Transistorforstærkeren er på trods af sin allerede lange historie stadig et yndet studieemne for både begyndere og veteranradioamatører. Og det er forståeligt. Det er en uundværlig komponent i de mest populære amatørradioenheder: radiomodtagere og lav (lyd) frekvens forstærkere. Vi vil se på, hvordan de enkleste lavfrekvente transistorforstærkere er bygget.
Amp frekvensrespons
I enhver tv- eller radiomodtager, i ethvert musikcenter eller lydforstærker, kan du finde transistorlydforstærkere (lavfrekvent - LF). Forskellen mellem lydtransistorforstærkere og andre typer ligger i deres frekvensgang.
Transistorlydforstærkeren har en ensartet frekvensgang i frekvensbåndet fra 15 Hz til 20 kHz. Det betyder, at alle indgangssignaler med en frekvens inden for dette område konverteres (forstærkes) af forstærkeren.cirka det samme. Nedenstående figur viser den ideelle frekvensgangskurve for en lydforstærker i koordinaterne "forstærkerforstærkning Ku - indgangssignalfrekvens".
Denne kurve er næsten flad fra 15Hz til 20kHz. Det betyder, at en sådan forstærker skal bruges specifikt til indgangssignaler med frekvenser mellem 15 Hz og 20 kHz. For inputsignaler med frekvenser over 20 kHz eller under 15 Hz forringes dets effektivitet og ydeevne hurtigt.
Typen af forstærkerens frekvensgang bestemmes af de elektriske radioelementer (ERE) i dens kredsløb og frem for alt af transistorerne selv. En audioforstærker baseret på transistorer er norm alt samlet på de såkaldte lav- og mellemfrekvenstransistorer med en samlet båndbredde af indgangssignaler fra titusinder og hundreder af Hz til 30 kHz.
Forstærkerklasse
Som du ved, afhængigt af graden af kontinuitet af strømstrømmen gennem hele dens periode gennem transistorforstærkertrinnet (forstærkeren), skelnes der mellem følgende driftsklasser: "A", "B", "AB", "C", "D ".
I driftsklasse løber strømmen "A" gennem scenen i 100 % af indgangssignalperioden. Kaskaden i denne klasse er illustreret i den følgende figur.
I klasse "AB"-forstærkertrinet løber strømmen gennem det i mere end 50 %, men mindre end 100 % af indgangssignalets periode (se figuren nedenfor).
I driftsklassen for "B"-trinet løber strømmen gennem det nøjagtigt 50 % af indgangssignalets periode, som vist på figuren.
Til sidst, i "C"-trinsdriftsklassen, løber strømmen gennem den i mindre end 50 % af inputsignalperioden.
LF-transistorforstærker: forvrængning i de vigtigste arbejdsklasser
I arbejdsområdet har klasse "A" transistorforstærkeren et lavt niveau af ikke-lineær forvrængning. Men hvis signalet har impulsstigninger i spænding, hvilket fører til mætning af transistorerne, så vises højere harmoniske (op til den 11.) omkring hver "standard" harmoniske i udgangssignalet. Dette forårsager fænomenet den såkaldte transistoriserede eller metalliske lyd.
Hvis lavfrekvente effektforstærkere på transistorer har en ustabiliseret strømforsyning, så moduleres deres udgangssignaler i amplitude nær netfrekvensen. Dette fører til hårdhed af lyden ved venstre kant af frekvensresponsen. Forskellige spændingsstabiliseringsmetoder gør designet af forstærkeren mere kompleks.
Den typiske virkningsgrad for single-ended klasse A-forstærker overstiger ikke 20 % på grund af den altid tændte transistor og det kontinuerlige flow af DC-komponenten. Du kan lave en klasse A forstærker push-pull, effektiviteten vil stige lidt, men halvbølgerne af signalet bliver mere asymmetriske. Overførslen af kaskaden fra arbejdsklassen "A" til arbejdsklassen "AB" firdobler den ikke-lineære forvrængning, selvom effektiviteten af dens kredsløb øges.
Bforstærkere af klasse "AB" og "B" forvrængning stiger, når signalniveauet falder. Man vil ufrivilligt skrue højere op for sådan en forstærker for at få den fulde fornemmelse af musikkens kraft og dynamik, men ofte hjælper det ikke meget.
Intermediate job classes
Arbejdsklasse "A" har en variation - klasse "A+". I dette tilfælde fungerer lavspændingsindgangstransistorerne på forstærkeren af denne klasse i klasse "A", og højspændingsudgangstransistorerne på forstærkeren, når deres indgangssignaler overstiger et vist niveau, går ind i klasse "B" eller "AB". Effektiviteten af sådanne kaskader er bedre end i den rene klasse "A", og den ikke-lineære forvrængning er mindre (op til 0,003%). Men de lyder også "metallisk" på grund af tilstedeværelsen af højere harmoniske i udgangssignalet.
Forstærkere af en anden klasse - "AA" har endnu lavere grad af ikke-lineær forvrængning - omkring 0,0005 %, men højere harmoniske er også til stede.
Vend tilbage til klasse A-transistorforstærker?
I dag anbefaler mange specialister inden for lydgengivelse af høj kvalitet en tilbagevenden til rørforstærkere, da niveauet af ikke-lineær forvrængning og højere harmoniske, som de indfører i udgangssignalet, åbenbart er lavere end transistorernes niveau.. Disse fordele opvejes dog stort set af behovet for en matchende transformer mellem højimpedansrørets udgangstrin og lavimpedanshøjttalerne. En simpel transistoriseret forstærker kan dog laves med en transformerudgang som vist nedenfor.
Der er også et synspunkt om, at kun en hybrid rør-transistor forstærker kan levere den ultimative lydkvalitet, hvor alle stadier er single-ended, ikke dækket af negativ feedback og fungerer i klasse "A". Det vil sige, at en sådan effektfølger er en forstærker på en enkelt transistor. Dens ordning kan have den maksim alt opnåelige effektivitet (i klasse "A") ikke mere end 50%. Men hverken kraften eller effektiviteten af forstærkeren er indikatorer for kvaliteten af lydgengivelsen. Samtidig er kvaliteten og lineariteten af egenskaberne for alle ERE'er i kredsløbet af særlig betydning.
Da single-ended kredsløb får dette perspektiv, vil vi se på deres muligheder nedenfor.
Single-ended single-transistor forstærker
Dens kredsløb, lavet med en fælles emitter og RC-forbindelser til indgangs- og udgangssignaler til drift i klasse "A", er vist i figuren nedenfor.
Det viser en n-p-n transistor Q1. Dens kollektor er forbundet til +Vcc positive terminal via en strømbegrænsende modstand R3, og dens emitter er forbundet til -Vcc. p-n-p transistorforstærkeren vil have det samme kredsløb, men strømforsyningens ledninger vil blive omvendt.
C1 er en afkoblingskondensator, der adskiller AC-indgangskilden fra DC-spændingskilden Vcc. Samtidig forhindrer C1 ikke passagen af en vekselindgangsstrøm gennem basis-emitterforbindelsen på transistoren Q1. Modstande R1 og R2 sammen med modstandovergang "E - B" danner en spændingsdeler Vcc for at vælge driftspunktet for transistoren Q1 i statisk tilstand. Typisk for dette kredsløb er værdien af R2=1 kOhm, og positionen af driftspunktet er Vcc / 2. R3 er en kollektorkredsløbsbelastningsmodstand og bruges til at skabe et variabelt spændingsudgangssignal på solfangeren.
Antag, at Vcc=20 V, R2=1 kOhm, og strømforstærkningen h=150. Vi vælger spændingen ved emitteren Ve=9 V, og spændingsfaldet ved overgangen "A - B" er taget lig med Vbe=0,7 V. Denne værdi svarer til den såkaldte siliciumtransistor. Hvis vi overvejede en forstærker baseret på germaniumtransistorer, så ville spændingsfaldet over det åbne kryds "E - B" være Vbe=0,3 V.
Emitterstrøm, omtrent lig med kollektorstrøm
Ie=9 V/1 kΩ=9 mA ≈ Ic.
Basisstrøm Ib=Ic/h=9mA/150=60uA.
Spændingsfald over modstand R1
V(R1)=Vcc - Vb=Vcc - (Vbe + Ve)=20V - 9,7V=10,3V
R1=V(R1)/Ib=10, 3 V/60 uA=172 kOhm.
C2 er nødvendig for at skabe et kredsløb til passage af den variable komponent af emitterstrømmen (faktisk kollektorstrømmen). Hvis den ikke var der, så ville modstanden R2 stærkt begrænse den variable komponent, så den pågældende bipolære transistorforstærker ville have en lav strømforstærkning.
I vores beregninger antog vi, at Ic=Ib h, hvor Ib er basisstrømmen, der strømmer ind i den fra emitteren og opstår, når en forspænding påføres basen. Men gennem basen altid (både med og uden offset)der er også en lækstrøm fra solfangeren Icb0. Derfor er den reelle kollektorstrøm Ic=Ib h + Icb0 h, dvs. lækstrømmen i kredsløbet med OE forstærkes 150 gange. Hvis vi overvejede en forstærker baseret på germaniumtransistorer, så skulle denne omstændighed tages i betragtning i beregningerne. Faktum er, at germaniumtransistorer har en signifikant Icb0 i størrelsesordenen adskillige μA. I silicium er det tre størrelsesordener mindre (ca. et par nA), så det negligeres norm alt i beregninger.
MIS-transistorforstærker med enkelt ende
Som enhver felteffekttransistorforstærker har det pågældende kredsløb sin analoge blandt bipolære transistorforstærkere. Overvej derfor en analog af det tidligere kredsløb med en fælles emitter. Den er lavet med en fælles kilde og R-C tilslutninger til ind- og udgangssignaler til drift i klasse "A" og er vist i figuren nedenfor.
Her er C1 den samme afkoblingskondensator, ved hjælp af hvilken AC-indgangskilden adskilles fra DC-spændingskilden Vdd. Som du ved, skal enhver felteffekttransistorforstærker have gatepotentialet for sine MOS-transistorer under potentialerne for deres kilder. I dette kredsløb er porten jordet af R1, som typisk er høj modstand (100 kΩ til 1 MΩ), så den ikke shunter indgangssignalet. Der er praktisk t alt ingen strøm gennem R1, så gatepotentialet i fravær af et inputsignal er lig med jordpotentialet. Kildepotentialet er højere end jordpotentialet på grund af spændingsfaldet over modstanden R2. SåGatepotentialet er således lavere end kildepotentialet, hvilket er nødvendigt for normal drift af Q1. Kondensator C2 og modstand R3 har samme formål som i det foregående kredsløb. Da dette er et fælles kildekredsløb, er input- og outputsignalerne ude af fase med 180°.
Transformer Output Amplifier
Den tredje enkelt-trins simple transistorforstærker, vist i figuren nedenfor, er også lavet i henhold til det fælles emitterkredsløb til drift i klasse "A", men den er forbundet til en lavimpedans højttaler gennem en matchende transformer.
Den primære vikling af transformer T1 er kollektorkredsløbsbelastningen af transistoren Q1 og udvikler et udgangssignal. T1 sender udgangssignalet til højttaleren og sikrer, at transistorens udgangsimpedans matcher den lave (i størrelsesordenen nogle få ohm) højttalerimpedans.
Spændingsdeleren for kollektorstrømforsyningen Vcc, samlet på modstande R1 og R3, giver valget af driftspunkt for transistoren Q1 (forsyner en forspænding til dens base). Formålet med de resterende elementer i forstærkeren er det samme som i de tidligere kredsløb.
Push-pull lydforstærker
Den to-transistor push-pull lavfrekvente forstærker opdeler indgangslydsignalet i to udfasede halvbølger, som hver forstærkes af sit eget transistortrin. Efter en sådan forstærkning er udført, kombineres halvbølgerne til et komplet harmonisk signal, som transmitteres til højttalersystemet. Sådan en transformation af lav frekvenssignal (sp altning og re-fusion) forårsager selvfølgelig irreversibel forvrængning i det på grund af forskellen i frekvens og dynamiske egenskaber af de to transistorer i kredsløbet. Denne forvrængning reducerer lydkvaliteten ved udgangen af forstærkeren.
Push-pull-forstærkere, der fungerer i klasse "A", gengiver ikke komplekse lydsignaler godt nok, da en øget konstant strøm konstant flyder i deres arme. Dette fører til asymmetri af signalets halvbølger, faseforvrængninger og i sidste ende til tab af lydforståelighed. Ved opvarmning fordobler to kraftige transistorer signalforvrængningen i de lave og infralave frekvenser. Men alligevel er den største fordel ved push-pull-kredsløbet dets acceptable effektivitet og øgede udgangseffekt.
Push-pull transistor effektforstærkerkredsløb er vist på figuren.
Dette er en klasse "A" forstærker, men klasse "AB" og endda "B" kan også bruges.
Transformerløs transistoreffektforstærker
Transformere er på trods af fremskridtene i deres miniaturisering stadig den mest omfangsrige, tunge og dyre ERE. Derfor blev der fundet en måde at fjerne transformatoren fra push-pull-kredsløbet ved at køre den på to kraftige komplementære transistorer af forskellige typer (n-p-n og p-n-p). De fleste moderne effektforstærkere bruger dette princip og er designet til at fungere i klasse "B". Kredsløbet for en sådan effektforstærker er vist i figuren nedenfor.
Begge dens transistorer er forbundet i henhold til et fælles kollektor (emitterfølger) kredsløb. Derfor overfører kredsløbet indgangsspændingen til udgangen uden forstærkning. Hvis der ikke er noget indgangssignal, er begge transistorer på grænsen til tændt tilstand, men de er slukket.
Når der indlæses et harmonisk signal, åbner dens positive halvbølge TR1, men sætter p-n-p-transistoren TR2 i fuld cutoff-tilstand. Således flyder kun den positive halvbølge af den forstærkede strøm gennem belastningen. Indgangssignalets negative halvbølge åbner kun TR2 og slukker TR1, således at den negative halvbølge af forstærket strøm tilføres belastningen. Som et resultat afgives et sinusformet signal med fuld effekt (på grund af strømforstærkning) til belastningen.
Enkelttransistorforstærker
For at assimilere ovenstående vil vi sammensætte en simpel transistorforstærker med vores egne hænder og finde ud af, hvordan den virker.
Som en belastning af en laveffekttransistor T af type BC107 tænder vi hovedtelefoner med en modstand på 2-3 kOhm, vi påfører forspændingen til basen fra en højmodstandsmodstand R på 1 MΩ, tænder vi den elektrolytiske afkoblingskondensator C med en kapacitet på 10 μF til 100 μF i basiskredsløbet T. Vi vil drive kredsløbet fra et batteri på 4,5 V / 0,3 A.
Hvis modstand R ikke er tilsluttet, er der hverken basisstrøm Ib eller kollektorstrøm Ic. Hvis modstanden er tilsluttet, stiger spændingen ved basen til 0,7 V, og en strøm Ib \u003d 4 μA strømmer gennem den. Koefficienttransistorens strømforstærkning er 250, hvilket giver Ic=250Ib=1 mA.
Efter at have samlet en simpel transistorforstærker med vores egne hænder, kan vi nu teste den. Tilslut hovedtelefonerne og placer fingeren på punkt 1 i diagrammet. Du vil høre en støj. Din krop opfatter strålingen fra lysnettet med en frekvens på 50 Hz. Støjen du hører fra hovedtelefonerne er denne stråling, kun forstærket af transistoren. Lad os forklare denne proces mere detaljeret. En AC-spænding på 50 Hz er forbundet til transistorens basis gennem kondensator C. Spændingen ved basen er nu lig med summen af DC-forspændingen (ca. 0,7 V), der kommer fra modstand R og AC-fingerspændingen. Som et resultat modtager kollektorstrømmen en vekselkomponent med en frekvens på 50 Hz. Denne vekselstrøm bruges til at flytte højttalernes membran frem og tilbage ved samme frekvens, hvilket betyder, at vi kan høre en 50Hz tone ved udgangen.
At høre 50 Hz støjniveauet er ikke særlig interessant, så du kan tilslutte lavfrekvente kilder (cd-afspiller eller mikrofon) til punkt 1 og 2 og høre forstærket tale eller musik.
