Transistorivahvistin on jo pitkästä historiastaan huolimatta edelleen sekä aloittelijoiden että kokeneiden radioamatöörien suosikkiopintokohde. Ja tämä on ymmärrettävää. Se on välttämätön komponentti suosituimmissa radioamatöörilaitteissa: radiovastaanottimissa ja matalataajuisissa (ääni)vahvistimissa. Tarkastellaan, kuinka yksinkertaisimmat matalataajuiset transistorivahvistimet rakennetaan.
Vahvistimen taajuusvaste
Mistä tahansa televisio- tai radiovastaanottimesta, jokaisesta musiikkikeskuksesta tai äänenvahvistimesta löytyy transistoriäänivahvistimia (matalataajuus - LF). Ero audiotransistorivahvistimien ja muiden tyyppien välillä on niiden taajuusvaste.
Transistoriäänivahvistimen taajuusvaste on tasainen taajuusalueella 15 Hz - 20 kHz. Tämä tarkoittaa, että vahvistimella muunnetaan (vahvistetaan) kaikki tulosignaalit, joiden taajuus on tällä alueella.suunnilleen sama. Alla olevassa kuvassa näkyy ihanteellinen taajuusvastekäyrä audiovahvistimelle koordinaateissa "vahvistimen vahvistus Ku - tulosignaalin taajuus".
Tämä käyrä on lähes tasainen 15 Hz:stä 20 kHz:iin. Tämä tarkoittaa, että tällaista vahvistinta tulisi käyttää erityisesti tulosignaaleille, joiden taajuudet ovat 15 Hz - 20 kHz. Tulosignaalien, joiden taajuudet ovat yli 20 kHz tai alle 15 Hz, tehokkuus ja suorituskyky heikkenevät nopeasti.
Vahvistimen taajuusvasteen tyypin määräävät sen piirin sähköiset radioelementit (ERE) ja ennen kaikkea itse transistorit. Transistoreihin perustuva audiovahvistin kootaan yleensä niin sanotuille matala- ja keskitaajuisille transistoreille, joiden tulosignaalien kokonaiskaistanleveys on kymmenistä ja sadoista hertseistä 30 kHz:iin.
Vahvistinluokka
Kuten tiedät, riippuen virran jatkuvuudesta sen jakson aikana transistorin vahvistusasteen (vahvistimen) läpi, erotetaan seuraavat sen toimintaluokat: "A", "B", "AB", "C", "D ".
Toimintaluokassa virta "A" kulkee portaan läpi 100 % tulosignaalin jaksosta. Tämän luokan kaskadi on havainnollistettu seuraavassa kuvassa.
Luokan "AB" vahvistinvaiheessa virta kulkee sen läpi yli 50 %, mutta alle 100 % tulosignaalin jaksosta (katso kuva alla).
B-portaan toimintaluokassa virta kulkee sen läpi tarkalleen 50 % tulosignaalin jaksosta, kuten kuvassa näkyy.
Lopuksi, "C"-portaan toimintaluokassa virta kulkee sen läpi alle 50 % tulosignaalin jaksosta.
LF-transistorivahvistin: säröä päätyöluokissa
Työalueella A-luokan transistorivahvistimella on alhainen epälineaarinen särö. Mutta jos signaalissa on impulssipiikkejä jännitteessä, mikä johtaa transistoreiden kyllästymiseen, silloin korkeammat harmoniset (jopa 11.) ilmestyvät jokaisen lähtösignaalin "standardin" harmonisen ympärille. Tämä aiheuttaa niin sanotun transistorisoidun tai metallisen äänen ilmiön.
Jos transistoreiden matalataajuisissa tehovahvistimissa on epävakaa virtalähde, niiden lähtösignaalit moduloidaan amplitudissa lähellä verkkotaajuutta. Tämä johtaa äänen ankaruuteen taajuusvasteen vasemmassa reunassa. Erilaiset jännitteen stabilointimenetelmät tekevät vahvistimen suunnittelusta monimutkaisemman.
Yksipäisen luokan A vahvistimen tyypillinen hyötysuhde ei ylitä 20 % aina päällä olevan transistorin ja tasavirtakomponentin jatkuvan virtauksen vuoksi. Voit tehdä luokan A vahvistimen push-pull, tehokkuus kasvaa hieman, mutta signaalin puoliaallot muuttuvat epäsymmetrisemmiksi. Kaskadin siirtyminen työluokasta "A" työluokkaan "AB" nelinkertaistaa epälineaarisen vääristymän, vaikka sen piirin tehokkuus kasvaa.
BLuokkien "AB" ja "B" vahvistimien särö lisääntyy signaalitason pienentyessä. Haluat tahattomasti laittaa sellaisen vahvistimen kovemmaksi saadaksesi täyden tunteen musiikin tehosta ja dynamiikasta, mutta usein tämä ei auta paljoa.
Keskitason työluokat
Työluokassa "A" on muunnelma - luokka "A+". Tässä tapauksessa tämän luokan vahvistimen pienjännitetulotransistorit toimivat luokassa "A", ja vahvistimen korkeajännitteiset lähtötransistorit, kun niiden tulosignaalit ylittävät tietyn tason, menevät luokkiin "B" tai "AB". Tällaisten kaskadien tehokkuus on parempi kuin puhtaassa luokassa "A", ja epälineaarinen vääristymä on pienempi (jopa 0,003%). Ne kuitenkin kuulostavat myös "metalliselta", koska lähtösignaalissa on korkeampia harmonisia.
Toisen luokan - "AA" -vahvistimissa on vielä pienempi epälineaarisen särötason aste - noin 0,0005%, mutta myös korkeampia harmonisia on läsnä.
Palaa luokan A transistorivahvistimeen?
Nykyään monet korkealaatuisen äänentoiston asiantuntijat kannattavat paluuta putkivahvistimiin, koska niiden epälineaarisen vääristymän ja korkeampien harmonisten taso lähtösignaalissa on selvästi alhaisempi kuin transistoreilla.. Nämä edut kuitenkin korvataan suurelta osin sovitetun muuntajan tarve korkeaimpedanssisen putken lähtöasteen ja matalaimpedanssisten kaiuttimien välillä. Yksinkertainen transistorivahvistin voidaan kuitenkin tehdä muuntajan lähdöllä alla olevan kuvan mukaisesti.
On myös näkemys, että vain hybridiputkitransistorivahvistin voi tarjota äärimmäisen äänenlaadun, jonka kaikki vaiheet ovat yksipäisiä, joita ei koske negatiivinen palaute ja joka toimii luokassa "A". Eli tällainen tehoseuraaja on vahvistin yhdellä transistorilla. Sen järjestelmän suurin saavutettava hyötysuhde (luokassa "A") voi olla enintään 50%. Mutta vahvistimen teho tai hyötysuhde eivät ole äänentoiston laadun indikaattoreita. Samanaikaisesti kaikkien piirissä olevien ERE:iden ominaisuuksien laatu ja lineaarisuus ovat erityisen tärkeitä.
Koska yksipäiset piirit saavat tämän näkökulman, tarkastelemme niiden vaihtoehtoja alla.
Yksipäinen yksitransistorivahvistin
Sen piiri, joka on tehty yhteisellä emitterillä ja R-C-liitännöillä tulo- ja lähtösignaaleja varten luokassa "A", näkyy alla olevassa kuvassa.
Se näyttää n-p-n-transistorin Q1. Sen kollektori on kytketty +Vcc positiiviseen napaan virtaa rajoittavan vastuksen R3 kautta ja sen emitteri on kytketty -Vcc:ään. P-n-p-transistorivahvistimessa on sama piiri, mutta virtalähteen johdot ovat käänteisiä.
C1 on erotuskondensaattori, joka erottaa AC-tulolähteen tasajännitelähteestä Vcc. Samanaikaisesti C1 ei estä vaihtovirran kulkua transistorin Q1 kanta-emitteriliitoksen läpi. Vastukset R1 ja R2 yhdessä vastuksen kanssasiirtymä "E - B" muodostaa jännitteenjakajan Vcc transistorin Q1 toimintapisteen valitsemiseksi staattisessa tilassa. Tyypillinen tälle piirille on arvo R2=1 kOhm ja toimintapisteen sijainti on Vcc / 2. R3 on kollektoripiirin kuormitusvastus, ja sitä käytetään säädettävän jännitteen lähtösignaalin luomiseen kollektoriin.
Oletetaan, että Vcc=20 V, R2=1 kOhm ja virran vahvistus h=150. Valitsemme emitterin jännitteen Ve=9 V ja jännitehäviö siirtymässä "A - B" on otetaan yhtä suureksi kuin Vbe=0,7 V. Tämä arvo vastaa ns. piitransistoria. Jos harkitsisimme germaniumtransistoreihin perustuvaa vahvistinta, jännitehäviö avoimen liitoksen "E - B" yli olisi Vbe=0,3 V.
Emitterivirta, suunnilleen sama kuin kollektorivirta
Ie=9 V/1 kΩ=9 mA ≈ Ic.
Perusvirta Ib=Ic/h=9mA/150=60uA.
Jännitehäviö vastuksen R1 yli
V(R1)=Vcc - Vb=Vcc - (Vbe + Ve)=20 V - 9,7 V=10,3 V
R1=V(R1)/Ib=10, 3 V/60 uA=172 kOhm.
C2 tarvitaan luomaan piiri emitterivirran muuttuvan komponentin (itse asiassa kollektorivirran) kulkua varten. Jos sitä ei olisi, vastus R2 rajoittaisi voimakkaasti muuttuvaa komponenttia, jolloin kyseisellä bipolaarisella transistorivahvistimella olisi pieni virranvahvistus.
Laskelmissamme oletimme, että Ic=Ib h, missä Ib on siihen emitteristä virtaava kantavirta, joka syntyy, kun kantaan kohdistetaan bias-jännite. Kuitenkin pohjan kautta aina (sekä offsetilla että ilman)myös kollektorista Icb0 tulee vuotovirta. Siksi todellinen kollektorivirta on Ic=Ib h + Icb0 h, ts. OE-piirin vuotovirta vahvistuu 150-kertaiseksi. Jos harkitsisimme germaniumtransistoreihin perustuvaa vahvistinta, tämä seikka olisi otettava huomioon laskelmissa. Tosiasia on, että germaniumtransistoreilla on merkittävä Icb0, joka on luokkaa useita μA. Piissä se on kolme suuruusluokkaa pienempi (noin muutama nA), joten se jätetään yleensä huomiotta laskelmissa.
Yksipäinen MIS-transistorivahvistin
Kuten kaikilla kenttätransistorivahvistimilla, kyseisellä piirillä on analoginsa bipolaaristen transistorivahvistimien joukossa. Siksi harkitse edellisen piirin analogia yhteisellä emitterillä. Se on tehty yhteisellä lähde- ja R-C-liitännöillä tulo- ja lähtösignaaleja varten luokassa "A" ja se näkyy alla olevassa kuvassa.
Tässä C1 on sama erotuskondensaattori, jonka avulla AC-tulolähde erotetaan tasajännitelähteestä Vdd. Kuten tiedät, minkä tahansa kenttätransistorivahvistimen MOS-transistoreiden hilapotentiaalin on oltava niiden lähteiden potentiaalin alapuolella. Tässä piirissä hila on maadoitettu R1:llä, joka on tyypillisesti korkearesistanssi (100 kΩ - 1 MΩ), joten se ei ohita tulosignaalia. R1:n kautta ei käytännössä kulje virtaa, joten hilapotentiaali tulosignaalin puuttuessa on yhtä suuri kuin maapotentiaali. Lähdepotentiaali on suurempi kuin maapotentiaali johtuen vastuksen R2 ylittävästä jännitehäviöstä. NiinSiten hilapotentiaali on pienempi kuin lähdepotentiaali, mikä on välttämätöntä Q1:n normaalille toiminnalle. Kondensaattorilla C2 ja vastuksella R3 on sama tarkoitus kuin edellisessä piirissä. Koska tämä on yhteislähdepiiri, tulo- ja lähtösignaalit ovat 180° eri vaiheissa.
Transformaattorilähtövahvistin
Kolmas yksivaiheinen yksinkertainen transistorivahvistin, joka näkyy alla olevassa kuvassa, on myös valmistettu yhteisen emitteripiirin mukaan käytettäväksi luokassa "A", mutta se on kytketty matalaimpedanssiseen kaiuttimeen sovituslaitteen kautta. muuntaja.
Muuntajan T1 ensiökäämi on transistorin Q1 kollektoripiirin kuorma ja kehittää lähtösignaalin. T1 lähettää lähtösignaalin kaiuttimeen ja varmistaa, että transistorin lähtöimpedanssi vastaa matalaa (muutaman ohmin luokkaa) kaiuttimen impedanssia.
Kollektorin teholähteen Vcc jännitteenjakaja, joka on asennettu vastuksiin R1 ja R3, mahdollistaa transistorin Q1 toimintapisteen valinnan (syöttää bias-jännitteen kantaansa). Vahvistimen muiden elementtien tarkoitus on sama kuin edellisissä piireissä.
Push-pull-äänenvahvistin
Kaksitransistorin push-pull matalataajuinen vahvistin jakaa tuloäänisignaalin kahdeksi epävaiheiseksi puolia altoksi, joista kutakin vahvistaa oma transistoriaste. Kun tällainen vahvistus on suoritettu, puoliaallot yhdistetään täydelliseksi harmoniseksi signaaliksi, joka lähetetään kaiutinjärjestelmään. Tällainen matalataajuisen muunnossignaali (jakaminen ja uudelleenfuusio) tietysti aiheuttaa siinä peruuttamattomia vääristymiä johtuen piirin kahden transistorin taajuuden ja dynaamisten ominaisuuksien eroista. Tämä särö heikentää äänenlaatua vahvistimen lähdössä.
Luokassa "A" toimivat push-pull-vahvistimet eivät toista monimutkaisia äänisignaaleja tarpeeksi hyvin, koska niiden käsivarsissa kulkee jatkuvasti lisääntynyt vakiovirta. Tämä johtaa signaalin puolia altojen epäsymmetriaan, vaihevääristymiin ja viime kädessä äänen ymmärrettävyyden menettämiseen. Lämmitettynä kaksi tehokasta transistoria kaksinkertaistaa signaalin vääristymän matalilla ja infra-matalailla taajuuksilla. Push-pull-piirin tärkein etu on kuitenkin sen hyväksyttävä hyötysuhde ja lisääntynyt lähtöteho.
Push-pull-transistorin tehovahvistinpiiri näkyy kuvassa.
Tämä on luokan "A" vahvistin, mutta luokkaa "AB" ja jopa "B" voidaan myös käyttää.
Transistoriton tehovahvistin
Transformerit ovat miniatyrisoinnin edistymisestä huolimatta edelleen isoimpia, raskaimpia ja kalleimpia ERE-laitteita. Siksi löydettiin tapa eliminoida muuntaja push-pull-piiristä käyttämällä sitä kahdella tehokkaalla erityyppisellä komplementaarisella transistorilla (n-p-n ja p-n-p). Useimmat nykyaikaiset tehovahvistimet käyttävät tätä periaatetta ja on suunniteltu toimimaan luokassa "B". Tällaisen tehovahvistimen piiri on esitetty alla olevassa kuvassa.
Molemmat sen transistorit on kytketty yhteisen kollektori (emitteriseuraaja) -piirin mukaisesti. Siksi piiri siirtää tulojännitteen lähtöön ilman vahvistusta. Jos tulosignaalia ei ole, molemmat transistorit ovat päällä-tilan rajalla, mutta ne ovat pois päältä.
Kun harmoninen signaali syötetään, sen positiivinen puolia alto avaa TR1:n, mutta asettaa p-n-p-transistorin TR2 täysin katkaisutilaan. Siten vain vahvistetun virran positiivinen puolia alto kulkee kuorman läpi. Tulosignaalin negatiivinen puolia alto avaa vain TR2:n ja sammuttaa TR1:n, jolloin vahvistetun virran negatiivinen puolia alto syötetään kuormaan. Tämän seurauksena kuormaan syötetään täydellä teholla vahvistettu (virranvahvistuksesta johtuen) sinimuotoinen signaali.
Yksitransistorin vahvistin
Yllä olevan omaksumiseksi kokoamme yksinkertaisen transistorivahvistimen omin käsin ja selvitämme, miten se toimii.
Pienitehoisen BC107-transistorin T kuormituksena kytkemme päälle kuulokkeet, joiden resistanssi on 2-3 kOhm, kohdistamme esijännitteen alustaan korkearesistanssista R 1 MΩ, kytkemme päälle irrotuselektrolyyttikondensaattorin C, jonka kapasiteetti on 10 μF - 100 μF peruspiirissä T. Annamme virtapiirille virran 4,5 V / 0,3 A akusta.
Jos vastusta R ei ole kytketty, ei ole kantavirtaa Ib eikä kollektorivirtaa Ic. Jos vastus on kytketty, kannan jännite nousee 0,7 V:iin ja virta Ib \u003d 4 μA kulkee sen läpi. Kerrointransistorin virtavahvistus on 250, mikä antaa Ic=250Ib=1 mA.
Kootamme yksinkertaisen transistorivahvistimen omin käsin, voimme nyt testata sitä. Liitä kuulokkeet ja aseta sormesi kaavion kohtaan 1. Kuulet melun. Kehosi havaitsee sähköverkon säteilyn taajuudella 50 Hz. Kuulokkeista kuulemasi kohina on tätä säteilyä, jota vain transistori vahvistaa. Selitämme tätä prosessia yksityiskohtaisemmin. Transistorin kantaan on kytketty 50 Hz:n vaihtovirta kondensaattorin C kautta. Jännite kannalla on nyt yhtä suuri kuin vastuksesta R tulevan DC-biasjännitteen (noin 0,7 V) ja AC-sormijännitteen summa. Tämän seurauksena kollektorivirta vastaanottaa 50 Hz:n taajuuden vaihtokomponentin. Tätä vaihtovirtaa käytetään kaiuttimien kalvon liikuttamiseen edestakaisin samalla taajuudella, mikä tarkoittaa, että kuulemme lähdöstä 50 Hz:n äänen.
50 Hz:n melutason kuuleminen ei ole kovin mielenkiintoista, joten voit liittää matalataajuisia lähteitä (CD-soitin tai mikrofoni) pisteisiin 1 ja 2 ja kuulla vahvistettua puhetta tai musiikkia.
