Универсальный внешний накопитель для всех iOS-устройств, совместим с PC/Mac, Android
Header Banner
8 800 100 5771 | +7 495 540 4266
c 9:00 до 24:00 пн-пт | c 10:00 до 18:00 сб
0 Comments

Содержание

Схема усилителя звука на одном транзисторе своими руками

Усилитель звуковой частоты является важнейшим узлом многих электронных устройств. Это может быть воспроизведение музыкальных файлов, системы оповещения пожарной и охранной сигнализации или звуковые датчики различных игрушек. Бытовая техника оснащена встроенными низкочастотными каналами, но при домашнем конструировании электронных самоделок может потребоваться необходимость сделать это устройство самостоятельно.

Схема усилителя звука на транзисторах своими руками

Диапазон звуковых частот, которые воспринимаются человеческим ухом, находится в пределах 20 Гц-20 кГц, но устройство, выполненное на одном полупроводниковом приборе, из-за простоты схемы и минимального количества деталей обеспечивает более узкую полосу частот. В простых устройствах, для прослушивания музыки достаточно частотного диапазона 100 Гц-6 000 Гц. Этого хватит для воспроизведения музыки на миниатюрный динамик или наушник. Качество будет средним, но для мобильного устройства вполне приемлемым.

Схема простого усилителя звука на транзисторах может быть собрана на кремниевых или германиевых изделиях прямой или обратной проводимости (p-n-p, n-p-n). Кремниевые полупроводники менее критичны к напряжению питания и имеют меньшую зависимость характеристик от температуры перехода.

Схема усилителя звука на 1 транзисторе

Простейшая схема усилителя звука на одном транзисторе включает в себя следующие элементы:

  • Транзистор КТ 315 Б
  • Резистор R1 – 16 ком
  • Резистор R2 – 1,6 ком
  • Резистор R3 – 150 ом
  • Резистор R4 – 15 ом
  • Конденсатор С1 – 10,0 мкф
  • Конденсатор С2 – 500,0 мкф

Это устройство с фиксированным напряжением смещения базы, которое задаётся делителем R1-R2. В цепь коллектора включен резистор R3, который является нагрузкой каскада. Между контактом Х2 и плюсом источника питания можно подключить миниатюрный динамик или наушник, который должен иметь большое сопротивление. Низкоомную нагрузку на выход каскада подключать нельзя. Правильно собранная схема начинает работать сразу и не нуждается в настройке.

Схема усилителя звуковой частоты

Более качественный УНЧ можно собрать на двух приборах.

Схема усилителя на двух транзисторах включает в себя больше комплектующих элементов, но может работать с низким уровнем входного сигнала, так как первый элемент выполняет функцию предварительного каскада.

Переменный сигнал звуковой частоты подаётся на потенциометр R1, который играет роль регулятора громкости. Далее через разделительный конденсатор сигнал подаётся на базу элемента первой ступени, где усиливается до величины, обеспечивающей нормальную работу второй ступени. В цепь коллектора второго полупроводника включен источник звука, которым может быть малогабаритный наушник. Смещение на базах задают резисторы R2 и R4. Кроме КТ 315 в схеме усилителя звука на двух транзисторах можно использовать любые маломощные кремниевые полупроводники, но в зависимости от типа применяемых изделий может потребоваться подбор резисторов смещения.

Если использовать двухтактный выход можно добиться хорошего уровня громкости и неплохой частотной характеристики. Данная схема выполнена на трёх распространённых кремниевых приборах КТ 315, но в устройстве можно использовать и другие полупроводники. Большим плюсом схемы является то, что она может работать на низкоомную нагрузку. В качестве источника звука можно использовать миниатюрные динамики с сопротивлением от 4 до 8 ом.

Устройство можно использовать совместно с плеером, тюнером или другим бытовым прибором. Напряжение питания 9 В можно получить от батарейки типа «Крона». Если в выходном каскаде использовать КТ 815, то на нагрузке 4 ома можно получить мощность до 1 ватта. При этом напряжение питания нужно будет увеличить до 12 вольт, а выходные элементы смонтировать на небольших алюминиевых теплоотводах.

Схема простого усилителя звука на одном транзисторе

Получить хорошие электрические характеристики в усилителе, собранном на одном полупроводнике практически невозможно, поэтому качественные устройства собираются на нескольких полупроводниковых приборах. Такие конструкции дают на низкоомной нагрузке десятки и сотни ватт и предназначены для работы в Hi-Fi комплексах. При выборе устройства может возникнуть вопрос, на каких транзисторах можно сделать усилитель звука. Это могут быть любые кремниевые или германиевые полупроводники. Широкое распространение получили УНЧ, собранные на полевых полупроводниках. Для устройств малой мощности с низковольтным питанием можно применить кремниевые изделия КТ 312, КТ 315, КТ 361, КТ 342 или германиевые старых серий МП 39-МП 42.

Усилитель мощности своими руками на транзисторах можно выполнить на комплементарной паре КТ 818Б-КТ 819Б. Для такой конструкции потребуется предварительный блок, входной каскад и предоконечный блок. Предварительный узел включает в себя регулировку уровня сигнала и регулировку тембра по высоким и низким частотам или многополосный эквалайзер. Напряжение на выходе предварительного блока должно быть не менее 0,5 вольта. Входной узел блока мощности можно собрать на быстродействующем операционном усилителе. Для того чтобы раскачать оконечную часть потребуется предоконечный каскад, который собирается на комплементарной паре приборов средней мощности КТ 816-КТ 817. Конструкции мощных усилителей низкой частоты отличаются сложной схемотехникой и большим количеством комплектующих элементов. Для правильной регулировки и настройки такого блока потребуется не только тестер, но осциллограф, и генератор звуковой частоты.

Современная элементная база включает в себя мощные MOSFET приборы, позволяющие конструировать УНЧ высокого класса. Они обеспечивают воспроизведение сигналов в полосе частот от 20 Гц до 40 кГц с высокой линейностью, коэффициент нелинейных искажений менее 0,1% и выходную мощность от 50 W и выше. Данная конструкция проста в повторении и регулировке, но требует использования высококачественного двухполярного источника питания.


Простой усилитель на транзисторах сделать самому своими руками. Усилитель на одном транзисторе: схема

Усилитель на транзисторах, несмотря на свою уже долгую историю, остается излюбленным предметом исследования как начинающих, так и маститых радиолюбителей. И это понятно. Он является непременной составной частью самых массовых радиолюбительских устройств: радиоприемников и усилителей низкой (звуковой) частоты. Мы рассмотрим, как строятся простейшие усилители низкой частоты на транзисторах.

В любом теле- или радиоприемнике, в каждом музыкальном центре или усилителе звука можно найти транзисторные усилители звука (низкой частоты – НЧ). Разница между звуковыми транзисторными усилителями и другими видами заключается в их частотных характеристиках.

Звуковой усилитель на транзисторах имеет равномерную частотную характеристику в полосе частот от 15 Гц до 20 кГц. Это означает, что все входные сигналы с частотой внутри этого диапазона усилитель преобразует (усиливает) примерно одинаково. На рисунке ниже в координатах «коэффициент усиления усилителя Ку – частота входного сигнала» показана идеальная кривая частотной характеристики для звукового усилителя.

Вид частотной характеристики усилителя определяется электрорадиоэлементами (ЭРЭ) его схемы, и прежде всего самими транзисторами. Звуковой усилитель на транзисторах обычно собран на так называемых низко- и среднечастотных транзисторах с суммарной полосой пропускания входных сигналов от десятков и сотен Гц до 30 кГц.

Класс работы усилителя

Как известно, в зависимости от степени непрерывности протекания тока на протяжении его периода через транзисторный усилительный каскад (усилитель) различают следующие классы его работы: "А", "B", "AB", "C", "D".

В классе работы ток "А" через каскад протекает на протяжении 100 % периода входного сигнала. Работу каскада в этом классе иллюстрирует следующий рисунок.

В классе работы усилительного каскада "AB" ток через него протекает более чем 50 %, но менее чем 100 % периода входного сигнала (см. рисунок ниже).

В классе работы каскада "В" ток через него протекает ровно 50 % периода входного сигнала, как это иллюстрирует рисунок.

И наконец в классе работы каскада "C" ток через него протекает менее чем 50 % периода входного сигнала.

НЧ-усилитель на транзисторах: искажения в основных классах работы

В рабочей области транзисторный усилитель класса "А" обладает малым уровнем нелинейных искажений. Но если сигнал имеет импульсные выбросы по напряжению, приводящие к насыщению транзисторов, то вокруг каждой «штатной» гармоники выходного сигнала появляются высшие гармоники (вплоть до 11-й). Это вызывает феномен так называемого транзисторного, или металлического, звука.

Если НЧ-усилители мощности на транзисторах имеют нестабилизированное питание, то их выходные сигналы модулируются по амплитуде вблизи частоты сети. Это ведет к жёсткости звука на левом краю частотной характеристики. Различные же способы стабилизации напряжения делают конструкцию усилителя более сложной.

Типовой КПД однотактного усилителя класса А не превышает 20 % из-за постоянно открытого транзистора и непрерывного протекания постоянной составляющей тока. Можно выполнить усилитель класса А двухтактным, КПД несколько повысится, но полуволны сигнала станут более несимметричными. Перевод же каскада из класса работы "А" в класс работы "АВ" повышает вчетверо нелинейные искажения, хотя КПД его схемы при этом повышается.

В усилителях же классов "АВ" и "В" искажения нарастают по мере снижения уровня сигнала. Невольно хочется врубить такой усилитель погромче для полноты ощущений мощи и динамики музыки, но зачастую это мало помогает.

Промежуточные классы работы

У класса работы "А" имеется разновидность – класс "А+". При этом низковольтные входные транзисторы усилителя этого класса работают в классе "А", а высоковольтные выходные транзисторы усилителя при превышении их входными сигналами определенного уровня переходят в классы "В" или "АВ". Экономичность таких каскадов лучше, чем в чистом классе "А", а нелинейные искажения меньше (до 0,003 %). Однако звук у них также "металлический" из-за наличия высших гармоник в выходном сигнале.

У усилителей еще одного класса - "АА" степень нелинейных искажений еще ниже – около 0,0005 %, но высшие гармоники также присутствуют.

Возврат к транзисторному усилителю класса "А"?

Сегодня многие специалисты в области качественного звуковоспроизведения ратуют за возврат к ламповым усилителям, поскольку уровень нелинейных искажений и высших гармоник, вносимых ими в выходной сигнал, заведомо ниже, чем у транзисторов. Однако эти достоинства в немалой степени нивелируются необходимостью согласующего трансформатора между высокоомным ламповым выходным каскадом и низкоомными звуковыми колонками. Впрочем, с трансформаторным выходом может быть сделан и простой усилитель на транзисторах, что будет показано ниже.

Существует и точка зрения, что предельное качество звучания может обеспечить только гибридный лампово-транзисторный усилитель, все каскады которого являются однотактными, не охвачены отрицательными обратными связями и работают в классе "А". То есть такой повторитель мощности представляет собой усилитель на одном транзисторе. Схема его может иметь предельно достижимый КПД (в классе "А") не более 50 %. Но ни мощность, ни КПД усилителя не являются показателями качества звуковоспроизведения. При этом особое значение приобретают качество и линейность характеристик всех ЭРЭ в схеме.

Поскольку однотактные схемы получают такую перспективу, мы рассмотрим ниже их возможные варианты.

Однотактный усилитель на одном транзисторе

Схема его, выполненная с общим эмиттером и R-C-связями по входному и выходному сигналам для работы в классе "А", приведена на рисунке ниже.

На ней показан транзистор Q1 структуры n-p-n. Его коллектор через токоограничивающий резистор R3 присоединен к положительному выводу +Vcc, а эмиттер - к -Vcc. Усилитель на транзисторе структуры p-n-p будет иметь такую же схему, но выводы источника питания поменяются местами.

C1 – разделительный конденсатор, посредством которого источник переменного входного сигнала отделяется от источника постоянного напряжения Vcc. При этом С1 не препятствует прохождению переменного входного тока через переход "база - эмиттер транзистора Q1". Резисторы R1 и R2 совместно с сопротивлением перехода «Э - Б» образуют делитель напряжения Vcc для выбора рабочей точки транзистора Q1 в статическом режиме. Типичной для этой схемы является величина R2 = 1 кОм, а положение рабочей точки - Vcc/2. R3 является нагрузочным резистором коллекторной цепи и служит для создания на коллекторе переменного напряжения выходного сигнала.

Предположим, что Vcc = 20 В, R2 = 1 кОм, а коэффициент усиления по току h = 150. Напряжение на эмиттере выбираем Ve = 9 В, а падение напряжения на переходе «Э - Б» принимаем равным Vbe = 0,7 В. Эта величина соответствует так называемому кремниевому транзистору. Если бы мы рассматривали усилитель на германиевых транзисторах, то падение напряжения на открытом переходе «Э - Б» было бы равно Vbe = 0,3 В.

Ток эмиттера, примерно равный току коллектора

Ie = 9 B/1 кОм = 9 мА ≈ Ic.

Ток базы Ib = Ic/h = 9 мА/150 = 60 мкА.

Падение напряжения на резисторе R1

V(R1) = Vcc - Vb = Vcc – (Vbe + Ve) = 20 В – 9,7 В = 10,3 В,

R1 = V(R1)/Ib = 10,3 В/60 мкА = 172 кОм.

С2 нужен для создания цепи прохождения переменной составляющей тока эмиттера (фактически тока коллектора). Если бы его не было, то резистор R2 сильно ограничивал бы переменную составляющую, так что рассматриваемый усилитель на биполярном транзисторе имел бы низкий коэффициент усиления по току.

В наших расчетах мы принимали, что Ic = Ib h, где Ib – ток базы, втекающий в нее из эмиттера и возникающий при подаче на базу напряжения смещения. Однако через базу всегда (как при наличии смещения, так и без него) протекает еще и ток утечки из коллектора Icb0. Поэтому реальный ток коллектора равен Ic = Ib h + Icb0 h, т.е. ток утечки в схеме с ОЭ усиливается в 150 раз. Если бы мы рассматривали усилитель на германиевых транзисторах, то это обстоятельство нужно было бы учитывать при расчетах. Дело в том, что германиевые транзисторы имеют существенный Icb0 порядка нескольких мкА. У кремниевых же он на три порядка меньше (около нескольких нА), так что в расчетах им обычно пренебрегают.

Однотактный усилитель с МДП-транзистором

Как и любой усилитель на полевых транзисторах, рассматриваемая схема имеет свой аналог среди усилителей на биполярных транзисторах. Поэтому рассмотрим аналог предыдущей схемы с общим эмиттером. Она выполнена с общим истоком и R-C-связями по входному и выходному сигналам для работы в классе "А" и приведена на рисунке ниже.

Здесь C1 – такой же разделительный конденсатор, посредством которого источник переменного входного сигнала отделяется от источника постоянного напряжения Vdd. Как известно, любой усилитель на полевых транзисторах должен иметь потенциал затвора своих МДП-транзисторов ниже потенциалов их истоков. В данной схеме затвор заземлен резистором R1, имеющим, как правило, большое сопротивление (от 100 кОм до 1 Мом), чтобы он не шунтировал входной сигнал. Ток через R1 практически не проходит, поэтому потенциал затвора при отсутствии входного сигнала равен потенциалу земли. Потенциал же истока выше потенциала земли за счет падения напряжения на резисторе R2. Таким образом, потенциал затвора оказывается ниже потенциала истока, что и нужно для нормальной работы Q1. Конденсатор C2 и резистор R3 имеют такое же назначение, как и в предыдущей схеме. Поскольку эта схема с общим истоком, то входной и выходной сигналы сдвинуты по фазе на 180°.

Усилитель с трансформаторным выходом

Третий одноступенчатый простой усилитель на транзисторах, показанный на рисунке ниже, также выполнен по схеме с общим эмиттером для работы в классе "А", но с низкоомным динамиком он связан через согласующий трансформатор.

Первичная обмотка трансформатора T1 является нагрузкой коллекторной цепи транзистора Q1 и развивает выходной сигнал. T1 передает выходной сигнал на динамик и обеспечивает согласование выходного полного сопротивления транзистора с низким (порядка нескольких Ом) сопротивлением динамика.

Делитель напряжения коллекторного источника питания Vcc, собранный на резисторах R1 и R3, обеспечивает выбор рабочей точки транзистора Q1 (подачу напряжения смещения на его базу). Назначение остальных элементов усилителя такое же, как и в предыдущих схемах.

Двухтактный звуковой усилитель

Двухтактный НЧ-усилитель на двух транзисторах расщепляет входной сигнал звуковой частоты на две противофазные полуволны, каждая из которых усиливается своим собственным транзисторным каскадом. После выполнения такого усиления полуволны объединяются в целостный гармонический сигнал, который и передается на акустическую систему. Подобное преобразование НЧ-сигнала (расщепление и повторное слияние), естественно, вызывает в нем необратимые искажения, обусловленные различием частотных и динамических свойств двух транзисторов схемы. Эти искажения снижают качество звука на выходе усилителя.

Двухтактные усилители, работающие в классе "А", недостаточно хорошо воспроизводят сложные звуковые сигналы, так как в их плечах непрерывно протекает постоянный ток повышенной величины. Это приводит к несимметрии полуволн сигнала, фазовым искажениям и в конечном итоге к потере разборчивости звука. Нагреваясь, два мощных транзистора увеличивают вдвое искажения сигнала в области низких и инфранизких частот. Но все же основным достоинством двухтактной схемы является ее приемлемый КПД и повышенная выходная мощность.

Двухтактная схема усилителя мощности на транзисторах показана на рисунке.

Это усилитель для работы в классе "А", но может быть использован и класс "АВ", и даже "В".

Бестрансформаторный транзисторный усилитель мощности

Трансформаторы, несмотря на успехи в их миниатюризации, остаются все же самыми громоздкими, тяжелыми и дорогими ЭРЭ. Поэтому был найден путь устранения трансформатора из двухтактной схемы путем выполнения ее на двух мощных комплементарных транзисторах разных типов (n-p-n и p-n-p). Большинство современных усилителей мощности используют именно этот принцип и предназначены для работы в классе "В". Схема такого усилителя мощности показана на рисунке ниже.

Оба ее транзистора включены по схеме с общим коллектором (эмиттерного повторителя). Поэтому схема передает входное напряжение на выход без усиления. Если входного сигнала нет, то оба транзистора находятся на границе включенного состояния, но при этом они выключены.

Когда гармонический сигнал подан на вход, его положительная полуволна открывает TR1, но переводит p-n-p транзистор TR2 полностью в режим отсечки. Таким образом, только положительная полуволна усиленного тока протекает через нагрузку. Отрицательная полуволна входного сигнала открывает только TR2 и запирает TR1, так что в нагрузку подается отрицательная полуволна усиленного тока. В результате на нагрузке выделяется полный усиленный по мощности (за счет усиления по току) синусоидальный сигнал.

Усилитель на одном транзисторе

Для усвоения вышеизложенного соберем простой усилитель на транзисторах своими руками и разберемся, как он работает.

В качестве нагрузки маломощного транзистора Т типа BC107 включим наушники с сопротивлением 2-3 кОм, напряжение смещения на базу подадим с высокоомного резистора R* величиной 1 МОм, развязывающий электролитический конденсатор C емкостью от 10 мкФ до 100 мкФ включим в базовую цепь Т. Питать схему будем от батареи 4,5 В/0,3 А.

Если резистор R* не подключен, то нет ни тока базы Ib, ни тока коллектора Ic. Если резистор подключен, то напряжение на базе поднимается до 0,7 В и через нее протекает ток Ib = 4 мкА. Коэффициент усиления транзистора по току равен 250, что дает Ic = 250Ib = 1 мА.

Собрав простой усилитель на транзисторах своими руками, можем теперь его испытать. Подключите наушники и поставьте палец на точку 1 схемы. Вы услышите шум. Ваше тело воспринимает излучение питающей сети на частоте 50 Гц. Шум, услышанный вами из наушников, и является этим излучением, только усиленным транзистором. Поясним этот процесс подробнее. Напряжение переменного тока с частотой 50 Гц подключено к базе транзистора через конденсатор С. Напряжение на базе теперь равно сумме постоянного напряжения смещения (приблизительно 0,7 В), приходящего с резистора R*, и напряжения переменного тока "от пальца". В результате ток коллектора получает переменную составляющую с частотой 50 Гц. Этот переменный ток используется для сдвига мембраны динамиков вперед-назад с той же частотой, а это означает, что мы сможем услышать тон 50 Гц на выходе.

Слушать уровень шума 50 Гц не очень интересно, поэтому можно подключить к точкам 1 и 2 низкочастотные источника сигнала (CD-плеер или микрофон) и слышать усиленную речь или музыку.

Простой усилитель на транзисторах


Простейшие усилители низкой частоты на транзисторах

Усилители низкой частоты (УНЧ) используют для преобразования слабых сигналов преимущественно звукового диапазона в более мощные сигналы, приемлемые для непосредственного восприятия через электродинамические или иные излучатели звука.

Заметим, что высокочастотные усилители до частот 10... 100 МГц строят по аналогичным схемам, все отличие чаще всего сводится к тому, что значения емкостей конденсаторов таких усилителей уменьшаются во столько раз, во сколько частота высокочастотного сигнала превосходит частоту низкочастотного.

Простой усилитель на одном транзисторе

Простейший УНЧ, выполненный по схеме с общим эмиттером, показан на рис. 1. В качестве нагрузки использован телефонный капсюль. Допустимое напряжение питания для этого усилителя 3...12 В.

Величину резистора смещения R1 (десятки кОм) желательно определить экспериментально, поскольку его оптимальная величина зависит от напряжения питания усилителя, сопротивления телефонного капсюля, коэффициента передачи конкретного экземпляра транзистора.

Рис. 1. Схема простого УНЧ на одном транзисторе + конденсатор и резистор.

Для выбора начального значения резистора R1 следует учесть, что его величина примерно в сто и более раз должна превышать сопротивление, включенное в цепь нагрузки. Для подбора резистора смещения рекомендуется последовательно включить постоянный резистор сопротивлением 20...30 кОм и переменный сопротивлением 100... 1000 кОм, после чего, подав на вход усилителя звуковой сигнал небольшой амплитуды, например, от магнитофона или плеера, вращением ручки переменного резистора добиться наилучшего качества сигнала при наибольшей его громкости.

Величина емкости переходного конденсатора С1 (рис. 1) может находиться в пределах от 1 до 100 мкФ: чем больше величина этой емкости, тем более низкие частоты может усиливать УНЧ. Для освоения техники усиления низких частот рекомендуется поэкспериментировать с подбором номиналов элементов и режимов работы усилителей (рис. 1 - 4).

Улучшениые варианты однотранзисторного усилителя

Усложненные и улучшенные по сравнению со схемой на рис. 1 схемы усилителей приведены на рис. 2 и 3. В схеме на рис. 2 каскад усиления дополнительно содержит цепочку частотнозависимой отрицательной обратной связи (резистор R2 и конденсатор С2), улучшающей качество сигнала.

Рис. 2. Схема однотранзисторного УНЧ с цепочкой частотнозависимой отрицательной обратной связи.

Рис. 3. Однотранзисторный усилитель с делителем для подачи напряжения смещения на базу транзистора.

Рис. 4. Однотранзисторный усилитель с автоматической установкой смещения для базы транзистора.

В схеме на рис. 3 смещение на базу транзистора задано более «жестко» с помощью делителя, что улучшает качество работы усилителя при изменении условий его эксплуатации. «Автоматическая» установка смещения на базе усилительного транзистора применена в схеме на рис. 4.

Двухкаскадный усилитель на транзисторах

Соединив последовательно два простейших каскада усиления (рис. 1), можно получить двухкаскадный УНЧ (рис. 5). Усиление такого усилителя равно произведению коэффициентов усиления отдельно взятых каскадов. Однако получить большое устойчивое усиление при последующем наращивании числа каскадов нелегко: усилитель скорее всего самовозбудится.

Рис. 5. Схема простого двухкаскадного усилителя НЧ.

Новые разработки усилителей НЧ, схемы которых часто приводят на страницах журналов последних лет, преследуют цель достижения минимального коэффициента нелинейных искажений, повышения выходной мощности, расширения полосы усиливаемых частот и т.д.

В то же время, при наладке различных устройств и проведении экспериментов зачастую необходим несложный УНЧ, собрать который можно за несколько минут. Такой усилитель должен содержать минимальное число дефицитных элементов и работать в широком интервале изменения напряжения питания и сопротивления нагрузки.

Схема УНЧ на полевом и кремниевом транзисторах

Схема простого усилителя мощности НЧ с непосредственной связью между каскадами приведена на рис. 6 [Рл 3/00-14]. Входное сопротивление усилителя определяется номиналом потенциометра R1 и может изменяться от сотен Ом до десятков МОм. На выход усилителя можно подключать нагрузку сопротивлением от 2...4 до 64 Ом и выше.

При высокоомной нагрузке в качестве VT2 можно использовать транзистор КТ315. Усилитель работоспособен в диапазоне питающих напряжений от 3 до 15 В, хотя приемлемая работоспособность его сохраняется и при снижении напряжения питания вплоть до 0,6 В.

Емкость конденсатора С1 может быть выбрана в пределах от 1 до 100 мкФ. В последнем случае (С1 =100 мкФ) УНЧ может работать в полосе частот от 50 Гц до 200 кГц и выше.

Рис. 6. Схема простого усилителя низкой частоты на двух транзисторах.

Амплитуда входного сигнала УНЧ не должна превышать 0,5...0,7 В. Выходная мощность усилителя может изменяться от десятков мВт до единиц Вт в зависимости от сопротивления нагрузки и величины питающего напряжения.

Настройка усилителя заключается в подборе резисторов R2 и R3. С их помощью устанавливают напряжение на стоке транзистора VT1, равное 50...60% от напряжения источника питания. Транзистор VT2 должен быть установлен на теплоотводя-щей пластине (радиаторе).

Трекаскадный УНЧ с непосредственной связью

На рис. 7 показана схема другого внешне простого УНЧ с непосредственными связями между каскадами. Такого рода связь улучшает частотные характеристики усилителя в области нижних частот, схема в целом упрощается.

Рис. 7. Принципиальная схема трехкаскадного УНЧ с непосредственной связью между каскадами.

В то же время настройка усилителя осложняется тем, что каждое сопротивление усилителя приходится подбирать в индивидуальном порядке. Ориентировочно соотношение резисторов R2 и R3, R3 и R4, R4 и R BF должно быть в пределах (30. ..50) к 1. Резистор R1 должен быть 0,1...2 кОм. Расчет усилителя, приведенного на рис. 7, можно найти в литературе, например, [Р 9/70-60].

Схемы каскадных УНЧ на биполярных транзисторах

На рис. 8 и 9 показаны схемы каскодных УНЧ на биполярных транзисторах. Такие усилители имеют довольно высокий коэффициент усиления Ку. Усилитель на рис. 8 имеет Ку=5 в полосе частот от 30 Гц до 120 кГц [МК 2/86-15]. УНЧ по схеме на рис. 9 при коэффициенте гармоник менее 1% имеет коэффициент усиления 100 [РЛ 3/99-10].

Рис. 8. Каскадный УНЧ на двух транзисторах с коэффициентом усиления = 5.

Рис. 9. Каскадный УНЧ на двух транзисторах с коэффициентом усиления = 100.

Экономичный УНЧ на трех транзисторах

Для портативной радиоэлектронной аппаратуры важным параметром является экономичность УНЧ. Схема такого УНЧ представлена на рис. 10 [РЛ 3/00-14]. Здесь использовано каскадное включение полевого транзистора VT1 и биполярного транзистора VT3, причем транзистор VT2 включен таким образом, что стабилизирует рабочую точку VT1 и VT3.

При увеличении входного напряжения этот транзистор шунтирует переход эмиттер — база VT3 и уменьшает значение тока, протекающего через транзисторы VT1 и VT3.

Рис. 10. Схема простого экономичного усилителя НЧ на трех транзисторах.

Как и в приведенной выше схеме (см. рис. 6), входное сопротивление этого УНЧ можно задавать в пределах от десятков Ом до десятков МОм. В качестве нагрузки использован телефонный капсюль, например, ТК-67 или ТМ-2В. Телефонный капсюль, подключаемый при помощи штекера, может одновременно служить выключателем питания схемы.

Напряжение питания УНЧ составляет от 1,5 до 15 В, хотя работоспособность устройства сохраняется и при снижении питающего напряжения до 0,6 В. В диапазоне напряжения питания 2... 15 В потребляемый усилителем ток описывается выражением:

1(мкА) = 52 + 13*(Uпит)*(Uпит),

где Uпит - напряжение питания в Вольтах (В).

Если отключить транзистор VT2, потребляемый устройством ток увеличивается на порядок.

Двухкаскадные УНЧ с непосредственной связью между каскадами

Примерами УНЧ с непосредственными связями и минимальным подбором режима работы являются схемы, приведенные на рис. 11 - 14. Они имеют высокий коэффициент усиления и хорошую стабильность.

Рис. 11. Простой двухкаскадный УНЧ для микрофона (низкий уровень шумов, высокий КУ).

Рис. 12. Двухкаскадный усилитель низкой частоты на транзисторах КТ315.

Рис. 13. Двухкаскадный усилитель низкой частоты на транзисторах КТ315 - вариант 2.

Микрофонный усилитель (рис. 11) характеризуется низким уровнем собственных шумов и высоким коэффициентом усиления [МК 5/83-XIV]. В качестве микрофона ВМ1 использован микрофон электродинамического типа.

В роли микрофона может выступать и телефонный капсюль. Стабилизация рабочей точки (начального смещения на базе входного транзистора) усилителей на рис. 11 - 13 осуществляется за счет падения напряжения на эмиттерном сопротивлении второго каскада усиления.

Рис. 14. Двухкаскадный УНЧ с полевым транзистором.

Усилитель (рис. 14), имеющий высокое входное сопротивление (порядка 1 МОм), выполнен на полевом транзисторе VT1 (истоковый повторитель) и биполярном — VT2 (с общим).

Каскадный усилитель низкой частоты на полевых транзисторах, также имеющий высокое входное сопротивление, показан на рис. 15.

Рис. 15. схема простого двухкаскадного УНЧ на двух полевых транзисторах.

Схемы УНЧ для работы с низкоОмной нагрузкой

Типовые УНЧ, предназначенные для работы на низкоомную нагрузку и имеющие выходную мощность десятки мВт и выше, изображены на рис. 16, 17.

Рис. 16. Простой УНЧ для работы с включением нагрузки с низким сопротивлением.

Электродинамическая головка ВА1 может быть подключена к выходу усилителя, как показано на рис. 16, либо в диагональ моста (рис. 17). Если источник питания выполнен из двух последовательно соединенных батарей (аккумуляторов), правый по схеме вывод головки ВА1 может быть подключен к их средней точки напрямую, без конденсаторов СЗ, С4.

Рис. 17. Схема усилителя низкой частоты с включением низкоомной нагрузки в диагональ моста.

Если вам нужна схема простого лампового УНЧ то такой усилитель можно собрать даже на одной лампе, смотрите у нас на сайте по электронике в соответствующем разделе.

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год.

Исправления в публикации: на рис. 16 и 17 вместо диода Д9 установлена цепочка из диодов.

Усилитель звука на транзисторах #1 ⋆ diodov.net

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

Усилитель мощности на транзисторах. Базовые положения

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

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

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

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

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

Устройство транзистора

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

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

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

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

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

Как работает биполярный транзистор (БТ)

Принцип работы БТ упрощенно рассмотрим на примере ниже приведенной схемы.

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

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

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

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

Коэффициент усиления транзистора

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

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

Усилитель звука на транзисторах

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

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

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

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

Базовая схема входного каскада УМЗЧ

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

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

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

Простейший усилитель звука на одном транзисторе за 15 минут

Привет, Самоделкины! Если у Вас есть динамик и источник звука, но нечем его усилить - то в этой статье мы расскажем Вам, как собрать усилитель из хлама =)Для этого нам потребуются следующие компоненты и инструменты:1. n-p-n кремниевый транзистор КТ805 или его аналоги. (этот самый мощный в серии)2. Электролитический конденсатор емкостью 100мкФ и напряжением более 16 вольт3. переменный резистор около 5кОм4. монтажная плата (необязательно - можно сделать навесным монтажем)5. радиатор6. провода7. разъем мини джек 8. блок питания 5-12 В постоянного тока9. паяльник, канифоль, припой .(вот такой подобран хлам)Первым делом устанавливаем компоненты на монтажную плату.К базе КТ805 припаиваем центральный вывод переменного резистора и отрицательный вывод конденсатора.Второй вывод переменного резистора - это + питания и + динамика припаиваем на платуКоллектор транзистора (центральный контакт) будет минус динамика.К эмиттеру подключаем минус питания и отрицательный провод входного сигнала. Положительным проводом является + конденсатора.Для тестов остается припаять 3 пары проводов Вход Выход и Питание (на фото слева направо). Транзистор устанавливаем на радиатор.Приступаем к тестам и настройке. Собираем и подключаем все компоненты на столе, строго соблюдая полярность! Желательно и схему проверить на наличие коротких замыканий. Нашим подстроечным резистором подбираем правильный режим работы. Короче говоря согласуем работу транзистора с сопротивлением динамика.Ура! Настройка прошла успешно! Окультуриваем и устанавливаем все в корпус.

Всем удачи и хороших идей!

Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.

7.9

Идея

6.9

Описание

6.4

Исполнение

Итоговая оценка: 7.07 из 10 (голосов: 19 / История оценок)

Facebook

ВКонтакте

Twitter

ОК

48

Схема усилителя звука на одном транзисторе

Содержание

Усилитель звуковой частоты является важнейшим узлом многих электронных устройств. Это может быть воспроизведение музыкальных файлов, системы оповещения пожарной и охранной сигнализации или звуковые датчики различных игрушек. Бытовая техника оснащена встроенными низкочастотными каналами, но при домашнем конструировании электронных самоделок может потребоваться необходимость сделать это устройство самостоятельно.

Диапазон звуковых частот, которые воспринимаются человеческим ухом, находится в пределах 20 Гц-20 кГц, но устройство, выполненное на одном полупроводниковом приборе, из-за простоты схемы и минимального количества деталей обеспечивает более узкую полосу частот. В простых устройствах, для прослушивания музыки достаточно частотного диапазона 100 Гц-6 000 Гц. Этого хватит для воспроизведения музыки на миниатюрный динамик или наушник. Качество будет средним, но для мобильного устройства вполне приемлемым.

Схема простого усилителя звука на транзисторах может быть собрана на кремниевых или германиевых изделиях прямой или обратной проводимости (p-n-p, n-p-n). Кремниевые полупроводники менее критичны к напряжению питания и имеют меньшую зависимость характеристик от температуры перехода.

Схема усилителя звука на 1 транзисторе

Простейшая схема усилителя звука на одном транзисторе включает в себя следующие элементы:

  • Транзистор КТ 315 Б
  • Резистор R1 – 16 ком
  • Резистор R2 – 1,6 ком
  • Резистор R3 – 150 ом
  • Резистор R4 – 15 ом
  • Конденсатор С1 – 10,0 мкф
  • Конденсатор С2 – 500,0 мкф

Это устройство с фиксированным напряжением смещения базы, которое задаётся делителем R1-R2. В цепь коллектора включен резистор R3, который является нагрузкой каскада. Между контактом Х2 и плюсом источника питания можно подключить миниатюрный динамик или наушник, который должен иметь большое сопротивление. Низкоомную нагрузку на выход каскада подключать нельзя. Правильно собранная схема начинает работать сразу и не нуждается в настройке.

Схема усилителя звуковой частоты

Более качественный УНЧ можно собрать на двух приборах.

Схема усилителя на двух транзисторах включает в себя больше комплектующих элементов, но может работать с низким уровнем входного сигнала, так как первый элемент выполняет функцию предварительного каскада.

Переменный сигнал звуковой частоты подаётся на потенциометр R1, который играет роль регулятора громкости. Далее через разделительный конденсатор сигнал подаётся на базу элемента первой ступени, где усиливается до величины, обеспечивающей нормальную работу второй ступени. В цепь коллектора второго полупроводника включен источник звука, которым может быть малогабаритный наушник. Смещение на базах задают резисторы R2 и R4. Кроме КТ 315 в схеме усилителя звука на двух транзисторах можно использовать любые маломощные кремниевые полупроводники, но в зависимости от типа применяемых изделий может потребоваться подбор резисторов смещения.

Если использовать двухтактный выход можно добиться хорошего уровня громкости и неплохой частотной характеристики. Данная схема выполнена на трёх распространённых кремниевых приборах КТ 315, но в устройстве можно использовать и другие полупроводники. Большим плюсом схемы является то, что она может работать на низкоомную нагрузку. В качестве источника звука можно использовать миниатюрные динамики с сопротивлением от 4 до 8 ом.

Устройство можно использовать совместно с плеером, тюнером или другим бытовым прибором. Напряжение питания 9 В можно получить от батарейки типа «Крона». Если в выходном каскаде использовать КТ 815, то на нагрузке 4 ома можно получить мощность до 1 ватта. При этом напряжение питания нужно будет увеличить до 12 вольт, а выходные элементы смонтировать на небольших алюминиевых теплоотводах.

Схема простого усилителя звука на одном транзисторе

Получить хорошие электрические характеристики в усилителе, собранном на одном полупроводнике практически невозможно, поэтому качественные устройства собираются на нескольких полупроводниковых приборах. Такие конструкции дают на низкоомной нагрузке десятки и сотни ватт и предназначены для работы в Hi-Fi комплексах. При выборе устройства может возникнуть вопрос, на каких транзисторах можно сделать усилитель звука. Это могут быть любые кремниевые или германиевые полупроводники. Широкое распространение получили УНЧ, собранные на полевых полупроводниках. Для устройств малой мощности с низковольтным питанием можно применить кремниевые изделия КТ 312, КТ 315, КТ 361, КТ 342 или германиевые старых серий МП 39-МП 42.

Усилитель мощности своими руками на транзисторах можно выполнить на комплементарной паре КТ 818Б-КТ 819Б. Для такой конструкции потребуется предварительный блок, входной каскад и предоконечный блок. Предварительный узел включает в себя регулировку уровня сигнала и регулировку тембра по высоким и низким частотам или многополосный эквалайзер. Напряжение на выходе предварительного блока должно быть не менее 0,5 вольта. Входной узел блока мощности можно собрать на быстродействующем операционном усилителе. Для того чтобы раскачать оконечную часть потребуется предоконечный каскад, который собирается на комплементарной паре приборов средней мощности КТ 816-КТ 817. Конструкции мощных усилителей низкой частоты отличаются сложной схемотехникой и большим количеством комплектующих элементов. Для правильной регулировки и настройки такого блока потребуется не только тестер, но осциллограф, и генератор звуковой частоты.

Современная элементная база включает в себя мощные MOSFET приборы, позволяющие конструировать УНЧ высокого класса. Они обеспечивают воспроизведение сигналов в полосе частот от 20 Гц до 40 кГц с высокой линейностью, коэффициент нелинейных искажений менее 0,1% и выходную мощность от 50 W и выше. Данная конструкция проста в повторении и регулировке, но требует использования высококачественного двухполярного источника питания.



Нужна консультация специалиста?

Оставьте заявку и мы перезвоним Вам в течение 48 часов!

Имяменеджер, эксперт

высшее проф. обр.



Восемь схем на одном транзисторе

Познакомиться с работой различных электронных устройств лучше всего на примере простых транзисторных схем. В этой статье приводится описание восьми самоделок, выполненных всего на одном транзисторе.

С помощью пробника-индикатора (рис. 1) проверяют надежность соединений и целостность проводников в различных электрических цепях. Как работает такой прибор? Когда электрический контакт между щупами XI отсутствует, транзистор VT1 закрыт и тока в цепи лампочки HL1 нет. Но стоит только замкнуть контакт, как на базу транзистора поступит отрицательное напряжение, он откроется и лампочка загорится, сигнализируя о том, что проверяемая электрическая цепь не нарушена. А для чего нужен резистор R1 в цепи базы VT1? Представим себе на время, что резистор R1 отсутствует и база транзистора непосредственно соединена с одним из щупов XI. Тогда при замыкании щупов на базе окажется полное напряжение источника питания. Большая часть тока в этом случае потечет через переход «база-эмиттер», так как его сопротивление намного меньше, чем сопротивление перехода «коллектор-эмиттер», в цепь которого включена лампочка HL1, поэтому она не загорится. При включении резистора R1 на 33 Ом ток между базой и эмиттером уменьшается, транзистор открывается и лампа загорается. Таким пробником можно «прозванивать» электрические цепи с сопротивлением до 150 Ом.

Очередной прибор — сторожевое устройство, его схема приведена на рисунке 2. Проводник, включенный между клеммами ХТ1, протягивают вокруг охраняемого объекта, а к контактным пластинам К1.1 реле К1 подключают сигнализирующее устройство. При включении источника питания GB1 транзистор VT1 закрыт положительным напряжением на базе. При обрыве проводника, подключенного к клеммам ХТ1, на базу VT1 с резистора R1 поступает отрицательное напряжение, которое открывает транзистор. В цепи «коллектор-эмиттер» возникает электрический ток, приводящий к срабатыванию реле К1 и замыканию контакта K1.1 включающего сигнальное устройство.

Переменным резистором R1 устанавливают ток срабатывания реле К1. Для этого проводник отсоединяют от клемм ХТ1 и, вращая движок R1, добиваются четкого срабатывания реле.

Простейший усилитель низкой частоты (его можно использовать для прослушивания грамзаписей или применить в переговорном устройстве) представлен на следующей схеме (рис. 3). Разъем ХР1 служит для подключения усилителя к выходным гнездам проигрывателя или микрофона. В исходном состоянии на базу транзистора VT1 через резистор R1 подано начальное напряжение смещения, в результате чего сопротивление перехода «коллектор-эмиттер» в этом случае несколько меньше, чем в закрытом состоянии транзистора. Когда с источника электрических сигналов отрицательное напряжение поступает на конденсатор С1, а с него на базу VT1, транзистор полностью открывается и через головные телефоны BF1 течет ток. При изменении полярности входного сигнала положительное напряжение также поступает на базу VT1, но теперь транзистор закрывается, и ток в телефонах BF1 отсутствует. Таким образом, чередование отрицательного и положительного напряжений (а именно так ведет себя электрический сигнал, поступающий с проигрывателя или микрофона) на входе усилителя приводит к изменению напряжения на телефонах, которое приводит к колебанию мембраны, а, следовательно, к преобразованию электрических сигналов в звуковые. Оксидный конденсатор С1 предотвращает попадание прямого тока на вход усилителя через электрические цепи источника сигналов.

Проверить работоспособность любого усилителя звуковой частоты, в том числе и описанного выше, Можно с помощью генератора-пробника (рис. 4). При включении источника питания GB1 напряжение на коллекторе транзистора VT1 скачкообразно изменится от 0 до некоторого значения, определяемого сопротивлениями резисторов R3 и R4, создающих начальное напряжение смещения на базе транзистора. При этом импульс тока, возникший в цепи коллектора VT1, поступает не только на выход генератора, но и на цепочку C1R1, C2R2, C3R4. В результате происходит процесс последовательной зарядки конденсаторов, длительность его зависит от значений емкостей и сопротивлений элементов цепочки. После того как зарядится конденсатор СЗ, на базе транзистора окажется положительное напряжение, поступившее с обкладки СЗ, Это приводит к увеличению напряжения на коллекторе. Теперь происходит обратный процесс разрядки конденсаторов через резисторы, а, следовательно, и уменьшение положительного напряжения на коллекторе. Поскольку конденсатор С1 соединен с коллектором VT1, то за счет существующей обратной связи (то есть связи, при которой напряжение на коллекторе VT1 влияет на заряд конденсаторов, а заряд конденсаторов, в свою очередь, оказывает влияние на напряжение коллектора VT1) процесс зарядки и разрядки конденсаторов становится бесконечным во времени, и происходит самовозбуждение генератора. Таким образом, с конденсатора С4 на вход проверяемого устройства будет поступать сигнал звуковой частоты.

Низкочастотный генератор можно собрать, используя частотозадающую цепочку RC, состоящую всего из одного резистора и одного конденсатора. Схема такого генератора для квартирного звонка представлена на рисунке 5. В устройстве применен выходной трансформатор Т1 с отводом от середины первичной обмотки. Он подключен к отрицательному полюсу источника питания GB1. При замыкании кнопки SB1 начинает заряжаться конденсатор С1, и через верхнюю по схеме половину первичной обмотки Т1 течет ток, Когда конденсатор зарядится полностью, транзистор VT1 откроется и начнется обратный процесс — С1 разряжается через первичную обмотку трансформатора и коллекторно-эмиттерный переход VT1. Затем транзистор закроется положительным напряжением, поступающим с резистора R1 на базу, и конденсатор вновь начнет заряжаться. Таким образом, ток в первичной обмотке все время будет менять свое направление с частотой, определяемой емкостью С1 и сопротивлением R1. Звуковой сигнал поступает с вторичной обмотки Т1 на динамическую головку ВА1, тональность ее звучания изменяют переменным резистором R1. В случае необходимости звонок можно отключить тумблером SA1, тогда даже при нажатой кнопке SB1 генератор работать не будет.

Следующая схема (рис. 6) во многом схожа с предыдущей. Она представляет собой электронный метроном — прибор для развития чувства ритма у музыкантов. В этом устройстве конденсатор С1 имеет значительно большую емкость, чем у предыдущего. Причем процесс зарядки конденсатора длится достаточно долго, а разряжается он почти мгновенно. В результате в динамической головке ВА1 раздаются характерные щелчки, период следования которых зависит от сопротивления резистора R1.

Низкочастотные генераторы составляют основу всех клавишных электромузыкальных инструментов. Простейший одноголосый ЭМИ можно собрать по схеме, показанной на рисунке 7. Устройство представляет собой низкочастотный генератор с набором частотозадающих резисторов R1 — RN и клавиатурой S1 — SN. Число резисторов и клавиш выбирается произвольно, в зависимости от того, в каком диапазоне частот будет работать ЭМИ. Тембр звучания инструмента можно изменить подбором емкости конденсатора С2. Отличие этого устройства от двух предыдущих в том, что на базу транзистора VT1 подается отрицательное напряжение смещения.

И наконец, последняя схема — радиоприемник с однокаскадным усилителем звуковой частоты (рис. 8). В основе его уже хорошо знакомый низкочастотный усилитель; к его входу через диод VD1 подключена катушка связи L2 колебательного контура L1C1. Обе катушки намотаны на отрезке ферритового стержня. Настройка на различные радиостанции производится вращением движка конденсатора переменной емкости С1. Диод VD1 служит для детектирования высокочастотных колебаний. Для улучшения радиоприема к колебательному контуру подключают выносную антенну WA1 и заземление. С помощью конденсатора СЗ подбирают тембр звучания приемника.

Во всех устройствах можно применить постоянные резисторы ВС, МЛТ или ОМЛТ мощностью 0,125 Вт, переменные резисторы и конденсаторы — любых типов, важно только, чтобы оксидные конденсаторы были рассчитаны на напряжения не ниже указанных на схемах. Вместо реле РЭС47 можно применить любое другое, рассчитанное на постоянное напряжение 5…9 В и ток срабатывания не более 30 мА. Телефоны ТА-56м допустимо заменить на ТОН-1 или ТА-4, транзисторы МП26 — на МШЗ — МП16, МП20, МП21, МП25, МП39 — МП42 с любым буквенным индексом. Диод VD1 — серий Д2, Д9 или Д18. Динамическая головка ВА1 — любого типа мощностью 0,1…0,5 Вт; лампа HL1 — МН6,3 на ток 0,1…0,3 A; Т1 — любой малогабаритный выходной трансформатор с отводом от середины первичной обмотки — от транзисторного радиоприемника. Катушки L1 и L2 размещены на круглом ферритовом стержне марки 400 НН или 600 НH: L1 содержит 180 витков провода ПЭЛ или ПЭВ 0,1, намотанного внавал на бумажном каркасе с шестью секциями по 30 витков в каждой, L2 на отдельном бумажном каркасе содержит 25…30 витков того же провода Ø 0,2 мм. Катушки располагают относительно друг друга так, чтобы громкость приема была максимальной. Источник питания — батарея «Крона» или две последовательно соединенные батареи 3336Л. Антенной может служить провод длиной 1,5…2 м, заземлением — труба теплоснабжения или водопровода.

Все устройства, описанные в статье, не нуждаются в налаживании и при правильном монтаже и исправных деталях начинают работать сразу после включения.

Усилитель напряжения на биполярном транзисторе

Рис. 1. Использование транзистора в усилителе напряжения: (а) простейшая схема, (б) схема со смешением.

Сигналами в электронных схемах обычно являются постоянные или переменные напряжения. Такие устройства, как например микрофон, создают переменное напряжение, которое должно быть усилено прежде, чем им можно будет воспользоваться. Некоторые источники сигналов, такие как фототранзистор и некоторые детекторы, могут быть источниками тока, который, как правило, еще до усиления преобразуется в напряжение.

Поэтому наиболее важны усилители напряжения и, несмотря на то, что биполярный транзистор работает как устройство, усиливающее ток, основное применение он находит в усилителях напряжения. Рассмотрим основные принципы работы усилителя напряжения на биполярном транзисторе.

Резистор нагрузки

На рис. 1.(a) показан очень простой усилитель напряжения; выходное напряжение Vout возникает на выходе в результате протекания коллекторного тока по резистору нагрузки RL. Этот пример иллюстрирует одно из наиболее важных применений резисторов в электронных цепях: преобразование тока в напряжение. Входное напряжение Vin, приложенное к переходу база-эмиттер, приводит к увеличению тока базы, зависящего от сопротивления перехода база-эмиттер. Ток базы вызывает намного больший ток коллектора Ic, создающий падение напряжения IcRL на резисторе RL. Эта разность потенциалов пропорциональна Vin, но намного больше по величине.

Важной деталью таких схем является земляная шина, называемая также землей, "нулем вольт" (0 В) или общей шиной и обозначаемая символом, показанным на рисунке. Земляная шина является общей для входного сигнала, выходного сигнала и источника постоянного напряжения, и обычно является точкой, относительно которой отсчитываются все напряжения в схеме.

Рабочая точка и смещение транзистора в схеме усилителя напряжения

Схема, приведенная на рис. 1.(a), как можно догадаться, является сильно упрощенной схемой усилителя напряжения. Она будет давать отклик только на положительное входное напряжение и, кроме того, только на напряжение, большее чем 0,5 В; последнее значение является той э.д.с., которая необходима для смещения перехода база-эмиттер в прямом направлении. Ясно, что если схема предназначена для усиления малых сигналов без искажения, переход база-эмиттер должен быть смещен в прямом направлении даже в отсутствие сигнала. Обычно напряжение переменного сигнала принимает как положительное, так и отрицательное значение, так что выходное напряжение на коллекторе должно иметь возможность двигаться вверх к напряжению источника питания (при отрицательном входном напряжении) и вниз к потенциалу земляной шины (при положительном входном напряжении). Из этого следует, что при равном нулю входном сигнале (это состояние обычно называется режимом покоя) в транзисторе должен протекать такой ток коллектора, чтобы напряжение на коллекторе находилось посредине между землей и напряжением источника питания, готовое изменяться в любом направлении в соответствии с полярностью входного сигнала.

На рис. 1.(б) показана схема, в которой достигается требуемый результат. Маломощный кремниевый транзистор, такой как ВС 107, будет очень хорошо работать с коллекторным током в режиме покоя 1 мА. В этом случае при правильном выборе рабочей (начальной) точки требуется, чтобы напряжение на коллекторе находилось посредине между 0 В и +9 В, то есть на резисторе RL должно падать 4,5 В. Таким образом, согласно закону Ома, RL = 4,5 В / 1 мА = 4500 Ом. Ближайшее номинальное значение RL равно 4,7 кОм. Для рассматриваемой схемы имеем:

VCE=Vcc-IcRL=Vcc-hFEIBRL

где Vcc — напряжение питания.

Если мы примем для транзистора ВС 107 коэффициент усиления постоянного тока hFE равным 200, то для тока коллектора 1 мА требуется ток базы IB = 1/200 мА = 5 мкА. Сопротивление базового резистора RB, задающего ток базы, снова находится согласно закону Ома:

RB=Vcc/IB=9/(5x10-6)=1,8МОм

Напряжением база-эмиттер VBE (приблизительно равным 0,6 В) здесь пренебрегаем по сравнению с намного большим напряжением питания Vcc.

Разделительные конденсаторы С1 и С2 используются для изоляции внешних цепей от постоянных напряжений, имеющихся на базе и коллекторе в режиме покоя. Свойство конденсатора не пропускать постоянное напряжение и в то же время пропускать переменное очень ценно в электронике; оно является результатом стремления конденсатора сохранять свой заряд и поэтому разность потенциалов на его обкладках остается постоянной. Следовательно, увеличение потенциала на одной обкладке вызывает соответствующее увеличение потенциала на другой. Поданный на одну из обкладок, переменный сигнал изменяет ее потенциал много раз в секунду и, таким образом, передается с одной обкладки на другую. В то же время постоянное напряжение дает возможность конденсатору накопить заряд, соответствующий новой разности потенциалов на его обкладках, и поэтому оно не передается. Время, необходимое для установления новой разности потенциалов, зависит от постоянной времени цепи, которая должна быть больше периода передаваемого переменного напряжения самой низкой частоты. Более подробно этот вопрос обсуждается в главе 8. В рассматриваемом простом усилителе напряжения постоянные времени цепей с разделительными конденсаторами емкостью 10 мкФ обеспечивают передачу переменного напряжения без ослабления вплоть до 10 Гц.

Знак плюс на рисунке у одной из обкладок конденсатора является указанием, как подключать электролитические конденсаторы, у которых изолирующий диэлектрический слой представляет собой чрезвычайно тонкую пленку окиси алюминия, полученную электролитическим осаждением. Такие конденсаторы имеют большие емкости при малых размерах и низкой цене, но должны включаться в схему с учетом полярности, за исключением конденсаторов специального типа — неполярных конденсаторов.

Стабилизация рабочей точки транзистора

Серьезный недостаток схемы на рис. 1.(б) состоит в том, что напряжение коллектора в режиме покоя целиком зависит от величины hFE транзистора, в то время как численные значения этого параметра имеют большой разброс у различных экземпляров транзисторов одного типа. Например, при типичном значении hFE для транзистора ВС 107, равном 200, изготовители указывают, что оно может изменяться в пределах от 90 до 450. Изменение hFE сдвигает рабочую точку по постоянному току. Например, если коэффициент hFE равен 100 вместо 200, то при этом потечет ток коллектора, равный 0,5 мА, а не 1 мА, и падение напряжения на RL составит только 2,35 В вместо 4,7 В. Увеличение напряжения на коллекторе в режиме покоя означает, что выходное напряжение в схеме может изменяться в сторону увеличения только на 2 В, а не на 4 В (возможно изменение выходного напряжения в сторону уменьшения до 6 В, но от этого мало пользы, когда положительные приращения ограничены).

Последствия использования транзистора с hFE = 400 еще более серьезны. В этом случае ток коллектора удвоится до 2 мА. Простое вычисление показывает, что все 9 В питания будут падать на резисторе RL. Говорят, что транзистор находится в насыщении. Практически между коллектором и эмиттером остается небольшое напряжение порядка 0,2 В. Любое дальнейшее увеличение тока базы почти ни к чему не приводит; действительно, падение напряжения на RL не может превышать Vcc Поскольку при насыщении транзистора потенциал коллектора фактически равен потенциалу земли, схема теперь не пригодна для линейного усиления: невозможны изменения выходного напряжения в сторону уменьшения.

Возвращаясь к линейному усилителю на рис. 1.(б), можно сказать, что необходимо некоторое усовершенствование схемы, чтобы повысить ее устойчивость к изменениям hFE. Даже если бы у нас была возможность отбирать транзисторы с hFE = 200, а это очень дорого при массовом выпуске схем, hFE увеличивается с ростом температуры, так что схема все равно не была бы надежной. На рис. 2. показано очень простое, но эффективное улучшение. Вместо того, чтобы подключать резистор RB непосредственно к Vcc, мы, уменьшив сопротивление вдвое, подключим его к коллектору (VCE≈Vcc/2). Теперь, благодаря этому, ток базы в режиме покоя зависит от коллекторного напряжения в режиме покоя. Даже при увеличении hFE транзистор не может попасть в насыщение: если коллекторное напряжение падает, то также падает ток базы, «придерживая» коллекторный ток. И наоборот, если hFE уменьшается, коллекторное напряжение в режиме покоя возрастает, увеличивая ток IB.

Ток базы определяется теперь соотношением

IB=VCE/RB

и, как и прежде,

VCE=Vcc-hFEIBRL

Объединяя эти равенства, получим

VCE=Vcc/(1+hFERL/RB)

Если RL и RB имеют значения, указанные на рис. 2, и hFE = 100, то VCE≈6 В; если hFE = 400, то VCE≈3 В. Хотя здесь все еще положение рабочей точки меняется, это не существенно, пока для получения больших сигналов не требуется иметь возможно большие пределы изменения выходного напряжения. Схема, приведенная на рис. 2., будет работать при изменении параметров транзисторов в очень широком диапазоне и является полезным усилителем напряжения общего назначения. Принцип построения схемы с автокомпенсацией изменений hFE является просто примером отрицательной обратной связи, которая представляет собой одно из самых важных понятий в электронике.

Усилитель напряжения на транзисторе со стабилизацией рабочей точки

Рис. 2. Усилитель напряжения со стабилизацией рабочей точки.

Для некоторых применений даже относительно небольшие изменения положения рабочей точки, имеющиеся в схеме на рис. 2, недопустимы. Если режим по постоянному току должен практически не зависеть от hFE можно использовать схему стабилизированного усилителя, показанную на рис. 3. Первым характерным признаком этой схемы является наличие резистора R3 в цепи эмиттера, а это означает, что потенциал эмиттера больше не равняется потенциалу земли, а немного выше его и равен IER3 где IE — ток эмиттера. Второе отличие состоит в том, что вместо единственного резистора для задания базового тока определенной величины применен делитель напряжения R1 R2 фиксирующий потенциал базы относительно земли. Ток делителя напряжения на порядок выше тока базы, так что последний слабо влияет на потенциал базы. Так как переход база — эмиттер смещен в прямом направлении, на нем падает небольшое напряжение (у кремниевого транзистора приблизительно 0,6 В), так что потенциал эмиттера ниже потенциала базы на 0,6 В.

Итак, если VB — потенциал базы относительно земли, а VE — потенциал эмиттера относительно земли, то

VE = VB - 0,6.

Но VE=IER3

поэтому IE=(VB-0,6)/R3

Рис. 3. Стабилизированный усилитель с эмиттерным резистором.

Следовательно, ток эмиттера IE определяется выбором величин VB и R3. При сопротивлениях резисторов R1 и R2, указанных на рис. 3., потенциал базы зафиксирован на уровне 1,6 В; поэтому потенциал эмиттера равен приблизительно 1,0 В, обеспечивая требуемый ток эмиттера 1 мА при сопротивлении эмиттерного резистора 1 кОм.

Поскольку

IE=IC+IB и IB << IC

имеем:

IE≈IC

Следовательно, ток коллектора также примерно равен 1 мА.

Интересно отметить, что в приведенном расчете схемы отсутствует коэффициент hFE транзистора. Фактически единственным параметром транзистора, имеющим какое-либо значение в этой схеме, является напряжение VBE которое принято равным 0,6 В и изменяется очень мало (<0,1 В) от одного транзистора к другому. При расчете стабилизированной схемы падение напряжения на эмиттерном резисторе должно быть больше возможных изменений напряжения VBE но не настолько большим, чтобы заметно уменьшить амплитуду выходного сигнала (напряжение на коллекторе теперь может изменяться только между VCC и VE а не между VCC и потенциалом земли). Обычно подходящим является напряжение 1 В. Конденсатор большой емкости С3 шунтирует эмиттерный резистор для того, чтобы на эмиттере не появлялось переменное напряжение. Без С3 усиление напряжения очень сильно упадет из-за отрицательной обратной связи, поскольку переменное напряжение на резисторе R3 вычитается из входного сигнала.

Удобный способ измерения коэффициента усиления состоит в том, что на вход усилителя подается сигнал от генератора синусоидальных сигналов, а затем с помощью осциллографа измеряется выходной сигнал Vout и сравнивается с входным сигналом Vin.

Коэффициент усиления напряжения равен

Av=Vout/Vin

Для схем, рассмотренных в этой статье, коэффициент усиления напряжения имеет величину порядка 150 — 200. Теоретический расчет коэффициента усиления на Времонт.su рассмотрим позже.

Выходные транзисторы усилителя звука. Простая схема усилителя на транзисторе своими руками

Всем, кто затрудняется в выборе первой схемы для сборки, я хочу порекомендовать этот усилитель на 1 транзисторе. Схема очень простая, и может быть выполнена, как навесным так и печатным монтажем.

Сразу скажу, сборка этого усилителя оправдана только в качестве эксперимента, так как качество звука будет, в лучшем случае на уровне дешевых, китайских приемников – сканеров. Если кто-то захочет собрать себе маломощный усилитель с более качественным звучанием, с применением микросхемы TDA 2822 m , может перейти по следующей ссылке:


Портативная колонка для плейера или телефона на микросхеме tda2822m
Фото проверки усилителя:


На следующем рисунке приведен список необходимых деталей:

В схеме можно использовать почти любой из биполярных транзисторов средней и большой мощности n - p - n структуры, например КТ 817. Конденсатор на входе желательно поставить пленочный, емкостью 0.22 – 1 МкФ. Пример пленочных конденсаторов на следующем фото:

Привожу рисунок печатной платы из программы Sprint-Layout :


Сигнал берется с выхода mp3 плейера или телефона, используются земля и один из каналов. На следующем рисунке можно увидеть схему распайки штекера Джек 3.5, для подключения к источнику сигнала:


При желании этот усилитель, как и любой другой, можно снабдить регулятором громкости, подключив потенциометр на 50 КОм по стандартной схеме, используется 1 канал:


Параллельно питанию, если в блоке питания после диодного моста не стоит электролитический конденсатор большой ёмкости, нужно поставить электролит на 1000 – 2200 МкФ, с рабочим напряжением большим, чем напряжение питания схемы.
Пример такого конденсатора:

Скачать печатную плату усилителя на одном транзисторе для программы sprint – layout можно в разделе сайта Мои файлы.

Оценить качество звучания этого усилителя, можно посмотрев видео его работы на нашем канале.

Недавно обратился некий человек с просьбой собрать ему усилитель достаточной мощности и раздельными каналами усиления по низким, средним и высоким частотам. до этого не раз уже собирал для себя в качестве эксперимента и, надо сказать, эксперименты были весьма удачными. Качество звучания даже недорогих колонок не очень высокого уровня заметно при этом улучшается по сравнению, например, с вариантом применения пассивных фильтров в самих колонках. К тому же появляется возможность довольно легко менять частоты раздела полос и коэффициент усиления каждой отдельно взятой полосы и, таким образом, проще добиться равномерной АЧХ всего звукоусилительного тракта. В усилителе были применены готовые схемы, которые до этого не раз были опробованы в более простых конструкциях.

Структурная схема

На рисунке ниже показана схема 1 канала:

Как видно из схемы, усилитель имеет три входа, один из которых предусматривает простую возможность добавления предусилителя-корректора для проигрывателя винила (при такой необходимости), переключатель входов, предварительный усилитель-тембролок (также трёхполосный, с регулировкой уровней ВЧ/СЧ/НЧ), регулятор громкости, блок фильтров на три полосы с регулировкой уровня усиления каждой полосы с возможностью отключения фильтрации и блок питания для оконечных усилителей большой мощности (нестабилизированный) и стабилизатор для «слаботочной» части (предварительные каскады усиления).

Предварительный усилитель-темброблок

В качестве него была применена схема, не раз проверенная до этого, которая при своей простоте и доступности деталей показывает довольно хорошие характеристики. Схема (как и все последующие) в своё время была опубликована в журнале «Радио» и затем не раз публиковалась на различных сайтах в интернете:

Входной каскад на DA1 содержит переключатель уровня усиления (-10; 0; +10 дБ), что упрощает согласование всего усилителя с различными по уровню источниками сигнала, а на DA2 собран непосредственно регулятор тембров. Схема не капризна к некоторому разбросу номиналов элементов и не требует никакого налаживания. В качестве ОУ можно применить любые микросхемы, применяемые в звуковых трактах усилителей, например здесь (и в последующих схемах) пробовал импортные ВА4558, TL072 и LM2904. Подойдёт любая, но лучше, конечно, выбирать варианты ОУ с возможно меньшим уровнем собственного шума и высоким быстродействием (коэффициентом нарастания входного напряжения). Эти параметры можно посмотреть в справочниках (даташитах). Конечно, здесь вовсе не обязательно применять именно эту схему, вполне можно, например, сделать не трёхполосный, а обычный (стандартный) двухполосный темброблок. Но не «пассивную» схему, а с каскадами усиления-согласования по входу и выходу на транзисторах или ОУ.

Блок фильтров

Схем фильтров, также, при желании можно найти множество, так как публикаций на тему многополосных усилителей сейчас достаточно. Для облегчения этой задачи и просто для примера, я приведу здесь несколько возможных схем, найденных в различных источниках:

— схема, которая была применена мной в этом усилителе, так как частоты раздела полос оказались как раз такие, которые и нужны были «заказчику» — 500 Гц и 5 кГц и ничего пересчитывать не пришлось.

— вторая схема, попроще на ОУ.

И ещё одна возможная схема, на транзисторах:

Как уже писал ваше, выбрал первую схему из-за довольно качественной фильтрации полос и соответствии частот разделения полос заданным. Только на выходах каждого канала (полосы) были добавлены простые регуляторы уровня усиления (как это сделано, например, в третьей схеме, на транзисторах). Регуляторы можно поставить от 30 до 100 кОм. Операционные усилители и транзисторы во всех схемах можно заменить на современные импортные (с учётом цоколёвки!) для получения лучших параметров схем. Никакой настройки все эти схемы не требуют, если не требуется изменить частоты раздела полос. К сожалению, дать информацию по пересчёту этих частот раздела я не имею возможности, так как схемы искались для примера «готовые» и подробных описаний к ним не прилагалось.

В схему блока фильтров (первая схема из трёх) была добавлена возможность отключения фильтрации по каналам СЧ и ВЧ. Для этого были установлены два кнопочных переключателя типа П2К, с помощью которых просто можно замкнуть точки соединения входов фильтров - R10C9 с их соответствующими выходами — «выход ВЧ» и «выход СЧ». В этом случае по этим каналам идёт полный звуковой сигнал.

Усилители мощности

С выхода каждого канала фильтра сигналы ВЧ-СЧ-НЧ подаются на входы усилителй мощности, которые, также, можно собрать по любой из известных схем в зависимости от необходимой мощности всего усилителя. Я делал УМЗЧ по известной давно схеме из журнала «Радио», №3, 1991 г., стр.51. Здесь даю ссылку на «первоисточник», так как по поводу этой схемы существует много мнений и споров по повод её «качественности». Дело в том, что на первый взгляд это схема усилителя класса «B» с неизбежным присутствием искажений типа «ступенька», но это не так. В схеме применено токовое управление транзисторами выходного каскада, что позволяет избавиться от этих недостатков при обычном, стандартном включении. При этом схема очень простая, не критична к применяемым деталям и даже транзисторы не требует особого предварительного подбора по параметрам К тому же схема удобна тем, что мощные выходные транзисторы можно ставить на один теплоотвод попарно без изолирующих прокладок, так как выводы коллекторов соединены в точке «выхода», что очень упрощает монтаж усилителя:

При настройке лишь ВАЖНО подобрать правильные режимы работы транзисторов предоконечного каскада (подбором резисторов R7R8) - на базах этих транзисторов в режиме «покоя» и без нагрузки на выходе (динамика) должно быть напряжение в пределах 0,4-0,6 вольт. Напряжение питания для таких усилителей (их, соответственно, должно быть 6 штук) поднял до 32 вольт с заменой выходных транзисторов на 2SA1943 и 2SC5200, сопротивление резисторов R10R12 при этом следует также увеличить до 1,5 кОм (для «облегчения жизни» стабилитронам в цепи питания входных ОУ). ОУ также были заменены на ВА4558, при этом становится не нужна цепь «установки нуля» (выходы 2 и 6 на схеме) и, соответственно меняется цоколёвка при пайке микросхемы. В результате при проверке каждый усилитель по этой схеме выдавал мощность до 150 ватт (кратковременно) при вполне адекватной степени нагрева радиатора.

Блок питания УНЧ

В качестве блока питания были использованы два трансформатора с блоками выпрямителей и фильтров по обычной, стандартной схеме. Для питания НЧ полосных каналов (левый и правый каналы) - трансформатор мощностью 250 ватт, выпрямитель на диодных сборках типа MBR2560 или аналогичных и конденсаторы 40000 мкф х 50 вольт в каждом плече питания. Для СЧ и ВЧ каналов - трансформатор мощностью 350 ватт (взят из сгоревшего ресивера «Ямаха»), выпрямитель — диодная сборка TS6P06G и фильтр — два конденсатора по 25000 мкф х 63 вольт на каждое плечо питания. Все электролитические конденсаторы фильтров зашунтированы плёночными конденсаторами ёмкостью 1 мкф х 63 вольта.

В общем, блок питания может быть и с одним трансформаторм, конечно, но при его соответствующей мощности. Мощность усилителя в целом в данном случае определяется исключительно возможностями источника питания. Все предварительные усилители (темброблок, фильтры) - запитаны также от одного из этих трансформаторов (можно от любого из них), но через дополнительный блок двуполярного стабилизатора, собранный на МС типа КРЕН (или импортных) или по любой из типовых схем на транзисторах.

Конструкция самодельного усилителя

Это, пожалуй, был самый сложный момент в изготовлении, так как подходящего готового корпуса не нашлось и пришлось выдумывать возможные варианты:-)) Чтобы не лепить кучу отдельных радиаторов, решил использовать корпус-радиатор от автомобильного 4-канального усилителя, довольно больших размеров, примерно такой:

Все «внутренности» были, естественно, извлечены и компоновка получилась примерно такой (к сожалению фотографию соответствующую не сделал):

— как видно, в эту крышку-радиатор установились шесть плат оконечных УМЗЧ и плата предварительного усилителя-темброблока. Плата блока фильтров уже не влезла, поэтому была закреплена на добавленной затем конструкции из алюминиевого уголка (её видно на рисунках). Также, в этом «каркасе» были установлены трансформаторы, выпрямители и фильтры блоков питания.

Вид (спереди) со всеми переключателями и регуляторами получился такой:

Вид сзади, с колодками выходов на динамики и блоком предохранителей (поскольку никакие схемы электронной защиты не делались из-за недостатка места в конструкции и чтобы не усложнять схему):

В последующем каркас из уголка предполагается, конечно, закрыть декоративными панелями для придания изделию более «товарного» вида, но делать это будет уже сам «заказчик», по своему личному вкусу. А в целом, по качеству и мощности звучания, конструкция получилась вполне себе приличная. Автор материала: Андрей Барышев (специально для сайта сайт ).

  • 20.09.2014

    Номинал пассивных компонентов для поверхностного монтажа маркируется по определенным стандартам и не соответствует напрямую цифрам, нанесенным на корпус. Статья знакомит с этими стандартами и поможет Вам избежать ошибок при замене чип-компонентов. Основой производства современных средств радиоэлектронной и вычислительной техники является технология поверхностного монтажа или SMT-технология (SMT - Surface Mount Technology). …

  • 21.09.2014

    На рисунке показана схема простого сенсорного переключателя на ИМС 555. Таймер 555 работает в режиме компаратора. При прикосновении пластин происходит переключение компаратора, который в свою очередь управляет транзистором VT1 с открытым коллектором. К «открытому» коллектору можно подключать внешнюю нагрузку с питанием её от внешнего или внутреннего источника питания, внешнее питание …

  • 12.12.2015

    В предварительном усилителе для динамического микрофона используется двухканальный операционный усилитель uA739. Оба канала предварительного усилителя одинаковые, поэтому на схеме показан только один. На неинвертирующий вход ОУ подано 50 % напряжение питания, которое задается резисторами R1 и R4 (делитель напряжения), при этом это напряжение используется одновременно двумя каналами усилителя. Цепь R3C3 является …

  • 23.09.2014

    Часы со статической индикацией обладают более ярким свечением индикаторов по сравнению с динамической индикацией, схема таких часов показана на рисунке 1. В качестве уст-ва управления индикатором является дешифратор К176ИД2, эта микросхема обеспечит достаточно высокую яркость свечения светодиодного индикатора. В качестве счетчиков используются микросхемы К561ИЕ10, каждая содержит по 20а четырех разрядных …

Схема простого усилителя звука на транзисторах , которая реализована на двух мощных составных транзисторах TIP142-TIP147 установленных в выходном каскаде, двух маломощных BC556B в дифференциальном тракте и один BD241C в цепи предварительного усиления сигнала — всего пять транзисторов на всю схему! Такая конструкция УМЗЧ свободно может быть использована например в составе домашнего музыкального центра или для раскачки сабвуфера установленного в автомобиле, на дискотеке.

Главная привлекательность данного усилителя мощности звука заключается в легкости его сборки даже начинающими радиолюбителями, нет необходимости в какой либо специальной его настройке, не возникает проблем в приобретении комплектующих по доступной цене. Представленная здесь схема УМ обладает электрическими характеристиками с высокой линейностью работы в частотном диапазоне от 20Гц до 20000Гц. p>

При выборе или самостоятельном изготовлении трансформатора для блока питания нужно учитывать такой фактор: — трансформатор должен иметь достаточный запас по мощности, например: 300 Вт из расчета на один канал, в случае двухканального варианта, то естественно и мощность удваивается. Можно применить для каждого свой отдельный трансформатор, а если использовать стерео вариант усилителя, то тогда вообще получится аппарат типа «двойное моно», что естественно повысит эффективность усиления звука.

Действующее напряжение во вторичных обмотках трансформатора должно составлять ~34v переменки, тогда постоянное напряжение после выпрямителя получится в районе 48v — 50v. В каждом плече по питанию необходимо установить плавкий предохранитель рассчитанный на рабочий ток 6А, соответственно для стерео при работе на одном блоке питания — 12А.

Усилители низкой частоты (УНЧ) используют для преобразования слабых сигналов преимущественно звукового диапазона в более мощные сигналы, приемлемые для непосредственного восприятия через электродинамические или иные излучатели звука.

Заметим, что высокочастотные усилители до частот 10... 100 МГц строят по аналогичным схемам, все отличие чаще всего сводится к тому, что значения емкостей конденсаторов таких усилителей уменьшаются во столько раз, во сколько частота высокочастотного сигнала превосходит частоту низкочастотного.

Простой усилитель на одном транзисторе

Простейший УНЧ, выполненный по схеме с общим эмиттером, показан на рис. 1. В качестве нагрузки использован телефонный капсюль. Допустимое напряжение питания для этого усилителя 3...12 В.

Величину резистора смещения R1 (десятки кОм) желательно определить экспериментально, поскольку его оптимальная величина зависит от напряжения питания усилителя, сопротивления телефонного капсюля, коэффициента передачи конкретного экземпляра транзистора.

Рис. 1. Схема простого УНЧ на одном транзисторе + конденсатор и резистор.

Для выбора начального значения резистора R1 следует учесть, что его величина примерно в сто и более раз должна превышать сопротивление, включенное в цепь нагрузки. Для подбора резистора смещения рекомендуется последовательно включить постоянный резистор сопротивлением 20...30 кОм и переменный сопротивлением 100... 1000 кОм, после чего, подав на вход усилителя звуковой сигнал небольшой амплитуды, например, от магнитофона или плеера, вращением ручки переменного резистора добиться наилучшего качества сигнала при наибольшей его громкости.

Величина емкости переходного конденсатора С1 (рис. 1) может находиться в пределах от 1 до 100 мкФ: чем больше величина этой емкости, тем более низкие частоты может усиливать УНЧ. Для освоения техники усиления низких частот рекомендуется поэкспериментировать с подбором номиналов элементов и режимов работы усилителей (рис. 1 - 4).

Улучшениые варианты однотранзисторного усилителя

Усложненные и улучшенные по сравнению со схемой на рис. 1 схемы усилителей приведены на рис. 2 и 3. В схеме на рис. 2 каскад усиления дополнительно содержит цепочку частотнозависимой отрицательной обратной связи (резистор R2 и конденсатор С2), улучшающей качество сигнала.

Рис. 2. Схема однотранзисторного УНЧ с цепочкой частотнозависимой отрицательной обратной связи.

Рис. 3. Однотранзисторный усилитель с делителем для подачи напряжения смещения на базу транзистора.

Рис. 4. Однотранзисторный усилитель с автоматической установкой смещения для базы транзистора.

В схеме на рис. 3 смещение на базу транзистора задано более «жестко» с помощью делителя, что улучшает качество работы усилителя при изменении условий его эксплуатации. «Автоматическая» установка смещения на базе усилительного транзистора применена в схеме на рис. 4.

Двухкаскадный усилитель на транзисторах

Соединив последовательно два простейших каскада усиления (рис. 1), можно получить двухкаскадный УНЧ (рис. 5). Усиление такого усилителя равно произведению коэффициентов усиления отдельно взятых каскадов. Однако получить большое устойчивое усиление при последующем наращивании числа каскадов нелегко: усилитель скорее всего самовозбудится.

Рис. 5. Схема простого двухкаскадного усилителя НЧ.

Новые разработки усилителей НЧ, схемы которых часто приводят на страницах журналов последних лет, преследуют цель достижения минимального коэффициента нелинейных искажений, повышения выходной мощности, расширения полосы усиливаемых частот и т.д.

В то же время, при наладке различных устройств и проведении экспериментов зачастую необходим несложный УНЧ, собрать который можно за несколько минут. Такой усилитель должен содержать минимальное число дефицитных элементов и работать в широком интервале изменения напряжения питания и сопротивления нагрузки.

Схема УНЧ на полевом и кремниевом транзисторах

Схема простого усилителя мощности НЧ с непосредственной связью между каскадами приведена на рис. 6 [Рл 3/00-14]. Входное сопротивление усилителя определяется номиналом потенциометра R1 и может изменяться от сотен Ом до десятков МОм. На выход усилителя можно подключать нагрузку сопротивлением от 2...4 до 64 Ом и выше.

При высокоомной нагрузке в качестве VT2 можно использовать транзистор КТ315. Усилитель работоспособен в диапазоне питающих напряжений от 3 до 15 В, хотя приемлемая работоспособность его сохраняется и при снижении напряжения питания вплоть до 0,6 В.

Емкость конденсатора С1 может быть выбрана в пределах от 1 до 100 мкФ. В последнем случае (С1 =100 мкФ) УНЧ может работать в полосе частот от 50 Гц до 200 кГц и выше.

Рис. 6. Схема простого усилителя низкой частоты на двух транзисторах.

Амплитуда входного сигнала УНЧ не должна превышать 0,5...0,7 В. Выходная мощность усилителя может изменяться от десятков мВт до единиц Вт в зависимости от сопротивления нагрузки и величины питающего напряжения.

Настройка усилителя заключается в подборе резисторов R2 и R3. С их помощью устанавливают напряжение на стоке транзистора VT1, равное 50...60% от напряжения источника питания. Транзистор VT2 должен быть установлен на теплоотводя-щей пластине (радиаторе).

Трекаскадный УНЧ с непосредственной связью

На рис. 7 показана схема другого внешне простого УНЧ с непосредственными связями между каскадами. Такого рода связь улучшает частотные характеристики усилителя в области нижних частот, схема в целом упрощается.

Рис. 7. Принципиальная схема трехкаскадного УНЧ с непосредственной связью между каскадами.

В то же время настройка усилителя осложняется тем, что каждое сопротивление усилителя приходится подбирать в индивидуальном порядке. Ориентировочно соотношение резисторов R2 и R3, R3 и R4, R4 и R BF должно быть в пределах (30...50) к 1. Резистор R1 должен быть 0,1...2 кОм. Расчет усилителя, приведенного на рис. 7, можно найти в литературе, например, [Р 9/70-60].

Схемы каскадных УНЧ на биполярных транзисторах

На рис. 8 и 9 показаны схемы каскодных УНЧ на биполярных транзисторах. Такие усилители имеют довольно высокий коэффициент усиления Ку. Усилитель на рис. 8 имеет Ку=5 в полосе частот от 30 Гц до 120 кГц [МК 2/86-15]. УНЧ по схеме на рис. 9 при коэффициенте гармоник менее 1% имеет коэффициент усиления 100 [РЛ 3/99-10].

Рис. 8. Каскадный УНЧ на двух транзисторах с коэффициентом усиления = 5.

Рис. 9. Каскадный УНЧ на двух транзисторах с коэффициентом усиления = 100.

Экономичный УНЧ на трех транзисторах

Для портативной радиоэлектронной аппаратуры важным параметром является экономичность УНЧ. Схема такого УНЧ представлена на рис. 10 [РЛ 3/00-14]. Здесь использовано каскадное включение полевого транзистора VT1 и биполярного транзистора VT3, причем транзистор VT2 включен таким образом, что стабилизирует рабочую точку VT1 и VT3.

При увеличении входного напряжения этот транзистор шунтирует переход эмиттер — база VT3 и уменьшает значение тока, протекающего через транзисторы VT1 и VT3.

Рис. 10. Схема простого экономичного усилителя НЧ на трех транзисторах.

Как и в приведенной выше схеме (см. рис. 6), входное сопротивление этого УНЧ можно задавать в пределах от десятков Ом до десятков МОм. В качестве нагрузки использован телефонный капсюль, например, ТК-67 или ТМ-2В. Телефонный капсюль, подключаемый при помощи штекера, может одновременно служить выключателем питания схемы.

Напряжение питания УНЧ составляет от 1,5 до 15 В, хотя работоспособность устройства сохраняется и при снижении питающего напряжения до 0,6 В. В диапазоне напряжения питания 2... 15 В потребляемый усилителем ток описывается выражением:

1(мкА) = 52 + 13*(Uпит)*(Uпит),

где Uпит - напряжение питания в Вольтах (В).

Если отключить транзистор VT2, потребляемый устройством ток увеличивается на порядок.

Двухкаскадные УНЧ с непосредственной связью между каскадами

Примерами УНЧ с непосредственными связями и минимальным подбором режима работы являются схемы, приведенные на рис. 11 - 14. Они имеют высокий коэффициент усиления и хорошую стабильность.

Рис. 11. Простой двухкаскадный УНЧ для микрофона (низкий уровень шумов, высокий КУ).

Рис. 12. Двухкаскадный усилитель низкой частоты на транзисторах КТ315.

Рис. 13. Двухкаскадный усилитель низкой частоты на транзисторах КТ315 - вариант 2.

Микрофонный усилитель (рис. 11) характеризуется низким уровнем собственных шумов и высоким коэффициентом усиления [МК 5/83-XIV]. В качестве микрофона ВМ1 использован микрофон электродинамического типа.

В роли микрофона может выступать и телефонный капсюль. Стабилизация рабочей точки (начального смещения на базе входного транзистора) усилителей на рис. 11 - 13 осуществляется за счет падения напряжения на эмиттерном сопротивлении второго каскада усиления.

Рис. 14. Двухкаскадный УНЧ с полевым транзистором.

Усилитель (рис. 14), имеющий высокое входное сопротивление (порядка 1 МОм), выполнен на полевом транзисторе VT1 (истоковый повторитель) и биполярном — VT2 (с общим).

Каскадный усилитель низкой частоты на полевых транзисторах, также имеющий высокое входное сопротивление, показан на рис. 15.

Рис. 15. схема простого двухкаскадного УНЧ на двух полевых транзисторах.

Схемы УНЧ для работы с низкоОмной нагрузкой

Типовые УНЧ, предназначенные для работы на низкоомную нагрузку и имеющие выходную мощность десятки мВт и выше, изображены на рис. 16, 17.

Рис. 16. Простой УНЧ для работы с включением нагрузки с низким сопротивлением.

Электродинамическая головка ВА1 может быть подключена к выходу усилителя, как показано на рис. 16, либо в диагональ моста (рис. 17). Если источник питания выполнен из двух последовательно соединенных батарей (аккумуляторов), правый по схеме вывод головки ВА1 может быть подключен к их средней точки напрямую, без конденсаторов СЗ, С4.

Рис. 17. Схема усилителя низкой частоты с включением низкоомной нагрузки в диагональ моста.

Если вам нужна схема простого лампового УНЧ то такой усилитель можно собрать даже на одной лампе, смотрите у нас на сайте по электронике в соответствующем разделе.

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год.

Исправления в публикации: на рис. 16 и 17 вместо диода Д9 установлена цепочка из диодов.

Простой усилитель ВЧ сигнала | Мастер Винтик. Всё своими руками!

Добавил: STR2013,Дата: 10 Окт 2017

Простой усилитель, всего на одном транзисторе можно сделать для усиления слабого ВЧ сигнала для радиоприёмника, телевизора или радиостанции.

В статье, ниже представлены две схемы простых усилителей. Чем покупать в магазине, дешевле самому собрать усилитель, с характеристиками порой не хуже, чем магазинный.

Только несколько деталей нужно, чтобы собрать его. С сборкой усилителя справится даже начинающий радиолюбитель. В нём нет катушек индуктивности, усилители широкополосные и захватывают весь диапазон усиливаемого сигнала, включая и ДМВ. В любом случае, результат был больше, чем я ожидал. Большинство УКВ местного телевидения и радиовещания стали приниматься более качественно, картинка стала чётче.

Принципиальная схема усилителя

 

Основная часть этой схемы высокочастотный транзистор обратной проводимости (n-p-n) Q1 (2SC2570), специально разработанная для усиления УКВ сигнала схема без катушки индуктивности.

Если предполагается использовать постоянно усилитель, то можно исключить S2, который нужен для обхода усилителя.

Усилитель собран на монтажной плате.

Монтажная плата

Расположение элементов на монтажной плате

Второй вариант схемы с дополнительным усилителем для КВ диапазона

Принципиальная схема двухдиапазонного усилителя КВ/УКВ

В этой схеме добавлен HF усилитель на полевом транзисторе (Q1 MFE201 N-канальный двух затворный и Q2 (а 2SC2570 n-p-n ВЧ кремниевого транзистора), которые обеспечивают два независимых усилителя, переключаемые переключателем S1. Получается простая активная антенна, предназначенная для усиления сигналов от 3 до 3000 МГц (трех диапазонов: 3-30 МГц высокочастотных (ВЧ) сигналов; 3-300 МГц очень-высокочастотных (УКВ) сигналов; 300-3000 МГц ультравысокие (ДМВ) частоты сигналов.

Печатная плата усилителя

Расположение элементов



ПОДЕЛИТЕСЬ С ДРУЗЬЯМИ



П О П У Л Я Р Н О Е:

  • Бесплатная программа для рисования TUX Paint
  • Графический редактор — Tux Paint — простая бесплатная программа для рисования.  Программа предназначена для детей и имеет простую понятную панель инструментов, веселое озвучивание команд, рисованный пингвин-помощник, который поможет детям своими подсказками 🙂

    Хоть и Tux Paint простая программка, но в ней есть множество различных инструментов для рисования: набор разных кистей и штампов для рисования, формы и линии, заливка и размытие, волны и вздутие, рельсы и цветочки, зеркало и многое другое.

    Подробнее…

  • Настольная лампа из CD дисков
  • Простая настольная лампа для работы за компьютером своими руками

    Простую настольную лампу для работы за компьютером или ноутбуком в тёмное время суток можно легко сделать из старых ненужных CD, DVD дисков.

    Работая перед монитором в темноте Ваши глаза напряжены и подвержены сильным нагрузкам, поэтому необходимо иметь подсветку рабочего места, особенно клавиатуры. Подробнее…

  • Основные параметры, обозначения и маркировка отечественных транзисторов
  • Транзистор — один из самых распространённых элементов радиоаппаратуры. Есть полевые и биполярные транзисторы. У полевых транзисторов управление происходит с помощью электрического поля. Они имеют три вывода: исток, затвор и сток (иногда корпус). У биполярного транзистора соответственно: эмиттер, база и коллектор, (иногда тоже есть корпусной вывод). Подробнее…


Популярность: 5 071 просм.

Глава 9: Однотранзисторные усилители: [Analog Devices Wiki]

9.1 Базовые усилители

Термин «усилитель», используемый в этой главе, означает схему (или каскад), использующую одно активное устройство, а не полную систему, такую ​​как операционный усилитель на интегральной схеме. Усилитель - это устройство для увеличения мощности сигнала. Это достигается за счет получения энергии от источника питания и управления выходом для дублирования формы входного сигнала, но с большей амплитудой (напряжение или ток). В этом смысле усилитель можно рассматривать как модулирующий напряжение или ток источника питания для получения его выхода.

Базовый усилитель, рис. 9.1, имеет два порта и характеризуется коэффициентом усиления, входным сопротивлением и выходным сопротивлением. Идеальный усилитель имеет бесконечное входное сопротивление (R на = ∞), нулевое выходное сопротивление (R на выходе = 0) и бесконечное усиление (A vo = ∞) и бесконечную полосу пропускания, если это необходимо.

Рисунок 9.1 Базовая модель усилителя

Транзистор, как мы видели в предыдущей главе, представляет собой трехполюсное устройство. Если представить базовый усилитель в виде двухпортовой сети, как показано на рисунке 9.1, то потребуется два входа и два выхода, всего четыре. Это означает, что один из выводов транзистора должен быть общим для входных и выходных цепей. Это приводит к именам общего эмиттера и т. Д. Для трех основных типов усилителей. Самый простой способ определить, подключено ли устройство как общий эмиттер / исток, общий коллектор / сток или общая база / затвор, - это проверить, где входит входной сигнал и выходит выходной сигнал.Остающийся терминал является общим как для ввода, так и для вывода. В этой главе мы в первую очередь будем использовать транзисторы n-типа (NPN, NMOS) в примерах схем. Те же самые базовые каскады усилителя могут быть легко реализованы с использованием транзисторов p-типа (PNP, PMOS). Когда собираются более крупные многокаскадные усилители, оба типа транзисторов часто перемежаются друг с другом.

Строительные каскады усилителей:

  1. Инвертирующий усилитель напряжения (также называемый усилителем с общим эмиттером или общим источником)

  2. Токовый повторитель (также называемый общей базой, общим затвором или каскодом)

  3. Повторитель напряжения (также называемый усилителем с общим коллектором или общим стоком)

  4. Обратная связь серии (чаще: вырождение эмиттера / источника)

  5. Шунтовая обратная связь

9. 2 Инвертирующий усилитель напряжения или Общий эмиттер / источник

Усилитель с общим эмиттером / истоком является одной из трех основных топологий однокаскадных усилителей. Версии BJT и MOS работают как усилитель инвертирующего напряжения и показаны на рисунке 9.2. Клемма базы или затвора транзистора служит входом, коллектор или сток - выходом, а эмиттер или исток являются общими для входа и выхода (он может быть привязан к заземлению или шине источника питания), которые дает начало своему общему имени.

Рисунок 9.2: Базовая схема инвертирующего усилителя напряжения n-типа (без учета деталей смещения)

Усилитель с общим эмиттером или истоком можно рассматривать как усилитель крутизны (, т.е. напряжение на входе, ток на выходе) или как усилитель напряжения (напряжение на входе, напряжение на выходе). В качестве усилителя крутизны входное напряжение слабого сигнала, v будет для BJT или v gs для полевого транзистора, умноженное на крутизну устройства g m , модулирует количество тока, протекающего через транзистор, i c или i d . Пропуская этот переменный ток через выходное сопротивление нагрузки R L , он снова преобразуется в напряжение В, , , выход . Однако выходное сопротивление малого сигнала транзистора, r o , обычно недостаточно велико для разумного усилителя крутизны (в идеале - бесконечного). Выходная нагрузка R L также не является достаточно низкой для приличного усилителя напряжения (в идеале - нулевой). Другим серьезным недостатком является ограниченная высокочастотная характеристика усилителя, отчасти из-за встроенной емкости коллекторной базы или затвора стока, присущей транзистору.Подробнее о том, как эта емкость влияет на частотную характеристику, читайте в следующем разделе этой главы. Поэтому на практике выход часто направляется либо через повторитель напряжения (каскад с общим коллектором или стоком), либо через повторитель тока (каскад с общей базой или затвором) для получения более благоприятных выходных и частотных характеристик. Эта последняя комбинация называется каскодным усилителем, как мы увидим позже в главе, посвященной многокаскадным усилителям.

По сравнению с усилителем с общим эмиттером BJT, усилитель с общим истоком на полевых транзисторах имеет более высокий входной импеданс.Как правило, меньшее значение g m полевого транзистора по сравнению с BJT при равных уровнях тока приводит к более низкому усилению напряжения для версии MOS.

9.2.1 Методы смещения постоянного тока, общий эмиттер / источник

Чтобы усилитель с общим эмиттером или истоком обеспечивал наибольший размах выходного напряжения, напряжение на выводе базы или затвора транзистора смещается таким образом, что транзистор номинально работает на полпути между его точками отсечки и насыщения.Обратите внимание на характеристические кривые NMOS (a) и NPN (b) на рисунке 9.2.1. Это позволяет каскаду усилителя более точно воспроизводить положительную и отрицательную половины входного сигнала, наложенного на напряжение смещения постоянного тока. Без этого смещения напряжения смещения усиливается только положительная половина входного сигнала.

Рисунок 9.2.1 (a) I D в сравнении с V кривые DS и (b) I C в сравнении с V CE кривые

Красная линия, наложенная на два набора кривых, представляет линию нагрузки постоянного тока 400 Ом R L .Чтобы максимизировать размах выходного сигнала, желательно установить рабочую точку транзистора с нулевым входным сигналом при напряжении стока или коллектора, равном половине напряжения питания, которое в данном случае составляет 4 В. Определение соответствующего тока стока или коллектора вдоль линии нагрузки дает нам целевой уровень тока. Это около 10 мА для R L , равного 400 Ом. Следующим шагом является определение соответствующего В GS или I B для 10 мА I D или I C . В примере NMOS каждая кривая соответствует разному В GS от 0,9 до 1,5 вольт с шагом 0,1 вольт. Устройство NMOS, используемое в этом примере, имеет крутизну около 40 мА / В . I D , равный точке 10 мА на линии нагрузки, находится между кривыми 1,4 В и 1,3 В или В GS 1,32 В. В примере NPN каждая кривая представляет различный I B от 10 мкА до 100 мкА с шагом 10 мкА. Кривая 50 мкА пересекает линию нагрузки при I C = 10 мА.Следовательно, β транзистора должно быть около 200. Теперь задача состоит в том, чтобы каким-то образом обеспечить это смещение постоянного тока или смещение на затворе или базе транзистора.

Первый метод смещения, который мы рассмотрим, называется смещением делителя напряжения и показан на рисунке 9.2.2. Если мы выберем правильные значения резисторов для R 1 и R 2 , что приведет к такому току коллектора или стока, что на R L появится половина напряжения питания, В +, мы должны получить желаемое. значение В GS или В BE (I B ) для смещения без входного сигнала.Для случая MOS мы знаем, что ток не течет в затвор, поэтому можно использовать простой коэффициент делителя напряжения для выбора R 1 и R 2 . Если В + = 8 В и мы хотим, чтобы значение В GS было равно 1,32 В , тогда:

Реальные значения 1 и 2 рэнд не так важны, как их соотношение. Однако выбранный нами коэффициент делителя будет правильным только для одного набора условий напряжения источника питания, порогового напряжения транзистора, крутизны и температуры.В реальных проектах часто используются более сложные схемы смещения.

Рисунок 9.2.2 Смещение делителя напряжения

Для случая NPN расчет несколько сложнее. Мы знаем, что хотим, чтобы I B был равен 50uA. Ток, протекающий в R 1 , является суммой тока в R 2 и I B , что устанавливает верхнюю границу для R 1 , когда R 2 бесконечен и ток в R не протекает. . Если принять номинальное значение В BE равным 0.65 В, тогда R 1 не должно превышать 7,35 В / 50 мкА или 147 кОм. Назначение делителя напряжения - ослабить колебания В + и, таким образом, сделать рабочую точку постоянного тока транзистора менее чувствительной к В +. Для этого нам нужно сделать ток в R 2 во много раз больше, чем в I B . Если мы, например, выберем сделать I R2 9 раз I B , тогда ток в R 1 будет 10 * I B или 500 мкА.R 1 будет 1/10 от того, что мы только что рассчитали как верхнюю границу, или 14,7 кОм. R 2 будет В BE , деленное на 450 мкА или 1,444 кОм, что является коэффициентом делителя 0,8921. Если бы мы просто использовали 8 В - В BE /8 В в качестве отношения (предположим, что В BE = 0,65 В), коэффициент делителя был бы 0,8125. Принимая во внимание I B , сдвинули требуемое соотношение. Эти значения необходимо немного изменить, если фактическое значение V BE не равно 0.65 вольт (или β не было 200) мы использовали в этом расчете. Это указывает на главное ограничение этой схемы смещения, как мы указали в примере MOS выше. Это чувствительность к специфическим характеристикам устройства, таким как V BE и β, а также к напряжению питания и температуре.

Следствием включения этой схемы смещения является снижение входного импеданса. Теперь вход включает параллельную комбинацию R 1 и R 2 на входе.Для случая MOS теперь устанавливается входное сопротивление. Для случая BJT теперь мы имеем R 1 || R 2 || r π в качестве эффективного входного сопротивления.

Есть еще одна небольшая неудобная проблема с этой схемой смещения, когда она подключена к предшествующему каскаду в тракте прохождения сигнала. Эта конфигурация смещения размещает источник входного сигнала переменного тока непосредственно параллельно с R 2 делителя напряжения. Это может быть неприемлемо, поскольку входной источник может иметь тенденцию добавлять или вычитать из напряжения постоянного тока, падающего на R 2 .

Один из способов заставить эту схему работать, хотя может быть неочевидно, почему она будет работать, - это разместить разделительный конденсатор между источником входного напряжения и делителем напряжения, как показано на рисунке 9.2.3 ниже.

Рисунок 9.2.3 Конденсатор связи C C предотвращает протекание тока смещения делителя напряжения в источник входного сигнала.

Конденсатор образует фильтр верхних частот между источником входного сигнала и делителем постоянного напряжения, пропуская почти всю переменную часть входного сигнала на транзистор, блокируя при этом все напряжение смещения постоянного тока от короткого замыкания через источник входного сигнала. В этом будет гораздо больше смысла, если вы поймете теорему суперпозиции и как она работает. Согласно суперпозиции, любую линейную двустороннюю схему можно анализировать по частям, рассматривая только один источник питания за раз, а затем алгебраически складывая эффекты всех источников питания, чтобы найти окончательный результат. Если бы мы отделили конденсатор и схему делителя напряжения R 1 / R 2 от остальной части усилителя, было бы легче понять, как будет работать эта суперпозиция переменного и постоянного тока.

При действии только источника сигнала переменного тока и конденсатора с произвольно низким импедансом на частоте входного сигнала почти все напряжение переменного тока появляется на R 2 .

9.2.2 Усиление напряжения слабого сигнала, общий эмиттер или источник

Чтобы рассчитать коэффициент усиления по напряжению малого сигнала усилителя с общим эмиттером или истоком, нам нужно вставить в схему модель транзистора с малым сигналом. Малосигнальные модели BJT и MOS FET на самом деле очень похожи, поэтому расчет усиления для обеих версий во многом одинаков.Гибридные π-модели малых сигналов для усилителей BJT и MOS показаны на рисунке 9.2.4.

Рисунок 9.2.4 Модели слабого сигнала с обычным излучателем или источником.

Ниже приведены некоторые из ключевых уравнений модели, которые нам понадобятся для расчета коэффициента усиления по напряжению в каскаде усилителя. Эти уравнения используются для других конфигураций усилителей, которые мы также обсудим в следующих разделах.

(BJT) (MOS)

Коэффициент усиления напряжения малого сигнала A v - это отношение входного напряжения к выходному напряжению:

Входное напряжение В в (v должно быть для BJT и v GS для MOS), умноженное на крутизну g m , равно выходному току малого сигнала, i o в коллекторе или стоке. V out будет просто умножить этот ток на сопротивление нагрузки R L, , пренебрегая на данный момент выходным сопротивлением слабого сигнала r o . Обратите внимание на знак минус из-за направления тока i o .

Переставляя на выигрыш, получаем:

Подставляя уравнения BJT и MOS g m , получаем:

(BJT) (MOS)

Сравнивая эти два уравнения усиления, мы видим, что они оба зависят от токов коллектора или стока постоянного тока.Коэффициент усиления BJT обратно пропорционален В T (тепловое напряжение), что составляет примерно 26 мВ при комнатной температуре. Тепловое напряжение В T увеличивается с повышением температуры, поэтому из уравнения мы видим, что коэффициент усиления фактически уменьшается с повышением температуры. Коэффициент усиления МОП обратно пропорционален перенапряжению, В ov ( В GS - В th ), которое часто намного больше, чем В T при аналогичных ведущих токах стока. к более низкому усилению для ступени MOS vs.ступень BJT для примерно равных токов смещения.

Если R L относительно велико по сравнению с малым выходным сопротивлением сигнала, то усиление будет уменьшено, поскольку фактическая выходная нагрузка представляет собой параллельную комбинацию R L и r o . Фактически, r o устанавливает верхнюю границу возможного усиления, которое может быть достигнуто с помощью каскада усилителя с одним транзистором.

9.2.3 Входное сопротивление слабого сигнала, общий эмиттер или источник

Снова посмотрим на модели малых сигналов на рисунке 9.2.4 мы видим, что для случая BJT вход V в будет видеть r π как нагрузку. Для корпуса MOS V в будет в основном обрыв цепи (по крайней мере, для низких частот). Конечно, это будет в случае отсутствия каких-либо схем смещения затвора или базы.

9.2.4 Выходное сопротивление слабого сигнала, общий эмиттер или источник

Снова посмотрев на модели слабого сигнала на рисунке 9.2.4, мы видим, что как для случая BJT, так и для случая MOS выходное сопротивление представляет собой параллельную комбинацию R L и r o .Для большинства практических приложений мы можем игнорировать r o , потому что он очень часто намного больше, чем R L . Ниже приведены уравнения BJT и MOS r o .

(BJT) (MOS)

9.2.5 Лабораторная деятельность с общим излучателем и источником

9.3 Токовый повторитель, также известный как усилитель с общей базой или затвор

Повторитель тока или усилитель с общей базой / затвором имеет высокий коэффициент усиления по напряжению, относительно низкий входной импеданс и высокий выходной импеданс по сравнению с повторителем напряжения или усилителем с общим коллектором / стоком. Версии BJT и MOS показаны на рисунке 9.3.

Рисунок 9.3: Базовый токовый повторитель n-типа или общая схема базы / затвора (без учета деталей смещения)

9.3.1 Методы смещения постоянного тока, повторитель тока или усилитель с общей базой / затвором

В приложениях, где обеспечивается только положительное напряжение источника питания, требуются некоторые средства обеспечения необходимого уровня постоянного напряжения для общего вывода затвора или базы. Это может быть так же просто, как делитель напряжения между землей и источником питания.В приложениях, где доступны как положительное, так и отрицательное напряжение питания, заземление является удобным узлом для использования в качестве общего вывода затвора или базы.

Общий каскад затвора или базы чаще всего используется в сочетании с общим эмиттером или усилителем-источником в так называемой конфигурации каскода. Каскод будет рассмотрен более подробно в следующей главе, посвященной многокаскадным усилителям.

9.3.2 Усиление напряжения малого сигнала, токовый повторитель или усилитель с общей базой / затвором

Для расчета коэффициента усиления по напряжению малого сигнала общей базы или затвора мы вставляем в схему модель транзистора с малым сигналом.Модели малых сигналов для усилителей BJT и MOS показаны на рисунке 9.3.1.

Рисунок 9.3.1 Токовый повторитель или модели малого сигнала с общей базой / затвором.

Как и в каскаде усилителя с общим излучателем / истоком, входное напряжение слабого сигнала, В в (v должно быть для BJT и v GS для MOS), умноженное на крутизну g m равен выходному току малого сигнала, i o в коллекторе или стоке. V out будет просто умножить этот ток на сопротивление нагрузки R L, , пренебрегая на данный момент выходным сопротивлением слабого сигнала r o .

Возможно, более полезно учитывать коэффициент усиления по току ступени повторителя тока, а не его коэффициент усиления по напряжению. В случае версии MOS мы знаем, что I S = I D , потому что I G = 0. Таким образом, усиление тока каскада MOS равно 1. В случае версии BJT мы знаем, что соотношение I C - I E равно α и, следовательно, будет немного меньше 1.

9.3.3 Входное сопротивление, повторитель тока или усилитель с общей базой / затвором

Снова посмотрев на модели малых сигналов на рисунке 9.3.1, мы увидим, что для случая BJT вход V в будет видеть r π параллельно с последовательной комбинацией g m и R L в качестве нагрузки. Для корпуса MOS V в в основном будет отображаться только серийная комбинация g m и R L . Уравнение ниже (из модели T малого сигнала BJT) связывает g m и сопротивление, видимое на эмиттере r E . Мы также можем использовать это соотношение, чтобы получить сопротивление, наблюдаемое в источнике r S .

(также r S для MOS)

Здесь также важно отметить, что 100% (без учета I B в случае BJT) тока от входного источника протекает через транзистор и становится выходным током.Таким образом, имя текущего последователя.

9.3.4 Выходное сопротивление, токовый повторитель или усилитель с общей базой / затвором

Снова глядя на модели слабого сигнала на рисунке 9.3.1, мы видим, что как для случая BJT, так и для случая MOS выходное сопротивление представляет собой параллельную комбинацию R L и r o . В целом мы можем предположить, что это правда, если учесть, что В, в питаются от источника напряжения с низким импедансом (почти идеальным). Если это не так, то конечное выходное сопротивление должно быть добавлено последовательно с r или .Если вход токового повторителя управляется относительно высоким выходным сопротивлением усилителя крутизны, такого как общий эмиттер или усилитель-исток ранее, то выходное сопротивление комбинированного усилителя может быть очень высоким. Для большинства практических приложений мы можем игнорировать r o , потому что он очень часто намного больше, чем R L .

ADALM1000 Lab Activity, BJT-усилитель с общей базой
ADALM1000 Lab Activity, BJT Common Gate Amplifier
ADALM1000 Lab Activity, сложенный каскодный усилитель

9.4 повторителя напряжения (также называемые повторителем эмиттера или истока или усилителями с общим коллектором или стоком)

Эмиттерный или истоковый повторитель часто называют общим коллекторным или стокным усилителем, потому что коллектор или сток являются общими для входа и выхода. Эта конфигурация усилителя, показанная на рисунке 9.4, имеет выходной сигнал, полученный от резистора эмиттер / исток, и полезна в качестве устройства согласования импеданса, поскольку его входное сопротивление намного выше, чем его выходное сопротивление. По этой причине повторитель напряжения также называют «буфером».

Рисунок 9.4: Базовый повторитель напряжения n-типа или общая цепь коллектора / стока (без учета деталей смещения)

Коэффициент усиления повторителя напряжения всегда меньше единицы, поскольку r E и R L или r S и R L образуют делитель напряжения. Смещение входа и выхода устанавливается падением В, BE примерно на 0,65 В ниже базы для BJT и В GS ниже затвора для MOS.Функция этой конфигурации - не усиление напряжения, а согласование усиления тока или мощности и импеданса. Входное сопротивление намного выше, чем его выходное сопротивление, поэтому источник сигнала не должен подавать на вход столько энергии. Это видно из того факта, что ток базы примерно в 100 раз (β) меньше тока эмиттера. Низкое выходное сопротивление эмиттерного повторителя соответствует нагрузке с низким импедансом и буферизует источник сигнала от этого низкого импеданса.

9.4.1 Методы смещения постоянного тока, повторитель напряжения или усилитель общего коллектора / стока

Ток коллектора / истока в основном определяется резистором эмиттер / исток, поэтому основными переменными конструкции в этом случае являются просто R L и напряжение источника питания.

9.4.2 Коэффициент усиления по напряжению, усилитель с общим коллектором или стоком

Чтобы вычислить усиление по напряжению при слабом сигнале конфигурации повторителя напряжения, мы вставляем в схему модель транзистора с малым сигналом.Модели малых сигналов для усилителей BJT и MOS показаны на рисунке 9.4.1.

Рисунок 9.4.1 Модели с малым сигналом повторителя напряжения.

Пример 9. 4.2 Расчет усиления напряжения

Для схемы на рисунке 9.4.2 рассчитайте коэффициент усиления по напряжению A В = В из / В в .

Рисунок 9.4.2 Пример усиления напряжения BJT

Чтобы использовать формулу усиления по напряжению, которую мы только что получили с помощью моделей слабого сигнала, нам нужно сначала вычислить r E .В разделе 9.3.3 дано уравнение для r E :

Чтобы использовать эту формулу, нам необходимо знать I E . Мы знаем, что напряжение на R L составляет В, , из . Мы также знаем, что V out = V in - V BE . Если мы используем оценку В BE как 0,6 вольт, мы получим В, из = 5,6 - 0,6 или 5 вольт. Если R L составляет 1 кОм, то I E составляет 5 мА.Используя значение комнатной температуры для В T = 25 мВ, получаем, что r E равно 5 Ом. Подставляя эти значения в наше уравнение усиления, мы получаем:

9.4.3 Входное сопротивление, повторитель напряжения (общий коллектор или сток)

(BJT)

9.4.4 Выходное сопротивление, повторитель напряжения (общий коллектор или сток)

Выходной импеданс представляет собой просто параллельную комбинацию резистора эмиттера (истока) R L и сопротивления эмиттера (источника) малого сигнала транзистора r E .Снова из раздела 9.3.3 уравнение для r E выглядит следующим образом:

Аналогично, сопротивление источника слабого сигнала, r S , для МОП-транзистора составляет 1/ g m .

Возвращаясь к нашему примеру усиления на рисунке 9.4.2, мы также можем вычислить выходное сопротивление, которое будет параллельной комбинацией 1 кОм R L и 3 Ом r E или 2,99 Ом.

9.4.5 Повторитель напряжения (общий коллектор или сток) Лабораторные работы

9.Обратная связь серии 5: вырождение эмиттера / источника

Усилители с общим эмиттером / истоком дают усилителю инвертированный выходной сигнал и могут иметь очень высокий коэффициент усиления и могут широко варьироваться от одного транзистора к другому. Коэффициент усиления сильно зависит как от температуры, так и от тока смещения, поэтому фактическое усиление в некоторой степени непредсказуемо. Стабильность - еще одна проблема, связанная с цепями с таким высоким коэффициентом усиления из-за любой непреднамеренной положительной обратной связи, которая может присутствовать. Другие проблемы, связанные со схемой, включают низкий входной динамический диапазон, обусловленный пределом слабого сигнала; при превышении этого предела возникает сильное искажение, и транзистор перестает вести себя как его модель с малым сигналом. Когда вводится отрицательная обратная связь, многие из этих проблем уменьшаются, что приводит к повышению производительности. Есть несколько способов ввести обратную связь в этом простом каскаде усилителя, самый простой и самый надежный из которых достигается путем введения небольшого резистора в цепь эмиттера (R E ). Это также называется последовательной обратной связью. Величина обратной связи зависит от относительного уровня сигнала, падающего на этом резисторе. Сигнал, видимый на R E , не в фазе с сигналом, наблюдаемым на В из и, таким образом, вычитается из В, из , уменьшая его амплитуду.Когда сопротивление эмиттерного резистора приближается к значению резистора нагрузки коллектора (R L ), коэффициент усиления приближается к единице (A v ~ 1).

Рисунок 9.5: Добавление резистора эмиттер / исток уменьшает усиление. Однако с повышенной линейностью и стабильностью

Гораздо реже включать резистор дегенерации в конструкции МОП. Это связано с тем, что в микроэлектронных интегральных схемах коэффициент усиления ( g m ) устройства можно регулировать путем изменения отношения W / L.Такая степень свободы проектирования обычно недоступна в биполярных (BJT) процессах.

Пример смещения постоянного тока с вырождением эмиттера

Есть несколько практических правил смещения BJT:

1. Установите I E , а не I B или V BE : меньшая зависимость от β и температуры ( V T )
2. Разрешить 1 / 3V CC через R C , В CE и R B2
3.Экономия энергии за счет использования только 10% I E в R B

Для схемы на рисунке 9.5.1 дано следующее: В CC = 20 В; I E = 2 мА; β = 100. Исходя из наших практических правил, мы устанавливаем V B = 1/3 * V CC = 6,7 V .

Рисунок 9.5.1 Пример смещения постоянного тока

V B = ( B2 / ( B1 + R B2 )) * V CC ⇒ 6.7V = ( B2 / ( B1 + B2 )) * 20 (1)

В CC / (R B1 + R B2 ) = 0,1 * I E ⇒ 20 / (R B1 + R B2 ) = 200 мкА (2)

Решая уравнения (1) и (2), получаем:

R B1 = 2R B2 , затем из (2)

3R B2 = 20/200 мкА = 100 кОм

Итак, R B2 = 33 кОм и R B1 = 66 кОм.

Теперь у нас есть V E = V B - V BE = 6. 7 - 0,7 = 6 В и I E составляет 2 мА : R E = В E / I E = 6/2 мА = 3 кОм.

I C = (β / (β + 1)) * I E = (100/101) * 2 мА = 1,98 мА и I B = I C / β = 1,98 мА / 100 = 19,8 мкА.

Из наших практических правил мы знаем, что В C = 2/3 * 20 В = 13,3 В

Итак, чтобы найти R L , мы имеем: R L = ( V CC - V C ) / I C = (20 - 13.3) / 1,98 мА = 3,4 кОм

9.5.1 Усиление напряжения слабого сигнала с вырождением эмиттера / источника

Чтобы вычислить усиление напряжения малого сигнала усилителя с общим эмиттером / истоком с добавлением вырождения эмиттер / исток, мы снова вставляем в схему модель транзистора с малым сигналом. Модели малых сигналов для усилителей BJT и MOS показаны на рисунке 9.5.1.

Рисунок 9.5.1 Общий излучатель / источник с вырождением

Импеданс R E снижает общую крутизну g m схемы в g m R E + 1, что дает выигрыш по напряжению:

(когда г м R E »1)

Таким образом, коэффициент усиления по напряжению зависит почти исключительно от соотношения резисторов R L / R E , а не от внутренних и непредсказуемых характеристик транзистора.Таким образом, характеристики искажения и стабильности схемы улучшаются за счет уменьшения усиления.

Возвращаясь к нашему предыдущему примеру смещения, рисунок 9. 5.1, значения для I C = 2 мА, R L = 3,4 кОм и R E = 3 кОм, чтобы рассчитать усиление малого сигнала, мы сначала находим g m = I C / В T = 2 мА / 25 мВ = 0,08. Используя нашу формулу для A V :

9.5.2 Входное сопротивление слабого сигнала с вырождением излучатель / источник

Снова посмотрев на модели слабого сигнала на рисунке 9.4.1, мы видим, что для случая BJT вход В, в см. R  последовательно с резистором дегенерации R E в качестве нагрузки. Для корпуса МОП В, в видим в основном обрыв цепи.

9.5.3 Выходное сопротивление слабого сигнала с вырождением эмиттера / источника

Снова посмотрим на модели малых сигналов на рисунке 9. 5.1 мы видим, что как для случая BJT, так и для случая MOS, как и в более раннем каскаде с общим эмиттером / истоком, выходное сопротивление представляет собой параллельную комбинацию R L и r o , но теперь резистор вырождения R E идет последовательно с r или . Для большинства практических приложений мы можем игнорировать r o , потому что он очень часто намного больше, чем R L .

9.5.4 Методы смещения постоянного тока с дегенерацией эмиттера / источника

В основном те же методы, что и в простом каскаде усилителя с общим излучателем / истоком, которые обсуждались в разделе 9.2.1, может использоваться при добавлении резистора дегенерации эмиттера. Добавленное напряжение на R E (R E * I E ) должно быть добавлено к уровню смещения. Это добавленное падение напряжения фактически делает рабочую точку (I C ) гораздо менее чувствительной к уровню смещения.

Коэффициент усиления по напряжению слабого сигнала усилителя с общим эмиттером и сопротивлением эмиттера составляет примерно R L / R E . Для случаев, когда требуется усиление более 5-10, R E может стать настолько малым, что необходимое условие хорошего смещения, В E = R E * I E > 10 * В T не может быть достигнуто.Способ восстановить небольшой коэффициент усиления напряжения сигнала при сохранении желаемого рабочего смещения постоянного тока состоит в использовании байпасного конденсатора, как показано на рисунке 9.5.4. Для слабого сигнала переменного тока сопротивление эмиттера составляет всего R E1 , в то время как для смещения постоянного тока сопротивление эмиттера представляет собой последовательную комбинацию R E = R E1 + R E2 . Здесь можно применить расчеты для усилителя с общим эмиттером с вырождением эмиттера, заменив R E на R E1 при вычислении коэффициента усиления усилителя, а также входного и выходного импедансов, поскольку достаточно большой байпасный конденсатор приводит к замыканию R E2 и эффективно удаляется из схемы для достаточно высокочастотных входов.

Рисунок 9.5.4 Добавление обводного конденсатора эмиттера

Используя наше предыдущее упражнение по смещению на рисунке 9.5.1 в качестве примера, но разделив 3 кОм R E на два резистора, как на рисунке 9.5.4, с R E1 = 1 кОм и R E2 = 2 кОм с C 1 = 1 мкФ мы можем пересчитать усиление слабого сигнала для высоких частот, где C 1 эффективно закорачивает R E2 , чтобы получить:

Однако добавление байпасного конденсатора C 1 изменяет низкочастотную характеристику схемы.Из наших двух вычислений коэффициента усиления мы знаем, что коэффициент усиления схемы по постоянному току составляет -1,13, а коэффициент усиления увеличивается до -3,36 для высоких частот. Поэтому мы можем предположить, что частотная характеристика состоит из относительно низкочастотного нуля, за которым следует несколько более высокочастотный полюс. Формулы для нуля и полюса следующие:

где R ’ E = R E2 || (R E1 + R e )

В нашем примере задачи с R E1 = 1K, R E2 = 2K и C 1 = 1uF мы получаем частоту для нуля, равную 80 Гц, и частоту для полюса, равную 237 Гц.Смоделированная частотная характеристика от 1 Гц до 100 кГц для примерной схемы показана на рисунке 9.5.5.

Рисунок 9.5.5 смоделированная частотная характеристика

9.5.5 Резюме - выполнение анализа слабого сигнала:

1. Найдите рабочую точку постоянного тока.
2. Рассчитать параметры слабого сигнала: g m , r , r e и т. Д.
3. Заменить источники постоянного напряжения заземлением переменного тока и источники постоянного тока разомкнутыми цепями.
4. Замените транзистор на модель со слабым сигналом (гибридная модель π или модель T)

9.6 Теорема Миллера

На этом этапе мы собираемся отвлечься, чтобы обсудить теорему Миллера. Хотя методы, которые мы использовали до этого момента, являются полностью общими, существуют определенные конфигурации, которые поддаются более простому анализу с помощью теоремы Миллера. Теорема Миллера утверждает, что в линейной цепи, если есть ветвь с импедансом Z, соединяющая два узла с узловыми напряжениями В 1 и В 2 , эта ветвь может быть заменена двумя другими ветвями, соединяющими соответствующие узлы относительно земли импедансами соответственно Z / (1- K ) и KZ / ( K -1), где усиление от узла 1 к узлу 2 составляет K = В 2 / В 1 .

Рисунок 9.6.1 Теорема Миллера

На этом этапе мы рассмотрим шаги, которые показывают, как рассчитываются импедансы Миллера. Мы можем использовать эквивалентную двухпортовую сетевую технику, чтобы заменить двухпортовый, представленный на рисунке 9.6.1 (a), на его эквивалент на рисунке 9.6.2.

Заменив источники напряжения на рисунке 9.6.2 на их эквивалентные источники тока Norton, мы получим рисунок 9.6.3.

Используя теорему о поглощении источника (см. Приложение в конце этой главы), мы получаем рисунок 9.6.4.

Это дает нам рисунок 9.6.5 (который является рисунком 9.6.1 (b)), когда мы параллельно объединяем два импеданса.

9,7 Обратная связь по шунту:

Другой метод смещения для усилителя с общим эмиттером или истоком, называемый шунтирующей обратной связью, осуществляется путем подачи некоторой части сигнала коллектора или стока обратно на вход на базе или затворе. Это осуществляется с помощью резистора смещения (R F ), как показано на рисунке 9.7.1. Резистор R F подключается между двумя узлами, которые имеют усиление A V ( K ) между ними, и, таким образом, применение теоремы Миллера является лучшим способом анализа характеристик слабого сигнала этой схемы.

Рисунок 9.7.1 Обратная связь между стоком и затвором (а) и коллектор-база (b)

9.7.1 MOS версия

На рисунке 9.7.1 (a) показан усилитель NMOS с общим истоком, использующий смещение обратной связи по стоку. Этот тип смещения часто используется с полевыми МОП-транзисторами в режиме улучшения и может быть полезен при работе с источником питания низкого напряжения ( В, + ).Если Vin связан по переменному току, напряжение на затворе равно напряжению на стоке ( В GS = В DS ), поскольку ток затвора не течет через R F . Если Vin соединен по постоянному току, то делитель напряжения формируется R F и R S и В GS будет меньше В DS . Полезно отметить, что транзистор всегда находится в насыщении, когда В GS = В DS .Если по какой-либо причине ток стока увеличивается, например, при изменении В, + , напряжение затвора падает. Пониженное напряжение затвора, в свою очередь, вызывает уменьшение тока стока, что приводит к увеличению напряжения затвора. Контур отрицательной обратной связи достигает состояния равновесия, которое является точкой смещения схемы.

В некоторых таблицах данных для расширенных полевых МОП-транзисторов указано значение I D (on), где V GS = V DS lf I D (on) известно, компонент схемы может быть легко вычислен как показано в Примере 9.3. Входное сопротивление схемы, использующей смещение обратной связи по стоку, равно значению R F , деленному на коэффициент усиления по напряжению плюс один.

9.7.2 BJT Версия Методы смещения постоянного тока

В этой конфигурации используется отрицательная обратная связь для стабилизации рабочей точки. В этой форме смещения резистор обратной связи базы R F подключен к коллектору, а не к источнику постоянного тока В, + . Таким образом, любое сильное увеличение тока коллектора вызовет падение напряжения на резисторе R L , что, в свою очередь, уменьшит базовый ток транзистора.

Если мы предположим, что входной источник Vin связан по переменному току и в R S не течет постоянный ток смещения, из закона Кирхгофа напряжение В RF на базовом резисторе R F будет:

По модели Эберса – Молла I c = βI b , и поэтому:

Из закона Ома базовый ток I b = В RF / R F , и поэтому:

Следовательно, базовый ток I b равен:

Если В BE поддерживается постоянным и температура увеличивается, то ток коллектора I c увеличивается.Однако большее значение I c приводит к увеличению падения напряжения на резисторе R L , что, в свою очередь, снижает напряжение В RF на базовом резисторе R F . Более низкое падение напряжения на базовом резисторе снижает базовый ток I b , что приводит к меньшему току коллектора I c . Поскольку увеличение тока коллектора с температурой противоположно, рабочая точка остается более стабильной.

Плюсов:

  1. Схема стабилизирует рабочую точку от изменений температуры и β (т.е.Варианты транзисторного процесса)

Минусы:

  1. В этой схеме, чтобы I c не зависел от β, должно выполняться следующее условие:

что имеет место, когда:

  1. Поскольку β является фиксированным (и, как правило, точно не известно) для данного транзистора, это соотношение может быть выполнено либо путем сохранения достаточно большого R L , либо очень низким R F .

  2. Если R L большой, необходим высокий V + , что увеличивает стоимость, а также меры предосторожности, необходимые при обращении.
  3. Если R F низкий, обратное смещение в области коллектор – база невелико, что ограничивает диапазон колебаний напряжения коллектора, при котором транзистор остается в активном режиме.

  4. Резистор R F вызывает обратную связь по переменному току, уменьшая коэффициент усиления по напряжению усилителя.Этот нежелательный эффект является компромиссом для большей стабильности рабочей точки покоя.

Использование: Обратная связь также снижает входное сопротивление усилителя, если смотреть со стороны базы, что может быть выгодно. Из-за снижения усиления от обратной связи эта форма смещения используется только тогда, когда требуется компромисс для стабильности.

Пример 9.7.2 Использование теоремы Миллера

Для усилителя, показанного на рисунке 9.7.2 (a), с входным источником со связью по постоянному току В в рассчитайте входное и выходное сопротивление и коэффициент усиления по напряжению A В .Сначала нам нужно начать с предварительного анализа постоянного тока, чтобы определить рабочую точку Q 1 . Для этого мы установили В, в на ноль вольт, , т.е. замкнули. Если предположить, что напряжение В BE составляет 0,65 вольт, мы получим ток 65 мкА в резисторе 10 кОм R S . Учитывая, что В, + составляет 10 В, нам бы хотелось, чтобы В, из было 5 вольт. Ток в R L равен 500 мкА и будет делиться между коллектором Q 1 и резистором обратной связи R F .Напряжение на резисторе обратной связи 62,7 кОм составляет 5-0,65 или 4,35 В. Ток в R F делится между током в R S и I B . Базовый ток I B равен 4,35 / 62,7 кОм - 65 мкА или 4,3 мкА. У нас должен быть ток коллектора от 500 до 69,3 мкА или 430,3 мкА с β около 100.

Если мы воспользуемся теоремой Миллера и заменим резистор обратной связи R F двумя его эквивалентными сопротивлениями, мы получим рисунок 9.7.2 (b). Предполагая, что усиление напряжения от базы к коллектору A V значительно больше 1, мы можем сделать упрощение, что A V / (A V -1) близко к 1.Эффективное сопротивление нагрузки, R Leq , которое мы будем использовать для расчета усиления, будет 10 кОм || 62,7 кОм или 8,62 кОм. Теперь мы можем использовать те же уравнения усиления слабого сигнала для обычного излучателя или источника, которые мы использовали в разделе 9.2.2. Ток коллектора 430 мкА дает нам г м 430 мкА / 25 мВ или 0,0172. Мы знаем, что A V = - g m R Leq или A V = -0,0172 * 8,62K = -148, что равно »1.Входное сопротивление, видимое у основания Q 1 , будет равно r π  Q 1 , что равно β / g м или 100 / 0,0172 = 5,814 кОм, параллельно с сопротивлением Миллера 62,7 кОм / 149 = 421 Ом, таким образом, эффективное входное сопротивление R base будет около 392,5 Ом.

Рисунок 9.7.2 Пример использования теоремы Миллера

Входное сопротивление источника R S и эквивалентное сопротивление на базе R base образуют делитель напряжения.Чтобы рассчитать общее усиление напряжения от источника напряжения В в до В из , мы умножаем это отношение делителя на коэффициент усиления базы к коллектору, A В , который мы только что рассчитали.

Из нашего исследования конфигурации инвертирующего операционного усилителя в главе 3 мы узнали, что для усилителей с менее чем бесконечным коэффициентом усиления фактическое усиление будет меньше, чем предсказывает идеальное уравнение усиления, Gain = -R F / R S .Если бы наш одиночный транзисторный усилитель имел бесконечное усиление, коэффициент усиления от В, в до В, из был бы 62,7 кОм / 10 кОм или 6,27. В главе 3 мы получили оценку процентной ошибки ε из-за конечного усиления A V (помните, что β в этом уравнении - это коэффициент обратной связи, а не коэффициент усиления по току транзистора):

Фактическое усиление 5,6 примерно на 10% меньше идеального усиления 6,27.

Упражнение 9.7

Часть 1 Рабочая точка постоянного тока:

Для схемы на рисунке 9.7.3 рассчитайте необходимое R F для смещения рабочей точки постоянного тока так, чтобы В на выходе было равно ½ напряжения питания или + 5 В, когда Vin = 0. Предположим, В BE = 0,65 В и β = 200.

Часть 2 Усиление и сопротивление слабого сигнала:

Учитывая значение R F , вычисленное в части 1, вычислите коэффициент усиления по напряжению A В , входное сопротивление R по базе и выходное сопротивление R из .Также рассчитайте общий коэффициент усиления по напряжению В из / В из и объясните, почему это значение отличается от идеального значения –R F / R S .

9.7.5 Эффект Миллера

Эффект Миллера является ключом к прогнозированию частотной характеристики инвертирующего каскада усилителя, в который включена емкостная обратная связь. Обычно в каскаде усиления напряжения имеется полюс нижних частот, создаваемый R S источника сигнала и конденсатором обратной связи C C .Но отсечка низких частот определяется не просто R S и C C . Эффект Миллера создает эффективную емкость на базе / затворе транзистора, которая выглядит как C C , масштабированная на коэффициент усиления по напряжению усилителя.

Рисунок 9.7.3 Конденсатор обратной связи Миллера

Эффект Миллера особенно полезен, когда вы пытаетесь создать фильтр нижних частот на операционном усилителе IC с относительно низкой частотой среза. Трудность в том, что большие конденсаторы сложно изготовить, потому что они занимают много места на ИС.Решение состоит в том, чтобы сделать небольшой конденсатор, а затем масштабировать его поведение с помощью эффекта Миллера.

Эквивалентная схема

Вот упрощенная версия схемы выше.

Рисунок 9.7.4 Эквивалентная схема обратной связи Миллера

Миллер сказал, что вы можете приблизительно оценить входную емкость, заменив C C другой емкостью C M на R IN . Насколько больше C M ? C C умножается на коэффициент усиления по напряжению (A V = g m R L ) усилителя.Теорема Миллера также утверждает, что на R L будет конденсатор C ' C , который равен C C раз (A V +1) / A V , что для больших значений A V мы принимаем равным 1.

Как это работает? Что ж, мы знаем, что при приложении напряжения к конденсатору протекает ток. Насколько ток зависит от емкости: I = C C · ΔV / Δt. Однако в этой схеме усиление напряжения на R L вызывает гораздо большее ΔV через C C , в результате чего через C C протекает еще больший ток.Поэтому с точки зрения В, , , В, , она выглядит намного большей емкостью.

Пример 9.7.3 Пример емкости Миллера

В этом примере мы будем использовать схему, показанную на рисунке 9.7.5, чтобы проиллюстрировать умножение Миллера конденсатора обратной связи C C . Резисторы смещения R 1 и R S выбираются для установки такой рабочей точки постоянного тока, что В выход имеет значение постоянного тока приблизительно В, + / 2 или 5 В.При заданном сопротивлении R L 10 кОм коэффициент усиления напряжения слабого сигнала низкой частоты A В составляет примерно 80.

Теперь мы можем рассчитать частоту -3 дБ и частоту единичного усиления (0 дБ) для конденсатора обратной связи C C , равным 0,001 мкФ. Частота, на которой усиление от В на до В на выходе падает на -3 дБ от значений постоянного тока, примерно равна:

Частота единичного усиления примерно равна:

Рисунок 9.7.5 Пример емкости Миллера

Схема на рисунке 9.7.5 была смоделирована, а частотная характеристика переменного тока от 1 Гц до 1 МГц показана на рисунке 9.7.6. Усиление от В в до В из в дБ составляет 20Log (A В ) или около 38 дБ . Частота -3 дБ в этом случае будет там, где кривая усиления пересекает 35 дБ (~ 263 Гц), а частота единичного усиления будет там, где кривая усиления пересекает линию 0 дБ (~ 21.7 кГц). Результаты моделирования достаточно хорошо согласуются с нашими приблизительными ручными расчетами. Для наших ручных расчетов мы предположили, что R 1 был достаточно большим, чем R S , поэтому его можно было игнорировать, а также r π из Q 1 было достаточно большим, чтобы не оказывать существенного влияния на R S .

Рисунок 9.7.6 Моделирование частотной развертки

Краткое содержание главы:

  • Каскад с общим эмиттером имеет высокое усиление, но низкий входной и высокий выходной импеданс.

  • R E Вырождение эмиттера улучшает входной импеданс и обеспечивает отрицательную обратную связь для стабилизации рабочей точки постоянного тока, но с некоторой потерей усиления.

  • Каскад с общей базой имеет низкий входной и высокий выходной импеданс, но хорош на высоких частотах. Хороший текущий буфер иногда называют текущим последователем.

  • Общий коллекторный или эмиттерный повторитель может иметь смещение с большим входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением, но имеет примерно единичное усиление.Хороший буфер напряжения.

Приложение: Теорема поглощения источника

Теорема поглощения источника имеет две двойные формы: теоремы поглощения источника напряжения и теоремы поглощения источника тока.

Теорема поглощения источника напряжения утверждает, что если в одной ветви цепи с током I есть источник напряжения, управляемый I, источник можно заменить простым импедансом со значением, равным коэффициенту управления источником.

Доказательство тривиально.Импеданс Z, по которому протекает ток I, имеет такое же падение напряжения, которое генерирует управляемый I источник на своих выводах.

Теорема о поглощении источника тока утверждает, что если в одной ветви цепи имеется источник тока, управляемый напряжением В, , источник можно заменить простой проводимостью со значением, равным управляющему коэффициенту источника.

Доказательство снова тривиально. Полное сопротивление Y, подаваемое на напряжение В , накладывает тот же ток, что и источник Y В .

Пример A1: Определение сопротивления эмиттера с помощью теоремы о поглощении источника

На рисунке A9.3 показана модель транзистора с эквивалентной схемой малых сигналов. Найдите сопротивление Rin, глядя в эмиттер (с базой и коллектором на заземлении переменного тока слабого сигнала).

Используя то, что мы только что узнали о теореме поглощения источника для источников тока, мы знаем, что мы можем заменить управляемый источник с сопротивлением, равным 1/ г м его крутизны.

Темы для продвинутых:

AT1 Поколение диода смещения

Эксперимент: Схема транзистора


Процедура

Примечание: Эта схема была разработана, когда мы только учились обучать работе транзисторов. Теперь мудрее, мы знаем, что ниже есть некоторые ошибки в математике с вычислениями фильтра. Мы перепроектируем эту схему, когда позволят время и ресурсы, но обратите внимание, что схема все еще работает (может усиливать всплески).

Все, что вам нужно, чтобы построить усилитель, - это транзистор, источник питания, резисторы и конденсаторы. Есть много способов смешать их вместе, что является искусством (Стив Джобс часто называл компоновку схем «цифровым искусством»), но мы дадим вам некоторые основные условия и предположения, с которыми можно работать, а затем проведем вас через дизайн вашего первый простой био-усилитель!

Существует несколько конфигураций с использованием транзисторов NPN, но мы будем использовать «конфигурацию с общим эмиттером», потому что она позволяет получить высокий коэффициент усиления по напряжению.Почему его называют «усилителем с общим эмиттером»? - поскольку база - это вход, коллектор - это выход, а «общий» или земля - ​​это эмиттер.

Как любой прилежный инженер, давайте начнем с «требований», что является скучным способом сказать: «что мы хотим, чтобы эта машина действительно выполняла». В нашем биоусилителе мы хотим «усилить» очень слабые электрические сигналы в нервах тараканов. Давайте стремимся к «усилению» 150 или увеличению амплитуды сигнала в 150 раз. Мы также хотим ограничить то, что мы усиливаем, чтобы гарантировать, что мы обращаем внимание только на всплески (потенциалы действия), а не на другие электрические сигналы, такие как электрический шум от вашего дома.Итак, как и в реальном SpikerBox, мы хотим измерять только сигналы с компонентами выше 300 Гц (циклов в секунду). Это также называется "высокочастотным" сигналом.

Таким образом, у нас есть два требования

  1. Прирост 150.
  2. Настройка фильтра: фильтр высоких частот 300 Гц.

А теперь вернемся к искусству дизайна электроники. В основе нашего усилителя лежит превосходная книга Пола Шерца «Практическая электроника для изобретателей».

Детали
Помимо тараканов, кабеля и электрода, упомянутых выше, вам необходимо посетить местный дружественный RadioShack, чтобы получить:
  1. два NPN транзистора (2N4401) - из набора образцов транзисторов
  2. четыре 4.Резисторы 7 кОм - из набора образцов резисторов
  3. четыре резистора 1 кОм из того же набора образцов
  4. один резистор 50 Ом из того же набора образцов
  5. два конденсатора по 1 мкФ
  6. четыре конденсатора по 10 мкФ
  7. немного перемычки
  8. макетная плата без пайки
  9. разъем аккумулятора 9В
  10. батарея 9В
  11. разъем RCA
  12. a RadioShack Speaker (мы любим такие вещи)
Вам также понадобится небольшой кусок пробки или пенопласта, на который можно положить ногу таракана.

Проектирование схемы

Эмиттерные и коллекторные резисторы

Поскольку мы будем использовать аккумулятор на 9 В, а наши шипы имеют как положительный, так и отрицательный компонент:

Мы хотим, чтобы нейронный сигнал превышал +4,5 В, чтобы у нас было достаточно «места» напряжения для усиления как отрицательной, так и положительной части сигнала. Таким образом, необходимо, чтобы V c , или напряжение на коллекторе, составляло 1/2 V cc (это сбивает с толку, но Vcc означает «общий ток» или, в более общем смысле, наш источник питания 9 В).Таким образом, нам нужно поставить резистор на V c , чтобы установить V c = 1/2 V cc , и мы используем закон Ома V = IR, который мы можем переписать как:

I c - это ток через коллектор и функция транзистора (для его расчета используйте лист данных транзистора). Мы будем использовать значение 1 мА для I c .

4,7 кОм - стандартное значение для комплекта резисторов, поэтому мы будем использовать 4,7 кОм для R c

.

Коэффициент усиления нашей схемы, как он есть, составляет ΔV c / ΔV e , что равно отношению R c / R e .

Мы уже установили R c = 4,7 кОм, а R e уже встроен в транзистор. Его R e называется транссопротивлением, которое рассчитывается как:

I e примерно такое же, как I c , поэтому сопротивление составляет 26 Ом.

Мы можем рассчитать выигрыш следующим образом:

Однако сопротивление транзистора может быть нестабильным, поэтому нам нужно добавить собственное сопротивление R в дополнение к сопротивлению.Шерц рекомендует V e с напряжением 1 В для стабилизации нестабильности транссопротивления, поэтому согласно закону Ома:

Но обратите внимание, что добавление этого R к схеме:

У нас будет изменение в прибыли. Новое усиление:

о нет! Наше первоначальное усиление 180 исчезло! И наш выигрыш теперь намного меньше, чем нам нужно! Но, не бойтесь, мы можем добавить конденсатор параллельно с резистором 1 кОм, который фактически заставит 1 кОм исчезнуть для нашего пикового сигнала.Мы все равно хотим добавить конденсатор, так как нам нужно сделать:

Фильтр высоких частот

Резистор и конденсатор, включенные параллельно, действуют как фильтры высоких частот, и, как указано выше, мы хотим, чтобы наш фильтр высоких частот составлял 300 Гц. Это легко подсчитать.

У нас уже есть R = 1 кОм, и f должно быть 300 Гц, поэтому емкость конденсатора составляет 20 мкФ.

Все, что остается, - это входной конденсатор для устранения любого смещения постоянного тока на входном сигнале и поддержания стабильности нашей схемы. Давайте просто установим его на 1 мкФ.

Установка напряжений смещения

Помните из нашей теории транзисторов, что транзистор не включится без нажатия нижнего предела напряжения, а это примерно 0,6 В для схем на основе кремния. Нам нужно добавить резисторы смещения.

Мы хотим, чтобы напряжение на базе V b было на 0,6 В выше, чем напряжение на уровне V e , поэтому

Мы знаем, что V e составляет 1 В из-за падения напряжения, рассчитанного выше, поэтому V b должно быть 1.6В. Сделаем делитель напряжения!

Наш V в имеет курс 9 В, а наш V out равен 1,6 В, и мы используем классическое уравнение делителя напряжения:

Мы можем переставить уравнение и вычислить ...

Таким образом, R1 должен быть в ~ 4,6 раза больше, чем R2. Звучит достаточно просто, но, как показывает опыт для этой конструкции транзистора:

Итак, мы просто выберем R2 = 1 кОм и R1 = 4,7 кОм в качестве значений, поскольку мы уже используем эти значения резисторов и имеем их под рукой.

Вот и все! Пришло время ...

Построить схему

Вы посчитали, и теперь пришло время физически построить свою схему. Поместите батарею, транзистор, резисторы, конденсаторы и компоненты ввода / вывода на макетную плату, как показано ниже:

Присмотритесь к схеме на макетной плате:

Вставьте электроды в лапу таракана, как вы делали в предыдущих экспериментах, и подключите динамик к цепи.Полностью поверните динамик и почистите ножку таракана зубочисткой. Вы можете услышать очень слабый ответ, но он будет скрыт в шуме. Давайте еще немного усилим шипы. Вы можете создать «вторую стадию» усиления, как мы это делаем с нашим обычным SpikerBox, где у вас есть выход схемы, переходящий во вход другой копии схемы, как показано ниже:

Однако вы обнаружите, что это «удвоение» делает схему немного нестабильной, поэтому давайте немного снизим усиление на втором этапе.Мы добавили резистор 50 Ом параллельно с R e , чтобы немного снизить усиление второй ступени, но все равно сделают более громкие всплески, когда вы подключите эту схему к ноге таракана. Смотрите видео ниже.

Теперь вы построили свой собственный усилитель на транзисторах! Поздравляю! Дайте нам знать, если вы нашли способ сделать схему проще, чище и с большим усилением.

Обсуждение

Вы находитесь на пути к изобретению еще многих чудесных вещей.История науки определяется изобретением нового оборудования в руках творческих умов. Телескоп позволяет видеть вещи очень далеко. Микроскоп позволяет увидеть очень маленькое. Аппарат ПЦР позволяет измерять молекулы ДНК, а транзистор позволяет наблюдать крошечные электрические сигналы. С помощью этих инструментов мы можем видеть и пытаться понять мир, недоступный нашим невооруженным чувствам. Теперь начнем открывать.

Вопросы для обсуждения

  1. Почему шипы от нашего простого двухтранзисторного биоусилителя «шумнее», чем SpikerBox? Что делает SpikerBox? Подсказка: SpikerBox имеет намного больше транзисторов и использует их для создания операционных усилителей, которые затем смешиваются с инструментальными усилителями.Добро пожаловать в искусство электроники!

Схема простого однотранзисторного усилителя звука

Схема простого однотранзисторного усилителя звука

Если вы хотите построить простой аудиоусилитель без запутанных компонентов, вы можете построить простую однотранзисторную схему аудиоусилителя, используя BC547 и резистор, конденсатор. Эта схема может управлять громкоговорителем 8 Ом и производить значительный звук. Для лучшего результата используйте источник постоянного тока 9 Вольт.

Два типа однотранзисторных схем аудиоусилителя, разработанные на транзисторе BC 547, здесь первый предназначен для усиления прямого аудиосигнала, а другой - для усиления аудиосигнала от конденсаторного микрофона в качестве предусилителя.

Принципиальная схема

Предварительный усилитель

Необходимые компоненты

  1. Транзистор BC 547 (NPN) = 2
  2. Резистор 2 кОм = 2
  3. Резистор 10 кОм, 2.2 кОм каждый
  4. Электролитический конденсатор 47 мкФ / 16 В
  5. Электролитический конденсатор 1 мкФ / 16 В = 2
  6. Громкоговоритель
  7. Батарея 9 В

Строительство и работа

Чтобы построить схему усилителя, начните с транзистора BC 547 и подключите соответствующее смещение к клеммам коллектора, базы и эмиттера. Для первой схемы громкоговоритель напрямую подключается к клемме коллектора транзистора, а динамик схемы предварительного усилителя подключается через конденсатор связи C2.

Входной аудиосигнал для первой схемы подается на базу BC 547 через конденсатор C1 (47 мкФ) и резистор R1, связанный с коллектором, следовательно, достаточный аудиосигнал и напряжение смещения выше напряжения отсечки постоянно присутствует на клемме базы BC 547 и усиливает входной сигнал рядом с пиком Vcc.

Входной аудиосигнал для второй схемы подается от конденсаторного микрофона, и он может обрабатывать электрический аудиосигнал с искажениями и шумами, чтобы улучшить аудиосигнал, который нам нужен для фильтрации и усиления входного сигнала.Для усиления микрофонного сигнала резистор R1 подключен на входе к Vcc, а конденсатор C1 отвечает за устранение искажений и передачу аудиосигнала на транзистор BC 547 Base. R2 действует как коллекторный резистор связи, затем выходной аудиосигнал принимается с клеммы коллектора и подается на громкоговоритель через конденсатор C2. Применяя смещение выше отсечки к транзистору, мы не можем получить звуковой сигнал с фазовым сдвигом.

Однотранзисторный усилитель звука

- Hackster.io

Однотранзисторный аудиоусилитель

Ред. - 25 апреля 2016 г.

Введение

Проект: Pinguino Single Transistor Audio Amplifiers

Автор: Ян Зумвальт

Лицензия: Не защищено авторским правом

95

905 содержимое домена (более трех общедоступных источников) см .: http://zoomaviation.com/pinguino/hardware-projects/1-transistor-audio-amp-5/

Подключение очень маленького динамика напрямую к выходному контакту Pinguino PIC возможен, но громкость мала.Фактически в нескольких дюймах от динамика слышны только средние частоты. Добавление простого однотранзисторного аудиоусилителя увеличит громкость и частотную характеристику до уровня, к которому мы привыкли.

Все схемы, представленные здесь, будут работать с подходящей производительностью с микросхемой Pinguino PIC. Тем не менее, для оптимальной производительности схема может быть спроектирована так, чтобы максимизировать возможности тока вывода PIC. Именно это и будет делать первая представленная схема. Мы продемонстрируем, как рассчитать значения для простого транзисторного усилителя 2n3904.

Параметры

PIC18F2455 / 2550/4455/4550 может подавать до 300 мА на усилитель или динамик. Для улучшенного вывода звука на громкоговоритель большим улучшением будет один транзисторный аудиоусилитель.

Итак, какие у нас есть варианты?

Максимальный выход на динамик 8 Ом можно рассчитать по формуле закона Ома P = V * I, или в данном случае P = 5 В * 300 мА = 1,5 Вт. Желательно, чтобы Vout составлял 1/2 от V +, чтобы транзистор находился в середине рабочего диапазона.

Расчеты

Ссылка на формулу закона Ома

Распиновка общих транзисторов

Vout = R2 * R1 + R2 * Vin

можно переставить, чтобы получить:

R1 = R2 (Vin * Vout - 1)

Мы знаем динамик R2, это 8 Ом, Vin - 5 В, а Vout - 2 .83V. Таким образом, подставьте значения, и мы получим:

R1 = 8 (52,83 - 1)

, что дает нам 6,134 Ом. Ближайший стандартный размер резистора будет 6,8 Ом, что было бы идеально. Конечно, вам понадобится хороший толстый резистор, не менее 1 Вт, а лучше немного больше.

Ваша схема может выглядеть как Рис-1.

Рис. 1: Схема одноканального транзисторного усилителя звука 5 В 2N3904 NPN. Целиком Схема может быть помещена в контейнер Tic-Tac (см. фото на обложке). Наушники или может использоваться небольшой динамик.

Рис-2: Схема однотранзисторного аудиоусилителя 15 В NPN

Рис-3: Схема однотранзисторного усилителя звука 12 В NPN

Рис-4: Схема однотранзисторного аудиоусилителя BC337 NPN с чипом 5 В

Рис-5: Схема однотранзисторного аудиоусилителя 15 в NPN

Рис-6: Схема одноканального транзисторного усилителя мощностью 5 В NPN

Рис.7: Схема усилителя звука на одном транзисторе NPN 9В 2N4401

Рис-8: Схема усилителя звука на одном транзисторе 9В 2N2222 NPN

Рис-9: Схема одноканального усилителя аудио NPN 6В BC547 NPN Можно использовать любые транзисторы NPN, такие как BC 547.Это усилитель с общей базой и 100-кратным усилением, который может работать от 2 до 9 В.

Fig-10: простой аудиоусилитель BC547 NPN 5 В

Обратная связь | Биполярные переходные транзисторы

Если некоторый процент выходного сигнала усилителя подключен к входу, так что усилитель усиливает часть своего выходного сигнала, мы получаем так называемую обратную связь .

Категории отзывов

Обратная связь бывает двух видов: положительная (также называется регенеративная ) и отрицательная (также называемая дегенеративная ) 19

Положительный отзыв

Усиливает направление изменения выходного напряжения усилителя, в то время как отрицательная обратная связь делает прямо противоположное.

Знакомый пример обратной связи происходит в системах громкой связи («PA»), когда кто-то держит микрофон слишком близко к динамику: следует пронзительный «вой» или «вой», потому что система аудиоусилителя обнаруживает и усиливает его шум. В частности, это пример положительной или регенеративной обратной связи , поскольку любой звук, обнаруживаемый микрофоном, усиливается и превращается в более громкий звук динамиком, который затем снова обнаруживается микрофоном, и так далее.. . результатом является постоянно увеличивающийся шум, пока система не станет «насыщенной» и больше не сможет производить громкость.

Можно задаться вопросом, какова возможная обратная связь по преимуществу для схемы усилителя, учитывая такой раздражающий пример, как «вой» системы PA. Если мы вводим положительную или регенеративную обратную связь в схему усилителя, она имеет тенденцию создавать и поддерживать колебания, частота которых определяется значениями компонентов, обрабатывающих сигнал обратной связи от выхода к входу.Это один из способов сделать схему генератора для выработки переменного тока из источника постоянного тока. Осцилляторы - очень полезные схемы, поэтому обратная связь имеет для нас определенное практическое применение.

Отрицательный отзыв

С другой стороны, отрицательная обратная связь оказывает «демпфирующее» действие на усилитель: если выходной сигнал увеличивается по величине, сигнал обратной связи оказывает понижающее влияние на вход усилителя, тем самым препятствуя изменению выходного сигнала. .В то время как положительная обратная связь ведет схему усилителя к точке нестабильности (колебания), отрицательная обратная связь ведет ее в противоположном направлении: к точке стабильности.

Схема усилителя, снабженная некоторой отрицательной обратной связью, не только более стабильна, но и меньше искажает форму входного сигнала и, как правило, способна усиливать более широкий диапазон частот. Компромисс за эти преимущества (у есть только , что является недостатком для отрицательной обратной связи, верно?) - это уменьшение усиления.Если часть выходного сигнала усилителя «возвращается» на вход, чтобы противодействовать любым изменениям на выходе, потребуется большая амплитуда входного сигнала для приведения выхода усилителя к той же амплитуде, что и раньше. Это представляет собой уменьшенное усиление. Однако такие преимущества, как стабильность, меньшие искажения и большая полоса пропускания, для многих приложений оправдывают снижение коэффициента усиления.

Давайте рассмотрим простую схему усилителя и посмотрим, как мы можем ввести в нее отрицательную обратную связь, начиная с рисунка ниже.

Усилитель с общим эмиттером без обратной связи.

Показанная здесь конфигурация усилителя представляет собой общий эмиттер с цепью резистивного смещения, образованной R1 и R2. Конденсатор связывает Vinput с усилителем, так что источник сигнала не имеет постоянного напряжения, наложенного на него цепью делителя R1 / R2. Резистор R3 служит для управления усилением напряжения. Мы могли бы опустить его для максимального усиления напряжения, но, поскольку такие базовые резисторы часто встречаются в схемах усилителей с общим эмиттером, мы сохраним его в этой схеме.

Как и все усилители с общим эмиттером, этот инвертирует входной сигнал по мере его усиления. Другими словами, положительное входное напряжение заставляет выходное напряжение уменьшаться или двигаться в сторону отрицательного значения, и наоборот.

Осциллограммы осциллографа показаны на рисунке ниже.

Усилитель с общим эмиттером, без обратной связи, с эталонными формами сигналов для сравнения.

Поскольку выход является инвертированным или зеркальным отображением входного сигнала, любое соединение между выходным (коллекторным) проводом и входным (базовым) проводом транзистора на рисунке ниже приведет к отрицательной обратной связи .

Отрицательная обратная связь, обратная связь коллектора, снижает выходной сигнал.

Сопротивления R1, R2, R3 и Rfeedback действуют вместе как сеть смешивания сигналов, так что напряжение, наблюдаемое на базе транзистора (относительно земли), является средневзвешенным значением входного напряжения и напряжения обратной связи, в результате на транзистор поступает сигнал пониженной амплитуды. Таким образом, схема усилителя на рисунке выше будет иметь пониженное усиление по напряжению, но улучшенную линейность (уменьшенные искажения) и увеличенную полосу пропускания.

Однако резистор, соединяющий коллектор с базой, - не единственный способ ввести отрицательную обратную связь в эту схему усилителя. Другой метод, хотя сначала более сложный для понимания, включает размещение резистора между выводом эмиттера транзистора и землей цепи, как показано на рисунке ниже.

Обратная связь эмиттера: Другой метод введения отрицательной обратной связи в схему.

Этот новый резистор обратной связи понижает напряжение пропорционально току эмиттера, проходящего через транзистор, и делает это таким образом, чтобы противодействовать влиянию входного сигнала на переход база-эмиттер транзистора.Давайте внимательнее рассмотрим переход эмиттер-база и посмотрим, чем отличается этот новый резистор на рисунке ниже.

При отсутствии резистора обратной связи, соединяющего эмиттер с землей на рисунке ниже (a), любой уровень входного сигнала (Vinput), проходящего через конденсатор связи, и цепь резисторов R1 / R2 / R3 будет воздействовать непосредственно на переход база-эмиттер. как входное напряжение транзистора (VB-E). Другими словами, без резистора обратной связи VB-E равно Vinput. Следовательно, если Vinput увеличивается на 100 мВ, то VB-E увеличивается на 100 мВ: изменение в одном равно изменению в другом, поскольку два напряжения равны друг другу.

Теперь давайте рассмотрим влияние вставки резистора (Rfeedback) между выводом эмиттера транзистора и землей на рисунке ниже (b).

(a) Нет обратной связи по сравнению с (b) обратной связью от эмиттера. Форма волны на коллекторе инвертирована относительно базы. В (b) форма волны эмиттера синфазна (эмиттерный повторитель) с базой, не в фазе с коллектором. Следовательно, сигнал эмиттера вычитается из выходного сигнала коллектора.

Обратите внимание, как падение напряжения на Rfeedback складывается с VB-E для равного Vinput.С Rfeedback в цикле Vinput — VB-E VB-E больше не будет равняться Vinput. Мы знаем, что Rfeedback будет понижать напряжение, пропорциональное току эмиттера, который, в свою очередь, управляется током базы, который, в свою очередь, управляется напряжением, падающим на переходе база-эмиттер транзистора (VB-E). Таким образом, если Vinput увеличится в положительном направлении, это приведет к увеличению VB-E, вызывая больший базовый ток, вызывая больший ток коллектора (нагрузки), вызывая больший ток эмиттера и вызывая падение большего напряжения обратной связи на Rfeedback.Это увеличение падения напряжения на резисторе обратной связи, однако, вычитает из Vinput, чтобы уменьшить VB-E, так что фактическое увеличение напряжения для VB-E будет меньше, чем увеличение напряжения Vinput. Увеличение Vinput на 100 мВ больше не будет приводить к полному увеличению на 100 мВ для VB-E, потому что два напряжения , а не , равны друг другу.

Следовательно, входное напряжение имеет меньшее влияние на транзистор, чем раньше, и коэффициент усиления по напряжению для усилителя уменьшается: именно то, что мы ожидали от отрицательной обратной связи.

В практических схемах с общим эмиттером отрицательная обратная связь - не просто роскошь; это необходимость для стабильной работы. В идеальном мире мы могли бы построить и использовать транзисторный усилитель с общим эмиттером без отрицательной обратной связи и получить полную амплитуду Vinput, передаваемую через переход база-эмиттер транзистора. Это дало бы нам большой выигрыш по напряжению. К сожалению, соотношение между напряжением база-эмиттер и током база-эмиттер изменяется с температурой, как и предсказывается «уравнением диода».По мере того как транзистор нагревается, прямое падение напряжения на переходе база-эмиттер будет меньше для любого заданного тока. Это создает для нас проблему, поскольку сеть делителей напряжения R1 / R2 предназначена для обеспечения правильного тока покоя через базу транзистора, чтобы он работал в любом желаемом классе работы (в этом примере я показал усилитель, работающий в режиме класса А). Если соотношение напряжение / ток транзистора изменяется с температурой, величина напряжения смещения постоянного тока, необходимая для желаемого класса работы, изменится.Горячий транзистор потребляет больше тока смещения при той же величине напряжения смещения, заставляя его нагреваться еще больше, потребляя еще больший ток смещения. Результат, если этот флажок не установлен, называется тепловой разгон .

Однако усилители с общим коллектором

(рисунок ниже) не страдают от теплового разгона. Почему это? Ответ связан с отрицательной обратной связью.

Усилитель с общим коллектором (эмиттерным повторителем).

Обратите внимание, что нагрузочный резистор усилителя с общим коллектором (рисунок выше) установлен в том же месте, что и резистор обратной связи в последней цепи на рисунке выше (b): между эмиттером и землей.Это означает, что единственное напряжение, приложенное к переходу база-эмиттер транзистора, составляет разность между Vinput и Voutput, что приводит к очень низкому усилению напряжения (обычно близкому к 1 для усилителя с общим коллектором). Для этого усилителя невозможен тепловой разгон: если ток базы увеличивается из-за нагрева транзистора, ток эмиттера также увеличивается, что приводит к большему падению напряжения на нагрузке, что, в свою очередь, вычитает из Vinput, чтобы уменьшить величину падения напряжения между базой и эмиттер.Другими словами, отрицательная обратная связь, обеспечиваемая размещением нагрузочного резистора, делает проблему теплового разгона самокорректирующейся . В обмен на значительно сниженный коэффициент усиления напряжения мы получаем превосходную стабильность и защиту от теплового разгона.

Добавляя резистор «обратной связи» между эмиттером и землей в усилителе с общим эмиттером, мы делаем усилитель немного менее похожим на «идеальный» общий эмиттер и немного больше похожим на общий коллектор. Значение резистора обратной связи обычно немного меньше, чем нагрузка, что сводит к минимуму количество отрицательной обратной связи и сохраняет довольно высокий коэффициент усиления по напряжению.

Еще одно преимущество отрицательной обратной связи, ясно видимое в схеме с общим коллектором, состоит в том, что она снижает зависимость коэффициента усиления по напряжению усилителя от характеристик транзистора. Обратите внимание, что в усилителе с общим коллектором коэффициент усиления по напряжению почти равен единице (1), независимо от β транзистора. Это означает, среди прочего, что мы могли бы заменить транзистор в усилителе с общим коллектором на транзистор с другим β и не увидеть каких-либо значительных изменений коэффициента усиления по напряжению.В схеме с общим эмиттером коэффициент усиления по напряжению сильно зависит от β. Если бы мы заменили транзистор в схеме с общим эмиттером на другой с другим β, коэффициент усиления по напряжению для усилителя значительно изменился бы. В усилителе с общим эмиттером, оснащенном отрицательной обратной связью, коэффициент усиления по напряжению все еще будет зависеть от транзистора β в некоторой степени, но не так сильно, как раньше, что делает схему более предсказуемой, несмотря на изменения в транзисторе β.

Тот факт, что мы должны ввести отрицательную обратную связь в усилитель с общим эмиттером, чтобы избежать теплового разгона, является неудовлетворительным решением.Можно ли избежать теплового разгона, не подавляя изначально высокое усиление по напряжению усилителя? Лучшее из двух решений этой дилеммы станет для нас доступным, если мы внимательно рассмотрим проблему: усиление напряжения, которое мы должны минимизировать, чтобы избежать теплового разгона, - это усиление напряжения DC , а не усиление напряжения AC . В конце концов, не входной сигнал переменного тока питает тепловой разгон: это напряжение смещения постоянного тока, необходимое для определенного класса работы: этот сигнал постоянного тока покоя, который мы используем, чтобы «обмануть» транзистор (по сути, устройство постоянного тока) для усиления сигнал переменного тока.Мы можем подавить усиление постоянного напряжения в схеме усилителя с общим эмиттером без подавления усиления переменного напряжения, если найдем способ заставить отрицательную обратную связь работать только с постоянным током. То есть, если мы возвращаем только инвертированный сигнал постоянного тока с выхода на вход, но не инвертированный сигнал переменного тока.

Эмиттерный резистор обратной связи обеспечивает отрицательную обратную связь, понижая напряжение, пропорциональное току нагрузки. Другими словами, отрицательная обратная связь достигается за счет добавления импеданса в путь тока эмиттера.Если мы хотим подавать обратную связь по постоянному току, но не по переменному току, нам нужен высокий импеданс для постоянного тока, но низкий для переменного тока. Какая схема имеет высокий импеданс для постоянного тока и низкий импеданс для переменного тока? Конечно же, фильтр верхних частот!

Подключив конденсатор параллельно резистору обратной связи на рисунке ниже, мы создаем ту самую ситуацию, которая нам нужна: путь от эмиттера к земле проще для переменного тока, чем для постоянного.

Восстановление высокого напряжения переменного тока путем добавления Cbypass параллельно с Rfeedback

Новый конденсатор «шунтирует» переменный ток от эмиттера транзистора к земле, так что никакое заметное переменное напряжение не будет падать с эмиттера на землю для «обратной связи» на входе и подавления усиления напряжения.С другой стороны, постоянный ток не может проходить через байпасный конденсатор и поэтому должен проходить через резистор обратной связи, снижая напряжение постоянного тока между эмиттером и землей, что снижает коэффициент усиления постоянного напряжения и стабилизирует реакцию усилителя на постоянном токе, предотвращая тепловое отклонение. Поскольку мы хотим, чтобы реактивное сопротивление этого конденсатора (XC) было как можно более низким, байпас должен быть относительно большим. Поскольку полярность на этом конденсаторе никогда не изменится, для этой задачи безопасно использовать поляризованный (электролитический) конденсатор.

Другой подход к проблеме отрицательной обратной связи, уменьшающей усиление напряжения, заключается в использовании многокаскадных усилителей, а не однотранзисторных усилителей. Если ослабленное усиление одного транзистора недостаточно для поставленной задачи, мы можем использовать более одного транзистора, чтобы компенсировать уменьшение, вызванное обратной связью. Пример схемы отрицательной обратной связи в трехкаскадном усилителе с общим эмиттером на рисунке ниже.

Обратная связь вокруг «нечетного» количества каскадов с прямым соединением с общим эмиттером создает отрицательную обратную связь.

Путь обратной связи от конечного выхода к входу проходит через единственный резистор Rfeedback. Поскольку каждый каскад представляет собой усилитель с общим эмиттером (таким образом, инвертирующий), нечетное количество каскадов от входа к выходу будет инвертировать выходной сигнал; обратная связь будет отрицательной (дегенеративной). Относительно большой объем обратной связи может быть использован без ущерба для усиления по напряжению, поскольку три каскада усилителя для начала обеспечивают большое усиление.

На первый взгляд такая философия дизайна может показаться неэлегантной и, возможно, даже контрпродуктивной.Разве это не довольно грубый способ преодолеть потерю усиления, вызванную использованием отрицательной обратной связи, просто восстановить усиление, добавляя этап за этапом? Какой смысл создавать огромное усиление по напряжению с использованием трех транзисторных каскадов, если мы все равно собираемся ослабить все это усиление с помощью отрицательной обратной связи? Дело в повышении предсказуемости и стабильности схемы в целом, хотя поначалу это может быть не очевидно. Если три транзисторных каскада предназначены для обеспечения произвольно высокого коэффициента усиления по напряжению (в десятки тысяч или более) без обратной связи, будет обнаружено, что добавление отрицательной обратной связи приводит к тому, что общий коэффициент усиления по напряжению становится менее зависимым от конкретного человека ступени и приблизительно равны простому отношению Rfeedback / Rin.Чем больше коэффициент усиления по напряжению в схеме (без обратной связи), тем точнее коэффициент усиления по напряжению будет приблизительно соответствовать Rfeedback / Rin после установления обратной связи. Другими словами, усиление напряжения в этой схеме фиксируется номиналами двух резисторов и не более того.

Это преимущество для массового производства электронных схем: если усилители с предсказуемым усилением могут быть сконструированы с использованием транзисторов с широко варьируемыми значениями β, это упрощает выбор и замену компонентов. Это также означает, что коэффициент усиления усилителя мало меняется при изменении температуры.Этот принцип стабильного управления усилением с помощью усилителя с высоким коэффициентом усиления, «прирученного» отрицательной обратной связью, возведен почти до уровня искусства в электронных схемах, называемых операционными усилителями или операционными усилителями . Вы можете узнать больше об этих схемах в следующих главах этой книги!

ОБЗОР:

  • Обратная связь - это соединение выхода усилителя с его входом.
  • Положительная обратная связь или рекуперативная имеет тенденцию делать схему усилителя нестабильной, что вызывает колебания (переменный ток).Частота этих колебаний во многом определяется компонентами цепи обратной связи.
  • Отрицательная или дегенеративная обратная связь имеет тенденцию делать схему усилителя более стабильной, так что ее выходной сигнал изменяется на меньше для данного входного сигнала, чем без обратной связи. Это снижает коэффициент усиления усилителя, но имеет преимущество уменьшения искажений и увеличения полосы пропускания (диапазона частот, с которым может работать усилитель).
  • Отрицательная обратная связь может быть введена в схему с общим эмиттером путем соединения коллектора с базой или путем вставки резистора между эмиттером и землей.
  • Резистор «обратной связи» между эмиттером и землей обычно используется в схемах с общим эмиттером в качестве профилактической меры против теплового разгона .
  • Отрицательная обратная связь также имеет то преимущество, что усиление напряжения усилителя больше зависит от номиналов резистора и меньше зависит от характеристик транзистора.
  • Усилители с общим коллектором имеют много отрицательной обратной связи из-за размещения нагрузочного резистора между эмиттером и землей. Эта обратная связь обеспечивает чрезвычайно стабильный коэффициент усиления по напряжению усилителя, а также его устойчивость к тепловому разгоне.
  • Коэффициент усиления по напряжению для схемы с общим эмиттером можно восстановить без ущерба для устойчивости к тепловому разгоне, подключив байпасный конденсатор параллельно с эмиттерным «резистором обратной связи».
  • Если усиление по напряжению усилителя произвольно велико (десятки тысяч или больше) и используется отрицательная обратная связь для уменьшения усиления до разумных уровней, будет обнаружено, что коэффициент усиления будет примерно равен R обратной связи / R . в . Изменения в транзисторе β или других значениях внутренних компонентов мало повлияют на усиление напряжения при работе обратной связи, в результате чего усилитель будет стабильным и простым в конструкции.
СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

PNP и NPN схемы усилителя на транзисторах Дарлингтона

В этом руководстве мы узнаем о транзисторах Дарлингтона или паре Дарлингтона. Мы увидим, в чем польза пары Дарлингтона, несколько примеров схем, некоторые общие приложения, а также преимущества и недостатки.

Введение в транзистор Дарлингтона

Транзистор Дарлингтона или просто пара Дарлингтона в основном используется для обеспечения очень высокого коэффициента усиления по току даже при низком базовом токе.Конфигурация Дарлингтона была изобретена Сидни Дарлингтоном в 1953 году.

На современном рынке доступно большое количество транзисторов Дарлингтона, различающихся полярностью, током коллектора, рассеиваемой мощностью, типом корпуса, максимальным напряжением CE и т. Д.

Эти транзисторы используются в различных типах приложений, таких как регуляторы мощности, контроллеры двигателей, усилители звука и т. Д. Многие схемы оптоизоляторов сделаны на транзисторах Дарлингтона, чтобы иметь высокую токовую нагрузку на выходном каскаде.Давайте вкратце рассмотрим этот транзистор с приложениями.

Транзистор Дарлингтона

НАЗАД НАЗАД

Почему мы используем транзистор Дарлингтона?

Как мы знаем, чтобы перевести транзистор в режим проводимости, требуется небольшой базовый ток, когда база подключена как вход, эмиттер как общий, а коллектор как выход.

Но, когда мы рассматриваем нагрузку на выводе коллектора, этого небольшого тока базы может быть недостаточно, чтобы привести транзистор в состояние проводимости.Коэффициент усиления по току или бета транзистора - это отношение тока коллектора к току базы.

Коэффициент усиления транзистора или коэффициент усиления по току (β) = ток нагрузки или коллектора / входной или базовый ток

Ток нагрузки = усиление тока (β) × базовый ток

Для нормального транзистора значение β равно 100.

Приведенное выше соотношение говорит о том, что ток, доступный для управления нагрузкой, в 100 раз превышает входной ток транзистора.

Рассмотрим рисунок ниже, где NPN-транзистор используется для переключения лампы с переменным резистором, подключенным между истоком и выводом базы.Здесь, в этой схеме, базовый ток является единственным фактором, определяющим ток, протекающий через коллектор и эмиттер, так что свет будет светиться от тусклого до очень яркого за счет изменения сопротивления переменного резистора.

Если значение сопротивления переменного резистора больше, базовый ток уменьшается, поэтому транзистор становится выключенным. Когда сопротивление слишком мало, через цоколь будет протекать достаточное количество тока, в результате чего через лампу протекает очень большой ток, поэтому лампа становится ярче.Это усиление тока в транзисторе.

Стандартное переключение на одном транзисторе

В приведенном выше примере мы видели управление нагрузкой (лампой) с использованием одного транзистора. Но в некоторых приложениях входной базовый ток от источника может быть недостаточным для управления нагрузкой. Мы знаем, что ток нагрузки в транзисторе - это произведение входного тока и усиления транзистора.

Поскольку увеличение тока базы невозможно из-за источника питания, единственный способ увеличить допустимый ток нагрузки - это увеличить коэффициент усиления транзистора.Но это тоже фиксировано для каждого транзистора. Однако мы можем увеличить коэффициент усиления, используя комбинацию двух транзисторов. Эта конфигурация называется конфигурацией транзистора Дарлингтона.

НАЗАД НАЗАД

Транзистор Дарлингтона или пара Дарлингтона

Транзистор Дарлингтона - это соединение двух транзисторов спина к спине, которое поставляется в виде полного пакета с трехпроводной базой, эмиттером и коллектором, что эквивалентно одному транзистору.Пара биполярных транзисторов обеспечивает очень высокий коэффициент усиления по току по сравнению с одним стандартным транзистором, как упоминалось выше.

Пара этих транзисторов может быть PNP или NPN в зависимости от используемого приложения. На рисунке ниже показана конфигурация пары Дарлингтона с транзисторами NPN и PNP.

Конфигурации транзисторов Дарлингтона

Рассмотрим NPN-конфигурацию транзистора Дарлингтона. В этом случае очень небольшой ток базы вызывает протекание большого эмиттерного тока, который затем прикладывается к базе следующего транзистора.

Усиленный ток в первом транзисторе снова усиливается коэффициентом усиления по току второго транзистора. Следовательно, эмиттерный ток второго транзистора очень велик, что достаточно для управления высокими нагрузками.

Предположим, что если коэффициент усиления по току первого транзистора равен β1, а коэффициент усиления по току следующего транзистора равен β2, то общий коэффициент усиления по току транзисторов будет произведением β1 и β2. Для стандартного транзистора β равно 100. Таким образом, общий коэффициент усиления по току равен 10000.Это значение очень велико по сравнению с одиночным транзистором, поэтому такое усиление по току дает высокий ток нагрузки.

Обычно, чтобы включить транзистор, входное напряжение базы должно быть больше 0,7 В. Поскольку в этой конфигурации используются два транзистора, базовое напряжение должно быть больше 1,4 В.

Из рисунка, коэффициент усиления по току первого транзистора

β 1 = I C1 / I B1,

, следовательно, I C1 = β 1 I B1

Аналогично, текущий коэффициент усиления следующего транзистора,

β 2 = I C2 / I B2, , затем I C2 = β 2 I B2

Общий ток на коллекторе I C = I C1 + I C2

I C = β 1 I B1 + β 2 I B2

А ток базы второго транзистора,

I B2 = I B + I C1

I B2 = β 1 I B + I B

I B2 = I B (1 + β 1 )

Подставляя в приведенное выше уравнение,

I C = β 1 I B + β 2 I B (1 + β 1 )

I C = I B 1 + β 2 + β 1 β 2 )

В приведенном выше соотношении отдельные выигрыши не учитываются, а общее уравнение аппроксимируется как

I C = I B 1 β 2 )

Это общий прирост,

β = (β 1 β 2 )

А также V BE = V BE1 + V BE2.

НАЗАД НАЗАД

Пример схемы транзистора Дарлингтона

Рассмотрим следующую схему, в которой пара Дарлингтона используется для переключения нагрузки, рассчитанной на 12 В и 80 Вт. Коэффициенты усиления по току первого и второго транзисторов равны 50 и 60 соответственно. Итак, базовый ток, необходимый для полного включения лампы, рассчитывается следующим образом.

Схема транзистора Дарлингтона

Ток коллектора равен току нагрузки,

Я С = 80/12 = 6.67 А

Выходной ток транзистора Дарлингтона определяется как Ic = I B 1 + β 2 + β 1 β 2 ),

I B = I C / (β 1 + β 2 + β 1 β 2 )

Текущая прибыль, β 1 = 50 и β 2 = 60

Итак, I B = 6,67 / (50 + 60 + (60 × 50))

I B = 2,2 мА

Из приведенного выше расчета ясно, что при небольшом базовом токе мы можем переключать большие ламповые нагрузки.Это небольшое базовое входное напряжение может подаваться с любого выхода микроконтроллера или любых цифровых логических схем.

НАЗАД НАЗАД

Применение транзистора Дарлингтона

Транзисторы Дарлингтона

в основном используются в устройствах переключения и усиления для обеспечения очень высокого усиления постоянного тока. Некоторые из ключевых приложений - это переключатели высокого и низкого уровня, усилители датчиков и усилители звука. Для светочувствительных применений используются фотодарлингтоны.Давайте посмотрим на работу транзистора Дарлингтона для конкретного приложения.

НАЗАД НАЗАД

NPN транзистор Дарлингтона как переключатель

На рисунке ниже показано управление светодиодом с помощью транзистора Дарлингтона. Переключатель на базовом выводе также можно заменить сенсорным датчиком, чтобы светодиод для определения касания загорелся. Резистор 100 кОм действует как защитный резистор для пары транзисторов.

Транзистор Дарлингтона в качестве переключателя

  • Когда переключатель замкнут, указанное напряжение больше 1.На транзистор Дарлингтона подается 4 В. Это приводит к тому, что пара Дарлингтона становится активной и пропускает ток через нагрузку. В результате светодиод светится очень ярко, даже при изменении сопротивления в основании.
  • Когда переключатель разомкнут, оба биполярных транзистора находятся в режиме отсечки, и ток через нагрузку равен нулю. Таким образом, светодиод погаснет.
  • Также можно использовать пару Дарлингтона для управления индуктивными нагрузками, такими как реле, двигатели. По сравнению с одиночным транзистором, управление индуктивной нагрузкой с помощью пары Дарлингтона более эффективно, поскольку она обеспечивает высокий ток нагрузки при небольшом входном токе базы.
  • На рисунке ниже показана пара Дарлингтона, которая управляет катушкой реле. Как мы знаем, для индуктивных нагрузок необходим параллельный диод свободного хода для защиты цепи от наведенных токов. Подобно работе схемы светодиодов, описанной выше, катушка реле возбуждается при подаче тока базы. Мы также можем использовать двигатель постоянного тока в качестве индуктивной нагрузки вместо катушки реле.

Транзистор Дарлингтона для переключения реле

НАЗАД НАЗАД

PNP-транзистор Дарлингтона в качестве переключателя
  • Мы можем использовать транзисторы PNP как пару Дарлингтона, но чаще всего используются транзисторы NPN.Нет большой разницы в схеме с использованием NPN или PNP. На рисунке ниже показана простая схема датчика, которая подает сигнал тревоги при работе пары Дарлингтона.
  • Эта схема представляет собой простой индикатор уровня воды, в котором пара Дарлингтона используется в качестве переключателя. Мы знаем, что эта конфигурация транзистора обеспечивает большой ток коллектора, поэтому он может управлять зуммером на выходе.
  • Когда уровня воды недостаточно, чтобы закрыть датчик, транзистор Дарлингтона находится в состоянии ВЫКЛ.Следовательно, цепь становится разомкнутой, и через нее не течет ток.
  • При повышении уровня воды датчик активируется и подает необходимый базовый ток паре Дарлингтона. Следовательно, цепь замыкается, и ток нагрузки течет, так что зуммер издает сигнал тревоги или звук.

PNP транзистор Дарлингтона как переключатель

НАЗАД НАЗАД

Транзистор Дарлингтона в качестве усилителя

В случае усилителей мощности или напряжения сопротивление нагрузки на выходе очень низкое, чтобы протекать большой ток.Этот ток протекает через вывод коллектора транзистора, если транзистор используется для усиления. Чтобы транзисторы подходили для усилителей мощности, они должны управлять высокими токами нагрузки.

Это требование может быть невозможно с одиночным транзистором, который управляется малым базовым током. Для удовлетворения требований к высокому току нагрузки используется пара Дарлингтона, которая обеспечивает высокий коэффициент усиления по току.

Транзистор Дарлингтона в качестве усилителя

На рисунке выше показана схема усилителя класса A, в которой используется конфигурация транзистора Дарлингтона для обеспечения высокого тока коллектора.Транзистор Дарлингтона предлагает коэффициент усиления, равный произведению двух отдельных коэффициентов усиления.

Следовательно, при небольшом базовом токе выходной ток на выводе коллектора очень высок. Таким образом, благодаря устройству транзистора Дарлингтона, этот усилитель обеспечивает достаточный усиленный ток на нагрузку.

НАЗАД НАЗАД

Преимущества пары Дарлингтона

Пара Дарлингтона

имеет ряд преимуществ по сравнению со стандартным одиночным транзистором.Некоторые из них

  • Он дает очень высокий коэффициент усиления по току, чем стандартный одиночный транзистор
  • Он предлагает очень высокий входной импеданс или хорошее преобразование импеданса, что позволяет изменять вход или источник с высоким импедансом на нагрузку с низким импедансом.
  • Они могут состоять из двух отдельных транзисторов или поставляться в одном корпусе.
  • Простая и удобная конфигурация схемы за счет использования небольшого количества компонентов.
  • В случае пары фото-Дарлингтона вносимый шум намного меньше по сравнению с фототранзистором с внешним усилителем.

НАЗАД НАЗАД

Недостатки транзистора Дарлингтона
  • Скорость переключения низкая
  • Пропускная способность ограничена
  • На определенных частотах в цепи отрицательной обратной связи эта конфигурация вносит фазовый сдвиг.
  • Требуемое напряжение база-эмиттер высокое и в два раза больше, чем на одном стандартном транзисторе.
  • Высокая рассеиваемая мощность из-за высокого напряжения насыщения.
  • Общий ток утечки высок, потому что ток утечки первого транзистора усиливается следующим транзистором.Вот почему три или более стадий Дарлингтона невозможны.

Следовательно, пара Дарлингтона очень полезна в большинстве приложений, поскольку она обеспечивает высокий коэффициент усиления по току при низких базовых токах. Несмотря на некоторые ограничения, эти пары широко используются в приложениях, где не требуется высокая частотная характеристика и требуются высокие уровни тока усиления.

В случае схем усилителя мощности звука эта конфигурация обеспечивает лучший выход.Мы надеемся, что эта статья предоставила качественную информацию по этой теме. Если вы считаете, что этот контент является полезным и информативным, не стесняйтесь писать нам свои комментарии в разделе комментариев ниже.

НАЗАД НАЗАД

ПРЕДЫДУЩИЙ - ПОЛЕВЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ

ПЕРЕЙТИ К ПЕРВОМУ - ВВЕДЕНИЕ В ТРАНЗИСТОРЫ

Создайте этот 8-транзисторный стереоусилитель

Во время исследования перехода на твердотельные устройства я наткнулся на действительно интересную статью о первой в мире транзисторной системе Hi-Fi.Эта статья дает хорошее закулисное представление о том, как выполняется электронный дизайн. Часто успех зависит от убеждения начальника в том, что определенная идея или процесс стоит того. Транзисторы в 50-е годы были трудными в изготовлении, шумными и ненадежными, а когда они работали, то только на низкой частоте и очень малой мощности. Многие инженеры изо всех сил пытались выяснить, для чего нужен транзистор, кроме миниатюрных слуховых аппаратов или преобразования сигнала в диодных логических схемах. Конечно, вакуумная трубка была большой и неэффективной, но она могла делать все, что требовалось в то время.За исключением случаев, когда вам нужны были тысячи их для компьютера, тогда они были не так хороши.

Логический модуль IBM 700 Series

К 1960-м годам транзистор наконец нашел свою нишу в портативных и мобильных радиоприемниках AM, стереосистемах Hi-Fi, компьютерах и телефонных повторителях, в то время как электронные лампы продолжали оставаться в высокочастотных радиоприемниках, усилителях мощности РЧ и высоком напряжении. переключатели. Транзистору пришлось вести борьбу с электронной лампой, пока разрабатывались новые материалы и производственные процессы.Переход на транзисторы и устаревание электронных ламп потребовали десятилетий, а не взрыва. ЭЛТ-дисплей, гигантская стеклянная вакуумная бутылка, заполненная оловом, медью, цинком, цезием, серебром и свинцом, не исчезла со сцены до первого десятилетия 21-го века, его заменил плоский стеклянный экран, полный транзисторов. Но в наших микроволновых печах все еще есть электронные лампы. Я думаю, последний бой.

В 1968 году Radio Shack представила свои первые наборы P-Box, предназначенные для экспериментаторов электроники.Это были отличные комплекты, содержащие все электронные компоненты, провода и монтажную плату, необходимые для создания полезного электронного устройства. Первые комплекты P-Box, выпущенные в 1968 году, подозрительно походили на те, которые продавались Eico под брендом Eicocraft, но быстро расширились (Radio Shack продавала экспериментальные комплекты Eico, Knight и Allied Radio до 1973 года). В 1969 году был выпущен комплект 8-транзисторного стереоусилителя, но в 1972 году его сняли. Причины неясны, но я подозреваю, что германиевые транзисторы с «согласованной парой» были дорогими и труднодоступными.Кроме того, комплект усилителя был одним из самых сложных в каталоге и, вероятно, работал не очень хорошо, что было бы разочарованием, учитывая его стоимость.

После прочтения статьи о транзисторных Hi-Fi, упомянутой ранее, и изучения доступной документации по набору 8-ми транзисторного стереоусилителя, я захотел его создать. В самых дешевых усилителях 1969 года использовалось как минимум два трансформатора связи. Эти трансформаторы упростили схему усилителя, но они добавили веса и ограничили низкочастотный и высокочастотный отклик.В комплекте Radio Shack использовалась двухтактная конструкция с прямым соединением, которую в то время можно было найти только в «серьезном» Hi-Fi оборудовании, где не было трансформаторов. Все, что мне нужно было сделать, это переделать комплект для кремниевых транзисторов, улучшить двухтактную схему смещения и ограничить высокочастотную характеристику чем-то разумным. Результату этой работы и посвящена данная статья. Мне было очень приятно, что в итоге я получил симпатичный маленький «винтажный» усилитель, который воспроизводит звук, заполняющий всю комнату, при подключении к эффективной акустической системе.Как вы можете видеть из демонстрации видео в начале этой статьи, вам не нужно 1000 Вт при 0,0000001% THD, чтобы заполнить комнату хорошими мелодиями.

Технические характеристики созданного мною усилителя:

THD: <1% при 500 мВт на канал

Входное сопротивление: 700 кОм минимум

Чувствительность: -10 дБВ (0,316 В среднеквадр.) См. Примечание ниже

Частотный диапазон: от 35 Гц до 20 кГц (+/- 1 дБ)

Частоты среза: 27 Гц и 65 кГц

Входная мощность: 9 В при 500 мА макс. Или 12 В при 700 мА макс.Рекомендуется 1000 мА.

Выходная мощность при 9 В Входная мощность: 1 Вт на 8 Ом (0,5 Вт на канал) или 2 Вт на 4 Ом (1 Вт на канал)

Выходная мощность при 12 В Входная мощность: 2 Вт на 8 Ом (1 Вт на канал) или 4 Вт на 4 Ом (2 Вт на канал)

Примечание. Входная чувствительность усилителя масштабируется до входного напряжения линейного уровня потребителя около 0,8 В (пиковое значение) (0,316 В среднеквадратичного значения) для максимальной выходной мощности. Хотя это идеально подходит для ноутбука, MP3-плеера, микшера, CD-плеера, AM / FM-тюнера или старинной магнитофонной деки, этого может быть недостаточно для многих звукоснимателей акустических / электрических инструментов или динамических микрофонов без предварительного усилителя или "топтания". коробка ".

ТАКЖЕ ...

Обязательно ознакомьтесь с руководством по сборке ниже по странице, потому что оно включает несколько предложений по улучшению усилителя:

  • Добавление светодиодного индикатора питания
  • Удвоение выходной мощности до 2 Вт
  • Добавление источника питания переменного тока для домашнего и портативного использования
  • И многое другое ...

Схема стереоусилителя

Усилители правого и левого каналов идентичны, поэтому в этом разделе я опишу только левый канал.

В усилителе есть три каскада: дифференциальный усилитель (Q1), драйвер общего эмиттера (Q2) и двухтактный выход (Q3 и Q4).

Ступени усилителя

Дифференциальный каскад усилителя

Каскад дифференциального усилителя обеспечивает три основные функции для остальных каскадов:

1. Схема смещения начальной загрузки, состоящая из C2 и R2-R5, которая увеличивает входное сопротивление усилителя примерно до 2 МОм.

2. Контур обратной связи постоянного тока, состоящий из R7 и R8, для управления общим коэффициентом усиления усилителя, уменьшения искажений и поддержания двухтактного выходного напряжения на уровне 1/2 напряжения источника питания.

3. Фильтр нижних частот первого порядка, состоящий из C3 в сочетании с R7 / R8, который ограничивает высокочастотную характеристику до 65 кГц.

Резисторы R2 и R3 образуют цепь смещения делителя напряжения для Q1, которая устанавливает напряжение коллектора около 8,2 В и ток коллектора на уровне 500 мкА. Коэффициент усиления по напряжению для дифференциального усилителя составляет -21 дБ (потери), а фазовый сдвиг сигнала составляет 180 градусов, поэтому необходим другой каскад усилителя, чтобы исправить это перед отправкой сигнала на выходной каскад.

Не беспокойтесь о том, что первая ступень будет выглядеть немного необычно. Это не канонический дифференциальный усилитель из класса схем, в котором используются два транзистора. Проект 8-ми транзисторного стереоусилителя должен был работать только на 4-х транзисторах на канал, поэтому в конструкции отказались от одного из транзисторов дифференциального усилителя и использовалась схема эмиттера в качестве входа. У него есть некоторые ограничения, но он работает.

Стандартный дифференциальный усилитель


Для тех, кто хотел бы поэкспериментировать с этой частью схемы самостоятельно, чтобы увидеть, как она работает на самом деле, я предоставил быстрый дизайн, аналогичный тому, который использовался в проекте усилителя, и включил схему ниже.Это всего лишь несколько компонентов, и их можно смонтировать на макетной плате без пайки.

Однотранзисторный дифференциальный усилитель


Подключите генератор сигналов к клемме IN +, заземлите клемму IN-, а затем подключите канал 1 двойного осциллографа к клемме OUT, а канал 2 - к клемме IN +. Установите генератор сигналов на 1 кГц с выходом 1Vpp. Кривая осциллографа должна выглядеть так, как первая диаграмма ниже. Обратите внимание, что вход и выход дифференциального усилителя синфазны, а коэффициент усиления (Vpp OUT / Vpp IN) примерно равен единице.

Неинвертирующий вход (желтый) и выход дифференциального усилителя (синий) - в фазе


Снимите генератор сигналов и осциллограф. Подключите генератор сигналов к клемме IN-, заземлите клемму IN +, а затем подключите канал 1 осциллографа с двумя трассами к клемме OUT, а канал 2 - к клемме IN-. Кривая осциллографа должна выглядеть как вторая диаграмма ниже. Обратите внимание, что вход и выход дифференциального усилителя сдвинуты по фазе на 180 градусов, а коэффициент усиления (Vpp OUT / Vpp IN) примерно равен единице.

Инвертирующий вход (желтый) и выход дифференциального усилителя (синий) - фазовый сдвиг на 180 градусов


Это поведение, ожидаемое от дифференциального усилителя с коэффициентом усиления 1. Вы можете увидеть аналогичное поведение от ИС операционного усилителя или канонического двухтранзисторного дифференциального усилителя.

Одним из важнейших показателей характеристик дифференциального усилителя является коэффициент подавления синфазного сигнала (CMMR). Если вы подаете сигнал точно такой же амплитуды и фазы на клеммы IN + и IN- дифференциального усилителя, выходной сигнал должен быть нулевым.Если это не так, значит, усилитель выдает ошибку на выходе. Практичные диффузоры не идеальны, поэтому CMMR часто используется как критерий качества. ИС коммерческих операционных усилителей обычно достигают CMMR от 70 до 100 дБ в зависимости от частоты сигнала. Простой однотранзисторный дифференциальный усилитель будет не очень хорош, но ведь это всего лишь один транзистор.

Чтобы определить CMMR для схемы диффузора, показанной выше, замените R6 подстроечным резистором 2 кОм (контакт 1 - эмиттер Q1, контакт 2 - C2 +).Подсоедините клеммы IN + и IN- к генератору сигналов. Отключите канал 2 осциллографа и регулируйте канал 1 до появления сигнала. Отрегулируйте резистор подстроечного резистора, пока выходное напряжение диффузора не станет настолько низким, насколько возможно. Размах выходного сигнала должен составлять около 10 мВ, как показано на графике ниже.

Неинвертирующие и инвертирующие входы, связанные вместе, отображающие синфазный выход


Следующий расчет дает значение CMMR этого дифференциального усилителя:

Коэффициент усиления в дифференциальном режиме = OUT / (IN + - IN-) = 1Vpp / (1Vpp - 0Vpp) = 1

Синфазное усиление = OUT / IN = 0.01Vpp / 1Vpp = 0,01

CMMR = усиление в дифференциальном режиме / усиление в синфазном режиме = 1 / 0,01 = 100

CMMRdb = 20 * log (CMMR) = 40 дБ

Таким образом, эта схема дифференциального усилителя очень проста, использует только один транзистор и может масштабироваться для различных коэффициентов усиления в дифференциальном режиме.

Но ...

Это CMMR не так хорош, как канонический диффузор или операционный усилитель, а входное сопротивление на неинвертирующем входе довольно низкое (около 1500 Ом).

Но если вы примете это во внимание, легко спроектировать небольшой усилитель, который действительно хорошо работает всего с несколькими транзисторами.

Ступень драйвера общего эмиттера

Это каскад усиления напряжения усилителя. Q2 усиливает выходной сигнал Q1 и обеспечивает усиление по напряжению +45 дБ, которое используется для управления двухтактным выходным каскадом. Чтобы максимизировать усиление и размах выходного напряжения, Q2 не использует дегенерацию эмиттера, поэтому его выход коллектора будет довольно нелинейным и зависит от температуры.Это исправляется с помощью контура обратной связи постоянного тока R7 и R8.

Ток коллектора для Q2 установлен на 5 мА и течет через динамик, R11, D1 и D2. Этого небольшого тока через динамик недостаточно для генерирования измеримой мощности или слышимого шума, но он обеспечивает небольшой сигнал обратной связи в цепи коллектора Q2, который корректирует искажения кроссовера в Q3 / Q4.

Кроссовер искажений без двухтактного смещения

В исходной схеме усилителя использовался резистор для установки тока покоя для Q3 / Q4.Падение напряжения на этом резисторе было пропорционально току коллектора в Q2 и немного включало Q3 / Q4, так что усилитель работал в режиме класса A для слабых сигналов. К сожалению, при изменении температуры в Q3 / Q4 их базовый ток будет увеличиваться, увеличивая падение напряжения на резисторе. По мере увеличения падения напряжения на резисторе ток покоя Q3 / Q4 будет увеличиваться, повышая их температуру. Этот цикл будет повторяться до тех пор, пока температуры Q3 / Q4 не станут настолько высокими, что они самоуничтожатся.

Чтобы избежать этого, я заменил оригинальный резистор смещения на D1 и D2. Комбинация этих двух диодов обеспечивает смещение 1,4 В для Q3 / Q4, которое почти не зависит от тока базы Q3 / Q4. Не совсем независимый, но гораздо ближе, чем резистор. D1 и D2 также имеют отрицательный температурный коэффициент по отношению к напряжению перехода. Таким образом, когда температура окружающей среды увеличивается, что приводит к увеличению тока в Q3 / Q4, напряжение перехода D1 / D2 уменьшается, что снижает ток в Q3 / Q4.В идеале D1 и D2 должны быть физически близки к Q3 / Q4 (по возможности установлены на радиаторе), но используемая здесь схема стабилизации диода отлично зарекомендовала себя в моих тестах на температуру и выходную мощность. Конденсатор C4 предотвращает звон при переходе Q3 / Q4.

Без искажений кроссовера с двухтактным смещением диода

Двухтактный выходной каскад

Двухтактный выходной каскад обеспечивает усиление по току, необходимое в сочетании с усилением по напряжению драйвера CE для создания выходной мощности, которая управляет динамиком.Q3 и Q4 работают независимо для больших сигналов (работа класса B), но в тандеме для малых сигналов (работа класса A). Для больших сигналов Q3 будет проводить одну половину цикла, а Q4 - вторую половину. Для небольших сигналов Q3 и Q4 будут вносить вклад в обе половины цикла.

Выходное напряжение постоянного тока на Q3 / Q4 составляет 1/2 напряжения источника питания, чтобы обеспечить максимальное колебание напряжения переменного тока без искажения ограничения.Для батареи 9 В выходное напряжение постоянного тока двухтактной составляет 4,5 В. Мы не хотим, чтобы это напряжение постоянного тока появлялось на динамике, так как это приведет к потере большого количества энергии на нагрев катушки динамика и отсутствие звука в процессе. Мы хотим, чтобы на динамик поступало только напряжение переменного тока от стадии драйвера CE. C5 отделяет выходное напряжение постоянного тока на двухтактном каскаде от динамика и допускает появление только переменного напряжения. Компромисс с разделительным конденсатором C5 заключается в том, что на низких частотах импеданс C5 снижает выходное напряжение на динамик, что ограничивает самую низкую частоту источника музыки, которая может быть усилена, которая в данном случае составляет около 27 Гц.

Коэффициент усиления по напряжению выходного каскада Push-Pull составляет -6 дБ (потери), но коэффициент усиления по току для каскада Push-Pull составляет + 35 дБ, что позволяет небольшому току в Q2 производить большой ток в Q3 / Q4. Общий коэффициент усиления по напряжению усилителя складывается из всех коэффициентов усиления:

Diff Amp Gain + CE Driver Gain + Push-Pull Gain = (-21 дБ) + 45 дБ + (-6 дБ) = + 18 дБ

Рабочие параметры

После сборки усилителя были измерены следующие рабочие параметры при напряжении питания 9 В:

Ток покоя постоянного тока = 11 мА на канал (всего 22 мА)

Максимальное колебание напряжения = 6Vpp

Отклонение источника питания = -20 дБ

Усиление напряжения = + 18 дБ

Выходная мощность при КНИ 1% = 0.525 Вт на канал

Входное сопротивление = 700 кОм

Частотная характеристика +/- 1 дБ = от 35 Гц до 20 кГц

Нижняя отсечка = 27 Гц

Высокочастотная отсечка = 65 кГц

Описанный здесь проект 8-ми транзисторного стереоусилителя основан на одноименном комплекте Radio Shack pbox, но в него добавлены кремниевые транзисторы и пассивные компоненты, которые можно легко приобрести у поставщиков электроники, таких как Mouser и Digikey.Я построил модернизированный комплект усилителя, описанный здесь, и считаю, что он работает лучше, чем исходный комплект в 1969 году. Чтобы упростить воспроизведение моей работы, я предоставил иллюстрации и пошаговую документацию по сборке на основе публикации стиль, использованный для оригинального продукта. Но каждая страница была создана с оригинальным контентом специально для обновленного усилителя.

Скачать инструкцию по сборке >>> ЗДЕСЬ <<<.

Я собрал комплект за два вечера, не торопясь и перепроверив свой прогресс, следуя инструкции.Если вы знакомы с техникой изготовления макетов, вы, вероятно, сможете завершить проект за один вечер.

Важное примечание:

Обязательно прочтите раздел «Усовершенствования и хитрости», прежде чем заказывать детали и начинать сборку. Возможно, вы захотите включить некоторые из предлагаемых модификаций во время строительства или придумать свои собственные перед тем, как начать.

Просмотрите список деталей и получите указанные компоненты.Все компоненты доступны от Mouser или Digikey или могут быть получены от других поставщиков, которые могут быть более удобными для вашей географии. Общая стоимость всех новых запчастей в небольших количествах составляет около 40 долларов, не включая налоги и доставку. Чтобы представить эту стоимость в перспективе, в 1969 году был представлен 8-ми транзисторный стереоусилитель по розничной цене 8,95 долларов. Экономическая стоимость 9 долларов в 1969 году эквивалентна примерно 61 доллару сегодня. Если вычесть стоимость указанных мною регуляторов громкости (регуляторы не были включены в исходный комплект), проект усилителя может быть построен примерно за половину скорректированной стоимости проектного комплекта, предложенного Radio Shack в 1969 году.Но имейте в виду, что Radio Shack нужно было получать прибыль от продажи и поддержки своего набора, что объясняет каталожную цену.

Ниже приведены несколько примечаний относительно деталей, используемых для проекта 8-транзисторного стереоусилителя:

1. Резисторы для данного проекта можно приобрести в Mouser, Digikey, Newark или у других розничных продавцов электронных компонентов. Но я очень рекомендую отличный комплект резисторов Joe Knows Electronics. Он включает в себя большинство (но не все) резисторов, которые вам нужны для этого проекта, и более 860 различных значений, которые можно использовать для других проектов, все они указаны в отдельных пластиковых упаковках за 20 долларов.В этом проекте я использовал все резисторы 1/4 Вт, чтобы сэкономить место. Вы также можете найти хорошие предложения на комплекты резисторов на Amazon, выполнив поиск по запросу «комплект резисторов» и ища комплект с допуском 1%, который включает в себя наибольшее количество значений и количество деталей по лучшей цене. Некоторые действительно хорошие комплекты резисторов можно найти менее чем за 20 долларов. Я делал это несколько раз и всегда был доволен деталями, которые я получал, независимо от поставщика.

2. Конденсаторы для проекта можно приобрести у Mouser, Digikey, Newark или у других розничных продавцов электронных компонентов.Я использовал конденсаторы из набора конденсаторов Джо Ноуса и набор электролитов, который я нашел на Amazon за 10 долларов.

3. Транзисторы для проекта - это обычные транзисторы 2N3904 / 2N3906, которые можно найти где угодно, выполнив поиск по номеру транзистора. Все полупроводники, которые я использовал, были взяты из полупроводникового комплекта Джо Ноуса. Это отличный набор компонентов, который включает в себя три буклета, объясняющих, как компоненты работают, и предлагает несколько примеров схем, чтобы помочь проиллюстрировать, как их подключить в схему.

4. Корпус для проекта стереоусилителя, который я построил, - это Hammond 1591GSBK ABS Project Box от Mouser. Я использовал кусок векторного макета, вырезанный так, чтобы поместиться наверху, и покрасил распылением высокотемпературным автомобильным красным цветом и закончил прозрачным покрытием. Мне нравится внешний вид красного на черном, а красный цвет макета соответствует красному цвету оригинального комплекта pbox. Это полностью зависит от вас, как вы хотите разместить и раскрасить комплект, который вы построите.

5. В оригинальном комплекте pbox использовались луженые пружинные зажимы для крепления батареи, динамиков и входных соединений к корпусу монтажной платы.Эти зажимы было проблемой припаивать, когда они были новыми, и они потускнели, как сумасшедшие после установки, что привело к прерывистым соединениям. К счастью для всех, они больше не доступны. Для этого проекта я обнаружил, что лучше всего подходят двухпозиционные клеммные колодки и стереоразъем 1/8 дюйма (3,5 мм).

Обратите внимание: у меня нет деловых отношений ни с одним из вышеперечисленных поставщиков. Ничего ценного не было обменено на мою рекомендацию. Ни один из вышеперечисленных поставщиков не предоставил какой-либо компенсации во время создания этого проекта.Я не получу никакой компенсации, если вы решите создать этот проект или приобрести компоненты у любого рекомендованного мной поставщика. У меня просто был хороший опыт работы с поставщиками, которых я рекомендую, и я верю, что вы тоже.

В оригинальной схемотехнике стереоусилителя от Radio Shack использовалось 8 германиевых транзисторов, расположенных в три этапа: дифференциальный усилитель, драйвер CE и двухтактный выход. Эти каскады были обычным явлением в конструкции высококачественных коммерческих усилителей, поэтому проект 8-ми транзисторного стереоусилителя должен был тогда заслужить много поклонников.Однако всего через 3 года набор был отозван, что говорит о том, что после первоначального маркетингового интервала по каталогу продукт был всего около года. Когда в 1969 году был выпущен комплект, кремниевые транзисторы заменили германий в новых коммерческих усилителях. Однако GE и ETCO продолжали продавать германиевые транзисторы любителям примерно до 1979 года через Radio Shack, Lafayette, Poly Paks и другие. Итак, почему комплект не прошел успешно?

Что ж, на то есть веские причины:

Германий был относительно простым элементом в работе на заре создания транзисторов, но его недостатки сделали кремний более привлекательным элементом после того, как проблемы производства были преодолены.Германий имеет более низкий энергетический зазор между валентной зоной и зоной проводимости, что приводит к более высокому току утечки, пропорциональному температуре. Германий имеет более низкую теплопроводность, чем кремний, из-за чего транзистору труднее избавляться от внутреннего тепла. При повышении внутренней температуры возникает больший ток утечки, который выделяет больше тепла ... и так далее. Комбинация этих двух свойств может привести к тепловому разгоне, закончившемуся саморазрушением устройства. Первоначальная конструкция усилителя не предусматривала метода предотвращения теплового разгона в двухтактной конфигурации, что делало усилитель ненадежным.

К 1959 году ни один производитель не открыл способ создания оксида на германии. Это позволило планарным транзисторам из оксида кремния достичь доминирующего положения в производстве с точки зрения производительности, стоимости и надежности. Поскольку стоимость кремниевых транзисторов упала, германий не успевал за ними, и в конечном итоге транзисторы, используемые в наборе, стали слишком дорогими. Чтобы свести к минимуму возможность теплового разгона, Radio Shack продавала согласованные пары полупроводников, которые сортировались вручную, что еще больше увеличивало стоимость транзисторов.

По цене 9 долларов (61 доллар в 2017 году) 8-ми транзисторный стереоусилитель был самым дорогим комплектом в линейке Pbox и содержал 56 деталей. Для сравнения, в комплекте с 3-х транзисторным коротковолновым радиоприемником по цене 8 долларов было всего 39 деталей, а в комплекте с беспроводным FM-микрофоном по цене 7 долларов было всего 23. Я подозреваю, что было очень мало молодых клиентов, которые могли позволить себе продукт такого комплекса, и было больше заводских переделок и возврат возвращается, чем ожидалось.

Итак ...

Чтобы преодолеть ограничения оригинального комплекта, я включил несколько модификаций для повышения производительности и надежности, в том числе:

1.Измените конструкцию усилителя для использования доступных кремниевых транзисторов.

2. Улучшенный контроль смещения для двухтактной ступени.

3. Увеличьте выходную емкость связи для улучшения низкочастотной характеристики.

4. Добавьте компенсационный конденсатор для увеличения спада высоких частот выше звуковых частот.

5. Замените луженые пружинные клеммы клеммными колодками и стереоразъемом для повышения надежности подключения.

6. Измените масштаб усиления усилителя для достижения максимальной мощности при современных линейных напряжениях.

Я не пытался упростить проект. Мой редизайн требует 69 деталей, а сборочный документ состоит из 9 страниц. Поэтому я не рекомендую этот проект новичку. Но если вам нравится работать с дискретными аналоговыми компонентами на монтажной плате и у вас есть хорошие навыки пайки, этот проект - как раз то, что вам нужно.

Я думаю, что этот редизайн набора - одно из самых увлекательных, которые я получил, работая над этими редизайнами Pbox. Проект 8-ми транзисторного стереоусилителя, который я построил, может легко заполнить комнату отличным звуком, если подключить к нему набор хороших динамиков.Впечатляет то, что можно достичь с помощью нескольких транзисторов и стандартной батареи на 9 В (даже если эта батарея не прослужит долго при полной мощности).

Схема печатной платы (верх)

Руководство по сборке содержит пошаговый контрольный список для установки и пайки каждого компонента на плиту. Как вы можете видеть на иллюстрации с противоположной стороны, я использовал двухточечную проводку со сплошным соединительным проводом 24 AWG.Большинство подключений можно выполнить только с помощью выводов компонентов. Но провода питания, заземления и сигнальной шины лучше всего выполнять с помощью длинных соединительных проводов.

Схема монтажной платы (снизу)

Когда дело доходит до проводки, старайтесь быть настолько аккуратным, как я указал в руководстве по сборке. Вам не обязательно быть лучшим мастером пайки в мире, но нет веских причин делать работу на полпути. Сделайте все возможное, чтобы ваш проект выглядел как можно лучше.

Перфорированная плата, указанная в списке деталей, слишком велика, чтобы поместиться на корпусе Hammond, поэтому требуется некоторая обрезка, как показано на изображениях ниже. Выполните следующие действия, чтобы подготовить монтажную плату перед установкой компонентов:

Предупреждение: когда я пишу «острый край», я имею в виду нож Xacto или аналогичный. Эти продукты очень острые (подумайте о хирургическом скальпеле) и могут сильно повредить, если вы не будете очень осторожны.Будьте предельно осторожны при работе с любым режущим инструментом.

1. Используя острый край, аккуратно сделайте надрез на перфорированной плате вдоль ряда отверстий ВЕРХНИЙ РЯД и НИЖНИЙ РЯД до конца доски. Проведите острым краем над линией надреза несколько раз, пока он не войдет в перфорированную плату на 1/4 - 1/2 пути.

2. Используя острый край, аккуратно сделайте надрез на перфорированной плате вдоль ПРАВОЙ и ЛЕВОЙ КОЛОННЫ отверстий до конца доски. Проведите острым краем над линией надреза несколько раз, пока он не войдет в перфорированную плату на 1/4 - 1/2 пути.

Надрезать края перфорированной платы по пунктирной линии

3. Используя маленькие плоскогубцы, осторожно отогните ВЕРХНИЙ РЯД от линии надреза. Работайте с одним концом ВЕРХНЕГО РЯДА, двигаясь к центру, а затем другим концом. Секция TOP ROW со временем отколется от перфорированной платы.

4. Используя маленькие плоскогубцы, осторожно отогните НИЖНИЙ РЯД от линии разреза. Работайте с одним концом НИЖНЕГО РЯДА, двигаясь к центру, а затем другим концом.Секция НИЖНЕГО РЯДА со временем отколется от перфорированной платы.

5. Используя маленькие плоскогубцы, осторожно отогните ПРАВУЮ КОЛОНКУ от линии надреза. Работайте одним концом ПРАВОЙ КОЛОННЫ, двигаясь к центру, а затем другим концом. Секция ПРАВАЯ КОЛОНКА со временем отколется от перфорации.

6. Используя небольшие плоскогубцы, осторожно отогните ЛЕВУЮ КОЛОНКУ от линии надреза. Работайте с одним концом ЛЕВОЙ КОЛОННЫ, двигаясь к центру, а затем другим концом.Раздел COLUMN со временем отколется от перфорированной платы.

Осторожно разделите края перфорированной платы по линиям надреза

7. Используя нож Exacto, совместите обрезанную перфорированную плату с корпусом Hammond и увеличьте отверстия в углу, чтобы они совпадали с монтажными отверстиями в углу корпуса. Работайте медленно и осторожно с минимальным давлением, чтобы не сломать угловой элемент.

8. Поместите монтажные скобы потенциометра на перфорированную плату и увеличьте отверстия в перфорированной плате, чтобы они совпадали с отверстиями в скобах.Работайте медленно и осторожно с минимальным давлением, чтобы не повредить перфорированный картон.

Вырезать отверстия для винтов корпуса и кронштейна

9. Распылите краску на перфорированную плиту любым цветом по вашему выбору или оставьте его естественным. Это твой выбор.

Краска желаемого цвета

Я обычно использую плоский красный, а затем 2–3 слоя глянцевого лака.

Скобы для регулятора громкости, которые я сделал, были из старого номерного знака, который я вырезал ножницами.Но вы можете использовать любой тонкий металл, который у вас есть. Я также использовал заглушки для разъемов PCI от старого настольного компьютера. Я покрасил кронштейны темно-серой автомобильной краской, но вы можете использовать любой цвет, который вам нравится. Нет попытки. Делай или не делай.

Выполните первые несколько шагов из руководства по сборке, чтобы установить монтажные кронштейны регулятора громкости. По завершении проект должен выглядеть примерно так, как на изображениях ниже.

Потенциометры, указанные в списке деталей, поставляются с шестигранными гайками и плоскими шайбами.В руководстве по сборке указан порядок установки этого оборудования. Чтобы вал потенциометра не выходил слишком далеко от кронштейна, я установил внутреннюю шестигранную гайку и плоскую шайбу так, чтобы внешняя шестигранная гайка и шайба находились внутри первой пары витков резьбы на валу.

Важное примечание: Если вы используете потенциометры другого производителя, чем я указал, убедитесь, что они поставляются с монтажным оборудованием, иначе вам придется покупать собственные.

Потенциометры и оборудование для их крепления

Положение крепежа на кронштейне

Установленные потенциометры и оборудование

1/8 дюйма (3.5 мм) стерео-разъем, указанный в списке деталей, имеет предварительно сформированные контакты для автоматической вставки в печатную плату. Я выпрямил штифты плоскогубцами, выровнял штифты на монтажной плате и сильно надавил на разъем, чтобы он встал заподлицо. Возможно, вам придется немного увеличить отверстия в перфорированной плате, если разъем не будет вставлен с умеренным усилием. Не применяйте чрезмерное давление.

Три двухпозиционных клеммных колодки будут установлены заподлицо с монтажной платой с очень небольшим усилием. Слегка согните штифты наружу, чтобы они оставались на месте.

В руководстве по сборке описаны эти шаги, но я хотел, чтобы вы могли увидеть, как должна выглядеть плата после установки всех разъемов.

Стереоразъем установлен

Установлены разъемы динамика и питания

После завершения усилитель левого канала должен выглядеть примерно так, как на изображениях ниже.Я использовал цветной соединительный провод для соединений потенциометра, чтобы было легче идентифицировать каждый выступ потенциометра (A, B или C).

После завершения усилитель правого канала должен выглядеть примерно так, как на изображениях ниже. Я использовал цветной соединительный провод для соединений потенциометра, чтобы было легче идентифицировать каждый выступ потенциометра (A, B или C).

После завершения 8-ми транзисторный стереоусилитель должен выглядеть примерно так, как показано ниже.Теперь вы готовы подключить аккумулятор и динамики, подключить источник звука и послушать некоторые мелодии на усилителе, который вы построили сами.

Руководство по сборке описывает настройку и работу усилителя, а также некоторые модификации, которые при желании можно сделать для удвоения выходной мощности. Хотя для меня 1Вт был достаточно впечатляющим.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *