Tranzistorski ojačevalnik kljub že tako dolgi zgodovini ostaja priljubljen predmet študija tako začetnikov kot veteranskih radioamaterjev. In to je razumljivo. Je nepogrešljiv sestavni del najbolj priljubljenih radijskih amaterskih naprav: radijskih sprejemnikov in nizko (zvočnih) ojačevalnikov. Pogledali bomo, kako so zgrajeni najpreprostejši nizkofrekvenčni tranzistorski ojačevalniki.
frekvenčni odziv ojačevalnika
V katerem koli televizijskem ali radijskem sprejemniku, v vsakem glasbenem centru ali ojačevalniku zvoka, lahko najdete tranzistorske ojačevalce zvoka (nizkofrekvenčni - LF). Razlika med avdio tranzistorskimi ojačevalniki in drugimi vrstami je v njihovem frekvenčnem odzivu.
Tranzistorski avdio ojačevalnik ima enoten frekvenčni odziv v frekvenčnem pasu od 15 Hz do 20 kHz. To pomeni, da vse vhodne signale s frekvenco v tem območju pretvori (ojači) ojačevalnik.približno enako. Spodnja slika prikazuje idealno krivuljo frekvenčnega odziva za avdio ojačevalnik v koordinatah "ojačanje ojačevalnika Ku - frekvenca vhodnega signala".
Ta krivulja je skoraj ravna od 15Hz do 20kHz. To pomeni, da je treba tak ojačevalnik uporabljati posebej za vhodne signale s frekvencami med 15 Hz in 20 kHz. Za vhodne signale s frekvencami nad 20 kHz ali pod 15 Hz se njegova učinkovitost in zmogljivost hitro poslabšata.
Vrsta frekvenčnega odziva ojačevalnika določajo električni radijski elementi (ERE) njegovega vezja, predvsem pa sami tranzistorji. Zvočni ojačevalnik, ki temelji na tranzistorjih, je običajno sestavljen na tako imenovanih nizko- in srednjefrekvenčnih tranzistorjih s skupno pasovno širino vhodnih signalov od deset in sto Hz do 30 kHz.
Razred ojačevalnika
Kot veste, glede na stopnjo neprekinjenosti toka skozi celotno obdobje skozi tranzistorsko ojačevalno stopnjo (ojačevalnik) ločimo naslednje razrede njegovega delovanja: "A", "B", "AB", "C", "D".
V razredu delovanja tok "A" teče skozi stopnjo za 100 % obdobja vhodnega signala. Kaskada v tem razredu je prikazana na naslednji sliki.
V ojačevalni stopnji razreda "AB" tok teče skozi njo več kot 50%, vendar manj kot 100% obdobja vhodnega signala (glej spodnjo sliko).
V razredu delovanja stopnje "B" tok teče skozi to natanko 50% obdobja vhodnega signala, kot je prikazano na sliki.
Nazadnje, v operacijskem razredu stopnje "C", tok teče skozenj za manj kot 50% obdobja vhodnega signala.
LF-tranzistorski ojačevalnik: popačenje v glavnih razredih dela
Na delovnem področju ima tranzistorski ojačevalnik razreda "A" nizko stopnjo nelinearnega popačenja. Če pa ima signal impulzne napetosti, ki vodijo do nasičenosti tranzistorjev, se okoli vsake "standardne" harmonike izhodnega signala pojavijo višje harmonike (do 11.). To povzroča pojav tako imenovanega tranzistoriziranega ali kovinskega zvoka.
Če imajo nizkofrekvenčni ojačevalniki moči na tranzistorjih nestabilizirano napajanje, so njihovi izhodni signali modulirani v amplitudi blizu omrežne frekvence. To vodi do ostrega zvoka na levem robu frekvenčnega odziva. Različne metode stabilizacije napetosti naredijo zasnovo ojačevalnika bolj zapleteno.
Tipična učinkovitost enosmernega ojačevalnika razreda A ne presega 20 % zaradi vedno vklopljenega tranzistorja in neprekinjenega toka enosmerne komponente. Lahko naredite push-pull ojačevalnik razreda A, učinkovitost se bo nekoliko povečala, vendar bodo polovični valovi signala postali bolj asimetrični. Prenos kaskade iz delovnega razreda "A" v delovni razred "AB" štirikrat poveča nelinearno popačenje, čeprav se učinkovitost njegovega vezja poveča.
Bojačevalniki razredov "AB" in "B" se popačenje povečajo, ko se nivo signala zmanjša. Takšen ojačevalnik nehote želite povečati glasneje za popoln občutek moči in dinamike glasbe, vendar pogosto to ne pomaga veliko.
vmesni delovni razredi
Delovni razred "A" ima različico - razred "A+". V tem primeru nizkonapetostni vhodni tranzistorji ojačevalnika tega razreda delujejo v razredu "A", visokonapetostni izhodni tranzistorji ojačevalnika pa, ko njihovi vhodni signali presežejo določeno raven, preidejo v razred "B" oz. "AB". Učinkovitost takih kaskad je boljša kot v čistem razredu "A", nelinearno popačenje pa je manjše (do 0,003%). Vendar pa zvenijo tudi "kovinsko" zaradi prisotnosti višjih harmonikov v izhodnem signalu.
Ojačevalniki drugega razreda - "AA" imajo še nižjo stopnjo nelinearnega popačenja - približno 0,0005%, vendar so prisotne tudi višje harmonike.
Nazaj na tranzistorski ojačevalnik razreda A?
Danes mnogi strokovnjaki na področju visokokakovostne reprodukcije zvoka zagovarjajo vrnitev k cevnim ojačevalnikom, saj je raven nelinearnega popačenja in višjih harmonik, ki jih vnesejo v izhodni signal, očitno nižja kot pri tranzistorjih. Vendar pa so te prednosti v veliki meri izravnane s potrebo po ujemajočem se transformatorju med cevno izhodno stopnjo z visoko impedanco in zvočniki z nizko impedanco. Vendar pa je preprost tranzistoriziran ojačevalnik mogoče izdelati s transformatorskim izhodom, kot je prikazano spodaj.
Obstaja tudi stališče, da lahko le hibridni cevno-tranzistorski ojačevalnik zagotovi vrhunsko kakovost zvoka, katerega vse stopnje so enosmerne, niso zajete z negativnimi povratnimi informacijami in delujejo v razredu "A". To pomeni, da je takšen sledilnik moči ojačevalnik na enem tranzistorju. Njegova shema ima lahko največjo dosegljivo učinkovitost (v razredu "A") največ 50%. Toda niti moč niti učinkovitost ojačevalnika nista indikatorja kakovosti reprodukcije zvoka. Hkrati sta kakovost in linearnost značilnosti vseh ERE v krogu še posebej pomembni.
Ker imajo enosmerna vezja to perspektivo, si bomo spodaj ogledali njihove možnosti.
Enokončni enotranzistorski ojačevalnik
Njegovo vezje, izdelano s skupnim oddajnikom in RC povezavami za vhodne in izhodne signale za delovanje v razredu "A", je prikazano na spodnji sliki.
Prikazuje n-p-n tranzistor Q1. Njegov kolektor je preko tokovnega omejevalnega upora R3 povezan s pozitivnim priključkom +Vcc, njegov oddajnik pa na -Vcc. Tranzistorski ojačevalnik p-n-p bo imel enako vezje, vendar bodo napajalni kabli obrnjeni.
C1 je ločilni kondenzator, ki ločuje vhodni vir AC od vira enosmerne napetosti Vcc. Hkrati C1 ne preprečuje prehoda izmeničnega vhodnega toka skozi bazo-emiterski stik tranzistorja Q1. Upori R1 in R2 skupaj z uporomprehod "E - B" tvori napetostni delilnik Vcc za izbiro delovne točke tranzistorja Q1 v statičnem načinu. Za to vezje je značilna vrednost R2=1 kOhm, položaj delovne točke pa je Vcc / 2. R3 je obremenitveni upor kolektorskega vezja in se uporablja za ustvarjanje spremenljivega napetostnega izhodnega signala na kolektorju.
Predpostavimo, da je Vcc=20 V, R2=1 kOhm in trenutni dobiček h=150. Izberemo napetost na emiterju Ve=9 V, padec napetosti na prehodu "A - B" pa je vzeto enako Vbe=0,7 V. Ta vrednost ustreza tako imenovanemu silicijevemu tranzistorju. Če bi razmišljali o ojačevalniku, ki temelji na germanijevih tranzistorjih, bi bil padec napetosti na odprtem stiku "E - B" Vbe=0,3 V.
Emiterski tok, približno enak kolektorskemu toku
Ie=9 V/1 kΩ=9 mA ≈ Ic.
Osnovni tok Ib=Ic/h=9mA/150=60uA.
Padec napetosti na uporu 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 je potreben za ustvarjanje vezja za prehod spremenljive komponente emiterskega toka (pravzaprav kolektorskega toka). Če ga ne bi bilo, bi upor R2 močno omejil spremenljivo komponento, tako da bi imel zadevni bipolarni tranzistorski ojačevalnik nizko tokovno ojačanje.
V naših izračunih smo predpostavili, da je Ic=Ib h, kjer je Ib osnovni tok, ki teče vanj iz oddajnika in nastane, ko se na bazo uporabi pristranska napetost. Vendar pa skozi bazo vedno (tako z odmikom kot brez)prisoten je tudi tok uhajanja iz kolektorja Icb0. Zato je pravi kolektorski tok Ic=Ib h + Icb0 h, t.j. tok uhajanja v vezju z OE se ojača za 150-krat. Če bi razmišljali o ojačevalniku na osnovi germanijevih tranzistorjev, bi bilo treba to okoliščino upoštevati pri izračunih. Dejstvo je, da imajo germanijevi tranzistorji pomemben Icb0 reda nekaj μA. V siliciju je za tri rede velikosti manjši (približno nekaj nA), zato ga pri izračunih običajno zanemarimo.
Enokončni MIS tranzistorski ojačevalnik
Kot vsak tranzistorski ojačevalnik s polnim učinkom ima zadevno vezje svoj analog med bipolarnimi tranzistorskimi ojačevalniki. Zato razmislite o analogu prejšnjega vezja s skupnim oddajnikom. Izdelan je s skupnim virom in RC priključki za vhodne in izhodne signale za delovanje v razredu "A" in je prikazan na spodnji sliki.
Tukaj je C1 isti ločilni kondenzator, s pomočjo katerega je vhodni vir AC ločen od vira enosmerne napetosti Vdd. Kot veste, mora imeti vsak tranzistorski ojačevalnik z učinkom polja potencial vrat svojih MOS tranzistorjev pod potenciali njihovih virov. V tem vezju so vrata ozemljena z R1, ki je tipično visok upor (100 kΩ do 1 MΩ), tako da ne premika vhodnega signala. Skozi R1 praktično ni toka, zato je potencial vrat v odsotnosti vhodnega signala enak potencialu zemlje. Izvorni potencial je višji od potenciala zemlje zaradi padca napetosti na uporu R2. TorejTako je potencial vrat nižji od potenciala vira, ki je potreben za normalno delovanje Q1. Kondenzator C2 in upor R3 imata enak namen kot v prejšnjem vezju. Ker je to vezje s skupnim virom, sta vhodni in izhodni signali v nefazni za 180°.
transformatorski izhodni ojačevalnik
Tretji enostopenjski preprosti tranzistorski ojačevalnik, prikazan na spodnji sliki, je prav tako izdelan po vezju skupnega oddajnika za delovanje v razredu "A", vendar je preko ujemajočega se priključen na zvočnik z nizko impedanco transformator.
Primarno navitje transformatorja T1 je obremenitev kolektorskega vezja tranzistorja Q1 in razvija izhodni signal. T1 pošlje izhodni signal zvočniku in zagotovi, da se izhodna impedanca tranzistorja ujema z nizko (v redu nekaj ohmov) impedanco zvočnika.
Delilnik napetosti kolektorskega napajalnika Vcc, sestavljen na uporih R1 in R3, omogoča izbiro delovne točke tranzistorja Q1 (dobavlja pristransko napetost na njegovo bazo). Namen preostalih elementov ojačevalnika je enak kot v prejšnjih vezjih.
Push-pull avdio ojačevalnik
Dvotranzistorski potisni-pull nizkofrekvenčni ojačevalnik razdeli vhodni avdio signal na dva izvenfazna polovična vala, od katerih je vsak ojačan s svojo tranzistorsko stopnjo. Po opravljenem takšnem ojačanju se polovični valovi združijo v popoln harmonični signal, ki se prenese v zvočni sistem. Takšna preobrazba nizke frekvencesignal (razcepitev in ponovna združitev) seveda povzroči nepopravljivo popačenje v njem zaradi razlike v frekvencah in dinamičnih lastnostih dveh tranzistorjev vezja. To popačenje zmanjša kakovost zvoka na izhodu ojačevalnika.
Push-pull ojačevalniki, ki delujejo v razredu "A", ne reproducirajo dovolj dobro kompleksnih zvočnih signalov, saj v njihovih rokah nenehno teče povečan konstantni tok. To vodi do asimetrije polovičnih valov signala, faznih popačenj in na koncu do izgube razumljivosti zvoka. Pri segrevanju dva močna tranzistorja podvojita popačenje signala v nizkih in infra-nizkih frekvencah. Še vedno pa je glavna prednost potisno-povlečnega vezja njegova sprejemljiva učinkovitost in povečana izhodna moč.
Push-pull tranzistorsko močnostno ojačevalno vezje je prikazano na sliki.
To je ojačevalnik razreda "A", vendar je mogoče uporabiti tudi razred "AB" in celo "B".
Tranzistorski ojačevalnik moči brez transformatorja
Transformerji so kljub napredku pri njihovi miniaturizaciji še vedno najbolj zajetni, težki in dragi ERE. Zato je bil najden način, da se transformator izloči iz potisno-povlečnega vezja tako, da ga poganja na dveh močnih komplementarnih tranzistorjih različnih tipov (n-p-n in p-n-p). Večina sodobnih ojačevalnikov moči uporablja to načelo in je zasnovana za delovanje v razredu "B". Vezje takšnega ojačevalnika moči je prikazano na spodnji sliki.
Oba njegova tranzistorja sta povezana s skupnim kolektorskim (emiterskim sledilcem) vezjem. Zato vezje prenaša vhodno napetost na izhodno brez ojačanja. Če ni vhodnega signala, sta oba tranzistorja na meji vklopljenega stanja, vendar sta izklopljena.
Ko je vhod harmonični signal, njegov pozitivni polovični val odpre TR1, vendar postavi p-n-p tranzistor TR2 v način popolnega izklopa. Tako skozi obremenitev teče le pozitivni polovični val ojačenega toka. Negativni polovični val vhodnega signala odpre samo TR2 in izklopi TR1, tako da se negativni polovični val ojačenega toka dovede do bremena. Posledično se obremenitvi dostavi sinusoidni signal s polno močjo (zaradi tokovnega ojačanja).
Enotranzistorski ojačevalnik
Za asimilacijo zgornjega bomo z lastnimi rokami sestavili preprost tranzistorski ojačevalnik in ugotovili, kako deluje.
Kot obremenitev tranzistorja z majhno močjo T tipa BC107 vklopimo slušalke z uporom 2-3 kOhm, na bazo nanesemo prednapetost iz visoko upornega upora R 1 MΩ, v osnovnem vezju T vklopimo ločilni elektrolitski kondenzator C z zmogljivostjo od 10 μF do 100 μF. Vezje bomo napajali iz baterije 4,5 V / 0,3 A.
Če upor R ni priključen, potem ni niti osnovnega toka Ib niti kolektorskega toka Ic. Če je upor priključen, se napetost na dnu dvigne na 0,7 V in skozenj teče tok Ib \u003d 4 μA. koeficienttrenutni dobiček tranzistorja je 250, kar daje Ic=250Ib=1 mA.
Ko smo z lastnimi rokami sestavili preprost tranzistorski ojačevalnik, ga lahko zdaj preizkusimo. Priključite slušalke in položite prst na točko 1 diagrama. Slišali boste hrup. Vaše telo zaznava sevanje električnega omrežja s frekvenco 50 Hz. Hrup, ki ga slišite iz slušalk, je to sevanje, ki ga samo ojača tranzistor. Razložimo ta postopek podrobneje. Na osnovo tranzistorja je preko kondenzatorja C priključena izmenična napetost 50 Hz. Napetost na bazi je zdaj enaka vsoti enosmerne napetosti prednapetosti (približno 0,7 V), ki prihaja iz upora R in izmenične napetosti prsta. Kot rezultat, kolektorski tok prejme izmenično komponento s frekvenco 50 Hz. Ta izmenični tok se uporablja za premikanje membrane zvočnikov naprej in nazaj pri isti frekvenci, kar pomeni, da lahko na izhodu slišimo ton 50 Hz.
Slišanje ravni hrupa 50 Hz ni zelo zanimivo, zato lahko na točki 1 in 2 povežete nizkofrekvenčne vire (CD predvajalnik ali mikrofon) in slišite ojačan govor ali glasbo.
