Підсилювач на транзисторах: види, схеми, прості і складні

Найпростіший підсилювач на транзисторах може бути гарним посібником для вивчення властивостей приладів. Схеми і конструкції досить прості, можна самостійно виготовити пристрій і перевірити його роботу, зробити заміри всіх параметрів. Завдяки сучасним польовим транзисторам можна виготовити буквально з трьох елементів мініатюрний мікрофонний підсилювач. І підключити його до персонального комп 'ютера для поліпшення параметрів звукозапису. Та й співрозмовники при розмовах будуть набагато краще і чіткіше чути вашу промову.

Частотні характеристики

Підсилювачі низької (звукової) частоти є практично у всіх побутових приладах - музичних центрах, телевізорах, радіоприймачах, магнітолах і навіть у персональних комп 'ютерах. Але існують ще підсилювачі на транзисторах, лампах і мікросхемах. Відмінність їх у тому, що УНЧ дозволяє посилити сигнал тільки звукової частоти, яка сприймається людським вухом. Підсилювачі звуку на транзисторах дозволяють відтворювати сигнали з частотами в діапазоні від 20 Гц до 20000 Гц.

Отже, навіть найпростіший пристрій здатний посилити сигнал у цьому діапазоні. Причому робить воно це максимально рівномірно. Коефіцієнт посилення залежить прямо від частоти вхідного сигналу. Графік залежності цих величин - практично пряма лінія. Якщо ж на вхід підсилювача подати сигнал з частотою поза діапазоном, якість роботи та ефективність пристрою швидко зменшаться. Каскади УНЧ збираються, як правило, на транзисторах, що працюють в низько- і середньочастотному діапазонах.

Класи роботи звукових підсилювачів

Всі посилювальні пристрої поділяються на кілька класів, залежно від того, який ступінь протікання протягом періоду роботи струму через каскад:

1. Клас "А" - струм протікає безупинно протягом усього періоду роботи посилювального каскаду.
2. У класі роботи "В" протікає струм протягом половини періоду.
3. Клас "АВ" говорить про те, що струм протікає через посилювальний каскад протягом часу, рівного 50-100% від періоду.
4. У режимі "С" електричний струм протікає менш ніж половину періоду часу роботи.
5. Режим "D" УНЧ застосовується в радіолюбительській практиці зовсім недавно - трохи більше 50 років. У більшості випадків ці пристрої реалізуються на основі цифрових елементів і мають дуже високий ККД - понад 90%.

Наявність спотворень у різних класах НЧ-підсилювачів

Робоча область транзисторного підсилювача класу "А" характеризується досить невеликими нелінійними спотвореннями. Якщо вхідний сигнал викидає імпульси з вищою напругою, це призводить до того, що транзистори насичуються. У вихідному сигналі біля кожної гармоніки починають з 'являтися більш високі (до 10 або 11). Через це з 'являється металевий звук, характерний тільки для транзисторних підсилювачів.

При нестабільному харчуванні вихідний сигнал буде по амплітуді моделюватися біля частоти мережі. Звук стане в лівій частині частотної характеристики більш жорстким. Але чим краще стабілізація живлення підсилювача, тим складніше стає конструкція всього пристрою. УНЧ, що працюють у класі "А", мають відносно невеликий ККД - менше 20%. Причина полягає в тому, що транзистор постійно відкритий і струм через нього протікає постійно.

Для підвищення (правда, незначного) ККД можна скористатися двотактними схемами. Один недолік - напівхвилинні біля вихідного сигналу стають несиметричними. Якщо ж перевести з класу "А" в "АВ", збільшаться нелінійні спотворення в 3-4 рази. Але коефіцієнт корисної дії всієї схеми пристрою все ж збільшиться. УНЧ класів "АВ" і "В" характеризує наростання спотворень при зменшенні рівня сигналу на вході. Але навіть якщо додати гучність, це не допоможе повністю позбутися недоліків.

Робота в проміжних класах

У кожного класу є кілька різновидів. Наприклад, існує клас роботи підсилювачів "А +". У ньому транзистори на вході (низьковольтні) працюють у режимі "А". Але високовольтні, що встановлюються у вихідних каскадах, працюють або в "В", або в "АВ". Такі підсилювачі набагато економічніші, ніж ті, що працюють у класі "А". Помітно менша кількість нелінійних спотворень - не вище 0,003%. Можна досягти і більш високих результатів, використовуючи біполярні транзистори. Принцип роботи підсилювачів на цих елементах буде розглянуто нижче.

Але все одно є велика кількість вищих гармонік у вихідному сигналі, чому звук стає характерним металевим. Існують ще схеми підсилювачів, що працюють в класі "АА". У них нелінійні спотворення ще менші - до 0,0005%. Але головний недолік транзисторних підсилювачів все одно є - характерний металевий звук.

Альтернативні конструкції

Не можна сказати, що вони альтернативні, просто деякі фахівці, що займаються проектуванням і збіркою підсилювачів для якісного відтворення звуку, все частіше віддають перевагу ламповим конструкціям. У лампових підсилювачів такі переваги:

1. Дуже низьке значення рівня нелінійних спотворень у вихідному сигналі.
2. Вищих гармонік менше, ніж у транзисторних конструкціях.

Але є один величезний мінус, який переважує всі переваги, - обов 'язково потрібно ставити пристрій для узгодження. Справа в тому, що у лампового каскаду дуже великий опір - кілька тисяч Ом. Але опір обмотки динаміків - 8 або 4 Ома. Щоб їх узгодити, потрібно встановлювати трансформатор.

Звичайно, це не дуже великий недолік - існують і транзисторні пристрої, в яких використовуються трансформатори для узгодження вихідного каскаду і акустичної системи. Деякі фахівці стверджують, що найбільш ефективною схемою виявляється гібридна - в якій застосовуються однотактні підсилювачі, не охоплені негативним зворотним зв 'язком. Причому всі ці каскади функціонують в режимі УНЧ класу "А". Іншими словами, застосовується як повторювач підсилювач потужності на транзисторі.

Причому ККД у таких пристроїв досить високий - близько 50%. Але не варто орієнтуватися тільки на показники ККД і потужності - вони не говорять про високу якість відтворення звуку підсилювачем. Набагато більше значення мають лінійність характеристик і їх якість. Тому потрібно звертати увагу в першу чергу на них, а не на потужність.

Схема однотактного УНЧ на транзисторі

Найпростіший підсилювач, побудований за схемою із загальним еміттером, працює в класі "А". У схемі використовується напівпровідниковий елемент зі структурою n-p-n. У колекторному ланцюгу встановлено опір R3, що обмежує протікаючий струм. Колекторний ланцюг з 'єднується з позитивним проводом харчування, а емітерний - з негативним. У разі використання напівпровідникових транзисторів зі структурою p-n-p схема буде точно такою ж, ось тільки потрібно поміняти полярність.

За допомогою розділового конденсатора С1 вдається відокремити змінний вхідний сигнал від джерела постійного струму. При цьому конденсатор не є перешкодою для протікання змінного струму по шляху база-еміттер. Внутрішній опір переходу еміттер-база разом з резисторами R1 і R2 являють собою найпростіший ділник напруги харчування. Зазвичай резистор R2 має опір 1-1,5 кОм - найбільш типові значення для таких схем. При цьому напруга харчування ділиться рівно навпіл. І якщо живити схему напругою 20 Вольт, то можна побачити, що значення коефіцієнта посилення за струмом h21 складе 150. Потрібно відзначити, що підсилювачі КВ на транзисторах виконуються за аналогічними схемами, тільки працюють трохи інакше.

При цьому напруга еміттера дорівнює 9 В і падіння на ділянці ланцюга "Е-Б" 0,7 В (що характерно для транзисторів на кристалах кремнію). Якщо розглянути підсилювач на германієвих транзисторах, то в цьому випадку падіння напруги на ділянці "Е-Б" буде дорівнює 0,3 В. Струм в ланцюгу колектора буде дорівнює тому, який протікає в еміттері. Обчислити можна, розділивши напругу еміттера на опір R2 - 9В/1 кОм = 9 мА. Для обчислення значення струму бази необхідно 9 мА розділити на коефіцієнт посилення h21 - 9мА/150 = 60 мкА. У конструкціях УНЧ зазвичай використовуються біполярні транзистори. Принцип роботи у нього відрізняється від польових.

На резисторі R1 тепер можна вирахувати значення падіння - це різниця між напругами бази та харчування. При цьому напругу бази можна дізнатися за формулою - сума характеристик еміттера і переходу "Е-Б". При харчуванні від джерела 20 Вольт: 20 – 9,7 = 10,3. Звідси можна обчислити і значення опору R1 = 10, 3B/60 мкА = 172 кОм. У схемі присутня ємність С2, необхідна для реалізації ланцюга, за яким зможе проходити змінна складова емітерного струму.

Якщо не встановлювати конденсатор С2, змінна складова буде дуже сильно обмежуватися. Через це такий підсилювач звуку на транзисторах буде мати дуже низький коефіцієнт посилення за струмом h21. Потрібно звернути увагу на те, що у вищевикладених розрахунках приймалися рівними струми бази і колектора. Причому за струм бази брався той, який втікає в ланцюг від еміттера. Виникає він тільки за умови подачі на виведення бази транзистора напруги зміщення.

Але потрібно враховувати, що по ланцюгу бази абсолютно завжди, незалежно від наявності зміщення, обов 'язково протікає струм витоку колектора. У схемах із загальним еміттером струм витоку посилюється не менш ніж у 150 разів. Але зазвичай це значення враховується тільки при розрахунку підсилювачів на германієвих транзисторах. У разі використання кремнієвих, у яких струм ланцюга "К-Б" дуже малий, цим значенням просто нехтують.

Підсилювачі на МДП-транзисторах

Підсилювач на польових транзисторах, представлений на схемі, має безліч аналогів. У тому числі і з використанням біполярних транзисторів. Тому можна розглянути як аналогічний приклад конструкцію підсилювача звуку, зібрану за схемою із загальним еміттером. На фото представлена схема, виконана за схемою із загальним витоком. На вхідних і вихідних ланцюгах зібрані R-C-зв 'язки, щоб пристрій працював в режимі підсилювача класу "А".

Змінний струм від джерела сигналу відокремлюється від постійної напруги живлення конденсатором С1. Обов 'язково підсилювач на польових транзисторах повинен володіти потенціалом затвора, який буде нижче аналогічної характеристики витоку. На представленій схемі затвор поєднаний із загальним проводом за допомогою резистора R1. Його опір дуже великий - зазвичай застосовують у конструкціях резистори 100-1000 кОм. Такий великий опір вибирається для того, щоб не шунтувався сигнал на вході.

Цей опір майже не пропускає електричний струм, внаслідок чого у затвора потенціал (у разі відсутності сигналу на вході) такий же, як у землі. На витоку ж потенціал виявляється вищим, ніж у землі, тільки завдяки падінню напруги на опорі R2. Звідси ясно, що у затвора потенціал нижче, ніж у витоку. А саме це і потрібно для нормального функціонування транзистора. Потрібно звернути увагу на те, що С2 і R3 в цій схемі підсилювача мають таке ж призначення, як і в розглянутої вище конструкції. А вхідний сигнал зрушено відносно вихідного на 180 градусів.

УНЧ з трансформатором на виході

Можна виготовити такий підсилювач своїми руками для домашнього використання. Виконується він за схемою, що працює в класі "А". Конструкція така ж, як і розглянуті вище, - із загальним еміттером. Одна особливість - необхідно використовувати трансформатор для узгодження. Це є недоліком подібного підсилювача звуку на транзисторах.

Колекторний ланцюг транзистора навантажується первинною обмоткою, яка розвиває вихідний сигнал, що передається через вторинну на динаміки. На резисторах R1 і R3 зібрано ділник напруги, який дозволяє вибрати робочу точку транзистора. За допомогою цього ланцюжка забезпечується подача напруги зміщення в базу. Всі інші компоненти мають таке ж призначення, як і у розглянутих вище схем.

Двохтактний підсилювач звуку

Не можна сказати, що це простий підсилювач на транзисторах, оскільки його робота трохи складніша, ніж у розглянутих раніше. У двотактних УНЧ вхідний сигнал розщеплюється на дві напівхвилини, різні за фазою. І кожна з цих напівхвиль посилюється своїм каскадом, виконаним на транзисторі. Після того, як відбулося посилення кожної напівволі, обидва сигнали з 'єднуються і надходять на динаміки. Такі складні перетворення здатні викликати спотворення сигналу, оскільки динамічні і частотні властивості двох, навіть однакових за типом, транзисторів будуть відмінні.

В результаті на виході підсилювача істотно знижується якість звучання. При роботі двотактного підсилювача в класі "А" не виходить якісно відтворити складний сигнал. Причина - підвищений струм протікає по плечах підсилювача постійно, напівхвилі несиметричні, виникають фазові спотворення. Звук стає менш розбірливим, а при нагріванні спотворення сигналу ще більше посилюються, особливо на низьких і наднизьких частотах.

Безтрансформаторні УНЧ

Підсилювач НЧ на транзисторі, виконаний з використанням трансформатора, незважаючи на те, що конструкція може мати малі габарити, все одно недосконалий. Трансформатори все одно важкі і громіздкі, тому краще від них позбутися. Набагато ефективніше виявляється схема, виконана на комплементарних напівпровідникових елементах з різними типами провідності. Велика частина сучасних УНЧ виконується саме за такими схемами і працюють у класі "В".

Два потужні транзистори, що використовуються в конструкції, працюють за схемою емітерного повторювача (загальний колектор). При цьому напруга входу передається на вихід без втрат і посилення. Якщо на вході немає сигналу, то транзистори на межі включення, але все одно ще відключені. При подачі гармонійного сигналу на вхід відбувається відкривання позитивної напіввільної першого транзистора, а другий в цей час знаходиться в режимі відсічки.

Отже, через навантаження здатні пройти тільки позитивні напівхвилі. Але негативні відкривають другий транзистор і повністю замикають перший. При цьому в навантаженні виявляються тільки негативні напівхвилі. В результаті посилений за потужністю сигнал виявляється на виході пристрою. Подібна схема підсилювача на транзисторах досить ефективна і здатна забезпечити стабільну роботу, якісне відтворення звуку.

Схема УНЧ на одному транзисторі

Вивчивши всі вищеописані особливості, можна зібрати підсилювач своїми руками на простій елементній базі. Транзистор можна використовувати вітчизняний КТ315 або будь-який його зарубіжний аналог - наприклад ВС107. Як навантаження потрібно використовувати навушники, опір яких 2000-3000 Ом. На базу транзистора необхідно подати напругу зміщення через резистор опором 1 Мом і конденсатор розв 'язки 10 мкФ. Харчування схеми можна здійснити від джерела напругою 4,5-9 Вольт, струм - 0,3-0,5 А.

Якщо опір R1 не підключити, то в базі і колекторі не буде струму. Але при підключенні напруга досягає рівня 0,7 В і дозволяє протікати струм близько 4 мкА. При цьому за струмом коефіцієнт посилення виявиться близько 250. Звідси можна зробити простий розрахунок підсилювача на транзисторах і дізнатися струм колектора - він виявляється рівний 1 мА. Зібравши цю схему підсилювача на транзисторі, можна провести її перевірку. До виходу підключіть навантаження - навушники.

Торкніться входу підсилювача пальцем - повинен з 'явитися характерний шум. Якщо його немає, то, швидше за все, конструкція зібрана неправильно. Перевірте всі з 'єднання та номінали елементів. Щоб наочніше була демонстрація, підключіть до входу УНЧ джерело звуку - вихід від плеєра або телефону. Прослухайте музику і оцініть якість звучання.