Amplificatore a transistor: tipi, circuiti, semplice e complesso

Il più semplice amplificatore a transistor può essere un buon strumento per studiare le proprietà dei dispositivi. Schemi e design sono abbastanza semplici, è possibile realizzare autonomamente il dispositivo e controllarne il funzionamento, misurare tutti i parametri. Grazie al moderno transistor ad effetto di campo Puoi letteralmente creare tre elementi di un amplificatore per microfono in miniatura. E collegarlo a un personal computer per migliorare i parametri di registrazione. Sì, e gli interlocutori durante le conversazioni saranno molto migliori e più chiari per ascoltare il tuo discorso.

Risposta in frequenza

Gli amplificatori a bassa frequenza (audio) sono disponibili in quasi tutti gli elettrodomestici: centri musicali, televisori, radio, radio e persino personal computer. Ma ci sono ancora amplificatori RF su transistor, lampade e microcircuiti. La loro differenza è che l'ULF può solo migliorare il segnale della frequenza audio, che viene percepita dall'orecchio umano. Amplificatori audio i transistor ti consentono di riprodurre segnali con frequenze comprese tra 20 Hz e 20.000 Hz.

Pertanto, anche il dispositivo più semplice può amplificare un segnale in questo intervallo. E lo fa nel modo più uniforme possibile. Il guadagno dipende direttamente dalla frequenza del segnale di ingresso. La trama di questi valori è praticamente una linea retta. Se il segnale di ingresso dell'amplificatore con una frequenza fuori intervallo, la qualità e l'efficienza del dispositivo diminuiranno rapidamente. Le cascate ULF vengono solitamente assemblate su transistor operanti nelle gamme di bassa e media frequenza.

Classi di prestazioni dell'amplificazione del suono

Tutti i dispositivi di amplificazione sono suddivisi in diverse classi, a seconda del grado di flusso durante il periodo di funzionamento della corrente attraverso la cascata:

1. Classe "A" - la corrente scorre ininterrottamente durante l'intero periodo di funzionamento della cascata dell'amplificatore.
2. Nella classe di lavoro la corrente "B" scorre per metà del periodo.
3. La classe "AB" dice che la corrente scorre attraverso la cascata dell'amplificatore per un tempo pari al 50-100% del periodo.
4. In modalità "C", una corrente elettrica scorre per meno della metà del periodo di funzionamento.
5. La modalità "D" ULF è utilizzata recentemente nelle radioamatoriali - poco più di 50 anni. Nella maggior parte dei casi, questi dispositivi sono implementati sulla base di elementi digitali e hanno un'efficienza molto elevata - oltre il 90%.

La presenza di distorsione in varie classi di amplificatori a bassa frequenza

L'area di lavoro della classe di amplificatori a transistor "A" è caratterizzata da una distorsione non lineare relativamente piccola. Se il segnale in entrata emette impulsi con una tensione più elevata, ciò causa la saturazione dei transistor. Nel segnale di uscita, quelli più alti (fino a 10 o 11) iniziano ad apparire vicino a ciascuna armonica. Per questo motivo, appare un suono metallico, caratteristica degli amplificatori a transistor.

Con un'alimentazione instabile, il segnale di uscita sarà modellato in ampiezza vicino alla frequenza di rete. Il suono diventerà più rigido sul lato sinistro della risposta in frequenza. Ma migliore è la stabilizzazione della potenza dell'amplificatore, più difficile diventa il design dell'intero dispositivo. Gli ULF che operano in classe "A" hanno un'efficienza relativamente piccola, inferiore al 20%. Il motivo è che il transistor è costantemente aperto e la corrente scorre continuamente attraverso di esso.

Per aumentare l'efficienza (anche se minore), è possibile utilizzare schemi push-pull. Uno svantaggio è che le semionde al segnale di uscita diventano asimmetriche. Se traduciamo dalla classe "A" a "AV", le distorsioni non lineari aumenteranno di 3-4 volte. Ma l'efficienza dell'intero circuito del dispositivo aumenta ancora. Le classi ULF "AB" e "B" caratterizzano l'aumento della distorsione con una diminuzione del livello del segnale all'ingresso. Ma anche se si alza il volume, non aiuta completamente a sbarazzarsi delle carenze.

Lavora in classi intermedie

Ogni classe ha diverse varietà. Ad esempio, esiste una classe di amplificatori di lavoro "A +". In esso, i transistor di ingresso (bassa tensione) operano in modalità "A". Ma l'alta tensione, installata negli stadi di uscita, funziona in "B" o in "AV". Tali amplificatori sono molto più economici rispetto al lavoro in classe "A". Notevolmente meno distorsioni non lineari - non più dello 0,003%. Risultati più elevati possono essere ottenuti utilizzando transistor bipolari. Il principio di funzionamento degli amplificatori su questi elementi sarà discusso di seguito.

Ma c'è ancora un gran numero di armoniche più alte nel segnale di uscita, facendo diventare il suono metallico caratteristico. Esistono anche circuiti amplificatori che operano nella classe AA. In esse le distorsioni non lineari sono ancora meno - fino allo 0,0005%. Ma il principale svantaggio degli amplificatori a transistor è ancora lì - un caratteristico suono metallico.

Disegni "alternativi"

Non si può dire che siano alternativi, solo alcuni specialisti coinvolti nella progettazione e nel montaggio di amplificatori per la riproduzione del suono di alta qualità, preferiscono sempre più i design dei tubi. Gli amplificatori di lampade hanno tali vantaggi:

1. Molto basso livello di distorsione non lineare nel segnale di uscita.
2. Armoniche più alte sono meno che nei progetti di transistor.

Ma c'è un enorme svantaggio che supera tutti i vantaggi: è assolutamente necessario installare un dispositivo per l'approvazione. Il fatto è che la lampada a cascata ha una resistenza molto grande - diverse migliaia ohm. Ma la resistenza dell'avvolgimento dell'altoparlante è di 8 o 4 ohm. Per coordinarli, è necessario installare un trasformatore.

Naturalmente, questo non è un grosso inconveniente: ci sono anche dispositivi a transistor che usano trasformatori per adattarsi allo stadio di uscita e al sistema di altoparlanti. Alcuni esperti sostengono che lo schema più efficace è un ibrido - in cui vengono utilizzati amplificatori single-ended che non sono coperti da feedback negativo. Inoltre, tutte queste cascate operano in modalità "A" della classe ULF. In altre parole, un amplificatore a transistor viene utilizzato come ripetitore.

Inoltre, l'efficienza di tali dispositivi è piuttosto elevata - circa il 50%. Ma non dovresti concentrarti solo sull'efficienza e sugli indicatori di potenza: non parlano di una riproduzione del suono di alta qualità da parte di un amplificatore. Di molto più grande importanza sono la linearità delle caratteristiche e la loro qualità. Pertanto, dobbiamo prestare attenzione principalmente a loro e non al potere.

Circuito transistor ULF single-ended

L'amplificatore più semplice, costruito secondo lo schema con un emettitore comune, funziona in classe "A". Il circuito utilizza un elemento a semiconduttore con una struttura npn. Nel circuito collettore installato resistenza R3, limitando il flusso di corrente. Il circuito del collettore è collegato al cavo di alimentazione positivo e il circuito dell'emettitore è collegato a quello negativo. Nel caso di utilizzo di transistor a semiconduttore con la struttura pnp, il circuito sarà esattamente lo stesso, solo sarà necessario cambiare la polarità.

Con l'aiuto del condensatore di accoppiamento C1 è possibile separare il segnale di ingresso variabile dalla sorgente corrente continua In questo caso, il condensatore non è un ostacolo al flusso di corrente alternata lungo il percorso base-emettitore. La resistenza interna della giunzione base-emettitore, insieme ai resistori R1 e R2, è il partitore di tensione più semplice. Tipicamente, il resistore R2 ha una resistenza di 1-1,5 kΩ - i valori più tipici per tali circuiti. In questo caso, la tensione di alimentazione è divisa esattamente a metà. E se si alimenta il circuito con una tensione di 20 volt, è possibile vedere che il valore del guadagno di corrente h21 sarà 150. Si noti che gli amplificatori HF sui transistor vengono eseguiti secondo schemi simili, funzionano solo in modo leggermente diverso.

Allo stesso tempo, la tensione dell'emettitore è 9 V e la caduta nel circuito "EB" è di 0,7 V (che è caratteristica dei transistor sui cristalli di silicio). Se consideriamo l'amplificatore sui transistor al germanio, allora in questo caso la caduta di tensione attraverso la sezione "EB" sarà uguale a 0,3 V. La corrente nel circuito del collettore sarà uguale a quella che fluisce nell'emettitore. È possibile calcolare dividendo la tensione dell'emettitore per la resistenza R2 - 9V / 1 kΩ = 9 mA. Per calcolare il valore corrente di base, è necessario dividere 9 mA per il guadagno h21 - 9mA / 150 = 60 μA. Nella costruzione dei transistor bipolari ULF vengono solitamente utilizzati. Il principio di funzionamento è diverso da quelli del campo.

Sulla resistenza R1, è ora possibile calcolare il valore di caduta: questa è la differenza tra la base e le tensioni di alimentazione. In questo caso, la tensione di base può essere riconosciuta dalla formula: la somma delle caratteristiche dell'emettitore e la transizione "EB". Se alimentato da una fonte di 20 volt: 20 - 9.7 = 10,3. Da qui è possibile calcolare il valore della resistenza R1 = 10,3 V / 60 μA = 172 kΩ. Nel circuito è presente una capacità C2, necessaria per la realizzazione di un circuito lungo il quale può passare la componente variabile della corrente di emettitore.

Se non si installa il condensatore C2, il componente variabile sarà molto limitato. A causa di ciò, un tale amplificatore audio a transistor avrà un guadagno di corrente molto basso h21. Va notato che nei calcoli di cui sopra, si è supposto che le correnti di base e di collettore fossero uguali. E la corrente di base è stata presa da quella che scorre nel circuito dall'emettitore. Si verifica solo a condizione che venga applicata una tensione di polarizzazione all'uscita della base del transistor.

Ma tieni presente che assolutamente sempre, indipendentemente dalla presenza di pregiudizi, una corrente di dispersione del collettore scorre attraverso il circuito di base. Nei circuiti con un emettitore comune, la corrente di dispersione viene aumentata almeno 150 volte. Ma solitamente questo valore viene preso in considerazione solo quando si calcolano amplificatori su transistor al germanio. Nel caso del silicio, in cui la corrente del circuito "KB" è molto piccola, questo valore viene semplicemente trascurato.

MOSFET Amplificatori

L'amplificatore a transistor ad effetto di campo presentato nello schema ha molti analoghi. Compreso l'uso transistor bipolari. Pertanto, è possibile considerare come un esempio simile la costruzione di un amplificatore del suono assemblato secondo uno schema con un emettitore comune. La foto mostra un circuito realizzato secondo il circuito con una fonte comune. Sui circuiti di ingresso e uscita raccolti RC-connection, in modo che il dispositivo operi nella modalità della classe di amplificatori "A".

Corrente alternata dalla sorgente del segnale viene separato dalla tensione di alimentazione CC dal condensatore C1. Un amplificatore a transistor ad effetto di campo deve avere un potenziale di gate inferiore a una caratteristica di sorgente simile. Nel circuito presentato, il gate è collegato al filo comune attraverso un resistore R1. La sua resistenza è molto grande - solitamente nella costruzione sono utilizzati resistori da 100-1000 kΩ. Una così grande resistenza viene scelta in modo tale che il segnale di ingresso non sia smistato.

Questa resistenza quasi non passa corrente elettrica, a causa della quale il potenziale del cancello (in assenza di un segnale all'ingresso) è lo stesso di quello della terra. Alla fonte, il potenziale è superiore a quello della terra, solo a causa della caduta di tensione attraverso la resistenza R2. Da questo è chiaro che il gate ha un potenziale più basso rispetto alla sorgente. Vale a dire, questo è richiesto per il normale funzionamento del transistor. È necessario prestare attenzione al fatto che C2 e R3 in questo circuito amplificatore hanno lo stesso scopo della costruzione di cui sopra. E il segnale di ingresso viene spostato rispetto all'uscita di 180 gradi.

ULF con trasformatore di uscita

È possibile creare un amplificatore di questo tipo con le proprie mani per l'uso domestico. Viene eseguito secondo lo schema di lavoro nella classe "A". Il design è lo stesso di cui sopra - con un emettitore comune. Una caratteristica è che è necessario utilizzare un trasformatore per la corrispondenza. Questo è uno svantaggio di questo amplificatore audio a transistor.

Il circuito di collettore del transistor è caricato dall'avvolgimento primario, che sviluppa il segnale di uscita trasmesso attraverso il secondario agli altoparlanti. I resistori R1 e R3 divisori di tensione assemblati, che consente di selezionare il punto di funzionamento del transistor. Con l'aiuto di questa catena, viene fornita la tensione di polarizzazione alla base. Tutti gli altri componenti hanno lo stesso scopo degli schemi precedenti.

Amplificatore audio push-pull

Questo non vuol dire che questo sia un semplice amplificatore a transistor, poiché la sua operazione è un po 'più complicata di quelle considerate in precedenza. Nell'ULF push-pull, il segnale di ingresso è diviso in due semionde, diverse in fase. E ciascuna di queste semionde è amplificata dalla sua cascata eseguita su un transistor. Dopo l'amplificazione di ciascuna semionda, entrambi i segnali sono collegati e alimentati agli altoparlanti. Tali trasformazioni complesse possono causare distorsioni del segnale, poiché le proprietà dinamiche e di frequenza di due transistor, anche dello stesso tipo, saranno diverse.

Di conseguenza, l'uscita dell'amplificatore riduce significativamente la qualità del suono. Quando un amplificatore push-pull in classe "A" è in funzione, non è possibile riprodurre qualitativamente il segnale complesso. Il motivo è che la corrente aumentata scorre continuamente lungo le spalle dell'amplificatore, le semionde sono asimmetriche e si creano distorsioni di fase. Il suono diventa meno leggibile e, una volta riscaldato, la distorsione del segnale viene ulteriormente migliorata, specialmente alle frequenze basse e ultra-basse.

ULF senza trasformatore

L'amplificatore dell'LF sul transistor, realizzato utilizzando un trasformatore, nonostante il fatto che il design possa avere dimensioni ridotte, è ancora imperfetto. I trasformatori sono ancora pesanti e ingombranti, quindi è meglio sbarazzarsene. Il circuito realizzato su elementi di semiconduttori complementari con diversi tipi di conduttività è molto più efficace. La maggior parte dell'ULF moderna viene eseguita secondo tali schemi e funziona nella classe "B".

Due potenti transistor utilizzati nella progettazione funzionano secondo il circuito follower dell'emettitore (collettore comune). In questo caso, la tensione in ingresso viene trasmessa all'uscita senza perdita e amplificazione. Se all'ingresso non c'è segnale, i transistor sono sull'orlo dell'accensione, ma sono ancora disabilitati. Quando all'ingresso viene applicato un segnale armonico, la semionda positiva del primo transistor si apre e la seconda è in modalità di esclusione in questo momento.

Pertanto, solo le mezze onde positive possono passare attraverso il carico. Ma quelli negativi aprono il secondo transistor e bloccano completamente il primo. In questo caso, vengono caricate solo semionde negative. Di conseguenza, il segnale amplificato di potenza viene emesso dal dispositivo. Un tale circuito amplificatore a transistor è abbastanza efficace e in grado di assicurare un funzionamento stabile, una riproduzione del suono di alta qualità.

Circuito ULF su un singolo transistor

Avendo studiato tutte le caratteristiche di cui sopra, è possibile assemblare l'amplificatore con le proprie mani su una semplice base di elementi. Il transistor può essere utilizzato KT315 nazionale o una qualsiasi delle sue controparti estere, ad esempio BC107. Come carico è necessario utilizzare le cuffie, la cui resistenza è 2000-3000 Ohm. Alla base del transistor, è necessario applicare la tensione di polarizzazione attraverso un resistore di 1 Mamma e un condensatore di disaccoppiamento di 10 μF. L'alimentazione del circuito può essere effettuata da una sorgente di 4,5-9 volt, corrente - 0,3-0,5 A.

Se la resistenza R1 non è collegata, allora non ci sarà corrente nella base e nel collettore. Ma quando è collegato, la tensione raggiunge un livello di 0,7 V e consente una corrente di circa 4 μA al flusso. In questo caso, il guadagno di corrente sarà di circa 250. Da qui è possibile effettuare un semplice calcolo dei transistor dell'amplificatore e scoprire la corrente del collettore - risulta essere 1 mA. Raccogliendo questo circuito amplificatore su un transistor, puoi testarlo. Collega l'uscita all'uscita - cuffie.

Tocca l'ingresso dell'amplificatore con il dito: dovrebbe apparire un rumore caratteristico. In caso contrario, quindi, molto probabilmente, il design è assemblato in modo errato. Ricontrolla tutte le connessioni e le classificazioni degli elementi. Per rendere più chiara la dimostrazione, collegare una sorgente sonora all'ingresso ULF - uscita da un lettore o telefono. Ascolta la musica e goditi la qualità del suono.