникают фазовые искажения. Звук становится менее разборчивым, а при нагреве искажения сигнала еще больше усиливаются, особенно на низких и сверхнизких частотах.

Бестрансформаторные УНЧ

Усилитель НЧ на транзисторе, выполненный с использованием трансформатора, невзирая на то, что конструкция может иметь малые габариты, все равно несовершенен. Трансформаторы все равно тяжелые и громоздкие, поэтому лучше от них избавиться. Намного эффективнее оказывается схема, выполненная на комплементарных полупроводниковых элементах с различными типами проводимости. Большая часть современных УНЧ выполняется именно по таким схемам и работают в классе «В».

Два мощных транзистора, используемых в конструкции, работают по схеме эмиттерного повторителя (общий коллектор). При этом напряжение входа передается на выход без потерь и усиления. Если на входе нет сигнала, то транзисторы на грани включения, но все равно еще отключены. При подаче гармонического сигнала на вход происходит открывание положительной полуволной первого транзистора, а второй в это время находится в режиме отсечки.

Следовательно, через нагрузку способны пройти только положительные полуволны. Но отрицательные открывают второй транзистор и полностью запирают первый. При этом в нагрузке оказываются только отрицательные полуволны. В результате усиленный по мощности сигнал оказывается на выходе устройства. Подобная схема усилителя на транзисторах достаточно эффективная и способна обеспечить стабильную работу, качественное воспроизведение звука.

Схема УНЧ на одном транзисторе

Изучив все вышеописанные особенности, можно собрать усилитель своими руками на простой элементной базе. Транзистор можно использовать отечественный КТ315 или любой его зарубежный аналог — например ВС107. В качестве нагрузки нужно использовать наушники, сопротивление которых 2000-3000 Ом. На базу транзистора необходимо подать напряжение смещения через резистор сопротивлением 1 Мом и конденсатор развязки 10 мкФ. Питание схемы можно осуществить от источника напряжением 4,5-9 Вольт, ток — 0,3-0,5 А.

Если сопротивление R1 не подключить, то в базе и коллекторе не будет тока. Но при подключении напряжение достигает уровня в 0,7 В и позволяет протекать току около 4 мкА. При этом по току коэффициент усиления окажется около 250. Отсюда можно сделать простой расчет усилителя на транзисторах и узнать ток коллектора — он оказывается равен 1 мА. Собрав эту схему усилителя на транзисторе, можно провести ее проверку. К выходу подключите нагрузку — наушники.

Коснитесь входа усилителя пальцем — должен появиться характерный шум. Если его нет, то, скорее всего, конструкция собрана неправильно. Перепроверьте все соединения и номиналы элементов. Чтобы нагляднее была демонстрация, подключите к входу УНЧ источник звука — выход от плеера или телефона. Прослушайте музыку и оцените качество звучания.

Транзисторные усилители мощности своими руками. Две схемы унч на транзисторах. Частотная характеристика усилителя

Схема № 1

Выбор класса усилителя . Сразу предупредим радиолюбителя — делать усилитель класса A на транзисторах мы не будем. Причина проста — как было сказано во введении, транзистор усиливает не только полезный сигнал, но и поданное на него смещение. Проще говоря, усиливает постоянный ток. Ток этот вместе с полезным сигналом потечет по акустической системе (АС), а динамики, к сожалению, умеют этот постоянный ток воспроизводить. Делают они это самым очевидным образом — вытолкнув или втянув диффузор из нормального положения в противоестественное.

Попробуйте прижать пальцем диффузор динамика — и вы убедитесь, в какой кошмар превратится при этом издаваемый звук. Постоянный ток по своему действию с успехом заменяет ваши пальцы, поэтому динамической головке он абсолютно противопоказан. Отделить же постоянный ток от переменного сигнала можно только двумя средствами — трансформатором или конденсатором, — и оба варианта, что называется, один хуже другого.

Принципиальная схема

Схема первого усилителя, который мы соберем, приведена на рис. 11.18.

Это усилитель с обратной связью, выходной каскад которого работает в режиме В. Единственное достоинство этой схемы — простота, а также однотипность выходных транзисторов (не требуется специальные комплементарные пары). Тем не менее, она достаточно широко применяется в усилителях небольшой мощности. Еще один плюс схемы — она не требует никакой настройки, и при исправных деталях заработает сразу, а нам это сейчас очень важно.

Рассмотрим работу этой схемы. Усиливаемый сигнал подается на базу транзистора VT1. Усиленный этим транзистором сигнал с резистора R4 подается на базу составного транзистора VT2, VT4, а с него — на резистор R5.

Транзистор VT3 включен в режиме эмиттерного повторителя. Он усиливает положительные полуволны сигнала на резисторе R5 и подает их через конденсатор C4 на АС.

Отрицательные же полуволны усиливает составной транзистор VT2, VT4. При этом падение напряжения на диоде VD1 закрывает транзистор VT3. Сигнал с выхода усилителя подается на делитель цепи обратной связи R3, R6, а с него — на эмиттер входного транзистора VT1. Таким образом, транзистор VT1 у нас и играет роль устройства сравнения в цепи обратной связи.

Постоянный ток он усиливает с коэффициентом усиления, равным единице (потому что сопротивление конденсатора C постоянному току теоретически бесконечно), а полезный сигнал — с коэффициентом, равным соотношению R6/R3.

Как видим, величина емкостного сопротивления конденсатора в этой формуле не учитывается. Частота, начиная с которой конденсатором при расчетах можно пренебречь, называется частотой среза RC-цепочки. Частоту эту можно рассчитать по формуле

F = 1 / (R×C) .

Для нашего примера она будет около 18 Гц, т. е. более низкие частоты усилитель будет усиливать хуже, чем он мог бы.

Плата . Усилитель собран на плате из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1.5 мм размерами 45×32.5 мм. Разводку печатной платы в зеркальном изображении и схему расположения деталей можно скачать . Видеоролик о работе усилителя в формате MOV скачать для просмотра можно . Хочу сразу предупредить радиолюбителя — звук, воспроизводимый усилителем, записывался в ролике с помощью встроенного в фотоаппарат микрофона, так что говорить о качестве звука, к сожалению, будет не совсем уместно! Внешний вид усилителя приведен на рис. 11.19.

Элементная база . При изготовлении усилителя транзисторы VT3, VT4 можно заменить любыми, рассчитанными на напряжение не менее напряжения питания усилителя, и допустимым током не менее 2 А. На такой же ток должен быть рассчитан и диод VD1.

Остальные транзисторы — любые с допустимым напряжением не менее напряжение питания, и допустимым током не менее 100 мА. Резисторы — любые с допустимой рассеиваемой мощностью не менее 0.125 Вт, конденсаторы — электролитические, с емкостью, не менее указанной на схеме, и рабочим напряжением на менее напряжения питания усилителя.

Радиаторы для усилителя . Прежде чем попробовать изготовить нашу вторую конструкцию, давайте, уважаемый радиолюбитель, остановимся на радиаторах для усилителя и приведем здесь весьма упрощенную методику их расчета.

Во-первых, вычисляем максимальную мощность усилителя по формуле:

P = (U × U) / (8 × R), Вт ,

где U — напряжение питания усилителя, В; R — сопротивление АС (обычно оно составляет 4 или 8 Ом, хотя бывают и исключения).

Во-вторых, вычисляем мощность, рассеиваемую на коллекторах транзисторов, по формуле:

P рас = 0,25 × P, Вт .

В-третьих, вычисляем площадь радиатора, необходимую для отвода соответствующего количества тепла:

S = 20 × P рас, см 2

В-четвертых, выбираем или изготавливаем радиатор, площадь поверхности которого будет не менее рассчитанной.

Указанный расчет носит весьма приблизительный характер, но для радиолюбительской практики его обычно бывает достаточно. Для нашего усилителя при напряжении питания 12 В и сопротивлении АС, равным 8 Ом, «правильным» радиатором была бы алюминиевая пластина размерами 2×3 см и толщиной не менее 5 мм для каждого транзистора. Имейте ввиду, что более тонкая пластина плохо передает тепло от транзистора к краям пластины. Хочется сразу предупредить — радиаторы во всех остальных усилителях тоже должны быть «нормальных» размеров. Каких именно — посчитайте сами!

Качество звучания . Собрав схему, вы обнаружите, что звук усилителя не совсем чистый.

Причина этого — «чистый» режим класса В в выходном каскаде, характерные искажения которого даже обратная связь полностью скомпенсировать не способна. Ради эксперимента попробуйте заменить в схеме транзистор VT1 на КТ3102ЕМ, а транзистор VT2 — на КТ3107Л. Эти транзисторы имеют значительно больший коэффициент усиления, чем КТ315Б и КТ361Б. И вы обнаружите, что звучание усилителя значительно улучшилось, хотя все равно останутся заметными некоторые искажения.

Причина этого также очевидна — больший коэффициент усиления усилителя в целом обеспечивает большую точность работы обратной связи, и больший ее компенсирующий эффект.

Продолжение читайте

Источник питания должен выдавать стабильное или нестабильное двуполярное напряжение питания ±45V и ток 5А. Эта схема УНЧ на транзисторах весьма проста, так как в выходном каскаде используется пара мощных комплементарных транзисторов Дарлингтона . В соответствии с справочными характеристиками эти транзисторы могут коммутировать ток до 5А при напряжении эмиттерном-коллекторном переходе до 100V.

Схема УНЧ представлена на рисунке чуть ниже.

Сигнал требующий усиления через предварительный УНЧ подается на предварительный дифферециальный усилительный каскад построенный на составных транзисторах VT1 и VT2. Использование дифференциальной схемы в усилительном каскаде, снижает шумовые эффекты и обеспечивает работу отрицательной обратной связи. Напряжение ОС поступает на базу транзистора VT2 с выхода усилителя мощности. ОС по постоянному току реализуется через резистор R6. ОС по переменной состовляющей осуществляется через резистор R6, но её величина зависит от номиналов цепочки R7-C3. Но следует учитовать, что слишком сильное увеличение сопротивления R7 приводет к возбуждению.

Режим работы по постоянному току обеспечивается подбором резистора R6. Выходной каскад на транзисторах Дарлингтона VT3 и VT4 работает в классе АВ. Диоды VD1 и VD2 нужны для стабилизации рабочей точки выходного каскада.

Транзистор VT5 ппредназначен для раскачки выходного каскада, на его базу поступает сигнал с выхода дифференциального предварительного усилителя, а так же постоянное напряжение смещения, которое определяет режим работы выходного каскада по постоянному току.

Все конденсаторы схемы должны быть рассчитаны на максимальное постоянное напряжение не ниже 100V. Транзисторы выходного каскада рекомендуется закрепить на радиаторы площадью не меньше 200 см в квадрате

Рассмотренная схема простого двухкаскадного усилителя разработана для работы с наушниками или для использования в простых устройствах с функцией предварительного усилителя.

Первый транзистор усилителя подсоединен по схеме с общим эмиттером, а второй транзистор с общим коллектором. Первый каскад предназначен для базового усиления сигнала по напряжению, а второй каскада усиливает уже по мощности.

Малое выходное сопротивление второго каскада двухкаскадного усилителя, называемого эмиттерным повторителем, позволяет подсоединять не только наушники с большим сопротивлением, но и другие виды преобразователей акустического сигнала.

Эта тоже двухкаскадная схема УНЧ выполненная на двух транзисторах, но уже противоположной проводимости. Ее главная особенность в том, что связь между каскадами непосредственная. Охваченная ООС через сопротивление R3 напряжение смещения со второго каскада проходит на базу первого транзистора.

Конденсатор СЗ, шунтирует резистор R4, уменьшает ООС по переменному току, тем самым уменьшающая усиление VT2. Путем подбора номинала резистора R3 задают режим работы транзисторов.

УМЗЧ на двух транзисторах

Этот достаточно легкий усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) можно спаять всего на двух транзисторах. При напряжении питания 42В постоянного тока выходная мощность усилителя достигает 0,25 Вт при нагрузке 4 Ом. Потребляемый ток всего 23 mA. Усилитель работает в однотактном режиме «А».

Напряжение низкой частоты от источника сигнала подходит к регулятору громкости R1. Далее через защитный резистор R3 и конденсатор C1 сигнал оказывается на базе биполярного транзистора VT1 включенного по схеме с общим эмиттером. Усиленный сигнал через R8 подается на затвор мощного полевого транзистора VT2 включенный по схеме с общим истоком и его нагрузкой служит первичная обмотка понижающего трансформатора К вторичной обмотке трансформатора можно подключить динамическую головку или акустическую систему.

В обоих транзисторных каскадах присутствует местная отрицательная обратная связь по постоянному и переменному току, так и общей цепью ООС.

В случае увеличения напряжения на затворе полевого транзистора сопротивление сток исток его канала уменьшается и напряжение на его стоке уменьшается. Это влияет и на уровень сигнала поступающий на биполярный транзистор, что снижает напряжения затвор-исток.

Совместно с цепями местной отрицательной обратной связи, таким образом, стабилизируются режимы работы обоих транзисторов даже в случае незначительного изменения питающего напряжения. Коэффициент усиления зависит от соотношения сопротивлений резисторов R10 и R7. Стабилитрон VD1 предназначен для предотвращения выхода полевого транзистора из строя. Питание усилительного каскада на VT1 производится через RC фильтр R12C4. Конденсатор C5 блокировочный по цепи питания.

Усилитель может быть собран на печатной плате размерами 80×50 мм,на ней расположены все элементы кроме понижающего трансформатора и динамической головки

Наладку схемы усилителя осуществляют при том напряжении питания, при котором он будет работать. Для тонкой настройки рекомендуется использовать осциллограф, щуп которого подключают к выводу стока полевого транзистора. Подав на вход усилителя синусоидальный сигнал частотой 100 … 4000 Гц, с помощью регулировки подстроечного резистора R5 добиваются того, чтобы отсутствовали заметные искажения синусоиды при как можно большем размахе амплитуды сигнала на выводе стока транзистора.

Выходная мощность усилителя на полевом транзисторе небольшая, всего 0,25Вт, напряжение питания от 42В до 60В. Сопротивление динамической головки 4 Ома.

Аудио сигнал через переменное сопротивление R1, затем R3 и разделительную емкость C1 поступает на усилительный каскад на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером. Далее с этого транзистора усиленный сигнал через сопротивление R10 проходит на полевой транзистор.

Первичная обмотка трансформатора является нагрузкой для полевого транзистора, а к вторичной обмотки подключен четырех омная динамическая головка. Соотношением сопротивлений R10 и R7 задаем степень усиления по напряжению. С целью защиты униполярного транзистора в схему добавлен стабилитрон VD1.

Все номиналы деталей имеются на схеме. Трансформатор можно использовать типа ТВК110ЛМ или ТВК110Л2, от блока кадровой развертки старого телевизора или аналогичный.

УМЗЧ по схеме Агеева

Наткнулся на эту схему в старом выпуске журнала радио, впечатления от нее остались самыми приятными,во первых схема настолько проста, что ее сможет собрать и начинающий радиолюбитель,во вторых при условии рабочих компонентов и правильной сборки наладки она не требует.

Если вас заинтересовала эта схема, то остальные подробности по ее сборке вы сможете найти в журнале радио №8 за 1982 год.

Высококачественные транзисторные УНЧ

Это изображение плат собранных по этой схеме с транзисторами Toshiba 2SA1943 и 2SC5200.

Блок питания усилителя

Осциллограммы работы усилителя

Спад 3 дБ на 208 кГц

Синусоида 10 Гц и 100 Гц

Синусоида 1 кГц и 10 кГц

Сигналы 100 кГц и 1 МГц

Меандр 10 Гц и 100 Гц

Меандр 1 кГц и 10 кГц

Полная мощность 60 Вт отсечение симметрии на частоте 1 кГц

Недавно обратился некий человек с просьбой собрать ему усилитель достаточной мощности и раздельными каналами усиления по низким, средним и высоким частотам. до этого не раз уже собирал для себя в качестве эксперимента и, надо сказать, эксперименты были весьма удачными. Качество звучания даже недорогих колонок не очень высокого уровня заметно при этом улучшается по сравнению, например, с вариантом применения пассивных фильтров в самих колонках. К тому же появляется возможность довольно легко менять частоты раздела полос и коэффициент усиления каждой отдельно взятой полосы и, таким образом, проще добиться равномерной АЧХ всего звукоусилительного тракта. В усилителе были применены готовые схемы, которые до этого не раз были опробованы в более простых конструкциях.

Структурная схема

На рисунке ниже показана схема 1 канала:

Как видно из схемы, усилитель имеет три входа, один из которых предусматривает простую возможность добавления предусилителя-корректора для проигрывателя винила (при такой необходимости), переключатель входов, предварительный усилитель-тембролок (также трёхполосный, с регулировкой уровней ВЧ/СЧ/НЧ), регулятор громкости, блок фильтров на три полосы с регулировкой уровня усиления каждой полосы с возможностью отключения фильтрации и блок питания для оконечных усилителей большой мощности (нестабилизированный) и стабилизатор для «слаботочной» части (предварительные каскады усиления).

Предварительный усилитель-темброблок

В качестве него была применена схема, не раз проверенная до этого, которая при своей простоте и доступности деталей показывает довольно хорошие характеристики. Схема (как и все последующие) в своё время была опубликована в журнале «Радио» и затем не раз публиковалась на различных сайтах в интернете:

Входной каскад на DA1 содержит переключатель уровня усиления (-10; 0; +10 дБ), что упрощает согласование всего усилителя с различными по уровню источниками сигнала, а на DA2 собран непосредственно регулятор тембров. Схема не капризна к некоторому разбросу номиналов элементов и не требует никакого налаживания. В качестве ОУ можно применить любые микросхемы, применяемые в звуковых трактах усилителей, например здесь (и в последующих схемах) пробовал импортные ВА4558, TL072 и LM2904. Подойдёт любая, но лучше, конечно, выбирать варианты ОУ с возможно меньшим уровнем собственного шума и высоким быстродействием (коэффициентом нарастания входного напряжения). Эти параметры можно посмотреть в справочниках (даташитах). Конечно, здесь вовсе не обязательно применять именно эту схему, вполне можно, например, сделать не трёхполосный, а обычный (стандартный) двухполосный темброблок. Но не «пассивную» схему, а с каскадами усиления-согласования по входу и выходу на транзисторах или ОУ.

Блок фильтров

Схем фильтров, также, при желании можно найти множество, так как публикаций на тему многополосных усилителей сейчас достаточно. Для облегчения этой задачи и просто для примера, я приведу здесь несколько возможных схем, найденных в различных источниках:

— схема, которая была применена мной в этом усилителе, так как частоты раздела полос оказались как раз такие, которые и нужны были «заказчику» — 500 Гц и 5 кГц и ничего пересчитывать не пришлось.

— вторая схема, попроще на ОУ.

И ещё одна возможная схема, на транзисторах:

Как уже писал ваше, выбрал первую схему из-за довольно качественной фильтрации полос и соответствии частот разделения полос заданным. Только на выходах каждого канала (полосы) были добавлены простые регуляторы уровня усиления (как это сделано, например, в третьей схеме, на транзисторах). Регуляторы можно поставить от 30 до 100 кОм. Операционные усилители и транзисторы во всех схемах можно заменить на современные импортные (с учётом цоколёвки!) для получения лучших параметров схем. Никакой настройки все эти схемы не требуют, если не требуется изменить частоты раздела полос. К сожалению, дать информацию по пересчёту этих частот раздела я не имею возможности, так как схемы искались для примера «готовые» и подробных описаний к ним не прилагалось.

В схему блока фильтров (первая схема из трёх) была добавлена возможность отключения фильтрации по каналам СЧ и ВЧ. Для этого были установлены два кнопочных переключателя типа П2К, с помощью которых просто можно замкнуть точки соединения входов фильтров — R10C9 с их соответствующими выходами — «выход ВЧ» и «выход СЧ». В этом случае по этим каналам идёт полный звуковой сигнал.

Усилители мощности

С выхода каждого канала фильтра сигналы ВЧ-СЧ-НЧ подаются на входы усилителй мощности, которые, также, можно собрать по любой из известных схем в зависимости от необходимой мощности всего усилителя. Я делал УМЗЧ по известной давно схеме из журнала «Радио», №3, 1991 г., стр.51. Здесь даю ссылку на «первоисточник», так как по поводу этой схемы существует много мнений и споров по повод её «качественности». Дело в том, что на первый взгляд это схема усилителя класса «B» с неизбежным присутствием искажений типа «ступенька», но это не так. В схеме применено токовое управление транзисторами выходного каскада, что позволяет избавиться от этих недостатков при обычном, стандартном включении. При этом схема очень простая, не критична к применяемым деталям и даже транзисторы не требует особого предварительного подбора по параметрам К тому же схема удобна тем, что мощные выходные транзисторы можно ставить на один теплоотвод попарно без изолирующих прокладок, так как выводы коллекторов соединены в точке «выхода», что очень упрощает монтаж усилителя:

При настройке лишь ВАЖНО подобрать правильные режимы работы транзисторов предоконечного каскада (подбором резисторов R7R8) — на базах этих транзисторов в режиме «покоя» и без нагрузки на выходе (динамика) должно быть напряжение в пределах 0,4-0,6 вольт. Напряжение питания для таких усилителей (их, соответственно, должно быть 6 штук) поднял до 32 вольт с заменой выходных транзисторов на 2SA1943 и 2SC5200, сопротивление резисторов R10R12 при этом следует также увеличить до 1,5 кОм (для «облегчения жизни» стабилитронам в цепи питания входных ОУ). ОУ также были заменены на ВА4558, при этом становится не нужна цепь «установки нуля» (выходы 2 и 6 на схеме) и, соответственно меняется цоколёвка при пайке микросхемы. В результате при проверке каждый усилитель по этой схеме выдавал мощность до 150 ватт (кратковременно) при вполне адекватной степени нагрева радиатора.

Блок питания УНЧ

В качестве блока питания были использованы два трансформатора с блоками выпрямителей и фильтров по обычной, стандартной схеме. Для питания НЧ полосных каналов (левый и правый каналы) — трансформатор мощностью 250 ватт, выпрямитель на диодных сборках типа MBR2560 или аналогичных и конденсаторы 40000 мкф х 50 вольт в каждом плече питания. Для СЧ и ВЧ каналов — трансформатор мощностью 350 ватт (взят из сгоревшего ресивера «Ямаха»), выпрямитель — диодная сборка TS6P06G и фильтр — два конденсатора по 25000 мкф х 63 вольт на каждое плечо питания. Все электролитические конденсаторы фильтров зашунтированы плёночными конденсаторами ёмкостью 1 мкф х 63 вольта.

В общем, блок питания может быть и с одним трансформаторм, конечно, но при его соответствующей мощности. Мощность усилителя в целом в данном случае определяется исключительно возможностями источника питания. Все предварительные усилители (темброблок, фильтры) — запитаны также от одного из этих трансформаторов (можно от любого из них), но через дополнительный блок двуполярного стабилизатора, собранный на МС типа КРЕН (или импортных) или по любой из типовых схем на транзисторах.

Конструкция самодельного усилителя

Это, пожалуй, был самый сложный момент в изготовлении, так как подходящего готового корпуса не нашлось и пришлось выдумывать возможные варианты:-)) Чтобы не лепить кучу отдельных радиаторов, решил использовать корпус-радиатор от автомобильного 4-канального усилителя, довольно больших размеров, примерно такой:

Все «внутренности» были, естественно, извлечены и компоновка получилась примерно такой (к сожалению фотографию соответствующую не сделал):

— как видно, в эту крышку-радиатор установились шесть плат оконечных УМЗЧ и плата предварительного усилителя-темброблока. Плата блока фильтров уже не влезла, поэтому была закреплена на добавленной затем конструкции из алюминиевого уголка (её видно на рисунках). Также, в этом «каркасе» были установлены трансформаторы, выпрямители и фильтры блоков питания.

Вид (спереди) со всеми переключателями и регуляторами получился такой:

Вид сзади, с колодками выходов на динамики и блоком предохранителей (поскольку никакие схемы электронной защиты не делались из-за недостатка места в конструкции и чтобы не усложнять схему):

В последующем каркас из уголка предполагается, конечно, закрыть декоративными панелями для придания изделию более «товарного» вида, но делать это будет уже сам «заказчик», по своему личному вкусу. А в целом, по качеству и мощности звучания, конструкция получилась вполне себе приличная. Автор материала: Андрей Барышев (специально для сайта сайт ).

Усилитель способен выдать 2kW мощности пиково, и 1.5kW продолжительно, что означает что этот усилитель способен сжечь большинство известных Вам динамиков. Чтобы представить такую мощность в действии Вы можете подключить (Что делать я крайне не советую) два последовательно соединенных 8-ми омных динамика в сеть переменного тока 220В. При этом на одном динамике будет 110V действующего напряжения на нагрузке 8 ом — 1,500W. Как Вы думаете, долго ли проработает в таком режиме акустика. Если все еще не отпало желание заняться этим усилителем – переходим дальше…

Описание усилителя

Сначала, давайте посмотрим на требования, для достижения 1.5kW на 4 ома. Нам нужно 77.5V действующего напряжения, но мы должны иметь некоторый запас, потому что напряжение питания снизится под нагрузкой, и всегда будет некоторое падение напряжения на коллектор-эмиттерных переходах и эмиттерных резисторов.

Итак напряжение питания должно быть…

VDC = VRMS * 1.414
VDC = 77.5 * 1.414 = ±109.6V постоянного напряжения

Так как мы не учли потери, мы должны добавить около 3-5V для оконечника усилителя, и дополнительно 10V на падение напряжения питания под полной нагрузкой.

Трансформатор в 2 x 90V даст напряжение без нагрузки ±130V (260V между крайними точками выпрямителя), так что с источником питания нужно работать с особой осторожностью

Биполярные транзисторы были отобраны как наиболее соответствующими для выполнения оконечного каскада усилителя. Это, прежде всего, продиктовано напряжением питания, которое превышает граничное напряжение для большинства MOSFET транзисторов. Это так же много и для биполярных транзисторов, но MJ15004/5, или MJ21193/4 соответствуют требованию по максимальному напряжению, и значит, мы на них остановимся.

P = V ? / R = 65 ? / 4 = 1056W

То есть равно среднестатистическому электрообогревателю…
Помните, что при работе на активную нагрузку с 45 ° фазовыми сдвигами мощность рассеивания почти удваивается. Исходя из этого следует, что хорошее охлаждение жизненно необходимо для этого усилителя, Вам понадобятся хорошие радиаторы, вентиляторы для принудительного охлаждения (естественная конвекция не поможет).

MJ15024/5 (или MJ21193/4) транзисторы в корпусе К-3 (железный с двумя выводами как КТ825/827), и рассчитаны на рассеивание 250W при температуре 25°C. Корпус К-3 транзистора выбран, потому что он имеет самую высокую номинальную мощность рассеивания, потому что тепловое сопротивление ниже чем у любого другого транзистора в пластмассовом корпусе.

MJE340/350 в каскаде усилителя напряжения гарантирует хорошую линейность. Но даже при токе через каскад 12mA, мощность — 0.72W, так что Q4, Q6, Q9 и Q10 должен иметь теплоотводы. Транзистор (Q5) , определяющий смещение оконечного каскада, должен быть установлен на общем радиаторе с оконечником и иметь надежный тепловой контакт.

Схема защиты от короткого замыкания (Q7, Q8) ограничивает ток на уровне 12А и мощность выделяемую одним транзистором около 175W, при этом длительная работа усилителя в таком режиме не допустима.
Схема профессионального усилителя 1500W.

Дополнительные элементы обратной связи (R6a и C3a, показанный пунктирным) являются опциональными. Они могут быть необходимы, при возникновении самовозбуждения усилителя. Обратные диоды (D9 и D10) защищают транзисторы усилителя от обратной ЭДС при работе на активную нагрузку. Диоды серии 1N5404 могут выдержать пиковый ток до 200A. Номинальное напряжение должно быть по крайней мере 400V.

Резистор VR1 100 омо используется для балансировки усилителя по постоянному току. С номиналами компонентов указанных на схеме, начальное смещение должно быть в пределах ±25mV, перед настройкой. Резистор VR2 используется для установки тока покоя оконечного каскада. Настраивают ток покоя измеряя напряжение на резисторе R19 или R20 которое должно быть в пределах 150mV.
Чувствительность входного каскада — 1.77V для 900W на 8 ом, или 1800W на 4 ом.

Источник питания:

Источник питания, необходимый для усилителя требует серьезного подхода в проектировании. Во первых Вам необходим понижающий трансформатор мощностью как минимум 2kW,. Конденсаторы фильтра питания должны быть рассчитаны на 150V и выдерживать до 10A пульсирующего тока. Конденсаторы не соответствующим этим требованиям могут попросту взорваться при работе усилителя на полную мощность.

Немаловажная деталь — мостовой выпрямитель. Хотя мосты на 35A, казалось бы, могут справится с поставленной задачей, но пиковый повторяющийся ток превышает паспортные данные мостов. Я советую использовать два параллельно включенных моста как показано на схеме. Номинальное напряжение мостового выпрямителя должно быть минимумом 400V, и они должны быть установлены на достаточном для охлаждения теплоотводе.
Схема блока питания для усилителя 1500W.

На схеме показаны конденсаторы составленные из четырех низковольтных так как их легче найти, и выпрямитель так же состоит из двух параллельно включенных моста.

Дополнительные источники напряжения в 5V можно исключить при этом пиковая мощность снизится с 2048W до 1920W что несущественно.
Модуль P39 является системой мягкого запуска и состоит из реле, параллельно контактам которого включены резисторы суммарной мощностью в 150W и результирующим сопротивлением в 33 Ом.

Схемы усилителей низкой частоты (УНЧ) на транзисторах

Простейшие усилители низкой частоты на транзисторах

Усилители низкой частоты (УНЧ) используют для преобразования слабых сигналов преимущественно звукового диапазона в более мощные сигналы, приемлемые для непосредственного восприятия через электродинамические или иные излучатели звука.

Заметим, что высокочастотные усилители до частот 10. 100 МГц строят по аналогичным схемам, все отличие чаще всего сводится к тому, что значения емкостей конденсаторов таких усилителей уменьшаются во столько раз, во сколько частота высокочастотного сигнала превосходит частоту низкочастотного.

Простой усилитель на одном транзисторе

Простейший УНЧ, выполненный по схеме с общим эмиттером, показан на рис. 1. В качестве нагрузки использован телефонный капсюль. Допустимое напряжение питания для этого усилителя 3. 12 В.

Величину резистора смещения R1 (десятки кОм) желательно определить экспериментально, поскольку его оптимальная величина зависит от напряжения питания усилителя, сопротивления телефонного капсюля, коэффициента передачи конкретного экземпляра транзистора.

Рис. 1. Схема простого УНЧ на одном транзисторе + конденсатор и резистор.

Для выбора начального значения резистора R1 следует учесть, что его величина примерно в сто и более раз должна превышать сопротивление, включенное в цепь нагрузки. Для подбора резистора смещения рекомендуется последовательно включить постоянный резистор сопротивлением 20. 30 кОм и переменный сопротивлением 100. 1000 кОм, после чего, подав на вход усилителя звуковой сигнал небольшой амплитуды, например, от магнитофона или плеера, вращением ручки переменного резистора добиться наилучшего качества сигнала при наибольшей его громкости.

Величина емкости переходного конденсатора С1 (рис. 1) может находиться в пределах от 1 до 100 мкФ: чем больше величина этой емкости, тем более низкие частоты может усиливать УНЧ. Для освоения техники усиления низких частот рекомендуется поэкспериментировать с подбором номиналов элементов и режимов работы усилителей (рис. 1 – 4).

Улучшениые варианты однотранзисторного усилителя

Усложненные и улучшенные по сравнению со схемой на рис. 1 схемы усилителей приведены на рис. 2 и 3. В схеме на рис. 2 каскад усиления дополнительно содержит цепочку частотнозависимой отрицательной обратной связи (резистор R2 и конденсатор С2), улучшающей качество сигнала.

Рис. 2. Схема однотранзисторного УНЧ с цепочкой частотнозависимой отрицательной обратной связи.

Рис. 3. Однотранзисторный усилитель с делителем для подачи напряжения смещения на базу транзистора.

Рис. 4. Однотранзисторный усилитель с автоматической установкой смещения для базы транзистора.

В схеме на рис. 3 смещение на базу транзистора задано более «жестко» с помощью делителя, что улучшает качество работы усилителя при изменении условий его эксплуатации. «Автоматическая» установка смещения на базе усилительного транзистора применена в схеме на рис. 4.

Двухкаскадный усилитель на транзисторах

Соединив последовательно два простейших каскада усиления (рис. 1), можно получить двухкаскадный УНЧ (рис. 5). Усиление такого усилителя равно произведению коэффициентов усиления отдельно взятых каскадов. Однако получить большое устойчивое усиление при последующем наращивании числа каскадов нелегко: усилитель скорее всего самовозбудится.

Рис. 5. Схема простого двухкаскадного усилителя НЧ.

Новые разработки усилителей НЧ, схемы которых часто приводят на страницах журналов последних лет, преследуют цель достижения минимального коэффициента нелинейных искажений, повышения выходной мощности, расширения полосы усиливаемых частот и т.д.

В то же время, при наладке различных устройств и проведении экспериментов зачастую необходим несложный УНЧ, собрать который можно за несколько минут. Такой усилитель должен содержать минимальное число дефицитных элементов и работать в широком интервале изменения напряжения питания и сопротивления нагрузки.

Схема УНЧ на полевом и кремниевом транзисторах

Схема простого усилителя мощности НЧ с непосредственной связью между каскадами приведена на рис. 6 [Рл 3/00-14]. Входное сопротивление усилителя определяется номиналом потенциометра R1 и может изменяться от сотен Ом до десятков МОм. На выход усилителя можно подключать нагрузку сопротивлением от 2. 4 до 64 Ом и выше.

При высокоомной нагрузке в качестве VT2 можно использовать транзистор КТ315. Усилитель работоспособен в диапазоне питающих напряжений от 3 до 15 В, хотя приемлемая работоспособность его сохраняется и при снижении напряжения питания вплоть до 0,6 В.

Емкость конденсатора С1 может быть выбрана в пределах от 1 до 100 мкФ. В последнем случае (С1 =100 мкФ) УНЧ может работать в полосе частот от 50 Гц до 200 кГц и выше.

Рис. 6. Схема простого усилителя низкой частоты на двух транзисторах.

Амплитуда входного сигнала УНЧ не должна превышать 0,5. 0,7 В. Выходная мощность усилителя может изменяться от десятков мВт до единиц Вт в зависимости от сопротивления нагрузки и величины питающего напряжения.

Настройка усилителя заключается в подборе резисторов R2 и R3. С их помощью устанавливают напряжение на стоке транзистора VT1, равное 50. 60% от напряжения источника питания. Транзистор VT2 должен быть установлен на теплоотводя-щей пластине (радиаторе).

Трекаскадный УНЧ с непосредственной связью

На рис. 7 показана схема другого внешне простого УНЧ с непосредственными связями между каскадами. Такого рода связь улучшает частотные характеристики усилителя в области нижних частот, схема в целом упрощается.

Рис. 7. Принципиальная схема трехкаскадного УНЧ с непосредственной связью между каскадами.

В то же время настройка усилителя осложняется тем, что каждое сопротивление усилителя приходится подбирать в индивидуальном порядке. Ориентировочно соотношение резисторов R2 и R3, R3 и R4, R4 и R BF должно быть в пределах (30. 50) к 1. Резистор R1 должен быть 0,1. 2 кОм. Расчет усилителя, приведенного на рис. 7, можно найти в литературе, например, [Р 9/70-60].

Схемы каскадных УНЧ на биполярных транзисторах

На рис. 8 и 9 показаны схемы каскодных УНЧ на биполярных транзисторах. Такие усилители имеют довольно высокий коэффициент усиления Ку. Усилитель на рис. 8 имеет Ку=5 в полосе частот от 30 Гц до 120 кГц [МК 2/86-15]. УНЧ по схеме на рис. 9 при коэффициенте гармоник менее 1% имеет коэффициент усиления 100 [РЛ 3/99-10].

Рис. 8. Каскадный УНЧ на двух транзисторах с коэффициентом усиления = 5.

Рис. 9. Каскадный УНЧ на двух транзисторах с коэффициентом усиления = 100.

Экономичный УНЧ на трех транзисторах

Для портативной радиоэлектронной аппаратуры важным параметром является экономичность УНЧ. Схема такого УНЧ представлена на рис. 10 [РЛ 3/00-14]. Здесь использовано каскадное включение полевого транзистора VT1 и биполярного транзистора VT3, причем транзистор VT2 включен таким образом, что стабилизирует рабочую точку VT1 и VT3.

При увеличении входного напряжения этот транзистор шунтирует переход эмиттер — база VT3 и уменьшает значение тока, протекающего через транзисторы VT1 и VT3.

Рис. 10. Схема простого экономичного усилителя НЧ на трех транзисторах.

Как и в приведенной выше схеме (см. рис. 6), входное сопротивление этого УНЧ можно задавать в пределах от десятков Ом до десятков МОм. В качестве нагрузки использован телефонный капсюль, например, ТК-67 или ТМ-2В. Телефонный капсюль, подключаемый при помощи штекера, может одновременно служить выключателем питания схемы.

Напряжение питания УНЧ составляет от 1,5 до 15 В, хотя работоспособность устройства сохраняется и при снижении питающего напряжения до 0,6 В. В диапазоне напряжения питания 2. 15 В потребляемый усилителем ток описывается выражением:

1(мкА) = 52 + 13*(Uпит)*(Uпит),

где Uпит – напряжение питания в Вольтах (В).

Если отключить транзистор VT2, потребляемый устройством ток увеличивается на порядок.

Двухкаскадные УНЧ с непосредственной связью между каскадами

Примерами УНЧ с непосредственными связями и минимальным подбором режима работы являются схемы, приведенные на рис. 11 – 14. Они имеют высокий коэффициент усиления и хорошую стабильность.

Рис. 11. Простой двухкаскадный УНЧ для микрофона (низкий уровень шумов, высокий КУ).

Рис. 12. Двухкаскадный усилитель низкой частоты на транзисторах КТ315.

Рис. 13. Двухкаскадный усилитель низкой частоты на транзисторах КТ315 – вариант 2.

Микрофонный усилитель (рис. 11) характеризуется низким уровнем собственных шумов и высоким коэффициентом усиления [МК 5/83-XIV]. В качестве микрофона ВМ1 использован микрофон электродинамического типа.

В роли микрофона может выступать и телефонный капсюль. Стабилизация рабочей точки (начального смещения на базе входного транзистора) усилителей на рис. 11 – 13 осуществляется за счет падения напряжения на эмиттерном сопротивлении второго каскада усиления.

Рис. 14. Двухкаскадный УНЧ с полевым транзистором.

Усилитель (рис. 14), имеющий высокое входное сопротивление (порядка 1 МОм), выполнен на полевом транзисторе VT1 (истоковый повторитель) и биполярном — VT2 (с общим).

Каскадный усилитель низкой частоты на полевых транзисторах, также имеющий высокое входное сопротивление, показан на рис. 15.

Рис. 15. схема простого двухкаскадного УНЧ на двух полевых транзисторах.

Схемы УНЧ для работы с низкоОмной нагрузкой

Типовые УНЧ, предназначенные для работы на низкоомную нагрузку и имеющие выходную мощность десятки мВт и выше, изображены на рис. 16, 17.

Рис. 16. Простой УНЧ для работы с включением нагрузки с низким сопротивлением.

Электродинамическая головка ВА1 может быть подключена к выходу усилителя, как показано на рис. 16, либо в диагональ моста (рис. 17). Если источник питания выполнен из двух последовательно соединенных батарей (аккумуляторов), правый по схеме вывод головки ВА1 может быть подключен к их средней точки напрямую, без конденсаторов СЗ, С4.

Рис. 17. Схема усилителя низкой частоты с включением низкоомной нагрузки в диагональ моста.

Если вам нужна схема простого лампового УНЧ то такой усилитель можно собрать даже на одной лампе, смотрите у нас на сайте по электронике в соответствующем разделе.

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год.

Исправления в публикации: на рис. 16 и 17 вместо диода Д9 установлена цепочка из диодов.

Усилитель на транзисторах: виды, схемы, простые и сложные

Частотные характеристики

Усилители низкой (звуковой) частоты имеются практически во всех бытовых приборах – музыкальных центрах, телевизорах, радиоприемниках, магнитолах и даже в персональных компьютерах. Но существуют еще усилители ВЧ на транзисторах, лампах и микросхемах. Отличие их в том, что УНЧ позволяет усилить сигнал только звуковой частоты, которая воспринимается человеческим ухом. Усилители звука на транзисторах позволяют воспроизводить сигналы с частотами в диапазоне от 20 Гц до 20000 Гц.

Классы работы звуковых усилителей

Класс «А» – ток протекает безостановочно в течение всего периода работы усилительного каскада.
В классе работы «В» протекает ток в течение половины периода.
Класс «АВ» говорит о том, что ток протекает через усилительный каскад в течение времени, равного 50-100 % от периода.
В режиме «С» электрический ток протекает менее чем половину периода времени работы.
Режим «D» УНЧ применяется в радиолюбительской практике совсем недавно – чуть больше 50 лет. В большинстве случаев эти устройства реализуются на основе цифровых элементов и имеют очень высокий КПД – свыше 90 %.

Наличие искажений в различных классах НЧ-усилителей

При нестабильном питании выходной сигнал будет по амплитуде моделироваться возле частоты сети. Звук станет в левой части частотной характеристики более жестким. Но чем лучше стабилизация питания усилителя, тем сложнее становится конструкция всего устройства. УНЧ, работающие в классе «А», имеют относительно небольшой КПД – менее 20 %. Причина заключается в том, что транзистор постоянно открыт и ток через него протекает постоянно.

Работа в промежуточных классах

У каждого класса имеется несколько разновидностей. Например, существует класс работы усилителей «А+». В нем транзисторы на входе (низковольтные) работают в режиме «А». Но высоковольтные, устанавливаемые в выходных каскадах, работают либо в «В», либо в «АВ». Такие усилители намного экономичнее, нежели работающие в классе «А». Заметно меньшее число нелинейных искажений – не выше 0,003 %. Можно добиться и более высоких результатов, используя биполярные транзисторы. Принцип работы усилителей на этих элементах будет рассмотрен ниже.

Но все равно имеется большое количество высших гармоник в выходном сигнале, отчего звук становится характерным металлическим. Существуют еще схемы усилителей, работающие в классе «АА». В них нелинейные искажения еще меньше – до 0,0005 %. Но главный недостаток транзисторных усилителей все равно имеется – характерный металлический звук.

«Альтернативные» конструкции

Очень низкое значение уровня нелинейных искажений в выходном сигнале.
Высших гармоник меньше, чем в транзисторных конструкциях.

Но есть один огромный минус, который перевешивает все достоинства, – обязательно нужно ставить устройство для согласования. Дело в том, что у лампового каскада очень большое сопротивление – несколько тысяч Ом. Но сопротивление обмотки динамиков – 8 или 4 Ома. Чтобы их согласовать, нужно устанавливать трансформатор.

Конечно, это не очень большой недостаток – существуют и транзисторные устройства, в которых используются трансформаторы для согласования выходного каскада и акустической системы. Некоторые специалисты утверждают, что наиболее эффективной схемой оказывается гибридная – в которой применяются однотактные усилители, не охваченные отрицательной обратной связью. Причем все эти каскады функционируют в режиме УНЧ класса «А». Другими словами, применяется в качестве повторителя усилитель мощности на транзисторе.

Причем КПД у таких устройств достаточно высокий – порядка 50 %. Но не стоит ориентироваться только на показатели КПД и мощности – они не говорят о высоком качестве воспроизведения звука усилителем. Намного большее значение имеют линейность характеристик и их качество. Поэтому нужно обращать внимание в первую очередь на них, а не на мощность.

Схема однотактного УНЧ на транзисторе

Самый простой усилитель, построенный по схеме с общим эмиттером, работает в классе «А». В схеме используется полупроводниковый элемент со структурой n-p-n. В коллекторной цепи установлено сопротивление R3, ограничивающее протекающий ток. Коллекторная цепь соединяется с положительным проводом питания, а эмиттерная – с отрицательным. В случае использования полупроводниковых транзисторов со структурой p-n-p схема будет точно такой же, вот только потребуется поменять полярность.

С помощью разделительного конденсатора С1 удается отделить переменный входной сигнал от источника постоянного тока. При этом конденсатор не является преградой для протекания переменного тока по пути база-эмиттер. Внутреннее сопротивление перехода эмиттер-база вместе с резисторами R1 и R2 представляют собой простейший делитель напряжения питания. Обычно резистор R2 имеет сопротивление 1-1,5 кОм – наиболее типичные значения для таких схем. При этом напряжение питания делится ровно пополам. И если запитать схему напряжением 20 Вольт, то можно увидеть, что значение коэффициента усиления по току h31 составит 150. Нужно отметить, что усилители КВ на транзисторах выполняются по аналогичным схемам, только работают немного иначе.

На резисторе R1 теперь можно вычислить значение падения – это разница между напряжениями базы и питания. При этом напряжение базы можно узнать по формуле – сумма характеристик эмиттера и перехода «Э-Б». При питании от источника 20 Вольт: 20 – 9,7 = 10,3. Отсюда можно вычислить и значение сопротивления R1=10,3В/60 мкА=172 кОм. В схеме присутствует емкость С2, необходимая для реализации цепи, по которой сможет проходить переменная составляющая эмиттерного тока.

Усилители на МДП-транзисторах

Переменный ток от источника сигнала отделяется от постоянного напряжения питания конденсатором С1. Обязательно усилитель на полевых транзисторах должен обладать потенциалом затвора, который будет ниже аналогичной характеристики истока. На представленной схеме затвор соединен с общим проводом посредством резистора R1. Его сопротивление очень большое – обычно применяют в конструкциях резисторы 100-1000 кОм. Такое большое сопротивление выбирается для того, чтобы не шунтировался сигнал на входе.

УНЧ с трансформатором на выходе

Двухтактный усилитель звука

Бестрансформаторные УНЧ

Схема УНЧ на одном транзисторе

Изучив все вышеописанные особенности, можно собрать усилитель своими руками на простой элементной базе. Транзистор можно использовать отечественный КТ315 или любой его зарубежный аналог – например ВС107. В качестве нагрузки нужно использовать наушники, сопротивление которых 2000-3000 Ом. На базу транзистора необходимо подать напряжение смещения через резистор сопротивлением 1 Мом и конденсатор развязки 10 мкФ. Питание схемы можно осуществить от источника напряжением 4,5-9 Вольт, ток – 0,3-0,5 А.

Коснитесь входа усилителя пальцем – должен появиться характерный шум. Если его нет, то, скорее всего, конструкция собрана неправильно. Перепроверьте все соединения и номиналы элементов. Чтобы нагляднее была демонстрация, подключите к входу УНЧ источник звука – выход от плеера или телефона. Прослушайте музыку и оцените качество звучания.

Схемы усилителей мощности на германиевых транзисторах.

Секреты звучания забытых германиевых УНЧ.

Эх, жалко пацанов – королевство маловато, разгуляться негде!
Ни ламповых тебе однотактников, ни гераниевых раритетов. Что ещё остаётся пытливому уму неоперившегося меломана?
Разве что брейкануть под японское хокку, да кайфануть для большего эффекта под уханье бумбокса.

«Кремний – всему голова» – крикнут яростные члены на форумных дебатах.
«Не надо впаривать нам этот шняга-силикатный экстракт» – вторят им другие, «для начала послушайте своими руками, а потом делайте свои тупоголовые выводы».

На самом деле, слушать надо!
Перелопатить определённое количество разномастной усилительной аппаратуры – тоже надо.
Не обязательно быть музыкантом со стажем, но таить в себе зачатки какого-никакого слуха – опять же, надо.
И тогда любой пацак, владелец старого пепелаца, сможет авторитетно заявить: «Однако разница в звуке есть, и она весьма существенна!»

На этой странице поговорим об УНЧ на германиевых транзисторах.

Своеобразие германиевого звучания, как правило, сводится к двум устойчивым постулатам:
1. Усилители на германиевых транзисторах отличаются музыкальностью,
2. Звук похож на звук ламповика.
И если первый пункт у меня возражений не вызывает, то со вторым мнением коллег позволю вежливо не согласиться – не похож, абсолютно разное звучание.

Электрофон сетевой транзисторный “Вега-101-стерео” с усилителем на германиевых транзисторах, выпускаемый Бердским радиозаводов с начала 1972 по 1982 год, заложил в головы современников основы понимания того, каким должен быть высококачественный стереофонический звук.
Время шло, появлялись на свет и более продвинутые вертушки с магнитными звукоснимателями, и значительно более мощные УНЧ на кремниевых транзисторах с незаурядными характеристиками.
Однако душещипательные воспоминания о том, как звучали в конце 70-ых простенькие Веги с их примитивной схемотехникой открыли историю ожесточённой борьбы человечества с феноменом транзисторного звучания.

Ну да и ладно, пора переходить на новый уровень – нарисовать пару-тройку принципиальных схем усилителей низкой частоты на германиевых транзисторах, но для начала озадачусь вопросом: Что любит и что не любит германий?
1. Германий любит простоту и не приемлет наворотов. Дифференциальный каскад с источником тока в цепи эмиттера – уже является буржуазным излишеством.
2. Германий не любит перегрева, легко может напустить дыма и отправиться к праотцам электроники Амперу и Ому в ответ на потерю бдительности в процессе настройки схемы.

А теперь обещанные схемы.

Рис.1

Номинальная мощность усилителя при коэффициенте гармоник на частоте 1000Гц менее 0,1% – 1 Вт, максимальная – 1,5Вт, чувствительность по входу – 0,2 В.
Усилитель сохраняет работоспособность при понижении напряжения питания до 9В.
Подбором номинала резистора R8 устанавливается значение напряжения на эмиттерах выходных транзисторов, равное половине напряжения питания.
Подбором номинала резистора R2 устанавливается значение напряжения на коллекторе транзистора V1, равное половине напряжения питания.

Рис.2

Схема, приведённая на Рис.2 – для эстетов, желающих порадовать свой слуховой аппарат ни с чем не сравнимым звуком однотактного усилителя, работающего в чистом режиме А.
Для настройки усилителя следует подбором номинала резистора R9 установить ток покоя выходного транзистора – 150мА.

Рис.3

На рис.3 показана принципиальная схема универсального усилителя НЧ, собранного на девяти транзисторах и развивающего выходную мощность до 10 Вт при сопротивлении нагрузки 4 Ом и входном напряжении около 10 мВ.
При налаживании устройства подстроечным резистором R2 устанавливают выходное напряжение в точке соединения транзисторов VT8 и VT9 равным половине напряжения питания.

Схема более мощного усилителя приведена на Рис.4. Усилитель рассчитан на подключение электрогитары и микрофона, но может быть использован также совместно с проигрывателем, магнитофоном или радиоприёмником.
Основные технические данные, приведённые автором:
Номинальная выходная мощность – 30 Вт.
Максимальная выходная мощность – 40 Вт.
Сопротивление нагрузки 3,5-5 Ом.
Полоса рабочих частот 30-16000 Гц.
Коэффициент нелинейных искажений – не более 1,5%.
Чувствительность с выхода микрофона – 10 мВ.
Чувствительность с выхода электрогитары – 0,1 В.
Напряжение 15 В на коллекторе транзистора Т10 устанавливают резистором R19.
Ток покоя всего усилителя не должен превышать 170 мА.

Рис.5

На Рис.5 приведена схема простого и мощного усилителя на германиевых транзисторах DTG110B. При подключении к его входу любого УНЧ мощностью 1,5-2 Вт устройство выдаёт на 8-ми омную нагрузку около 50 Вт чистого германиевого звука.
Согласующий трансформатор Т1 выполнен на железе Ш24 (толщина пакета 20-25мм) и содержит 3 одинаковые обмотки по 120 витков, намотанных на картонном каркасе проводом ПЭВ-1 или ПЭВ-2 диаметром 0,5-0,7мм.
Налаживание устройства заключается в подборе значений резисторов R2 R4 для достижения на выходе схемы нулевого потенциала и тока покоя транзисторов – 120-150 мА.
При снижении напряжения питания на каждом плече до 30В транзисторы DTG110B без каких-либо колебаний могут быть заменены на отечественные П210А.

Рис.6

Схема, представленная на Рис.6, является переработанным под «германий» вариантом усилителя НЧ из статьи Николая Трошина журнале Радио №8 за 1989г (стр. 51-55). Творцом переработки является сам автор статьи. Вот что он пишет на страннице сайта http://vprl.ru:

«Выходная мощность этого усилителя 30 Вт при сопротивлении нагрузки акустических систем 4 Ома, и примерно 18 Вт при сопротивлении нагрузки 8 Ом.
Напряжение питания усилителя (U пит) двухполярное ±25 В;
Диапазон рабочих частот 20Гц…20кГц:

Транзисторы МП40А можно заменить на транзисторы МП21, МП25, МП26. Транзисторы ГТ402Г – на ГТ402В; ГТ404Г – на ГТ404В;
Выходные транзисторы ГТ806 можно ставить любых буквенных индексов. Применять более низкочастотные транзисторы типа П210, П216, П217 в этой схеме не рекомендую, поскольку на частотах выше 10кГц они здесь работают плоховато (заметны искажения), видимо, из-за нехватки усиления тока на высокой частоте.

Площадь радиаторов на выходные транзисторы должна быть не менее 200 см2, на предоконечные транзисторы не менее 10 см2.
На транзисторы типа ГТ402 радиаторы удобно делать из медной (латунной) или алюминиевой пластины, толщиной 0,5 мм, размером 44х26.5 мм.

Настройка правильно собранного из исправных элементов усилителя сводится к установке подстроечным резистором тока покоя выходного каскада 100мА (удобно контролировать на эмиттерном резисторе 1 Ом – напряжение 100мВ).
Диод VD1 желательно приклеить или прижать к радиатору выходного транзистора, что способствует лучшей термостабилизации. Однако если этого не делать, ток покоя выходного каскада от холодного 100мА до горячего 300мА меняется, в общем-то, не катастрофично.

Важно: перед первым включением необходимо выставить подстроечный резистор в нулевое сопротивление.
После настройки желательно подстроечный резистор выпаять из схемы, измерить его реальное сопротивление и заменить на постоянный».

Искусство схемотехники. Часть 11 – Усилитель низкой частоты на транзисторах. Схема № 1

Избранные главы из книги С. А. Гаврилова «Искусство схемотехники. Просто о сложном».

Продолжение

Начало читайте здесь:

Заказать книгу можно в интернет-магазине издательства

Усилитель низкой частоты на транзисторах

Схема № 1

Выбор класса усилителя. Сразу предупредим радиолюбителя – делать усилитель класса A на транзисторах мы не будем. Причина проста – как было сказано во введении, транзистор усиливает не только полезный сигнал, но и поданное на него смещение. Проще говоря, усиливает постоянный ток. Ток этот вместе с полезным сигналом потечет по акустической системе (АС), а динамики, к сожалению, умеют этот постоянный ток воспроизводить. Делают они это самым очевидным образом – вытолкнув или втянув диффузор из нормального положения в противоестественное.

Попробуйте прижать пальцем диффузор динамика – и вы убедитесь, в какой кошмар превратится при этом издаваемый звук. Постоянный ток по своему действию с успехом заменяет ваши пальцы, поэтому динамической головке он абсолютно противопоказан. Отделить же постоянный ток от переменного сигнала можно только двумя средствами – трансформатором или конденсатором, – и оба варианта, что называется, один хуже другого.

Принципиальная схема

Схема первого усилителя, который мы соберем, приведена на рис. 11.18.


Рис. 11.18.	*Принципиальная схема УНЧ на транзисторах с обратной связью, выходной каскад которого работает в режиме В*

Это усилитель с обратной связью, выходной каскад которого работает в режиме В. Единственное достоинство этой схемы – простота, а также однотипность выходных транзисторов (не требуется специальные комплементарные пары). Тем не менее, она достаточно широко применяется в усилителях небольшой мощности. Еще один плюс схемы – она не требует никакой настройки, и при исправных деталях заработает сразу, а нам это сейчас очень важно.

Отрицательные же полуволны усиливает составной транзистор VT2, VT4. При этом падение напряжения на диоде VD1 закрывает транзистор VT3. Сигнал с выхода усилителя подается на делитель цепи обратной связи R3, R6, а с него – на эмиттер входного транзистора VT1. Таким образом, транзистор VT1 у нас и играет роль устройства сравнения в цепи обратной связи.

	Примечание.
	Обратите внимание – последовательно с резистором R3 включен конденсатор C2. Это значит, что делитель напряжения у нас частотно-зависимый.

Постоянный ток он усиливает с коэффициентом усиления, равным единице (потому что сопротивление конденсатора C постоянному току теоретически бесконечно), а полезный сигнал – с коэффициентом, равным соотношению R6/R3.

Плата. Усилитель собран на плате из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1.5 мм размерами 45×32.5 мм. Разводку печатной платы в зеркальном изображении и схему расположения деталей можно скачать здесь. Видеоролик о работе усилителя в формате MOV скачать для просмотра можно отсюда. Хочу сразу предупредить радиолюбителя – звук, воспроизводимый усилителем, записывался в ролике с помощью встроенного в фотоаппарат микрофона, так что говорить о качестве звука, к сожалению, будет не совсем уместно! Внешний вид усилителя приведен на рис. 11.19.


Рис. 11.19.	*Внешний вид усилителя*

Элементная база. При изготовлении усилителя транзисторы VT3, VT4 можно заменить любыми, рассчитанными на напряжение не менее напряжения питания усилителя, и допустимым током не менее 2 А. На такой же ток должен быть рассчитан и диод VD1.

Остальные транзисторы – любые с допустимым напряжением не менее напряжение питания, и допустимым током не менее 100 мА. Резисторы – любые с допустимой рассеиваемой мощностью не менее 0.125 Вт, конденсаторы – электролитические, с емкостью, не менее указанной на схеме, и рабочим напряжением на менее напряжения питания усилителя.

Радиаторы для усилителя. Прежде чем попробовать изготовить нашу вторую конструкцию, давайте, уважаемый радиолюбитель, остановимся на радиаторах для усилителя и приведем здесь весьма упрощенную методику их расчета.

Во-первых, вычисляем максимальную мощность усилителя по формуле:

где U – напряжение питания усилителя, В; R – сопротивление АС (обычно оно составляет 4 или 8 Ом, хотя бывают и исключения).

Во-вторых, вычисляем мощность, рассеиваемую на коллекторах транзисторов, по формуле:

В-третьих, вычисляем площадь радиатора, необходимую для отвода соответствующего количества тепла:

В-четвертых, выбираем или изготавливаем радиатор, площадь поверхности которого будет не менее рассчитанной.

	Примечание.
	При изготовлении радиатора не забывайте, что алюминиевая пластина имеет две стороны, а не одну, и, радиатор площадью 100 см 2 будет иметь размеры вовсе не 10×10 см, а 10×5 см!

Указанный расчет носит весьма приблизительный характер, но для радиолюбительской практики его обычно бывает достаточно. Для нашего усилителя при напряжении питания 12 В и сопротивлении АС, равным 8 Ом, «правильным» радиатором была бы алюминиевая пластина размерами 2×3 см и толщиной не менее 5 мм для каждого транзистора. Имейте ввиду, что более тонкая пластина плохо передает тепло от транзистора к краям пластины. Хочется сразу предупредить – радиаторы во всех остальных усилителях тоже должны быть «нормальных» размеров. Каких именно – посчитайте сами!

Качество звучания. Собрав схему, вы обнаружите, что звук усилителя не совсем чистый.

Причина этого – «чистый» режим класса В в выходном каскаде, характерные искажения которого даже обратная связь полностью скомпенсировать не способна. Ради эксперимента попробуйте заменить в схеме транзистор VT1 на КТ3102ЕМ, а транзистор VT2 – на КТ3107Л. Эти транзисторы имеют значительно больший коэффициент усиления, чем КТ315Б и КТ361Б. И вы обнаружите, что звучание усилителя значительно улучшилось, хотя все равно останутся заметными некоторые искажения.

Причина этого также очевидна – больший коэффициент усиления усилителя в целом обеспечивает большую точность работы обратной связи, и больший ее компенсирующий эффект.

Продолжение читайте здесь

Три схемы УНЧ для новичков

Вторая схема собрана на маломощных транзисторах, и больше подойдет в качестве усилителя для наушников.

И наконец – третья схема. Представлен не менее простой, но проверенный вариант строения усилителя. Усилитель способен работать от пониженного напряжения до 5 вольт, при таком случае выходная мощность УМ будет не более 0,5 Вт, а максимальная мощность при питании 12 вольт достигает до 2-х Ватт.

Простой усилитель класса А.

Данная статья является продолжением работы на тему использования усилителей работающих в А классе для высококачественного звуко-усиления.
Представляю на Ваше рассмотрение, хорошо отработанную схему усилителя на кремниевых транзисторах.
Неоспоримым преимуществом кремния – является способность работать при гораздо более высоких температурах (по сравнению с германием). При хорошем тепловом контакте транзистора с радиатором, можно считать допустимой температуру радиатора 90…95 град.

Понятно, что при столь высокой разнице температур радиатора и окружающей среды, теплообмен происходит очень эффективно.
Поэтому при одинаковых площадях радиаторов выходных транзисторов, на кремнии можно получить примерно в 2 раза больше мощности по сравнению с германием.
Большой ассортимент кремниевых средне и высокочастотных транзисторов большой мощности, позволяет построить высококачественный усилитель А класса при совсем простой схеме.

Данная схема обеспечивает выходную мощность 20 ватт на нагрузке 4 ом. Диапазон рабочих частот усилителя 20…25000 Гц.
В качестве транзистора VT1 здесь можно использовать КТ208Д, КТ209Д, КТ361Г, Е, КТ3107Б, Г, И, К. В качестве транзистора VT2 можно использовать транзисторы КТ815, КТ801, П701, транзистор VT3 КТ814, VT4 – КТ818БМ, ГМ, транзистор VT5 – КТ819БМ, ГМ.
Схема может работать без подбора транзисторов по коэффициенту усиления, однако поскольку она содержит всего 2 каскада усиления, желательно иметь коэффициент усиления транзистора VT1 – не менее 150, транзисторов VT2, VT5 – не менее 50, транзистора VT4 – не менее 80.
Оценить коэффициент усиления транзистора не сложно. Достаточно включить испытуемый транзистор по вот такой схеме (для мощных транзисторов).

Резистор R1 обеспечивает ток в базу примерно 1 ма. Измерительный миллиамперметр измеряет ток коллектора (я использовал стрелочный тестер с пределом измерений 300 ма). Отношение тока коллектора к базовому току – будет коэффициентом усиления транзистора.
Для транзисторов средней мощности, надо уменьшить базовый ток в 10 раз (R1 36k), а для транзистора малой мощности, базовый ток уменьшаем в 100 раз (R1 360k). В качестве источника питания, я использовал 3 щелочные (алкалиновые) батарейки размера АА, которые просто спаял между собой хорошо разогретым паяльником, с использованием не толстого провода (паять надо быстро, чтобы не перегреть батарейку).

При использовании нагрузки 8 ом, напряжение питания нужно увеличить до 39…40 вольт, резистор R10 до 0,25 Ом.
Настройка усилителя сводится к установке половины напряжения питания на коллекторе VT5.
Усилитель потребляет значительную мощность, примерно 100 ватт на каждый канал. Поэтому источник питания должен быть серьезным.
Силовой трансформатор для блока питания, нужно применять мощностью не менее 250 ватт, либо использовать два однотипных трансформатора (на каждый канал) с такой же общей мощностью.
Схема источника питания показана на рисунке ниже.

Вторичная обмотка силового трансформатора должна иметь выходное напряжение ХХ 26 – 27 вольт. Такая схема должна быть на каждый канал усилителя, причем при нагрузке 4 ом, возможно лучше сразу поставить конденсаторы по 22000 мкФ.
Диодный мост с номинальным током не менее 10 А либо 4 диода на 10 А. Большая емкость конденсаторов объясняется значительным током потребления, в том числе и в режиме покоя усилителя, когда пульсации особенно заметны.
Применять электронные фильтры или стабилизаторы я не стал, поскольку они иногда являются причиной самовозбуждения усилителя и источником помех и наводок.

Детали для усилителя:
Резисторы могут быть любой мощности не менее 0.125 ватт за исключением R9 5 ватт, R10 2 ватт. Очень важен номинал резистора R10. От этого зависит правильный режим работы усилителя.
Конденсатор С1 лучше поставить пленочный, С4 пленочный или слюдяной.
Выходные транзисторы КТ818, КТ819 обязательно с буквой “М” в конце (в металлическом корпусе), БМ, ГМ. Радиаторы под них я использовал ребристые размером 120*170, толщиной 35 мм. Если радиаторы будут меньше, то необходим принудительный обдув.
На КТ815 небольшой радиатор-пластинка 2-3 кв. см. На П701 радиатор не нужен.
На резисторе R9 рассеивается значительная мощность. При наличии осциллографа и генератора можно попробовать ее уменьшить. Подаем сигнал на вход,на выход подключаем эквивалент нагрузки и осциллограф. Резистором R4 добиваемся симметричного ограничения максимально возможной амплитуды сигнала. Далее увеличивая резистор R9 добиваемся начала ограничения сигнала сверху. Выпаиваем и измеряем номинал. После этого устанавливаем резистор на 25…30% меньше.
При желании поэкспериментировать можно собрать совсем упрощенную схему.

Транзисторы здесь должны иметь больший К ус. Первый не менее 200, второй не менее 100.
Резистор R7 мощностью не менее 50 ватт. При отсутствии такого можно использовать электрический чайник и утюг по 2000 ватт на220в, соединенные параллельно, либо 2 ТЭН на 2000 ватт. – получается сопротивление около 10 ом. Кстати это можно использовать и как эквивалент нагрузки.
Данная схема позволяет получить 4…5 ватт (потреблять будет все равно около 90 ватт.) На коллекторе VT2 нужно выставить 12 вольт.

Усилитель класса D | Микросхема

Как ни странно, но усилители D класса были разработаны ещё в 1958 году. Хотя, если упоминание про нанотехнологии относить к 1959 году, то нисколько не странно (прим. AndReas). И вообще середина прошлого столетия была богата научными разработками, которыми мы лишь сейчас начинаем использовать, а нового, на мой взгляд, практически ничего не предлагается. В полной мере сказанное относится и к усилителям класса D, которые завоевали особую популярность именно в начале 21 века.

Преимущества усилителей D класса

Вообще каждому классу усилителей звуковой частоты присущи свои достоинства и недостатки (подробнее о классах усилителей), определяющие диапазоны их применения. Для D класса неоспоримыми плюсами являются низкая мощность рассеяния и тепловыделение, малые размеры (на фото размер готового устройства на 400 ватт сопоставим с размером батарейки) и стоимость, продолжительное время работы в автономных устройствах (при автономном питании линейный выходной каскад опустошит батарею гораздо быстрее, чем усилитель класса D).

Ключи выходного каскада такого усилителя коммутируют выход с отрицательной и положительной шиной питания, создавая тем самым серии положительных и отрицательных импульсов. Теоретический КПД усилителей класса D равен 100%. То есть, все питание подается на нагрузку. Но, конечно же, на практике MOSFET (МОП-транзисторы) не являются идеальными переключателями и обладают сопротивлением. Соответственно, на них тратится часть энергии. Но все же КПД усилителей звуковой частоты D класса выше 90%. По сравнению с коэффициентом полезного действия максимум 78% для УНЧ B класса, являющимся самым производительным из линейных, показатель >90% это весомый аргумент экономичности класса D.

Цифровой или все-таки импульсный?!

Часто подобные усилители называют цифровыми. Этот термин прочно за ними закрепился, однако название цифровой усилитель некорректно. Работа УНЧ класса D основана на широтно-импульсной модуляции (PWM). Следовательно правильнее их называть импульсными усилителями. Почему же их называют цифровыми? Все очень просто. Принцип работы усилителя схож с принципом работы цифровой логики. Как вы знаете, в цифровой технике и электронике применяется двоичная система счисления. А иначе можно сказать «есть» и «нет» или «истина» и «ложь» или «1» и «0» или 5 вольт и 0 вольт. Примерно также работает и усилитель класса D, что связано с применением в выходном каскаде МОП-транзисторов. В последние годы все более упоминаемым является класс T. В коммерческих целях он выделен в отдельную линейку усилителей. Но, по сути, он является дальнейшей реализацией класса D.

Кратко о принципе работы усилителя

Существует полумостовая топология включения и мостовая. Ниже на рисунках приведена их реализация на практике.

Как можно увидеть по полумостовой схеме включения, в каждый момент времени должен быть открыт только один транзистор. Если откроются оба, то произойдет короткое замыкание, сила тока резко увеличится, что приведет к выходу из строя выходные МОП-транзисторы. В момент открытия один из транзисторов усиливает положительную составляющую напряжения, другой – отрицательную относительно нулевого проводника. Но существует период времени, названный «мертвым», когда оба ключа закрыты. Так вот это время должно быть в пределах 5…100 нс. В конечном счете, оно влияет на все характеристики готового усилителя: и качественные, и мощностные.

Если вы хотите получить качественный звук, то «мертвое время» должно быть наименьшим. Но при этом увеличивается вероятность короткого замыкания (как говорилось выше). Поскольку МОП-транзисторы могут не успеть переключиться. Поэтому при выборе радиодеталей для усилителей класса D нужно выбирать высокоскоростные компоненты.

Ключевые рекомендации

При выборе мощных полевых транзисторов нужно отдавать предпочтение МОПам с низким сопротивлением канала и низким уровнем заряда затвора. Наиболее удачным решением для этого служат транзисторы серии IRFI4024x-117P в изолированных 5-выводных корпусах TO-220 FullPak компании International Rectifier.

Во многом идеальная форма тока нагрузки зависит от ШИМ-компаратора. Вот лишь некоторые ШИМ-контроллеры:

Одной из последних разработок компараторов такого класса стал ШИМ-контроллер IRS20955S. Применение IRS20955S исключает из схемы до 27 внешних компонентов. Встроенный генератор «мертвого времени» устанавливает точное значение данного параметра для обеспечения максимального уровня качественных параметров усилителя D класса, а именно, низкий коэффициент гармонических искажений и шум, а также высокая устойчивость к помехам. Задержка на переключение МОП-транзисторов может устанавливаться в 15, 25, 35, 45 нс. IRS20955S работает на частотах до 800 кГц и может применяться не только в полумостовых схемах с двухполярным питанием, но и в мостовых схемах с однополярным. Совместно с транзисторами серии IRFI4024x-117P можно вдвое уменьшить общий размер печатной платы для усилителя мощности до 500 ватт.

При проектировании печатной платы для усилителей мощности класса D нужно обязательно придерживаться схемотехнических способов конструирования высокочастотных устройств. Располагать дорожки на печатной плате нужно только в одном направлении, а не в хаотичном порядке. Это поможет избежать появления ВЧ составляющей. Минусовые дорожки нуждаются в устранении наводок с силовых линий путем установки керамических конденсаторов емкостью 1 нФ и 10 нФ.

Практическая часть: схема усилителя класса D

В заключение теоретической части нашего обзора хотелось бы отметить, что все классы усилителей имеют достоинства и недостатки. Где-то оправдано применение одних и совершенно нерационально применение других. Некоторые радиолюбители при конструировании усилителей мощности звуковой частоты отдают предпочтение одному-двум классам и совершенно не приемлют остальные. Другие же, являясь универсалами, пробуют свои силы в большинстве классов усилителей, выбирая лучшие конструкции. Мы же советуем обратить внимание на D-класс. Их сборка не так и сложна, как может показаться.

Если вас, уважаемые радиолюбители, заинтересовала затронутая тема, можете высказываться, делиться идеями, и мы в дальнейшем ещё не раз вернемся к рассмотрению подобных самых популярных схем усилителей. Из ранее опубликованного можем посоветовать усилители D класса на 300, 900 и 1200 Вт от Алексея Королькова. А сейчас хотим представить простую полумостовую схему усилителя D класса с выходной мощностью 120 ватт.

КПД усилителя составляет 96% при нагрузке на динамик импедансом 4 Ом. В качестве ШИМ-контроллера применяется IRS20955S. На выходе стоят мощные МОП-транзисторы IRFI4212-117P, разработанные специально для D класса. Точнее, это сборка из двух MOSFET, соединенных по полумостовой схеме. КНИ при полной мощности составляет 1%; при 60 Вт – 0,05%. Диапазон воспроизводимых частот от 20 Гц до 35 кГц. Питается усилитель от двуполярного источника напряжением +/-40 вольт. Все номиналы радиодеталей указаны на схеме.

Обсуждайте в социальных сетях и микроблогах

Метки: УНЧ

Радиолюбителей интересуют электрические схемы:

УНЧ 900 Вт — Класс D
Ламповый усилитель

Полный унч. Две схемы унч на транзисторах

Вторая схема собрана на маломощных транзисторах, и больше подойдет в качестве усилителя для наушников.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Мой блокнот
	Усилитель на микросхеме TDA2003
	Аудио усилитель	TDA2003	1		В блокнот
С1		47 мкФ х 25В	1		В блокнот
С2	Конденсатор	100 нФ	1	Пленочный	В блокнот
С3	Электролитический конденсатор	1 мкФ х 25В	1		В блокнот
С5	Электролитический конденсатор	470 мкФ х 16В	1		В блокнот
R1	Резистор	100 Ом	1		В блокнот
R2	Переменный резистор	50 кОм	1	От 10 кОм до 50 кОм	В блокнот
Ls1	Динамическая головка	2-4 Ом	1		В блокнот
	Усилитель на транзисторах схема №2
VT1-VT3	Биполярный транзистор	КТ315А	3		В блокнот
С1	Электролитический конденсатор	1 мкФ х 16В	1		В блокнот
С2, С3	Электролитический конденсатор	1000 мкФ х 16В	2		В блокнот
R1, R2	Резистор	100 кОм	2		В блокнот
R3	Резистор	47 кОм	1		В блокнот
R4	Резистор	1 кОм	1		В блокнот
R5	Переменный резистор	50 кОм	1		В блокнот
R6	Резистор	3 кОм	1		В блокнот
	Динамическая головка	2-4 Ом	1		В блокнот
	Усилитель на транзисторах схема №3
VT2	Биполярный транзистор	КТ315А	1		В блокнот
VT3	Биполярный транзистор	КТ361А	1		В блокнот
VT4	Биполярный транзистор	КТ815А	1		В блокнот
VT5	Биполярный транзистор	КТ816А	1		В блокнот
VD1	Диод	Д18	1	Или любой маломощный	В блокнот
С1, С2, С5	Электролитический конденсатор	10 мкФ х 16В	3

Сейчас в интернете можно найти огромное количество схем различных усилителей на микросхемах, преимущественно серии TDA. Они обладают достаточно неплохими характеристиками, хорошим КПД и стоят не так уж и дорого, в связи с этим и пользуются такой популярностью. Однако на их фоне незаслуженно остаются забытыми транзисторные усилители, которые хоть и сложны в настройке, но не менее интересны.

Схема усилителя

В этой статье рассмотрим процесс сборки весьма необычного усилителя, работающего в классе «А» и содержащего всего 4 транзистора. Эта схема разработана ещё в 1969 году английским инженером Джоном Линсли Худом, несмотря на свою старость, она и по сей день остаётся актуальной.

В отличие от усилителей на микросхемах, транзисторные усилители требуют тщательной настройки и подбора транзисторов. Эта схема – не исключение, хоть она и выглядит предельно простой. Транзистор VT1 – входной, структуры PNP. Можно экспериментировать с различными маломощными PNP-транзисторами, в том числе и с германиевыми, например, МП42. Хорошо себя зарекомендовали в этой схеме в качестве VT1 такие транзисторы, как 2N3906, BC212, BC546, КТ361. Транзистор VT2 – структуры NPN, средней или малой мощности, сюда подойдут КТ801, КТ630, КТ602, 2N697, BD139, 2SC5707, 2SD2165. Особое внимание стоит уделить выходным транзисторам VT3 и VT4, а точнее, их коэффициенту усиления. Сюда хорошо подходят КТ805, 2SC5200, 2N3055, 2SC5198. Нужно отобрать два одинаковых транзистора с как можно более близким коэффициентом усиления, при этом он должен более 120. Если коэффициент усиления выходных транзисторов меньше 120, значит в драйверный каскад (VT2) нужно поставить транзистор с большим усилением (300 и более).

Подбор номиналов усилителя

Некоторые номиналы на схеме подбираются исходя из напряжения питания схемы и сопротивления нагрузки, некоторые возможные варианты показаны в таблице:

Не рекомендуется поднимать напряжение питания более 40 вольт, могут выйти из строя выходные транзисторы. Особенность усилителей класса А – большой ток покоя, и, следовательно, сильный разогрев транзисторов. При напряжении питания, например, 20 вольт и токе покоя 1.5 ампера усилитель потребляет 30 ватт, не зависимо от того, подаётся на его вход сигнал или нет. На каждом из выходных транзисторов при этом будет рассеиваться по 15 ватт тепла, а это мощность небольшого паяльника! Поэтому транзисторы VT3 и VT4 нужно установить на большой радиатор, используя термопасту.
Данный усилитель склонен в появлению самовозбуждений, поэтому на его выходе ставят цепь Цобеля: резистор сопротивлением 10 Ом и конденсатор 100 нФ, включенные последовательно между землёй и общей точкой выходных транзисторов (на схеме эта цепь показана пунктиром).
При первом включении усилителя в разрыв его питающего провода нужно включить амперметр для контроля тока покоя. Пока выходные транзисторы не разогрелись до рабочей температуры, он может немного плавать, это вполне нормально. Также при первом включении нужно замерять напряжение между общей точкой выходных транзисторов (коллектор VT4 и эммитер VT3) и землёй, там должна быть половина питающего напряжения. Если напряжение отличается в большую или меньшую сторону, нужно покрутить подстроечный резистор R2.

Плата усилителя:

(cкачиваний: 456)

Плата изготовлена методом ЛУТ.

Собранный мной усилитель

Несколько слов о конденсаторах, входном и выходном. Ёмкость входного конденсатора на схеме обозначена 0,1 мкФ, однако такой ёмкости не достаточно. В качестве входного следует поставить плёночный конденсатор ёмкостью 0,68 – 1 мкФ, иначе возможен нежелательный срез низких частот. Выходной конденсатор С5 стоит взять на напряжение не меньшее, чем напряжением питания, жадничать с ёмкостью также не стоит.
Преимуществом схемы этого усилителя является то, что она не представляет опасности для динамиков акустической системы, ведь динамик подключается через разделительный конденсатор (С5), это значит, что при появлении на выходе постоянного напряжения, например, при выходе усилителя из строя, динамик останется цел, ведь конденсатор не пропустит постоянное напряжение.

Всем Привет! В этой статье я буду подробно описывать как изготовить классный усилитель для дома или авто . Усилитель несложный в сборке и настройке, и имеет хорошее качество звучания. Ниже вашему вниманию представлена принципиальная схема самого усилителя.

Схема выполнена на транзисторах и не имеет дефицитных деталей. Питание усилителя двуполярное +/- 35 вольт, при сопротивлении нагрузки в 4 Ома. При подключении 8-ми Омной нагрузки, питание можно увеличить до +/- 42 вольт.

Резисторы R7, R8, R10, R11, R14 — 0,5 Вт; R12, R13 — 5 Вт; остальные 0.25 Вт.
R15 подстроечный 2-3 кОм.
Транзисторы: Vt1, Vt2, Vt3, Vt5 — 2sc945 (на корпусе пишется обычно c945).
Vt4, Vt7 — BD140 (Vt4 можно заменить нашим Кт814).
Vt6 — BD139.
Vt8 — 2SA1943.
Vt9 — 2SC5200.

ВНИМАНИЕ! У транзисторов c945 есть разная цоколевка: ЭКБ и ЭБК. Поэтому перед впайкой нужно проверять мультиметром.
Светодиод обычный, зеленого цвета, именно ЗЕЛЕНОГО! Он здесь не для красоты! И НЕ должен быть сверхъярким. Ну а остальные детали видно на схеме.

И так, Погнали!

Для изготовления усилителя нам понадобятся инструменты :
-паяльник
-олово
-канифоль (желательно жидкий), но можно обойтись и обычным
-ножницы по металлу
-кусачки
-шило
-медицинский шприц, любой
-сверло 0.8-1 мм
-сверло 1.5 мм
-дрель (лучше какую-нибудь мини дрель)
-наждачная бумага
-и мультиметр.

Материалы:
-односторонняя текстолитовая плата размером 10х6 см
-лист тетрадной бумаги
-ручка
-лак для дерева (желательно темного цвета)
-небольшой контейнер
-пищевая сода
-лимонная кислота
-соль.

Список радиодеталей я перечислять не буду, их видно на схеме.
Шаг 1 Готовим плату
И так, нам нужно изготовить плату. Так как лазерного принтера у меня нет (вообще нет ни каково), плату мы будем изготавливать «по старинке»!
Для начала нужно просверлить отверстия на плате для будущих деталей. У кого есть принтер, просто распечатайте эту картинку:

если нет, то тогда нам надо перенести на бумагу разметку для сверловки. Как это сделать вы поймете на фото ниже:

когда будете переводить, не забудьте про размер платы! (10 на 6 см)

вот как то так!
Отрезаем ножницами по металлу нужный нам размер платы.

Теперь прикладываем листок к вырезанной плате и фиксируем скотчем, чтобы не съехала. Далее берем шило и намечаем (по точкам) где будем сверлить.

Можно конечно обойтись без шила и сверлить сразу, но сверло может съехать!

Теперь можно и начать сверловку. Сверлим дырки 0.8 — 1 мм.Как я говорил выше: лучше использовать мини дрель, так как сверло очень тонкое и легко ломается. Я например использую моторчик от шуруповерта.

Дырки под транзисторы Vt8, Vt9 и под провода сверлим сверлом 1.5 мм. Теперь надо зачистить наждачкой нашу плату.

Вот теперь можно и начать рисовать наши дорожки. Берем шприц, стачиваем иголку, чтоб была не острой, набираем лак и вперед!

Подравнивать косяки лучше когда лак уже застынет.

Шаг 2 Травим плату
Для травления плат я использую самый простой и самый дешевый метод:
100 мл перекиси, 4 ч ложки лимонной кислоты и 2 ч ложки соли.

Размешиваем и погружаем нашу плату.

Далее счищаем лак и получается вот так!

Желательно сразу все дорожки покрыть оловом для удобства пайки деталей.

Шаг 3 Пайка и настройка
Паять удобно будет по этой картинке (вид со стороны деталей)

Для удобства с начало впаиваем все мелкие детали, резисторы и прочее.

А потом уже все остальное.

После пайки плату нужно отмыть от канифоли. Отмыть можно спиртом или ацетоном. На крайняк можно даже бензином.

Теперь можно и пробовать включать! При правильной сборке усилитель работает сразу. При первом включении резистор R15 надо вывернуть в сторону максимального сопротивления (меряем прибором). Колонку не подключать! Выходные транзисторы ОБЯЗАТЕЛЬНО на радиатор, через изолирующие прокладки.

И так: включили усилитель, светодиод должен гореть, меряем мультиметром напряжение на выходе. Постоянки нет, значит все хорошо.
Далее нужно установить ток покоя (75-90mA): для этого замкните вход на землю, нагрузку не подключать! На мультиметре поставьте режим 200mV и подсоедините щупы к коллекторам выходных транзисторов. (на фото отмечено красными точками)

Частотная характеристика усилителя

Класс работы усилителя

И наконец в классе работы каскада «C» ток через него протекает менее чем 50 % периода входного сигнала.

НЧ-усилитель на транзисторах: искажения в основных классах работы

Промежуточные классы работы

Возврат к транзисторному усилителю класса «А»?

Поскольку однотактные схемы получают такую перспективу, мы рассмотрим ниже их возможные варианты.

Однотактный усилитель на одном транзисторе

Ток эмиттера, примерно равный току коллектора

Ie = 9 B/1 кОм = 9 мА ≈ Ic.

Ток базы Ib = Ic/h = 9 мА/150 = 60 мкА.

Падение напряжения на резисторе R1

V(R1) = Vcc — Vb = Vcc — (Vbe + Ve) = 20 В — 9,7 В = 10,3 В,

R1 = V(R1)/Ib = 10,3 В/60 мкА = 172 кОм.

Однотактный усилитель с МДП-транзистором

Усилитель с трансформаторным выходом

Двухтактный звуковой усилитель

Двухтактная схема усилителя мощности на транзисторах показана на рисунке.

Это усилитель для работы в классе «А», но может быть использован и класс «АВ», и даже «В».

Бестрансформаторный транзисторный усилитель мощности

Усилитель на одном транзисторе

класса A, улучшающий усилитель

Изучив этот раздел, вы сможете:
• Выполняйте испытания и модификации, а также применяйте отрицательную обратную связь для достижения указанных критериев производительности.

Часть 4. Улучшение дизайна.

После того, как схема прошла начальные этапы проектирования, можно внести улучшения, чтобы конструкция соответствовала определенным критериям.Эта конструкция представляет собой базовый аудиоусилитель и, следовательно, должна соответствовать, по крайней мере, следующим основным требованиям. Коэффициент усиления (на средней частоте 1 кГц) должен иметь определенное значение, это требование будет зависеть от общей конструкции системы, в которой это только один этап, но для этого упражнения:

Требуемый прирост = 50

Полоса пропускания = от 20 Гц до 20 кГц

Макс. Неискаженный выход Vpp> 70% V _CC

Достижение этих критериев потребует повторения вышеуказанных расчетов и испытаний конструкции несколько раз, потому что при изменении одного компонента конструкции некоторые, если не все, ранее полученные результаты испытаний изменятся! Такое уточнение конструкции является нормальной частью любого процесса проектирования, и изучение того, как различные компоненты изменяют работу всей схемы, является отличным обучающим упражнением — наслаждайтесь!

Представляем отрицательный отзыв.

В условиях только постоянного тока, представленных в модуле усилителя 2.1, коэффициент усиления усилителя зависел от отношения R _L к R _E, но когда эмиттер развязан посредством C3 в части 2, напряжение переменного тока на R _E снижается практически до нуля из-за низкого реактивного сопротивления C3. Это делает отношение R _L к R _E практически бесконечным, и тогда коэффициент усиления становится зависимым от h _fe транзистора. Значение h _fe для малосигнального транзистора довольно велико, но из технических данных транзисторов также видно, что он имеет широкий разброс, от 100 до 300 в случае 2N3904.

Таким образом, замена транзистора с большой вероятностью изменит усиление, также было бы невозможно сделать несколько версий этой конструкции и ожидать, что усиление будет идентичным в каждом примере. Один из способов обойти эти проблемы — использовать отрицательные отзывы. Это уменьшит усиление, но сделает его более зависимым от фиксированных значений компонентов, а не от переменного значения h _fe.

Отрицательная обратная связь также помогает уменьшить искажения и любой фоновый шум (шипение), генерируемый в цепи.Это также помогает выровнять усиление по всей полосе пропускания усилителя. Если коэффициент усиления не является постоянным, некоторые частоты будут получать большее или меньшее усиление, чем другие, и возникнет «частотное искажение». Небольшие различия в усилении, равные 1 дБ или меньше, обычно не будут заметны, но использование отрицательной обратной связи может уменьшить большие различия.

Модуль 2.2 усилителей

описал, как C3 используется для предотвращения отрицательной обратной связи, но если некоторым усилением пожертвовать, допуская контролируемое количество отрицательной обратной связи, это сгладит отклик усилителя и увеличит полосу пропускания, и хотя увеличение полосы пропускания может не когда это необходимо, после достижения вышеуказанных преимуществ пропускная способность может быть скорректирована позже.

Рис. 2.4.1 Два метода нанесения NFB

Есть два способа уменьшить эффект развязки C3, как показано на рис. 2.4.1. Оба предполагают введение в цепь эмиттера дополнительного резистора R _NFB.

На рис. 2.4.1a R _NFB не развязан.

На рис. 2.4.1b R _NFB снижает эффект развязки C3.

Добавление R _NFB снижает эффект развязки C3, делая (уменьшенное) усиление независимым от h _fe и устанавливает его в отношении R _L / R _NFB.После того, как значение R _NFB было вычислено для получения коэффициента усиления A _V, равного 50, значение _R E также должно быть пересчитано и изменено так, чтобы исходное значение R _E распределялось между R _E и R _NFB. Это сохранит условия постоянного тока усилителя примерно на тех же значениях, которые вы установили ранее.

После того, как эти значения будут рассчитаны, запишите результаты в лист данных о конструкции усилителя, часть 4.1.

Из-за отрицательной обратной связи эффективный входной сигнал усилителя уменьшается.Это уменьшает I _в, и, поскольку входной ток уменьшился, входное сопротивление Z _в (измеренное в модуле 2.3 усилителя) увеличивается. Изменение Z _в также повлияет на расчеты для значения C1, поэтому было бы хорошо повторно перед выполнением следующих операций проверьте усиление на частоте 1 кГц и входное сопротивление. Запишите новое значение для Z _в в листе проектных данных усилителя, часть 4.1.

Уточнение полосы пропускания

Спецификация для этого упражнения требует, чтобы полоса пропускания усилителя была как можно ближе к диапазону от 20 Гц до 20 кГц, в этой части проектного задания будут отрегулированы верхние и нижние пределы полосы частот.

Рис. 2.4.2 Идеальный звуковой отклик

Установка нижней границы полосы пропускания.

Нижний предел полосы пропускания можно контролировать с помощью C1, и выбор подходящего значения позволяет адаптировать низкочастотный конец кривой полосы пропускания к приблизительно (в пределах, налагаемых предпочтительными значениями компонентов) требуемой частоте, например −3 дБ при 20 Гц.

C1 вместе с входным сопротивлением (Z _в) усилителя образует фильтр верхних частот, который формирует полосу пропускания на низких частотах.Чтобы получить точную частоту для точки -3 дБ, может потребоваться некоторое экспериментирование с различными предпочтительными значениями конденсатора, близкими к расчетному, и повторные проверки на нижней частоте (20 Гц) полосы пропускания, как описано в Части 3 (5c). Подходящее значение для C1 можно найти, переставив стандартную формулу для угловой частоты фильтра, чтобы получить:

Рассчитайте значение для C1 и ближайшего предпочтительного значения и введите их в части 4.2. Лист записи конструкции усилителя.

Стоимость C2

Основная функция C2 заключается в обеспечении развязки по постоянному току между этим усилительным каскадом и любой последующей схемой, при этом соединяя сигнал переменного тока. Таким образом, он должен иметь достаточно низкое реактивное сопротивление, чтобы пропускать все звуковые частоты, значение от 1 мкФ до 10 мкФ должно быть подходящим. Более точное значение необходимо учитывать только в том случае, если оно будет формировать какое-либо фильтрующее устройство с любой схемой, подключенной к выходу.

Стоимость C4

Теперь, когда усиление средней полосы и нижняя граница полосы частот установлены, в схему можно добавить C4.Назначение этого конденсатора — сформировать фильтр нижних частот вместе с R _L. Этот фильтр будет контролировать высокочастотный предел усилителя, уменьшая высокочастотный шум и нестабильность. Слишком большое усиление на высоких частотах также может привести к нестабильности и проблемам с положительной обратной связью, если его не отвергнуть. Значение C4 может быть вычислено аналогично значению для C1, однако для C4 резистивная часть фильтра R _L и угловая частота фильтра (где коэффициент усиления упадет на -3 дБ) будет , для этого упражнения будет 20кГц.

В практическом усилителе, предназначенном для размещения всех частот в пределах звукового спектра плюс некоторые более высокие частоты для усиления звуковых гармоник, срез частоты будет значительно выше, некоторые коммерческие усилители звука будут иметь срез частоты примерно от 100 до 150 кГц.

Процесс создания C4 и R _L в качестве фильтра нижних частот одинаков для любой выбранной частоты, только угловая частота фильтра (выбранная вами частота среза) будет отличаться, и поэтому это изменит вычисленную значение C4.Главное, что вы можете рассчитать значение C4 для получения частоты среза по вашему выбору. Если вы выберете 20 кГц, вы потеряете некоторые гармоники, и усилитель не будет хорошо работать при усилении сложных волн, таких как прямоугольные волны. Если вы выберете гораздо более высокое значение (или полностью опустите C4, вы рискуете получить чрезмерный ВЧ-шум и, возможно, некоторую нестабильность.

Рассчитайте значение C4 и ближайшее предпочтительное значение и введите их в части 4.2. Лист проектных данных усилителя

Максимальный неискаженный сигнал

Подайте синусоидальную волну 1 кГц на вход усилителя и подключите осциллограф к выходу усилителя, чтобы контролировать форму выходного сигнала.

Отрегулируйте амплитуду входного сигнала до тех пор, пока выходная волна, наблюдаемая на осциллографе, не начнет показывать искажения.

Запишите размах волны, чтобы убедиться, что V _PP больше 70% от значения V _CC.

Начало страницы

Частотная характеристика усилителей

— Electronics-Lab.com

Введение

Как и любая электронная схема, на поведение усилителей влияет частота сигнала на их входных клеммах.Эта характеристика известна как частотная характеристика .

Амплитудно-частотная характеристика — одно из важнейших свойств усилителей. В диапазоне частот, для которого предназначены усилители, они должны обеспечивать постоянный и приемлемый уровень усиления. Частотная характеристика напрямую зависит от компонентов и архитектуры, выбранной для конструкции усилителя.

В этом руководстве мы сосредоточимся на этой важной особенности усилителей. Прежде всего, подробно описывается понятие частотной характеристики вместе с некоторыми базовыми связанными понятиями, и мы представим, как ее количественно оценить.Во втором разделе мы разберемся, какой компонент влияет на АЧХ и как. В оставшейся части статьи представлен метод определения низкочастотных и высокочастотных характеристик. Эти результаты, наконец, будут обобщены в заключении, чтобы построить глобальную частотную характеристику усилителя с общим эмиттером.

Определения

Прежде чем подробно определять частотную характеристику, нам необходимо представить единицу измерения децибел (дБ) и относящуюся к ней логарифмическую шкалу.При изучении частотной характеристики действительно более целесообразно преобразовать коэффициент усиления по мощности или напряжению в дБ и представить шкалу частот в логарифмической (логарифмической) шкале.

Если мы рассмотрим усилитель с коэффициентом усиления по мощности A _P и коэффициентом усиления по напряжению A _В , то коэффициент усиления по мощности и напряжению в дБ определяется следующим образом:

уравнение 1: усиление по мощности и напряжению в дБ

Хотя коэффициенты усиления в линейном масштабе всегда положительны (A _P, A _V ≥0), их эквивалент в дБ может быть положительным, если усиление реализуется (A _P, A _V> 1) или отрицательный, если входной сигнал ослаблен (A _P, A _V <1).

Часто исследуется не усиление A _В (дБ) , а скорее нормализованное отношение A _В / A _В _{, середина} (дБ) = 20log (A _В / А _{В, средний}) . Где A _{В, середина} называется усилением среднего диапазона и представляет собой максимальное усиление усилителя в его рабочем диапазоне частот, например 20 Гц — 20 кГц для аудиоусилителя.

Следовательно, когда A _V = A _{V, середина}, нормализованное усиление (равное A _V) составляет A _V (дБ) = 0 _. Устанавливает опорное значение 0 дБ при максимальном усилении. Важно отметить, что когда мощность делится на два, мы видим, что A _P (дБ) = 10log (0,5) = — 3 дБ .

Частота, при которой мощность падает до 50% от среднего значения, известна как частота среза и отмечена f _c . Каждый раз, когда мощность уменьшается вдвое, наблюдается уменьшение нормализованного усиления на 3 дБ. Следовательно, A _P = -3 дБ соответствует A _{V, mid}/2 , A _P = -6 дБ соответствует A _V _{, mid}/4 и так далее…

Для этой же частоты напряжение (или ток) умножается на коэффициент √2 = 0.7. Уменьшение наполовину сигнала напряжения соответствует уменьшению на 6 дБ и следует той же схеме, что и для усиления мощности.

Наиболее распространенным инструментом, используемым для представления частотной характеристики любой системы, является график Боде . Он состоит из нормализованного усиления A _В (дБ) как функции частоты в логарифмической шкале. Упрощенный график Боде усилителя показан на Рисунке 1 ниже:

рис 1: Типичный график Боде усилителя
Голубая кривая называется асимптотическим представлением, а синяя кривая — реальной частотной характеристикой схемы.

На рис. 1 можно выделить две разные частоты среза: f _lc для «низкой отсечки» и f _hc для «высокой отсечки». Величина f _hc -f _lc называется полосой пропускания и представляет собой частотный диапазон, в котором усиление выше плато -3 дБ.

Последнее наблюдение можно сделать относительно крутизны частотной характеристики вне полосы пропускания. Во-первых, они не обязательно должны быть идентичными для низких и высоких частот.Более того, как мы увидим позже, наклон имеет значение, которое зависит от реактивного сопротивления компонентов, которые вызывают зависимость от частоты.

Влияние конденсаторов

Рассмотрим усилитель с общим эмиттером (CEA), конфигурация которого показана на рис. , рис. 2 :

Рис 2: Усилитель с общим эмиттером

Структура вокруг биполярного транзистора состоит из цепи делителя напряжения (R ₁ и R ₂), нагрузки (R _L), разделительных конденсаторов (C ₁ и C _{). 3}) и байпасный конденсатор С ₂.

Важно помнить, что конденсаторы обладают свойством, называемым реактивным сопротивлением , которое является эквивалентом сопротивления. Реактивное сопротивление (X _C) конденсаторов зависит от частоты и номинала конденсатора, оно удовлетворяет следующей формуле:

уравнение 2: Реактивное сопротивление конденсаторов

Независимо от емкости конденсатора, когда частота низкая, X _C имеет тенденцию быть высокой. Вблизи сигналов постоянного тока конденсаторы ведут себя как разомкнутые цепи.С другой стороны, при увеличении частоты X _C стремится к нулю, и конденсаторы действуют как короткие замыкания.

На низких входных частотах конденсаторы связи с большей вероятностью будут блокировать сигнал, поскольку X _C ₁ и X _C3 выше, большее падение напряжения будет наблюдаться на C ₁ и C ₃. Это приводит к более низкому усилению напряжения.

На высоких входных частотах байпасный конденсатор C ₂ укорачивает эмиттерную ветвь до земли, и коэффициент усиления по напряжению усилителя составляет A _В = (R _C // R _L) / r _e , где r _e — малое сопротивление эмиттера диода.Когда частоты ниже, сопротивление между эмиттером и землей больше не только r _e, но R _E + r _e , и, следовательно, коэффициент усиления по напряжению уменьшается до A _V = (R _C // R _L) / (R _E + r _e) .

Есть еще один тип конденсаторов, который влияет на частотную характеристику усилителя и не представлен на , рис. 2 . Они известны как внутренние транзисторные конденсаторы и представлены на рис. 3 ниже :

Рис. 3: Внутренние конденсаторы транзистора
В то время как конденсаторы связи и байпаса действуют как фильтр верхних частот (они блокируют низкие частоты), эти внутренние конденсаторы ведут себя иначе.Действительно, если частота низкая, C _BC и C _BE действуют как разомкнутая цепь, и это никак не влияет на транзистор. Однако, если частота увеличивается, через них проходит больше сигнала, а не через базовую ветвь транзистора, что снижает коэффициент усиления по напряжению.
Очень важная формула приведена в Уравнение 3 и связывает частоту среза RC-фильтра:
уравнение 3: Частота среза RC-фильтра
Низкочастотная характеристика
Имея в виду всю эту информацию, давайте рассчитаем и построим график низкочастотной характеристики CEA , рис. 2 , со следующими параметрами:
R _S = 500 Ом; R ₁ = 80 кОм; R ₂ = 30 кОм; R _C = 5 кОм; R _E = 2 кОм; R _L = 6 кОм; r _e = 25 Ом
C ₁ = 100 нФ; C ₂ = 150 мкФ; C ₃ = 400 нФ; C _BC = 5 пФ; C _BE = 30 пФ
Коэффициент усиления транзистора β = 100; В _{питание} = 10 В
В первую очередь рассмотрим входной фильтр верхних частот R _в C ₁.Как объяснялось в предыдущих руководствах, R _в — это полное входное сопротивление усилителя. В нашем примере это может быть определено как]
R _дюйм = R _S + (R ₁ // R ₂ // βR _E) = 20,2 кОм .
Таким образом, нижняя частота среза входа будет: f _{cl, в} = 1 / (2πR _в C ₁) = 79 Гц .
Та же процедура может быть проделана для выхода с выходным сопротивлением R _out = R _C // R _L = 2.7 кОм . Нижняя частота среза выходного фильтра: f _{cl, out} = 1 / (2πR _out C ₃) = 147 Гц .
Наконец, для байпасного конденсатора формула сопротивления более сложная и определяется следующим образом: R _bypass = R _E // ((r _e + (R _S // βR _E) / β )) = 30 Ом . Таким образом, нижняя частота среза байпасной структуры:
f _{cl, байпас} = 1 / (2πR _байпас C ₂) = 35 Гц .
И последнее, что нам нужно понять перед построением графика Боде, — это крутизна наклона средних значений. Уменьшение A _{В, середина} с частотой называется спадом , и его значение для каждого простого RC-фильтра составляет -20 дБ / декаду (дБ / дек). Это значение означает для фильтров верхних частот (соответственно фильтров нижних частот), что каждый раз, когда частота делится на 10 (соответственно умножается на 10), коэффициент усиления усилителя уменьшается на -20 дБ.
Когда несколько фильтров блокируют один и тот же диапазон частот, спад увеличивается.В нашем примере три фильтра одновременно блокируют частоты ниже 35 Гц, поэтому спад составляет 3 * (- 20 дБ / дек) = — 60 дБ / дек.
Эта информация может быть синтезирована на графике Боде, показывающем низкочастотную характеристику CEA в асимптотическом представлении:
рис. 4: Низкочастотная характеристика CEA
Высокочастотная характеристика
Как указывалось ранее, именно внутренние конденсаторы транзистора ограничивают усиление на высоких частотах, действуя как фильтры нижних частот.Можно показать, что эквивалентная схема , рисунок 2, на высокой частоте, может быть изображена так, как показано на , рисунок 5, :
. Рис. 5: Эквивалент CEA на высокой частоте
Мы можем отметить, что конденсаторы связи не представлены, поскольку они ведут себя как короткие замыкания на высоких частотах. Кроме того, эмиттерная ветвь укорачивается до земли по той же причине, что и байпасный конденсатор.
Внутренний конденсатор C _BC преобразуется с помощью теоремы Миллера в эквивалентные C _{в конденсаторах} и C _{на выходе}.Более того, эта теорема утверждает, что C _в = C _BC (A _{V, середина} +1) и C _out = C _BC (A _{V, середина} +1) / A _{В, средний} .
Общая входная емкость этой цепи составляет C _IN = C _BE + C _in ; общее входное сопротивление составляет R _IN = R _S // R ₁ // R ₂ // βr _e . Численное приложение к нашему примеру дает A _{V, mid} = (R _C // R _L) / r _e = 108, C _IN = 575 пФ и R _IN = 409 Ом. Таким образом, верхняя частота среза входа составляет f _{hc, in} = 1 / (2πR _IN C _IN) = 677 кГц .
С точки зрения выхода, высокая частота среза просто задается фильтром (R _C // R _L) C _out с C _out = 5,3 пФ : f _{hc, выход} = 1 / (2π (R _C // R _L) C _выход) = 1,1 МГц .
Приведенная здесь информация суммирована на графике Боде, представляющем высокочастотную характеристику CEA в асимптотическом представлении:
рис 6: Высокочастотная характеристика CEA
Заключение
Мы представили некоторые ключевые концепции, такие как блок децибел и частота среза , чтобы понять идею частотной характеристики.
Мы видели, что множество различных типов конденсаторов влияют как на низкочастотную, так и на высокочастотную характеристику усилителей. Конденсаторы связи и байпаса действительно ограничивают низкочастотную характеристику, тогда как внутренние конденсаторы транзистора ограничивают высокочастотную характеристику.
В двух последних разделах мы показываем пошаговый метод для отдельного определения низкочастотной и высокочастотной характеристики типичной конфигурации CEA.
Объединив два графика Боде, полученные для низкочастотных и высокочастотных характеристик на рис. 4 и 6 , мы теперь можем построить общую частотную характеристику конфигурации CEA:
Рис. 7: Общая частотная характеристика CEA
Глава 9: Ступени одно транзисторного усилителя: [Analog Devices Wiki]
9.1 Базовые усилители
Термин «усилитель», используемый в этой главе, означает схему (или каскад), использующую одно активное устройство, а не полную систему, такую как операционный усилитель на интегральной схеме. Усилитель — это устройство для увеличения мощности сигнала. Это достигается за счет получения энергии от источника питания и управления выходом для дублирования формы входного сигнала, но с большей амплитудой (напряжение или ток). В этом смысле усилитель можно рассматривать как модулирующий напряжение или ток источника питания для получения его выходного сигнала.
Базовый усилитель (рисунок 9.1) имеет два порта и характеризуется коэффициентом усиления, входным сопротивлением и выходным сопротивлением. Идеальный усилитель имеет бесконечное входное сопротивление (R _на = ∞), нулевое выходное сопротивление (R _{на выходе} = 0) и бесконечное усиление (A _vo = ∞) и бесконечную полосу пропускания, если это необходимо.
Рисунок 9.1 Базовая модель усилителя
Транзистор, как мы видели в предыдущей главе, представляет собой трехполюсное устройство.Если представить базовый усилитель в виде двухпортовой сети, как показано на рисунке 9.1, потребуется два входа и два выхода, всего четыре. Это означает, что один из выводов транзистора должен быть общим для входных и выходных цепей. Это приводит к названию общего эмиттера и т. Д. Для трех основных типов усилителей. Самый простой способ определить, подключено ли устройство как общий эмиттер / исток, общий коллектор / сток или общая база / затвор, — это проверить, где входит входной сигнал и выходит выходной сигнал.Остающийся терминал является общим как для ввода, так и для вывода. В этой главе мы в первую очередь будем использовать транзисторы n-типа (NPN, NMOS) в примерах схем. Те же самые базовые каскады усилителя могут быть легко реализованы с использованием транзисторов p-типа (PNP, PMOS). Когда собираются более крупные многокаскадные усилители, оба типа транзисторов часто перемежаются друг с другом.
Строительные блоки усилительных каскадов:
Инвертирующий усилитель напряжения (также называемый усилителем с общим эмиттером или общим источником)
Токовый повторитель (также называемый общей базой, общим затвором или каскодом)
Повторитель напряжения (также называемый усилителем с общим коллектором или общим стоком)
Последовательная обратная связь (чаще: вырождение эмиттера / источника)
Шунтирующая обратная связь
9.2 Инвертирующий усилитель напряжения или общий эмиттер / источник
Усилитель с общим эмиттером / истоком является одной из трех основных топологий однокаскадных усилителей. Версии BJT и MOS работают как инвертирующий усилитель напряжения и показаны на рисунке 9.2. Клемма базы или затвора транзистора служит входом, коллектор или сток — выходом, а эмиттер или исток являются общими для входа и выхода (он может быть привязан к заземлению или шине источника питания), которые рождает его общее название.
Рисунок 9.2: Базовая схема инвертирующего усилителя напряжения n-типа (без учета деталей смещения)
Усилитель с общим эмиттером или истоком можно рассматривать как усилитель крутизны (, т.е. напряжение на входе, ток на выходе) или как усилитель напряжения (напряжение на входе, напряжение на выходе). В качестве усилителя крутизны входное напряжение слабого сигнала, v _{должно быть} для BJT или v _gs для полевого транзистора, умноженное на крутизну устройства g _m, модулирует количество тока, протекающего через транзистор, i _c или i _d.Пропуская этот переменный ток через выходное сопротивление нагрузки R _L, он будет преобразован обратно в напряжение В, , _{, на выходе}. Однако выходное сопротивление малого сигнала транзистора, r _o, обычно недостаточно велико для разумного усилителя крутизны (в идеале — бесконечного). Выходная нагрузка R _L также не является достаточно низкой для приличного усилителя напряжения (в идеале — нулевой). Другим серьезным недостатком является ограниченная высокочастотная характеристика усилителя, отчасти из-за встроенной емкости коллекторной базы или затвора стока, присущей транзистору.Подробнее о том, как эта емкость влияет на частотную характеристику, читайте в следующем разделе этой главы. Поэтому на практике выход часто направляется либо через повторитель напряжения (каскад с общим коллектором или стоком), либо через повторитель тока (каскад с общей базой или затвором), чтобы получить более благоприятные выходные и частотные характеристики. Эта последняя комбинация называется каскодным усилителем, как мы увидим позже в главе, посвященной многокаскадным усилителям.
По сравнению с усилителем с общим эмиттером BJT, усилитель с общим истоком на полевых транзисторах имеет более высокое входное сопротивление.Обычно более низкое значение g _m полевого транзистора по сравнению с BJT при равных уровнях тока приводит к более низкому усилению напряжения для версии MOS.
9.2.1 Методы смещения постоянного тока, общий эмиттер / источник
Чтобы усилитель с общим эмиттером или истоком обеспечивал наибольший размах выходного напряжения, напряжение на выводе базы или затвора транзистора смещается таким образом, что транзистор номинально работает на полпути между его точками отсечки и насыщения.Обратите внимание на характеристические кривые NMOS (a) и NPN (b) на рисунке 9.2.1. Это позволяет каскаду усилителя более точно воспроизводить положительную и отрицательную половины входного сигнала, наложенного на напряжение смещения постоянного тока. Без этого смещения напряжения смещения усиливается только положительная половина входного сигнала.
Рисунок 9.2.1 (a) I _D, кривые V _DS и кривые (b) I _C, кривые V _CE
Красная линия, наложенная на два набора кривых, представляет линию нагрузки постоянного тока 400-омного R _L.Чтобы максимизировать размах выходного сигнала, желательно установить рабочую точку транзистора с нулевым входным сигналом при напряжении стока или коллектора, равном половине напряжения питания, которое в данном случае составляет 4 В. Определение соответствующего тока стока или коллектора вдоль линии нагрузки дает нам целевой уровень тока. Это около 10 мА для R _L, равное 400 Ом. Следующим шагом является определение соответствующего V _GS или I _B для 10 мА I _D или I _C.В примере NMOS каждая кривая соответствует разному V _GS от 0,9 до 1,5 вольт с шагом 0,1 вольт. Устройство NMOS, используемое в этом примере, имеет крутизну около 40 мА / В . I _D, равный точке 10 мА на линии нагрузки, находится между кривыми 1,4 В и 1,3 В или В _GS 1,32 В. В примере NPN каждая кривая представляет различный I _B от 10 мкА до 100 мкА с шагом 10 мкА. Кривая 50 мкА пересекает линию нагрузки при I _C = 10 мА.Следовательно, β транзистора должно быть около 200. Теперь задача состоит в том, чтобы каким-то образом обеспечить это смещение постоянного тока или смещение на затворе или базе транзистора.
Первый метод смещения, который мы рассмотрим, называется смещением делителя напряжения и показан на рисунке 9.2.2. Если мы выберем правильные значения резисторов для R ₁ и R ₂, что приведет к току коллектора или стока, так что половина напряжения питания, В + появится на R _L, мы должны получить желаемое. значение В _GS или В _BE (I _B) для смещения без входного сигнала.В случае MOS мы знаем, что ток не течет в затвор, поэтому можно использовать простой коэффициент делителя напряжения для выбора R ₁ и R ₂. Если V + = 8V и мы хотим, чтобы V _GS равнялось 1,32 V , тогда:
Реальные значения R ₁ и R ₂ не так важны, как их соотношение. Однако выбранный нами коэффициент делителя будет правильным только для одного набора условий напряжения источника питания, порогового напряжения и крутизны транзистора, а также температуры.В реальных проектах часто используются более сложные схемы смещения.
Рисунок 9.2.2 Смещение делителя напряжения
Для случая NPN расчет несколько сложнее. Мы знаем, что хотим, чтобы I _B был равен 50 мкА. Ток, протекающий в R ₁, является суммой тока в R ₂ и I _B, что устанавливает верхнюю границу для R ₁, когда R ₂ бесконечен, а ток в R _{2 отсутствует.}. Если принять номинальное значение V _BE равным 0.65 В, тогда R ₁ не должно превышать 7,35 В / 50 мкА или 147 кОм. Назначение делителя напряжения — ослабить колебания В + и, таким образом, сделать рабочую точку транзистора по постоянному току менее чувствительной к В +. Для этого нам нужно сделать ток в R ₂ во много раз больше, чем в I _B. Если мы, например, выберем сделать I _R2 9 раз I _B, тогда ток в R ₁ будет 10 * I _B или 500 мкА.R ₁ будет составлять 1/10 от того, что мы только что рассчитали как верхнюю границу, или 14,7 кОм. R ₂ составит В _BE, деленное на 450 мкА или 1,444 кОм, что составляет коэффициент делителя 0,8921. Если бы мы просто использовали 8V- V _BE / 8V в качестве отношения (предположим, что V _BE = 0,65 В), коэффициент делителя был бы 0,8125. С учетом I _B сместился требуемый коэффициент. Эти значения необходимо немного изменить, если фактическое значение V _BE не равно 0.В этом расчете мы использовали 65 вольт (или β не было 200). Это указывает на главное ограничение этой схемы смещения, как мы указывали в примере MOS выше. Это чувствительность к специфическим характеристикам устройства, таким как V _BE и β, а также к напряжению питания и температуре.
Следствием включения этой схемы смещения является снижение входного импеданса. Теперь вход включает параллельную комбинацию R ₁ и R ₂ на входе.Для случая MOS теперь устанавливается входное сопротивление. Для случая BJT теперь мы имеем R ₁ || R ₂ || r _π в качестве эффективного входного сопротивления.
Есть еще одна небольшая неудобная проблема с этой схемой смещения, когда она подключена к предыдущему каскаду в тракте прохождения сигнала. Эта конфигурация смещения размещает источник входного сигнала переменного тока непосредственно параллельно с R ₂ делителя напряжения. Это может быть неприемлемо, поскольку входной источник может иметь тенденцию добавлять или вычитать из напряжения постоянного тока, падающего на R ₂.
Один из способов заставить эту схему работать, хотя может быть неочевидно, почему она будет работать, — это разместить конденсатор связи между источником входного напряжения и делителем напряжения, как показано на рисунке 9.2.3 ниже.
Рисунок 9.2.3 Конденсатор связи C _C предотвращает протекание тока смещения делителя напряжения в источник входного сигнала.
Конденсатор образует фильтр верхних частот между источником входного сигнала и делителем напряжения постоянного тока, пропуская почти всю часть входного сигнала переменного тока на транзистор, блокируя при этом все напряжение смещения постоянного тока от короткого замыкания через источник входного сигнала.Это будет иметь больше смысла, если вы поймете теорему суперпозиции и то, как она работает. В соответствии с суперпозицией любую линейную двустороннюю схему можно анализировать по частям, рассматривая только один источник питания за раз, а затем алгебраически складывая эффекты всех источников питания, чтобы найти окончательный результат. Если бы мы отделили конденсатор и схему делителя напряжения R ₁ / R ₂ от остальной части усилителя, было бы легче понять, как будет работать эта суперпозиция переменного и постоянного тока.
При действии только источника сигнала переменного тока и конденсатора с произвольно низким импедансом на частоте входного сигнала почти все напряжение переменного тока появляется на R ₂.
9.2.2 Коэффициент усиления по напряжению слабого сигнала, общий эмиттер или источник
Чтобы рассчитать коэффициент усиления по напряжению малого сигнала усилителя с общим эмиттером или истоком, нам нужно вставить в схему модель транзистора с малым сигналом. Модели малосигналов BJT и MOS FET на самом деле очень похожи, поэтому расчет усиления для обеих версий во многом одинаков.Гибридные π-модели малых сигналов для усилителей BJT и MOS показаны на рисунке 9.2.4.
Рисунок 9.2.4 Модели слабого сигнала с обычным излучателем или источником.
Ниже приведены некоторые ключевые уравнения модели, которые нам понадобятся для расчета коэффициента усиления по напряжению в каскаде усилителя. Эти уравнения используются для других конфигураций усилителя, которые мы также обсудим в следующих разделах.
(BJT) (MOS)
Коэффициент усиления напряжения малого сигнала A _v представляет собой отношение входного напряжения к выходному напряжению:
Входное напряжение В _в (v _{должно быть} для BJT и v _gs для MOS), умноженное на крутизну g _m, равно выходному току слабого сигнала, i _o в коллекторе или стоке. В _out будет просто умножить этот ток на сопротивление нагрузки R _L, пренебрегая на данный момент сопротивлением выхода малого сигнала r _o. Обратите внимание на знак минус из-за направления тока i _o.
Переставляя на выигрыш, получаем:
Подставляя уравнения BJT и MOS g _m, получаем:
(BJT) (MOS)
Сравнивая эти два уравнения усиления, мы видим, что оба они зависят от токов коллектора или стока постоянного тока.Коэффициент усиления BJT обратно пропорционален В _T (тепловое напряжение), что составляет примерно 26 мВ при комнатной температуре. Тепловое напряжение, В _T увеличивается с повышением температуры, поэтому из уравнения мы видим, что коэффициент усиления фактически уменьшается с повышением температуры. Коэффициент усиления МОП обратно пропорционален перенапряжению, В _ov ( В _GS — В _th), которое часто намного больше, чем В _T при аналогичных ведущих токах стока. к более низкому усилению для ступени MOS vs.ступень BJT для примерно равных токов смещения.
Если R _L относительно велико по сравнению с сопротивлением выходного сигнала малого сигнала, тогда усиление будет уменьшено, потому что фактическая выходная нагрузка представляет собой параллельную комбинацию R _L и r _o. Фактически, r _o устанавливает верхнюю границу возможного усиления, которое может быть достигнуто с помощью каскада усилителя с одним транзистором.
9.2.3 Входное сопротивление слабого сигнала, общий эмиттер или источник
Снова посмотрим на модели малых сигналов на рисунке 9.2.4 мы видим, что для случая BJT вход V _в будет видеть r _π как нагрузку. Для корпуса MOS V _в будет видна в основном обрыв цепи (во всяком случае для низких частот). Это, конечно, будет в случае отсутствия какой-либо схемы смещения затвора или базы.
9.2.4 Выходное сопротивление слабого сигнала, общий эмиттер или источник
Снова глядя на модели слабого сигнала на рисунке 9.2.4, мы видим, что как для случая BJT, так и для случая MOS выходное сопротивление представляет собой параллельную комбинацию R _L и r _o.Для большинства практических приложений мы можем игнорировать r _o, потому что он очень часто намного больше, чем R _L. Ниже приведены уравнения BJT и MOS r _o.
(BJT) (MOS)
9.2.5 Общие лабораторные работы с излучателем и источником
9.3 Последователь тока, также известный как усилитель с общей базой или затвором
Повторитель тока или усилитель с общей базой / затвором имеет высокое усиление по напряжению, относительно низкий входной импеданс и высокий выходной импеданс по сравнению с повторителем напряжения или усилителем с общим коллектором / стоком.Версии BJT и MOS показаны на рисунке 9.3.
Рисунок 9.3: Базовый токовый повторитель n-типа или общая схема базы / затвора (без учета деталей смещения)
9.3.1 Методы смещения постоянного тока, повторитель тока или усилитель с общей базой / затвором
В приложениях, где обеспечивается только положительное напряжение источника питания, требуются некоторые средства обеспечения необходимого уровня постоянного напряжения для общего вывода затвора или базы. Это может быть так же просто, как делитель напряжения между землей и источником питания.В приложениях, где доступны как положительное, так и отрицательное напряжение питания, заземление является удобным узлом для использования в качестве клеммы общего затвора или базы.
Каскад с общим затвором или базой чаще всего используется в сочетании с усилителем с общим эмиттером или истоком в так называемой каскодной конфигурации. Каскод будет рассмотрен более подробно в следующей главе, посвященной многокаскадным усилителям.
9.3.2 Усиление по напряжению слабого сигнала, токовый повторитель или усилитель с общей базой / затвором
Чтобы рассчитать коэффициент усиления по напряжению малого сигнала общей базы или затвора, мы вставляем в схему модель транзистора с малым сигналом.Модели малых сигналов для усилителей BJT и MOS показаны на рисунке 9.3.1.
Рисунок 9.3.1 Токовый повторитель или модели малого сигнала с общей базой / затвором.
Как и в каскаде усилителя с общим излучателем / истоком, входное напряжение слабого сигнала, В _в (v _{должно быть} для BJT и v _gs для MOS), умноженное на крутизну g _m равен выходному току малого сигнала i _o в коллекторе или на стоке. В _out будет просто умножить этот ток на сопротивление нагрузки R _L, пренебрегая на данный момент сопротивлением выхода малого сигнала r _o.
Возможно, более полезно учитывать коэффициент усиления по току каскада повторителя тока, а не его коэффициент усиления по напряжению. В случае версии MOS мы знаем, что I _S = I _D, потому что I _G = 0. Таким образом, усиление тока каскада MOS равно 1. В случае версии BJT мы знаем, что отношение От I _C до I _E равно α и, следовательно, будет немного меньше 1.
9.3.3 Входное сопротивление, токовый повторитель или усилитель с общей базой / затвором
Снова посмотрев на модели малых сигналов на рисунке 9.3.1, мы видим, что для случая BJT вход V _в будет видеть r _π параллельно с последовательной комбинацией g _m и R _L в качестве нагрузки. Для корпуса MOS V _в в основном будет отображаться только комбинация серий g _m и R _L.Уравнение ниже (из модели T малого сигнала BJT) связывает g _m и сопротивление, видимое на эмиттере r _E. Мы также можем использовать это соотношение, чтобы получить сопротивление, наблюдаемое в источнике r _S.
(также r _S для MOS)
Здесь также важно отметить, что 100% (без учета I _B в случае BJT) тока от входного источника протекает через транзистор и становится выходным током.Таким образом, имя текущего последователя.
9.3.4 Выходное сопротивление, токовый повторитель или усилитель с общей базой / затвором
Снова глядя на модели слабого сигнала на рисунке 9.3.1, мы видим, что как для случая BJT, так и для случая MOS выходное сопротивление представляет собой параллельную комбинацию R _L и r _o. В целом мы можем предположить, что это правда, если учесть, что В _в питается от источника напряжения с низким импедансом (почти идеальным). Если это не так, то конечный выходной импеданс должен быть добавлен последовательно с r _o.Если вход токового повторителя управляется относительно высоким выходным сопротивлением усилителя крутизны, такого как общий эмиттер или усилитель-исток более ранней модели, то выходное сопротивление комбинированного усилителя может быть очень высоким. Для большинства практических приложений мы можем игнорировать r _o, потому что он очень часто намного больше, чем R _L.
ADALM1000 Lab Activity, усилитель с общей базой BJT
ADALM1000 Lab Activity, усилитель с общим затвором BJT
ADALM1000 Lab Activity, усилитель со сложенным каскодом
9.4 повторителя напряжения (также называемые повторителем эмиттера или истока, либо усилителями с общим коллектором или стоком)
Эмиттерный или истоковый повторитель часто называют общим коллекторным или стокным усилителем, потому что коллектор или сток являются общими как для входа, так и для выхода. Эта конфигурация усилителя, показанная на рисунке 9.4, имеет выходной сигнал, полученный от резистора эмиттер / исток, и полезна в качестве устройства согласования импеданса, поскольку его входное сопротивление намного выше, чем его выходное сопротивление. По этой причине повторитель напряжения также называют «буфером».
Рисунок 9.4: Базовый повторитель напряжения n-типа или общая цепь коллектора / стока (без учета деталей смещения)
Коэффициент усиления повторителя напряжения всегда меньше единицы, поскольку r _E и R _L или r _S и R _L образуют делитель напряжения. Смещение от входа к выходу устанавливается падением В, _BE примерно на 0,65 В ниже базы для BJT и В _GS ниже затвора для MOS.Функция этой конфигурации заключается не в усилении напряжения, а в согласовании усиления по току или мощности и импеданса. Входное сопротивление намного выше, чем его выходное сопротивление, поэтому от источника сигнала не требуется подавать столько энергии на вход. Это видно из того факта, что ток базы примерно в 100 раз (β) меньше тока эмиттера. Низкое выходное сопротивление эмиттерного повторителя соответствует низкоомной нагрузке и буферизует источник сигнала от этого низкого импеданса.
9.4.1 Методы смещения постоянного тока, повторитель напряжения или усилитель с общим коллектором / стоком
Ток коллектора / источника в основном определяется резистором эмиттер / исток, поэтому основными переменными конструкции в этом случае являются просто R _L и напряжение источника питания.
9.4.2 Коэффициент усиления по напряжению, усилитель с общим коллектором или стоком
Чтобы рассчитать усиление по напряжению при слабом сигнале конфигурации повторителя напряжения, мы вставляем в схему модель транзистора с малым сигналом.Модели малых сигналов для усилителей BJT и MOS показаны на рисунке 9.4.1.
Рисунок 9.4.1 Модели с малым сигналом повторителя напряжения.
Пример 9.4.2 Расчет усиления напряжения
Для схемы на рисунке 9.4.2 рассчитайте коэффициент усиления по напряжению A _В = В _{на выходе}/ В _на.
Рисунок 9.4.2 Пример усиления напряжения BJT
Чтобы использовать формулу усиления по напряжению, которую мы только что получили с помощью моделей слабого сигнала, нам нужно сначала вычислить r _E.В разделе 9.3.3 дано уравнение для r _E:
Чтобы использовать эту формулу, нам необходимо знать I _E. Мы знаем, что напряжение на R _L составляет В, , _{, из}. Мы также знаем, что V _out = V _in — V _BE. Если мы используем оценку В _BE как 0,6 вольт, мы получим В _{на выходе} = 5,6 — 0,6 или 5 вольт. Если R _L составляет 1 кОм, то I _E составляет 5 мА.Используя значение комнатной температуры для В _T = 25 мВ, получаем r _E равно 5 Ом. Подставляя эти значения в наше уравнение усиления, мы получаем:
9.4.3 Входное сопротивление, повторитель напряжения (общий коллектор или сток)
(BJT)
9.4.4 Выходное сопротивление, повторитель напряжения (общий коллектор или сток)
Выходное сопротивление — это просто параллельная комбинация резистора эмиттера (истока) R _L и сопротивления эмиттера (истока) малого сигнала транзистора r _E.Снова из раздела 9.3.3 уравнение для r _E выглядит следующим образом:
Точно так же сопротивление источника слабого сигнала, r _S, для МОП-транзистора составляет 1/ g _m.
Возвращаясь к нашему примеру усиления на рисунке 9.4.2, мы также можем рассчитать выходное сопротивление, которое будет параллельной комбинацией 1 кОм R _L и 3 Ом r _E или 2,99 Ом.
9.4.5 Повторитель напряжения (общий коллектор или сток) Лабораторные работы
9.Обратная связь серии 5: вырождение излучателя / источника
Усилители с общим эмиттером / истоком дают усилителю инвертированный выходной сигнал и могут иметь очень высокий коэффициент усиления и могут широко варьироваться от одного транзистора к другому. Коэффициент усиления сильно зависит как от температуры, так и от тока смещения, поэтому фактическое усиление в некоторой степени непредсказуемо. Стабильность — еще одна проблема, связанная с цепями с таким высоким коэффициентом усиления из-за любой непреднамеренной положительной обратной связи, которая может присутствовать. Другие проблемы, связанные со схемой, — это низкий входной динамический диапазон, обусловленный пределом слабого сигнала; при превышении этого предела возникает сильное искажение, и транзистор перестает вести себя как его модель с малым сигналом.Когда вводится отрицательная обратная связь, многие из этих проблем уменьшаются, что приводит к повышению производительности. Есть несколько способов ввести обратную связь в этом простом каскаде усилителя, самый простой и надежный из которых достигается путем введения небольшого резистора в цепь эмиттера (R _E). Это также называется последовательной обратной связью. Величина обратной связи зависит от относительного уровня сигнала, падающего на этом резисторе. Сигнал, видимый на R _E, находится в противофазе с сигналом, наблюдаемым на V _из и, таким образом, вычитается из V _из, уменьшая его амплитуду.Когда значение резистора эмиттера приближается к значению резистора нагрузки коллектора (R _L), коэффициент усиления приближается к единице (A _v ~ 1).
Рисунок 9.5: Добавление резистора эмиттер / исток уменьшает усиление. Однако с повышенной линейностью и стабильностью
Гораздо реже включать резистор дегенерации в конструкции МОП. Это связано с тем, что в микроэлектронных интегральных схемах коэффициент усиления ( g _m) устройства можно регулировать путем изменения отношения W / L.Такая степень свободы проектирования обычно недоступна в биполярных (BJT) процессах.
Пример смещения постоянного тока с вырождением эмиттера
Есть несколько практических правил смещения BJT:
1. Установите I _E, а не I _B или V _BE: меньшая зависимость от β и температуры ( V _T)
2. Допускается 1 / 3V _CC через R _C, V _CE и R _B2
3.Экономьте электроэнергию, допуская только 10% I _E с R _B
Для схемы на рисунке 9.5.1 дано следующее: В _CC = 20 В; I _E = 2 мА; β = 100. Исходя из наших практических правил, мы устанавливаем V _B = 1/3 * V _CC = 6,7 V .
Рисунок 9.5.1 Пример смещения постоянного тока
V _B = (R _B2 / (R _B1 + R _B2)) * V _CC ⇒ 6.7V = (_B2 / (_B1 + _B2)) * 20 (1)
V _CC / (R _B1 + R _B2) = 0,1 * I _E ⇒ 20 / (R _B1 + R _B2) = 200 мкА (2)
Решая уравнения (1) и (2), получаем:
R _B1 = 2R _B2, затем из (2)
3R _B2 = 20/200 мкА = 100 кОм
Итак, R _B2 = 33 кОм и R _B1 = 66 кОм.
Теперь у нас есть V _E = V _B — V _BE = 6.7 — 0,7 = 6 В и I _E составляет 2 мА : R _E = В _E / I _E = 6/2 мА = 3 кОм.
I _C = (β / (β + 1)) * I _E = (100/101) * 2 мА = 1,98 мА и I _B = I _C / β = 1,98 мА / 100 = 19,8 мкА.
Из наших практических правил мы знаем, что В _C = 2/3 * 20 В = 13,3 В
Итак, чтобы найти R _L, мы имеем: R _L = ( V _CC — V _C) / I _C = (20 — 13.3) / 1,98 мА = 3,4 кОм
9.5.1 Коэффициент усиления слабого сигнала по напряжению с вырождением эмиттер / источник
Чтобы рассчитать усиление по напряжению малого сигнала усилителя с общим эмиттером / истоком с добавлением вырождения эмиттер / исток, мы снова вставляем в схему модель транзистора с малым сигналом. Модели малых сигналов для усилителей BJT и MOS показаны на рисунке 9.5.1.
Рисунок 9.5.1 Общий излучатель / источник с вырождением
Импеданс R _E уменьшает общую крутизну g _m цепи в g _m R _E + 1, что дает выигрыш по напряжению:
(когда г _м R _E »1)
Таким образом, усиление напряжения зависит почти исключительно от соотношения резисторов R _L / R _E, а не от внутренних и непредсказуемых характеристик транзистора.Таким образом, характеристики искажения и стабильности схемы улучшаются за счет уменьшения усиления.
Возвращаясь к нашему предыдущему примеру смещения, рисунок 9.5.1, значения для I _C = 2 мА, R _L = 3,4 кОм и R _E = 3 кОм, чтобы вычислить усиление слабого сигнала, мы сначала находим g _m = I _C/ В _T = 2 мА / 25 мВ = 0,08. Используя нашу формулу для A _V:
9.5.2 Входное сопротивление слабого сигнала с вырождением излучатель / источник
Снова посмотрев на модели слабого сигнала на рисунке 9.4.1, мы видим, что для случая BJT вход В, _в см. R _ последовательно с резистором дегенерации R _E в качестве нагрузки. Для корпуса МОП В _в см в основном обрыв цепи.
9.5.3 Выходное сопротивление слабого сигнала с вырождением эмиттера / источника
Снова посмотрим на модели малых сигналов на рисунке 9.5.1 мы видим, что как для случая BJT, так и для случая MOS, как и в более раннем каскаде с общим эмиттером / истоком, выходное сопротивление представляет собой параллельную комбинацию R _L и r _o, но теперь резистор вырождения R _E идет последовательно с r _или. Для большинства практических приложений мы можем игнорировать r _o, потому что он очень часто намного больше, чем R _L.
9.5.4 Методы смещения постоянного тока с вырождением эмиттера / источника
В основном те же методы, что и в простом каскаде усилителя с общим эмиттером / истоком, которые обсуждались в разделе 9.2.1, может использоваться при добавлении резистора дегенерации эмиттера. Добавленное напряжение на R _E (R _E * I _E) должно быть добавлено к уровню смещения. Это добавленное падение напряжения фактически делает рабочую точку (I _C) гораздо менее чувствительной к уровню смещения.
Коэффициент усиления по напряжению малого сигнала усилителя с общим эмиттером и сопротивлением эмиттера составляет примерно R _L / R _E. Для случаев, когда требуется усиление более 5-10, R _E может стать настолько малым, что необходимое условие хорошего смещения: В _E = R _E * I _E> 10 * В _T не может быть достигнуто.Способ восстановить небольшой коэффициент усиления напряжения сигнала при сохранении желаемого рабочего смещения постоянного тока состоит в использовании байпасного конденсатора, как показано на рисунке 9.5.4. Для слабого сигнала переменного тока сопротивление эмиттера составляет всего R _E1, в то время как для смещения постоянного тока сопротивление эмиттера представляет собой последовательную комбинацию R _E = R _E1 + R _E2. Здесь могут быть применены расчеты для усилителя с общим эмиттером с вырождением эмиттера, заменив R _E на R _E1 при вычислении усиления усилителя, а также входного и выходного импедансов, поскольку достаточно большой байпасный конденсатор в эффектах закорачивает R _E2 и эффективно удаляется из схемы для достаточно высокочастотных входов.
Рисунок 9.5.4 Добавление обводного конденсатора эмиттера
Используя наше предыдущее упражнение со смещением на рисунке 9.5.1 в качестве примера, но разделив 3 кОм R _E на два резистора, как на рисунке 9.5.4, с R _E1 = 1 кОм и R _E2 = 2 кОм с C ₁ = 1 мкФ мы можем пересчитать усиление слабого сигнала для высоких частот, где C ₁ эффективно закорачивает R _E2, и получим:
Однако добавление шунтирующего конденсатора C ₁ изменяет низкочастотную характеристику схемы.Из наших двух вычислений коэффициента усиления мы знаем, что коэффициент усиления схемы по постоянному току составляет -1,13, а коэффициент усиления увеличивается до -3,36 для высоких частот. Следовательно, мы можем предположить, что частотная характеристика состоит из относительно низкочастотного нуля, за которым следует несколько более высокочастотный полюс. Формулы для нуля и полюса следующие:
где R ’_E = R _E2 || (R _E1 + R _E)
Для нашего примера задачи с R _E1 = 1K, R _E2 = 2K и C ₁ = 1 мкФ мы получаем частоту для нуля, равную 80 Гц, и частоту для полюса, равную 237 Гц.Смоделированная частотная характеристика от 1 Гц до 100 кГц для примерной схемы показана на рисунке 9.5.5.
Рисунок 9.5.5 смоделированная частотная характеристика
9.5.5 Резюме — выполнение анализа слабого сигнала:
1. Найдите рабочую точку постоянного тока.
2. Рассчитайте параметры слабого сигнала: g _m, r _, r _e и т. Д.
3. Замените источники постоянного напряжения заземлением переменного тока и источники постоянного тока разомкнутыми цепями.
4. Замените транзистор на модель со слабым сигналом (гибридная модель π или модель T)
9.6 Теорема Миллера
Здесь мы собираемся отвлечься, чтобы обсудить теорему Миллера. Хотя методы, которые мы использовали до этого момента, являются полностью общими, существуют определенные конфигурации, которые поддаются более простому анализу с помощью теоремы Миллера. Теорема Миллера утверждает, что в линейной цепи, если есть ветвь с импедансом Z, соединяющая два узла с узловыми напряжениями В ₁ и В ₂, эта ветвь может быть заменена двумя другими ветвями, соединяющими соответствующие узлы относительно земли импедансами соответственно Z / (1- K ) и KZ / ( K -1), где усиление от узла 1 к узлу 2 составляет K = В ₂/ В ₁.
Рисунок 9.6.1 Теорема Миллера
На этом этапе мы рассмотрим шаги, которые покажут, как рассчитываются импедансы Миллера. Мы можем использовать эквивалентную двухпортовую сетевую технику, чтобы заменить двухпортовый, представленный на рисунке 9.6.1 (a), на его эквивалент на рисунке 9.6.2.
Заменив источники напряжения на рисунке 9.6.2 на их эквивалентные источники тока Norton, мы получим рисунок 9.6.3.
Используя теорему о поглощении источника (см. Приложение в конце этой главы), мы получаем рисунок 9.6.4.
Это дает нам рисунок 9.6.5 (который является рисунком 9.6.1 (b)), когда мы параллельно объединяем два импеданса.
9,7 Обратная связь по шунту:
Другой метод смещения для усилителя с общим эмиттером или истоком, называемый шунтирующей обратной связью, достигается путем подачи некоторой части сигнала коллектора или стока обратно на вход на базе или затворе. Это делается с помощью резистора смещения (R _F), как показано на рисунке 9.7.1. Резистор R _F подключается между двумя узлами с коэффициентом усиления A _V ( K ) между ними, и, таким образом, применение теоремы Миллера является лучшим способом анализа характеристик слабого сигнала этой схемы.
Рисунок 9.7.1 Обратная связь между стоком и затвором (а) и коллектор-база (b)
9.7.1 MOS версия
На рисунке 9.7.1 (a) показан усилитель NMOS с общим истоком, использующий смещение обратной связи по стоку. Этот тип смещения часто используется с полевыми МОП-транзисторами в режиме улучшения и может быть полезен при работе от источника питания низкого напряжения ( В, , ₊).Если Vin связан по переменному току, напряжение на затворе равно напряжению на стоке ( В _GS = В _DS), поскольку ток затвора не течет через R _F. Если Vin подключен по постоянному току, то делитель напряжения формируется R _F и R _S и V _GS будет меньше V _DS. Полезно отметить, что транзистор всегда находится в насыщении, когда В _GS = В _DS.Если по какой-либо причине ток стока увеличивается, например, при изменении В, , ₊, напряжение затвора падает. Пониженное напряжение затвора, в свою очередь, вызывает уменьшение тока стока, что приводит к увеличению напряжения затвора. Контур отрицательной обратной связи достигает равновесия, которое является точкой смещения для схемы.
В некоторых таблицах данных для расширенных МОП-транзисторов указано значение I _D (on), где V _GS = V _DS lf I _D (on) известно, компонент схемы может быть легко вычислен. как показано в Примере 9.3. Входное сопротивление схемы, использующей смещение обратной связи стока, равно значению R _F, деленному на коэффициент усиления по напряжению плюс один.
9.7.2 Вариант BJT Методы смещения постоянного тока
Эта конфигурация использует отрицательную обратную связь для стабилизации рабочей точки. В этой форме смещения резистор обратной связи по базе R _F подключен к коллектору, а не к источнику постоянного тока В, ₊. Таким образом, любое значительное увеличение тока коллектора вызовет падение напряжения на резисторе R _L, что, в свою очередь, уменьшит базовый ток транзистора.
Если предположить, что входной источник Vin связан по переменному току и в R _S не течет постоянный ток смещения, из закона Кирхгофа напряжение В _RF на базовом резисторе R _F будет:
По модели Эберса – Молла I _c = βI _b, и поэтому:
Согласно закону Ома, базовый ток I _b = В _RF / R _F, и поэтому:
Следовательно, базовый ток I _b равен:
Если В _BE поддерживается постоянным и температура увеличивается, то ток коллектора I _c увеличивается.Однако большее значение I _c вызывает увеличение падения напряжения на резисторе R _L, что, в свою очередь, снижает напряжение V _RF на базовом резисторе R _F. Более низкое падение напряжения на базовом резисторе снижает базовый ток I _b, что приводит к меньшему току коллектора I _c. Поскольку увеличение тока коллектора с температурой противоположно, рабочая точка остается более стабильной.
Плюсов:
Схема стабилизирует рабочую точку от изменений температуры и β (т.е.Варианты транзисторного процесса)
Минусы:
В этой схеме, чтобы I _c не зависел от β, должно выполняться следующее условие:
что имеет место, когда:
Поскольку β фиксировано (и, как правило, точно не известно) для данного транзистора, это соотношение может быть удовлетворено либо путем сохранения R _L достаточно большим, либо очень низким R _F.
Если R _L большой, необходим высокий V ₊, что увеличивает стоимость, а также меры предосторожности, необходимые при обращении.
Если R _F низкий, обратное смещение в области коллектор – база невелико, что ограничивает диапазон колебаний напряжения коллектора, при котором транзистор остается в активном режиме.
Резистор R _F вызывает обратную связь по переменному току, уменьшая коэффициент усиления по напряжению усилителя.Этот нежелательный эффект является компромиссом для большей стабильности рабочей точки покоя.
Использование: Обратная связь также снижает входное сопротивление усилителя, если смотреть со стороны базы, что может быть выгодно. Из-за уменьшения усиления из-за обратной связи эта форма смещения используется только тогда, когда требуется компромисс для стабильности.
Пример 9.7.2 Использование теоремы Миллера
Для усилителя, показанного на рисунке 9.7.2 (a), с входным источником со связью по постоянному току В _в рассчитайте входное и выходное сопротивление и коэффициент усиления по напряжению A _В.Сначала нам нужно начать с некоторого предварительного анализа постоянного тока, чтобы определить рабочую точку Q ₁. Для этого мы устанавливаем В, _в на ноль вольт, , т.е. , замыкаем его. Если мы предположим, что напряжение В _BE составляет 0,65 вольт, мы получим ток 65 мкА в резисторе 10 кОм R _S. Учитывая, что В ₊ составляет 10 В, мы хотели бы, чтобы В _{на выходе} было 5 вольт. Ток в R _L равен 500 мкА и будет делиться между коллектором Q ₁ и резистором обратной связи R _F.Напряжение на резисторе обратной связи 62,7 кОм составляет 5-0,65 или 4,35 В. Ток в R _F делится между током в R _S и I _B. Базовый ток I _B равен 4,35 / 62,7 кОм — 65 мкА или 4,3 мкА. У нас должен получиться ток коллектора 500uA — 69,3uA или 430,3uA с β около 100.
Если мы воспользуемся теоремой Миллера и заменим резистор обратной связи R _F на два его эквивалентных импеданса, мы получим рисунок 9.7.2 (b). Предполагая, что усиление напряжения от базы к коллектору A _V значительно больше 1, мы можем сделать упрощение, что A _V / (A _V -1) близко к 1.Эффективное сопротивление нагрузки R _Leq, которое мы будем использовать для расчета усиления, будет 10 кОм || 62,7 кОм или 8,62 кОм. Теперь мы можем использовать те же уравнения усиления слабого сигнала для обычного излучателя или источника, которые мы использовали в разделе 9.2.2. Коллекторные токи 430 мкА дают нам г _м 430 мкА / 25 мВ или 0,0172. Мы знаем, что A _V = — g _m R _Leq или A _V = -0,0172 * 8,62K = -148, что равно »1.Входное сопротивление, видимое у основания Q ₁, будет равным _π Ом для Q ₁, что равно β / g _м или 100 / 0,0172 = 5,814 кОм, параллельно с сопротивлением Миллера 62,7 кОм / 149 = 421 Ом, таким образом, эффективное входное сопротивление R _base будет около 392,5 Ом.
Рисунок 9.7.2 Пример использования теоремы Миллера
Входное сопротивление источника R _S и эквивалентное сопротивление на базе R _base образуют делитель напряжения.Чтобы рассчитать общий коэффициент усиления напряжения от источника напряжения В, _,, В, , _{, выход}, мы умножаем это отношение делителя на коэффициент усиления базы к коллектору, A _В, который мы только что вычислили.
Из нашего исследования конфигурации инвертирующего операционного усилителя в главе 3 мы узнали, что для усилителей с менее чем бесконечным усилением фактическое усиление будет меньше, чем предсказывает идеальное уравнение усиления, Gain = -R _F / R _S.Если бы наш одиночный транзисторный усилитель имел бесконечное усиление, коэффициент усиления от В _в до В _{на выходе} был бы 62,7 кОм / 10 кОм или 6,27. В главе 3 мы получили оценку процентной ошибки ε из-за конечного усиления A _V (помните, что β в этом уравнении — это коэффициент обратной связи, а не коэффициент усиления по току транзистора):
Фактическое усиление 5,6 примерно на 10% меньше идеального усиления 6,27.
Упражнение 9.7
Часть 1 Рабочая точка постоянного тока:
Для схемы на рисунке 9.7.3 рассчитайте необходимое R _F для смещения рабочей точки постоянного тока так, чтобы В _{на выходе} было равно ½ напряжения питания или + 5 В, когда Vin = 0. Предположим, В _BE = 0,65 В и β = 200.
Часть 2 Усиление и сопротивление слабого сигнала:
Учитывая значение R _F, вычисленное в части 1, вычислите коэффициент усиления по напряжению A _В, входное сопротивление R _базы и выходное сопротивление R _{на выходе}.Также рассчитайте общий коэффициент усиления по напряжению В _{на выходе}/ В _на и объясните, почему это отличается от идеального значения –R _F / R _S.
9.7.5 Эффект Миллера
Эффект Миллера является ключом к предсказанию частотной характеристики инвертирующего каскада усилителя, в котором есть емкостная обратная связь. Обычно в каскаде усиления напряжения имеется полюс нижних частот, создаваемый R _S источника сигнала и конденсатором обратной связи C _C.Но отсечка низких частот определяется не просто R _S и C _C. Эффект Миллера создает эффективную емкость на базе / затворе транзистора, которая выглядит как C _C, масштабированная на коэффициент усиления по напряжению усилителя.
Рисунок 9.7.3 Конденсатор обратной связи Миллера
Эффект Миллера особенно полезен, когда вы пытаетесь создать фильтр нижних частот на операционном усилителе IC с относительно низкой частотой среза. Сложность в том, что большие конденсаторы сложно изготовить, потому что они занимают много места на ИС.Решение состоит в том, чтобы сделать небольшой конденсатор, а затем масштабировать его поведение с помощью эффекта Миллера.
Эквивалентная схема
Вот упрощенная версия схемы выше.
Рисунок 9.7.4 Эквивалентная схема обратной связи Миллера
Миллер сказал, что вы можете приблизительно определить входную емкость, заменив C _C другой емкостью C _M на R _IN. Насколько больше C _M? C _C умножается на коэффициент усиления по напряжению (A _V = g _m R _L) усилителя.Теорема Миллера также утверждает, что будет конденсатор C ‘_C через R _L, который будет равен C _C раз (A _V +1) / A _V, который для больших значений A _V мы принимаем равным 1.
Как это работает? Что ж, мы знаем, что создание напряжения на конденсаторе вызывает протекание тока. Насколько ток зависит от емкости: I = C _C · ΔV / Δt. Однако в этой схеме усиление напряжения на R _L вызывает гораздо большее ΔV на C _C, вызывая еще больший ток, протекающий через C _C.Следовательно, с точки зрения В, , _{, В,}, это выглядит намного большей емкостью.
Пример 9.7.3 Пример емкости Миллера
В этом примере мы будем использовать схему, показанную на рисунке 9.7.5, чтобы проиллюстрировать умножение Миллера конденсатора обратной связи C _C. Резисторы смещения R ₁ и R _S выбираются для установки такой рабочей точки постоянного тока, что В, , _{, выход}, имеет значение постоянного тока приблизительно В, + / 2 или 5 В.С данным сопротивлением R _L 10 кОм усиление напряжения слабого сигнала низкой частоты A _В составляет примерно 80.
Теперь мы можем вычислить частоту -3 дБ и частоту единичного усиления (0 дБ) для конденсатора обратной связи C _C, равным 0,001 мкФ. Частота, на которой усиление от В _в до В _{на выходе} падает на -3 дБ от значений постоянного тока, приблизительно равна:
Частота единичного усиления примерно равна:
Рисунок 9.7.5 Пример емкости Миллера
Схема на рисунке 9.7.5 была смоделирована, а частотная характеристика переменного тока от 1 Гц до 1 МГц показана на рисунке 9.7.6. Усиление от В _в до В _{на выходе} в дБ составляет 20Log (A _В) или около 38 дБ . Частота -3 дБ в этом случае будет там, где кривая усиления пересекает 35 дБ (~ 263 Гц), а частота единичного усиления будет там, где кривая усиления пересекает линию 0 дБ (~ 21.7 кГц). Результаты моделирования достаточно хорошо согласуются с нашими приблизительными ручными расчетами. Для наших ручных расчетов мы предположили, что R ₁ был достаточно большим, чем R _S, поэтому его можно было игнорировать, и аналогично r _π для Q ₁ было достаточно большим, чтобы не оказывать существенного влияния на R _S.
Рисунок 9.7.6 Моделирование частотной развертки
Краткое содержание главы:
Каскад с общим эмиттером имеет высокое усиление, но низкий входной и высокий выходной импеданс.
R _E Вырождение эмиттера улучшает входное сопротивление и обеспечивает отрицательную обратную связь для стабилизации рабочей точки постоянного тока, но с некоторой потерей усиления.
Каскад с общей базой имеет низкий входной импеданс и высокий выходной импеданс, но хорош на высоких частотах. Хороший текущий буфер иногда называют текущим последователем.
Общий коллекторный или эмиттерный повторитель может иметь смещение с большим входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением, но имеет примерно единичное усиление.Хороший буфер напряжения.
Приложение: Теорема поглощения источника
Теорема поглощения источника имеет две двойные формы: теоремы поглощения источника напряжения и теоремы поглощения источника тока.
Теорема о поглощении источника напряжения утверждает, что если в одной ветви цепи с током I есть источник напряжения, управляемый I, источник можно заменить простым импедансом со значением, равным управляющему коэффициенту источника.
Доказательство тривиально.Импеданс Z, по которому протекает ток I, имеет такое же падение напряжения, которое генерирует управляемый I источник на своих выводах.
Теорема о поглощении источника тока утверждает, что если в одной ветви цепи есть источник тока, управляемый напряжением В, , источник может быть заменен простой проводимостью со значением, равным коэффициенту управления источником.
Доказательство снова тривиально. Полная проводимость Y, на которую подается напряжение В , накладывает тот же ток, что и источник Y В .
Пример A1: Определение сопротивления эмиттера с помощью теоремы о поглощении источника
На рисунке A9.3 показана модель транзистора с эквивалентной схемой малых сигналов. Найдите сопротивление Rin, глядя в эмиттер (с базой и коллектором на заземлении переменного тока слабого сигнала).
Используя то, что мы только что узнали о теореме о поглощении источников тока, мы знаем, что мы можем заменить управляемый источник с сопротивлением, равным 1/ г _м его крутизны.
Темы для продвинутых:
AT1 Поколение диода смещения
Типовые схемы транзисторов
Дифференциальный усилитель
Дифференциальный усилитель усиливает разницу между двумя напряжениями и. Дифференциальное усиление имеет многие приложения, например, первая стадия операционные усилители (операционные усилители).
Два транзистора и в схеме идентичны одинаковые свойства, а их эмиттеры подключены к источнику тока с постоянным током, чтобы .Если увеличивается, уменьшится, и наоборот. Рассмотрим эти три случая:
Таким образом, вывод отражает только разницу между двумя входы и, но он остается неизменным, если оба входа становятся выше или ниже, т.е. это дифференциальный усилитель. Выход напряжение может быть дополнительно усилено следующей схемой.
На рисунке также показан простой источник тока. Базовое напряжение транзистора фиксируется примерно на , так что ток нагрузки также приблизительно постоянна, независимо от нагрузки, т.е.е., схему можно использовать как источник тока обеспечение тока, определяемого нагрузкой, но не зависящего от нее. А лучший способ поддерживать постоянство — заменить диоды на диоды с обратным смещением. Стабилитрон. Когда стабилитрон имеет обратное смещение напряжением, превышающим его напряжение пробоя , падение напряжения на нем, в цепи, сохраняется при напряжении пробоя, постоянном значении, не зависящем от каких-либо другие переменные в схеме. Следовательно, тоже постоянный.
Токовые зеркала
Схема токового зеркала, показанная ниже, представляет собой простой источник тока. что обеспечивает постоянный ток независимо от нагрузки.
Эта схема состоит из двух согласующих транзисторов и с идентичным поведением, таким как входные и выходные характеристики а также . Это входные и выходные каскады схемы соответственно. В качестве входа используется эталонный ток можно определить как
(129)
Применяя KCL к коллекционеру и осознавая , мы также получаем
(130)
Во входном каскаде, так как коллектор и база закорочены, он ведет себя как диод с точки зрения соотношения между а также , напряжение и ток через базу-эмиттер PN переход:
(131)
где — обратный ток насыщения БЭ PN-перехода, тепловое напряжение.Таким образом, транзистор можно рассматривать как преобразователь тока в напряжение, с помощью которого ток коллектора преобразуется в выходное напряжение, которое поддерживается постоянным из-за цикл отрицательной обратной связи:
(132)
В виде определяется исключительно , и поэтому будет постоянно независимым нагрузки.
В выходном каскаде, так как и идентичны и , у нас есть а также . Ток нагрузки определяется, но не зависит от нагрузки:
(133)
Обратите внимание, что приведенное выше обсуждение действительно только в том случае, если держит, я.е., оба и должны работать в линейной (активной) области вдали от области отсечки или насыщения.
Токовое зеркало Уилсона:
Опять же, здесь транзистор можно рассматривать как вольт-амперную преобразователь, с помощью которого сквозной ток преобразуется в базовое напряжение разделяется как на, так и на. Следующие отрицательная обратная связь удерживает ток нагрузки постоянный:
(134)
Транзистор Дрлингтона
Транзистор Дарлингтона (пара Дарлингтона) представляет собой соединение структура состоит из двух транзисторов, эмиттер которых ток первого транзистора становится базовым током второго транзистора.Главное преимущество Дарлингтона транзистор — его высокий коэффициент усиления по току , который можно найти, выполнив следующие действия:

Напряжение база-эмиттер равно .
Различные классы усилителей
Правильно настроив рабочую точку постоянного тока транзисторной схемы, он может работать в любом из следующих режимов:
Класс A: Транзистор остается проводящим во всей синусоидальной цикл (угол проводимости ). Рабочая точка постоянного тока в середине линейного диапазона транзистора, чтобы минимизировать искажения (вырезка).Тем не менее, потребление мощности постоянного тока увеличивается даже при переменном токе. синусоидальный сигнал равен нулю.
Класс B: Транзистор проводит и усиливает сигнал переменного тока. только в половине синусоидального цикла (угол проводимости ), пока он выключен и не потребляет энергию для другой половины.
Класс AB: это промежуточное звено между классом A и B, двумя транзисторы активны и проводят ток более половины время.
Класс C: используется менее половины сигнального цикла (угол проводимости )
Механизмы Push-Pull
Эту схему можно рассматривать как усилитель класса AB, обычно используется в качестве последней ступени системы усиления, такой как в схеме операционного усилителя для усиления мощности с большим током и низкое выходное сопротивление для работы с большой нагрузкой (малой).Толкать-тянуть Схема состоит из пары двух транзисторов, которые работают поочередно в течение двух полупериодов синусоидального сигнала. Схема может быть реализуется одним из следующих двух способов:
Двухтактная пара (одна NPN, другая PNP) получает одинаковые входной сигнал с их баз. Во время положительного полупериода Транзистор NPN является проводящим и пропускает ток через нагрузку. , при этом транзистор PNP отключен; во время отрицательного полупериода, Транзистор PNP NPN является проводящим и потребляет ток от нагрузки , а транзистор NPN отключен.При любой полярности выход сопротивление проводящего транзистора невелико.
Двухтактная пара (обе NPN) получает входной сигнал. не в фазе (например, от трансформатора или от коллектора и эмиттера транзистора на предыдущем этапе). Транзистор принимающий положительный пик входа активен и пропускает ток, с небольшими выходное сопротивление, в то время как другой транзистор получает отрицательный пик отсечка (обрыв). В течение следующего полупериода два транзистора переключаются ролями с проводящим транзистором, потребляющим ток от нагрузки.
Еще одним преимуществом двухтактной схемы является ее малая мощность. потребление. Когда входной сигнал переменного тока равен нулю, оба транзистора близок к отсечке, проводит небольшой ток и, следовательно, потребляет мало энергии. Это можно сравнить с транзистором класса А. усилитель, где рабочая точка постоянного тока находится в середине линейная область, т.е. , , а потребляемая мощность , даже когда сигнал переменного тока равен нулю.
Генераторы
Генератор — это схема, которая не получает входного сигнала, но генерирует синусоидальную вывод с желаемой частотой.Типичная схема генератора основана на активный компонент (транзистор или операционный усилитель) с положительной обратной связью и Контур LC (контур резервуара). Первоначально срабатывает при включении цепи, LC-контур начинает резонировать на частоте , а также активный компонент с положительной обратной связью компенсирует затухание из-за неизбежного сопротивления в цепи и держит колебания идущий.
В частности, осцилляторы Хартли и Колпиттса представляют собой два типичных колебания. схемы.В любом случае используется транзисторный усилитель для приема положительных сигналов. обратная связь, взятая из LC-цепи в качестве импеданса коллектора, максимизируется на резонансной частоте, таким образом, усиление напряжения этой цепи также максимизирован. Часть синусоидального сигнала на коллекторе положительно подается обратно на излучатель, чтобы предотвратить затухание.
В обеих схемах обратная связь составляет часть выходного сигнала.
(135)
и затем он отправляется на эмиттер транзистора, который находится в фазе с коллектор, подключенный к цепи LC, т.е.е., отзывы действительно положительные:
(136)
Смеситель частоты
Когда транзистор используется для усиления, его рабочая точка постоянного тока составляет усилитель типа A обычно устанавливается в середине линии нагрузки, чтобы максимизировать линейный динамический диапазон и тем самым минимизировать сигнал искажение (избегая нелинейной области транзисторной схемы).
Однако в некоторых приложениях нелинейное поведение транзистора схема используется, например, в частотном смесителе , используется для преобразования всех радиочастот разных радио / ТВ вещательные каналы на промежуточную частоту , так что схема усиления приемника может быть специализирована для эта промежуточная частота, а не широкий диапазон всех возможных частоты вещания.В радиоприеме, КГц для AM (535-1605 кГц) и МГц для FM (88-108 МГц).
Как обсуждалось ранее, выходной ток составляет примерно экспоненциальная функция входного напряжения:
(137)
и вообще экспоненциальная функция может быть аппроксимирована первым несколько членов разложения ряда Тейлора:
т.е. (138)
Если входное напряжение содержит две частотные составляющие, то выходной ток можно приблизительно рассчитать как:

где мы использовали тождества тригонометрии:
(140)
Мы видим, что содержит много новых частотных составляющих помимо к двум исходным частотам и, включая , , , а также .Поэтому эта транзисторная схема называется частотным смесителем. Правильно фильтрация в цепи, следующей за смесителем, одной из таких частот, например, разность частот («частота ударов») усиливается, а все остальные частотные составляющие подавляются.
Обратите внимание, что конкретное нелинейное поведение схемы не имеет значения, поскольку разложение в ряд Тейлора любой нелинейной функции будет содержать константу, члены первого и второго порядка в качестве экспоненциальной функции, принятой выше, и в результате будут те же частотные составляющие.
Смеситель частоты — важный компонент в супергетеродинный прием который используется во всем современном радио- и телевещании. Здесь частота гетеродина заменяется конденсатором переменной емкости, который можно регулировать вместе с конденсатором схемы настройки, поэтому что гетеродина меняется с несущей частота (радиочастота) принимаемого сигнала вещания антенной таким образом, чтобы их разница всегда была постоянной:
(141)
Принципиальная схема простого супергетеродинного радиоприемника представлена ниже.Обратите внимание, что первый транзистор — это генератор, который также принимает сигнал от схема настройки LC в основании, то есть это также смеситель, который смешивает два частоты. Следующие два транзистора усиливают частотную составляющую сигнала смесителя, но
Мой 40-летний роман с замечательным усилителем — усилитель класса B для аудиофилов
Современная высококачественная аудиосистема имеет отличные характеристики и практически идеально звучит. Почти идеально, но не совсем.В аудиосистемах отсутствует один очень важный атрибут — атрибут, который мы называем «присутствием». В этой статье обсуждается альтернативная конструкция усилителя мощности со звуком, которого часто не хватает в обычных усилителях.
Примечание. По многочисленным просьбам файлы LTspice для схемы, обсуждаемой здесь, доступны в конце статьи.
Даже самые лучшие коммерчески доступные аудиосистемы лишены реального присутствия — хотя звук может быть кристально чистым, вы никогда не перепутаете записанные голоса с реальными голосами или записанное пианино с настоящим фортепиано.Человеческое ухо сразу понимает разницу.
Как слушатели, даже как слушатели-аудиофилы, мы не беспокоимся об этом отсутствии присутствия, потому что мы пришли к выводу, что то, что мы слышим от современной аудиосистемы, настолько хорошо, насколько это возможно. Однако это неправда, и с этим не нужно мириться.
Отсутствие присутствия происходит почти полностью в результате искажений, присущих основной конструкции всех коммерческих усилителей мощности. Вы заметили, насколько четче звучат наушники? Это связано с тем, что они управляются маломощными усилителями.
«Блок-схема обычного усилителя класса B с двумя половинами дополнительного выходного каскада, представленными субусилителями X и Y». Из статьи Питера Бломли 1971 года (PDF).
В этой статье я демонстрирую, что существует альтернативная конструкция усилителя мощности, которая практически не подвержена искажениям и обеспечивает звук, которого так не хватает обычным усилителям. Этот усилитель был разработан более сорока лет назад, но, несмотря на его превосходную точность, он никогда не производился в коммерческих целях.
Я расскажу об идее «чужих частот» и их влиянии на качество прослушивания. Затем я покажу, как этот оригинальный и по-настоящему пригородный усилитель успешно минимизирует искажения и не генерирует мешающие частоты.
Эта конструкция настолько эффективна, а выход настолько чист, что создает ощущение присутствия звука, которое невозможно игнорировать.
Чтобы понять, почему коммерческие усилители производят звук, который очень хороший, но ему не хватает присутствия, я начну с обсуждения чувствительности человеческого уха.Затем я исследую типы искажений и то, как они влияют на то, что мы на самом деле слышим.
Наконец, в качестве потенциального дополнения к оригинальному дизайну, я расскажу об искажении, вызванном «отсечением», и о том, как уменьшить его резкость.
Краткий анекдот о граммофоне
Недавно я пошел навестить друга-энтузиаста, который хотел показать мне настоящий заводной граммофон 1890-х годов с настоящей иглой из шипа и настоящим рогом «Голос Его Учителя», который он только что купил.
Голос его учителя, написанный Фрэнсисом Барро в 1898 году.
При покупке граммофона были приобретены очень старые пластинки со скоростью вращения 78 об / мин, сделанные непосредственно у оригинального мастера по воску — огромный рог записывающего граммофона был помещен рядом с оркестром, а игла прорезала спиральную канавку, используя только звуковую энергию, в пластине. покрыт тонким слоем воска. Это была оригинальная запись Карузо в хорошем состоянии в полном великолепном голосе! Также были оркестровые и хоровые записи.
Все они были сделаны до изобретения триода, поэтому при их производстве не использовалась электроника.Чтобы подбодрить друга, я согласился послушать, ожидая неприятно искаженного звука. Как я и подозревал, было шипение и треск, но музыка! Чисто и ясно, вы можете полностью и красиво слышать каждый инструмент и каждый голос, даже с хором и источником монофонической записи. Карузо действительно заслуживает своей репутации. Звучало ЖИВОЕ и НАСТОЯЩЕЕ, хотя было сделано в 1902 году.
Так почему же современным усилителям со всеми замечательными улучшениями, которых мы достигли в электронных технологиях, не хватает этого важного качества присутствия?
Как человеческое ухо воспринимает гармонические искажения
Человеческое ухо необычайно чувствительно.В идеальных условиях ухо может слышать звуки из барабанной перепонки, движущиеся всего на диаметр атома водорода (~ 10-10 м). Любопытно, что хотя человеческое ухо может быть очень чувствительно к одним вещам, оно не очень чувствительно к другим вещам. Например, чтобы заметить изменение громкости, необходимо удвоить мощность (3 дБ).
Итак, если бы вы увеличили, скажем, вторую гармонику на 5%, это был бы необычный человек, который это заметил бы. Таким образом, истинное чистое гармоническое искажение ниже 10% практически невозможно обнаружить и не имеет значения даже для самого лучшего Hi-Fi.Однако инженеру легко измерить гармонические искажения с высокой степенью точности и вплоть до очень низких уровней, поэтому о нем много говорят, даже если в долгосрочной перспективе это не имеет большого значения!
Подумайте, как вы мгновенно опознаете голос своей матери, даже по низкочастотному телефону. Это делается с помощью гармонического содержания, и человеческое ухо очень глубоко настроено на гармоническое содержание: «Ты простудился, мама !?» можно спросить после всего лишь одного предложения от нее.
Это показывает нам, что введение дополнительных гармоник действительно очень слышно (всего лишь 0.01% легко определяется как звук другого типа).
Интермодуляционные искажения
Любые две частоты, пропущенные через нелинейный усилитель, будут давать суммарную частоту и разностную частоту в дополнение к исходным частотам. Амплитуда этих дополнительных частот («ложные частоты») связана с величиной нелинейности. Это интермодуляционные искажения, и их очень трудно измерить, особенно на очень низких уровнях, которые все еще остаются значительными для человеческого уха.Эти дополнительные нежелательные ложные частоты выходят за рамки нашей стандартной музыкальной шкалы, и даже небольшие количества делают музыку «мутной».
Музыка или голос состоит из сотен наложенных друг на друга частот в любой момент (как это описал математик Джозеф Фурье). По мере того, как этот набор частот проходит через усилитель, к исходному сигналу добавляются дополнительные «ложные частоты» малой амплитуды, и человеческое ухо очень чувствительно к этому дополнительному частотному содержанию и сразу же определяет, что звук не настоящий.Это важная причина, по которой вы никогда не путаете, скажем, голоса по телевизору или радио с реальными посетителями, даже когда находитесь в другой комнате.
Даже очень хорошие обычные усилители не принимаются за настоящие! Преобразователи (например, игла на пластинке или громкоговоритель) обычно достаточно линейны (конечно, аудиофильские версии), поэтому они не вносят много ложных частот, хотя их гармонические искажения (из-за резонансов и т. Д.) Могут быть довольно большими. Слабым местом Hi-Fi-системы, независимо от ее численно очевидных превосходных характеристик, обычно является только усилитель.
Кроссовер с искажениями
Анализ усилителя
показывает, что усилитель класса B имеет искажения без обратной связи около 33%, а усилитель класса A имеет искажения без обратной связи около 8% и звучит лучше, чем класс B. использование выходных транзисторов в качестве выпрямителей для разделения плюсовой и минусовой половин сигнала, а также последующее раздельное усиление этих половин («двухтактная»).
Когда силовой транзистор управляет током коллектора ниже примерно 15 мА, усиление резко падает.Если бы можно было предотвратить падение тока в транзисторах выходной мощности ниже 15 мА в эту нелинейную область, это значительно улучшило бы ситуацию. Это изменение усиления вызывает кроссоверные искажения, характерные для усилителей класса B.
Обратите внимание, что это искажение кроссовера не следует путать с искажением звука, часто также называемым искажением кроссовера, которое возникает, когда аудиосигналы разделены на полосы частот, как в схемах громкоговорителей, чтобы подать соответствующий частотный диапазон на каждый дискретный блок драйвера.
Переходные интермодуляционные искажения
Современный усилитель искажений управляется отрицательной обратной связью, которая уменьшает искажение пропорционально обратной связи. Усиление дешево, поэтому очевидная нелинейность может быть снижена до сколь угодно низкого уровня с помощью достаточной обратной связи.
Но сигналу обратной связи требуется время, чтобы пройти через усилитель и вернуться на вход отрицательно, чтобы подавить искажения. Таким образом, когда происходят внезапные изменения (переходные процессы), есть период, в течение которого оголенный усилитель подвергается воздействию внешнего мира, и нелинейность добавляет ложные интермодуляционные сигналы к исходным, которые не полностью отменяются обратной связью.Это переходные интермодуляционные искажения. Что вам нужно, так это усилитель без искажений перед подачей обратной связи. Искажения в усилителе класса B без покрытия настолько плохи, что большинство анализов, кажется, рассматривают только искажения с обратной связью.
Одной из причин того, что современные усилители звучат лучше, чем их старые аналоги (использующие, по сути, те же схемы класса A или B, что и всегда), является увеличение быстродействия компонентов. Дискретные компоненты с частотой в несколько гигагерц находятся в свободном доступе, и даже дешевые силовые транзисторы имеют частоту ^– многих МГц.Это означает, что время обратной связи действительно очень мало.
Отсечение искажений и их смягчение
Транзисторные усилители, доведенные до насыщения, звучат ужасно, потому что вершины сигнала очень резко обрезаны, что приводит к прямоугольным углам и огромному взрыву неприятных гармоник. Я ловлю себя на том, что жду, чтобы вздрогнуть, когда обычный усилитель сильно крутится.
С другой стороны, около точки отсечки клапаны имеют довольно мягкую нелинейную характеристику, что приводит к округленной сжатой синусоиде, которая содержит меньше паразитных гармоник и звучит намного лучше, чем прямоугольная синусоида транзисторного усилителя. жестко гонят.
Простая схема, изобретенная Карлом Ф. Уитли-младшим (патент США № 3 786 364/1974), использует один транзистор и три резистора (TRP и RP1, RP2 и RP3) для каждого выходного транзистора (см. Ниже).
Полный усилитель Blomley с дополнительным выходом и защитой от клиппирования. Нажмите, чтобы увеличить.
Он измеряет комбинацию напряжения (RP3) и тока (= напряжение на RP2) в выходных транзисторах и когда комбинация этих двух напряжений превышает примерно 0.6V BE включает ТРП и снимает привод на выходы.
Обратите внимание, что 0,6 В является номинальным, и некоторый ток начинает течь, когда Vbe превышает ~ 0,45 В, так что это «мягкое» выключение. У него два преимущества:
Делает усилитель мягким «зажимом», очень похожим на конструкции клапанов, что делает звук очень щадящим и предотвращает «съеживание».
Защищает выходные транзисторы от большинства злоупотреблений.
Новый подход Питера Бломли к конструкции усилителя класса B
В выпусках журнала Wireless World за февраль и март 1971 года Питер Бломли опубликовал революционную и очень плотно сконцентрированную статью «Новый подход к конструкции усилителя класса B» (PDF) в двух частях (запатентовано Plessey, No.53916.69, хотя срок действия этого патента давно истек).
Очень умная деталь усилителя, которую он описывает, заключается в том, что Бломли разделил входящий сигнал на верхнюю и нижнюю половины перед подачей отдельных сигналов на выходные транзисторы. Затем он легко смог сконструировать выходные транзисторы так, чтобы они работали только в своей линейной области (выше коллекторного тока ~ 15 мА).
Кроме того, он заметил, что с сигналами напряжения диоды очень нелинейны, но если вы используете источник тока, диод настолько близок к теоретическому идеалу, что его действительно можно назвать идеальным (разница между 10 ⁹ прямой и обратный ток в дешевых диодах).
Как показано на схеме выше, он использовал источник постоянного тока (Tr6) и имел переменный сток (Tr3). Разность тока управляет диодами, которые на самом деле являются транзисторами, используемыми в качестве диодов (Tr4 и Tr5) для выпрямления тока. При использовании здесь очень высокочастотных транзисторов переход от «верхнего» сигнала к «нижнему» сигналу был настолько быстрым, что он превышал 100 кГц.
«Новый подход к усилителю класса B, в котором SUb-усилители смещены над нелинейной областью и питаются однонаправленными сигналами, создаваемыми диодами.Это эффективно переносит разделение сигнала от субусилителей на отдельную часть схемы ». Из Питера Бломли (PDF).
Конечным результатом этой сложной для понимания схемы (мы привыкли к цепям напряжения) является усилитель класса B с искажениями ниже 0,1% и без обратной связи. А на осциллографе нет заметных кроссоверных искажений без обратной связи.
После применения небольшой обратной связи возникают неизмеримые интермодуляционные искажения, переходные интермодуляционные искажения и гармонические искажения.Результирующий выходной сигнал этого усилителя настолько четкий, что записанный голос можно легко принять за живого человека. Усилитель Питера Бломли — это усилитель класса B с характеристиками намного лучше, чем класса A.
И все же Питер Бломли и его усилитель практически не получили признания в мире аудио более 40 лет. Я предлагаю две причины для этого. Во-первых, его дизайн был настолько оригинальным и неожиданным, что мало кто его понимал или воспринимал всерьез. Во-вторых, Бломли никогда не запускал свой проект в коммерческое производство, потому что у Плесси был патент, поэтому еще меньше людей могли его послушать или оценить его работу.
Большинство аудио-энтузиастов, сконструировавших свой собственный усилитель Blomley, изменили конструкцию и тем самым внесли искажения. Я предлагаю вам создать оригинальный дизайн (возможно, с небольшими изменениями, допускаемыми современными компонентами) и послушать его. Это даст вам эталонный звук для проверки любых дальнейших модификаций, с которыми вы, возможно, захотите поэкспериментировать.
К сожалению, так долго игнорируя дизайн Бломли, мир аудио лишился принципиально лучшего усилителя.Вместо этого мы приложили все усилия в течение последних сорока лет, пытаясь смягчить то, что мы считали неизбежными неотъемлемыми характеристиками электронных усилителей, особенно усилителей класса B. Смелость Питера Бломли как молодого инженера заключалась в том, чтобы задаться вопросом, насколько неизбежны эти характеристики на самом деле, и затем приступить к их разработке с помощью своего усилителя.
Сегодня доступны превосходные высоковольтные, быстродействующие транзисторы, что делает усилитель Бломли даже лучше, чем его версия 1971 года.
Изначально усилитель был разработан для усилителя мощностью 30 Вт с шиной питания 60 В, и из-за чистоты этого более чем достаточно для обычного домашнего использования. В 1971 году малосигнальные транзисторы на 100 В были редкостью, но теперь это не так, и теперь можно использовать шину питания на 80 В с другими транзисторами, увеличивая мощность до 50 Вт. Однако высокая громкость звука не нужна, так как звук исключительно чистый. Огромный запас мощности, который есть у большинства усилителей, есть, так что вы можете воспроизводить их на большой громкости и похоронить вызванные кроссовером интермодуляционные искажения на высоком уровне звука (что действительно печально).
Заключение
40 лет назад я влюбился в ясность и чистоту звука усилителя Blomley, но мне потребовалось много времени, чтобы разобраться в схеме и оценить великолепие Питера Бломли. Я построил несколько таких усилителей, и, если я буду придерживаться оригинального дизайна Бломли, все они звучали лучше, чем превосходно.
Человеческий отклик, в том числе и наш, часто трудно объяснить, но я обнаружил, что с усилителем Blomley обычные люди обнаруживают, что хотят слушать музыку гораздо больше, чем с обычными усилителями высшего класса.Они не понимают почему, они просто в конечном итоге слушают больше музыки, чаще — безусловно, окончательное испытание. Прослушивание усилителя Бломли вызывает привыкание. Я определенно нашел это так, как и многим другим, кому посчастливилось испытать этот необычный усилитель.
На самом деле сложно использовать для фоновой музыки; люди обычно перестают говорить и начинают слушать музыку. Его присутствие убедительно.
В своей статье Питер Бломли выразил ту самую мысль 1970-х годов, которая гласила: «На мой взгляд, производительность усилителя такого калибра теряется в обычной аудиосистеме.«Я построил свой первый Blomley и сразу понял, что не могу согласиться с его мнением. Моя мать, которая была до крайности болтливой, просидела всю «Пиратов Пензанса», не сказав ни слова! Это были 1970-е, и с тех пор другие компоненты аудиосистемы прошли долгий путь.
Выбор усилителя Blomley теперь, безусловно, оправдан и является лучшим способом в полной мере воспользоваться техническими достижениями, достигнутыми во всех других компонентах аудиосистемы.
Примечания к схеме
В большинстве усилителей, которые я построил, я использовал квазикомплементарную схему выходных транзисторов, но в настоящее время легко доступны согласованные комплементарные силовые транзисторы. Это действительно не имеет значения!
Следует проявлять особую осторожность, чтобы физически отделить вход от выхода, чтобы предотвратить высокочастотную обратную связь. Этот усилитель достаточно быстр для использования на радиочастотах.
У меня есть файл LTspice, если кому интересно с ним поиграться.[Примечание редактора: файлы LTspice вы можете найти ниже.]
Список литературы
«Новый подход к конструкции усилителей класса B» Питера Бломли в Wireless World, февраль и март 1971 г.
«Теория переходных интермодуляционных искажений» Отала, Матти и Лейнонен, Ээро в области акустики, обработки речи и сигналов, транзакции IEEE (февраль 1977 г.)
«Метод измерения переходных интермодуляционных искажений (TIM)» Ээро Лейнонена, Матти Отала и Джона Керла в журнале Общества звукоинженеров, том 25, выпуск 4, с.170-177; Апрель 1977
«Постройте усилитель с низким TIM», У. Маршалл Лич в аудио, февраль 1976 г.
Файлы SPICE
BlomleyCircuitsLTSpice.zip
Примечание. Автор изменил файлы LTspice на основе отзывов сообщества. Представленные выше файлы являются улучшенной версией, обновленной 22.06.2018.
Усилители
классов от A до H
У инженеров и аудиофилов есть одна общая черта, когда дело касается усилителей. Им нужен дизайн, обеспечивающий прочный баланс между производительностью, эффективностью и стоимостью.
Если вы инженер, заинтересованный в выборе или разработке усилителя, наиболее подходящего для ваших нужд, вам будет полезна статья обозревателя Роберта Лакоста в декабрьском выпуске Circuit Cellar . В его статье дается всесторонний обзор характеристик, сильных и слабых сторон различных классов усилителей, чтобы вы могли выбрать лучший для своего приложения.
Статья, вполне логично, проходит от класса A до класса H (но затрагивает только более туманный класс T, который, похоже, является созданием специально созданного разработчика).
«Теория проста, но возникают трудности, когда вы действительно хотите создать реальный усилитель», — говорит Лакост. «Каков ваш конкретный выбор в качестве последнего каскада усиления?»
Отрывки из следующих статей частично отвечают на этот вопрос. (Для более полного руководства загрузите полную статью, опубликованную в выпуске Circuit Cellar за декабрь 2013 г.)
КЛАСС A
Первым и самым простым решением было бы использование одного транзистора в линейном режиме (см. Рисунок 1 )… В основном транзистор должен быть смещен, чтобы напряжение коллектора было близко к V _CC/2, когда на вход не подается сигнал.Это позволяет выходному сигналу качаться.
Рисунок 1. Усилитель класса A может быть построен на простом транзисторе. Транзистор должен быть смещен, чтобы он оставался в линейной рабочей области (то есть транзистор всегда был проводящим).
либо выше, либо ниже этого напряжения покоя, в зависимости от полярности входного напряжения….

У этого решения множество преимуществ: простота, отсутствие необходимости в биполярном источнике питания и отличная линейность, если выходное напряжение не приближается слишком близко к шинам питания.Это решение считается идеальным эталоном для аудио приложений. Но есть и обратная сторона медали.
Поскольку через его коллектор протекает непрерывный ток даже при отсутствии входного сигнала, это означает низкую эффективность. Фактически, КПД базового усилителя класса A едва превышает 30%…
КЛАСС B
Как можно повысить эффективность усилителя? Вы хотите, чтобы в выходных транзисторах не протекал постоянный ток.
В усилителях класса B используется пара комплементарных транзисторов в двухтактной конфигурации (см. Рисунок 2 ). Транзисторы смещены таким образом, что один из транзисторов ведет себя при положительном входном сигнале, а другой — при отрицательном. Оба транзистора никогда не проводят одновременно, поэтому потерь очень мало. Ток всегда идет на нагрузку…
Усилитель класса B имеет более высокий КПД по сравнению с усилителем класса A.Это здорово, но есть и обратная сторона, правда? К сожалению, да.
Обратной стороной является перекрестное искажение…
Рисунок 2 — Усилители класса B обычно построены на паре комплементарных транзисторов (слева). Каждый транзистор проводит 50% времени. Это сводит к минимуму потери мощности, но за счет кроссоверных искажений при каждом переходе через ноль.
КЛАСС AB
Как видно из названия, усилители класса AB находятся где-то посередине между классом A и классом B.Взгляните на схему класса B, показанную на , рис. 2. Если вы немного измените смещение транзистора, это позволит небольшому току непрерывно течь через транзисторы, когда нет входа. Этот ток не такой высокий, как тот, который нужен для усилителя класса А. Однако этот ток обеспечит небольшой общий ток, близкий к переходу через нуль.
Только один транзистор работает, когда входной сигнал имеет достаточно высокое напряжение (положительное или отрицательное), но оба будут проводить около 0 В.Следовательно, эффективность усилителя класса AB лучше, чем у усилителя класса A, но хуже, чем у усилителя класса B. Более того, линейность усилителя класса AB лучше, чем у усилителя класса B, но не так хороша, как у усилителя класса A.
Эти характеристики делают усилители класса AB хорошим выбором для большинства недорогих конструкций…
КЛАСС C
Нет усилителя звука класса C Почему? Это связано с тем, что усилитель класса C очень нелинейный.Как это может быть полезно?
РЧ-сигнал состоит из высокочастотной несущей с некоторой модуляцией. Результирующий сигнал часто бывает довольно узким с точки зрения частотного диапазона. Более того, большой класс радиочастотных модуляций не изменяет амплитуду несущего сигнала.
Например, при частотной или фазовой модуляции размах напряжения несущей всегда стабильный. В таком случае можно использовать нелинейный усилитель и простой полосовой фильтр для восстановления сигнала! …
Усилитель класса C может иметь хороший КПД, поскольку нигде нет резисторов с потерями.Он достигает 60% или даже 70%, что хорошо для высокочастотных схем. Более того, требуется только один транзистор, что является ключевым фактором снижения стоимости при использовании дорогих ВЧ-транзисторов. Таким образом, высока вероятность того, что пульт дистанционного управления для гаражных ворот оснащен усилителем RF класса C.
КЛАСС D
Класс D в настоящее время является лучшим решением для любого недорогого, высокомощного низкочастотного усилителя, особенно для аудиоприложений. На рисунке 5 показана его простая концепция.
Во-первых, кодер PWM используется для преобразования входного сигнала из аналогового в однобитовый цифровой формат. Этого можно легко добиться с помощью генератора пилообразной формы и компаратора напряжения, как показано на Рисунок 3 .
Выход этой секции представляет собой цифровой сигнал с рабочим циклом, пропорциональным входному напряжению. Если входной сигнал поступает от цифрового источника (например, проигрывателя компакт-дисков, цифрового радио, компьютерной аудиоплаты и т. Д.), То нет необходимости нигде использовать аналоговый сигнал.В этом случае сигнал ШИМ может быть непосредственно сгенерирован в цифровой области, что позволяет избежать потери качества….
Как вы уже догадались, усилители класса D не лишены трудностей. Во-первых, как и в любой архитектуре выборки, частота ШИМ должна быть значительно выше, чем самая высокая частота входного сигнала, чтобы избежать наложения спектров… Вторая проблема усилителей класса D связана с электромагнитной совместимостью (ЭМС)…
Рисунок 3 — Класс A -D усилитель — это разновидность цифрового усилителя.Выходом компаратора является сигнал ШИМ, который усиливается парой цифровых переключателей с малыми потерями. Вся магия происходит в выходном фильтре.
КЛАСС E и F
Помните, что класс C предназначен для ВЧ-усилителей, с использованием транзистора, проводящего только часть периода сигнала, и фильтра. Класс E является усовершенствованием этой схемы, обеспечивая еще больший КПД от 80% до 90%. Как?
Помните, что в усилителе класса C потери возникают только в выходном транзисторе.Это связано с тем, что другие части представляют собой конденсаторы и катушки индуктивности, которые теоретически не рассеивают мощность.
Поскольку мощность — это напряжение, умноженное на ток, мощность, рассеиваемая в транзисторе, будет равна нулю, если либо напряжение, либо ток будут равны нулю. Это то, что пытаются сделать усилители класса E: гарантировать, что выходной транзистор никогда не будет иметь одновременно высокого напряжения на его выводах и большого тока, протекающего через него….
КЛАСС G И КЛАСС H
Класс G и класс H — это поиски большей эффективности по сравнению с классическим усилителем класса AB.Оба работают от блока питания. Идея проста. Для высокой выходной мощности необходим высоковольтный источник питания. Для маломощных это высокое напряжение означает более высокие потери в выходном каскаде.
Как насчет снижения напряжения питания, когда требуемая выходная мощность достаточно мала? Эта схема умна, особенно для аудиоприложений. В большинстве случаев для воспроизведения музыки требуется всего пара ватт, даже если во время фортиссимо требуется гораздо больше энергии. Я согласен, что это может быть не так для музыки некоторых подростков, но концепция такова.
Класс G обеспечивает это улучшение за счет использования более одной стабильной шины питания, обычно двух. Рисунок 4 показывает вам концепцию.
Рис. 4. В усилителе класса G используются две пары шин питания. b — одна шина питания используется, когда выходной сигнал имеет низкую мощность (синий). Другая шина питания вступает в действие для высоких мощностей (красный). На кроссовере могли появиться искажения. Спонсируйте эту статью
Роберт Лакост, Франция (основатель, Alciom; обозреватель, Circuit Cellar)
Основы конструкции усилителя »Электронные заметки
Усилители
являются одним из основных строительных блоков в электронных схемах, особенно аналоговых схемах, где они обеспечивают увеличение уровня сигнала.
Концепции конструкции усилителя Включает:
Основные концепции Классы усилителя
Усилитель — это термин, который используется для описания схемы, которая увеличивает уровень входящего в нее сигнала.
Усилители
используются в самых разных областях, от аудиоприложений до радиочастот.
Однако для всех усилителей, будь то усилители постоянного тока, аудио, радиочастоты, слабого сигнала, сильного сигнала или для любого другого применения, есть много общих соображений.
Электронные усилители можно классифицировать по-разному. Они могут иметь высокое входное сопротивление, низкое выходное сопротивление, они могут иметь множество различных режимов смещения и рабочих режимов. Высокая мощность, низкий уровень шума, класс A, класс B, класс C и т. Д. Каждый тип выбирается для отдельного применения.
Обозначение схемы усилителя
Обычный символ усилителя — это треугольник, который на общих блок-схемах часто включается в квадрат, как показано ниже.
Часто символ усилителя, особенно когда он используется в самой цепи, изображается в виде треугольника, как показано ниже.
Этот второй символ обычно используется для обозначения операционного усилителя или операционного усилителя в схеме.
Основы конструкции усилителя
Усилитель можно сделать разными способами. Они могут использовать биполярные транзисторы, полевые транзисторы и даже термоэлектронные лампы / вакуумные лампы. Усилители могут быть включены в какой-либо блок схем или интегральную схему. Они могут быть даже в виде операционных усилителей, операционных усилителей.
Усилитель можно рассматривать как блок с двумя входными клеммами и двумя выходными клеммами.Поскольку заземление обычно является общим для входа и выхода, часто бывает только три клеммы: вход, выход и общий.
Усиление, входное и выходное сопротивление усилителя
Примечание. Хотя «холодные» концы входа и выхода обычно заземлены, они показаны здесь отдельно, так как это общая схема.
Усилитель имеет три основных свойства:
Входное сопротивление — R _в: Входное сопротивление — это сопротивление, которое видит источник сигнала, когда он подается на вход усилителя.Входное сопротивление станет нагрузкой для источника. Случай, когда нагрузка является чисто резистивной, является особым случаем, и, как правило, это будет импеданс. Однако для целей этого объяснения он будет считаться резистивным.
Входное сопротивление можно легко определить, измерив входной ток и напряжение и используя закон Ома для определения сопротивления.
Выходное сопротивление — R _out Выходное сопротивление — это сопротивление, которое можно считать находящимся внутри усилителя, как показано ниже.Он сформирует потенциальную сеть делителя с любой нагрузкой, приложенной к усилителю. Опять же, выход будет иметь ориентировочные и емкостные элементы, что означает, что это будет импеданс, но для большинства низкочастотных приложений и для этого объяснения его можно рассматривать как резистивный.
Выходное сопротивление можно определить путем измерения выходного напряжения в режиме холостого хода, а затем в состоянии нагрузки, то есть с приложенной нагрузкой. Зная напряжение холостого хода, сопротивление нагрузки и падение напряжения на внутреннем сопротивлении под нагрузкой, можно определить выходное сопротивление источника.
Gain: Коэффициент усиления усилителя, очевидно, является ключевым элементом его характеристик.
Коэффициент усиления усилителя по напряжению Обычно ключевым фактором, представляющим интерес, является коэффициент усиления по напряжению, A _В. Это определяется как выходное напряжение, деленное на входное: Часто внутри усилителя форма волны может быть инвертирована, и это выражается в том факте, что коэффициент усиления отрицательный. Другими словами, если бы усилитель имел абсолютное значение коэффициента усиления 5, но он инвертировал сигнал, для входа 1 вольт выход был бы -5 вольт, а при вводе в уравнение это дало бы коэффициент усиления -5. .
Выходное напряжение усилителя инвертировано, т. Е. На 180 ° не совпадает фаза с входом. Также возможно иметь коэффициент усиления по току в цепи. Это особенно полезно, когда необходимо управлять нагрузкой с низким сопротивлением. Необходимо повышать уровень тока, часто сохраняя напряжение на том же уровне. Такие схемы, как повторители эмиттера биполярных транзисторов, повторители на полевых транзисторах, буферы операционных усилителей со 100% обратной связью, и для этого используются лампы / клапаны, схемы, которые используются для этого, обычно являются катодными повторителями.При использовании схемы для обеспечения усиления по току часто необходимо убедиться, что схема имеет достаточную мощность возбуждения. Хотя схема может обеспечивать уровень усиления по току для низких уровней тока, в некоторых случаях они могут не обеспечивать высокие уровни тока, которые могут потребоваться в некоторых случаях. Используя очень очевидный пример, небольшой буфер операционного усилителя не сможет управлять большим громкоговорителем самостоятельно.
Коэффициент усиления и конструкция усилителя
Иногда бывает полезно определить коэффициент усиления мощности, обеспечиваемый усилителем, при его тестировании или проектировании.Это часто представляет большой интерес для усилителей РЧ, особенно используемых в передатчиках.
Поскольку мощность — это напряжение, умноженное на ток в цепи, выигрыш в мощности может быть просто выражен как произведение двух.
Коэффициент усиления, Ap = Av × Ai
При указании коэффициента усиления усилителя его обычно выражают в децибелах:
Коэффициент усиления мощности в дБ, ap = 10log (Ap)
Также можно использовать уровни напряжения и тока, чтобы получить усиление, выраженное в дБ, но необходимо учитывать любые изменения импеданса.
Примечание о децибелах:
Децибел, десятая часть бел, представляет собой логарифмический способ сравнения двух уровней мощности. Поскольку многие величины в электронике сильно различаются, этот логарифмический формат очень полезен.
Подробнее о децибел.
КПД усилителя
Одним из ключевых параметров конструкции любого усилителя является его КПД. Это может быть особенно важно для оборудования с батарейным питанием, для которого важен срок службы батарей.
КПД усилителя — это, по сути, выходная мощность, деленная на входную. Обычно в качестве входной мощности принимается мощность постоянного тока, подаваемая на усилитель.
КПД также выражается в процентах. Таким образом, базовая эффективность усилителя, учитывающая только вход постоянного тока, может быть взята следующим образом:
КПД = выходная мощность сигнала Потребляемая мощность постоянного тока 100%
Уровень эффективности усилителя будет зависеть от множества факторов, включая класс усилителя, насколько близко к рельсам распространяется выходной сигнал, потери в цепи и т. Д..
Классы усилителя
Ссылка на классы усилителей, включая Класс A, Класс B, Класс C, Класс AB и другие, часто можно увидеть при исследовании формы усилителя. При проектировании усилителя класс часто является одним из элементов, которые появляются в начале цикла проектирования.
Изменяя способ смещения усилителя, можно изменить способ его работы и повысить уровень эффективности, но часто за счет количества создаваемых искажений.
Некоторые из основных классов усилителей перечислены ниже:
Класс A: Для усилителя класса A он смещен так, что он проводит на протяжении всего цикла формы сигнала.Он обеспечивает линейный выход с наименьшими искажениями, но также и с наименьшим уровнем эффективности. Максимальный теоретический КПД составляет 50%, но этот уровень достигается редко, и уровни эффективности 20% или менее не являются неожиданными.
Класс B: Усилитель класса B смещен так, что он проводит более половины формы волны. Используя два усилителя, каждый из которых проводит половину сигнала, можно охватить весь сигнал. КПД намного выше, но усилитель класса B страдает от так называемых кроссоверных искажений, когда одна половина усилителя отключается, а другая начинает действовать.Это происходит из-за нелинейностей, возникающих вблизи точки выключения. Хотя максимальная теоретическая эффективность усилителя класса B составляет 78,5%, типичные уровни эффективности намного ниже.
Класс AB: Как и следовало ожидать, усилитель класса AB находится между классом A и классом B. Он пытается преодолеть перекрестные искажения, слегка включив транзисторы в их состоянии покоя, чтобы они проводили немного больше. чем на половину цикла, тем самым преодолевая кроссоверные искажения.
Класс C: Усилитель класса C смещен так, что он проводит намного меньше половины цикла. Это приводит к очень высоким уровням искажений, но также позволяет достичь очень высоких уровней эффективности. Этот тип усилителя может использоваться для РЧ-усилителей, которые передают сигнал без амплитудной модуляции — его можно без проблем использовать для частотной модуляции. Гармоники, создаваемые усилителем, эффективно работающим в режиме насыщения, могут быть удалены фильтрами на выходе.Эти усилители не используются для аудио приложений из-за уровня искажений.
Существуют и другие классы усилителей, но в них используются несколько иные методы.
Усилители
— одна из наиболее широко используемых схем — они используются для аудио, постоянного тока, радиочастоты и очень многих других приложений. Это одни из самых распространенных аналоговых схем. Существует огромное количество разнообразных схем, независимо от того, используются ли они с операционными усилителями, биполярными транзисторами, полевыми транзисторами даже со старыми электронными лампами / термоэлектронными лампами.
Какие бы устройства ни использовались в схеме, основные принципы одинаковы, и их можно применять независимо от типа используемого устройства.
Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы».