L'amplificador de transistors, malgrat la seva ja llarga història, segueix sent un tema d'estudi preferit tant per als principiants com per als ràdioaficionats veterans. I això és comprensible. És un component indispensable dels dispositius de ràdio aficionats més populars: receptors de ràdio i amplificadors de baixa freqüència (so). Veurem com es construeixen els amplificadors de transistors de baixa freqüència més senzills.
Resposta en freqüència d'amplificador
A qualsevol receptor de televisió o ràdio, a cada centre de música o amplificador de so, podeu trobar amplificadors de so de transistors (baixa freqüència - LF). La diferència entre els amplificadors de transistors d'àudio i altres tipus rau en la seva resposta en freqüència.
L'amplificador d'àudio transistor té una resposta de freqüència uniforme a la banda de freqüència de 15 Hz a 20 kHz. Això significa que tots els senyals d'entrada amb una freqüència dins d'aquest rang són convertits (amplificats) per l'amplificador.aproximadament el mateix. La figura següent mostra la corba de resposta de freqüència ideal per a un amplificador d'àudio a les coordenades "Guany de l'amplificador Ku - freqüència del senyal d'entrada".
Aquesta corba és gairebé plana de 15 Hz a 20 kHz. Això vol dir que aquest amplificador s'ha d'utilitzar específicament per a senyals d'entrada amb freqüències entre 15 Hz i 20 kHz. Per als senyals d'entrada amb freqüències superiors a 20 kHz o inferiors a 15 Hz, la seva eficiència i rendiment es deterioren ràpidament.
El tipus de resposta en freqüència de l'amplificador ve determinat pels elements elèctrics de ràdio (ERE) del seu circuit, i sobretot pels mateixos transistors. Un amplificador d'àudio basat en transistors s'acostuma a muntar en els anomenats transistors de baixa i mitjana freqüència amb una amplada de banda total de senyals d'entrada des de desenes i centenars de Hz fins a 30 kHz.
Classe d'amplificador
Com sabeu, en funció del grau de continuïtat del flux de corrent al llarg del seu període a través de l'etapa d'amplificació del transistor (amplificador), es distingeixen les següents classes del seu funcionament: "A", "B", "AB", "C", "D ".
A la classe de funcionament, el corrent "A" flueix per l'escenari durant el 100% del període del senyal d'entrada. La cascada d'aquesta classe s'il·lustra a la figura següent.
A l'etapa d'amplificador de classe "AB", el corrent hi passa més del 50%, però menys del 100% del període del senyal d'entrada (vegeu la figura següent).
A la classe de funcionament de l'etapa "B", el corrent hi passa exactament el 50% del període del senyal d'entrada, tal com es mostra a la figura.
Finalment, a la classe d'operació de l'etapa "C", el corrent la travessa durant menys del 50% del període del senyal d'entrada.
Amplificador de transistors LF: distorsió a les principals classes de treball
A l'àrea de treball, l'amplificador de transistors de classe "A" té un baix nivell de distorsió no lineal. Però si el senyal té pujades d'impuls de tensió, que condueixen a la saturació dels transistors, apareixen harmònics més alts (fins a l'11è) al voltant de cada harmònic "estàndard" del senyal de sortida. Això provoca el fenomen de l'anomenat so transistoritzat o metàl·lic.
Si els amplificadors de potència de baixa freqüència dels transistors tenen una font d'alimentació no estabilitzada, els seus senyals de sortida es modulen en amplitud prop de la freqüència de la xarxa. Això condueix a la duresa del so a la vora esquerra de la resposta de freqüència. Diversos mètodes d'estabilització de tensió fan que el disseny de l'amplificador sigui més complex.
L'eficiència típica de l'amplificador de classe A d'un sol extrem no supera el 20% a causa del transistor sempre encès i el flux continu del component de corrent continu. Podeu fer un amplificador de classe A push-pull, l'eficiència augmentarà lleugerament, però les mitges ones del senyal es tornaran més asimètriques. La transferència de la cascada de la classe de treball "A" a la classe de treball "AB" quadruplica la distorsió no lineal, tot i que augmenta l'eficiència del seu circuit.
BEls amplificadors de classes "AB" i "B" augmenten la distorsió a mesura que disminueix el nivell del senyal. Involuntàriament, voleu augmentar el volum d'aquest amplificador per gaudir de la sensació total de la potència i la dinàmica de la música, però sovint això no ajuda gaire.
Clases de treball intermedi
La classe de treball "A" té una variació: la classe "A+". En aquest cas, els transistors d'entrada de baixa tensió de l'amplificador d'aquesta classe funcionen a la classe "A" i els transistors de sortida d' alta tensió de l'amplificador, quan els seus senyals d'entrada superen un cert nivell, entren a les classes "B" o "AB". L'eficiència d'aquestes cascades és millor que a la classe pura "A" i la distorsió no lineal és menor (fins al 0,003%). Tanmateix, també sonen "metàl·lics" a causa de la presència d'harmònics més alts al senyal de sortida.
Els amplificadors d'una altra classe - "AA" tenen un grau encara més baix de distorsió no lineal, al voltant del 0,0005%, però també hi ha harmònics més alts.
Tornar a l'amplificador de transistors de classe A?
Avui, molts especialistes en el camp de la reproducció de so d' alta qualitat defensen el retorn als amplificadors de tubs, ja que el nivell de distorsió no lineal i els harmònics més alts introduïts per aquests al senyal de sortida és òbviament inferior al dels transistors.. Tanmateix, aquests avantatges es veuen compensats en gran mesura per la necessitat d'un transformador coincident entre l'etapa de sortida del tub d' alta impedància i els altaveus de baixa impedància. Tanmateix, es pot fer un amplificador transistoritzat simple amb una sortida de transformador com es mostra a continuació.
També hi ha un punt de vista que només un amplificador híbrid de tub-transistor pot proporcionar la màxima qualitat de so, totes les etapes de les quals són d'un sol extrem, no estan cobertes per comentaris negatius i funcionen a la classe "A". És a dir, aquest seguidor de potència és un amplificador en un únic transistor. El seu esquema pot tenir la màxima eficiència possible (a la classe "A") no més del 50%. Però ni la potència ni l'eficiència de l'amplificador són indicadors de la qualitat de la reproducció del so. Al mateix temps, la qualitat i la linealitat de les característiques de tots els ERE del circuit tenen una importància especial.
A mesura que els circuits d'un sol extrem tenen aquesta perspectiva, veurem les seves opcions a continuació.
Amplificador d'un sol transistor d'extrem
El seu circuit, fet amb un emissor comú i connexions R-C per a senyals d'entrada i sortida per al funcionament en classe "A", es mostra a la figura següent.
Mostra un transistor n-p-n Q1. El seu col·lector està connectat al terminal positiu +Vcc mitjançant una resistència limitadora de corrent R3, i el seu emissor està connectat a -Vcc. L'amplificador del transistor p-n-p tindrà el mateix circuit, però els cables de la font d'alimentació s'invertiran.
C1 és un condensador de desacoblament que separa la font d'entrada de CA de la font de tensió de CC Vcc. Al mateix temps, C1 no impedeix el pas d'un corrent d'entrada altern a través de la unió base-emissor del transistor Q1. Les resistències R1 i R2 juntament amb la resistènciala transició "E - B" formen un divisor de tensió Vcc per seleccionar el punt de funcionament del transistor Q1 en mode estàtic. El típic d'aquest circuit és el valor de R2=1 kOhm i la posició del punt de funcionament és Vcc / 2. R3 és una resistència de càrrega del circuit del col·lector i s'utilitza per crear un senyal de sortida de tensió variable al col·lector.
Suposem que Vcc=20 V, R2=1 kOhm i el guany de corrent h=150. Seleccionem la tensió a l'emissor Ve=9 V, i la caiguda de tensió a la transició "A - B" és presa igual a Vbe=0,7 V. Aquest valor correspon a l'anomenat transistor de silici. Si estiguéssim considerant un amplificador basat en transistors de germani, aleshores la caiguda de tensió a la unió oberta "E - B" seria Vbe=0,3 V.
Corrent emissor, aproximadament igual al corrent del col·lector
Ie=9 V/1 kΩ=9 mA ≈ Ic.
Corrent base Ib=Ic/h=9mA/150=60uA.
Caiguda de tensió a la resistència 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 és necessari per crear un circuit per al pas de la component variable del corrent emissor (en realitat el corrent del col·lector). Si no hi fos, la resistència R2 limitaria severament el component variable, de manera que l'amplificador de transistor bipolar en qüestió tindria un guany de corrent baix.
En els nostres càlculs, vam suposar que Ic=Ib h, on Ib és el corrent de base que hi flueix des de l'emissor i que sorgeix quan s'aplica una tensió de polarització a la base. Tanmateix, a través de la base sempre (tant amb desplaçament com sense)també hi ha una corrent de fuga del col·lector Icb0. Per tant, el corrent real del col·lector és Ic=Ib h + Icb0 h, és a dir. el corrent de fuga al circuit amb OE s'amplifica 150 vegades. Si estiguéssim considerant un amplificador basat en transistors de germani, aquesta circumstància s'hauria de tenir en compte en els càlculs. El fet és que els transistors de germani tenen un Icb0 significatiu de l'ordre de diversos μA. En el silici, és tres ordres de magnitud més petit (uns quants nA), per la qual cosa normalment es descuida en els càlculs.
Amplificador de transistor MIS d'un sol extrem
Com qualsevol amplificador de transistors d'efecte de camp, el circuit en qüestió té el seu anàleg entre els amplificadors de transistors bipolars. Per tant, considereu un analògic del circuit anterior amb un emissor comú. Està fet amb una font comuna i connexions R-C per a senyals d'entrada i sortida per funcionar en classe "A" i es mostra a la figura següent.
Aquí C1 és el mateix condensador de desacoblament, mitjançant el qual la font d'entrada de CA es separa de la font de tensió de CC Vdd. Com sabeu, qualsevol amplificador de transistors d'efecte de camp ha de tenir el potencial de porta dels seus transistors MOS per sota dels potencials de les seves fonts. En aquest circuit, la porta està connectada a terra per R1, que normalment és d' alta resistència (100 kΩ a 1 MΩ) de manera que no desviï el senyal d'entrada. Pràcticament no hi ha corrent a través de R1, de manera que el potencial de la porta en absència d'un senyal d'entrada és igual al potencial de terra. El potencial de la font és superior al potencial de terra a causa de la caiguda de tensió a través de la resistència R2. TanAixí, el potencial de la porta és inferior al potencial de la font, que és necessari per al funcionament normal de Q1. El condensador C2 i la resistència R3 tenen la mateixa finalitat que en el circuit anterior. Com que es tracta d'un circuit de font comuna, els senyals d'entrada i sortida estan desfasats en 180°.
Amplificador de sortida del transformador
El tercer amplificador de transistor simple d'una sola etapa, que es mostra a la figura següent, també es fa d'acord amb el circuit emissor comú per al funcionament de la classe "A", però està connectat a un altaveu de baixa impedància mitjançant un equip coincident. transformador.
El bobinatge primari del transformador T1 és la càrrega del circuit del col·lector del transistor Q1 i desenvolupa un senyal de sortida. T1 envia el senyal de sortida a l' altaveu i assegura que la impedància de sortida del transistor coincideix amb la impedància baixa (de l'ordre d'uns pocs ohms) de l' altaveu.
El divisor de tensió de la font d'alimentació del col·lector Vcc, muntat sobre les resistències R1 i R3, proporciona l'elecció del punt de funcionament del transistor Q1 (subministrant una tensió de polarització a la seva base). La finalitat dels elements restants de l'amplificador és la mateixa que en els circuits anteriors.
Amplificador d'àudio push-pull
L'amplificador de baixa freqüència push-pull de dos transistors divideix el senyal d'àudio d'entrada en dues mitges ones fora de fase, cadascuna de les quals s'amplifica amb la seva pròpia etapa de transistor. Després de realitzar aquesta amplificació, les mitges ones es combinen en un senyal harmònic complet, que es transmet al sistema d' altaveus. Aquesta transformació de baixa freqüènciaEl senyal (divisió i refusió), per descomptat, provoca una distorsió irreversible en ell, a causa de la diferència de freqüència i propietats dinàmiques dels dos transistors del circuit. Aquesta distorsió redueix la qualitat del so a la sortida de l'amplificador.
Els amplificadors push-pull que funcionen a la classe "A" no reprodueixen prou bé els senyals d'àudio complexos, ja que un corrent constant augmenta constantment als seus braços. Això condueix a una asimetria de les semiones del senyal, distorsions de fase i, en definitiva, a la pèrdua de la intel·ligibilitat del so. Quan s'escalfen, dos potents transistors duplican la distorsió del senyal a les freqüències baixes i infrabaixes. Tot i així, el principal avantatge del circuit push-pull és la seva eficiència acceptable i l'augment de la potència de sortida.
El circuit amplificador de potència del transistor push-pull es mostra a la figura.
Aquest és un amplificador de classe "A", però també es pot utilitzar la classe "AB" i fins i tot "B".
Amplificador de potència de transistor sense transformador
Transformers, malgrat els avenços en la seva miniaturització, segueixen sent els ERE més voluminosos, pesats i cars. Per tant, es va trobar una manera d'eliminar el transformador del circuit push-pull fent-lo funcionar amb dos potents transistors complementaris de diferents tipus (n-p-n i p-n-p). La majoria dels amplificadors de potència moderns utilitzen aquest principi i estan dissenyats per funcionar a la classe "B". El circuit d'aquest amplificador de potència es mostra a la figura següent.
Els dos transistors estan connectats segons un circuit col·lector comú (seguidor de l'emissor). Per tant, el circuit transfereix la tensió d'entrada a la sortida sense amplificació. Si no hi ha cap senyal d'entrada, els dos transistors es troben a la vora de l'estat encès, però estan apagats.
Quan s'introdueix un senyal harmònic, la seva mitja ona positiva obre TR1, però posa el transistor p-n-p TR2 en mode de tall total. Així, només la mitja ona positiva del corrent amplificat flueix per la càrrega. La mitja ona negativa del senyal d'entrada només obre TR2 i apaga TR1, de manera que la mitja ona negativa del corrent amplificat es subministra a la càrrega. Com a resultat, un senyal sinusoïdal amplificat a tota potència (a causa de l'amplificació actual) es lliura a la càrrega.
Amplificador d'un sol transistor
Per assimilar l'anterior, muntarem un simple amplificador de transistors amb les nostres pròpies mans i descobrirem com funciona.
Com a càrrega d'un transistor T de baixa potència del tipus BC107, encenem auriculars amb una resistència de 2-3 kOhm, apliquem la tensió de polarització a la base a partir d'una resistència d' alta resistència R d'1 MΩ, encenem el condensador electrolític de desacoblament C amb una capacitat de 10 μF a 100 μF al circuit base T. Alimentarem el circuit amb una bateria de 4,5 V / 0,3 A.
Si la resistència R no està connectada, aleshores no hi ha corrent de base Ib ni corrent de col·lector Ic. Si la resistència està connectada, la tensió a la base augmenta a 0,7 V i hi passa un corrent Ib \u003d 4 μA. Coeficientel guany de corrent del transistor és de 250, la qual cosa dóna Ic=250Ib=1 mA.
Després d'haver muntat un amplificador de transistor senzill amb les nostres pròpies mans, ara el podem provar. Connecteu els auriculars i col·loqueu el dit al punt 1 del diagrama. Sentiràs un soroll. El teu cos percep la radiació de la xarxa elèctrica a una freqüència de 50 Hz. El soroll que escolteu dels auriculars és aquesta radiació, només amplificada pel transistor. Expliquem aquest procés amb més detall. Una tensió de CA de 50 Hz està connectada a la base del transistor a través del condensador C. La tensió a la base és ara igual a la suma de la tensió de polarització de CC (aproximadament 0,7 V) provinent de la resistència R i la tensió del dit de CA. Com a resultat, el corrent del col·lector rep un component altern amb una freqüència de 50 Hz. Aquest corrent altern s'utilitza per moure la membrana dels altaveus cap endavant i cap enrere a la mateixa freqüència, el que significa que podem escoltar un to de 50 Hz a la sortida.
Sentir el nivell de soroll de 50 Hz no és gaire interessant, de manera que podeu connectar fonts de baixa freqüència (reproductor de CD o micròfon) als punts 1 i 2 i escoltar veu o música amplificades.
