De transistorversterker blijft, ondanks zijn toch al lange geschiedenis, een favoriet studieonderwerp voor zowel beginners als ervaren radioamateurs. En dit is begrijpelijk. Het is een onmisbaar onderdeel van de meest populaire radioamateurs: radio-ontvangers en laagfrequente versterkers. We zullen kijken hoe de eenvoudigste laagfrequente transistorversterkers worden gebouwd.
Ampfrequentierespons
In elke televisie- of radio-ontvanger, in elk muziekcentrum of geluidsversterker vindt u transistorgeluidsversterkers (lage frequentie - LF). Het verschil tussen audiotransistorversterkers en andere typen ligt in hun frequentierespons.
De transistor-audioversterker heeft een uniforme frequentierespons in de frequentieband van 15 Hz tot 20 kHz. Dit betekent dat alle ingangssignalen met een frequentie binnen dit bereik door de versterker worden omgezet (versterkt).ongeveer hetzelfde. De onderstaande afbeelding toont de ideale frequentieresponscurve voor een audioversterker in de coördinaten "versterkerversterking Ku - ingangssignaalfrequentie".
Deze curve is bijna vlak van 15Hz tot 20kHz. Dit betekent dat een dergelijke versterker specifiek gebruikt moet worden voor ingangssignalen met frequenties tussen 15 Hz en 20 kHz. Voor ingangssignalen met frequenties boven 20 kHz of onder 15 Hz verslechteren de efficiëntie en prestaties snel.
Het type frequentierespons van de versterker wordt bepaald door de elektrische radio-elementen (ERE) van zijn circuit, en vooral door de transistors zelf. Een audioversterker op basis van transistors wordt meestal geassembleerd op de zogenaamde laag- en middenfrequentietransistors met een totale bandbreedte aan ingangssignalen van tientallen en honderden Hz tot 30 kHz.
Versterkerklasse
Zoals u weet, worden, afhankelijk van de mate van continuïteit van de stroom gedurende de hele periode door de transistorversterkingstrap (versterker), de volgende klassen van zijn werking onderscheiden: "A", "B", "AB", "C", "D ".
In de bedrijfsklasse stroomt stroom "A" gedurende 100% van de ingangssignaalperiode door de trap. De cascade in deze klasse wordt geïllustreerd in de volgende afbeelding.
In de klasse "AB" versterkertrap loopt de stroom er meer dan 50% door, maar minder dan 100% van de periode van het ingangssignaal (zie onderstaande afbeelding).
In de bedrijfsklasse van de "B"-trap vloeit de stroom er precies 50% van de periode van het ingangssignaal doorheen, zoals geïllustreerd in de afbeelding.
Ten slotte, in de bedrijfsklasse van de "C"-trap, stroomt de stroom er minder dan 50% van de ingangssignaalperiode doorheen.
LF-transistorversterker: vervorming in de belangrijkste werkklassen
In het werkgebied heeft de klasse "A" transistorversterker een laag niveau van niet-lineaire vervorming. Maar als het signaal impulsstoten in spanning heeft, wat leidt tot verzadiging van de transistors, dan verschijnen er hogere harmonischen (tot de 11e) rond elke "standaard" harmonische van het uitgangssignaal. Dit veroorzaakt het fenomeen van het zogenaamde getransistoriseerde of metaalachtige geluid.
Als laagfrequente eindversterkers op transistors een niet-gestabiliseerde voeding hebben, dan worden hun uitgangssignalen in amplitude gemoduleerd in de buurt van de netfrequentie. Dit leidt tot hardheid van het geluid aan de linkerrand van de frequentierespons. Verschillende spanningsstabilisatiemethoden maken het ontwerp van de versterker complexer.
Typische efficiëntie van single-ended klasse A-versterkers is niet hoger dan 20% vanwege de altijd-aan-transistor en de continue stroom van de DC-component. Je kunt een klasse A versterker push-pull maken, het rendement zal iets toenemen, maar de halve golven van het signaal zullen meer asymmetrisch worden. De overdracht van de cascade van de werkklasse "A" naar de werkklasse "AB" verviervoudigt de niet-lineaire vervorming, hoewel de efficiëntie van zijn circuit toeneemt.
Bversterkers van de klassen "AB" en "B" nemen de vervorming toe naarmate het signaalniveau afneemt. Je wilt zo'n versterker onwillekeurig harder zetten voor het volle gevoel van de kracht en dynamiek van de muziek, maar vaak helpt dit niet veel.
Intermediate job classes
Werkklasse "A" heeft een variant - klasse "A+". In dit geval werken de laagspannings-ingangstransistoren van de versterker van deze klasse in klasse "A", en de hoogspannings-uitgangstransistoren van de versterker gaan, wanneer hun ingangssignalen een bepaald niveau overschrijden, in klassen "B" of "AB". De efficiëntie van dergelijke cascades is beter dan in de pure klasse "A", en de niet-lineaire vervorming is minder (tot 0,003%). Ze klinken echter ook "metallic" vanwege de aanwezigheid van hogere harmonischen in het uitgangssignaal.
Versterkers van een andere klasse - "AA" hebben een nog lagere mate van niet-lineaire vervorming - ongeveer 0,0005%, maar er zijn ook hogere harmonischen aanwezig.
Terug naar klasse A transistorversterker?
Vandaag de dag pleiten veel specialisten op het gebied van hoogwaardige geluidsweergave voor een terugkeer naar buizenversterkers, aangezien het niveau van niet-lineaire vervorming en hogere harmonischen die ze in het uitgangssignaal introduceren duidelijk lager is dan dat van transistors. Deze voordelen worden echter grotendeels gecompenseerd door de noodzaak van een bijpassende transformator tussen de hoogohmige buizeneindtrap en de laagohmige luidsprekers. Er kan echter een eenvoudige getransistoriseerde versterker worden gemaakt met een transformatoruitgang zoals hieronder weergegeven.
Er is ook een standpunt dat alleen een hybride buis-transistorversterker de ultieme geluidskwaliteit kan bieden, waarvan alle fasen single-ended zijn, niet worden gedekt door negatieve feedback en werken in klasse "A". Dat wil zeggen, zo'n vermogensvolger is een versterker op een enkele transistor. Het schema kan de maximaal haalbare efficiëntie (in klasse "A") niet meer dan 50% hebben. Maar noch het vermogen, noch de efficiëntie van de versterker zijn indicatoren voor de kwaliteit van de geluidsweergave. Tegelijkertijd zijn de kwaliteit en lineariteit van de kenmerken van alle ERE's in het circuit van bijzonder belang.
Als single-ended circuits dit perspectief krijgen, zullen we hun opties hieronder bekijken.
Enkelzijdige versterker met enkele transistor
Het circuit, gemaakt met een gemeenschappelijke zender en RC-aansluitingen voor ingangs- en uitgangssignalen voor gebruik in klasse "A", wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding.
Het toont een n-p-n transistor Q1. De collector is via een stroombegrenzende weerstand R3 verbonden met de positieve pool +Vcc en de emitter is verbonden met -Vcc. De pn-p-transistorversterker zal hetzelfde circuit hebben, maar de voedingskabels zullen worden verwisseld.
C1 is een ontkoppelcondensator die de AC-ingangsbron scheidt van de DC-spanningsbron Vcc. Tegelijkertijd verhindert C1 niet de doorgang van een ingangswisselstroom door de basis-emitterovergang van transistor Q1. Weerstanden R1 en R2 samen met weerstandovergang "E - B" vormen een spanningsdeler Vcc om het werkpunt van de transistor Q1 in statische modus te selecteren. Typisch voor deze schakeling is de waarde van R2=1 kOhm, en de positie van het werkpunt is Vcc / 2. R3 is een belastingsweerstand van het collectorcircuit en wordt gebruikt om een uitgangssignaal met variabele spanning op de collector te creëren.
Veronderstel dat Vcc=20 V, R2=1 kOhm, en de stroomversterking h=150. We selecteren de spanning op de emitter Ve=9 V, en de spanningsval bij de overgang "A - B" is genomen gelijk aan Vbe=0,7 V. Deze waarde komt overeen met de zogenaamde siliciumtransistor. Als we een versterker overwegen op basis van germaniumtransistors, dan zou de spanningsval over de open junctie "E - B" Vbe=0,3 V zijn.
Emitterstroom, ongeveer gelijk aan collectorstroom
Ie=9 V/1 kΩ=9 mA ≈ Ic.
Basisstroom Ib=Ic/h=9mA/150=60uA.
Spanningsval over weerstand R1
V(R1)=Vcc - Vb=Vcc - (Vbe + Ve)=20V - 9,7V=10,3V
R1=V(R1)/Ib=10, 3 V/60 uA=172 kOhm.
C2 is nodig om een circuit te creëren voor de doorgang van de variabele component van de emitterstroom (eigenlijk de collectorstroom). Als het er niet was, dan zou de weerstand R2 de variabele component ernstig beperken, zodat de bipolaire transistorversterker in kwestie een lage stroomversterking zou hebben.
In onze berekeningen gingen we ervan uit dat Ic=Ib h, waarbij Ib de basisstroom is die vanuit de emitter erin stroomt en ontstaat wanneer een voorspanning op de basis wordt toegepast. Echter door de basis altijd (zowel met als zonder offset)er is ook een lekstroom van de collector Icb0. Daarom is de echte collectorstroom Ic=Ib h + Icb0 h, d.w.z. de lekstroom in het circuit met OE wordt 150 keer versterkt. Als we een versterker op basis van germaniumtransistors zouden overwegen, dan zou met deze omstandigheid rekening moeten worden gehouden in de berekeningen. Feit is dat germaniumtransistoren een significant Icb0 hebben in de orde van enkele μA. In silicium is het drie orden van grootte kleiner (ongeveer een paar nA), dus wordt het meestal verwaarloosd in berekeningen.
Enkelzijdige MIS-transistorversterker
Zoals elke veldeffecttransistorversterker, heeft het circuit in kwestie zijn analoog tussen bipolaire transistorversterkers. Overweeg daarom een analoog van het vorige circuit met een gemeenschappelijke zender. Het is gemaakt met een gemeenschappelijke bron en RC-aansluitingen voor ingangs- en uitgangssignalen voor gebruik in klasse "A" en wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding.
Hier is C1 dezelfde ontkoppelcondensator, waarmee de AC-ingangsbron wordt gescheiden van de DC-spanningsbron Vdd. Zoals u weet, moet elke veldeffecttransistorversterker het poortpotentiaal van zijn MOS-transistors onder de potentialen van hun bronnen hebben. In dit circuit is de poort geaard door R1, die typisch een hoge weerstand heeft (100 kΩ tot 1 MΩ), zodat deze het ingangssignaal niet overbrugt. Er loopt praktisch geen stroom door R1, dus de poortpotentiaal bij afwezigheid van een ingangssignaal is gelijk aan de aardpotentiaal. Het bronpotentiaal is hoger dan het aardpotentiaal vanwege de spanningsval over de weerstand R2. DusDe poortpotentiaal is dus lager dan de bronpotentiaal, die nodig is voor de normale werking van Q1. Condensator C2 en weerstand R3 hebben hetzelfde doel als in het vorige circuit. Aangezien dit een common-source circuit is, zijn de ingangs- en uitgangssignalen 180° uit fase.
Transformator uitgangsversterker
De derde eentraps eenvoudige transistorversterker, weergegeven in de onderstaande afbeelding, is ook gemaakt volgens het gemeenschappelijke emittercircuit voor gebruik in klasse "A", maar is verbonden met een luidspreker met lage impedantie via een bijpassende transformator.
De primaire wikkeling van transformator T1 is de belasting van het collectorcircuit van transistor Q1 en ontwikkelt een uitgangssignaal. T1 stuurt het uitgangssignaal naar de luidspreker en zorgt ervoor dat de uitgangsimpedantie van de transistor overeenkomt met de lage (in de orde van enkele ohms) luidsprekerimpedantie.
De spanningsdeler van de collectorvoeding Vcc, gemonteerd op weerstanden R1 en R3, biedt de keuze van het werkpunt van de transistor Q1 (die een voorspanning levert aan zijn basis). Het doel van de overige elementen van de versterker is hetzelfde als in de vorige circuits.
Push-pull audioversterker
De twee-transistor push-pull laagfrequente versterker splitst het ingangsaudiosignaal in twee uit-fase halve golven, die elk worden versterkt door zijn eigen transistortrap. Nadat een dergelijke versterking is uitgevoerd, worden de halve golven gecombineerd tot een volledig harmonisch signaal, dat naar het luidsprekersysteem wordt verzonden. Zo'n transformatie van laagfrequentesignaal (splitsing en refusie) veroorzaakt natuurlijk onomkeerbare vervorming, vanwege het verschil in frequentie en dynamische eigenschappen van de twee transistors van het circuit. Deze vervorming vermindert de geluidskwaliteit aan de uitgang van de versterker.
Push-pull-versterkers die in klasse "A" werken, reproduceren complexe audiosignalen niet goed genoeg, omdat er constant een verhoogde constante stroom in hun armen vloeit. Dit leidt tot asymmetrie van de halve golven van het signaal, fasevervormingen en uiteindelijk tot verlies van de verstaanbaarheid van het geluid. Bij verwarming verdubbelen twee krachtige transistoren de signaalvervorming in de lage en infra-lage frequenties. Maar toch, het belangrijkste voordeel van het push-pull-circuit is de acceptabele efficiëntie en het verhoogde uitgangsvermogen.
Push-pull transistor eindversterker circuit wordt getoond in de figuur.
Dit is een klasse "A" versterker, maar klasse "AB" en zelfs "B" kunnen ook worden gebruikt.
Transformerloze transistorversterker
Transformers zijn, ondanks de vooruitgang in hun miniaturisatie, nog steeds de meest omvangrijke, zware en dure ERE. Daarom werd een manier gevonden om de transformator uit het push-pull-circuit te verwijderen door deze op twee krachtige complementaire transistors van verschillende typen (n-p-n en p-n-p) te laten lopen. De meeste moderne eindversterkers gebruiken dit principe en zijn ontworpen om in klasse "B" te werken. De schakeling van zo'n eindversterker is weergegeven in onderstaande figuur.
Beide transistoren zijn aangesloten volgens een gemeenschappelijk collectorcircuit (emittervolger). Daarom draagt de schakeling de ingangsspanning over naar de uitgang zonder versterking. Als er geen ingangssignaal is, bevinden beide transistors zich op de grens van de aan-status, maar zijn ze uitgeschakeld.
Wanneer een harmonisch signaal wordt ingevoerd, opent de positieve halve golf TR1, maar zet de pnp-transistor TR2 in volledige afsnijmodus. Dus alleen de positieve halve golf van de versterkte stroom vloeit door de belasting. De negatieve halve golf van het ingangssignaal opent alleen TR2 en schakelt TR1 uit, zodat de negatieve halve golf van versterkte stroom aan de belasting wordt geleverd. Als resultaat wordt een sinusvormig signaal met volledig vermogen (vanwege stroomversterking) aan de belasting geleverd.
Enkele transistorversterker
Om het bovenstaande te assimileren, zullen we een eenvoudige transistorversterker met onze eigen handen assembleren en uitzoeken hoe het werkt.
Als een belasting van een laagvermogentransistor T van het type BC107, zetten we een hoofdtelefoon aan met een weerstand van 2-3 kOhm, we passen de voorspanning op de basis toe vanaf een weerstand met hoge weerstand R van 1 MΩ, we zetten de ontkoppelende elektrolytische condensator C aan met een capaciteit van 10 μF tot 100 μF in het basiscircuit T. We zullen het circuit voeden met een batterij van 4,5 V / 0,3 A.
Als weerstand R niet is aangesloten, is er geen basisstroom Ib of collectorstroom Ic. Als de weerstand is aangesloten, stijgt de spanning aan de basis tot 0,7 V en stroomt er een stroom Ib \u003d 4 μA doorheen. Coëfficiëntde stroomversterking van de transistor is 250, wat Ic=250Ib=1 mA geeft.
Nadat we een eenvoudige transistorversterker met onze eigen handen hebben geassembleerd, kunnen we deze nu testen. Sluit de koptelefoon aan en plaats uw vinger op punt 1 van het diagram. U zult een geluid horen. Je lichaam neemt de straling van het lichtnet waar met een frequentie van 50 Hz. Het geluid dat je uit de koptelefoon hoort is deze straling, alleen versterkt door de transistor. Laten we dit proces in meer detail uitleggen. Een wisselspanning van 50 Hz is aangesloten op de basis van de transistor via condensator C. De spanning aan de basis is nu gelijk aan de som van de gelijkstroomvoorspanning (ongeveer 0,7 V) afkomstig van weerstand R en de wisselstroomvingerspanning. Hierdoor krijgt de collectorstroom een wisselcomponent met een frequentie van 50 Hz. Deze wisselstroom wordt gebruikt om het membraan van de luidsprekers op dezelfde frequentie heen en weer te bewegen, waardoor we een toon van 50 Hz aan de uitgang kunnen horen.
Het geluidsniveau van 50 Hz horen is niet erg interessant, dus u kunt laagfrequente bronnen (cd-speler of microfoon) aansluiten op punten 1 en 2 en versterkte spraak of muziek horen.
