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 радиолюбительских устройств: радиоприемников и усилителей низкой (звуковой) частоты. Мы рассмотрим, как строятся простейшие усилители низкой частоты 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 отрицательными обратными связями 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 делитель напряжения 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 германиевые транзисторы 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 биполярных транзисторах. 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 сигнал звуковой 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.
