Усилитель - 3

Продолжим наш экскурс в мир усилителей низкой частоты. Но сначала поговорим о режимах работы транзисторов.
На рисунках изображены графики с проходной характеристикой транзистора – зависимостью тока его коллектора от напряжения между базой и эмиттером.

Вообще говоря, эта зависимость нелинейная, в первом приближении близка к экспоненте и проходит намного круче. Но для упрощения изложения представим ее в том виде, как она нарисована сплошной линией – с изломом в точке Uо = 0,65 вольт и сравнительно небольшим наклоном. Суть работы усилителя от такого упрощения не меняется.
Когда усилитель включен, но на его вход еще не подан усиливаемый сигнал, транзистор находится в режиме покоя. Измеренные в этот момент токи электродов и напряжения между ними определяют его рабочую точку. Наиболее значимыми параметрами при этом являются ток коллектора и напряжение между коллектором и эмиттером. Напряжение между базой и эмиттером называется напряжением смещения (оно смещает рабочую точку транзистора на графике по горизонтали); положение рабочей точки в первую очередь зависит от него.
При подаче на вход усилителя переменного напряжения ток коллектора транзистора изменяется одновременно с напряжением на его базе. Если во всем диапазоне изменений входного сигнала ток коллектора не снижается до нуля, такой режим работы усилителя называется режимом класса А. Он применяется во всех маломощных каскадах усилителей и характеризуется очень низким коэффициентом полезного действия (КПД), так как ток через транзистор течет всегда, даже когда сигнал отсутствует.
Изменяя напряжение между базой и эмиттером транзистора (напряжение смещения) можно выбрать такую рабочую точку, в которой ток коллектора будет протекать ровно половину периода сигнала (в нашем случае это напряжение смещение будет равно0,65 вольт). Такой режим называется режимом класса B. При этом КПД усилителя становится значительно выше (теоретически до 78%, практически редко выше 50%), но усиливается только половина сигнала. Режим в основном применяется в выходных каскадах усилителей мощности низкой частоты (в таких, которые мы рассматриваем в этих постах).
Если же ток коллектора течет меньшую часть периода сигнала, то говорят о классе С.
Он в усилителях низкой частоты не применяется из-за очень больших искажений. Его удел – радиопередающие устройства, в которых эти искажения не страшны, а иногда и полезны.
Промежуточным режимом между классами А и В является режим АВ. В нем ток коллектора течет большую часть периода сигнала. Именно он, в основном, используется в усилителях мощности низкой частоты, потому, что из-за нелинейности характеристик транзисторов достичь настоящего режима В затруднительно. При этом усилитель, работающий в классе АВ вносит меньшие искажения и при очень малом сигнале вырождается в класс А, а при большом — в класс B.

Теперь продолжим разговор об усилителе, который не был закончен в предыдущем посте.

Из его схемы видно, что напряжение между базами VT2 и VT3 равно 0. Поэтому в режиме покоя напряжение между их базами и эмиттерами тоже равно 0 и транзисторы работают в режиме класса С.
На рисунке ниже показан выходной сигнал такого усилителя. На нем видно, что при его работе на сигнале образуется «ступенька» — в тот момент, когда оба транзистора закрыты. Эта ступенька представляет собой очень сильное искажение сигнала – такое, что при очень слабом сигнале он может просто не попасть на выход.

Такого рода искажения, которые обусловлены своим возникновением нелинейным свойствам транзисторов, называются нелинейными искажениями и неприятны на слух.
Измеряются нелинейные искажения следующим образом:
На вход усилителя подается испытательный синусоидальный сигнал с очень малыми искажениями. К выходу подключается измеритель нелинейных искажений, который, по сути представляет из себя комбинацию двух вольтметров переменного тока. Один вольтметр меряет уровень выходного сигнала, состоящего из основного сигнала и искажений, на входе другого стоит специальный заграждающий фильтр, который не пропускает основной сигнал и выделяет только сигнал искажений.
Отношение показаний двух вольтметров и есть коэффициент нелинейных искажений (КНИ).
Таким образом, при КНИ = 1%, в выходном сигнале 99% исходного сигнала и 1% искажений.
Для снижения искажений типа «ступенька» необходимо, чтобы при отсутствии сигнала на входе усилителя выходные транзисторы VT2 и VT3 были немного приоткрыты (на грани, класс АВ или В)) – через них должен течь начальный ток – ток покоя. Этого можно достигнуть включением между базами этих транзисторов, например, резистора R5

Коллекторный ток транзистора VT1 создаст на нем падение напряжения, и, если резистор подобрать так, чтобы на нем падало примерно 1,3 вольта (два раза по 0,65 в), они приоткроются. Ток покоя выходных транзисторов обычно выбирают в пределах от 1 до 100 миллиампер – меньше – в маломощных усилителях (0,05…1 Вт), больше – в мощных (100 и более Вт).
Но один резистор можно использовать только в очень маломощных усилителях, и вот почему. Параметры транзистора очень зависят от температуры его кристалла. При нагреве точка перегиба проходной характеристики перемещается влево и ток коллектора транзистора при том же самом напряжении между базой и эмиттером начинает увеличиваться.

Транзистор даже может войти в режимы саморазогрева, когда при нагреве увеличивается ток, а увеличение тока увеличивает нагрев – и он выйдет из строя – «сгорит».
Поэтому в усилителях применяют термостабилизацию рабочей точки – с помощью либо терморезисторов, сопротивление которых уменьшается с увеличением температуры, либо диодов и транзисторов, у которых при увеличении температуры уменьшается напряжение на р-n переходах.

При этом термочувствительный элемент приклеивают к корпусу транзистора или к его радиатору, чтобы улучшить тепловой контакт.
На схеме требуемое напряжение смещения между базами транзисторов VT1 и VT2 с уровнем 1,3 вольта обеспечивается падением напряжения на диоде (0,65 вольт) и на подстроечном резисторе R5. Меняя сопротивление этого резистора можно установить нужный ток покоя оконечных транзисторов.
При нагреве диода, напряжение на его p-n переходе уменьшается, что приводит к уменьшению напряжения смещения выходных транзисторов и стабилизирует их ток покоя.
Эта схема вполне работоспособна, но у нее есть два недостатка – нестабильность напряжения в точке соединения эмиттеров выходных транзисторов (средней точке) и повышенные нелинейные искажения, достигающие нескольких процентов.
Чем плоха нестабильность средней точки?
Выходное напряжение усилителя может меняться от 0 до напряжения питания. Если напряжение в средней точке равно половине напряжения питания, то обе полуволны выходного напряжения в идеале могут достигать тоже половины напряжения питания. Если же средняя точка смещена вверх или вниз, то амплитуда неискаженного сигнала на выходе усилителя уменьшится и выходная мощность усилителя будет меньше.

Наиболее просто решить проблему стабильности рабочей точки – это подключить к ней резистор R1.

При этом, если напряжение в средней точке по какой-либо причине увеличится, увеличится напряжение на базе транзистора V1, при этом увеличится ток его коллектора, увеличится падение напряжения на резисторе R3 и уменьшится напряжение на коллекторе VT1, а значит и на базах транзисторов VT2 и VT3. И, соответственно, на средней точке транзисторов VT2 и VT3. Такой эффект от соединения называется отрицательной обратной связью, так как часть сигнала с выхода усилителя поступает обратно на вход, причем действует в направлении, противоположном входному сигналу, уменьшая его.
Если бы обратная связь увеличивала бы действие входного сигнала, она была бы положительной и усилитель мог бы превратиться в генератор – засвистеть.
Отметим, что если сигнал обратной связи поступает на вход параллельно входному сигналу (как на этой схеме), то связь называется параллельной, если последовательно (в усилителях, которые рассмотрим позже), то последовательной.
В этом усилителе сигнал обратной связи пропорционален выходному напряжению, поэтому в нем мы применили «параллельную обратную связь по напряжению». Если бы сигнал обратной связи был бы пропорционален выходному току, то мы бы говорили об обратной связи по току. Кстати, в самом первом рассмотренном нами усилителе действует именно «последовательная обратная связь по току».

В нем увеличение тока покоя транзистора вызовет увеличение падения напряжения на резисторе R4, при этом уменьшится напряжение между базой и эмиттером транзистора, он начнет закрываться и ток коллектора его тоже уменьшится.

Кроме стабилизации рабочей точки обратная связь еще и уменьшает нелинейные искажения сигнала, расширяет полосу рабочих частот и многое другое. Поэтому она применяется практически во всех усилителях.

Хочу отметить, что входной каскад усилителя может быть собран не только на транзисторе с проводимостью n-p-n, но и с проводимостью p-n-p. При этом он просто перевернется, как показано на схеме.

Последний вариант усилителя полностью работоспособен и обладает вполне удовлетворительными характеристиками. Его недостаток — маленькая выходная мощность. Дело в том, что когда усилитель работает на низкоомную нагрузку, через нее течет очень большой ток. К примеру, при мощности 3 Ватта и сопротивлении динамика 4 Ома амплитуда тока через него составит 1,22 Ампера. Обычно мощные транзисторы, используемые на выходе усилителей мощности, имеют коэффициент усиления тока базы h21э на уровне 10-100. То есть, чтобы транзистор смог отдать ток 1,22 Ампера, в го базе должен течь ток в самом лучшем случае не менее 12 миллиампер. При этом коллекторный ток транзистора VT1 и ток через резистор R3 должны быть значительно больше, чтобы токи баз оконечных транзисторов не сильно влияли на их работу. Поэтому на выходе усилителей мощности обычно используют составные транзисторы, коэффициент усиления по току которых равен произведению коэффициентов усиления транзисторов, его составляющих, то есть сотни и тысячи раз. Составные транзисторы могут составляться по разным схемам, все они обладают примерно одинаковыми параметрами, а их особенности обсудим позднее.

Резисторы имеют одинаковые номиналы и выбираются из ряда 47…470 Ом в зависимости от мощности усилителя.
Из-за того, что в этих схемах применяются несколько транзисторов, может получиться, что требуемое для их открытия напряжение смещения потребуется больше, чем было сказано ранее. В первой схеме включены последовательно три эмиттерных p-n перехода, для нее нужно 1,95 Вольта, во второй – четыре и 2,6 Вольта. В третьей – только два и требуемое напряжение – 1,3 Вольта. Увеличения этого напряжения можно добиться увеличением сопротивления резистора R5 или, что лучше, добавлением одного диода на каждый дополнительный эмиттерный p-n переход. Но не больше!!! А то ток покоя может стать очень большим и выходные транзисторы сгорят.

Ниже приведена схема усилителя мощности с разделительным конденсатором на входе и потенциометром регулятора громкости.

Мой первый усилитель мощности был сделан именно по такой схеме. Он имел выходную мощность 3 Вт на нагрузке 4 Ом при напряжении питания 12 Вольт и имел неплохие параметры (на слух, так как это был 1971 год и у меня не было никаких приборов, кроме тестера). Его схема очень проста, допускает применение самых распространенных деталей и, при соответствующем выборе источника питания и транзисторов может без проблем отдать в нагрузку 100-150 Вт при уровне нелинейных искажений 0,2 – 0,5%. Чувствительность усилителя (напряжение, которое надо подать на вход для достижения максимальной мощности) составляет 250 милливольт.

Продолжение следует.
  • +8
  • 18 июня 2011, 16:55
  • mzw

Комментарии (11)

RSS свернуть / развернуть
sqrt(3 Ватта / 4 Ома) = 0.86 А???
0
А, амплитуда же о\
0
Спасибо за статью, давно искал подобный материал. Наконец-то я смогу разобраться в тематике усилителей и уложить в голове прослушанный семестровый курс на практических примерах. Особенно радует, что приведены реально рабочие схемы, причем они естесственно получаются из последовательных примеров. В общем, спасибо.
0
Попозже — сегодня вечером или завтра приведу полный расчет усилителя со всеми пояснениями.
0
Баг — картинка, где вводится диод, уже имеет ООС по напряжению средней точки, которая по тексту вводится только на следущей картинке.
А что ты скажешь про вариант, где вместо диода и резистора стоят два диода? Он достаточно часто встречается в любительских конструкциях.
Алсо, почему выбран именно такой вариант составных транзисторов? Выглядит он несимметрично… На симметрии полуволн это не отражается? Все-таки у эмиттерного повторителя усиление по напряжению чуть менее единицы, а насколько я вижу, в верхнем плече их два, а в нижнем — только один.
0
  • avatar
  • Vga
  • 18 июня 2011, 21:26
Когда делался усилитель, мощные n-p-n транзисторы были жуткой редкостью, недоступной восьмикласснику.
Два диода можно, но хочется иметь регулировку тока покоя.
По поводу бага — согласен, добавлю еще одну картинку
0
Хочу собрать себе домашнюю АС, проблем много… усилитель надо выбрать какой-то, корпус надо делать :) Спасибо за статью, жду следующую.
0
Осталось рассмотреть усилители в режиме D
0
Еще рано
0
У усилителя класса D принципиально другая схемотехника. Аналоговая часть там минимальна. Его структуру сложно вписать в этот экскурс — это отдельная ветвь.
0
Куда пропал резистор R4 с емиттера VT1?
0
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.