виды, схемы, простые и сложные :: SYL.ru
Простейший усилитель на транзисторах может быть хорошим пособием для изучения свойств приборов. Схемы и конструкции достаточно простые, можно самостоятельно изготовить устройство и проверить его работу, произвести замеры всех параметров. Благодаря современным полевым транзисторам можно изготовить буквально из трех элементов миниатюрный микрофонный усилитель. И подключить его к персональному компьютеру для улучшения параметров звукозаписи. Да и собеседники при разговорах будут намного лучше и четче слышать вашу речь.
Частотные характеристики
Усилители низкой (звуковой) частоты имеются практически во всех бытовых приборах – музыкальных центрах, телевизорах, радиоприемниках, магнитолах и даже в персональных компьютерах. Но существуют еще усилители ВЧ на транзисторах, лампах и микросхемах. Отличие их в том, что УНЧ позволяет усилить сигнал только звуковой частоты, которая воспринимается человеческим ухом. Усилители звука на транзисторах позволяют воспроизводить сигналы с частотами в диапазоне от 20 Гц до 20000 Гц.
Классы работы звуковых усилителей
Все усилительные устройства разделяются на несколько классов, в зависимости от того, какая степень протекания в течение периода работы тока через каскад:
- Класс «А» – ток протекает безостановочно в течение всего периода работы усилительного каскада.
- В классе работы «В» протекает ток в течение половины периода.
- Класс «АВ» говорит о том, что ток протекает через усилительный каскад в течение времени, равного 50-100 % от периода.
- В режиме «С» электрический ток протекает менее чем половину периода времени работы.
- Режим «D» УНЧ применяется в радиолюбительской практике совсем недавно – чуть больше 50 лет. В большинстве случаев эти устройства реализуются на основе цифровых элементов и имеют очень высокий КПД – свыше 90 %.
Наличие искажений в различных классах НЧ-усилителей
Рабочая область транзисторного усилителя класса «А» характеризуется достаточно небольшими нелинейными искажениями. Если входящий сигнал выбрасывает импульсы с более высоким напряжением, это приводит к тому, что транзисторы насыщаются. В выходном сигнале возле каждой гармоники начинают появляться более высокие (до 10 или 11). Из-за этого появляется металлический звук, характерный только для транзисторных усилителей.
При нестабильном питании выходной сигнал будет по амплитуде моделироваться возле частоты сети. Звук станет в левой части частотной характеристики более жестким. Но чем лучше стабилизация питания усилителя, тем сложнее становится конструкция всего устройства. УНЧ, работающие в классе «А», имеют относительно небольшой КПД – менее 20 %.
Причина заключается в том, что транзистор постоянно открыт и ток через него протекает постоянно.
Работа в промежуточных классах
У каждого класса имеется несколько разновидностей. Например, существует класс работы усилителей «А+». В нем транзисторы на входе (низковольтные) работают в режиме «А». Но высоковольтные, устанавливаемые в выходных каскадах, работают либо в «В», либо в «АВ». Такие усилители намного экономичнее, нежели работающие в классе «А». Заметно меньшее число нелинейных искажений – не выше 0,003 %.
Можно добиться и более высоких результатов, используя биполярные транзисторы. Принцип работы усилителей на этих элементах будет рассмотрен ниже.
Но все равно имеется большое количество высших гармоник в выходном сигнале, отчего звук становится характерным металлическим. Существуют еще схемы усилителей, работающие в классе «АА». В них нелинейные искажения еще меньше – до 0,0005 %. Но главный недостаток транзисторных усилителей все равно имеется – характерный металлический звук.
«Альтернативные» конструкции
Нельзя сказать, что они альтернативные, просто некоторые специалисты, занимающиеся проектировкой и сборкой усилителей для качественного воспроизведения звука, все чаще отдают предпочтение ламповым конструкциям. У ламповых усилителей такие преимущества:- Очень низкое значение уровня нелинейных искажений в выходном сигнале.
- Высших гармоник меньше, чем в транзисторных конструкциях.
Но есть один огромный минус, который перевешивает все достоинства, – обязательно нужно ставить устройство для согласования.
Дело в том, что у лампового каскада очень большое сопротивление – несколько тысяч Ом. Но сопротивление обмотки динамиков – 8 или 4 Ома. Чтобы их согласовать, нужно устанавливать трансформатор.
Конечно, это не очень большой недостаток – существуют и транзисторные устройства, в которых используются трансформаторы для согласования выходного каскада и акустической системы. Некоторые специалисты утверждают, что наиболее эффективной схемой оказывается гибридная – в которой применяются однотактные усилители, не охваченные отрицательной обратной связью. Причем все эти каскады функционируют в режиме УНЧ класса «А». Другими словами, применяется в качестве повторителя усилитель мощности на транзисторе.
Причем КПД у таких устройств достаточно высокий – порядка 50 %. Но не стоит ориентироваться только на показатели КПД и мощности – они не говорят о высоком качестве воспроизведения звука усилителем. Намного большее значение имеют линейность характеристик и их качество. Поэтому нужно обращать внимание в первую очередь на них, а не на мощность.
Схема однотактного УНЧ на транзисторе
Самый простой усилитель, построенный по схеме с общим эмиттером, работает в классе «А». В схеме используется полупроводниковый элемент со структурой n-p-n. В коллекторной цепи установлено сопротивление R3, ограничивающее протекающий ток. Коллекторная цепь соединяется с положительным проводом питания, а эмиттерная – с отрицательным. В случае использования полупроводниковых транзисторов со структурой p-n-p схема будет точно такой же, вот только потребуется поменять полярность.
С помощью разделительного конденсатора С1 удается отделить переменный входной сигнал от источника постоянного тока. При этом конденсатор не является преградой для протекания переменного тока по пути база-эмиттер. Внутреннее сопротивление перехода эмиттер-база вместе с резисторами R1 и R2 представляют собой простейший делитель напряжения питания. Обычно резистор R2 имеет сопротивление 1-1,5 кОм – наиболее типичные значения для таких схем. При этом напряжение питания делится ровно пополам.
И если запитать схему напряжением 20 Вольт, то можно увидеть, что значение коэффициента усиления по току h31 составит 150. Нужно отметить, что усилители КВ на транзисторах выполняются по аналогичным схемам, только работают немного иначе.
На резисторе R1 теперь можно вычислить значение падения – это разница между напряжениями базы и питания. При этом напряжение базы можно узнать по формуле – сумма характеристик эмиттера и перехода «Э-Б».
При питании от источника 20 Вольт: 20 – 9,7 = 10,3. Отсюда можно вычислить и значение сопротивления R1=10,3В/60 мкА=172 кОм. В схеме присутствует емкость С2, необходимая для реализации цепи, по которой сможет проходить переменная составляющая эмиттерного тока.
Если не устанавливать конденсатор С2, переменная составляющая будет очень сильно ограничиваться. Из-за этого такой усилитель звука на транзисторах будет обладать очень низким коэффициентом усиления по току h31. Нужно обратить внимание на то, что в вышеизложенных расчетах принимались равными токи базы и коллектора. Причем за ток базы брался тот, который втекает в цепь от эмиттера. Возникает он только при условии подачи на вывод базы транзистора напряжения смещения.
Но нужно учитывать, что по цепи базы абсолютно всегда, независимо от наличия смещения, обязательно протекает ток утечки коллектора. В схемах с общим эмиттером ток утечки усиливается не менее чем в 150 раз. Но обычно это значение учитывается только при расчете усилителей на германиевых транзисторах.
В случае использования кремниевых, у которых ток цепи «К-Б» очень мал, этим значением просто пренебрегают.Усилители на МДП-транзисторах
Усилитель на полевых транзисторах, представленный на схеме, имеет множество аналогов. В том числе и с использованием биполярных транзисторов. Поэтому можно рассмотреть в качестве аналогичного примера конструкцию усилителя звука, собранную по схеме с общим эмиттером. На фото представлена схема, выполненная по схеме с общим истоком. На входных и выходных цепях собраны R-C-связи, чтобы устройство работало в режиме усилителя класса «А».
Переменный ток от источника сигнала отделяется от постоянного напряжения питания конденсатором С1. Обязательно усилитель на полевых транзисторах должен обладать потенциалом затвора, который будет ниже аналогичной характеристики истока. На представленной схеме затвор соединен с общим проводом посредством резистора R1. Его сопротивление очень большое – обычно применяют в конструкциях резисторы 100-1000 кОм.
Такое большое сопротивление выбирается для того, чтобы не шунтировался сигнал на входе.
УНЧ с трансформатором на выходе
Можно изготовить такой усилитель своими руками для домашнего использования. Выполняется он по схеме, работающей в классе «А». Конструкция такая же, как и рассмотренные выше, – с общим эмиттером. Одна особенность – необходимо использовать трансформатор для согласования. Это является недостатком подобного усилителя звука на транзисторах.
Коллекторная цепь транзистора нагружается первичной обмоткой, которая развивает выходной сигнал, передаваемый через вторичную на динамики. На резисторах R1 и R3 собран делитель напряжения, который позволяет выбрать рабочую точку транзистора. С помощью этой цепочки обеспечивается подача напряжения смещения в базу. Все остальные компоненты имеют такое же назначение, как и у рассмотренных выше схем.Двухтактный усилитель звука
Нельзя сказать, что это простой усилитель на транзисторах, так как его работа немного сложнее, чем у рассмотренных ранее. В двухтактных УНЧ входной сигнал расщепляется на две полуволны, различные по фазе. И каждая из этих полуволн усиливается своим каскадом, выполненном на транзисторе. После того, как произошло усиление каждой полуволны, оба сигнала соединяются и поступают на динамики. Такие сложные преобразования способны вызвать искажения сигнала, так как динамические и частотные свойства двух, даже одинаковых по типу, транзисторов будут отличны.
В результате на выходе усилителя существенно снижается качество звучания.
При работе двухтактного усилителя в классе «А» не получается качественно воспроизвести сложный сигнал. Причина – повышенный ток протекает по плечам усилителя постоянно, полуволны несимметричные, возникают фазовые искажения. Звук становится менее разборчивым, а при нагреве искажения сигнала еще больше усиливаются, особенно на низких и сверхнизких частотах.Бестрансформаторные УНЧ
Усилитель НЧ на транзисторе, выполненный с использованием трансформатора, невзирая на то, что конструкция может иметь малые габариты, все равно несовершенен. Трансформаторы все равно тяжелые и громоздкие, поэтому лучше от них избавиться. Намного эффективнее оказывается схема, выполненная на комплементарных полупроводниковых элементах с различными типами проводимости. Большая часть современных УНЧ выполняется именно по таким схемам и работают в классе «В».
Два мощных транзистора, используемых в конструкции, работают по схеме эмиттерного повторителя (общий коллектор). При этом напряжение входа передается на выход без потерь и усиления.
Если на входе нет сигнала, то транзисторы на грани включения, но все равно еще отключены. При подаче гармонического сигнала на вход происходит открывание положительной полуволной первого транзистора, а второй в это время находится в режиме отсечки.
Схема УНЧ на одном транзисторе
Изучив все вышеописанные особенности, можно собрать усилитель своими руками на простой элементной базе. Транзистор можно использовать отечественный КТ315 или любой его зарубежный аналог – например ВС107. В качестве нагрузки нужно использовать наушники, сопротивление которых 2000-3000 Ом.
На базу транзистора необходимо подать напряжение смещения через резистор сопротивлением 1 Мом и конденсатор развязки 10 мкФ. Питание схемы можно осуществить от источника напряжением 4,5-9 Вольт, ток — 0,3-0,5 А.
Коснитесь входа усилителя пальцем – должен появиться характерный шум. Если его нет, то, скорее всего, конструкция собрана неправильно. Перепроверьте все соединения и номиналы элементов. Чтобы нагляднее была демонстрация, подключите к входу УНЧ источник звука – выход от плеера или телефона. Прослушайте музыку и оцените качество звучания.
Схема с общей базой
Схема с общей базойРис. 3.1 Схема усилителя по схеме с общей базой. Резистор RК являться нагрузкой транзистора и определяет его усилительные свойства,. Если RК=0 то эффект усиления напряжения не происходит, т.к. UКБ=EК=const. С увеличением RК растет коэффициент усиления схемы по напряжению, однако существует ограничение на RК сверху. Для данной схемы ориентировочные значения коэффициентов усиления можно определить следующим образом: Поскольку для ОБ IK ~ IЭ,RКБ||RКБ ~ RКБ, а RЭБ << RК (т.  Следовательно, схема с ОБ усиливает напряжение, мощность, но не усиливает ток. |
Режим работы схемы по постоянному току определяется элементами: RK, RЭ, EК, EЭ и характеристиками транзистора VT. Запишем уравнения Кирхгофа для выходной цепи: Уравнение (1) представляет собой уравнение прямой, которую называют нагрузочной прямой, а уравнение (2) представляет семейство выходных характеристик транзистора, включенного по схеме с общей базой. На основании определенных критериев может быть выбран тип транзистора, при этом по справочнику определим его входные и выходные характеристики. Для построения нагрузочной линии (1) рекомендуют использовать 2 режима:  Рис. 3.2)б) режим короткого замыкания: UКБ=0, следовательно точка 2 (см. Рис. 3.2) Рис. 3.2 Выходные характеристики транзистора с ОБ. Для обеспечения работы усилителя в точке покоя «О» нужно обеспечить (входной ток) IЭп. Аналогично выходной цепи опишем входную цепь системой уравнений: Уравнение 1′ нагрузочной прямой по входу, а уравнение 2′ – входными характеристиками транзистора. Для построения нагрузочной линии используем режимы холостого хода и короткого замыкания: Положение рабочей точки на нагрузочной прямой можно определить по току IЭп или по напряжению UКБп.  Координаты рабочей точки определяют напряжение между базой и эмиттером по постоянному току Эбп.Рис. 3.3 входные характеристики транзистора с ОБ. |
Разделительные конденсаторы СР1 и СР2 нужны для того, чтобы: 1) источник входного сигнала и нагрузка не изменяли режим работы транзистора по постоянному току; 2) не пропускать на вход и в нагрузку постоянные составляющие, в которых нет информации о переменном входном сигнале. При расчете схемы по переменному току составляется электрическая модель усилителя, включающая линейную электрическую модель усилителя, с учетом того, что для переменных составляющих источники питания (ЕК) обладают низким внутренним сопротивлением, и следовательно, точки «+» и «-» ЕК источника можно считать однопотенциальными.  Рис. 3.5 осциллограммы усилителя на транзисторе с ОБ. Для приращения входного тока относительно координаты точки покоя «О» на 25-30%, можно считать, что усилитель работает в линейной области характеристик, что обеспечивает синусоидальные значения выходного тока (IK) и напряжения (UКБ), при синусоидальном входном воздействии. Из рисунка 3.5 следует, что фазовый сдвиг между входным и выходным напряжениями равен нулю (φu=0), а фазовый сдвиг между токами IK и IЭ равен 180° (φi=180°). Это объясняется тем, что UКБ и IK отрицательны, т.к.  |
Используются технологии uCoz
| Преимущества
Радиоприемник всегда имеет радиочастотную секцию, представляющую собой настраиваемую схему, подключенную к клеммам антенны. Здесь можно выбрать желаемую частоту и отклонить некоторые нежелательные частоты. Однако такой приемник не обязательно должен иметь схему транзисторного ВЧ-усилителя, следующую за этой настроенной схемой. При наличии усилителя его выход подается на смеситель, на входе которого присутствует другая перестраиваемая схема. Однако во многих случаях настроенная цепь, подключенная к антенне, является фактической входной цепью микшера. В этом случае говорят, что приемник не имеет радиочастотного усилителя.
Назначение и функции ВЧ-усилителя: Приемник с ВЧ-каскадом несомненно превосходит по характеристикам приемник без такового, при прочих равных условиях.
С другой стороны, бывают случаи, когда схема транзисторного ВЧ-усилителя неэкономична, т. е. когда ее включение может значительно увеличить стоимость приемника при незначительном улучшении характеристик. Лучшим примером такого приемника является домашний приемник, используемый в зоне с высоким уровнем сигнала, например, в столичном районе любого крупного города.
- Большее усиление, т. е. лучшая чувствительность
- Улучшенное подавление частоты изображения
- Улучшенное отношение сигнал/шум
- Улучшенное подавление соседних нежелательных сигналов, т. е. лучшая селективность
- Лучшая связь приемника с антенной (важно на УКВ и выше)
- Предотвращение попадания паразитных частот в смеситель и гетеродинирование там для получения частоты помехи, равной ПЧ от полезного сигнала
- Предотвращение переизлучения гетеродина через антенну приемника (относительно редко)
Одночастотный усилитель с трансформаторной связью чаще всего используется для усиления радиочастот, как показано на рис.
6-3. На обеих диаграммах на рисунке видно, что имеется регулировка усиления РЧ, что очень редко встречается в бытовых приемниках, но довольно часто встречается в коммуникационных приемниках. Усилитель средней частоты на рис. 6-3а довольно прост, а УКВ-усилитель на рис. 6-3б содержит ряд усовершенствований. Проходные конденсаторы используются в качестве шунтирующих конденсаторов и, в сочетании с ВЧ-дросселем, для развязки выходного сигнала от V 
Такая связь используется здесь из-за вовлечения высоких частот. На практике схема транзисторного ВЧ-усилителя имеет входные и выходные конденсаторы настройки, объединенные друг с другом и с одним, настраивающим гетеродин.
Чувствительность радиоприемника — это его способность усиливать слабые сигналы. Его часто определяют с точки зрения напряжения, которое необходимо приложить к входным клеммам приемника, чтобы получить стандартную выходную мощность, измеренную на выходных клеммах. Для радиовещательных AM-приемников стандартизировано несколько соответствующих величин. Таким образом, используется 30-процентная модуляция синусоидальной волны с частотой 400 Гц, и сигнал подается на приемник через стандартную соединительную сеть, известную как фиктивная антенна. Стандартная мощность составляет 50 милливатт (50 мВт), и для всех типов приемников громкоговоритель заменяется сопротивлением нагрузки равного значения.
Чувствительность часто выражается в микровольтах или децибелах ниже 1 В и измеряется в трех точках вдоль диапазона настройки, когда производственный приемник настроен.
Из кривой чувствительности на Рисунке 6-4 видно, что чувствительность изменяется в диапазоне настройки. На частоте 1000 кГц этот конкретный приемник имеет чувствительность 12,7 мкВ, или –98 дБВ (дБ ниже 1 В). Иногда определение чувствительности расширяется, и производитель этого приемника может указывать не просто 12,7 мкВт, а «12,7 мкВт при отношении сигнал/шум 20 дБ на выходе приемника».
Для профессиональных приемников существует тенденция указывать чувствительность с точки зрения мощности сигнала, необходимой для получения минимально приемлемого выходного сигнала с минимально приемлемым отношением сигнал/шум. Измерения выполняются в описанных условиях, а минимальная входная мощность указывается в дБ ниже 1 мВт или дБм. Под заголовком «чувствительность» в спецификациях приемника производитель может указать: «а – 85 дБм 1 МГц сигнал, 30% модулированный синусоидой 400 Гц, при подаче на входные клеммы этого приемник через фиктивную антенну, выдавать на выходе мощность не менее 50 мВт с отношением сигнал/шум на выходе не менее 20 дБ».
Наиболее важными факторами, определяющими чувствительность супергетеродинного приемника, являются коэффициент усиления усилителя (усилителей) ПЧ и коэффициент усиления схемы транзисторного ВЧ-усилителя, если таковой имеется. Очевидно, что важную роль играет коэффициент шума. На рис. 6-4 показан график чувствительности довольно хорошего домашнего или автомобильного радиоприемника. Портативные и другие небольшие приемники, используемые только для широковещательного диапазона, могут иметь чувствительность около 150 мкВ, тогда как чувствительность приемников качественной связи может быть выше 1 мкВ в диапазоне ВЧ.
Избирательность: Избирательность приемника — это его способность подавлять нежелательные сигналы. Он выражается в виде кривой, такой как на рис. 6-5, которая показывает затухание, которое приемник оказывает на сигналы на частотах, близких к той, на которую он настроен. Селективность измеряется в конце теста на чувствительность при тех же условиях, что и для чувствительности, за исключением того, что теперь частота генератора изменяется в любую сторону от частоты, на которую настроен приемник.
Выход приемника естественно падает, так как входная частота теперь неверная. Входное напряжение необходимо увеличивать до тех пор, пока выходное напряжение не станет таким же, как оно было первоначально. Отношение напряжения, необходимого для резонанса, к напряжению, необходимому, когда генератор настраивается на частоту приемника, рассчитывается в нескольких точках, а затем строится в децибелах, чтобы получить кривую, которая представлена на рис. 6-5. Глядя на кривую, мы видим, что на 20 кГц ниже настроенной частоты приемника мешающий сигнал должен быть на 60 дБ больше, чем полезный сигнал, чтобы иметь ту же амплитуду.
Селективность зависит от частоты приема, если в секции ПЧ используются обычные настроенные схемы, и несколько ухудшается при повышении частоты приема. Как правило, это определяется откликом секции ПЧ, при этом входные цепи смесителя и ВЧ-усилителя играют небольшую, но значительную роль. Следует отметить, что именно избирательность определяет подавление соседнего канала приемника.
В стандартном широковещательном приемнике (а, собственно, и в подавляющем большинстве всех производимых приемников) частота гетеродина сделана выше частоты входящего сигнала по причинам, которые станут очевидными. Он всегда равен частоте сигнала плюс промежуточная частота. Таким образом, f 0 = f s +f i или f s = f o -f i , независимо от частоты сигнала. Когда f s и f o смешиваются, разностная частота, являющаяся одним из побочных продуктов, равна f i. Поэтому он единственный, который проходит и усиливается этапом IF.
Если частоте f si удается достичь смесителя, так что f si = f o + f i , то есть, f si = f s + 2f i , тогда эта частота также даст f i при смешивании с f o .
Соотношение этих частот показано на рис. 3-2, хотя и в другом контексте. К сожалению, этот ложный сигнал промежуточной частоты также будет усиливаться каскадом ПЧ и, следовательно, создавать помехи. Это приводит к одновременному приему двух станций, что, естественно, нежелательно. Член f si называется частотой изображения и определяется как частота сигнала плюс удвоенная промежуточная частота.
Повторяем, имеем
Подавление частоты изображения одночастотным контуром, т. е. отношение усиления на частоте сигнала к усилению на частоте изображения, определяется выражением
Q = загруженная добротность настроенного контура
Если приемник имеет ВЧ-каскад, то имеется два настроенных контура, оба настроены на f с . Отказ от каждого будет рассчитываться по одной и той же формуле, а общий отказ будет произведением двух. Все, что относится к расчетам усиления, применимо и к расчетам отклонения.
Подавление изображения зависит от входной избирательности приемника и должно быть достигнуто до этапа ПЧ.
Как только паразитная частота попадает в первый усилитель ПЧ, становится невозможным удалить ее из полезного сигнала. Видно, что если f si /f s большой, так как он находится в диапазоне АМ-вещания, использование РЧ-каскада не обязательно для хорошего подавления частоты изображения, но становится необходимым выше примерно 3 МГц.
Это хорошо известное явление, проявляющееся в приеме одной и той же коротковолновой станции в двух соседних точках на шкале приемника. Это вызвано плохой избирательностью входного каскада, то есть неадекватным подавлением частоты изображения. Другими словами, передняя часть приемника не очень хорошо выбирает различные соседние сигналы, но каскад ПЧ устраняет почти все из них. В этом случае очевидно, что точная настройка гетеродина определяет, какой сигнал будет усиливаться каскадом ПЧ. В широких пределах настройка настроенного контура на входе смесителя имеет гораздо меньшее значение (при условии, что в приемнике отсутствует схема транзисторного ВЧ-усилителя, которая сильно страдает от двойного обнаружения).
Отсутствие селективности вредно, потому что слабая станция может быть замаскирована приемом соседней сильной станции в ложной точке шкалы. Любопытно, что для вычисления промежуточной частоты неизвестного приемника можно использовать двойное обнаружение, поскольку паразитная точка на циферблате точно на 2f i ниже правильной частоты.
