Типы усилителей на транзисторах: Типы усилителей на транзисторах

Содержание

Типы усилителей на транзисторах

Усилители – это электронные цепи, которые используют для увеличения амплитуды электронного сигнала. Цепь, рассчитанная на преобразование низкого напряжения в высокое, называется усилителем напряжения. Цепь, рассчитанная на преобразование слабого тока в сильный, называется усилителем тока. В современной электронике основными усилительными устройствами являются транзисторы.

Существует несколько способов включения транзистора в цепь: схема с общей базой, схема с общим эмиттером и схема с общим коллектором. В каждой из этих схем один из выводов транзистора служит общей точкой, а два других являются входом и выходом, при этом на переход эмиттер-база подаётся напряжение смещения в прямом направлении, а на переход коллектор база – в обратном. Каждая схема имеет преимущества и недостатки и может быть собрана как с

p–n–p, так и с n–p–n транзистором.

В схеме с общей базой (рис. 17) входной сигнал подаётся в цепь эмиттер-база, а выходной снимается с цепи коллектор-база. База является общим элементом для входа и выхода.

В схеме с общим эмиттером (рис. 18) входной сигнал подаётся в цепь эмиттер-база, а выходной сигнал снимается с цепи коллектор-эмиттер. Эмиттер является общим для входа и выхода. Этот способ включения транзистора используется наиболее широко.

В схеме с общим коллектором (рис. 19) входной сигнал подаётся в цепь база-коллектор, а выходной сигнал снимается с цепи эмиттер-коллектор. Здесь коллектор является общим для входа и выхода.

В таблице 1 приведены входные и выходные сопротивления, а также величина усиления по напряжению, току и мощности для трёх схем включения транзистора.

Таблица 1

Тип цепи	Входное сопротивление	Выходное сопротивление	Усиление по напряжению	Усиление по току	Усиление по мощности
Общая база	Десятки Ом	Сотни кОм – единицы МОм	Несколько сотен	Меньше единицы	Несколько сотен
Общий эмиттер	Тысячи Ом	Десятки–сотни кОм	Несколько десятков	Несколько сотен	Несколько тысяч
Общий коллектор	Десятки-сотни кОм	Десятки-сотни Ом	Меньше единицы	Несколько сотен	Несколько десятков

Поскольку цепи с общим эмиттером используются наиболее часто, мы их опишем более детально. Те же принципы применимы и к цепям с общей базой и общим коллектором.

На рис. 20 изображён транзисторный усилитель с общим эмиттером, использующий один источник питания. Источник питания обозначен +V. Символ заземления является отрицательным выводом источника питания V. Один источник питания обеспечивает подачу смещения для переходов база-эмиттер и база-коллектор. Два резистора (R_Б и R_К) используются для распределения напряжения, обеспечивающего правильную работу. Резистор R_К, сопротивление нагрузки коллектора, соединён последовательно с коллектором. Когда через коллектор течёт ток, на резисторе R

К появляется падение напряжения. Падение напряжения на резисторе R_К и падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора в сумме должны равняться приложенному напряжению.

Резистор R_Б, соединяющий базу с источником питания, управляет величиной тока базы. Ток базы, текущий через резистор R_Б, создаёт на нём падение напряжения, составляющее большую часть напряжения источника питания. Меньшая часть этого напряжения падает на переходе база-эмиттер транзистора, обеспечивая правильное прямое смещение.

виды, схемы, простые и сложные :: SYL.ru

Простейший усилитель на транзисторах может быть хорошим пособием для изучения свойств приборов. Схемы и конструкции достаточно простые, можно самостоятельно изготовить устройство и проверить его работу, произвести замеры всех параметров. Благодаря современным полевым транзисторам можно изготовить буквально из трех элементов миниатюрный микрофонный усилитель. И подключить его к персональному компьютеру для улучшения параметров звукозаписи. Да и собеседники при разговорах будут намного лучше и четче слышать вашу речь.

Частотные характеристики

Усилители низкой (звуковой) частоты имеются практически во всех бытовых приборах – музыкальных центрах, телевизорах, радиоприемниках, магнитолах и даже в персональных компьютерах. Но существуют еще усилители ВЧ на транзисторах, лампах и микросхемах. Отличие их в том, что УНЧ позволяет усилить сигнал только звуковой частоты, которая воспринимается человеческим ухом. Усилители звука на транзисторах позволяют воспроизводить сигналы с частотами в диапазоне от 20 Гц до 20000 Гц.

Следовательно, даже простейшее устройство способно усилить сигнал в этом диапазоне. Причем делает оно это максимально равномерно. Коэффициент усиления зависит прямо от частоты входного сигнала. График зависимости этих величин – практически прямая линия. Если же на вход усилителя подать сигнал с частотой вне диапазона, качество работы и эффективность устройства быстро уменьшатся. Каскады УНЧ собираются, как правило, на транзисторах, работающих в низко- и среднечастотном диапазонах.

Классы работы звуковых усилителей

Все усилительные устройства разделяются на несколько классов, в зависимости от того, какая степень протекания в течение периода работы тока через каскад:

Класс «А» – ток протекает безостановочно в течение всего периода работы усилительного каскада.
В классе работы «В» протекает ток в течение половины периода.
Класс «АВ» говорит о том, что ток протекает через усилительный каскад в течение времени, равного 50-100 % от периода.
В режиме «С» электрический ток протекает менее чем половину периода времени работы.
Режим «D» УНЧ применяется в радиолюбительской практике совсем недавно – чуть больше 50 лет. В большинстве случаев эти устройства реализуются на основе цифровых элементов и имеют очень высокий КПД – свыше 90 %.

Наличие искажений в различных классах НЧ-усилителей

Рабочая область транзисторного усилителя класса «А» характеризуется достаточно небольшими нелинейными искажениями. Если входящий сигнал выбрасывает импульсы с более высоким напряжением, это приводит к тому, что транзисторы насыщаются. В выходном сигнале возле каждой гармоники начинают появляться более высокие (до 10 или 11). Из-за этого появляется металлический звук, характерный только для транзисторных усилителей.

При нестабильном питании выходной сигнал будет по амплитуде моделироваться возле частоты сети. Звук станет в левой части частотной характеристики более жестким. Но чем лучше стабилизация питания усилителя, тем сложнее становится конструкция всего устройства. УНЧ, работающие в классе «А», имеют относительно небольшой КПД – менее 20 %. Причина заключается в том, что транзистор постоянно открыт и ток через него протекает постоянно.

Для повышения (правда, незначительного) КПД можно воспользоваться двухтактными схемами. Один недостаток – полуволны у выходного сигнала становятся несимметричными. Если же перевести из класса «А» в «АВ», увеличатся нелинейные искажения в 3-4 раза. Но коэффициент полезного действия всей схемы устройства все же увеличится. УНЧ классов «АВ» и «В» характеризует нарастание искажений при уменьшении уровня сигнала на входе. Но даже если прибавить громкость, это не поможет полностью избавиться от недостатков.

Работа в промежуточных классах

У каждого класса имеется несколько разновидностей. Например, существует класс работы усилителей «А+». В нем транзисторы на входе (низковольтные) работают в режиме «А». Но высоковольтные, устанавливаемые в выходных каскадах, работают либо в «В», либо в «АВ». Такие усилители намного экономичнее, нежели работающие в классе «А». Заметно меньшее число нелинейных искажений – не выше 0,003 %. Можно добиться и более высоких результатов, используя биполярные транзисторы. Принцип работы усилителей на этих элементах будет рассмотрен ниже.

Но все равно имеется большое количество высших гармоник в выходном сигнале, отчего звук становится характерным металлическим. Существуют еще схемы усилителей, работающие в классе «АА». В них нелинейные искажения еще меньше – до 0,0005 %. Но главный недостаток транзисторных усилителей все равно имеется – характерный металлический звук.

«Альтернативные» конструкции

Нельзя сказать, что они альтернативные, просто некоторые специалисты, занимающиеся проектировкой и сборкой усилителей для качественного воспроизведения звука, все чаще отдают предпочтение ламповым конструкциям. У ламповых усилителей такие преимущества:

Очень низкое значение уровня нелинейных искажений в выходном сигнале.
Высших гармоник меньше, чем в транзисторных конструкциях.

Но есть один огромный минус, который перевешивает все достоинства, – обязательно нужно ставить устройство для согласования. Дело в том, что у лампового каскада очень большое сопротивление – несколько тысяч Ом. Но сопротивление обмотки динамиков – 8 или 4 Ома. Чтобы их согласовать, нужно устанавливать трансформатор.

Конечно, это не очень большой недостаток – существуют и транзисторные устройства, в которых используются трансформаторы для согласования выходного каскада и акустической системы. Некоторые специалисты утверждают, что наиболее эффективной схемой оказывается гибридная – в которой применяются однотактные усилители, не охваченные отрицательной обратной связью. Причем все эти каскады функционируют в режиме УНЧ класса «А». Другими словами, применяется в качестве повторителя усилитель мощности на транзисторе.

Причем КПД у таких устройств достаточно высокий – порядка 50 %. Но не стоит ориентироваться только на показатели КПД и мощности – они не говорят о высоком качестве воспроизведения звука усилителем. Намного большее значение имеют линейность характеристик и их качество. Поэтому нужно обращать внимание в первую очередь на них, а не на мощность.

Схема однотактного УНЧ на транзисторе

Самый простой усилитель, построенный по схеме с общим эмиттером, работает в классе «А». В схеме используется полупроводниковый элемент со структурой n-p-n. В коллекторной цепи установлено сопротивление R3, ограничивающее протекающий ток. Коллекторная цепь соединяется с положительным проводом питания, а эмиттерная – с отрицательным. В случае использования полупроводниковых транзисторов со структурой p-n-p схема будет точно такой же, вот только потребуется поменять полярность.

С помощью разделительного конденсатора С1 удается отделить переменный входной сигнал от источника постоянного тока. При этом конденсатор не является преградой для протекания переменного тока по пути база-эмиттер. Внутреннее сопротивление перехода эмиттер-база вместе с резисторами R1 и R2 представляют собой простейший делитель напряжения питания. Обычно резистор R2 имеет сопротивление 1-1,5 кОм – наиболее типичные значения для таких схем. При этом напряжение питания делится ровно пополам. И если запитать схему напряжением 20 Вольт, то можно увидеть, что значение коэффициента усиления по току h31 составит 150. Нужно отметить, что усилители КВ на транзисторах выполняются по аналогичным схемам, только работают немного иначе.

При этом напряжение эмиттера равно 9 В и падение на участке цепи «Э-Б» 0,7 В (что характерно для транзисторов на кристаллах кремния). Если рассмотреть усилитель на германиевых транзисторах, то в этом случае падение напряжения на участке «Э-Б» будет равно 0,3 В. Ток в цепи коллектора будет равен тому, который протекает в эмиттере. Вычислить можно, разделив напряжение эмиттера на сопротивление R2 – 9В/1 кОм=9 мА. Для вычисления значения тока базы необходимо 9 мА разделить на коэффициент усиления h31 – 9мА/150=60 мкА. В конструкциях УНЧ обычно используются биполярные транзисторы. Принцип работы у него отличается от полевых.

На резисторе R1 теперь можно вычислить значение падения – это разница между напряжениями базы и питания. При этом напряжение базы можно узнать по формуле – сумма характеристик эмиттера и перехода «Э-Б». При питании от источника 20 Вольт: 20 – 9,7 = 10,3. Отсюда можно вычислить и значение сопротивления R1=10,3В/60 мкА=172 кОм. В схеме присутствует емкость С2, необходимая для реализации цепи, по которой сможет проходить переменная составляющая эмиттерного тока.

Если не устанавливать конденсатор С2, переменная составляющая будет очень сильно ограничиваться. Из-за этого такой усилитель звука на транзисторах будет обладать очень низким коэффициентом усиления по току h31. Нужно обратить внимание на то, что в вышеизложенных расчетах принимались равными токи базы и коллектора. Причем за ток базы брался тот, который втекает в цепь от эмиттера. Возникает он только при условии подачи на вывод базы транзистора напряжения смещения.

Но нужно учитывать, что по цепи базы абсолютно всегда, независимо от наличия смещения, обязательно протекает ток утечки коллектора.

В схемах с общим эмиттером ток утечки усиливается не менее чем в 150 раз. Но обычно это значение учитывается только при расчете усилителей на германиевых транзисторах. В случае использования кремниевых, у которых ток цепи «К-Б» очень мал, этим значением просто пренебрегают.

Усилители на МДП-транзисторах

Усилитель на полевых транзисторах, представленный на схеме, имеет множество аналогов. В том числе и с использованием биполярных транзисторов. Поэтому можно рассмотреть в качестве аналогичного примера конструкцию усилителя звука, собранную по схеме с общим эмиттером. На фото представлена схема, выполненная по схеме с общим истоком. На входных и выходных цепях собраны R-C-связи, чтобы устройство работало в режиме усилителя класса «А».

Переменный ток от источника сигнала отделяется от постоянного напряжения питания конденсатором С1. Обязательно усилитель на полевых транзисторах должен обладать потенциалом затвора, который будет ниже аналогичной характеристики истока. На представленной схеме затвор соединен с общим проводом посредством резистора R1. Его сопротивление очень большое – обычно применяют в конструкциях резисторы 100-1000 кОм. Такое большое сопротивление выбирается для того, чтобы не шунтировался сигнал на входе.

Это сопротивление почти не пропускает электрический ток, вследствие чего у затвора потенциал (в случае отсутствия сигнала на входе) такой же, как у земли. На истоке же потенциал оказывается выше, чем у земли, только благодаря падению напряжения на сопротивлении R2. Отсюда ясно, что у затвора потенциал ниже, чем у истока. А именно это и требуется для нормального функционирования транзистора. Нужно обратить внимание на то, что С2 и R3 в этой схеме усилителя имеют такое же предназначение, как и в рассмотренной выше конструкции. А входной сигнал сдвинут относительно выходного на 180 градусов.

УНЧ с трансформатором на выходе

Одна особенность – необходимо использовать трансформатор для согласования. Это является недостатком подобного усилителя звука на транзисторах.Коллекторная цепь транзистора нагружается первичной обмоткой, которая развивает выходной сигнал, передаваемый через вторичную на динамики. На резисторах R1 и R3 собран делитель напряжения, который позволяет выбрать рабочую точку транзистора. С помощью этой цепочки обеспечивается подача напряжения смещения в базу. Все остальные компоненты имеют такое же назначение, как и у рассмотренных выше схем.

Двухтактный усилитель звука

Нельзя сказать, что это простой усилитель на транзисторах, так как его работа немного сложнее, чем у рассмотренных ранее. В двухтактных УНЧ входной сигнал расщепляется на две полуволны, различные по фазе. И каждая из этих полуволн усиливается своим каскадом, выполненном на транзисторе. После того, как произошло усиление каждой полуволны, оба сигнала соединяются и поступают на динамики. Такие сложные преобразования способны вызвать искажения сигнала, так как динамические и частотные свойства двух, даже одинаковых по типу, транзисторов будут отличны.

В результате на выходе усилителя существенно снижается качество звучания. При работе двухтактного усилителя в классе «А» не получается качественно воспроизвести сложный сигнал. Причина – повышенный ток протекает по плечам усилителя постоянно, полуволны несимметричные, возникают фазовые искажения. Звук становится менее разборчивым, а при нагреве искажения сигнала еще больше усиливаются, особенно на низких и сверхнизких частотах.

Бестрансформаторные УНЧ

Усилитель НЧ на транзисторе, выполненный с использованием трансформатора, невзирая на то, что конструкция может иметь малые габариты, все равно несовершенен. Трансформаторы все равно тяжелые и громоздкие, поэтому лучше от них избавиться. Намного эффективнее оказывается схема, выполненная на комплементарных полупроводниковых элементах с различными типами проводимости. Большая часть современных УНЧ выполняется именно по таким схемам и работают в классе «В».

Два мощных транзистора, используемых в конструкции, работают по схеме эмиттерного повторителя (общий коллектор). При этом напряжение входа передается на выход без потерь и усиления. Если на входе нет сигнала, то транзисторы на грани включения, но все равно еще отключены. При подаче гармонического сигнала на вход происходит открывание положительной полуволной первого транзистора, а второй в это время находится в режиме отсечки.

Следовательно, через нагрузку способны пройти только положительные полуволны. Но отрицательные открывают второй транзистор и полностью запирают первый. При этом в нагрузке оказываются только отрицательные полуволны. В результате усиленный по мощности сигнал оказывается на выходе устройства. Подобная схема усилителя на транзисторах достаточно эффективная и способна обеспечить стабильную работу, качественное воспроизведение звука.

Схема УНЧ на одном транзисторе

Изучив все вышеописанные особенности, можно собрать усилитель своими руками на простой элементной базе. Транзистор можно использовать отечественный КТ315 или любой его зарубежный аналог – например ВС107. В качестве нагрузки нужно использовать наушники, сопротивление которых 2000-3000 Ом. На базу транзистора необходимо подать напряжение смещения через резистор сопротивлением 1 Мом и конденсатор развязки 10 мкФ. Питание схемы можно осуществить от источника напряжением 4,5-9 Вольт, ток – 0,3-0,5 А.

Если сопротивление R1 не подключить, то в базе и коллекторе не будет тока. Но при подключении напряжение достигает уровня в 0,7 В и позволяет протекать току около 4 мкА. При этом по току коэффициент усиления окажется около 250. Отсюда можно сделать простой расчет усилителя на транзисторах и узнать ток коллектора – он оказывается равен 1 мА. Собрав эту схему усилителя на транзисторе, можно провести ее проверку. К выходу подключите нагрузку – наушники.

Коснитесь входа усилителя пальцем – должен появиться характерный шум. Если его нет, то, скорее всего, конструкция собрана неправильно. Перепроверьте все соединения и номиналы элементов. Чтобы нагляднее была демонстрация, подключите к входу УНЧ источник звука – выход от плеера или телефона. Прослушайте музыку и оцените качество звучания.

Усилители на биполярных транзисторах

5.5. Усилители на биполярных транзисторах

В усилителях на биполярных транзисторах используется три схемы подключения транзистора: с общей базой (рис.

5.6; 5.9), с общим эмиттером (рис. 5.7; 5.10), с общим коллектором (рис. 5.8; 5.11).

На рисунках 5.6-5.8 показаны схемы включения транзисторов с питанием входных и выходных цепей от отдельных источников питания, а на рисунках 5.9-5.11 – с питанием входных и выходных цепей транзистора от одного источника постоянного напряжения.

Усилители в схеме включения транзистора с общей базой характеризуются усилением по напряжению, отсутствием усиления по току, малым входным сопротивлением и большим выходным сопротивлением.

Усилители в схеме включения транзистора с общим коллектором характеризуются усилением по току, отсутствием усиления по напряжению, большим входным сопротивлением и малым выходным сопротивлением.

Наибольшее распространение получила схема включения с общим эмиттером. В схеме включения транзистора с общим эмиттером усилитель обеспечивает усиление по напряжению, по току, по мощности. Такой усилитель имеет средние значения входного и выходного сопротивления по сравнению со схемами включения с общей базой и общим коллектором.

Сравнительные характеристики усилителей приведены в таблице:

Параметр	Схема ОЭ	Схема ОБ	Схема ОК
коэффициент усиления по току	Десятки-сотни	Немного меньше единицы	Десятки-сотни
коэффициент усиления по напряжению	Десятки-сотни	Десятки-сотни	Немного меньше единицы
коэффициент усиления по мощности	Сотни- десятки тысяч	Десятки-сотни	Десятки-сотни
Входное сопротивление	Сотни ом – единицы килоом	Единицы- десятки ом	Десятки – сотни килоом
Выходное сопротивление	Единицы – десятки килоом	Сотни килоом – единицы мегаом	Сотни ом – единицы килоом

Параметры транзистора в значительной степени зависят от температуры. Изменение температуры окружающей среды приводит к изменению рабочего режима транзистора в простой схеме усилителя при включении транзистора с общим эмиттером (рис.

5.2 б). Такая простая схема усилителя используется очень редко. Для стабилизации режима работы транзистора при изменении температуры используют схемы коллекторной (рис. 5.12, 5.13) и эмиттерной (рис. 5.14, 5.15) стабилизации режима работы транзистора.

Коллекторная температурная стабилизация режима работы транзистора по схеме рисунка 5.12 используется редко, так как кроме температурной стабилизации происходит уменьшение коэффициента усиления за счет отрицательной обратной связи по переменному току. Устранить отрицательную обратную связь по переменному току позволяет конденсатор С1 в схеме, приведенной на рисунке 5.13. Такая стабилизация используется, например, в антенных усилителях для телевизионного приема.

Как в промышленных, так и в радиолюбительских конструкциях широко применяется эмиттерная температурная стабилизация режима работы транзистора.

На рисунках 5.14 и 5.15 приведены схемы однокаскадных усилителей на биполярных транзисторах n-p-n и p-n-p типов с эмиттерной температурной стабилизацией режима работы транзистора.

Проследим цепи, по которым протекают постоянные токи в усилителе по схеме рисунка 5.14. Постоянный ток делителя напряжения протекает по цепи: плюс источника питания, резисторы R1, R2, минус источника питания. Постоянный ток базы транзистора VT1 протекает по цепи: плюс источника питания, резистор R1, переход база-эмиттер транзистора VT1, резистор R_э, минус источника питания. Постоянный ток коллектора транзистора VT1 протекает по цепи: плюс источника питания, резистор R_К, выводы коллектор-эмиттер транзистора, резистор R_э, минус источника питания. Биполярный транзистор в составе усилителя работает в режиме, когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор – в обратном. Поэтому постоянное напряжение на резисторе R2 будет равно сумме напряжения на переходе база-эмиттер транзистора VT1 и напряжения на резисторе R_э: U_R₂=U_бэ+U_R_э. Отсюда следует, что постоянное напряжение на переходе база-эмиттер будет равно U_бэ= U_R₂– U_R_э.

Пусть температура окружающей среды увеличивается. В результате этого увеличиваются постоянные токи базы, коллектора и эмиттера, т.е. изменяется рабочая точка транзистора. Ток делителя напряжения на резисторах R1, R2 выбирают значительно больше тока базы транзистора. Поэтому напряжение на резисторе R2 при изменении температуры остается практически неизменным (сопротивление резистора от температуры не зависит), а напряжение на резисторе R_э с увеличением температуры увеличивается за счет увеличения тока эмиттера при неизменном сопротивлении резистора в цепи эмиттера. В результате этого напряжение база-эмиттер уменьшится, что приведет к уменьшению тока базы, а, следовательно, и силы тока коллектора. Таким образом, рабочая точка транзистора будет стремиться к исходному состоянию. Наличие резистора в цепи эмиттера приводит к появлению отрицательной обратной связи как по постоянному, так и по переменному токам. Для устранения отрицательной обратной связи по переменному току параллельно резистору R_э подключают конденсатор. Емкость конденсатора С_э выбирают так, чтобы его сопротивление переменному току на самой низкой частоте усиливаемого сигнала было значительно (примерно в десять раз) меньше сопротивления резистора в цепи эмиттера.

В усилителях низкой частоты на биполярных транзисторах применяются разделительные конденсаторы большой емкости. Это, как правило, электролитические конденсаторы, при подключении которых в электрическую цепь необходимо соблюдать полярность. Если источник усиливаемого сигнала не имеет постоянной составляющей и к выходу усилителя подключается нагрузка, не имеющая постоянного напряжения на своих зажимах, то полярность конденсаторов при использовании транзисторов n-р-n типа должна быть такой, как показано на рисунке 5. 14, а для транзистора р-n-р типа – на рисунке 5.15 (изменяется полярность включения источника питания и полярность подключения конденсаторов). Емкость разделительного конденсатора (конденсатор на выходе усилительного каскада) выбирают такой, чтобы его сопротивление было много меньше входного сопротивления следующего усилительного каскада, или много меньше сопротивления нагрузки на самой низкой частоте усиливаемого сигнала.

В последнее время широко применяются двухкаскадные усилители с непосредственной связью между транзисторами (рис. 5.16). Такие усилители применяются в качестве входных усилителей низкой частоты, в качестве антенных усилителей телевизионного сигнала и др. В этих усилителях обеспечивается температурная стабилизация режима обоих транзисторов. Рассмотрим цепи, по которым протекают постоянные токи. Постоянный ток базы транзистора VT1 протекает по следующим цепям: плюс источника питания, резистор R1, переход база-эмиттер транзистора VT2, резистор R2, переход база-эмиттер транзистора VT1, общий провод, минус источника питания; плюс источника питания, резистор R_к, выводы коллектор-эмиттер транзистора VT2, резистор R2,

переход база-эмиттер транзистора VT1, общий провод, минус источника питания. Постоянный ток базы транзистора VT2 протекает по цепи: плюс источника питания, резистор R1, переход база-эмиттер транзистора VT2, резистор R_э, общий провод, минус источника питания. Постоянный ток коллектора транзистора VT1 протекает по цепи: плюс источника питания, резистор R1, выводы коллектор-эмиттер транзистора VT1, общий провод, минус источника питания. Постоянный ток коллектора транзистора VT2 протекает по цепи: плюс источника питания, резистор R_к, выводы коллектор-эмиттер транзистора VT2, резистор R_э, общий провод, минус источника питания.

При увеличении температуры увеличивается ток базы первого транзистора. Это приведет к увеличению тока коллектора этого транзистора и уменьшению напряжения между коллектором первого транзистора и общим проводом. В результате уменьшится ток базы второго транзистора, что приведет к уменьшению тока коллектора второго транзистора. Напряжение на резисторе Rэ уменьшится, и ток базы первого транзистора будет стремиться к своему первоначальному значению.

Входные цепи чувствительного усилителя низкой частоты обязательно выполняются экранированным проводом, причем экран соединяется с корпусом усилителя в одной точке. От выбора этой точки зависит уровень мешающих напряжений.

Транзистор как усилитель – CoderLessons.com

Чтобы транзистор действовал как усилитель, он должен быть правильно смещен. Мы обсудим необходимость правильного смещения в следующей главе. Здесь, давайте сосредоточимся, как транзистор работает как усилитель.

Транзисторный усилитель

Транзистор действует как усилитель, повышая силу слабого сигнала. Напряжение смещения постоянного тока, приложенное к основанию соединения эмиттера, заставляет его оставаться в прямом смещенном состоянии. Это прямое смещение поддерживается независимо от полярности сигнала. На рисунке ниже показано, как выглядит транзистор при подключении в качестве усилителя.

Низкое сопротивление входной цепи позволяет любому небольшому изменению входного сигнала привести к значительному изменению выходного сигнала. Ток эмиттера, вызванный входным сигналом, вносит ток коллектора, который, когда протекает через нагрузочный резистор R _L , приводит к значительному падению напряжения на нем. Таким образом, небольшое входное напряжение приводит к большому выходному напряжению, что показывает, что транзистор работает как усилитель.

пример

Пусть произойдет изменение входного напряжения на 0,1 В, что дополнительно приведет к изменению тока эмиттера на 1 мА. Этот ток эмиттера, очевидно, вызовет изменение тока коллектора, которое также будет равно 1 мА.

Сопротивление нагрузки 5 кОм, помещенное в коллектор, будет создавать напряжение

5 кОм × 1 мА = 5 В

Следовательно, наблюдается, что изменение на 0,1 В на входе дает изменение на 5 В на выходе, что означает, что уровень напряжения сигнала усиливается.

Производительность усилителя

Поскольку общий тип подключения к излучателю в основном принят, давайте сначала разберемся с несколькими важными терминами, относящимися к этому режиму подключения.

Входное сопротивление

Поскольку входная цепь смещена в прямом направлении, входное сопротивление будет низким. Входное сопротивление — это сопротивление, создаваемое переходом база-эмиттер потоку сигнала.

По определению это отношение небольшого изменения напряжения базы-эмиттера (ΔV _BE ) к результирующему изменению тока базы (ΔI _B ) при постоянном напряжении коллектор-эмиттер.

Входное сопротивление, Ri= frac DeltaVBE DeltaIB

Где R _i = входное сопротивление, V _BE = напряжение базы-эмиттера, а I _B = ток базы.

Выходное сопротивление

Выходное сопротивление транзисторного усилителя очень высокое. Ток коллектора изменяется очень слабо с изменением напряжения коллектор-эмиттер.

По определению это отношение изменения напряжения коллектора-эмиттера (ΔV _CE ) к результирующему изменению тока коллектора (ΔI _C ) при постоянном базовом токе.

Выходное сопротивление = Ro= frac DeltaVCE DeltaIC

Где R _o = выходное сопротивление, V _CE = напряжение коллектор-эмиттер, а I _C = напряжение коллектор-эмиттер.

Эффективная нагрузка на коллектор

Нагрузка подключена к коллектору транзистора, и для одноступенчатого усилителя выходное напряжение берется с коллектора транзистора, а для многоступенчатого усилителя то же самое собирается с каскадных каскадов транзисторной цепи.

По определению это общая нагрузка, видимая током коллектора переменного тока. В случае одноступенчатых усилителей эффективная нагрузка коллектора представляет собой параллельную комбинацию R _C и R _o .

Эффективная нагрузка коллектора, RAC=RC//Ro

= fracRC timesRoRC+Ro=RAC

Следовательно, для одноступенчатого усилителя эффективная нагрузка равна нагрузке коллектора R _C.

В многоступенчатом усилителе (то есть имеющем более одного каскада усиления) также учитывается входное сопротивление R _i следующего каскада.

Эффективная нагрузка коллектора становится параллельной комбинацией R _C , R _o и R _i, т. Е.

Эффективная нагрузка коллектора, RAC=RC//Ro//Ri

RC//Ri= fracRCRiRC+Ri

Поскольку входное сопротивление R _i довольно мало, следовательно, эффективная нагрузка уменьшается.

Текущая прибыль

Коэффициент усиления по току, когда наблюдаются изменения входных и выходных токов, называется коэффициентом усиления по току . По определению это отношение изменения тока коллектора (I _C ) к изменению базового тока (I _B ).

Текущая прибыль, beta= frac DeltaIC DeltaIB

Значение β колеблется от 20 до 500. Коэффициент усиления по току указывает, что входной ток становится β-кратным в токе коллектора.

Усиление напряжения

Коэффициент усиления по напряжению, когда наблюдаются изменения входных и выходных токов, называется коэффициентом усиления по напряжению . По определению это отношение изменения выходного напряжения (ΔV _CE ) к изменению входного напряжения (ΔV _BE ).

Коэффициент усиления по напряжению, AV= frac DeltaVCE DeltaVBE

= fracИзменитьввыводтекущий разэффективныйнагрузкаИзменитьввходтекущий развводсопротивление

= frac DeltaIC timesRAC DeltaIB timesRi= frac DeltaIC DeltaIB times fracRACRi= beta times fracRACRi

Для одной ступени R _AC = R _C.

Тем не менее, для многоступенчатой,

RAC= fracRC timesRiRC+Ri

Где R _i — входное сопротивление следующей ступени.

Усиление силы

Коэффициент усиления по мощности, когда наблюдаются изменения входных и выходных токов, называется коэффициентом усиления по мощности .

По определению это отношение мощности выходного сигнала к мощности входного сигнала.

Усиление мощности, AP= frac( DeltaIC)2 timesRAC( DeltaIB)2 timesRi

= left( frac DeltaIC DeltaIB right) times frac DeltaIC timesRAC DeltaIB timesRi

= Коэффициент усиления по току × коэффициент усиления по напряжению

Следовательно, это все важные термины, которые относятся к производительности усилителей.

виды, схемы, простые и сложные. Работа в промежуточных классах

Пресытившись конструкциями на лампах и современных компонентах в последнее время в ностальгическом порыве маюсь конструкциями на германиевых транзисторах.

Начитавшись на форумах, что, дескать, из-за несовершенства технологии производства их параметры со временем сильно деградируют, для проверки своих запасов даже приобрёл промышленный измеритель параметров транзисторов и маломощных диодов Л2-54.

Протестировал более сотни разных экземпляров транзисторов и могу с удовлетворением отметить, что ни один не забраковал – все как минимум с полуторакратным (а чаще всего с 2-3 кратным) запасом соответствуют справочным данным. Так что совсем не грех их трудоустроить, тем паче, что в мою юность многие из них были столь же желанны, как и недоступны.

И начинаем традиционно – с постройки УНЧ .

Целый ряд популярных и по сей день радиолюбительских приемников, например , выполнены на германиевых транзисторах и рассчитаны на работу на дефицитные ныне высокоомные наушники. Рекомендуемые там же для повышения выходной мощности простые эмиттерные повторители способны обеспечить более-менее пристойное звучание лишь на связные низкоомные наушники (100- 600 Ом) или низкоомную нагрузку (4-16 Ом современные наушники или динамик), подключаемую через трансформатор с Ктр не менее 1/5 (1/25 по сопротивлению) и всё равно при малых уровнях сильно сказывается искажения типа ступенька. Можно, конечно, попробовать притулить туда современные УНЧ на ИМС, но они требуют плюсовое питание. Можно пойти еще дальше и перевести конструкции на современные транзисторы, но… теряется «изюминка», вкус времени — «ностальжи», так что это не наш путь.

Существенно улучшить качество звучания на низкоомную нагрузку и обеспечить громкоговорящий прием поможет усилитель мощности с глубокой ООС (рис.1 обведён синей рамкой), подключаемый вместо высокоомных наушников.

Как видим, его схема почти классика 60-70гг. Отличительной чертой является глубокая (более 32 дБ) ООС по постоянному и переменному току (через резистор R7), что и обеспечивает высокую линейность усиления (при средних уровнях Кг менее 0,5%, при малой (менее 5 мВт) и максимальной мощности (0,5 Вт) Кг достигает 2%). Несколько непривычное включение регулятора громкости обеспечивает повышение глубины ООС при уменьшении громкости, благодаря этому оказалось возможным сделать УНЧ более экономичным (ток покоя всего УНЧ ППП не более 7 мА) практически при полном отсутствии искажений типа «ступенька». Конденсатор С6 ограничивает полосу пропускания на уровне примерно 3,5 кГц (без него она превышает 40 кГц!), что также снижает уровень собственных шумов – УНЧ очень тихий. Уровень собственных шумов на выходе примерно 1,2 мВ! (при заземлённом левом выводе С1). Общий Кус со входа (с левого вывода С1) примерно 8 тыс. Т.о. уровень собственных шумов приведенных ко входу — примерно 0,15 мкВ. При подключении к реальному источнику сигнала (ФНЧ) за счет токовой составляющей уровень собственных шумов, приведенных ко входу, возрастает до 0,3-0,4 мкВ.

В выходном каскаде применены недорогие и надежные ГТ403. УНЧ способен выдать «на гора» и большую мощность (до 2,5 Вт на нагрузке 4 Ома), но тогда потребуется установить транзисторы на радиаторы и/или применить более мощный (П213, П214 и т. п.), но, на мой взгляд, 0,5 Вт и современном чувствительном динамике «за глаза» хватает даже при прослушивании музыки. Для усилителя НЧ пригодны практически любые германиевые низкочастотные транзисторы соответствующей структуры и Н21э транзисторов не менее 40 (Т2, T3, Т4 –МП13-16, МП39-42, а Т5- МП9-11, МП35-38). Если планируется применение этого УНЧ в ППП, то нужно, чтобы Т1 был малошумящим (П27А, П28, МП39Б). Для выходного каскада пары Т4,Т5 и Т6,Т7 желательно подобрать с близкими (не хуже +-10%) значениями Н21е.

За счет глубокой ООС по постоянному току режимы УНЧ устанавливаются автоматически. При первом включении проверяют ток покоя (5-7 мА) и при необходимости добиваются требуемого подбором более удачного экземпляра диода. Упростить эту процедуру можно, если воспользоваться китайским мультиметром. Он в режиме прозвонки диодов пропускает через диод ток примерно 1 мА. Нам нужен экземпляр с падением напряжения порядка 310-320 мВ.

Для испытаний мощного УНЧ была выбрана схема простого двухдиапазонного ППП RA3AAE. Давно хотел её попробовать, да всё как-то руки не доходили, а тут такая оказия (hi!).

Сразу сделал небольшие корректировки схемы (см. рис.3), которые здесь и опишу. Всё остальное, в т.ч. и процесс настройки смотрите в книжке .

В качестве двухзвенного ФНЧ уже традиционно применил магнитофонную универсальную головку, что обеспечило повышенную селективность по соседнему каналу. Катушка ФНЧ имеет довольно большую собственную емкость, поэтому она существенно нагружает ГПД, особенно если намотана не ПЭЛШО, а простым проводом типа ПЭВ, ПЭЛ (в т.ч. и магнитофонные ГУ). В этом случае собственная емкость катушки настолько велика, что весьма проблематично запустить ГПД с нормальной амплитудой на диодах — с этим сталкивались многие коллеги. Вот поэтому сигнал ГПД лучше снимать не с отвода катушки, а катушки связи, что исключает все эти проблемы и заодно полностью исключает попадание напряжение ГПД на вход УНЧ. Дабы не заморачиваться намоткой нашел подходящие готовые катушки и вперёд, к испытаниям ППП и неожиданно натолкнулся на серьезные «грабли» — при переключении на 40м диапазон амплитуда сигнала ГПД на катушке связи уменьшается в 2 раза! Ладно, подумал я, может у меня гранаты, то бишь катушки, не той системы (hi!). Нашел каркасы и перемотал строго по автору (см. фото)

и здесь надо отдать должное Владимиру Тимофеевичу — без дополнительных телодвижений сразу попал в указанные частотные диапазоны — как входных контуров, так и ГПД.

Но… проблема осталась, а это значит, что нельзя оптимально настроить смеситель на обоих диапазонах – если выставить оптимальную амплитуду на одном, то на другом диоды будут или закрыты или практически постоянно открыты. Возможен только некий средний, компромиссный, вариант установки амплитуды ГПД, когда смеситель будет более-менее работать на обоих диапазонах, но с повышенными потерями (до 6-10 дБ). Решение проблемы оказалось поверхности – использовать свободную группу переключения в тумблере для коммутации эмиттерного резистора, которым и будем устанавливать оптимальную амплитуду ГПД на каждом диапазоне. Для контроля и регулировки оптимальной амплитуды ГПД применим такую же методу, как в .

Для этого левый (см. рис.3) вывод диода D1 переключаем на вспомогательный конденсатор 0С1. В результате получается классический выпрямитель напряжения ГПД с удвоением. Этот своеобразный «встроенный ВЧ вольтметр» и дает нам возможность провести фактически прямое измерение режимов работы конкретных диодов от конкретного ГПД непосредственно в работающей схеме. Подключив для контроля к 0С1 мультиметр в режиме измерения постоянного напряжения, подбором эмиттерных резисторов (с начала R3 на 40м диапазоне, затем R5 на 80м) добиваемся напряжения +0,8…+1 В – это и будет оптимальное напряжения для диодов 1N4148, КД522,521 и т.п. Вот вся настройка. Подпаиваем вывод диода обратно на место, а вспомогательную цепочку убираем. Теперь при оптимальном работающем смесителе можно оптимизировать (увеличить) его подключение к входному контуру (отвод делается не от 5 , а от 10 витка L2), тем самым повысить чутьё на 6-10дБ на обоих диапазонах.

По цепи питания мощного двухтактного УНЧ возможны большие пульсации напряжения, особенно при питания от батарей. Поэтому для питания ГПД применен экономичный параметрический стабилизатор напряжения на Т4, где в качестве стабилитрона использован обратносмещённый эмиттерный переход КТ315 (что было под рукой). Выходное напряжение стабилизатора выбрано порядка -6..-6,5в, что обеспечивает стабильную частоту настройки при разряде батареи вплоть до 7в. Из-за пониженного напряжения питания ГПД число витков катушки связи L3 увеличено до 8 витков. Но у КТ315 разброс по напряжению пробоя эмиттерного перехода довольно большой – первый попавшийся дал 7,5в – многовато, второй дал 7в (см. графики из )

– уже хорошо, применив в качестве Т4 кремниевый КТ209в получил требуемые -6,3в. Если не хочется заморачиваться с подбором, можно в качестве Т5 поставить КТ316, тогда Т4 должен быть германиевым (МП39-42). Тогда имеет смысл для унификации и в ГПД поставить КТ316 (см. рис.4), что положительно скажется на стабильности частоты ГПД. Именно такой вариант у меня сейчас работает.

— многие радиолюбители, которые в силу своего возраста не застали эпоху «германиевого звука» и часто спрашивают: «Что такого особенного есть в усилителях мощности собранных на германиевых транзисторах?». Если не особенно вдаваться в подробности, то можно ответить так: У таких аппаратов необычный звук, очень похожий на ламповый, большой динамический диапазон и та самая скорость нарастания. Впрочем, это на любителя, есть такие кто например ненавидит лампы. Но качественные усилители выполненные на кремневых транзисторах обладают всеми этими характеристиками в том же объеме. Так же германиевые полупроводники имеют несколько больший акустический КПД, то есть звучание у них громче, чем у кремневых на выходе и для высоко комфортного прослушивания вполне хватит небольшой выходной мощности.

Первыми транзисторами в радиотехнике, после электровакуумных ламп были германиевыми, которые произвели настоящий фурор в радиоэлектронной сфере. Конечно нет смысла спорить, что приобрели почитатели музыки отказавшись от лампового варианта в пользу германиевых приборов. По этому поводу до сих пор существует много разных мнений. В настоящее время германиевые транзисторы не производит ни одна страна и упоминание о них встречаются довольно редко. И напрасно. Германиевый усилитель мощности и если взять для примера кремниевый транзистор, какой он бы не был, биполярный, полевой или предназначенный для работы на высоких и низких частотах и так далее. Так вот он в отличии от германиевого полупроводника менее подходящий для воспроизведения звука высокого качества. p>

В общем, чтобы сейчас не углубляться в рассмотрение физических свойств германиевых транзисторов, при необходимости вы можете эти данные легко найти в интернете. Поэтому перейдем непосредственно к изучению принципиальных схем построенных на транзисторах с германиевым кристаллом. Сразу хотелось бы отметить несколько важных правил без соблюдения которых, очень сложно получить высококачественное звучание. p>

Во первых в используемой схеме устройства, принципиально нужно отказаться от применения кремниевых полупроводников.
Компоновку и последующую сборку выполнять только навесным монтажом, при этом как можно больше использовать сами выводы электронных компонентов. В случае применения печатных плат для монтажа, то вы должны знать, что в таком случае качество звучания будет существенно хуже.
При конструировании усилителя старайтесь рассчитать схему так, чтобы количество транзисторов в устройстве должно быть как можно меньшим.
Прежде чем производить монтаж, необходимо провести подбор комплементарных пар транзисторов не только для каждого плеча выходного тракта структуры PNP и NPN, но и обязательно для обоих каналов. Особое внимание при подборе электронных элементов стоит обратить на параметры статического коэффициента передачи тока, которое должно быть более 100 и как можно меньшим обратным током коллектора.
Силовой трансформатор должен быть собран на магнитопроводе из Ш-образных пластин с площадью сечения более 15см². Также нужно при изготовлении трансформатора не забыть сделать один ряд экранирующей обмотки с последующим ее заземлением.

Германиевый усилитель мощности — схема №1

Показанный здесь германиевый усилитель мощности и его схемотехника можно сказать легендарная и в свои лучшие годы была очень популярна. Такая топология схемы усилителя одна из немногих конфигураций, которая соответствует аудиофильским нормам. Хотя эта схема и очень простая, но тем не менее способна воспроизводить высококачественное звучание при этом затраты на комплектующие совсем небольшие и под силу любому радиолюбителю. Автор этой конструкции усилителя в этом случае всего лишь приспособил ее к современным запросам High End Audio.

Настраивать германиевый усилитель несложно. Вначале нужно переменным резистором R2 установить ровно половину питания на отрицательном отводе электролитического конденсатора С7. Далее необходимо подобрать постоянный резистор R13 таким образом, чтобы мультиметр, подключенный в цепь коллектора транзисторов оконечного каскада, показывал ток покоя в пределах 42 – 52 мА, но не больше. Когда начнете подавать сигнал на вход усилителя, то обязательно нужно проверить наличие либо отсутствие самовозбуждения, хотя возникновение такого процесса бывает исключительно редко.

Но все таки если на осциллографе появились высокочастотные искажения, то в этом случае нужно будет заменить конденсатор С5 на емкость с большим номиналом. Для того, чтобы усилитель работал в стабильном и устойчивом режиме при повышении температуры на основание пары диодов D311 должна быть нанесена тепло-проводная паста и плотно закреплены на транзисторе выходного каскада. В свою очередь выходные транзисторы устанавливаются на радиаторах охлаждения с площадью рассеивания более 220см².

Схема модернизированная

В предыдущей штатной схеме выходной каскад был построен на транзисторах одной проводимости, так как в те далекие времена советская электронная промышленность не производила мощных комплементарных германиевых транзисторов. Когда много позднее появились германиевые транзисторы структуры PNP и NPN, то это дало возможность модернизировать схему оконечного каскада как показано на второй схеме. Но оказывается не все так просто как хотелось бы. Дело в том, что у названных выше полупроводников предельный коллекторный ток составляет всего около 3,4 А.

Например у П217В максимальный ток коллектора равен 7,5 A. В связи с этим использование их в схеме возможно только с условием параллельного включения по два в плечо. Вот такой вариант практически этим и имеет отличие от первой схемы. Ну и конечно у источника питания полярность противоположная. И транзистор для усиления напряжения ГТ 404Г, установлен n-p-n проводимости. Настройка модернизированной схемы идентична предыдущей. Ток покоя оконечного каскада имеет точно такие же значения.

Немного о блоке питания

Чтобы получить качественное звучание, желательно раздобыть где то две пары германиевых сплавных диода Д305. Устанавливать другие настоятельно не советую. Соединяются они по мостовой схеме, и ставятся шунты в виде слюдяных конденсаторов типа КСО, емкостью по 0,01µF, далее устанавливаем восемь емкостей по 1000µF с рабочим напряжением 63v, желательно фирменные, которые также шунтируются слюдяными конденсаторами. Увеличивать общую емкость не следует, так как сбалансированность низких, средних, и высоких частот снижается, теряется воздух.

Параметрические значения двух приведенных схем практически одинаковы: мощность на выходе составляет 20 Вт при работе на нагрузку 4 Ом. Безусловно, данные цифры почти ничего не скажут о звучании усилителя. Но об одном можно говорить с уверенностью — однажды прослушав правильно собранный усилитель по схемам приведенным выше, вы уже не так уверенно будете смотреть в сторону аппаратов собранных на кремниевых транзисторах.

Частотные характеристики

Классы работы звуковых усилителей

Класс «А» – ток протекает безостановочно в течение всего периода работы усилительного каскада.
В классе работы «В» протекает ток в течение половины периода.
Класс «АВ» говорит о том, что ток протекает через усилительный каскад в течение времени, равного 50-100 % от периода.
В режиме «С» электрический ток протекает менее чем половину периода времени работы.
Режим «D» УНЧ применяется в радиолюбительской практике совсем недавно – чуть больше 50 лет. В большинстве случаев эти устройства реализуются на основе цифровых элементов и имеют очень высокий КПД – свыше 90 %.

Наличие искажений в различных классах НЧ-усилителей

Работа в промежуточных классах

«Альтернативные» конструкции

Очень низкое значение уровня нелинейных искажений в выходном сигнале.
Высших гармоник меньше, чем в транзисторных конструкциях.

Схема однотактного УНЧ на транзисторе

Но нужно учитывать, что по цепи базы абсолютно всегда, независимо от наличия смещения, обязательно протекает ток утечки коллектора. В схемах с общим эмиттером ток утечки усиливается не менее чем в 150 раз. Но обычно это значение учитывается только при расчете усилителей на германиевых транзисторах. В случае использования кремниевых, у которых ток цепи «К-Б» очень мал, этим значением просто пренебрегают.

Усилители на МДП-транзисторах

УНЧ с трансформатором на выходе

Можно изготовить такой усилитель своими руками для домашнего использования. Выполняется он по схеме, работающей в классе «А». Конструкция такая же, как и рассмотренные выше, – с общим эмиттером. Одна особенность – необходимо использовать трансформатор для согласования. Это является недостатком подобного усилителя звука на транзисторах.

Коллекторная цепь транзистора нагружается первичной обмоткой, которая развивает выходной сигнал, передаваемый через вторичную на динамики. На резисторах R1 и R3 собран делитель напряжения, который позволяет выбрать рабочую точку транзистора. С помощью этой цепочки обеспечивается подача напряжения смещения в базу. Все остальные компоненты имеют такое же назначение, как и у рассмотренных выше схем.

Двухтактный усилитель звука

Бестрансформаторные УНЧ

Схема УНЧ на одном транзисторе

Делаем усилитель звуковой частоты на германиевых транзисторах своими руками.

Просматривая публикации в интернете, а также видеоролики на ресурсе YouTube, можно отметить устойчивый интерес к сборке относительно несложных конструкций радиоприемников различных типов (прямого преобразования, регенеративных и других) и усилителей звуковой частоты на транзисторах, в том числе и на германиевых.

Сборка конструкций на германиевых транзисторах является своего рода ностальгией, потому что эра германиевых транзисторов закончилась лет 30 тому назад, собственно, как и их производство. Хотя аудиофилы по прежнему спорят до хрипоты, что же лучше для высокой верности воспроизведения звука-германий или кремний?

Оставим высокие материи и перейдем к практике…

Есть планы повторить пару конструкций несложных радиоприемников (прямого преобразования и регенеративных) для приема в диапазоне коротких волн. Как известно, усилитель ЗЧ является обязательной составной частью любого радиоприемника. Поэтому было принято решение изготовить УЗЧ в первую очередь.

Усилитель низкой (или звуковой, кому как удобно) частоты будет изготовлен отдельным узлом, так сказать, на все случаи жизни…

УЗЧ будем собирать на германиевых транзисторах производства СССР, благо у меня их лежит разных типов наверное до сотни. Видимо настало время дать им вторую жизнь.

Для радиоприемника большая выходная мощность УНЧ не нужна, достаточно до нескольких сотен милливатт.Поиск подходящей схемы привел вот к этой конструкции.

Данная схема подходит как нельзя кстати. Выходная мощность -0,5 Вт, все транзисторы германиевые, к тому же имеются в наличии, частотная характеристика оптимизирована для радиоприемников (ограничена сверху частотой 3,5 кГц), достаточно большое усиление.

Принципиальная схема усилителя.

Все необходимые для сборки усилителя детали недефицитные. Транзисторы МП37, МП39, МП41 взял первые попавшиеся под руку. Выходные транзисторы ГТ403 рекомендуется подобрать по коэффициенту усиления, но я этого не делал-у меня было пару штук новых из одной партии, их я и взял. Входной МП28 оказался в единственном экземпляре, но исправный.

Все транзисторы были проверены омметром на исправность. Как оказалось, это не гарантия от неисправностей, но об этом ниже…Электролитические конденсаторы взял импортные, С1-пленочный, С5-керамический.

В программе SprintLayout создаем разводку печатной платы. Вид со стороны печатных проводников.

Собственно, печатную плату, изготавливаем при помощи ЛУТ, травим в хлорном железе.

Запаиваем все необходимые детали. Плата собранного усилителя выглядит так.

Поскольку выходная мощность усилителя невелика-радиаторы для выходных транзисторов не нужны. При работе они еле теплые.

Настройка усилителя.

Собранный усилитель нуждается в некоторой настройке.

После подачи питания 9В замеряем напряжения в контрольных точках, которые указаны на схеме, приведенной выше. На коллекторе транзистора VТ2 напряжение было минус 2,5 В при необходимых -3…4 В.

Подбором резистора R2 устанавливаем необходимое напряжение.

С каскадом предварительного усиления на транзисторах VТ1 и VТ2 никаких проблем в настройке не возникло. Иная ситуация сложилась с выходным каскадом. Замер напряжения на средней точке (точка соединения эмиттер VT6 и коллектор VT7) показал величину минус 6 В. Попытка изменить напряжения путем подбора резисторов R7 или R8 не привела к желаемым результатам.

Кроме того, был занижен общий ток покоя усилителя- 4 мА вместо 5…7 мА. Виновником неисправности оказался транзистор VT3. Он хоть и прозванивался омметром как исправный, но в схеме работать отказался. После его замены все режимы транзисторов усилителя установились автоматически согласно указанным на схеме. Напряжения на электродах транзисторов в моем экземпляре усилителя при напряжении питания 9В указаны в таблице.Напряжения измерены тестером DT830B относительно общего провода.

Ток покоя усилителя устанавливается подбором диода D2 типа Д9. С первым попавшимся диодом у меня получился ток покоя 5,2 мА, т.е. то, что нужно.

Для проверки работоспособности подаем от генератора звуковых частот Г3-106 синусоидальное напряжение уровнем 0,3 мВ частотой 1000 Гц.
На фото- уровень выходного напряжения примерно 0,3В по стрелочному прибору. Сигнал дополнительно ослаблен на 60 дБ (в 1000 раз) делителем на выходе генератора.

К выходу усилителя подключаем нагрузку –резистор МОН-2 сопротивлением 5,6 Ом. Параллельно нагрузочному резистору подключаем щупы осциллографа. Наблюдаем чистую, без искажений синусоиду.

На экране осциллографа цена деления по вертикали -1В/дел. Следовательно размах напряжения составляет 5В. Эффективное напряжение составляет 1,77В. Имея эти цифры можем вычислить коэффициент усиления по напряжению:Выходная мощность на частоте 1 кГц составила:

Видим, что параметры усилителя соответствую заявленным.

Понятно, что данные замеры не совсем точны, потому как осциллограф не позволяет замерять напряжение с высокой точностью (это не его задачи), но для радиолюбительских целей это не столь принципиально.

Усилитель имеет высокую чувствительность, поэтому при неподключенном никуда входе в динамике негромко прослушиваются шумы и фон переменного напряжения.

При закороченном входе все посторонние шумы исчезают.

Осциллограмма напряжения шумов на выходе усилителя при закороченном входе:

Цена деления по вертикали -20мВ/дел. Размах напряжения шумов и фона около 30мВ. Эффективное напряжение шумов-10мВ.

Другими словами-усилитель достаточно тихий. Хотя в авторской статье указывается уровень шумов -1,2мВ. Возможно, в моем случае сыграла свою роль не совсем удачная разводка печатной платы.

Подавая на вход усилителя переменное напряжения различных частот при неизменном уровне и контролируя выходное напряжение на нагрузке осциллографом можем снять график амплитудно-частотной характеристики данного УНЧ.

Схема усилителя проста, деталюшек минимум, пригодится для повторения новичками, ниже текст так же для них. Усилительные элементы схемы – германиевые транзисторы – активно применялись еще тридцать лет назад. Схемотехника напоминает многие распространенные схемы тех лет, например усилитель Электрон 20. Некоторые различия есть, в основном технологического характера.
Источник питания однополюсный, нестабилизированный, несколько необычно там смотрится дроссель. Выходной каскад работает в режиме класса АВ.

Выходная мощность 10Вт, общий КНИ до 3%, нагрузка – 8ми Омные громкоговорители.

Работа усилителя на примере одного канала:
Входной сигнал поступает на базу транзистора VT1, сюда же приходит постоянное напряжение с делителя R5,R9 – это задает потенциал смещения транзистора и одновременно напряжение симметрии выхода. Усиленный VT1 сигнал, подается на базу VT3 и далее на выходной каскад VT5,VT6,VT9,VT10. В эмиттер VT1 приходит напряжение с выхода усилителя (точка + С9) – образуя цепь Общей Отрицательной Обратной Связи, причем по постоянному и переменному току одновременно. Если допустим напряжение на эмиттере VT1, пришедшее с выхода, больше чем на его базе – тогда запирается VT1, VT3, VT6, VT9, потенциал выхода уменьшается за счет одновременно открывшихся VT5, VT10. Аналогично происходит, если на эмиттер VT1 приходит напряжение с выхода, меньшее чем на его базе (только отпирание/запирание транзисторов происходит с точность до наоборот). Т.е. усилитель автоматически поддерживает напряжение на выходе заданное делителем R5,R9 в базе VT1. Аналогично действует схема, усиливая полезный сигнал переменного тока. Только теперь схема отрабатывает звуковой сигнал поступающий в базу VT1 через С2. Глубина действия ОООС, неодинакова для постоянного и переменного тока, из-за наличия конденсатора С4. По переменному току с помощью делителя R11 R12 задается Ку всего усилителя, по постоянному току действует 100% ОООС (через R11 в эмиттер VT1) что хорошо поддерживает симметрию выхода по постоянному току. Основным усилителем напряжения по амплитуде, необходимой для «раскачки» выходного каскада, является транзистор VT3. Для улучшения свойств этого каскада, нагрузкой его является цепь Положительной Обратной Связи, которая берется через R23 с выхода усилителя и образует т. н. «динамическую нагрузку». Действие этой цепи приводит к почти неизменному току через VT3, при любой амплитуде сигнала – транзистор работает в более линейном режиме и развивает максимальный Ку, что важно и с точки зрения уменьшения общего КНИ усилителя и максимальной амплитуде сигнала на выходе. Конечно, цепь ПОС, не совсем совершенна в качестве «динамической нагрузки», применена в общем, для упрощения схемы. Выходной каскад вполне обычный, его задача значительно усилить по току напряжение, поступающее с каскада на VT3 и подача в нагрузку. Составной транзистор VT6,VT9 отпирается при положительном потенциале, каскад VT5,VT10 – при отрицательном, таким образом, происходит усиление сигнала переменного тока в точке симметрии +С9. В нагрузку звуковой сигнал поступает через конденсатор С9, который не пропускает постоянное напряжение с точки симметрии усилителя. Для минимизации искажений, выходные транзисторы приоткрыты некоторым начальным током (ток покоя).
Этот ток задается падением напряжения от протекающего коллекторного тока VT3 на резисторах R17,R18, и приложен между базами предвыходных транзисторов. Цепочка R19,С6 устраняет самовозбуждение усилителя, которое может возникнуть на частотах более 50кГц. При монтаже усилителя следует обратить внимание на подключение проводов GND, сечение проводов соединения выходных транзисторов следует взять 0.75-1мм2, (кроме провода базы).
Настройка и первое включение усилителя:
Настройку следует производить, включив вместо предохранителя мощный резистор сопротивлением 15-20Ом, а вместо акустики мощные резисторы 8-15Ом. Если все транзисторы исправны и в схеме нет ошибок, в точках симметрии (+С9, +С10) должно сразу установится напряжение равное половине питания – это следует проверить первым делом. Дополнительно его корректируют подстроечником R4. Разбаланс симметрии в пределах +/-2 вольта вполне допустим. Затем контролируют начальный ток выходных транзисторов (ток покоя) измеряя его по падению напряжения на резисторах R32 и R34, оно должно быть в пределах 40-70мВ. Если в схеме есть ошибки, или неисправные элементы, тогда возможно сильно нагреется резистор, включенный вместо предохранителя, одновременно спасая транзисторы схемы (выходные и предвыходные) от пробоя – следует внимательно проверить схему и устранить ошибку или неисправный элемент. Следующий этап проверки – на отсутствие ВЧ самовозбуждения – нужно подключить на выход осциллограф. Наличие самовозбуждения устраняют корректировкой цепи R19,С6. Если все нормально, устанавливаем предохранитель на место, подключаем на вход генератор ЗЧ и проверяем усилитель испытательными сигналами. Прежде всего, нужно проверить симметрию ограничения максимальной амплитуды сигнала – ограничение должно наступать примерно при амплитуде 10В частота 1000Гц., если это не так, нужно подобрать сопротивление R23 или заменить VT3. Усилитель можно исследовать сигналами разных частот и амплитуд, форм. Подробную методику пока не будем приводить – усилитель ведь для начинающего. На частотах более 10кГц нежелательно подавать номинальный сигнал на вход – выходные транзисторы могут перегреться, на музыкальном сигнале этого не происходит по причине малой амплитуды этих сигналов. Следует так же еще раз проконтролировать ток покоя выходных транзисторов, должен быть в пределах 50-70мА, корректируется подбором сопротивления R17. Если ток больше – сопротивление уменьшить, и наоборот. Контроль тока нужно произвести еще примерно через час работы усилителя – он не должен увеличиваться.
Теперь можно подключить АС и источник сигнала – усилитель готов для эксплуатации.
В качестве источника, например, выход CD плеера, с уровнем 0.775-1В.

На фото, собранный на макете усилитель для отслушивания, в корпус я его так и не оформил (это было в 2005году).

Звучание вполне ничего, но тренированное ухо отмечает некоторую зализанность самых верхних верхов, слегка рыхловатый низ, а вот голосовой диапазон или около того, звучит довольно приятно, тепло. Во время отслушки, использовалась АС ОЯ 160 литров, с парой динамиков 4А28 и 6ГД2 в каждой. Довольно, неплохо усилитель работает и на 10МАС1М, первых выпусков, с еще «недубевшей» резиной НЧ динамиков.
В усилитель, его базовую схему, можно внести некоторые изменения, которые позволят улучшить его ТТХ, одновременно желательно произвести отбор транзисторов. Работоспособность усилителя сохраняется до снижения напряжения питания 12-15В, можно ниже, но следует произвести подстройку симметрии и тока покоя. ТТХ усилителя при снижении питания будут, конечно же, хуже, упадет и выходная мощность. Транзисторы можно заменить на подобные серии МП, ГТ404В ,Г, 402Ж,И. П214 лучше всего с буквой А, но можно и другие, возможно так же применение и П215 ,16,17, но звучание будет несколько хуже, особенно на ВЧ. Можно применить и транзисторы серий П213, и даже П201, 202, тогда напряжение питания следует снизить до 27-30В. Примененный транзистор МП37Б работает на пределе по Uк-э макс, но отказов или пробоя у меня не было.

Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром / Stereo.ru

Принцип работы

Из самого обозначения класса АВ нетрудно сделать вывод, что данный режим является гибридом класса А и класса В. Как работают усилители класса А, мы уже разобрались, а с классом В ознакомиться не успели, поэтому начнем с него. И для начала вспомним логику, которой руководствовался создатель усилителя класса А. Для того, чтобы получить возможность воспроизводить и положительную, и отрицательную полуволну с помощью одного активного элемента, он применил смещение средней точки (тока покоя) в середину рабочей зоны лампы.

Создатели усилителей класса В рассуждали по-другому: «Если одна лампа или один транзистор с нулевым смещением способен воспроизвести только одну полуволну сигнала, почему бы не добавить в схему еще один активный элемент, разместив его зеркально, чтобы воспроизводить другую полуволну?».

Это вполне логично, ведь при таком раскладе оба транзистора работают с нулевым смещением. Пока на входе усилителя присутствует положительная полуволна — работает один транзистор, а когда приходит время воспроизводить отрицательную полуволну, первый транзистор полностью закрывается и вместо него в работу включается второй. В английском варианте этот принцип действия получил название push-pull или, говоря по-русски, «тяни-толкай», что в общем-то очень хорошо описывает происходящее.

Если сравнивать класс В с классом А, наиболее очевидным преимуществом является то, что в классе В на каждую волну приходится полный рабочий диапазон транзистора (или лампы), в то время как в классе А обе полуволны воспроизводятся одним активным элементом. Это значит, что усилитель класса В будет вдвое мощнее усилителя класса А, собранного на таких же транзисторах.

Второй, чуть менее очевидный, но очень важный плюс класса В — нулевые токи смещения. Когда сигнал на входе равен нулю, ток, протекающий через транзисторы, тоже равен нулю, а это значит, что напрасного расхода энергии не происходит, и энергоэффективность схемы получается в разы выше, чем в классе А.

Однако из этого же факта вытекает и главный недостаток усилителя класса В. Момент включения транзистора в работу после полностью закрытого состояния сопровождается небольшой задержкой, поэтому при прохождении звуковым сигналом нулевой точки, когда один транзистор уже закрылся, второй транзистор не успевает мгновенно подхватить эстафету, и в этой самой переходной точке возникают небольшие временные задержки.

На практике это выражается в особенной нелюбви усилителя к тихой музыке, а также в плохой передаче микродинамики. И хотя история знает успешные реализации класса В, например — легендарный Quad 405, проблемы данного режима работы никуда не делись. Тот же 405-й не только радовал энергичным и мускулистым звучанием, но также имел явную склонность рисовать звуковую картину крупными мазками, масштабно, не размениваясь на мелочи.

Для того, чтобы сохранить все плюсы класса В и решить проблему переходных процессов, инженеры пошли на хитрость. Они включили оба транзистора со смещением, как это делается в классе А, но величина смещения при этом была выбрана существенно меньшая: так, чтобы покрыть лишь те моменты, когда транзистор близок к закрытию, выводя тем самым переходные процессы из рабочей зоны.

Это позволило усилителю класса АВ незаметно преодолевать нулевую точку, а также дало еще один крайне полезный эффект. При малой амплитуде сигнала, укладывающейся в пределы смещения тока покоя, подобный усилитель работает в классе А и, только когда амплитуда выходит за пределы выбранной производителем величины смещения, он переходит в режим АВ.

Плюсы

Рассматривать достоинства и недостатки класса АВ имеет смысл на фоне двух исходных технологий. Класс АВ однозначно и существенно выигрывает у класса А по энергоэффективности. Его реальный КПД достигает 70–80%, если конечно производитель не сильно увлекся поднятием тока покоя. С точки зрения звучания класс АВ превосходит класс А в те моменты, когда сигнал достигает высокой амплитуды или требуется высокая мощность. В то же время на малых уровнях громкости класс АВ обычному классу А не уступает, по крайней мере в теории. В сравнении с классом В, класс АВ куда лучше ведет себя на малых громкостях и способен отрабатывать самые тихие и деликатные моменты в музыке, но при этом сохраняет практически ту же мощь и силу на больших динамических всплесках.

Имея большую мощность и лучшую энергоэффективность, усилители класса АВ куда менее капризны при выборе акустики. Они не нуждаются в высокой чувствительности и легче уживаются со сложными кроссоверами, используемыми в многополосных колонках. Вполне справедливо будет заявить, что подавляющее большинство пассивных акустических систем выпускаемых сегодня на рынок рассчитаны на работу со среднестатистическим транзисторным усилителем класса АВ.

Минусы

Объективные минусы у класса АВ можно разглядеть только на фоне еще более совершенных с технической точки зрения классов G, H или D, о которых мы расскажем чуть позже. В список претензий можно отнести разве что субъективные отзывы от ценителей класса А, которые, в целом, сводятся к тому, что класс АВ звучит не столь чисто, детально и изысканно. Чтобы оценить обоснованность данных претензий, рассмотрим схемотехнику усилителей класса АВ более детально, с точки зрения качества звучания.

Особенности

Одной из практических проблем усилителей класса В и АВ является подбор пар транзисторов, работающих в одном канале усиления. Располагаясь в схеме зеркально, два транзистора должны быть полностью идентичны друг другу. В противном случае, сигналы положительной и отрицательной полуволн будут воспроизводиться не симметрично, и это существенно повысит общий уровень искажений.

В реальной жизни абсолютная идентичность — понятие абстрактное, скорее имеет смысл рассуждать о степени похожести или, говоря техническим языком, о пределах допустимых отклонений транзисторов от заданных характеристик. Чем более похожи два транзистора друг на друга, тем меньше уровень искажений, и тем больше их совместная работа приближается к тому, что мы имеем в классе А, когда обе полуволны воспроизводит один транзистор.

Понимая, что даже при самом строгом отборе по параметрам отличия между двумя транзисторами в паре все же будут иметь место (пусть и в предельно малых значениях), мы вынуждены признать, что при прочих равных условиях один такой же транзистор работающий в классе А будет звучать чуть чище и чуть лучше, чем пара в классе АВ.

Совсем иная ситуация вырисовывается, когда речь заходит о работе на большой амплитуде сигнала и на нагрузке требующей высокой мощности. Имея высокий КПД класс АВ нуждается в менее мощном и громоздком блоке питания, нежели усилитель класса А, и тут уже поклонники однотактников вынуждены признать абсолютное и безоговорочное превосходство класса АВ.

Более того, разработчики имеют возможность гораздо свободнее экспериментировать с блоками питания, управляя характером и динамикой звучания путем подбора рабочих характеристик трансформатора и конденсаторов. Например, можно установить трансформатор с многократным запасом мощности, чтобы на пиках сигнала он не выходил из оптимального режима работы, или использовать улучшенные конденсаторы, способные мгновенно отдавать высокий ток.

Еще одна тонкость: работая в классе А, транзисторы выделяют большое количество тепла, что может негативно сказываться на качестве их работы, особенно при увеличении нагрузки. В классе АВ транзисторы греются в меньшей степени, вследствие чего они быстро приходят в рабочий режим и менее подвержены риску перегрева, снижающего качество звучания при работе усилителя на высокой громкости.

Практика

Защищать честь усилителей класса АВ в сравнительном прослушивании было уготовано мощному двухблочному усилителю Atoll серии Signature, состоящему из усилителя мощности AM200 и предварительного усилителя PR300. Интересующий нас усилитель мощности выстроен в полном соответствии с изложенными выше теоретическими выкладками.

Реализуя потенциал, заложенный в схемотехнике класса АВ, разработчики обеспечили по 120 Вт выходной мощности на канал, чего достаточно для большинства акустических систем за исключением самых низкочувствительных и просто монструозных моделей. Говоря об особенностях своего усилителя, производитель акцентирует внимание на применении подобранных пар транзисторов с последующей подстройкой схемы вручную для минимизации общего уровня искажений.

С целью лучшего разделения каналов и исключения перекрестных помех усилитель выстроен по схеме полного двойного моно, поэтому каждый канал усиления получил собственный блок питания. Суммарная мощность блока питания составляет 670 ВА, что покрывает потребности усилителя мощностью 120 Вт с большим запасом. Солидную дополнительную подпитку на пиках сигнала обеспечат конденсаторы емкостью 62 000 мкФ.

Звук

Внушительная мощность и отличная энергооснащенность усилителя дали в звучании вполне ожидаемое ощущение легкости и непринужденности при работе с любой акустикой и практически на любых уровнях громкости. Если выкрутить ручку громкости посильнее, можно услышать небольшую компрессию, а бас словно отодвигался на задний план, но это были очевидные признаки того, что НЧ-динамики приблизились к пределу своих возможностей, в то время как усилитель только начал разогреваться и был очень далек от состояния перегрузки.

В то же время на малых и средних уровнях громкости Atoll AM200 Signature показывал себя наилучшим образом. Середина была выразительна, детальность превосходна, а сцена — четко очерчена, с хорошо ощутимой глубиной и шириной. При прямом сравнении с усилителями класса А последние давали чуть более свободную и безграничную сцену и чуть тоньше отрабатывали мелкие детали в тихой камерной музыке.

Характер, свойственный классу АВ, наиболее ярко проявлялся у Atoll AM200 Signature на динамичной рок-музыке. Он выдавал очень собранный, быстрый и четкий бас, хорошо справляясь с резкими перепадами громкости и крупными штрихами. На джазе и классической музыке, требующих сочетать динамичность и мощь со способностью воспроизводить тонкие оттенки и нюансы, усилитель вел себя чуть менее уверенно. Казалось, что он слегка упрощает звучание, укрупняя музыкальные образы и уводя внимание от тонких оттенков к основной мелодической линии.

Однако все это можно заметить лишь в прямом сравнении с гораздо более дорогими представителями других классов. По общему впечатлению Atoll AM200 Signature был скорее всеяден и универсален. Являясь примером грамотной реализации класса АВ, когда разработчики приложили массу усилий чтобы минимизировать слабые места и максимально раскрыть потенциал данной схемотехники, он вполне конкурентен на фоне лучших представителей других классов.

Выводы

Высокая мощность, высокий КПД с умеренным тепловыделением, способность справляться со сложной нагрузкой и хорошая динамика — вот что такое усилитель класса АВ. Это делает его, в первую очередь, идеальным решением для массового производства усилителей, что подтверждает сама история развития индустрии Hi-Fi.

Однако крайне ошибочно руководствоваться стереотипным мнением о том, что массовый универсальный продукт и продукт элитный должны быть непременно вылеплены из разного теста. При должном внимании к деталям и глубоком понимании принципов работы данная схемотехника может быть реализована на самом высоком уровне качества. Так что сегодня High End-усилитель, работающий в классе AB — такая же обыденность, как и хайэндный усилитель, работающий в любой другой схемотехнике.

Продолжение следует…

Другие материалы цикла:

Как работает усилитель класса «А», или Истинный High End и много тепла

Статья подготовлена при поддержке компании «Аудиомания», тестирование усилителей проходило в залах прослушивания салона.

Другие полезные материалы в разделе «Мир Hi-Fi» на сайте «Аудиомании» и Youtube-канале компании:

• Выбираем звукосниматель для проигрывателя винила

• Что лучше для звука – линейные или импульсные блоки питания? [видео]

• Музыка из бумаги и картона: краткая история вариофона и «рисованного звука»

Усилители на полевых транзисторах: схема, принцип работы, формула

В качестве примера рассмотрим RС-усилитель на полевом транзисторе с p-n-переходом, включенном с общим истоком (рис. 2.24). Используем транзистор с каналом n-типа. Для используемого транзистора начальное напряжение u из должно быть положительным (p-n-переход должен находиться под запирающим напряжением). С целью получения этого напряжения в цепь истока включают резистор R_и, на котором возникает падение напряжения U Rи от протекания по нему начального тока истока I_ин.

Напряжение URичерез резистор R3 передается на затвор. Так как ток затвора полевого транзистора пренебрежимо мал, падение напряжения на сопротивлении R3 практически равно нулю, поэтому Uиз=URи. Рассмотренную схему обеспечения начального режима работы называют схемой с автоматическим смещением.

Пусть задан начальный ток стока ( I_cн = I_ин) и начальное напряжение U_изн между истоком и затвором. Тогда сопротивление R_и следует выбрать из соотношения R_и = U_изн / I_cнСопротивление R₃ обычно выбирают порядка 1 МОм.

Полезно отметить, что рассматриваемая схема обеспечения начального режима работы характеризуется повышенной стабильностью. Если по каким-либо причинам начальный ток стока I_сн начнет увеличиваться, то это приведет к увеличению напряжений U_Rи и U_из, что будет препятствовать значительному увеличению тока I_сн.

Модуль коэффициента усиления каскада в области средних частот определяется равенством K_U = S · R_c · R и/ ( R_c + Rи)

где S — статическая крутизна характеристики полевого транзистора, определяемая по справочникам. Назначение конденсаторов С₁, С₂ и С₄ аналогично назначению соответствующих конденсаторов RC — усилителя на биполярном транзисторе.

Частотные характеристики рассматриваемого усилителя подобны частотным характеристикам RC — усилителя на биполярном транзисторе.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:

транзисторов – learn.sparkfun.com

Добавлено в избранное Любимый 77

Приложения II: Усилители

Некоторые из самых мощных транзисторных приложений включают усиление: преобразование сигнала малой мощности в сигнал большей мощности. Усилители могут увеличивать напряжение сигнала, беря что-то из диапазона мкВ и преобразовывая его в более полезный уровень в мВ или В. Или они могут усиливать ток, что полезно для превращения мкА тока, производимого фотодиодом, в ток гораздо большей величины.Существуют даже усилители, которые принимают ток и производят более высокое напряжение или наоборот (называемые транссопротивлением и крутизной соответственно).

Транзисторы – ключевой компонент многих усилительных схем. Существует, казалось бы, бесконечное множество транзисторных усилителей, но, к счастью, многие из них основаны на некоторых из этих более примитивных схем. Запомните эти схемы, и, надеюсь, с небольшим сопоставлением с образцом вы сможете понять более сложные усилители.

Общие конфигурации

Три основных транзисторных усилителя: общий эмиттер, общий коллектор и общая база. В каждой из трех конфигураций один из трех узлов постоянно привязан к общему напряжению (обычно заземлению), а два других узла являются либо входом, либо выходом усилителя.

Общий эмиттер

Общий эмиттер – одна из наиболее популярных схем транзисторов. В этой схеме эмиттер подключен к общему напряжению как для базы, так и для коллектора (обычно это земля).База становится входом сигнала, а коллектор становится выходом.

Схема с общим эмиттером популярна, потому что она хорошо подходит для усиления напряжения , особенно на низких частотах. Например, они отлично подходят для усиления аудиосигналов. Если у вас небольшой входной сигнал с размахом 1,5 В, вы можете усилить его до гораздо более высокого напряжения, используя немного более сложную схему, например:

Одна особенность обычного эмиттера заключается в том, что он инвертирует входной сигнал (сравните его с инвертором с последней страницы!).

Общий коллектор (эмиттерный повторитель)

Если мы подключим коллектор к общему напряжению, используем базу как вход, а эмиттер как выход, то получим общий коллектор. Эта конфигурация также известна как эмиттерный повторитель .

Общий коллектор не усиливает напряжение (фактически, выходное напряжение будет на 0,6 В ниже входного). По этой причине эту схему иногда называют повторителем напряжения .

Эта схема имеет большой потенциал как усилитель тока .В дополнение к этому высокий коэффициент усиления по току в сочетании с коэффициентом усиления по напряжению, близким к единице, делает эту схему отличным буфером напряжения . Буфер напряжения предотвращает нежелательные помехи цепи нагрузки управляющей цепи.

Например, если вы хотите подать 1 В на нагрузку, вы можете пойти простым путем и использовать делитель напряжения, или вы можете использовать эмиттерный повторитель.

По мере увеличения нагрузки (что, наоборот, означает уменьшение сопротивления) выход схемы делителя напряжения падает.Но выходное напряжение эмиттерного повторителя остается стабильным, независимо от нагрузки. Большие нагрузки не могут «нагружать» эмиттерный повторитель, как это могут быть схемы с большим выходным сопротивлением.

Общая база

Мы поговорим об общей базе, чтобы завершить этот раздел, но это наименее популярная из трех основных конфигураций. В усилителе с общей базой эмиттер является входом, а коллектор – выходом. База общая для обоих.

Общая база похожа на антиэмиттер-повторитель.Это приличный усилитель напряжения, и ток на входе примерно равен току на выходе (на самом деле ток на входе немного больше, чем на выходе).

Схема с общей базой лучше всего работает как токовый буфер . Он может принимать входной ток с низким входным сопротивлением и подавать почти такой же ток на выход с более высоким сопротивлением.

Резюме

Эти три конфигурации усилителей лежат в основе многих более сложных транзисторных усилителей. У каждого из них есть приложения, где они сияют, будь то усиление тока, напряжения или буферизация.

	Общий эмиттер	Общий коллектор	Общая база
Коэффициент усиления напряжения	Средний	Низкий	Высокий
Коэффициент усиления по току	Средний	Высокий	Низкий
Входное сопротивление	Средний	Высокий	Низкий
Выходной импеданс	Средний	Низкий	Высокий

Многокаскадные усилители

Мы могли бы продолжать говорить о большом разнообразии транзисторных усилителей.Вот несколько быстрых примеров, демонстрирующих, что происходит, когда вы комбинируете одноступенчатые усилители, указанные выше:

Дарлингтон

Усилитель Дарлингтона соединяет один общий коллектор с другим для создания усилителя с высоким коэффициентом усиления по току .

Выходное напряжение составляет , что примерно соответствует входному напряжению (минус около 1,2–1,4 В), но коэффициент усиления по току является произведением двух коэффициентов усиления транзистора . Это β ² – более 10 000!

Пара Дарлингтона – отличный инструмент, если вам нужно управлять большой нагрузкой с очень малым входным током.

Дифференциальный усилитель

Дифференциальный усилитель вычитает два входных сигнала и усиливает эту разницу. Это важная часть цепей обратной связи, где вход сравнивается с выходом для получения будущего выхода.

Вот основа дифференциального усилителя:

Эта схема также называется парой с длинным хвостом . Это пара схем с общим эмиттером, которые сравниваются друг с другом для получения дифференциального выхода.Два входа поданы на базы транзисторов; выход представляет собой дифференциальное напряжение на двух коллекторах.

Двухтактный усилитель

Двухтактный усилитель – полезный «заключительный каскад» во многих многокаскадных усилителях. Это энергоэффективный усилитель мощности, часто используемый для управления громкоговорителями.

Основной двухтактный усилитель использует транзисторы NPN и PNP, оба сконфигурированы как общие коллекторы:

Двухтактный усилитель на самом деле не усиливает напряжение (выходное напряжение будет немного меньше входного), но усиливает ток.Это особенно полезно в биполярных схемах (с положительным и отрицательным питанием), потому что оно может как «проталкивать» ток в нагрузку от положительного источника питания, так и «вытягивать» ток и погружать его в отрицательный источник питания.

Если у вас есть биполярный источник питания (или даже если у вас его нет), двухтактный – отличный конечный каскад для усилителя, действующий как буфер для нагрузки.

Собираем их вместе (операционный усилитель)

Давайте рассмотрим классический пример многокаскадной транзисторной схемы: операционный усилитель.Умение распознавать общие транзисторные схемы и понимание их назначения может помочь вам во многом! Вот схема внутри LM3558, действительно простого операционного усилителя:

Внутреннее устройство операционного усилителя LM358. Узнали какие-то усилители?

Здесь, безусловно, больше сложности, чем вы можете быть готовы усвоить, однако вы можете увидеть некоторые знакомые топологии:

Q1, Q2, Q3 и Q4 образуют входной каскад. Очень похоже на общий коллектор (Q1 и Q4) на дифференциальный усилитель , верно? Он просто выглядит перевернутым, потому что использует PNP.Эти транзисторы образуют входной дифференциальный каскад усилителя.
Q11 и Q12 являются частью второго этапа. Q11 – это общий коллектор, а Q12 – это общий эмиттер . Эта пара транзисторов буферизует сигнал с коллектора Q3 и обеспечивает высокий коэффициент усиления, когда сигнал поступает на конечный каскад.
Q6 и Q13 являются частью финальной стадии, и они тоже должны выглядеть знакомо (особенно если не обращать внимания на R _SC) – это push-pull ! Этот этап буферизует выходной сигнал, позволяя ему управлять большими нагрузками.
Есть множество других распространенных конфигураций, о которых мы не говорили. Q8 и Q9 сконфигурированы как токовое зеркало , которое просто копирует величину тока, проходящего через один транзистор, в другой.

После этого ускоренного курса по транзисторам мы не ожидаем, что вы поймете, что происходит в этой схеме, но если вы можете начать определять общие транзисторные схемы, вы на правильном пути!

← Предыдущая страница
Приложения I: Коммутаторы Типы усилителей

и их рабочие схемы

Усилитель – одно из наиболее часто используемых электронных устройств в мире.Это основной строительный блок огромного количества цепей, и он бывает разных форм. Усилители можно определить просто как электронное устройство, которое увеличивает мощность сигнала. Другими словами, он увеличивает амплитуду сигнала и делает его сильнее, чем данный вход.

Хотя в теории это звучит просто, в реальном мире усилители имеют множество параметров и условий. Усиление никогда не бывает идеально эффективным, всегда есть потери, искажения и шум.

Таким образом, создается целая масса усилителей, которые лучше всего работают в разных ситуациях.Не все усилители обеспечивают оптимальную мощность во всех ситуациях, и всегда необходимо учитывать факторы стоимости. Итак, вот все типы усилителей и все, что вам нужно о них знать!

Важные характеристики усилителя

Качество усилителя измеряется рядом спецификаций, называемых показателями качества. Они следующие:

- Ширина полосы: Диапазон частот, в котором может работать усилитель.
- Шум: Количество нежелательной дополнительной информации, включенной в вывод.
- Skew Rate: Максимальная скорость изменения вывода.
- Gain: Пожалуй, самое важное, соотношение между величинами входных и выходных сигналов.

Стабильность: Способность обеспечивать постоянный и надежный выход.
Линейность : Степень пропорциональности между входными и выходными сигналами.
КПД: Еще одна очень важная характеристика – это соотношение выходной мощности и потребляемой мощности.
Выходной динамический диапазон: Соотношение между наибольшим и наименьшим полезными уровнями вывода.

Типы усилителей

Хотя усилители иногда классифицируются по входным и выходным параметрам (мы еще вернемся к этому), существует 4 основных типа:

Усилитель тока: Как следует из названия, усилитель, увеличивающий заданный входной ток. Он характеризуется низким входным сопротивлением и высоким выходным сопротивлением.
Усилитель напряжения: Усилитель, который усиливает заданное напряжение для увеличения выходного напряжения. Он характеризуется высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением.
Transconductance Amplifier: Усилитель, который изменяет выходной ток в соответствии с изменением входного напряжения.
Усилитель сопротивления: Усилитель, который изменяет выходное напряжение в соответствии с изменением входного тока. Он также известен как преобразователь тока в напряжение.

Помимо основных типов, существует несколько других типов усилителей, которые классифицируются по принципу действия, применению или характеристикам. Вот некоторые из них:

Усилители мощности: Хотя технически это не тип, усилитель мощности – это общий термин, который относится к количеству мощности, обеспечиваемой схемой источника питания, или количеству мощности, подаваемой на нагрузку. Обычно он используется в последних выходных каскадах схемы. Примеры включают: усилители мощности звука, контроллеры серводвигателей, двухтактные усилители и усилители мощности ВЧ.Опять же, мы немного рассмотрим классификации усилителей мощности, поскольку они очень важны.
Операционные усилители (операционные усилители): Другой очень важный тип, операционный усилитель – это интегральная схема, которая действует как усилитель напряжения и имеет дифференциальный вход. У него есть положительный и отрицательный вход, но один выход с очень высоким усилением. Первоначально операционные усилители создавались с использованием ламп.
Клапанные (или) вакуумные ламповые усилители: Усилитель, в котором используются вакуумные лампы для обеспечения повышенной мощности или выходного напряжения, известен как ламповый (или) ламповый усилитель.Как упоминалось выше, операционные усилители изначально были вентильного типа, но были заменены интегральными схемами, когда они стали дешевле, по крайней мере, в небольших приложениях. В приложениях с высокой мощностью они все еще используются из-за их экономической эффективности и качества продукции. Они используются в радарах, военных, мощных радиоприемниках и передатчиках УВЧ.

Транзисторные усилители: Хорошо известный тип усилителя, особенно для студентов инженерных специальностей, транзисторный усилитель представляет собой многоконфигурационный усилитель с высокой выходной мощностью, в котором в качестве рабочей базы используются транзисторы. К ним относятся транзисторы с биполярным переходом (BJT) и металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы (MOSFET).
Klystron: Специальный тип вакуумной лампы с линейным лучом, используемый в качестве усилителя на высоких радиочастотах. Он очень точен и используется в крупномасштабных операциях, обычно в составе СВЧ-усилителей.
Инструментальные усилители: Специально разработанные усилители для усиления звука, голоса или музыки. Используется в основном в музыкальных инструментах.
Распределенные усилители: Усилители, которые используют линии передачи для временного разделения входного сигнала и усиления каждого сегмента по отдельности, называются распределенными усилителями. Их обычно можно найти в осциллографах.

Это всего лишь несколько типов усилителей, которые используются прямо сейчас, и совершенно очевидно, что каждый из них имеет более или менее область специализации. В мире существует огромное количество приложений, и почти для всех есть усилители.

Типы усилителей мощности

В настоящее время наиболее известными типами усилителей являются не те, которые описаны выше, а типы усилителей мощности. Часто путают с единственной категорией усилителей, они на самом деле являются типами усилителей мощности и классифицируются на основе пропорции входного цикла, в течение которого усилитель выдает выходной сигнал. Пропорция активного входного цикла также известна как угол проводимости. Например, угол проводимости 360 градусов означает, что устройство всегда включено, угол проводимости 180 градусов означает, что устройство включено только половину каждого цикла.Ниже описаны различные типы усилителей мощности:

Усилитель мощности класса A

Усилитель, который проводит полный цикл или имеет угол проводимости 360 градусов, известен как усилитель мощности класса A. Это самый простой и наиболее распространенный тип усилителя мощности из-за низкого уровня искажений сигнала. Однако у него есть немалая доля недостатков, и он обычно не используется в приложениях с высокой мощностью. Вот некоторые из его характеристик:

Низкие уровни искажения сигнала
Простая конструкция
Устройство всегда проводит ток из-за смещения усилительного элемента
Нет времени включения или проблем с накоплением заряда
Достаточно стабильно
Наивысшая линейность
Низкая КПД из-за постоянного включения около 25-50%
Высокая тепловая мощность во время работы

Усилитель мощности класса B

Усилители мощности класса B, в отличие от класса A, работают только половину каждого входного цикла , что означает, что они имеют угол проводимости 180 градусов.Проще говоря, эти усилители усиливают только половину входного цикла. На бумаге это, наверное, звучит бесполезно, но на самом деле все совсем иначе. Усилитель класса B состоит из положительного и отрицательного транзистора, которые работают поочередно, усиливая соответственно положительный и отрицательный цикл, которые в конце объединяются для формирования полного выходного цикла. Это более эффективный дизайн, у него есть свои преимущества и недостатки по сравнению с усилителем мощности класса А. Он характеризуется:

Использует 2 дополнительных транзистора, по одному для положительного и отрицательного цикла
Намного более высокий КПД, около 75-78.5%
Меньшая тепловая мощность
Стабильно и надежно
Требуется минимум 0,7 В для начала проводимости, что означает, что все, что под ним, не регистрируется, поэтому не может использоваться для точных приложений
Объединяет 2 полупериода для образования одного полного cycle

Усилитель мощности класса AB

Усилитель мощности класса AB, как следует из названия, представляет собой смесь усилителей мощности класса A и класса B. Как и в усилителе класса B, в нем также используются 2 проводящих элемента (транзистора), но оба они работают одновременно.Это устраняет «мертвую зону» от -0,7 В до + 0,7 В, наблюдаемую в усилителе мощности класса B. Но в этом случае, хотя каждый транзистор проводит больше половины цикла, они проводят меньше полного цикла полностью. Таким образом, угол проводимости составляет около 180 и 360 градусов, в некоторых случаях обычно обозначаемый как 270 градусов. Вот его характеристики:

Использует 2 транзистора, которые работают вместе
Каждый транзистор активен чуть меньше полного цикла, но больше половины цикла
Сочетает характеристики класса A и класса B
Нет кроссоверных искажений
Достаточно эффективный, на уровне около 50-60%
Наиболее распространенная конструкция аудиоусилителей

Усилитель мощности класса C

Усилитель мощности класса C представляет собой нечто странное по сравнению с другими тремя типами, перечисленными выше.Он наиболее эффективен, но имеет самый низкий рабочий цикл и линейность. Поскольку он сильно смещен, он остается включенным менее половины входного цикла и, таким образом, имеет угол проводимости где-то около 90 градусов. Это приводит к высокой эффективности, упомянутой выше, но также вызывает сильные искажения в выходном сигнале, поэтому усилители класса C обычно не используются в качестве усилителей звука. Они используются в определенных радиочастотных приложениях, где эффективность является ключевым фактором. Его наиболее важные характеристики:

Наименьшая линейность среди усилителей мощности
Очень высокий КПД около 80-90%
Высокие выходные искажения
Два рабочих режима, настроенный и ненастроенный
Низкое рассеяние мощности

Класс D Мощность Усилитель

И, наконец, у нас есть усилители мощности класса D, которые иногда не входят в число четырех упомянутых выше.Это нелинейный переключающий усилитель, в котором два транзистора работают как переключатели, а не как устройства с линейным усилением. Он преобразует аналоговый сигнал в цифровой с помощью широтно-импульсной модуляции, модуляции плотности импульса или чего-то подобного перед усилением. Конечным результатом является циклический выход с высокой эффективностью и усилением без излишних искажений. Хотя изначально они использовались для управления двигателями, теперь они также используются как усилители мощности звука. Вопреки распространенному мнению, буква «D» в названии не означает «цифровой», потому что преобразованный сигнал является аналоговым с широтно-импульсной модуляцией, а не цифровым с широтно-импульсной модуляцией.Он характеризуется:

Высокая эффективность, теоретически может составлять 100%
Низкое рассеивание мощности
Низкое энергопотребление
Более сложный, чем другие типы усилителей мощности
Точный и точный выходной сигнал

И это все об усилителях ! Мы надеемся, что типы усилителей, а также типы усилителей мощности теперь стали более ясными, и если у вас есть какие-либо вопросы по поводу информации, не стесняйтесь комментировать ниже!

Фотографии предоставлены: Электронные учебные пособия. ws, Extron

Типы усилителей | Операционный усилитель

Для большинства электронных систем требуется хотя бы один каскад усиления. Следовательно, усилители можно увидеть почти во всех электронных устройствах. Усилители – это устройства, увеличивающие амплитуду входного сигнала.

Выход блока питания модулируется усилителем. Усилители увеличивают только амплитуду, а другие параметры, такие как частота и форма, остаются постоянными.

Доступно множество типов усилителей.Но их можно отличить по типу усиливаемого сигнала. Их также можно классифицировать по типу выполняемой ими функции.

Есть три категории усилителей в зависимости от свойств их выхода.

1. Усилитель напряжения
2. Усилитель тока
3. Усилитель мощности

Дайте нам знать, чтобы обсудить эти усилители подробно.

1. Усилители напряжения:

Это наиболее распространенные усилители, используемые в электронных устройствах. Эти усилители увеличивают амплитуду выходного напряжения сигнала.

2. Усилители тока:

Эти усилители увеличивают амплитуду входного тока по сравнению с формой волны входного тока.

3. Усилители мощности:

Назначение усилителей мощности – увеличить мощность, т. Е. Произведение выходного напряжения и тока больше, чем произведение входного напряжения и тока.

Напряжение или ток на выходе могут быть меньше, чем на входе, общее произведение напряжения или тока будет больше, чем на входе.Когда на усилитель подается сигнал переменного тока, усиливается только его часть.

В зависимости от части усиленной волны они подразделяются на четыре класса. Их

1. Класс A
2. Класс B
3. Класс AB
4. Класс C

усилители можно дополнительно классифицировать на основе сигнала, который они усиливают. Они следующие:

1. Усилители звуковой частоты (усилители A. F.): Усилители звуковой частоты

усиливают звуковые частоты.Обычно звуковые частоты находятся в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц. Некоторые из усилителей звука HI-FI могут усиливать до 100 кГц.

Они используются для подачи мощности звуковой частоты для работы громкоговорителей. Большинство современных усилителей звука основаны на твердотельных транзисторах, например, на транзисторах, на ранних стадиях они сделаны из электронных ламп.

2. Усилители промежуточной частоты (I.F. Amplifiers):

Промежуточные частоты усиливаются этим усилителем.Эти усилители используются в телевидении, радио и радарах. Они обеспечивают максимальное усиление напряжения радио-, теле- или радиолокационного сигнала перед демодуляцией видео- или аудиоинформации, переносимой сигналом.

Их рабочая частота ниже, чем у принимаемого радиосигнала, но выше, чем у аудио- или видеосигналов, которые в конечном итоге генерируются системой. Тип оборудования определяет частоту, с которой И. Ф. усилители работают.

3. Радиочастотные усилители (Р.F. Усилители):

Этот усилитель увеличивает мощность низкочастотного радиосигнала. Они используются для управления антенной передатчика. Радиочастотные усилители – это настроенные усилители, рабочая частота которых регулируется настроенной схемой. Эту схему можно настраивать в зависимости от назначения усилителя. Входное сопротивление, как и коэффициент усиления, обычно низкое.

Особенностью ВЧ-усилителей является низкий уровень шума. Таким образом, они используются на самых ранних стадиях приемника.Фоновый шум, обычно производимый любым электронным устройством, поддерживается на низком уровне, поскольку усилитель обрабатывает сигналы с очень низкой амплитудой от антенны. Следовательно, в этих каскадах используются малошумящие полевые транзисторы.

4. Ультразвуковые усилители:

Ультразвуковые усилители усиливают ультразвуковые волны. Они находятся в частотном диапазоне от примерно 20 кГц до примерно 100 кГц. Они используются для определенных целей, таких как ультразвуковая очистка, ультразвуковое сканирование, системы дистанционного управления и т. Д.Каждый тип будет работать в узкой полосе частот ультразвукового диапазона.

5. Широкополосные усилители:

Широкополосные усилители усиливают полосу частот. Они усиливают от постоянного тока до нескольких десятков МГц. Они используются в таком оборудовании, как осциллографы и т. Д. Они используются там, где необходимо точно измерять сигналы в широком диапазоне частот. Из-за их широкой полосы пропускания усиление невелико.

6. Усилители с прямой связью (усилители постоянного тока):

Усилители с прямой связью или усилители постоянного тока используются для усиления сигналов очень низкой частоты.В этих усилителях выход одного каскада соединяется с входом следующего каскада. Этот усилитель усиливает частоту постоянного тока, которая является нулевой частотой. В основном они используются во многих электрических системах управления и измерительных приборах.

7. Видеоусилители:

Видеоусилители используются для улучшения видеосигнала и отображения его с высоким разрешением. Видеосигнал несет всю информацию об изображении в телевизионных и радиолокационных системах. Это особый тип широкополосных усилителей.Они используются специально для сигналов, которые должны подаваться на видеооборудование.

Полоса пропускания видеоусилителей зависит от использования. В телевизионных приемниках они простираются от 0 Гц до 6 МГц и еще шире в радарах. Эти усилители используются для усиления сигналов, принимаемых с DVD, компьютерных мониторов. Их также можно использовать для улучшения качества видео в небольших телевизорах, установленных в автомобилях.

8. Буферные усилители:

Буферные усилители обычно используются для преобразования электрического импеданса от одной цепи к другой.У них коэффициент усиления 1. Они используются для изоляции цепей друг от друга. У них высокий импеданс на входе и низкий на выходе.

Следовательно, может использоваться как устройство согласования импеданса. Это означает, что сигналы не ослабляются между цепями, что происходит, когда цепь с высоким выходным сопротивлением подает сигнал непосредственно в другую цепь с низким входным сопротивлением.

9. Операционные усилители:

Операционные усилители – это электронные усилители напряжения с высоким коэффициентом усиления.Операционные усилители используются для математических операций с напряжениями. Они используются в виде микросхем, изначально они были разработаны с использованием электронных ламп. Операционный усилитель в основном имеет два входа.

Они инвертируют и не инвертируют. Их можно использовать в качестве инвертирующих усилителей, неинвертирующих усилителей, суммирующих усилителей, дифференциальных усилителей и т. Д. На следующем рисунке показан операционный усилитель.

Условное обозначение рабочего усилителя

Связанное сообщение: Генератор функций с использованием операционного усилителя

10. Транзисторные усилители:

Транзистор – электронное устройство. Он также используется как усилитель. Транзисторные усилители усиливают напряжение или ток входного сигнала.

Есть два типа транзисторных устройств. 1) BJT (транзисторы с биполярным переходом). 2) FET (полевые транзисторы).

Транзисторные усилители анализируются в различных конфигурациях. Это 1) общая база, 2) общий эмиттер и 3) общий коллектор с использованием BJT. Используя полевой транзистор, транзисторные усилители анализируются в следующих конфигурациях.1) Общие ворота, 2) Общий источник и 3) Общий сток.

В транзисторах с биполярным переходом небольшой ток на выводе базы может управлять током на эмиттере и коллекторе, в то время как в полевых транзисторах (FET) небольшое напряжение на затворе может управлять напряжением на истоке и стоке.

Классы и классификация усилителей и их применение

Раньше, до изобретения электронных усилителей, связанные угольные микрофоны использовались в качестве грубых усилителей в телефонных повторителях. Первым электронным устройством, которое практически усиливает звук, была электронная лампа Audion, изобретенная Ли Де Форестом в 1906 году. Термин «усилитель» и «усиление» происходит от латинского слова «ampificare», означающего «расширять» или «увеличивать». Электронная лампа была единственным упрощающим устройством в течение 40 лет и доминировала в электронике до 1947 года. Когда на рынке появился первый BJT, он произвел еще одну революцию в электронике, и это первое портативное электронное устройство, такое как транзисторное радио, разработанное в 1954 году. .В этой статье рассматриваются классы и классификация усилителей.

Что такое усилитель и классификация усилителей?

Просто усилители называются усилком. Усилитель – это электронное устройство, используемое для увеличения сигнала тока, напряжения и мощности. Функция усилителя заключается в использовании энергии от источника питания и большей высоте над уровнем моря, он контролирует выходной сигнал с помощью входного сигнала. Усилитель модулирует выход из источника питания в зависимости от свойств входного сигнала.Усилитель полностью противоположен аттенюатору, если усилитель обеспечивает усиление, следовательно, аттенюатор обеспечивает потери. Усилитель также является дискретной частью электрической цепи, которая продолжается с другим устройством.

Усилитель

Усилитель используется во всем электронном оборудовании. Усилители можно разделить на разные типы. Первый – улучшением частоты электронного сигнала. Следующий – аудиоусилитель, который усиливает сигнал в диапазоне менее 20 кГц, а РЧ-усилитель усиливает радиочастотный диапазон от 20 кГц до 300 кГц.Последний из них – качество тока и усиливается напряжение.

Есть разные типы усилителей, включая усилитель тока, усилитель напряжения или усилитель крутизны и усилитель сопротивления. В настоящее время большинство усилителей, используемых на рынке, являются транзисторами, но в некоторых приложениях также используются электронные лампы.

Классификация усилителей

Классификация усилителей приведена ниже

Входная и выходная переменная
Общая клемма
Односторонняя и двусторонняя
Инвертирующая и неинвертирующая
Метод межкаскадной связи
Диапазон частот Функция

Входная и выходная переменная

Электронный усилитель использует только одну переменную i.е. ток или напряжение. Это может быть ток или напряжение, может использоваться на входе или на выходе. Есть четыре типа усилителей, которые зависят от источника, используемого для линейного анализа.

Вход	Выход	Зависимый источник	Тип усилителя	Единицы усиления
I	I	CC Current Controlled Current Control	Усилитель тока	Безразмерный
I	В	Источник контролируемого напряжения CCVS	Усилитель сопротивления трансмиссии	Ом
В	I 9000 Регулируемое напряжение 900 Источник тока VCCS	Усилитель проводимости Trans	Siemens
В	В	Источник напряжения с управляемым напряжением VCVS	Усилитель напряжения	Безразмерный

Общая клемма

Классификация усилителя основана на выводе устройства, который является общим для входной и выходной цепи.Биполярный транзистор делится на три класса. общий эмиттер, общая база и общий коллектор. В случае полевого транзистора он имеет соответствующие конфигурации, такие как общий исток, общий затвор и общий сток. Общий эмиттер чаще всего обеспечивает усиление напряжения, приложенного между базой и эмиттером. Входной сигнал между коллектором и эмиттером инвертирован относительно входа. Схема с общим коллектором называется эмиттерным повторителем, истоковым повторителем и катодным повторителем.

Односторонний и двусторонний

Усилитель, на выходе которого нет обратной связи со стороной входа, называется односторонним. Односторонний усилитель входного импеданса не зависит от нагрузки, а выходное сопротивление не зависит от импеданса источника сигнала.

Усилитель, который использует обратную связь для соединения части выхода обратно со входом, называется двусторонним усилителем. Входное сопротивление двустороннего усилителя зависит от нагрузки и выходного сопротивления источника.Линейные односторонние и двусторонние усилители обозначены как двухпортовые сети.

Инвертирование и неинвертирование

В этой классификации усилителя используется соотношение фаз входного и выходного сигналов. Инвертирующий усилитель дает выход на 180 градусов, сдвинутый по фазе с входным сигналом.

Неинвертирующий усилитель непрерывно определяет фазу формы волны входного сигнала, а эмиттер – неинвертирующий усилитель. Повторитель напряжения называется неинвертирующим усилителем и имеет единичное усиление.

Метод межкаскадной связи

Этот тип усилителя классифицируется по использованию метода связи сигнала на входе, выходе и между каскадами. В усилителе межкаскадной связи используются разные методы.

Резистивно-емкостный усилитель связи
Усилитель индуктивно-емкостной связи
Преобразованный усилитель связи
Усилитель прямой связи

Классы усилителей

В следующем

Класс A упоминаются разные типы классов усилителей усилитель
усилитель класса B
усилитель класса C
усилитель класса D
усилитель класса AB
усилитель класса F
усилитель класса S
усилитель класса R

усилитель класса A

Усилители класса A просты разработанные усилители, и этот усилитель чаще всего используется в усилителях.По сути, усилители класса A являются лучшими усилителями класса из-за их низкого уровня искажений. Этот усилитель является лучшим в звуковой аудиосистеме, и в большинстве звуковых систем используется усилитель класса А. Усилители класса A образованы устройствами выходного каскада, которые смещены для работы класса A. По сравнению с усилителями других классов усилитель класса А имеет самую высокую линейность.

Усилитель класса A

Чтобы получить высокую линейность и усиление в усилителе класса A, выход усилителя класса A должен быть постоянно включен.Следовательно, усилитель считается усилителем класса А. Идеальный ток нулевого сигнала в выходном каскаде должен быть равен или превышать максимальный ток нагрузки, необходимый для получения большего количества сигнала.

Преимущества

Устраняет нелинейные искажения
Обладает низкими пульсациями напряжения
Не требует частотной компенсации
Отсутствуют перекрестные и переключающие искажения
Низкие гармонические искажения в усилителе напряжения и тока

Недостатки

Трансформаторы, используемые в этом усилителе, имеют большой размер и высокую стоимость
Требуются два идентичных транзистора

Усилитель класса B

Усилители класса B представляют собой положительную и отрицательную половину сигналов, которые назначаются различным частям цепей, а выходное устройство постоянно включается и выключается.Базовые усилители класса B используются в двух дополнительных транзисторах, которые являются полевыми транзисторами и биполярными. Эти два транзистора каждой половины формы сигнала со своим выходом имеют конфигурацию двухтактного типа. Следовательно, каждый усилитель только половина формы выходного сигнала.

Усилитель класса B

В усилителе класса B, если входной сигнал положительный, то транзистор с положительным смещением проводит, а отрицательный транзистор отключается. Если входной сигнал отрицательный, то положительный транзистор выключается, а транзистор с отрицательным смещением включается.Следовательно, транзистор проводит половину времени, независимо от того, какой это может быть положительный или отрицательный полупериод входного сигнала.

Преимущества

Некоторое количество искажений в схеме дает больший выход на одно устройство из-за отсутствия четных гармоник
Использование двухтактной системы в усилителе класса B устраняет четную гармонику

Недостатки

В усилителе класса B высокие гармонические искажения
В этом усилителе нет необходимости в самосмещении

Приложения

Усилители класса B используются в недорогой конструкции
Этот усилитель более существенен, чем усилитель класса A
Усилитель класса B страдает от сильных искажений при низком уровне сигнала

Усилитель класса AB

Класс AB представляет собой комбинацию усилителя класса A и класса B.Усилители класса AB обычно используются в усилителях мощности звука. Из диаграммы видно, что два транзистора имеют небольшое напряжение, которое составляет от 5 до 10% тока покоя, и смещение транзистора чуть выше точки отсечки. Тогда устройство может быть на полевом транзисторе или биполярное устройство будет включено больше половины цикла, но меньше одного полного цикла входного сигнала. Следовательно, в конструкции усилителя класса AB каждый из двухтактных транзисторов проводит немного больше, чем полупериод проводимости в классе B, но намного меньше, чем полный цикл проводимости класса A.

Усилитель класса AB

Угол проводимости усилителя класса AB находится в пределах от 1800 до 3600, что зависит от точки смещения. Преимущество небольшого напряжения смещения состоит в том, что оно дает последовательное сопротивление и диод.

Преимущества

Класс AB имеет линейное поведение
Конструкция этого усилителя очень проста
Искажения этого усилителя менее 0,1%
Качество звука этого звука очень высокое

Недостатки

Рассеиваемая мощность этого усилителя выделяет тепло и требует большого количества радиатора
Этот усилитель имеет низкий КПД по мощности и средний КПД менее 50%

Применения

Усилители класса AB используются в Hi-Fi системы.

Усилитель класса C

Конструкция усилителя класса C имеет высокий КПД и плохую линейность. В предыдущих усилителях мы обсуждали классы A, B и AB – это линейные усилители. Усилитель класса C имеет сильное смещение, поэтому выходной ток равен нулю более чем для половины входного сигнала, а транзистор работает на холостом ходу в точке отсечки. Из-за серьезных искажений звука усилители класса C представляют собой высокочастотные синусоидальные колебания.

Усилитель класса C

Преимущества

Эффективность усилителя класса C высокая
В усилителе класса C физические размеры малы для данной выходной мощности

Недостатки

Линейность усилителя класса C низкая
Усилители класса C не используются в аудиоусилителях
Динамический диапазон усилителя класса c уменьшен
Усилитель класса C будет производить больше интерфейсов RF

Приложения

Этот усилитель используется в усилителях RF

Усилитель класса D

Усилитель класса D – это усилители с нелинейной коммутацией или усилители ШИМ.Этот усилитель может достичь 100% эффективности теоретически, и в течение цикла нет периода. Формы сигналов напряжения и тока перекрываются, ток выводится только с помощью транзистора, который находится в состоянии ВКЛ. Эти усилители также называются цифровыми усилителями.

Усилитель класса D

Преимущества

Усилитель класса D имеет более высокий КПД, превышающий 90%
В усилителях класса D низкое рассеивание мощности

Недостатки

Усилитель класса D имеет конструкцию сложнее, чем усилитель класса AB.

Приложения

Этот усилитель используется в звуковых картах мобильных устройств и персональных компьютеров
Эти усилители используются в автомобилях с усилителями звуковых сабвуферов.
В настоящее время в большинстве приложений используются эти усилители.

Усилитель класса F

Усилители F используются для увеличения эффективности и вывода гармонических резонаторов в форме выходной цепи и для формирования формы выходного сигнала в виде прямоугольной волны.Усилители класса F имеют КПД более 90% при использовании бесконечной настройки гармоник.

Усилитель класса F

Усилитель класса S

Усилители класса S работают аналогично усилителям класса D. Эти усилители являются усилителями с нелинейным переключением режимов. Он преобразует аналоговые входные сигналы в цифровые прямоугольные импульсы с использованием дельта-сигма модуляции. Он усиливает их, чтобы увеличить выходную мощность с помощью полосового фильтра. Цифровой сигнал коммутирующего усилителя полностью находится в состоянии ВКЛ или ВЫКЛ, а его эффективность может достигать 100%.

Усилитель класса S

Усилитель класса T

Усилители класса T разработаны с использованием цифровых переключаемых усилителей. В настоящее время эти усилители стали более популярными в качестве аудиоусилителей из-за расширения микросхемы DSP и многоканального усилителя звука. Этот усилитель преобразует сигнал из аналогового сигнала в сигнал с цифровой широтно-импульсной модуляцией, а усиление увеличивает эффективность усилителей. Усилители класса T представляют собой комбинацию сигнала с низким уровнем искажений усилителя класса AB, а другой – эффективность усилителя класса D.

Усилитель класса T

Усилитель класса G

Усилитель класса G является основным элементом усилителя класса AB. Усилитель класса G используется в нескольких шинах питания разных напряжений. Автоматически переключается между шинами питания при изменении входного сигнала. Переключение контактов снижает среднее энергопотребление, следовательно, потери мощности вызваны потерянным теплом. На приведенной ниже принципиальной схеме показан усилитель класса G.

Усилитель класса G

В этой статье описывается классификация усилителей.Кроме того, любые запросы, вы чувствуете, что что-то упущено, вы хотите знать любую информацию по какой-либо конкретной теме, пожалуйста, дайте мне знать, комментируя в разделе комментариев ниже. Вот вам вопрос, Каковы функции разных типов усилителей?

Фото:

Схема усилителя с общим эмиттером и его работа

Транзистор представляет собой трехконтактное полупроводниковое устройство, а выводы – E (эмиттер), B (база) и C (коллектор). Транзистор может работать в трех разных областях, таких как активная область, область отсечки и область насыщения.Транзисторы выключаются при работе в области отсечки и включаются при работе в области насыщения. Транзисторы работают как усилители, пока они работают в активной области. Основная функция транзистора как усилителя заключается в усилении входного сигнала без значительных изменений. В этой статье рассказывается, как транзистор работает как усилитель.

Транзистор как усилитель

Схема усилителя может быть определена как схема, которая используется для усиления сигнала.На входе усилителя подается напряжение, в противном случае – ток, а на выходе – входной сигнал усилителя. Схема усилителя, в которой используется транзистор, иначе транзисторы, известна как транзисторный усилитель. Применение схем транзистора в схемах усилителя в основном связано с аудио, радио, оптоволоконной связью и т. Д.

Конфигурации транзисторов подразделяются на три типа, такие как CB (общая база), CC (общий коллектор) и CE (общий эмиттер). Но общая конфигурация излучателя часто используется в таких приложениях, как аудиоусилитель.Поскольку в конфигурации CB коэффициент усиления <1, а в конфигурации CC коэффициент усиления почти эквивалентен 1.

Параметры хорошего транзистора в основном включают в себя различные параметры, а именно высокий коэффициент усиления, высокую скорость нарастания, широкую полосу пропускания, высокую линейность, высокая эффективность, высокий импеданс i / p, высокая стабильность и т. д.

Транзистор как схема усилителя

Транзистор можно использовать как усилитель , увеличивая силу слабого сигнала. С помощью следующей схемы транзисторного усилителя можно получить представление о том, как эта транзисторная схема работает как схема усилителя.

В приведенной ниже схеме входной сигнал может подаваться между переходом эмиттер-база и выходом через нагрузку Rc, подключенную в коллекторной цепи.

Транзистор как схема усилителя

Для точного усиления всегда помните, что вход подключен с прямым смещением, а выход подключен с обратным смещением. По этой причине, в дополнение к сигналу, мы прикладываем напряжение постоянного тока (VEE) во входной цепи, как показано на схеме выше.

Как правило, входная цепь имеет низкое сопротивление; небольшое изменение напряжения сигнала на входе приведет к значительному изменению тока эмиттера.Из-за действия транзистора изменение тока эмиттера вызовет такое же изменение в цепи коллектора.

В настоящее время ток коллектора через резистор Rc создает на нем огромное напряжение. Следовательно, приложенный слабый сигнал во входной цепи будет выходить в усиленной форме в цепи коллектора на выходе. В этом методе транзистор работает как усилитель.

Схема усилителя с общим эмиттером

В большинстве электронных схем мы используем обычно конфигурацию транзисторов NPN, которая известна как схема усилителя транзисторов NPN.Давайте рассмотрим схему смещения делителя напряжения, которая широко известна как схема одноступенчатого транзисторного усилителя.

В принципе, устройство смещения может быть построено с использованием двух транзисторов, как цепь делителя потенциала на источнике напряжения. Он подает напряжение смещения на транзисторы со своей средней точки. Этот тип смещения в основном используется в схемах усилителя на биполярных транзисторах. Схема усилителя с общим эмиттером

В этом типе смещения транзистор будет уменьшать коэффициент усиления тока ‘β’, поддерживая смещение базы на ступени постоянного установившегося напряжения, и обеспечивает точную стабильность.Vb (базовое напряжение) можно измерить с помощью цепи делителя потенциала .

В приведенной выше схеме полное сопротивление будет равно количеству двух резисторов, таких как R1 и R2. Создаваемый уровень напряжения на соединении двух резисторов будет поддерживать постоянное базовое напряжение при напряжении питания.

Следующая формула представляет собой простое правило делителя напряжения, и он используется для измерения опорного напряжения.

Vb = (Vcc.R2) / (R1 + R2)

Аналогичное напряжение питания также определяет максимальный ток коллектора, поскольку транзистор активирован, который находится в режиме насыщения.

Коэффициент усиления напряжения общего эмиттера

Коэффициент усиления напряжения общего эмиттера эквивалентен изменению в пределах отношения входного напряжения к изменению в пределах выходного напряжения усилителя. Рассмотрим Vin и Vout как Δ VB. & Δ VL

В условиях сопротивлений коэффициент усиления напряжения будет эквивалентен отношению сопротивления сигнала в коллекторе к сопротивлению сигнала в эмиттере и определяется как

Коэффициент усиления напряжения = Vout / Vin = Δ VL / Δ VB = – RL / RE

Используя приведенное выше уравнение, мы можем просто определить коэффициент усиления по напряжению в цепи общего эмиттера.Мы знаем, что биполярные транзисторы имеют очень малое внутреннее сопротивление, встроенное в их эмиттерную часть, то есть Re. Каждый раз, когда внутреннее сопротивление эмиттера будет последовательно соединено с внешним сопротивлением, ниже приведено настраиваемое уравнение усиления напряжения.

Коэффициент усиления по напряжению = – RL / (RE + Re)

Полное сопротивление в цепи эмиттера на низкой частоте будет эквивалентно величине внутреннего сопротивления и внешнего сопротивления, равного RE + Re.

Для этой схемы усиление напряжения на высоких и низких частотах включает следующее.

Коэффициент усиления напряжения на высокой частоте составляет = – RL / RE

Коэффициент усиления напряжения на низкой частоте составляет = – RL / (RE + Re)

Используя приведенные выше формулы, можно рассчитать усиление напряжения для схема усилителя.

Итак, все дело в транзисторе как усилителе. Из приведенной выше информации, наконец, мы можем сделать вывод, что транзистор может работать как усилитель, только если он правильно смещен.У хорошего транзистора есть несколько параметров, включая высокое усиление, широкую полосу пропускания, высокую скорость нарастания, высокую линейность, высокий импеданс i / p, высокий КПД, высокую стабильность и т. Д. Вот вам вопрос: , что такое транзисторный усилитель 3055 ?

Ваше полное руководство по их использованию в электронике

Здесь вы найдете полное руководство по транзисторам.

В этом руководстве по транзисторам я расскажу вам об основах транзисторов, различных типах, наиболее популярных частях и способах их использования в схемах.

Это часть нашей серии статей, посвященных диодам и транзисторам.

Что такое транзистор?

Давайте начнем с простого для понимания определения транзистора. Чтобы дать определение транзистору, мы хотим взглянуть на общую картину и на то, как она вписывается в электронику.

Мы можем определить это следующим образом:

транзистор = электронное устройство, которое может использоваться для переключения или усиления электрической энергии

# 1 Уроки: из транзисторов получаются отличные переключатели и усилители, и есть два основных типа:

биполярных транзисторов (BJT) – вы используете ток для управления

полевых транзисторов

(FET) – вы используете напряжение для управления

Транзистор – это фундаментальный строительный блок современной электроники.Когда он был изобретен, он привел к электронной революции, которая открыла новую эру технологий.

Транзисторный радиоприемник был одним из первых, кто произвел революцию в этой технологии. Размер радиоприемника резко уменьшился, поскольку больше не было необходимости использовать электронные лампы

Без транзистора не существовало бы современной электроники.

Кто изобрел транзистор?

Вы можете спросить: а когда же был изобретен транзистор? В отношении изобретения транзистора есть три важные даты:

1927 – Юлиус Лилиенфельд патентует полевой транзистор, но не смог произвести его в то время из-за ограничений технологии.

1947 – Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн изобрели транзистор с точечным контактом в компании Bell Telephone Laboratories, Inc.

1956 – Нобелевская премия по физике присуждена Шокли, Бардину и Браттейну за транзистор.

Для чего нужен транзистор?

Две основные функции транзистора – усилитель и переключатель, работают как с отдельными транзисторами, так и с их комбинациями.

Соединение нескольких транзисторов с другими электрическими компонентами, такими как резисторы и диоды, может даже создать логические вентили.

Далее мы рассмотрим каждый из них более подробно

Транзисторный усилитель

Каждый раз, когда вы хотите использовать немного чего-то, чтобы получить еще больше, это называется усилением.

В качестве аналогии рассмотрим механическое плечо. Когда вам нужно выполнить механическую работу над чем-то, если вы добавите рычаги воздействия, вы сможете усилить свою работу.

Физика транзисторов позволяет нам использовать напряжение или ток для управления передачей электрической энергии в транзисторе.

Чистый эффект состоит в том, что мы можем использовать небольшое напряжение или ток, чтобы контролировать гораздо большее напряжение или ток. Это то, что мы называем усилителем.

Мы рассмотрим это более подробно, когда рассмотрим различные типы транзисторов позже.

Транзисторный переключатель

Одна из лучших особенностей транзисторов, которые позволяют современной цифровой электронике, заключается в том, что транзистор может действовать как переключатель.

Когда вы включаете выключатель света в своем доме, вы делаете небольшую механическую работу руками, которая позволяет электричеству течь через ваши лампочки.

Использование транзистора в качестве переключателя, подобного выключателю света, позволяет нам использовать напряжение или ток для его включения или выключения, что затем позволяет току течь через другую часть схемы.

Соединение множества разных переключателей вместе в различных комбинациях позволяет нам создавать всевозможные различные логические вентили, которые мы рассмотрим далее.

Транзисторный вентиль

Типичный логический вентиль в наши дни имеет несколько транзисторов, а также другие компоненты. создание логических вентилей в схемах претерпело долгую эволюцию по мере того, как производственные технологии становились все лучше и лучше.

Логические вентили транзисторов в наши дни обычно изготавливают из полевых МОП-транзисторов, а точнее – из КМОП. Мы рассмотрим их подробно позже.

Транзистор И затвор, например, может быть выполнен как минимум с двумя транзисторами. Чтобы увидеть, как можно сделать другие вентили из транзисторов, ознакомьтесь с этим замечательным решением.

С годами развития транзисторы становятся все меньше и меньше. Например, в 1971 году транзисторы были 10 микрометров.

По состоянию на 2014 год они составляют 14 нанометров с ожидаемыми 10 нанометрами к 2017 году.Если посчитать, то всего за 46 лет размер уменьшится примерно на 1000 человек.

Имейте в виду, что это то, что можно производить. Есть группы исследований и разработок, которые достигли размера транзисторов в 1 нанометр. Это самый маленький из известных транзисторов на 2017 год.

Уменьшение размера транзистора позволяет размещать все больше и больше транзисторов в таких устройствах, как центральные процессоры (ЦП) в компьютерах.

Общая тенденция уменьшения размера компонентов, ведущая к удвоению количества, которое вы можете разместить в устройстве, известна как закон Мура.Всегда интересно увидеть количество транзисторов в устройствах за разные годы.

Например, количество транзисторов современных процессоров Intel исчисляется миллиардами и продолжает расти. Популярный процессор i7 содержит около 1,75 миллиарда транзисторов.

Кроме того, способ оптимизации количества транзисторов, используемых в затворах, называется логикой проходных транзисторов.Технология всегда расширяет границы, позволяя получить больше при меньшем размере и меньшем количестве компонентов. Это приводит к тому, что в том же физическом пространстве помещается больше возможностей.

Символ транзистора

Итак, как выглядит схема транзистора? Давай выясним.

Чтобы упростить задачу, мы рассмотрим 6 различных типов транзисторов, с которыми вы чаще всего сталкиваетесь.

Символ транзистора NPN и символ транзистора PNP являются наиболее распространенными. Они являются частью биполярной семьи.

Также будет включать N-канальный JFET и P-канальный JFET, которые представляют собой полевые транзисторы с переходным затвором.

И наконец, что не менее важно, у нас есть полевые МОП-транзисторы с N-каналом и P-каналом, которые представляют собой металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы.

Примечание для NMOS и PMOS (MOSFET) на схеме: пунктирная линия в середине означает, что они находятся в расширенном режиме. Если бы они были прямыми линиями без тире, это были бы транзисторы с режимом истощения.

Мы рассмотрим каждый из этих типов транзисторов более подробно. Вот символы для каждого из них:

Обратите внимание, что направление стрелки на символах обычно указывает на n-тип по сравнению с p-типом.

Распиновка транзистора

Как видно из символьной диаграммы, у нас есть несколько разных выводов для каждого типа транзистора.

Для биполярного транзистора три основных контакта – это база (B), коллектор (C) и эмиттер (E).

В то время как для полевых транзисторов (JFET и MOSFET) штырьки – это источник (S), затвор (G) и сток (D).

Мы рассмотрим, что эти контакты делают в следующем разделе.

Как работает транзистор?

Мы рассмотрели, что такое транзисторы, что они делают, и какие символы мы используем для них в схемах. Теперь давайте посмотрим, как работает транзистор более подробно

Мы рассмотрим некоторые основы работы с транзисторами, а затем покажем вам режимы работы каждого типа.

Вся цель транзистора состоит в том, чтобы позволить вам использовать немного электроэнергии для управления гораздо большим количеством электроэнергии.

Мы можем сделать это либо в двоичном режиме (включен или выключен), как в переключателе, либо мы можем использовать полный диапазон работы транзистора и создать усилитель.

С учетом сказанного, есть два основных транзистора типы, которые работают по-разному. Мы собираемся поддерживать теорию на высоком уровне, чтобы вы могли использовать ее на практике в электронике.

Если вас интересует вся физика, лежащая в основе этого, существуют целые области изучения полупроводников и множество книг, которые вы можете изучить.Помните, что люди делают карьеру из этого материала.

Биполярный переходной транзистор

Первый тип называется биполярным переходным транзистором (BJT). BJT-транзистор использует как электронные, так и дырочные носители, как и диоды.

Дырки и носители создаются полупроводниковыми материалами, известными как P-тип (дырки) и N-тип (электроны).

Материалы как N-типа, так и P-типа ведут себя определенным образом, и, если их сложить вместе, можно получить еще более интересные эффекты.

Типичный диод обычно представляет собой материал N-типа и P-типа вместе. В то время как BJT – это их три вместе.Транзисторы бывают как типа NPN, так и PNP.

Например, NPN – это именно то, как оно названо, где есть сэндвич из материала N-типа, P-типа и N-типа вместе взятых.

В свое время германиевые транзисторы были обычным способом изготовления биполярных транзисторов.Однако сейчас кремниевые транзисторы стали нормой.

Несколько ключевых моментов, касающихся BJT, заключаются в том, что hfe (иногда называемый бета) – это быстрый индикатор способности транзистора к усилению, также известный как усиление постоянного тока.

Кроме того, насыщение транзистора просто означает, что больше тока через базу не даст больше тока через коллектор и эмиттер.

Теперь давайте посмотрим на транзисторы NPN и PNP, чтобы лучше понять, как они работают.

NPN-транзистор

NPN – это именно то, как его называют, где есть сэндвич из материалов N-типа, P-типа и N-типа, соединенных вместе.Пример конструкции можно увидеть ниже.

Конструкция этого устройства устроена так, что ток обычно не протекает между двумя материалами N-типа, потому что материал P-типа разделяет их.

Что интересно, так это то, что когда мы манипулируем материалом P-типа током, мы можем создать мост между двумя материалами N-типа, который позволяет току течь между ними.

Например, для типичного одиночного NPN , если мы подадим на базу около 0,7 Вольт, то ток будет течь через базу к эмиттеру.

Это, в свою очередь, позволит току легче проходить через материал P-типа. Это позволяет току течь от коллектора к эмиттеру в качестве конечного результата. Это позволяет манипулировать материалами.

Основы, которые вам необходимо знать здесь на высоком уровне, следующие:

Для BJT NPN, когда ток течет от базы к эмиттеру, он включает транзистор и позволяет гораздо больше. ток течет от коллектора к эмиттеру.

Вот почему мы часто называем BJT устройствами с управляемым током.

NPN Operation

Теперь давайте рассмотрим несколько общих способов работы с NPN. Мы знаем, что контакты – это база (B), коллектор (C) и эмиттер (E).

Cut Off («off»): Emitter> Base
Saturation («on»): Emitter Collector
Forward Active («пропорционально»): Emitter
Reverse Active («отрицательный пропорциональный»): Emitter> Base> Collector

Для этих различных режимов переключатель будет использовать режимы отсечки и насыщения.

Усилитель будет использовать прямой активный режим, в котором ток от коллектора к эмиттеру пропорционален току от базы к эмиттеру.

Обратный активный режим – это когда ток течет от эмиттера к коллектору, что является обратным нормальному активному режиму. Этот режим используется нечасто.

Ключевым моментом здесь является то, что напряжение между базой и эмиттером (Vbe), обычно около 0,7 В, является одним из основных ингредиентов для включения NPN.

Конечно, поведение NPN намного сложнее, но это это общий вынос.

Транзистор PNP

Аналогичным образом, PNP имеют порядок материалов P-типа, N-типа и P-типа, как показано ниже.

PNP похожи на NPN, но направление тока другое.

Основная идея этого устройства заключается в том, что два материала P-типа разделены между собой N-типом, что означает, что ток не будет нормально течь между двумя материалами P-типа.

Однако, когда мы добавляем ток в смесь, мы можем управлять материалом N-типа, чтобы он действовал как мост между материалами P-типа, позволяя току течь.

Вот наш главный вывод:

Для BJT PNP, когда ток течет от эмиттера к базе, гораздо больше тока может течь от эмиттера к коллектору.

Работа PNP

Далее мы рассмотрим различные способы работы PNP. Мы помним, что контакты – это база (B), коллектор (C) и эмиттер (E).

Cut Off («off»): эмиттер Collector
Saturation («on»): Emitter> Base
Forward Active («пропорционально»): Emitter> Base> Collector
Reverse Active («отрицательный пропорциональный»): эмиттер <база <коллектор

PNP аналогичен NPN, но токи меняются местами.Использование NPN гораздо более распространено, но иногда вы можете встретить PNP.

Часто NPN и PNP используются вместе, чтобы получить более сложное поведение схемы. Хорошим примером является схема двухтактного усилителя.

Опять же, PNP немного сложнее, но для большинства схем это все, что вам нужно знать

Полевой транзистор

Что может быть круче, чем манипулирование материалом с помощью тока? Вместо этого манипулируем напряжением! Именно это мы и делаем с полевыми транзисторами (FET).

Полевые транзисторы

позволяют нам использовать электрическое поле для управления электропроводностью канала в них, который управляет переключателем.

Давайте более подробно рассмотрим два основных типа полевых транзисторов.

JFET-транзистор

Переходный полевой транзистор (JFET) – очень простое устройство.

Основная идея состоит в том, что полевой транзистор JFET обычно проводит ток между источником и стоком, если на затвор не подается напряжение.

Это означает, что JFET обычно включен, пока напряжение на затворе не отключит его.

Напряжение создает электрическое поле, которое «зажимает» канал, по которому течет ток. Как если бы вы зажали садовый шланг, чтобы вода не протекала через него.

Здесь есть два аромата, где для канала может использоваться материал N-типа или P-типа. Тип материала будет определять, какое напряжение необходимо приложить к затвору.

N-канальный JFET

Типичная конструкция n-канального JFET показана ниже.

Основные сведения о N-канальном JFET:

Напряжение между источником и стоком вызывает протекание тока. Повышение напряжения увеличивает ток до определенного момента. В режиме насыщения ток остается неизменным при увеличении напряжения от стока до источника, Vds.
Подача напряжения на затвор и источник ограничит общий поток тока от источника к стоку в зависимости от величины напряжения. Как только напряжение затвора к источнику достигает напряжения отсечки, ток не течет от источника к стоку.Это отключает устройство.

Чтобы разобраться в этом, посмотрите эту потрясающую визуализацию.

P-Channel JFET

Напротив, типичная конструкция p-канального JFET показана ниже.

P-канальный JFET работает очень похоже на N-канальный JFET, за исключением того, что токи и напряжения меняются местами.

МОП-транзистор

Гораздо более популярной формой полевого транзистора является металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (МОП-транзистор).Иногда люди для краткости называют их МОП-транзисторами.

Как мы увидим, часть названия MOS происходит от структуры транзистора, что позволяет легче запомнить его общую функцию.

MOSFET обычно выключен, пока напряжение на затворе не включит транзистор и позволяет току течь между источником и стоком.

Они обычно используются в цифровой электронике и процессорах.

Существует две формы полевого МОП-транзистора. Это N-канал (NMOS) и P-канал (PMOS).Давайте теперь подробно рассмотрим различия.

NMOS-транзистор

Для NMOS у нас есть простая структура, в которой исток и сток представляют собой материал N-типа, и они разделены материалом P-типа. Поверх разделения находится оксидный слой, а поверх него – металлический слой, который является воротами.

Вы можете увидеть эту структуру ниже.

В основном, всякий раз, когда на Воротах Источника присутствует напряжение (Vgs), создаваемое электрическое поле воздействует на материал P-типа, образуя канал между двумя другими материалами N-типа, которыми являются Источник и Сток.

Это напряжение создает канал и позволяет току течь по нему между Источником и Стоком.

Далее давайте более подробно рассмотрим различные режимы работы для режима расширения NMOS.

Основными переменными являются Vgs (напряжение от затвора до источника), Vth (пороговое напряжение Vgs), Vds (напряжение от стока до источника) и Vds-sat (напряжение насыщения Vds).

Отсечка: Vgs
Омический: Vgs> Vth и Vds
Насыщение : Vgs> Vth и Vds> Vds-sat, канал полностью сформирован, увеличение Vds не вызывает увеличения тока

Здесь можно найти отличную визуализацию для этих режимов.В таблице данных для вашей части NMOS должно быть несколько графиков, отображающих ток стока (Id) в зависимости от Vds, с линиями, представляющими разные Vgs.

Отличным примером сильноточного NMOS является IRLML6344TRPBF.

Если вы откроете таблицу данных для этой части, вы увидите, что для этого требуется, чтобы напряжение Vgs было выше 1,1 вольт (Vth). Кривая показывает нам, что для разных уровней Vgs выше этого порогового напряжения мы получаем разные кривые тока стока.

В большинстве случаев напряжение Vds-sat составляет около 1 В, и именно здесь кривые переходят в плоскую линию.

Для CMOS, когда напряжение на затворе высокое, транзистор включен, а когда напряжение на затворе низкое, транзистор выключен.

Транзистор PMOS

Для PMOS он очень похож на NMOS, за исключением того, что материалы N-типа и P-типа поменяны местами. Вы можете увидеть структуру ниже.

PMOS работает очень похоже на NMOS, за исключением того, что некоторые вещи работают наоборот. Давайте посмотрим на разные режимы.

Отсечка: Vgs> -Vth, ток не течет от источника к стоку
Омический: Vgs <-Vth и -Vds> -Vds-sat, канал формируется на основе Vgs, -Vds, становясь более отрицательным, вызывает больший ток линейно
Насыщенность: Vgs <-Vth и -Vds <-Vds-sat, канал полностью сформирован, -Vds становится более отрицательным, не вызывает больше тока

Вот основной момент:

Для PMOS, когда напряжение на затворе высокое, транзистор выключен, а когда напряжение на затворе низкое, транзистор включен.

CMOS-транзистор

Что происходит, когда вы объединяете NMOS и PMOS в одной детали? Вы получаете очень удобный компонент.

Фактически, комплементарная МОП (CMOS) лежит в основе процессоров, SRAM и логических микросхем. Использование КМОП дает много технических преимуществ, подробности см. Здесь

Упаковка транзисторов

Транзисторы выпускаются в различных вариантах корпусов, включая сквозное отверстие, поверхностный монтаж и монтаж на шасси.

В большинстве конструкций электроники используется поверхностный монтаж.Однако любители часто используют варианты сквозных отверстий.

Для более высокого рассеивания мощности может потребоваться установка через отверстие или монтаж на шасси для отвода тепла от схемы

Распространенным корпусом со сквозными отверстиями является TO-92, который имеет пластиковый корпус с тремя выводами. Популярным корпусом для поверхностного монтажа является SOT-23, который также имеет 3 контакта.

Самые популярные транзисторы

Транзистор Дарлингтона

Допустим, вам нужен усилитель или переключатель тока NPN, но найденные вами одиночные транзисторы просто не имеют достаточно высокого коэффициента усиления (hfe), чтобы вывести с вашего слаботочного входа на высокий выходной ток.

Мы знаем, что мы можем усилить ток одним транзистором, тогда почему мы не можем сделать это дважды, чтобы получить еще больше?

Ответ – мы можем.Многочисленные транзисторы вызывают несколько ступеней усиления, которые умножаются друг на друга, что дает нам гораздо больший общий коэффициент усиления.

Это так же просто, как соединить два коллектора NPN вместе и подключить эмиттер первого к основанию второго.

Символ Дарлингтона показан ниже, чтобы проиллюстрировать эту установку.

Оказывается, это очень мощный аппарат. Конечно, мы могли бы создать его с двумя дискретными транзисторами, но он сэкономит намного больше места, если будет выполнен на той же интегральной схеме.

Например, с FZT605TA мы могли бы использовать 1 миллиампер для управления первым транзистором, который усиливается для управления вторым транзистором и позволяет нам управлять током, протекающим от коллектора к эмиттеру, более 1 ампер.

Это усиление более чем в 1000 раз!

Силовой транзистор

Когда мы говорим силовой транзистор, мы обычно подразумеваем транзисторы, которые могут обрабатывать более 1 А на выходной стороне.Это означает, что для BJT, тока коллектора и эмиттера, а также для полевых транзисторов, ток источника и стока имеет максимальное значение более 1 Ампер.

При поиске такого транзистора следует обратить внимание на его внутреннее сопротивление и максимальное тепловыделение.

Кроме того, если вы имеете дело с большим количеством тепла, есть ли у него упаковка, позволяющая подключать его к радиатору?

Корпус TO220 – это знаменитый корпус со сквозными отверстиями, в котором есть хорошая металлическая посадочная площадка и отверстие для винта для установки различных радиаторов.

Серия транзисторов TIP является популярным вариантом BJT в этом классе деталей. Вот несколько отличных примеров:

TIP31 Транзистор – ток коллектора макс = 3 А, hfe = 10, максимальная мощность = 2 Вт, л чернил

Транзистор TIP120 – ток коллектора макс = 5 А, hfe = 1000, максимальная мощность = 2 Вт, ссылка

Если вам нужен силовой полевой транзистор, то популярным выбором будет IRLML6344TRPBF. Он имеет максимальный ток стока 5 А и максимальную мощность 1,3 Вт. FET – это NMOS расширенного режима.

Фототранзистор

Если вы хотите преобразовать фотоны в ток, наиболее распространенным способом является использование фотодиода. Однако иногда диод не производит большого тока из-за количества света, которому он подвергается.

Поскольку мы уже знаем, что из транзисторов получаются отличные усилители тока, почему бы не использовать транзистор, чтобы довести выходной ток до желаемого уровня?

Здесь явно два варианта.

1. Как разработчик схем, мы могли бы использовать фотодиод с транзистором, чтобы получить более высокий выходной ток с диода.Их часто называют схемами усилителя фототока.

2. Другой вариант заключается в том, что для специализированных случаев производители фактически делают отдельные детали (например, PT15-21B / TR8), в которых просто вырезано окно, чтобы подвергать транзистор фотонам, которые напрямую воздействуют на транзистор в детали. . Он также известен как оптический транзистор.

В зависимости от ситуации вы можете выбрать, какой из них использовать, исходя из ваших требований.

Есть некоторые фототранзисторы, работающие в диапазоне видимого света.Чаще они предназначены для инфракрасного диапазона спектра. Таким образом, они невидимы для человеческого глаза. Скорее всего, ваш ТВ-приемник для вашего пульта дистанционного управления использует один из них.

Если вы можете найти решение, состоящее из одной детали, по приемлемой цене и для необходимой длины волны света, тогда сделайте это. Если нет, вы всегда можете использовать фотодиод и транзистор вместе для усиления тока с фотодиода.

Оказывается, Sharp выпустила отличное приложение для этих типов схем, которое охватывает все различные варианты.Вы можете найти его здесь: SMA99017

Оптоизоляторы

Кроме того, оптоизоляторы (также известные как оптопары) – это части, которые работают за счет встроенных в корпус светодиода и фототранзистора.

См. Например, FOD817. Таким образом, вы получаете настоящую электрическую изоляцию, поскольку внутренние компоненты взаимодействуют только с помощью фотонов.

Photointerruptor

С механической стороны, если вам нужен способ обнаружить что-то в движении, которое может точно пройти через прорезь в материале , то фотопрерыватель – это изящное маленькое устройство.

Он работает так же, имея светодиод и фототранзистор, так что ваша схема может определять, когда свет между ними прерывается, а когда нет. GP1S094HCZ0F – отличный тому пример.

2n2222 Транзистор

На протяжении многих лет одним из самых популярных транзисторов для низкого тока и малой мощности был транзистор 2n2222. Его также часто называют 2n2222a. Эта часть представляет собой BJT NPN.

Вот типичные характеристики 2n2222a:

Максимальный ток коллектора = 0.8 А
Максимальная мощность = 0,5 Вт
Коэффициент усиления постоянного тока = 100
Пробой между коллектором и эмиттером = 40 В

Деталь до сих пор очень популярна. Большинство людей выбирают вариант с пластиковой упаковкой, поскольку он намного экономичнее. Эта версия известна как Pn2222a, а примером является PN2222ABU.

2n3055 Транзистор

Если вам нужен сильноточный транзистор, то 2n3055 – отличный вариант. Это BJT NPN и поставляется в мощной упаковке TO-3.

Вот типичные характеристики 2 n30 55:

Макс.ток коллектора = 15 А
Макс.мощность = 115 Вт
Коэффициент усиления постоянного тока = 20
Пробой коллектора к эмиттеру = 60 В

Транзистор 2n3904

Еще один чрезвычайно популярный слаботочный транзистор – 2n3904. Это также BJT NPN.

Этот транзистор – один из лучших вариантов для усилителей тока цепи общего назначения, если он соответствует вашим требованиям.

Вот типичные спецификации для транзистора 3904:

Максимальный ток коллектора = 0,2 А
Максимальная мощность = 0,625 Вт
Коэффициент усиления постоянного тока = 100
Пробой коллектора к эмиттеру = 40 Вольт

Деталь предлагается в пластиковой упаковке TO-92, что делает ее очень экономичной для большинства применений, где требуются детали со сквозными отверстиями. Любители часто выбирают этот транзистор.

Транзистор 2n3906 является версией PNP, и здесь можно найти один из самых популярных транзисторов.

2n4401 Транзистор

Если вам нужен транзистор общего назначения, но требуется немного больший ток, чем у 2n3904, то 2n4401 – хороший выбор.

Вот типичные спецификации для 2n4401:

Макс.ток коллектора = 0,6 А
Макс.мощность = 0,625 Вт
Коэффициент усиления постоянного тока = 100
Пробой от коллектора к эмиттеру = 40 В

BC547 Транзистор

Еще один популярный слаботочный транзистор – BC547.Это также BJT NPN. Он известен своим сверхвысоким коэффициентом усиления по току.

Вот типичные характеристики BC547:

Максимальный ток коллектора = 0,1 А
Максимальная мощность = 0,5 Вт
Усиление постоянного тока = 420
Пробой между коллектором и эмиттером = 45 В

Использование транзисторов

Теперь, когда мы ознакомились с большей частью теории и различными частями, давайте рассмотрим некоторые полезные схемы транзисторов.

Прежде чем мы перейдем к некоторым учебникам по транзисторам, давайте рассмотрим очень базовую концепцию, которую важно знать дальше.

Смещение транзистора

Проще говоря, смещение транзистора устанавливает уровни напряжения и / или тока на оптимальную точку так, чтобы транзистор должным образом усиливал сигнал переменного тока по своему вкусу.

Очевидно, во многом это зависит от используемого транзистора, а также от окружающей цепи и напряжений.

Лучший совет – внимательно изучить техническое описание транзистора, поскольку там можно найти все напряжения и токи для различных режимов.

В таблицах данных также обычно есть несколько отличных примеров схем, которые вы можете использовать в качестве справочника для своего проекта

Следующий совет – использовать программное обеспечение типа SPICE для моделирования вашей схемы. Удивительно, чему вы можете научиться, когда можете быстро преодолеть массивный отказ с молниеносной скоростью с помощью программного обеспечения для моделирования.

Следующее лучшее решение – смонтировать схему и поиграть. Вы можете пойти на больший риск, если имеете дело с дешевыми запчастями на случай, если что-то взорвется.Однако, если вы имеете дело с дорогими деталями, которые трудно заменить, то сначала выполните описанные выше варианты.

Схема транзисторного усилителя

Если у вас есть слабый сигнал, который вам нужно усилить или даже управлять динамиком, тогда использование транзистора – вариант.

Основы просто заключаются в том, что вы используете транзистор для тяжелой работы с током.

Есть несколько способов сделать это:

Emitter F ollower – один из наиболее распространенных, также известный как обычный коллектор, см. Пример
Common Emitter – см. Пример
Push Pull – см. Пример

Для простых усилителей лучше всего использовать транзистор.Если вам нужно более продвинутое усиление, вам действительно стоит подумать об использовании операционного усилителя. Таким образом вы сможете лучше контролировать полосу пропускания и уровень шума в цепи.

Если вы этого еще не знали, операционные усилители в основном состоят из транзисторов. В S pa rkfun есть отличная статья, в которой они познакомят вас с самыми основными схемами усиления, а в конечном итоге соберут все это вместе и покажут основы внутреннего устройства операционного усилителя.

Есть причина, по которой операционные усилители имеют много транзисторов. в них, чтобы контролировать все маленькие эффекты.Не бойтесь использовать операционный усилитель по назначению.

Операционный усилитель общего назначения будет стоить столько же, сколько один или два транзистора, так зачем создавать сложную схему усилителя из транзисторов, если можно просто взять операционный усилитель и получить гораздо лучший результат.

Транзисторный переключатель NPN

Часто у нас есть процессор или микроконтроллер с цифровым выводом, который может подавать только около 10–20 мА (проверьте свою таблицу). Следовательно, мы не можем напрямую управлять чем-либо с большим током.

Транзистор – отличный буфер, который мы можем использовать для усиления тока для управления вещами. Например, вентилятор, обогреватель или другое устройство со средним или большим током. BJT NPN является популярным выбором для таких ситуаций.

Пример конструкции

В следующей транзисторной схеме NPN мы используем NPN для управления большим током вентилятора, позволяя нам управлять вентилятором с помощью слаботочного цифрового вывода.

В этом примере мы используем BJT как переключатель NPN, поскольку два рабочих состояния либо включены, либо выключены.

На схеме видно, что распиновка NPN-транзистора такова, что база подключена к управляющему сигналу с помощью резистора, коллектор подключен к нижнему концу вентилятора, а эмиттер подключен к земле.

Выбор транзистора

Итак, как выбрать подходящий транзистор для работы? В этом случае мы рассмотрим несколько ключевых характеристик, и нам нужно снизить номинальные характеристики, выбрав для нашего транзистора значения 2x-3x.

Максимальный ток от коллектора к эмиттеру должен быть в 2–3 раза больше тока через вентилятор.Пример: если вентилятор потребляет 0,15 А, NPN должен иметь ток коллектора (Ic) max более 0,3 А
ВЧ должно быть достаточно высоким, чтобы по крайней мере быть током через вентилятор, деленным на ток с нашего цифрового вывода. Пример: если наш вентилятор потребляет 0,15 А, и мы можем подавать 0,01 А через наш цифровой вывод, тогда hfe должно быть больше 15 (0,15 / 0,01)
Максимальное напряжение пробоя коллектора NPN-эмиттер (Vce) должно быть 2x -3x наше напряжение питания для нашего вентилятора. Пример: если у нас есть вентилятор на 12 В, то нам потребуется максимальное напряжение 24 В или больше

Это основные моменты, на которые следует обращать внимание при выборе транзистора для этой схемы.Имейте в виду, что в разработку этой схемы было вложено гораздо больше, над чем кто-то давно работал.

Когда мы смотрим на доступные детали, мы обнаруживаем, что PN2222ABU отвечает всем нашим требованиям. Он имеет Ic = 1 ампер макс, Vce = 40 вольт макс и hfe = 50 мин при Ic = 0,15 ампер.

Чтобы получить дополнительную маржу, мы можем разделить hFE на 2, что станет 25. Это больше, чем наши требуемые 15, чего мы и хотим.

Значит, нам, вероятно, сойдет с рук 0.006 А базового тока для управления током коллектора 0,15 А (0,15 / 25). Мы планируем использовать базовый ток 0,01 А, что еще больше переведет нас в режим насыщения.

Что делать, если ваш вентилятор или нагрузка потребляют намного больше тока, чем в нашем примере? Возможно, вам понадобится более мощный NPN. TIP120 – это чудовище с минимальным hFE, равным 1000, на многих токах коллектора. Это также не намного дороже, чем наш предыдущий выбор.

Выбор резистора

Для пытливых умов, чтобы выбрать правильное значение резистора R1, нам нужно заглянуть в лист данных транзистора и увидеть максимальное напряжение между базой и эмиттером, Vbe.Для этого транзистора его 1,2 Вольт.

Затем, какой бы логический уровень мы ни использовали, мы можем рассчитать резистор. Например:

3,3 Вольт логики – 0,6 В Vbe = 2,7 В

Теперь мы берем:

2,7 В / 0,01 А Базовый ток = 270 Ом для R1

Это ограничивает ток с нашего цифрового вывода до 0,01 А макс. 0,6 Vbe, а ток составляет 0,008 ампер мин при 1,2 Vbe. Мы должны быть в насыщении NPN для обоих из них.

Выбор диода

Диод присутствует из-за индуктивной нагрузки вентилятора.Диод не нужен, если нагрузка представляет собой нагреватель, светодиод или другую резистивную нагрузку.

Типичным диодом для D1 в этой ситуации является 1N4001. Он имеет прямой ток 1 А и максимальное обратное смещение 50 В.

Транзистор hFE

При выборе правильного транзистора hFE:

В большинстве интернет-источников есть практическое правило рассматривать каждый транзистор как имеющий hfe равное 10. Это довольно глупо, так как частично лишается необходимости иметь много разных транзисторов. Выбери из.

Какой нормальный путь выбрать для определения того, имеет ли транзистор достаточно высокое hfe и какой базовый ток требуется, – это посмотреть в таблице данных.

Вы хотите найти кривые насыщения, сопоставить максимальный ток коллектора для вашей схемы и определить базовый ток, который переводит транзистор в режим полного насыщения. Кривая будет похожа на хоккейную клюшку.

Насыщение означает, что больший базовый ток не дает больше коллекторного тока на кривой.Пройдите немного дальше по кривой после того, как она выровнена ровно. Это золотая середина.

В некоторых таблицах данных нет этих кривых, поэтому вам придется полагаться на таблицу, которая сообщает вам hFE при определенных токах коллектора. Это типичный сценарий.

Попытайтесь сопоставить ток коллектора вашей схемы в таблице, а затем выберите минимальное значение hFE. В целях безопасности вы можете разделить hFE на 2, чтобы получить достаточно места для ошибки.

Многие люди здесь ошибаются и получают ток коллектора из таблицы, который не соответствует их схеме, поэтому hfe, которое они используют, неверно .

Затем соберите и протестируйте свою схему, чтобы убедиться, что она работает правильно. Попробуйте поменять местами несколько транзисторов с одинаковым номером детали, чтобы убедиться, что все они работают.Схема должна работать, а транзистор не должен нагреваться.

Если ваша схема требует, чтобы вы подавали ток через транзистор (вместо потребляемого тока для NPN), вы можете вместо этого сделать схему переключения транзистора PNP. Хотя это не так часто, как использование NPN в этой ситуации. .

Тестирование транзисторов

Время от времени вам может потребоваться убедиться, что часть транзистора работает правильно.

Оказывается, довольно легко проверить транзистор, если вы можете изолировать часть от цепи. Далее мы рассмотрим некоторые методы:

Как проверить транзистор

Есть два основных способа проверить транзистор, и мы рассмотрим их оба. Важно удалить транзистор из схемы.

Если он находится в цепи, эти тесты, вероятно, не будут работать эффективно

Ручной метод мультиметра

Большинство современных мультиметров имеют режим проверки диодов.Иногда это комбинируется с измерением сопротивления, или это может быть отдельный режим регулятора. Ниже приведен пример счетчика Craftsman. Обратите внимание на символы диодов, кнопку и режим ручки.

Чтобы проверить транзистор, нам нужно вынуть его из схемы. В противном случае тест может быть неточным.

Чтобы измерить наш транзистор, мы делаем эти 4 шага:

1. Мы переводим нашу ручку-селектор в режим измерения диодов. В зависимости от нашего измерителя нам может потребоваться дополнительно нажать кнопку режима вверху, чтобы перейти из звукового сигнала в режим диода.Визуальный дисплей должен сообщить нам, в каком режиме мы находимся.

2. Для NPN поместите красный датчик на вывод Base, а черный датчик на вывод Emitter. Обычно вы должны измерять от 0,4 до 1 В в зависимости от транзистора.

3. Для PNP поместите красный датчик на вывод эмиттера, а черный датчик на вывод основания. Обычно вы должны измерять от 0,4 до 1 В в зависимости от транзистора.

4. Как для NPN, так и для PNP поместите один датчик на коллектор, а другой датчик на излучатель.Здесь вы не должны получить достоверное прочтение. Поменяйте местами датчики, и снова вы не должны получить правильные показания.

Если транзистор проходит эти шаги, это хорошо. Если нет, то это плохо.

Автоматический метод мультиметра

В этом методе мы воспользуемся преимуществом тестера транзисторов, встроенного во многие мультиметры. Конечно, вам понадобится мультиметр, поддерживающий эту возможность.

Этот тест предназначен для деталей со сквозным отверстием. Если ваша деталь монтируется на поверхность, вам понадобится испытательные провода для подключения вашей детали к измерителю.

Если в вашем глюкометре есть эта функция, то где-нибудь на элементах управления вы найдете несколько отверстий с прорезями с метками для NPN и PNP. См. Пример ниже для счетчика мастера.

Этот тест состоит из трех этапов:

1. Сначала переместите ручку переключателя в раздел, обозначенный «hFE». Это переводит измеритель в транзисторный режим.

2. Затем обратите внимание на то, что отверстия помечены внизу для разных выводов NPN и PNP. Вам просто нужно совместить эти отверстия с выводами детали.Есть две строки, одна для NPN и одна для PNP.

3. Если транзистор установлен правильно, измерение hFE должно соответствовать техническим характеристикам нашей детали. Мы можем найти это в таблице данных транзистора.

Если измеренное значение hFE соответствует нашему ожидаемому hFE для нашей части, то транзистор в порядке. Если нет, то это плохо

Заключение

Вот и все, что вам нужно для вашего руководства по транзисторам. Надеюсь, это было полезно для вас.

Если у вас есть какие-либо вопросы или забавные истории о транзисторах, дайте мне знать об этом в комментариях ниже!

Классы усилителей – Electronics-Lab.com

Введение

Усилители

обычно классифицируются в зависимости от структуры выходного каскада. Действительно, усиление мощности действительно происходит во время этого этапа, и поэтому качество и эффективность выходного сигнала диктуется архитектурой выхода усилителя. Классификация состоит из алфавитного расположения A, B, AB и C, которое относится к историческому возникновению усилителей. В этой статье мы кратко расскажем о каждом классе усилителей.Каждый класс обозначает качество усиления в основном по двум критериям: эффективность и угол проводимости .

Классы усилителя Угол проводимости

КПД усилителя η определяется по следующей формуле:

уравнение 1: Определение КПД

P _out – мощность на выходе, подаваемая на нагрузку, тогда как P _abs – мощность, потребляемая усилителем.

Угол проводимости – это мера того, какая часть входного сигнала используется для усиления.Это значение находится в диапазоне от 360 ° или 2π рад до 0 ° или 0 рад . Верхний предел 360 ° означает, что 100% входного сигнала используется для процесса усиления, а нижний предел 0 ° означает, что сигнал не принимается. Мы уточним это далее.

Примечание о смещении

Есть причина, прежде чем описывать различные классы усилителей, мы кратко поговорим о смещении. Действительно, если действительно есть что вспомнить об этом руководстве, так это то, что класс усилителя полностью определяется смещением, приложенным к транзистору .

Диаграмма, представленная на рис. 1 , теперь должна быть знаком :

рис 1: Схема делителя напряжения

На рис. 1 BJT-транзистор с коэффициентом усиления по току β смещен цепью делителя напряжения, которая состоит из двух параллельных сопротивлений R ₁ и R ₂, подключенных к базовой ветви. Как мы объясняем в учебном пособии Смещение BJT, ток коллектора и напряжения при отсутствии сигнала переменного тока (I _C0, V _C0) задают рабочую точку или точку покоя усилителя.Точка покоя очень важна, потому что ее положение в выходной характеристике определяет значение угла проводимости и, следовательно, класс усилителя.

Набор значений (I _C0, V _C0) можно отрегулировать с помощью значений сопротивлений смещения и сопротивления эмиттера. Действительно, ток коллектора I _C0 определяется выражением:

уравнение 2: Ток коллектора смещения
Мы можем уточнить два параметра в Уравнение 2 : 0,7 В соответствует напряжению V _BE, которое является пороговым напряжением кремниевых транзисторов.Сопротивление R ₁ // R ₂ является параллельным эквивалентным сопротивлением цепи смещения и определяется соотношением (R ₁ × R ₂) / (R ₁ + R ₂) .
А напряжение коллектора В _С0 удовлетворяет:
уравнение 3: Напряжение смещения коллектора
Обратите внимание, что в дальнейшем в этом руководстве мы всегда будем рассматривать биполярные транзисторы, но все, что мы говорим, применимо также к другим типам транзисторов, таким как MOSFET. Более того, для упрощения мы используем усилитель с общим эмиттером в качестве исследуемой конфигурации, поэтому выходные сигналы, показанные на рисунках, будут инвертированы.
Усилитель класса A
Усилитель класса A характеризуется углом проводимости 360 ° . Для достижения этой функции точка покоя усилителя класса A выбирается в середине линии нагрузки, как показано на Рисунок 2 :
рис 2: Условия смещения класса A

Точка покоя удовлетворяет требованиям I _C0 = V _подача / 2R _C и V _C0 = V _подача/2 . Эти формулы вместе с уравнением 2 и уравнением 3 позволяют выбрать правильные значения сопротивлений смещения для получения усилителя класса А.

Потребляемая мощность усилителя класса A постоянна и равна P _abs = V _supply × I _C0 . Выходная мощность является произведением среднеквадратичного выходного тока и напряжения: P _{на выходе} = V _{на выходе, среднеквадратичное значение} × I _{на выходе, среднеквадратичное значение} . Максимальное значение P _out дается, когда выходной ток достигает верхнего предела I _C ₀ и выходное напряжение достигает источника питания V _supply: P _{out, max} = (V _supply × I _C0) / 2 .Таким образом, максимальная эффективность составляет:

. уравнение 4: Максимальный КПД усилителя класса A

В действительности КПД составляет от 20 до 30%, а 50% может быть достигнуто с помощью конфигурации с двумя транзисторами. Этот низкий КПД подчеркивает тот факт, что усилители класса A потребляют мощность даже при отсутствии входных сигналов переменного тока.

Усилитель класса B

Усилители

класса B были разработаны как ответ на низкий КПД усилителей класса A. Этот класс усилителей характеризуется углом проводимости 180 ° , то есть они используют только половину входного сигнала для реализации процесса усиления.Чтобы получить усиление класса B, необходимо смещать схему согласно Рисунок 3 :

рис. 3: Условия смещения класса B

Здесь рабочая точка находится в точке отсечки и удовлетворяет требованиям I _C0 = 0 и V _C0 = V _{питание} .

Совершенно очевидно, что точное усиление не может быть достигнуто с усилителем класса B. Для решения этой проблемы одним из наиболее распространенных решений является использование двух транзисторов (один NPN и один PNP) в так называемой «двухтактной» конфигурации:

рис. 4: Двухтактная конфигурация класса B

Транзистор NPN усиливает положительный сигнал на входе, а PNP усиливает отрицательный сигнал.Комбинация приводит к добавлению двух независимых усилителей, воспроизводящих форму входного сигнала.

Тем не менее, существует явление, называемое перекрестным искажением , которое не позволяет усилителям класса B даже в двухтактной конфигурации обеспечить 100% достоверное усиление. Причина заключается в пороговом напряжении транзисторов (+0,7 В для NPN и -0,7 В для PNP), которое создает интервал 1,4 В, когда никакое усиление не выполняется ни с NPN, ни с PNP-транзистора.Следствием этого является искажение сигнала около точки 0 В выходного сигнала, что хорошо известно аудиофилам.

Тем не менее, усилитель класса B имеет преимущество перед усилителем класса A в том, что он более эффективен с теоретической максимальной эффективностью η _max = 78,5% . Однако эффективность, наблюдаемая в реальных конфигурациях, не превышает 70%.

Усилитель класса AB

Как видно из названия, усилитель класса AB ведет себя как комбинация усилителей класса A и класса B.Он был разработан для того, чтобы преодолеть низкий КПД класса A и искажение класса B. Усилители класса AB характеризуются углом проводимости в интервале] 180 °; 360 ° [. Рабочая точка, задаваемая схемой смещения, расположена между точкой покоя класса A и точкой отсечки:

Рис. 5: Условия смещения класса AB

Рабочая точка усилителя класса AB удовлетворяет: 0 C0 питание / 2R _C и V _{питание}/2 C0 < В _{поставка} .

Когда рабочая точка приближается к точке отсечки, усилитель «становится» скорее классом B, чем классом A: сигнал становится более искаженным, но эффективность увеличивается. Напротив, когда рабочая точка приближается к точке покоя в середине линии нагрузки, усилитель ведет себя больше как класс A, чем как класс B: выходной сигнал воспроизводится более точно, но эффективность снижается.

Поскольку усилители класса AB предлагают хороший компромисс между преимуществами линейности класса A и хорошей эффективностью класса B, они сегодня широко используются во многих приложениях.Обычно они находятся в двухтактной конфигурации, такой как представлена на , рис. 4, , и они даже устраняют перекрестные искажения во время добавления двух усиленных выходов транзисторов NPN и PNP.

Усилитель класса C

Последним наиболее распространенным классом усилителей является класс C. Он характеризуется небольшим углом проводимости, который находится в диапазоне ] 0 °; 90 ° [. Рабочая точка класса C находится за точкой отсечки, совмещена с линией нагрузки, но в области отрицательных токов смещения:

рис 6: Условия смещения класса C
Фактически рабочая точка класса C удовлетворяет: I _C0 <0 и V _C0> V _{питание} (что имеет смысл из уравнения 3 , если I _C0 <0).
Высокие искажения, создаваемые усилителями класса C, могут быть обработаны параллельным резонансным контуром L // C, который состоит из индуктивности (L) и емкости (C). Эта схема действительно может преобразовывать выходные импульсы в полные синусоидальные волны. По этой причине усилители класса C используются в высокочастотных приложениях .
Самым большим преимуществом усилителя класса C является его КПД, который превышает 78,5% и может приближаться к 100% в зависимости от того, насколько далеко рабочая точка находится от точки отсечки.
Заключение
Во время введения в классы усилителей мы видели, что для данной конфигурации (MOSFET, Common Emitter…) схема смещения сильно влияет на поведение усилителя. По способу смещения усилителей можно выделить четыре основных класса:
Класс A: Рабочая точка находится в середине линии нагрузки. У него самая высокая линейность, но самый низкий КПД около 20-30%. Этот класс очень ценят аудиофилы, считающие, что он воспроизводит чистейший звук.
Класс B: Рабочая точка соответствует точке отсечения линии нагрузки. Он имеет хорошую эффективность около 70%, но создает кроссоверные искажения при использовании в двухтактной конфигурации.
Класс AB: Рабочая точка находится между серединой и точкой отсечки линии нагрузки. Он сочетает в себе преимущества классов A и B за счет разумного КПД выше 50% и хорошей линейности при использовании в двухтактной конфигурации. Таким образом, класс AB обычно используется в выходных каскадах многих приложений: усилители звука, функциональный генератор…
Класс C: Рабочая точка выше точки отсечки.Он имеет самый высокий КПД выше 80%, но самую низкую линейность. Усилители класса C могут использоваться только в высокочастотных приложениях.
Позже, после развития этих технологий, были разработаны другие классы усилителей для решения конкретных проблем, в основном для высокочастотных приложений. Мы можем упомянуть, например:
Класс D: Это нелинейные усилители и их эффективность очень высока (близка к 100%). Они широко известны как усилители ШИМ (широтно-импульсная модуляция).Усилители класса D используются в двухтактной конфигурации и дают в качестве выходного сигнала импульс, который можно легко фильтровать с помощью индуктивности и конденсатора для воспроизведения исходной желаемой формы.
Класс E: Они используются для усиления радиочастот от 3 МГц до 10 ГГц. Усилители класса E предлагают для верхнего предела частоты хороший КПД выше 70%.
В следующих уроках мы подробно расскажем о каждом из наиболее распространенных классов: A, B и AB.