Как транзистор усиливает звуковой сигнал

6

Биполярные транзисторы

Транзнсторы являются важнейшими полупроводниковыми цриборами. Их основная особенность заключается в усилении слабых электрических сигналов, при этом, разумеется, энергия передается от источника питния. Поэтому они используются везде, rде нeoходнмо усиление сиrналов, например, в радиоприемниках, телевнзорах, маrни- тофонах, электронной аппаратуре, автоматических устройствах и т. д.

Все транзисторы могут быть разделены на две большие группы: биполярные и полевые. Биполярные транзисторы имеют большее распространение, и мы рассмотрим, в основном, их свойства.

Биполярные транзисторы можно клас­сифицировать следующим образом.

1.В зависимости от используемого полупроводника они бывают кремние­вые и германиевые.

2.В зависимости от технологии производства они бывают эпитак­сиально-планарные, сплавные, меза-транзисторы, конверсионные и пр.

3.В зависимости от механизма движения носителей зарядов бывают диффузионные и дрейфовые.

4.В зависимости от мощности бывают маломощные (до 0,3 Вт), сред­ней мощности (от 0,3 до 3 Вт) и мощные (более 3 Вт).

5.В зависимости от граничной час­тоты бывают низкочастотные (до 3 МГц), среднечастотные (от 3 до 30 МГц), высокочастотные (от 30 до 300 МГц) и сверхвысокочастотные (выше 300 МГц).

Как показано на рис. 18.1, основную часть транзистора представляет маленький кристаллик, называемый базой (Б), на котором сделаны две спайки, называемые эмиттер (Э) и коллектор (К). При образовании этих спаек между эмиттером и базой и между коллектором и базой образуются два p—n перехода. Это получается, когда проводимость эмиттера и коллектора избирается противоположной проводимости базы. Важно отметить, что оба перехода находятся очень близко друг к другу, т.е. база очень тонкая, примерно 1 – 20 мкм.

В зависимости от проводимости эмиттера, базы и коллектора производится два типа транзисторов: n—p—n и p—n—p. Это показано на рис.18.2 вместе с их схемными обозначениями. Эти оба основных типа транзисторов имеют один и тот же принцип действия и одинаковые усилительные свойства. Однако они отличаются полярностью цепей питания.

Поскольку каждый p—n переход, в сущности, представляет собой диод, на верхнем рисунке транзистор представ­лен как совокупность двух диодов. И действительно, цепи база-эмиттер н ба­за-коллектор, взятые отдельно, имеют одностороннюю проводимость. Одна­ко, если мы возьмем два диода и сое­диним их так, как показано на нижнем рис. 18.2, то усилительного прибора не получим. Разница в том, что в транзис­торах оба перехода расположены очень близко друг к другу и между ними имеется взаимодействие. Это взаимо­действие называется еще транзистор­ным эффектом, и ему обязаны усили­тельными свойствами биполярные транзисторы.

Для предохранения от внешних влияний транзистор герметически за­крыт в металлическом или пластмассо­вом корпусе.

Как усиливает биполярный транзистор

Чтобы понять, как усиливает транзистор, рассмотрим рис. 18.3 а, где показана цепь, содержащая микрофон, батарею и громкоговоритель. Если на микрофон не подается звук, то в цепи будет протекать только постоянный ток, и громкоговоритель молчит (участок A). Если на микрофон подается звук, то ток в цепи будет содержать не только постоянную, но и переменную составляющую (участок Б), и в громкоговорителе услышим слабый звук.

Используя транзистор, мы можем усилить этот звук, Это показано на рис. 18.3б, где использованы две бата­реи питания. Если проделаем соот­ветствующие измерения, то увидим, что ток и напряжение на выходе тран­зистора значительно больше тока и на­пряжения на входе.

Важнейшей особенностью каждого усилительного элемента является зна­чительное увеличение мощности на выходе (на нагрузке) по сравнению с мощностью, поданной на вход. И по­скольку мощность — это произведение тока на напряжение (см. гл. 4), воз­можны следующие варианты усилите­лей:

1.Схема усиливает по напряжению и по току. В транзисторных усилителях этот случай наиболее желателен.

2. Схема усиливает только по напряжению, а ток на выходе почти один и тот же.

3. Схема усиливает только по току, а напряжение на выходе почти одно и то же.

Биполярный транзистор проявляет усилительные свойства в трех видах схем. которые отличаются способом включения транзисюра: с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (OK).

Качества любого усилителя зависят не только от того, во сколько раз он усиливает, но и от его входного и выходного сопротивления. В некото­рых случаях эти сопротивления даже важнее коэффициента усиления. Поэтому на практике используют все три ос­новные схемы включения транзистора, так каждая из них имеет свои преимущества и недостатки.

В схеме с ОЭ входной сигнал дейст­вует между базой и эмиттером, а нагрузка включена между коллектором и эмиттером (рис. 18.4). Эта схема усиливает и по напряжению и по току и поэтому на практике используется наиболее часто. Ее входное и выходное сопротивления не очень велики.

В схеме с ОБ входной сигнал дейст­вует между эмиттером и базой, а нагрузка включена между коллектором и базой (рис. 18.4). Эта схема усиливает только по напряжению и имеет малое входное сопротивление и большое выходное.

В схеме с ОК (ее называют еще эмиттерный повторитель) входной сигнал поступает на управляющий переход эмиттер-база, проходя через нагрузку, а сама нагрузка включена между эмиттером и коллектором (рис. 18.4). Это схема усиления по току. Ее входное сопротивление велико, а выходное мало.

Следует обратить внимание на одно важное обстоятельство: независимо от схемы включения (с ОЭ, ОБ, ОК) уп­равляющий переход в транзисторе – эмиттерный, а управляемая цепь, сопро­тивление которой изменяется, – эмит­тер-коллектор (на рис. 18.5 эта цепь изображена толстой линией).

При этом по­лярность источников питания такова, что эмиттерный переход включен всег­да в прямом направлении, а коллектор­ный – в обратном. Поэтому во всех схемах (с ОЭ, ОБ, ОК) напряжения, ко­торые действуют на управляющем участке, малы – например 0,1-0,4 В в германиевых и 0,4 — 0,8 В в кремние­вых транзисторах (рис. 18.6), в то вре­мя как напряжения коллектор-эмит­тер могут быть довольно значи­тельными – порядка 6—24 В.

Другая важная особенность транзистора – базовый ток намного меньше эмиттерного и коллекторного токов (последние два практически одинаковы).

Таким образом, основное свойство транзистора можно сформу­лировать так: малый базовый ток уп­равляет намного большим коллектор­ным током. Эта особенность показана на рис. 18.7, где видна аналогия между транзистором и водно-механическим устройством. И действительно, тонкая струя воды в трубе Б управляет толстой струей воды посредством труб К и Э. При этом струя Э равна сумме струй Б и К.

В импульсной технике транзистор чаще всего используется в качестве ключа. В этом случае он или заперт (сопротивление коллектор-эмиттер большое) или открыт (сопротивление коллектор-эмиттер мало). Это запира­ние и открывание достигается путем соответствующего запирания или про­пускания базового тока. Подобный же опыт, который можно легко проде­лать, показан на рис. 18.8. В первом случае базовый и коллекторный ток равны нулю, а во втором случае 1_Б = 2-3 мА, а I_К = 200 мА. Следова­тельно, и здесь посредством небольшо­го базового тока можно управлять до­вольно большим током в цепи коллек­тора.

Как работает усилитель звуковой частоты

Добрый день уважаемый хабраюзер, я хочу рассказать тебе о основах построения усилителей звуковой частоты. Я думаю эта статья будет интересна тебе если ты никогда не занимался радиоэлектроникой, и конечно же она будет смешна тем кто не расстаётся с паяльником. И поэтому я попытаюсь расказать о данной теме как можно проще и к сожалению опуская некоторые нюансы.

Усилитель звуковой частоты или усилитель низкой частоты, что бы разобраться как он всё таки работает и зачем там так много всяких транзисторов, резисторов и конденсаторов, нужно понять как работает каждый элемент и попробовать узнать как эти элементы устроены. Для того что бы собрать примитивный усилитель нам понадобятся три вида электронных элементов: резисторы, конденсаторы и конечно транзисторы.

Резистор

Итак, резисторы у нас характеризуются сопротивлением электрическому току и это сопротивление измеряется в Омах. Каждый электропроводящий металл или сплав металлов имеют своё удельное сопротивление. Если мы возьмём проволоку определённой длинны с большим удельным сопротивлением, то у нас получится самый настоящий проволочный резистор. Для того что бы резистор был компактным, проволоку можно намотать на каркас. Таким образом у нас получится проволочный резистор, но он имеет ряд недостатков, поэтому резисторы обычно изготавливаются из металлокерамического материала. Вот так обозначаются резисторы на электрических схемах:

Верхний вариант обозначения принят в США, нижний в России и в Европе.

Конденсатор

Конденсатор представляет из себя две металлических пластины разделённые диэлектриком. Если мы подадим на эти пластины постоянное напряжение, то появится электрическое поле, которое после отключения питания будет поддерживать на пластинах положительный и отрицательный заряды соответственно.

Основа конструкции конденсатора — две токопроводящие обкладки, между которыми находится диэлектрик

Таким образом конденсатор способен накапливать электрический заряд. Эта способность накапливать электрический заряд называется электрическая ёмкость, что есть главный параметр конденсатора. Электрическая ёмкость измеряется в Фарадах. Что ещё характерно, это то что когда мы заряжаем или разряжаем конденсатор, через него идёт электрический ток. Но как только конденсатор зарядился, он перестаёт пропускать электрический ток, а это потому что конденсатор принял заряд источника питания, то есть потенциал конденсатора и источника питания одинаковые, а если нет разности потенциалов (напряжения), нет электрического тока. Таким образом, заряженный конденсатор не пропускает постоянный электрический ток, но пропускает переменный ток, так как при подключении его к переменному электрическому току, он будет постоянно заряжаться и разряжаться. На электрических схемах его обозначают так:

Транзистор

В нашем усилителе мы будем использовать самые простые биполярные транзисторы. Транзистор изготавливают из полупроводникового материала. Нужное для нас свойство это материала, — наличие в них свободных носителей как положительных, так и отрицательных зарядов. В зависимости от того каких зарядов больше, полупроводники различают на два типа по проводимости: n-тип и p-тип (n-negative, p-positive). Отрицательные заряды — это электроны, освободившиеся с внешних оболочек атомов кристаллической решетки, а положительные — так называемые дырки. Дырки — это вакантные места, остающиеся в электронных оболочках после ухода из них электронов. Условно обозначим атомы с электроном на на внешней орбите синим кружком со знаком минус, а атомы с вакантным местом — пустым кружком:

Каждый биполярный транзистор состоит из трёх зон таких полупроводников, эти зоны называют база, эмиттер и коллектор.

Рассмотрим пример работы транзистора. Для этого подключим к транзистору две батарейки на 1,5 и на 5 вольт, плюсом к эмиттеру, а минусом к базе и коллектору соответственно (смотрим рисунок):

На контакте базы и эмиттера появится электромагнитное поле, которое буквально вырывает электроны с внешней орбиты атомов базы и переносит их в эмиттер. Свободные электроны оставляют за собой дырки, и занимают вакантные места уже в эмиттере. Это же электромагнитное поле оказывает такое же воздействие на атомы коллектора, а так как база в транзисторе достаточно тонкая относительно эмиттера и коллектора, электроны коллектора достаточно легко проходят сквозь неё в эмиттер, причём в гораздо большем количестве чем из базы.

Если же мы отключим напряжение от базы, то никакого электромагнитного поля не будет, а база будет выполнять роль диэлектрика, и транзистор будет закрыт. Таким образом при подаче на базу достаточно малого напряжения, мы можем контролировать большее поданное напряжение на эмиттер и коллектор.

Рассмотренный нами транзистор pnp-типа, так как у него две p-зоны и одна n-зона. Так же существуют npn-транзисторы, принцип действия в них такой же, но электрический ток течёт в них в противоположную сторону, чем в рассмотренном нами транзисторе. Вот так биполярные транзисторы обозначаются на электрических схемах, стрелка указывает направление тока:

Ну что ж, попробуем спроектировать из этого всего усилитель низкой частоты. Для начала нам нужен сигнал который мы будем усиливать, это может быть звуковая карта компьютера или любое другое звуковое устройство с линейным выходом. Допустим наш сигнал с максимальной амплитудой примерно 0,5 вольта при токе 0,2 А, примерно такой:

А что бы заработал самый простой 4-х омный 10 ваттный динамик, нам нужно увеличить амплитуду сигнала до 6 вольт, при силе тока I = U / R = 6 / 4 = 1,5 A.

Итак, попробуем подключить наш сигнал к транзистору. Вспомните нашу схему с транзистором и двумя батарейками, теперь вместо 1,5 вольтовой батарейки у нас у нас сигнал линейного выхода. Резистор R1 выполняет роль нагрузки, дабы не было короткого замыкания и наш транзистор не сгорел.

Но тут возникают сразу две проблемы, во-первых наш транзистор npn-типа, и открывается только при положительном значении полуволны, а при отрицательном закрывается.

Во-вторых транзистор, как и любой полупроводниковый прибор имеет нелинейные характеристики в отношении напряжения и тока и чем меньше значения тока и напряжения тем сильнее эти искажения:

Мало того что от нашего сигнала осталась только полуволна, так она ещё и будет искажена:

Это есть так называемое искажение типа ступенька.

Чтобы избавиться от этих проблем, нам нужно сместить наш сигнал в рабочую зону транзистора, где поместится вся синусоида сигнала и нелинейные искажения будут незначительны. Для этого подают на базу напряжение смещения, допустим в 1 вольт, с помощью составленного из двух резисторов R2 и R3 делителя напряжения.

А наш сигнал входящий в транзистор будет выглядеть вот так:

Теперь нам нужно изъять наш полезный сигнал с коллектора транзистора. Для этого установим конденсатор C1:

Как мы помним конденсатор пропускает переменный ток и не пропускает постоянный, поэтому он нам будет служить фильтром пропускающим только наш полезный сигнал — нашу синусоиду. А постоянная составляющая не прошедшая через конденсатор будет рассеиваться на резисторе R1. Переменный же ток, наш полезный сигнал, будет стремиться пройти через конденсатор, так сопротивление конденсатора для него ничтожно мало по сравнению с резистором R1.

Вот и получился первый транзисторный каскад нашего усилителя. Но существуют ещё два маленьких нюанса:

Мы не знаем на 100% какой сигнал входит в усилитель, вдруг всё таки источник сигнала неисправен, всякое бывает, опять же статическое электричество или вместе с полезным сигналом проходит постоянное напряжение. Это может стать причиной не правильной работы транзистора или даже спровоцировать его поломку. Для этого установим конденсатор С2, он подобно конденсатору С1 будет блокировать постоянный электрический ток, а так же ограниченная ёмкость конденсатора не будет пропускать пики большой амплитуды, которые могут испортить транзистор. Такие скачки напряжения обычно происходят при включении или отключении устройства.

И второй нюанс, любому источнику сигнала требуется определённая конкретная нагрузка (сопротивление). По этому для нас важно входное сопротивление каскада. Для регулировки входного сопротивления добавим в цепь эмиттера резистор R4:

Теперь мы знаем назначение каждого резистора и конденсатора в транзисторном каскаде. Давайте теперь попробуем рассчитать какие номиналы элементов нужно использовать для него.

• U = 12 В — напряжение питания;
• U бэ

• P max = 200 мВт — максимальная рассеиваемая мощность;
• I max = 100 мА — максимальный постоянный ток коллектора;
• U max = 18 В — макcимально допустимое напряжение коллектор-база / коллектор-эмиттер (У нас напряжение питания 12 В, так что хватает с запасом);
• U эб = 5 В — макcимально допустимое напряжение эмиттер-база (наше напряжение 1 вольт ± 0,5 вольта);
• h21 = 75-225 — коэффициент усиления тока базы, принимается минимальное значение — 75;

P ст.max = 0,8*P max = 0,8 * 200мВт = 160 мВт;

I к0 = P ст.max / U кэ, где U кэ — напряжение перехода коллектор-эмиттер. На транзисторе рассеивается половина напряжения питания, вторая половина будет рассеиваться на резисторах:

U кэ = U / 2;

I к0 = P ст.max / (U / 2) = 160 мВт / (12В / 2) = 26,7 mA;

R н = R1 + R4, где R н — общее сопротивление нагрузки;

Отношение между R1 и R4 обычно принимается 1 к 10:

R1 = R4*10;

Рассчитаем сопротивление нагрузки:

R1 + R4 = (U / 2) / I к0 = (12В / 2) / 26,7 mA = (12В / 2) / 0,0267 А = 224,7 Ом;

Ближайшие номиналы резисторов это 200 и 27 Ом. R1 = 200 Ом, а R4 = 27 Ом.

U к0 = (U кэ0 + I к0 * R4) = (U — I к0 * R1) = (12В -0,0267 А * 200 Ом) = 6,7 В;

I б = I к / h21, где I к — ток коллектора;

I к = (U / R н);

I б = (U / R н) / h21 = (12В / (200 Ом + 27 Ом)) / 75 = 0,0007 А = 0,7 mA;

R2 + R3 = U / I дел = 12В / 0,007 = 1714,3 Ом

U э = I к0 * R4 = 0,0267 А * 27 Ом = 0,72 В

Да, I к0 ток покоя коллектора, но этот же ток проходит и через эмиттер, так что I к0 считают током покоя всего транзистора.

U б = U э + U см = 0,72 + 1 = 1,72 В

Теперь с помощью формулы делителя напряжения находим значения резисторов R2 и R3:

R3 = (R2 + R3) * U б / U = 1714,3 Ом * 1,72 В / 12 В = 245,7 Ом;

Ближайший номинал резистора 250 Ом;

R2 = (R2 + R3) — R3 = 1714,3 Ом — 250 Ом = 1464,3 Ом;

Номинал резистора выбираем в сторону уменьшения, ближайший R2 = 1,3 кОм.

Заключение

На выходе каскада мы получаем пропорционально усиленный сигнал и по току и по напряжению, то есть по мощности. Но одного каскада нам не хватит для требуемого усиления, так что придётся добавлять следующий и следующий… И так далее.

Рассмотренный расчёт довольно поверхностный и такая схема усиления конечно же не используется в строении усилителей, мы не должны забывать о диапазоне пропускаемых частот, искажениях и многом другом.

Усилитель звука на транзисторах #1

Усилитель звука относится к одному из наиболее интересных электронных устройств для начинающих электронщиков или радиолюбителей. И это не удивительно, ведь если устройство собрано правильно, то достаточно подключить динамик и сразу же раздастся звук, оповещающий о том, что усилитель мощности работает. Наличие звука приносить радость успешного завершения сборки усилителя звука своими руками, а его отсутствие – разочарование. Поэтому цель данной статьи – принести радость начинающему электронщику. Но сначала все по порядку…

Усилитель мощности на транзисторах. Базовые положения

Усилитель мощности на транзисторах присутствует в том или ином виде во многих электронных устройствах. Особенно ярко выделено его применение в звуковой технике.

Современный мир электроники полностью опутан различными запоминающими устройствами: флешки, жесткие диски и т.п. Для воспроизведения информации, хранящейся в памяти накопителей, нужно, прежде всего, преобразовать и усилить ее сигналы.

Главное назначение любого усилителя состоит в преобразовании маломощного сигнала в более мощный. При этом форма его должна сохраняться и не искажаться в процессе преобразования. Иначе произойдет частичная или полная утеря информации.

Начинающим электронщикам следует помнить очень важный момент. Усиление происходит не за счет каких-либо магических свойств транзистора, а за счет энергии блока питания. Транзистор лишь управляет потоком мощности от источника питания к нагрузке. Причем он выполняет свою работу в нужные моменты времени. Отсюда становится понятно, что мощность на нагрузке ограничена лишь мощностью блока питания. Если нагрузка, например динамик, имеет мощность 10 Вт, а источник тока способен выдать только 5 Вт, то нагрузка будет способна развить только 5 Вт.

Структура усилителя состоит из источника и узла, согласующего входной сигнал с источником тока. Такое согласование позволяет получить выходной сигнал.

Устройство транзистора

Поскольку главным элементом усилителя является транзистор, то рассмотрим вкратце устройство и принцип работы это полупроводникового прибора.

Среди довольно обширного выбора полупроводниковых приборов, как по характеристикам, так и по принципу действия, в данной статье мы рассмотрим, и будем применять исключительно биполярные транзисторы (БТ).

Такой электронный прибор состоит из полупроводникового кристалла и трех, подсоединенных к нему электродов. Вся конструкция помещается в корпус, который защищает прибор от разных внешних воздействий (пыль, влага и т.п.). От корпуса отходят три вывода: база (Б), коллектор (К) и эмиттер (Э).

Существуют принципиально два типа БТ n-p-n и p-n-p структуры. Принцип работы их аналогичен, а отличие состоит лишь в полярности подключения к их выводам источника питания и радиоэлектронных элементов, имеющих полярность, например электролитических конденсаторов.

Биполярный транзистор имеет два pn-перехода, поэтому конструктивно его можно рассматривать, как два последовательно встречно соединенных диода. Точка соединения диодов аналогична базе. Но если взять два любых диода и соединить их соответствующим образом, то в такой конструкции не будут проявляться усилительные свойства. Причина в том, что у «настоящего» транзистора слишком малое расстояние между различными полупроводниковыми структурами (база-эмиттер, база-коллектор). Расстояние равно единицам микрометра, то есть несколько тысячных миллиметра (1мкм = 0,001 мм = 0,000001 м). Именно за счет малого расстояния получается транзисторный эффект.

Как работает биполярный транзистор (БТ)

Принцип работы БТ упрощенно рассмотрим на примере ниже приведенной схемы.

Базу оставим не подключенной либо соединим ее с минусом источника питания. Последний вариант более предпочтительный, поскольку исключает появление наводок на выводе.

Чтобы исключить короткое замыкание в цепь коллектора следует установить резистор Rн, он же будет служить нагрузкой. Однако при подключении источника питания Uип, ток в цепи VT и Rн протекать не будет (обратный ток мы не берем в счет, поскольку его значение слишком мало и не превышает единиц микроампер). Отсутствие тока в цепи поясняется тем, что транзистор закрыт. И если вернуться к аналогии с диодом, то мы заметим, что один из них находится под обратным напряжением, поэтому он заперт.

Открыть БТ не составит большого труда. Следует на базу относительно эмиттера (для n-p-n структуры) приложить положительный потенциал, то есть подать напряжение, например от другого источника питания – батарейки. Величина напряжения должна быть порядка 0,6 В, чтобы скомпенсировать падение напряжения на эмиттерном переходе. Резистор Rб служит для ограничения тока, протекающего в цепи базы.

Таким образом, если подать небольшое напряжение на базу, то в цепи нагрузки Rн будет протекать ток коллектора Iк. При смене полярности блока питания VT закроется. Чтобы не запутаться и правильно подключать источник питания следует обратить внимание на направление стрелки эмиттера. Она указывает на направление протекания токов Iк и Iб. Для БТ n-p-n типа Iк и Iб входят в эмиттер, а для p-n-p – выходят.

Коэффициент усиления транзистора

Токи базы Iб и коллектора Iк находятся в тесной взаимосвязи. Более того, величина тока, протекающего в цепи коллектора помимо параметров Uип и Rн определяются величиной Iб в прямопропорциональной зависимости. Отношение Iк к Iб называется коэффициентом усиления транзистора по току и обозначается буквой β («бета»):

Коэффициент усиления является одним из важнейших параметров БТ и всегда приводится в справочниках. Для большинства маломощных БТ он находится в диапазоне 50…550 единиц. В общем, β показывает во сколько раз ток коллектора больше тока базы.

Усилитель звука на транзисторах

Усилитель звука на транзисторах предназначен для повышения мощности сигнала звуковой частоты, поэтому его еще называют усилитель мощности звуковой частоты или сокращенно УМЗЧ. Источником звука, подлежащего усилению, чаще всего служит микрофон или выход звуковой карты компьютера, ноутбука, смартфона и т.п. Мощность таких источников довольно низкая и составляет микроватты, а для нормальной работы динамика (громкоговорителя) необходимо обеспечить мощность единицы и десятки ватт, а то и сотни ватт. Поэтому главной задачей УМЗЧ является повышение мощности слабого входного сигнала в тысячи и десятки тысяч раз.

Звуки раздающейся мелодии или речи имеют сложный характер. Однако любой из них, даже самой сложной формы можно разложить в ряд сигналов синусоидальной формы, отличающихся как по частоте, так и по амплитуде.

Поэтому с целью упростить пояснение принципа работы схемы УМЗЧ будем применять входной сигнал синусоидальной формы u_c. Нагрузкой на первых порах вместо динамика буде служить резистор Rн.

Однако приведенная выше схема применяется лишь для работы БТ в ключевом режиме, то есть когда полупроводниковый прибор VT находится в двух фиксированных состояниях – открытом и закрытом. Для усиления переменного сигнала данная схема непригодна, поскольку будет усиливаться только положительная полуволна входного сигнала. Для отрицательной полуволны транзистор будет закрыт. Кроме того, амплитуда входного сигнала должна быть не меньше 0,6 В, иначе просто останется незамеченным, поскольку не откроется эмиттерный переход.

Базовая схема входного каскада УМЗЧ

Чтобы схема УМЗЧ работала правильно, а это означает, усиливала без искажений положительные и отрицательные полуволны, изначально следует приоткрыть VT наполовину. Тогда положительная полуволна будет еще больше открывать БТ, а отрицательная – призакрывать его.

Приоткрыть БТ можно небольшим напряжением, поданным на базу, оно же называется напряжением смещения. Сам процесс называют установкой рабочей точки транзистора по постоянному току. Напряжение смещения зачастую подается от общего источника питания через токоограничивающий резистор Rб, согласно схемы, приведенной ниже.

Чтобы постоянное напряжение не воздействовало на источник переменного сигнала, а также не нарушался режим работы схемы по постоянному току, переменная составляющая отделяется конденсатором С1, а нагрузка подключается к коллектору через разделительный конденсатор C2 к клеммам u_вых.

Правильная установка или настройка рабочей точки транзисторного усилителя звука имеет ключевое значение, поскольку если ее установить неверно, то выходной сигнал будет иметь искажения либо вовсе отсутствовать. Чтобы установить рабочую точку пользуются выходной статической характеристикой биполярного транзистора. Она характеризует зависимость тока в цепи коллектора от приложенного напряжения между выводами коллектор-эмиттер при разных значениях тока базы. На данной характеристике располагается нагрузочная прямая, на которой выделяют три участка: 1-2, 2-3 и 3-4. Участок 1-2 называется областью отсечки – здесь БТ полностью закрыт; 3-4 – область насыщения – БТ полностью открыт; 2-3 – активная область – здесь БТ находится в приоткрытом состоянии. Участки 1-2 и 3-4 используются для работы транзистора в ключевом режиме. Активный участок 2-3 соответствует работе БТ в режиме усиления. Именного на него ориентируются при настройке рабочей точки.

Расчет параметров элементов усилителя мощности

Расчет основных параметров усилителя мощности начинается с определения сопротивления резистора, который находится в цепи коллектора Rк. Чтобы его посчитать, согласно закону Ома понадобится прежде определить падение напряжения на нем URк и ток Iк:

Напряжение URк принимают из таких соображений, чтобы на полуоткрытом транзисторе оно было, равное половине напряжения источника питания Uип. Это соответствует половине нагрузочной прямой на выходной статической характеристике – точке А.

Если рабочая точка будет находится значительно выше или ниже точки А, например А1 или А2, то выходной сигнал с усилителя будет искажаться. Произойдет срез его нижних или верхних полуволн, что отразится на ухудшении качества звука. Поэтому стоит придерживаться средней точки – т. А. Однако это не всегда оправдано, особенно для сигналов очень низкой мощности. В таком случае рабочую точку принимают насколько ниже т. А, что позволяет снизить потребление электроэнергии без искажения формы выходного сигнала.

В нашем случае будем опираться на точку А. Примем напряжение источника питания Uип = 9 В (батарейка «крона»). Тогда напряжение на резисторе Rк равно:

Коллекторный ток, называемый током покоя коллектора, принимают для расчетов 0,8…1,2 мА. Возьмем среднее значение 1 мА = 0,001 А.

Сопротивление Rк равно:

Примем ближайший стандартный номинал резистора 4,7 кОм.

Теперь определит сопротивление в цепи базы Rб:

Коэффициент усиления БТ легко и с достаточной точность можно определить мультиметром. Для pn2222 я определил значение 170 единиц.

Более точную установку тока покоя коллектора устанавливают переменным резистором, включенным в цепь базы и изменяют его до тех пока, пока значение Iк станет равным 1мА. При этом ориентируются на показания миллиамперметра, установленного в цепь коллектора.

Ниже приведены схемы входных каскадов усилителей с полупроводниковыми приборами разной структуры.

Расчет емкости конденсаторов усилителя мощности звуковой частоты (УМЗЧ)

При расчете УМЗЧ следует обратить внимание на емкость развязывающих конденсаторов С1 и С2. Если их принять слишком малыми, то плохо будут проходить токи низкой частоты. Поэтому емкость можно определить по следующему выражению:

где fн – нижняя граница частоты сигнала, Гц. Для УНЧ как правило принимают 20 Гц – нижний порог слышимости человеческого уха;

Rвх – входное сопротивление следующего каскада или нагрузки. Для усилителей, в которых применяется БТ, включенный по схеме с общим эмиттером это сопротивление равняется нескольким килоом. Примем Rвх = 4,7 кОм = 4700 Ом.

Таким образом емкости конденсаторов С1 и С2 следует принимать не менее 10 мкФ.

Однако рассмотренная выше схема усилителя звука имеет недостаток, который исключает применение ее в таком виде в электронных устройствах. В схеме отсутствует температурная стабилизация, поэтому любые изменение температуры могут привести к искажению формы выходного сигнала. Устранение данного недостатка и причины его возникновения подробно рассмотрено в следующей статье.

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 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 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.