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 C3, 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.

Простейший УНЧ на мощность до 10 ватт

Первый транзистор предварительно усиливает сигнал, он, как и все другие транзисторы в этой схеме не критичен. Я использовал отечественный — КТ829, но можно использовать буквально любые транзисторы обратной проводимости средней мощности.

В выходном каскаде использована легендарная комплементарная пара КТ818/КТ819. За годы их производства, они стали неразлучной парой. Благодаря этим транзисторам усилитель способен развивать 5 ватт от источника питания 12 вольт, хотя максимальная мощность усилителя доходит до 10 ватт. Единственная проблема схемы — повышенный уровень постоянного напряжения на выходе.

Резистор 56 ом был заменен на 52, мощность желательно подобрать 1-2 ватт, он перегревается (но не так страшно). Транзисторы выходного каскада были установлены на теплоотводы, один из них через изоляционную прокладку и шайбу, второй изолировать от теплоотвода не нужно.

Первому транзистору теплоотвод не нужен, транзисторы оконечника тоже почти не греются, что достаточно странно для класса А. Ток потребления в пике доходит 1 А, это тоже очень мало для усилителя этого класса.

Резистор 330 Ом был заменен на 300 (просто не нашел такого резистора), его тоже нужно подобрать с мощностью 0,5-1 ватт. Выходной конденсатор не критичен, подобрать с напряжением 10-50 вольт, емкость 220 — 3300 мкФ. Входной конденсатор тоже не критичен, использовал на 22 мкФ 16 вольт, хотя емкость может отклонится от 1 до 47мкФ. Питал УНЧ от обычного бп на 12 вольт (мост и конденсатор на 2200 мкФ). Несмотря на простую конструкцию, усилитель получился неплохим. Конечно, схема не самая лучшее, но для новичка думаю в самый раз.

Простой транзисторный класса А

   Усилитель такого класса лучший вариант для истинных ценителей музыки. Теплый звук, по параметрам близкий к ламповому звучанию может стать отличным пополнением в вашей домашней аудиосистеме. Данная схема была успешно повторена многими радиолюбителями и до сих пор не имеет аналогов по звучанию и простоте. Создавая эту схему, автор, гениальный Джон Линсли-Худ придерживался к пословице — гениально то, что просто, и создал один из самых качественных (если не самый качественный) транзисторный усилитель мощности низкой частоты. 

   Сама схема собрана всего на 4-х транзисторах, максимальная мощность схемы доходит до 15 ватт (если чуть поднять напряжение питания). Схема может работать с динамическими головками от 4-х Ом (хотя и с головками 2 Ом работает тоже неплохо. Усилитель работает отлично даже со значительным разбросом номиналов пассивных компонентов. Входной конденсатор подбирается исходя от вашего вкуса, от его емкости зависит чувствительность усилителя к низким частотам (чем больше емкость, тем ниже частота пропускания). 

   Выходной конденсатор желательно подобрать с напряжением 25 Вольт и более, емкость 2200-4700 мкФ. Не критичны и сами транзисторы, но для наилучшего звучания следует использовать германиевые транзисторы. Для раскачки выходного каскада можно использовать отечественный КТ803 (самый оптимальный вариант), хотя можно и другие — КТ817/815 или аналогичные. В выходном каскаде можно использовать биполярные транзисторы серии 2SC5200 от производителя TOSHIBA, можно также ставить отечественные КТ803 или 805 в металлическом корпусе.

   Мощность усилителя будет зависеть от входного напряжения. На схеме приведена также небольшая табличка, в которой указаны номиналы некоторых компонентов. Эти компоненты подбираются исходя от сопротивления динамической головки и напряжения питания. Усилитель относится к категории ультралинейных усилителей класса А, КПД не более 25%. Для получении 10 ватт, вам нужен блок питания с мощностью 50-70 ватт.

ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ УНЧ

Смотреть ещё схемы усилителей

       УСИЛИТЕЛИ НА ЛАМПАХ          УСИЛИТЕЛИ НА ТРАНЗИСТОРАХ  

УСИЛИТЕЛИ НА МИКРОСХЕМАХ          СТАТЬИ ОБ УСИЛИТЕЛЯХ   

Усилитель на старых транзисторах. Простой транзисторный усилитель класса «А

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 ).

Схема № 1

Выбор класса усилителя . Сразу предупредим радиолюбителя — делать усилитель класса A на транзисторах мы не будем. Причина проста — как было сказано во введении, транзистор усиливает не только полезный сигнал, но и поданное на него смещение. Проще говоря, усиливает постоянный ток. Ток этот вместе с полезным сигналом потечет по акустической системе (АС), а динамики, к сожалению, умеют этот постоянный ток воспроизводить. Делают они это самым очевидным образом — вытолкнув или втянув диффузор из нормального положения в противоестественное.

Попробуйте прижать пальцем диффузор динамика — и вы убедитесь, в какой кошмар превратится при этом издаваемый звук. Постоянный ток по своему действию с успехом заменяет ваши пальцы, поэтому динамической головке он абсолютно противопоказан. Отделить же постоянный ток от переменного сигнала можно только двумя средствами — трансформатором или конденсатором, — и оба варианта, что называется, один хуже другого.

Принципиальная схема

Схема первого усилителя, который мы соберем, приведена на рис. 11.18.

Это усилитель с обратной связью, выходной каскад которого работает в режиме В. Единственное достоинство этой схемы — простота, а также однотипность выходных транзисторов (не требуется специальные комплементарные пары). Тем не менее, она достаточно широко применяется в усилителях небольшой мощности. Еще один плюс схемы — она не требует никакой настройки, и при исправных деталях заработает сразу, а нам это сейчас очень важно.

Рассмотрим работу этой схемы. Усиливаемый сигнал подается на базу транзистора VT1. Усиленный этим транзистором сигнал с резистора R4 подается на базу составного транзистора VT2, VT4, а с него — на резистор R5.

Транзистор VT3 включен в режиме эмиттерного повторителя. Он усиливает положительные полуволны сигнала на резисторе R5 и подает их через конденсатор C4 на АС.

Отрицательные же полуволны усиливает составной транзистор VT2, VT4. При этом падение напряжения на диоде VD1 закрывает транзистор VT3. Сигнал с выхода усилителя подается на делитель цепи обратной связи R3, R6, а с него — на эмиттер входного транзистора VT1. Таким образом, транзистор VT1 у нас и играет роль устройства сравнения в цепи обратной связи.

Постоянный ток он усиливает с коэффициентом усиления, равным единице (потому что сопротивление конденсатора C постоянному току теоретически бесконечно), а полезный сигнал — с коэффициентом, равным соотношению R6/R3.

Как видим, величина емкостного сопротивления конденсатора в этой формуле не учитывается. Частота, начиная с которой конденсатором при расчетах можно пренебречь, называется частотой среза RC-цепочки. Частоту эту можно рассчитать по формуле

F = 1 / (R×C) .

Для нашего примера она будет около 18 Гц, т. е. более низкие частоты усилитель будет усиливать хуже, чем он мог бы.

Плата . Усилитель собран на плате из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1.5 мм размерами 45×32.5 мм. Разводку печатной платы в зеркальном изображении и схему расположения деталей можно скачать . Видеоролик о работе усилителя в формате MOV скачать для просмотра можно . Хочу сразу предупредить радиолюбителя — звук, воспроизводимый усилителем, записывался в ролике с помощью встроенного в фотоаппарат микрофона, так что говорить о качестве звука, к сожалению, будет не совсем уместно! Внешний вид усилителя приведен на рис. 11.19.

Элементная база . При изготовлении усилителя транзисторы VT3, VT4 можно заменить любыми, рассчитанными на напряжение не менее напряжения питания усилителя, и допустимым током не менее 2 А. На такой же ток должен быть рассчитан и диод VD1.

Остальные транзисторы — любые с допустимым напряжением не менее напряжение питания, и допустимым током не менее 100 мА. Резисторы — любые с допустимой рассеиваемой мощностью не менее 0.125 Вт, конденсаторы — электролитические, с емкостью, не менее указанной на схеме, и рабочим напряжением на менее напряжения питания усилителя.

Радиаторы для усилителя . Прежде чем попробовать изготовить нашу вторую конструкцию, давайте, уважаемый радиолюбитель, остановимся на радиаторах для усилителя и приведем здесь весьма упрощенную методику их расчета.

Во-первых, вычисляем максимальную мощность усилителя по формуле:

P = (U × U) / (8 × R), Вт ,

где U — напряжение питания усилителя, В; R — сопротивление АС (обычно оно составляет 4 или 8 Ом, хотя бывают и исключения).

Во-вторых, вычисляем мощность, рассеиваемую на коллекторах транзисторов, по формуле:

P рас = 0,25 × P, Вт .

В-третьих, вычисляем площадь радиатора, необходимую для отвода соответствующего количества тепла:

S = 20 × P рас, см 2

В-четвертых, выбираем или изготавливаем радиатор, площадь поверхности которого будет не менее рассчитанной.

Указанный расчет носит весьма приблизительный характер, но для радиолюбительской практики его обычно бывает достаточно. Для нашего усилителя при напряжении питания 12 В и сопротивлении АС, равным 8 Ом, «правильным» радиатором была бы алюминиевая пластина размерами 2×3 см и толщиной не менее 5 мм для каждого транзистора. Имейте ввиду, что более тонкая пластина плохо передает тепло от транзистора к краям пластины. Хочется сразу предупредить — радиаторы во всех остальных усилителях тоже должны быть «нормальных» размеров. Каких именно — посчитайте сами!

Качество звучания . Собрав схему, вы обнаружите, что звук усилителя не совсем чистый.

Причина этого — «чистый» режим класса В в выходном каскаде, характерные искажения которого даже обратная связь полностью скомпенсировать не способна. Ради эксперимента попробуйте заменить в схеме транзистор VT1 на КТ3102ЕМ, а транзистор VT2 — на КТ3107Л. Эти транзисторы имеют значительно больший коэффициент усиления, чем КТ315Б и КТ361Б. И вы обнаружите, что звучание усилителя значительно улучшилось, хотя все равно останутся заметными некоторые искажения.

Причина этого также очевидна — больший коэффициент усиления усилителя в целом обеспечивает большую точность работы обратной связи, и больший ее компенсирующий эффект.

Продолжение читайте

Редакция сайта «Две Схемы» представляет простой, но качественный усилитель НЧ на транзисторах MOSFET. Его схема должна быть хорошо известна радиолюбителям аудиофилам, так как ей уже лет 20. Схема является разработкой знаменитого Энтони Холтона, поэтому её иногда так и называют — УНЧ Holton. Система усиления звука имеет низкие гармонические искажения, не превышающие 0,1%, при мощности на нагрузку порядка 100 Ватт.

Данный усилитель является альтернативой для популярных усилителей серии TDA и подобных попсовых, ведь при чуть большей стоимости можно получить усилитель с явно лучшими характеристиками.

Большим преимуществом системы является простая конструкция и выходной каскад, состоящий из 2-х недорогих МОП-транзисторов. Усилитель может работать с динамиками сопротивлением как 4, так и 8 Ом. Единственной настройкой, которую необходимо выполнить во время запуска — будет установка значения тока покоя выходных транзисторов.

Принципиальная схема УМЗЧ Holton

Схема является классическим двухступенчатым усилителем, он состоит из дифференциального входного усилителя и симметричного усилителя мощности, в котором работает одна пара силовых транзисторов. Схема системы представлена выше.

Печатная плата

Вот архив с PDF файлами печатной платы — .

Принцип работы усилителя

Транзисторы Т4 (BC546) и T5 (BC546) работают в конфигурации дифференциального усилителя и рассчитаны на питание от источника тока, построенного на основе транзисторов T7 (BC546), T10 (BC546) и резисторах R18 (22 ком), R20 (680 Ом) и R12 (22 ком). Входной сигнал подается на два фильтра: нижних частот, построенный из элементов R6 (470 Ом) и C6 (1 нф) — он ограничивает ВЧ компоненты сигнала и полосовой фильтр, состоящий из C5 (1 мкф), R6 и R10 (47 ком), ограничивающий составляющие сигнала на инфранизких частотах.

Нагрузкой дифференциального усилителя являются резисторы R2 (4,7 ком) и R3 (4,7 ком). Транзисторы T1 (MJE350) и T2 (MJE350) представляют собой еще один каскад усиления, а его нагрузкой являются транзисторы Т8 (MJE340), T9 (MJE340) и T6 (BD139).

Конденсаторы C3 (33 пф) и C4 (33 пф) противодействуют возбуждению усилителя. Конденсатор C8 (10 нф) включенный параллельно R13 (10 ком/1 В), улучшает переходную характеристику УНЧ, что имеет значение для быстро нарастающих входных сигналов.

Транзистор T6 вместе с элементами R9 (4,7 ком), R15 (680 Ом), R16 (82 Ом) и PR1 (5 ком) позволяет установить правильную полярность выходных каскадов усилителя в состоянии покоя. С помощью потенциометра необходимо установить ток покоя выходных транзисторов в пределах 90-110 мА, что соответствует падению напряжения на R8 (0,22 Ом/5 Вт) и R17 (0,22 Ом/5 Вт) в пределах 20-25 мВ. Общее потребление тока в режиме покоя усилителя должен быть в районе 130 мА.

Выходными элементами усилителя являются МОП-транзисторы T3 (IRFP240) и T11 (IRFP9240). Транзисторы эти устанавливаются как повторитель напряжения с большим максимальным выходным током, таким образом, первые 2 каскада должны раскачать достаточно большую амплитуду для выходного сигнала.

Резисторы R8 и R17 были применены, в основном, для быстрого измерения тока покоя транзисторов усилителя мощности без вмешательства в схему. Могут они также пригодиться в случае расширения системы на еще одну пару силовых транзисторов, из-за различий в сопротивлении открытых каналов транзисторов.

Резисторы R5 (470 Ом) и R19 (470 Ом) ограничивают скорость зарядки емкости проходных транзисторов, а, следовательно, ограничивают частотный диапазон усилителя. Диоды D1-D2 (BZX85-C12V) защищают мощные транзисторы. С ними напряжение при запуске относительно источников питания у транзисторов не должно быть больше 12 В.

На плате усилителя предусмотрены места для конденсаторов фильтра питания С2 (4700 мкф/50 в) и C13 (4700 мкф/50 в).

Управление питается через дополнительный RC фильтр, построенный на элементах R1 (100 Ом/1 В), С1 (220 мкф/50 в) и R23 (100 Ом/1 В) и C12 (220 мкф/50 в).

Источник питания для УМЗЧ

Схема усилителя обеспечивает мощность, которая достигает реальных 100 Вт (эффективное синусоидальная), при входном напряжении в районе 600 мВ и сопротивлением нагрузки 4 Ома.

Рекомендуемый трансформатор — тороид 200 Вт с напряжением 2х24 В. После выпрямления и сглаживания должно получиться двух полярное питание усилители мощности в районе +/-33 Вольт. Представленная здесь конструкция является модулем монофонического усилителя с очень хорошими параметрами, построенного на транзисторах MOSFET, который можно использовать как отдельный блок или в составе .

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.

Время чтения ≈ 6 минут

Усилители – наверное, одни из первых устройств, которые начинают конструировать радиолюбители-новички. Собирая УНЧ на транзисторах своими руками при помощи готовой схемы, многие используют микросхемы.

Транзисторные усилители хоть и отличаются огромным числом , но каждый радиоэлектронщик постоянно стремится сделать что-то новое, более мощное, более сложное, интересное.

Более того, если вам нужен качественный, надежный усилитель, то стоит смотреть в сторону именно транзисторных моделей. Ведь, именно они наиболее дешевые, способны выдавать чистый звук, и их легко сконструирует любой новичок.

Поэтому, давайте разберемся, как сделать самодельный усилитель НЧ класса B.

Примечание! Да-да, усилители класса B тоже могут быть хорошими. Многие говорят, что качественный звук могут выдавать лишь ламповые устройства. Отчасти это правда. Но, взгляните на их стоимость.

Более того, собрать такое устройство дома – задача далеко не из легких. Ведь вам придется долго искать нужные радиолампы, после чего покупать их по довольно высокой цене. Да и сам процесс сборки и пайки требует какого-то опыта.

Поэтому, рассмотрим схему простого, и в то же время качественного усилителя низкой частоты, способного выдавать звук мощность 50 Вт.

Старая, но проверенная годами схема из 90-х

Схема УНЧ, который мы будем собирать, впервые была опубликована в журнала «Радио» за 1991 год. Ее успешно собрали сотни тысяч радиолюбителей. Причем, не только для и улучшения мастерства, но и для использования в своих аудиосистемах.

Итак, знаменитый усилитель низкой частоты Дорофеева:

Уникальность и гениальность этой схемы кроется в ее простоте. В этом УНЧ применяется минимальное количество радиоэлементов, и предельно простой источник питания. Но, устройство способно «брать» нагрузку в 4 Ома, и обеспечивать выходную мощность в 50 Вт, чего вполне достаточно для домашней или автомобильной акустической системы.

Многие электротехники совершенствовали, дорабатывали эту схему. И. для удобства мы взяли самый современный ее вариант, заменив старые компоненты на новые, чтобы вам было проще конструировать УНЧ:

Описание схемы усилителя низких частот

В этом «переработанном» Доровеевском УНЧ были использованы уникальные и наиболее эффективные схематические решения. К примеру, сопротивление R12. Этот резистор ограничивает ток на коллекторе выходного транзистора, тем самым ограничивая максимальную мощность усилителя.

Важно! Не стоит менять номинал R12, чтобы увеличить выходную мощность, так как он подобран именно под те компоненты, что применяются в схеме. Этот резистор защищает всю схему от коротких замыканий .

Выходной каскад транзисторов:

Тот самый R12 «вживую»:

Резистор R12 должен иметь мощность на 1 Вт, если под рукой такого нет – берите на полватта. Он имеет параметры, обеспечивающие коэффициент нелинейных искажений до 0,1% на частоте в 1 кГц, и не более 0,2% при 20 кГц. То есть, на слух никаких изменений вы не заметите. Даже при работе на максимальной мощности.

Блок питания нашего усилителя нужно подобрать двухполярный, с выходными напряжениями в пределах 15-25 В (+- 1 %):

Чтобы «поднять» мощность звука, можно увеличить напряжение. Но, тогда придется параллельно произвести замену транзисторов в оконечном каскаде схемы. Заменить их нужно на более мощные, после чего провести перерасчет нескольких сопротивлений.

Компоненты R9 и R10 должны иметь номинал, в соответствии с подающимся напряжением:

Они, с помощью стабилитрона, ограничивают проходящий ток. В этой же части цепи собирается параметрический стабилизатор, который нужен для стабилизации напряжения и тока перед операционным усилителем:

Пара слов о микросхеме TL071 – «сердце» нашего УНЧ. Ее считают отличным операционным усилителем, которые встречается как в любительских конструкциях, так и в профессиональной аудиоаппаратуре. Если нет подходящего операционника, его можно заменить на TL081:

Вид «в реальности» на плате:

Важно! Если вы решите применять в этой схеме какие-либо другие операционные усилители, внимательно изучайте их распиновку, ведь «ножки» могут иметь другие значения .

Для удобства микросхему TL071 стоит монтировать на предварительно впаянную в плату пластиковую панельку. Так можно будет быстро заменить компонент на другой в случае необходимости.

Полезно знать! Для ознакомления представим вам еще одну схему этого УНЧ, но без усиливающей микросхемы. Устройство состоит исключительно из транзисторов, но собирается крайне редко ввиду устаревания и неактуальности.

Чтобы было удобнее, мы постарались сделать печатную плату минимальной по размерам – для компактности и простоты монтажа в аудиосистему:

Все перемычки на плате нужно запаивать сразу же после травления.

Транзисторные блоки (входного и выходного каскада) нужно монтировать на общий радиатор. Разумеется, они тщательно изолируются от теплоотвода.

На схеме они здесь:

А тут на печатной плате:

Если в наличии нет готовых, радиаторы можно изготовить из алюминиевых или медных пластин:

Транзисторы выходного каскада должны иметь рассеиваемую мощность как минимум в 55 Вт, а еще лучше – 70 или целых 100 Вт. Но, этот параметр зависит от подающегося на плату напряжения питания.

Из схемы понятно, что на входном и выходном каскаде применяется по 2 комплементарных транзистора. Нам важно подобрать их по усиливающему коэффициенту. Чтобы определить этот параметр, можно взять любой мультиметр с функцией проверки транзисторов:

Если такого устройства у вас нет, тогда придется одолжить у какого-то мастерам транзисторный тестер:

Стабилитроны стоит подбирать по мощности на полватта. Напряжение стабилизации у них должно составлять 15-20 В:

Блок питания. Если вы планируете смонтировать на свой УНЧ трансформаторный БП, тогда подберите конденсаторы-фильтры с емкостью как минимум 5 000 мкФ. Тут чем больше – тем лучше.

Собранный нами усилитель низких частот относится к B-классу. Работает он стабильно, обеспечивая почти кристально-чистое звучание. Но, БН лучше всего подбирать так, чтобы он мог работать не на всю мощность. Оптимальный вариант – трансформатор габаритной мощностью минимум в 80 Вт.

Вот и все. Мы разобрались, как собрать УНЧ на транзисторах своими руками с помощью простой схемы, и как его в будущем можно усовершенствовать. Все компоненты устройства найдутся , а если их нет – стоит разобрать пару-тройку старых магнитофонов или заказать радиодетали в интернете (стоят они практически копейки).

Схема транзисторного усилителя » Вот схема!

Поскольку мы не делаем законченную конструкцию, а только эксперементируем печатная плата нам не нужна, все детали можно спаять между собой при помощи их проволочных выводов и медной луженной проволоки диаметром 0,3-0,6 мм (очистите обмоточный провод от лакового покрытия и облудите паяльником).

Собрав схему у вас получится своеобразный стетоскоп (как у врача). В наушнике В1 будет слышно все что происходит перед динамиком М1. Можно при помощи длинных проводов вынести динамик в соседнюю комнату и слушать что там происходит.

Резистор R1 создает напряжение смещения на базе транзистора и изменяя его можно выбрать рабочую точку на характеристике транзистора. По эксперементируйте с этим резистором, но не уменьшайте его сопротивление меньше 30 кОм. При какой-то определенной величине сопротивления этого резистора громкость будет максимальной.

Конденсатор С1 на входе усилителя необходим для разделения переменного и постоянного тока. Посмотрите сами, если динамик, с его низким сопротивлением подключить непосредственно между базой и эмиттером транзистора. При этом постоянное напряжение смещения сильно уменьшится и транзистор закроется, усилитель перестанет работать. Наличие емкости С1 создает преграду постоянному току через динамик, но емкостное реактивное сопоротивление С1 пропускает переменный ток звуковые колебания.

В качестве источника питания желательно использовать батарею типа «Крона» или импортную на 9В.
Простейший однокаскадный усилитель можно собрать по схеме на рисунке 2. В1 — это наушники от аудиоплейера, вернее только одно «ухо», М1 — микрофон, роль которого выполняет динамик, любой малогабаритный.

Теперь, пользуясь схемой на рисунке 3 добавьте еще один каскад усиления. Получится двухкаскадный усилитель. Громкость звучания наушника и чувствительность микрофона-динамика будут значительно выше, чем в схеме на одном транзисторе.

Еще одна интересная деталь. Если вы поднесете к динамику М1 наушник В1 возникнет акустическая обратная связь и усилитель превратится в генератор. Из В1 будет слышен звук высокой тональности. А если изменять положения М1 и В1 между собой звук тоже будет меняться. Если М1 и В1 направить в одну сторону, но так чтобы генерации небыло, и поднести к ним, например толстую книгу — генерация появится. В общем, из усилителя получается акустический локатор.

Усилитель по схеме на рисунке 3 довольно сложный, дело здесь в том, что каскады на транзисторах представляют собой два независимых усилителя, включенных последовательно, связанных только по переменному току через конденсатор С2. На рисунке 4 схема другого двух каскадного усилителя, равноценного тому, что на рисунке 3, но транзисторы в нем связаны по постоянному току, рабочая точка обеих транзисторов устанавливается при помощи всего одного резистора R1, одновременно.

Рис.3

Такая схема называется — с гальванической связью между каскадами. Во всех схемах конденсаторы на 0,33 мкф могут быть на 0,1…1 мкф. Конденсаторы на 4700 пф могут быть на 3300пф …0,01 мкф.

В усилителе по рисунку 4 можно вместо В1 включть динамик М1, а вместо М1 подключить, например выход аудиоплейера. Подобрав сопротивление R1 можно добиться достаточно громкого и неискаженного звучания.

Рис.4

Эксперимент: Проектирование схем транзисторов

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 учтите, что схема все еще работает (может усиливать пики).

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 самого 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

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. a Разъем аккумулятора 9В
10. аккумулятор 9В
11. разъем RCA
12. a RadioShack Speaker (мы любим эти вещи)

Проектирование схемы

Эмиттерные и коллекторные резисторы

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

Мы хотим, чтобы нейронный сигнал превышал +4,5 В, чтобы у нас было достаточно «места» для напряжения, чтобы усилить как отрицательную, так и положительную 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 вы используете 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 сопротивления, 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 эффективно заставит 1 кОм исчезнуть для нашего пикового сигнала.Мы все равно хотим добавить конденсатор, так как нам нужно сделать:

Фильтр высоких частот

Параллельно подключенные резистор и конденсатор действуют как фильтры верхних 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, а 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 равно 1 В из-за падения напряжения, рассчитанного выше, поэтому V _b должно быть 1.6В. Сделаем делитель напряжения!

Наш V _в равен 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 ногу 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, так же, как мы делаем с нашим обычным SpikerBox, где у вас есть выход схемы, идущий на 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 _и , чтобы немного понизить усиление второй ступени, но все равно сделают более громкие всплески, когда вы подключите эту схему к ноге таракана. Смотрите видео ниже.

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

Обсуждение

Вопросы для обсуждения

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

Усилитель с общим эмиттером и транзисторные усилители

В предыдущем введении в руководство по усилителю мы увидели, что семейство кривых, обычно называемых кривыми выходных характеристик , связывает ток коллектора транзисторов (Ic) с его напряжением коллектора (Vce) для различных значений базы транзисторов. Текущий (Ib).

Все типы транзисторных усилителей работают с использованием входных сигналов переменного тока, которые чередуются между положительным и отрицательным значением, поэтому требуется некоторый способ «предварительной настройки» схемы усилителя для работы между этими двумя максимальными или пиковыми значениями.Это достигается с помощью процесса, известного как Biasing . Смещение очень важно при проектировании усилителя, поскольку оно устанавливает правильную рабочую точку транзисторного усилителя, готового к приему сигналов, тем самым уменьшая любые искажения выходного сигнала.

Мы также увидели, что на этих кривых выходных характеристик можно нарисовать статическую нагрузку или линию нагрузки постоянного тока, чтобы показать все возможные рабочие точки транзистора от полного «ВКЛ» до полного «ВЫКЛ», и до которых рабочая точка покоя или Q -поинт усилителя найти.

Цель любого усилителя небольшого сигнала — усилить весь входной сигнал с минимально возможным искажением выходного сигнала, другими словами, выходной сигнал должен быть точным воспроизведением входного сигнала, но только с большим (усиленным) .

Для получения низких искажений при использовании в качестве усилителя необходимо правильно выбрать рабочую точку покоя. Фактически, это рабочая точка постоянного тока усилителя, и ее положение может быть установлено в любой точке вдоль линии нагрузки с помощью подходящего устройства смещения.

Наилучшее возможное положение для этой точки Q — как можно ближе к центральному положению линии нагрузки, насколько это возможно, что обеспечивает работу усилителя класса A, т.е. Vce = 1 / 2Vcc. Рассмотрим схему усилителя с общим эмиттером , показанную ниже.

Схема усилителя с общим эмиттером

Схема одноступенчатого усилителя с общим эмиттером, показанная выше, использует то, что обычно называется «смещением делителя напряжения». Этот тип устройства смещения использует два резистора в качестве цепи делителя потенциала на источнике питания, центральная точка которого подает необходимое базовое напряжение смещения на транзистор.Смещение делителя напряжения обычно используется в схемах усилителя на биполярных транзисторах.

Этот метод смещения транзистора значительно снижает влияние изменения бета, (β), поддерживая смещение базы на постоянном стабильном уровне напряжения, что обеспечивает лучшую стабильность. Базовое напряжение покоя (Vb) определяется цепью делителя потенциала, образованной двумя резисторами R1, R2 и напряжением источника питания Vcc, как показано, с током, протекающим через оба резистора.

Тогда полное сопротивление R _T будет равно R1 + R2, давая ток как i = Vcc / R _T .Уровень напряжения, генерируемый на стыке резисторов R1 и R2, поддерживает постоянное базовое напряжение (Vb) на значении ниже напряжения питания.

Затем схема делителя потенциала, используемая в схеме усилителя с общим эмиттером, делит напряжение питания пропорционально сопротивлению. Это опорное напряжение смещения можно легко рассчитать, используя простую формулу делителя напряжения ниже:

Напряжение смещения транзистора

То же напряжение питания (Vcc) также определяет максимальный ток коллектора Ic, когда транзистор полностью включен (насыщение), Vce = 0.Базовый ток Ib для транзистора определяется из тока коллектора Ic и коэффициента усиления постоянного тока Beta, β транзистора.

Значение бета

Beta иногда называют h _FE , что означает усиление прямого тока транзисторов в конфигурации с общим эмиттером. Бета не имеет единиц измерения, поскольку это фиксированное соотношение двух токов, Ic и Ib, поэтому небольшое изменение тока базы вызовет большое изменение тока коллектора.

И последнее о Бете.Бета-значение транзисторов одного типа и номера детали будет сильно различаться. Например, биполярный транзистор BC107 NPN имеет коэффициент усиления по постоянному току Beta от 110 до 450 (значение из таблицы данных). Таким образом, один BC107 может иметь значение бета 110, а другой — 450, но оба они являются транзисторами BC107 npn. Это потому, что бета — характеристика конструкции транзистора, а не его работы.

Поскольку переход база / эмиттер смещен в прямом направлении, напряжение эмиттера Ve будет на одно падение напряжения перехода, отличное от напряжения базы.Если известно напряжение на резисторе эмиттера, то ток эмиттера, Ie, можно легко рассчитать с помощью закона Ома. Ток коллектора Ic может быть приблизительно равен току эмиттера.

Пример усилителя с общим эмиттером №1

Схема усилителя с общим эмиттером имеет сопротивление нагрузки R _L 1,2 кОм и напряжение питания 12 В. Рассчитайте максимальный ток коллектора (Ic), протекающий через нагрузочный резистор, когда транзистор полностью включен (насыщение), примите Vce = 0.Также найдите значение резистора эмиттера R _E , если на нем падение напряжения составляет 1 В. Рассчитайте значения всех остальных резисторов схемы, используя стандартный кремниевый транзистор NPN.

Это затем устанавливает точку «A» на вертикальной оси тока коллектора кривых характеристик и происходит, когда Vce = 0. Когда транзистор полностью выключен, на резисторе R _E или R _{нет падения напряжения. L} , так как через них не течет ток.Тогда падение напряжения на транзисторе Vce будет равно напряжению питания Vcc. Это установит точку «B» на горизонтальной оси кривых характеристик.

Обычно точка Q покоя усилителя соответствует нулевому входному сигналу, приложенному к базе, поэтому коллектор находится примерно на полпути вдоль линии нагрузки между нулевым вольт и напряжением питания (Vcc / 2). Следовательно, ток коллектора в точке добротности усилителя будет задан как:

Эта статическая линия нагрузки постоянного тока представляет собой уравнение прямой линии, наклон которой задается как: -1 / (R _L + R _E ) и пересекает вертикальную ось Ic в точке, равной Vcc / (R _L + R _E ).Фактическое положение точки Q на линии нагрузки постоянного тока определяется средним значением Ib.

Поскольку ток коллектора, Ic транзистора также равен коэффициенту усиления по постоянному току транзистора (бета), умноженному на ток базы (β * Ib), если мы предположим значение бета (β) для транзистора, скажем, 100, (сто — разумное среднее значение для сигнальных транзисторов малой мощности). Базовый ток Ib, протекающий в транзистор, будет иметь вид:

Вместо использования отдельного источника смещения базы обычно подается напряжение смещения базы от главной шины питания (Vcc) через понижающий резистор R1.Резисторы R1 и R2 теперь могут быть выбраны так, чтобы обеспечить подходящий базовый ток покоя 45,8 мкА или 46 мкА, округленный до ближайшего целого числа. Ток, протекающий через цепь делителя потенциала, должен быть большим по сравнению с фактическим током базы Ib, чтобы сеть делителя напряжения не нагружалась потоком тока базы.

Общее практическое правило — это значение, по крайней мере, в 10 раз превышающее Ib, протекающее через резистор R2. Напряжение базы / эмиттера транзистора, Vbe фиксировано на 0,7 В (кремниевый транзистор), тогда это дает значение R2 как:

Если ток, протекающий через резистор R2, в 10 раз превышает значение тока базы, то ток, протекающий через резистор R1 в цепи делителя, должен быть в 11 раз больше значения тока базы.То есть: я _R2 + Ib.

Таким образом, напряжение на резисторе R1 равно Vcc — 1,7 В (V _RE + 0,7 для кремниевого транзистора), что равно 10,3 В, поэтому R1 можно рассчитать как:

Значение резистора эмиттера R _E можно легко вычислить с помощью закона Ома. Ток, протекающий через R _E , представляет собой комбинацию тока базы Ib и тока коллектора Ic и определяется как:

Резистор, R _E подключен между выводом эмиттера транзистора и землей, и мы говорили ранее, что на нем есть падение напряжения в 1 вольт.Таким образом, номинал резистора эмиттера R _E рассчитывается как:

Итак, для нашего примера, приведенного выше, предпочтительные значения резисторов, выбранных для обеспечения допуска 5% (E24), следующие:

Затем нашу исходную схему усилителя с общим эмиттером , приведенную выше, можно переписать, чтобы включить в нее значения компонентов, которые мы только что вычислили выше.

Завершенная схема общего эмиттера

Конденсаторы связи усилителя

В схемах усилителя с общим эмиттером конденсаторы C1 и C2 используются в качестве конденсаторов связи для отделения сигналов переменного тока от напряжения смещения постоянного тока.Это гарантирует, что на условие смещения, установленное для правильной работы схемы, не повлияют никакие дополнительные каскады усилителя, поскольку конденсаторы будут пропускать только сигналы переменного тока и блокировать любую составляющую постоянного тока. Затем выходной сигнал переменного тока накладывается на смещение следующих каскадов. Также в цепь эмиттерного плеча включен байпасный конденсатор C _E .

Этот конденсатор фактически является компонентом разомкнутой цепи для условий смещения постоянного тока, что означает, что добавление конденсатора не влияет на токи смещения и напряжения, обеспечивая хорошую стабильность точки Q.

Однако этот параллельно подключенный байпасный конденсатор фактически приводит к короткому замыканию на резистор эмиттера при высокочастотных сигналах из-за своего реактивного сопротивления. Таким образом, только R _L плюс очень маленькое внутреннее сопротивление действует как нагрузка транзисторов, увеличивая прирост напряжения до максимума. Обычно номинал байпасного конденсатора C _E выбирается так, чтобы обеспечить реактивное сопротивление не более 1/10 значения R _E при самой низкой частоте рабочего сигнала.

Кривые выходных характеристик

Хорошо, пока все хорошо.Теперь мы можем построить серию кривых, которые показывают ток коллектора Ic в зависимости от напряжения коллектора / эмиттера Vce с различными значениями тока базы Ib для нашей простой схемы усилителя с общим эмиттером.

Эти кривые известны как «кривые выходных характеристик» и используются, чтобы показать, как транзистор будет работать в своем динамическом диапазоне. Линия статической нагрузки или нагрузки постоянного тока нанесена на кривые для нагрузочного резистора RL 1,2 кОм, чтобы показать все возможные рабочие точки транзисторов.

Когда транзистор выключен, Vce равно напряжению питания Vcc, и это точка «B» на линии. Точно так же, когда транзистор полностью включен и насыщен, ток коллектора определяется нагрузочным резистором R _L , и это точка «A» на линии.

Ранее мы вычислили, исходя из коэффициента усиления транзистора по постоянному току, что базовый ток, необходимый для среднего положения транзистора, составлял 45,8 мкА, и это обозначено как точка Q на линии нагрузки, которая представляет Точка покоя или точка Q усилителя.Мы могли бы легко упростить себе жизнь и округлить это значение точно до 50 мкА без какого-либо влияния на рабочую точку.

Кривые выходных характеристик

Точка Q на линии нагрузки дает нам базовую точку Q по току Ib = 45,8 мкА или 46 мкА. Нам нужно найти максимальное и минимальное пиковое колебание тока базы, которое приведет к пропорциональному изменению тока коллектора Ic без каких-либо искажений выходного сигнала.

По мере того, как линия нагрузки пересекает различные значения базового тока на кривых характеристик постоянного тока, мы можем найти пиковые колебания базового тока, которые равномерно распределены по линии нагрузки.Эти значения отмечены точками «N» и «M» на линии, что дает минимальный и максимальный ток базы 20 мкА и 80 мкА соответственно.

Эти точки, «N» и «M» могут располагаться в любом месте вдоль линии нагрузки, которое мы выбираем, при условии, что они находятся на одинаковом расстоянии от Q. Это дает нам теоретический максимальный входной сигнал на клемму Base 60 мкА (пик-пик). пик (пик 30 мкА) без искажения выходного сигнала.

Любой входной сигнал, дающий базовый ток, превышающий это значение, заставит транзистор выйти за пределы точки «N» в область «отсечки» или за точку «M» и в область насыщения, что приведет к искажению выходного сигнала. сигнал в виде «клиппинга».

Используя точки «N» и «M» в качестве примера, мгновенные значения тока коллектора и соответствующие значения напряжения коллектора-эмиттера могут быть спроецированы от линии нагрузки. Видно, что напряжение коллектор-эмиттер противофазно (–180 ^o ) току коллектора.

По мере того, как базовый ток Ib изменяется в положительном направлении от 50 мкА до 80 мкА, напряжение коллектор-эмиттер, которое также является выходным напряжением, уменьшается по сравнению со значением 5 в установившемся режиме.От 8 вольт до 2,0 вольт.

Тогда одноступенчатый усилитель с общим эмиттером также является «инвертирующим усилителем», поскольку увеличение базового напряжения вызывает уменьшение Vout, а уменьшение базового напряжения вызывает увеличение Vout. Другими словами, выходной сигнал на 180 ^o не совпадает по фазе с входным сигналом.

Коэффициент усиления общего эмиттера

Коэффициент усиления напряжения усилителя с общим эмиттером равен отношению изменения входного напряжения к изменению выходного напряжения усилителей.Тогда ΔV _L — это Vout, а ΔV _B — это Vin. Но коэффициент усиления по напряжению также равен отношению сопротивления сигнала в коллекторе к сопротивлению сигнала в эмиттере и определяется как:

Ранее мы упоминали, что по мере увеличения частоты сигнала шунтирующий конденсатор C _E начинает закорачивать эмиттерный резистор из-за его реактивного сопротивления. Тогда на высоких частотах R _E = 0, что делает усиление бесконечным.

Однако биполярные транзисторы имеют небольшое внутреннее сопротивление, встроенное в их эмиттерную область, называемое R _e .Полупроводниковый материал транзистора обеспечивает внутреннее сопротивление протеканию тока через него и обычно представлен маленьким символом резистора, показанным внутри символа основного транзистора.

говорят нам, что для биполярных транзисторов с малым сигналом это внутреннее сопротивление является произведением 25 мВ ÷ Ie (25 мВ — это внутреннее падение напряжения на переходном слое эмиттера), тогда для нашей общей схемы усилителя эмиттера это значение сопротивления будет выше этого значения. равно:

Это внутреннее сопротивление ветви эмиттера будет последовательно с резистором внешнего эмиттера, R _E , тогда уравнение для фактического усиления транзистора будет изменено, чтобы включить это внутреннее сопротивление, поэтому будет:

При низкочастотных сигналах полное сопротивление в плече Эмиттера равно R _E + R _e .На высокой частоте байпасный конденсатор замыкает резистор эмиттера, оставляя только внутреннее сопротивление R _и в ветви эмиттера, что приводит к высокому усилению. Тогда для нашей схемы усилителя с общим эмиттером, приведенной выше, коэффициент усиления схемы как на низких, так и на высоких частотах сигнала определяется как:

Усиление на низких частотах

Усиление на высоких частотах

Наконец, коэффициент усиления по напряжению зависит только от значений резистора коллектора, R _L и сопротивления эмиттера (R _E + R _e ), на него не влияет коэффициент усиления по току Beta, β (h _FE ) транзистора.

Итак, для нашего простого примера, приведенного выше, мы можем суммировать все значения, которые мы рассчитали для нашей схемы усилителя с общим эмиттером, а именно:

Обзор усилителя с общим эмиттером

Тогда подвести итоги. Усилитель с общим эмиттером Схема имеет резистор в цепи коллектора. Ток, протекающий через этот резистор, создает выходное напряжение усилителя. Номинал этого резистора выбирается таким образом, чтобы в точке покоя усилителя, Q-точка , это выходное напряжение лежало на полпути вдоль линии нагрузки транзистора.

База транзистора, используемого в усилителе с общим эмиттером, смещена с использованием двух резисторов в качестве цепи делителя потенциала. Этот тип смещения обычно используется в схемах усилителя на биполярных транзисторах и значительно снижает влияние изменения бета, (β) за счет поддержания смещения базы на постоянном постоянном напряжении. Этот тип смещения обеспечивает максимальную стабильность.

Резистор может быть включен в вывод эмиттера, и в этом случае коэффициент усиления по напряжению станет -R _L / R _E .Если нет внешнего сопротивления эмиттера, коэффициент усиления по напряжению усилителя не будет бесконечным, так как внутреннее сопротивление R _e в ветви эмиттера очень мало. Значение этого внутреннего сопротивления равно 25 мВ / л _E

В следующем уроке о транзисторных усилителях мы рассмотрим усилитель на эффекте поля перехода, обычно называемый усилителем JFET. Подобно транзистору, JFET используется в схеме одноступенчатого усилителя, что упрощает понимание.Есть несколько различных типов полевых транзисторов, которые мы могли бы использовать, но самый простой для понимания — это переходной полевой транзистор, или JFET, который имеет очень высокий входной импеданс, что делает его идеальным для схем усилителей.

— Envirementalb.com

Усилитель звука — это устройство, которое умножает приложенную амплитуду входного сигнала до уровня, который может быть намного выше, чем входной сигнал.Вход предоставляется в виде аудио или музыки. Усилители классифицируются по классам, таким как класс A, класс B, класс AB, класс C и класс D. Здесь мы собираемся обсудить первый тип усилителя, то есть усилитель класса A, а также научимся создавать схему усилителя с одним транзистором. класс А.

обычно очень эффективны, потому что эти усилители ведут себя только при наличии входного сигнала и только усиливают входные сигналы. Однотранзисторные усилители с очень низким энергопотреблением тестостерона ципионата продаются в усилителях и потребляют очень мало энергии, даже одна батарея с низким током может использоваться для работы в течение многих часов.

Мы хотим прояснить, что эти типы усилителей очень легко построить, но качество схемы мини-усилителя не очень хорошее.

Одинарные транзисторные усилители также известны как усилитель с общим эмиттером . широко используется из-за очень простой конструкции схемы. Простой однотранзисторный усилитель значительно увеличивает количество аудиовходов и выходов.

• Транзистор 1 любой NPN типа
Резистор
• А 4.7к
• Динамик 3 Вт 4 Ом
• конденсатор 10 мкФ 16в

Расчеты

Выход = R2 * R1 + R2 * Вин

Формула перестановки

R1 = R2 (Vin * Vout — 1)

Здесь динамик — это R2, что составляет 8 Ом, входное напряжение (VIN) — 5 В, а Vout — 2,83 В. Так что чередуем значения и получаем:

R1 = 8 (52,83 — 1)

Представленная ниже принципиальная схема идеальна для 12 вольт.Качество и мощность этой схемы намного лучше, чем приведенная выше схема для 4 вольт. Таким образом, вы можете изменить динамики тестостерона ундеканоата 250, а также резисторы в соответствии с формулой.

Представленная ниже принципиальная схема представляет собой схему однотранзисторного усилителя на 12 В.

Приведенная ниже принципиальная схема представляет собой расчетную форму одиночного транзисторного усилителя для 9-вольтовой батареи.Это также маломощный усилитель с низким энергопотреблением.

— Hackster.io

Однотранзисторный усилитель звука

Ред. — 25 апреля 2016 г.

Введение

Проект: Однотранзисторные усилители звука Pinguino

Автор: Ян Зумвальт

Лицензия: Not защищено авторским правом

Источник: Контент, являющийся общественным достоянием (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 возможно, но громкость мала. Фактически только средние частоты можно услышать в нескольких дюймах от динамика. 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 громкоговорители 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 = 1.5w. 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 — 2,83. В. Таким образом, подставьте значения, и мы получим:

R1 = 8 (52,83 — 1)

, что дает нам 6.134 Ом. Ближайший стандартный размер резистора составляет 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 можно использовать небольшой динамик.

Рис-2: Схема однотранзисторного усилителя звука 15 В NPN

Рис-3: Схема однотранзисторного аудиоусилителя 12 В NPN

Рис-4: Схема однотранзисторного аудиоусилителя BC337 NPN с чипом на 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 9В

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

Рис.9: Схема однотранзисторного аудиоусилителя 6v BC547 NPN Можно использовать любые транзисторы NPN, например 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,

Давайте попробуем 3-х транзисторные схемы усилителя звука (МОНО)

Нравится ли вам транзистор? Сегодня я перейду к 3-х транзисторным схемам усилителя звука.

Почему в усилителе используются транзисторы?

Транзисторы — это устройства из полупроводников. У него много преимуществ, но наиболее важным и распространенным является его использование в качестве усилителя.Как? Должен… следовать, чтобы увидеть.

Хотя в настоящее время мы будем использовать ИС в большем количестве схем усилителя мощности.

Но транзисторы все еще широко используются. Потому что они маленькие по размеру. И высокий коэффициент усиления по току и напряжению. Это зависит от предвзятости, что можно сделать легко.

Основные принципы работы транзисторов

В целом рабочий диапазон транзистора можно разделить на 3 диапазона:

1. Отсечка (остановка транзистора) Не будет одновременно тока базы (IB) и коллектора (IC) протекает через транзистор.Будут очень редкие токи утечки.

2. Насыщенный диапазон. Через транзистор полностью протекает электричество, пока он не насыщается. И ток больше этого не увеличится. Что мы можем ограничить ток, протекающий через соединение резисторов.

3. Активный диапазон — это период, в течение которого транзистор работает (проводит ток). Управляя током коллектора (IC), пропорциональным току базы (IB).

Соотношение этих двух токов. Эти два значения могут найти коэффициент усиления по току (hFE) из:

hFE = IC / IB

Следовательно, при использовании транзисторного усилителя звука схема работает в активной фазе. В этом эксперименте вам нужно будет изучить простую схему усилителя. Давайте начнем.

Рекомендовано: Узнайте, как работает транзистор

У нас есть 2 интересных эксперимента.

Простой микрофонный усилитель звука

Посмотрите на схему ниже.Это экспериментальный процесс №1. Мы назвали простой аудиоусилитель. Это усилит сингл с микрофона.

Прецессия эксперимента схемы

1. Подключите оборудование в соответствии со схемой на Рисунке 1 на макетной плате. Но будьте осторожны и с полярностью устройства. Не подключайтесь с неправильной полярностью.
2. Когда закончите, подключите положительный и отрицательный провода от источника питания 6 В.
3. Теперь нажмите на MIC1 2-3 раза.Мы услышим «хлопающий» звук из динамика. После этого попробуйте говорить в микрофон. Вы услышите звук, распространяющийся через динамики.

Как это работает?

Вернитесь к Рисунку 1 еще раз. Это схема усилителя от микрофона. Когда на MIC1. Поступает аудиосигнал.

Когда звуковой сигнал проходит через MIC1. И он преобразуется в небольшой электрический сигнал, подаваемый на Q1 в точке A.

Для того, чтобы сначала усилить сигнал.Который мы установили как обычный эмиттерный усилитель.

Есть R1 и R2 для разделения напряжения смещения на Q1. Но сигнал недостаточно сильный.

В точке Б. При усилении сигнала. Затем отправьте его на Q2 и Q3, которые подключены к схеме составного усилителя Дарлингтона.

Чтобы еще раз усилить сигнал, достаточно сильный, чтобы пройти через динамик.

Прочитать другие: 3-х транзисторный аудиоусилитель

Составной усилитель Дарлингтона

На рисунке 2 показано подключение транзистора Дарлингтона.Подключаем 2 транзистора с точно такими же характеристиками. По характеристикам схемы как на рисунке.

Например:

Если коэффициент усиления каждого транзистора равен 100, общий коэффициент усиления будет равен (100 × 100) = 10 000.

Связано: Цепи малых усилителей с высоким импедансом

Радиоприемник AM со схемой усилителя на 3 транзистора

Это еще один пример простого эксперимента 2. Посмотрите на рисунок 3.Это простой эксперимент со схемой радиоприемника AM.

Как это работает

С помощью катушки L1, намотанной на ферритовый стержень. Один конец соединяется с анодом D1. Другой конец катушки заземлен. К этой катушке подключен регулируемый конденсатор (VC1).

Когда значения резонанса L1 и VC1 с этой частотой завершены. Диод D1 обнаруживает только звуковой сигнал. Чтобы перейти к Q1, усиление в соответствии с предыдущими принципами.

Если звук очень тихий.Попробуйте использовать наушники вместо колонок. Что отчетливее слышно с радиостанции. И помогает убрать посторонний шум.

Одним из недостатков является то, что эта схема является простой схемой базовой настройки, поэтому может быть трудно настроить станцию.

Читайте также: Очень простая схема усилителя на транзисторе 2N3904

Схема обратной связи транзисторного усилителя

Помимо обучения подключению аудиотранзистора. Мы также изучили, как организовать цепь смещения для получения обратной связи.Существует два типа обратной связи:

Способы улучшения схемы

Посмотрите на рисунок 5. Мы разделим значения R4 на R4A и R4B, при этом C2 подключается в центре обоих R. Затем другая сторона заземляется. Это даст немного больше отзывов.

Что даст хорошие результаты даже при небольшом уменьшении увеличения.

Однако сумма расширений в цепи ограничена. Затем мы добавляем C2, чтобы уменьшить отрицательную обратную связь.

Рекомендуется: схема транзисторного усилителя звука мощностью 40 Вт с ПК B

Который этот C2 также помогает сделать напряжение на выводе эмиттера или потенциальное напряжение в точке D более плавным (из рисунка 1).

Мы ограничиваем только сумму отзывов. Потому что в базовой схеме усилителя большое увеличение важнее высокой четкости.

Как это приложение

Нам нравится использовать эту схему. Используется в домофоне. Все, что вам нужно, это сделать этот аудиоусилитель, добавить еще один комплект.Затем подключите кабель от динамика. Но не должен выходить более чем на 20 метров.

Если вы действительно хотите построить его для использования. Посмотрите на схему ниже.

Читать дальше: простые транзисторные схемы внутренней связи

Только тогда они смогут взаимодействовать друг с другом. Даже будучи далеко друг от друга. Играть совсем не сложно.

Мало того, что у нас еще 3 транзисторных усилителя.

Моноусилитель на два динамика с выходами на транзисторах

В обычном стерео усилителе 2 динамика.А если моноусилитель — это одиночный динамик.

Но эта схема представляет собой особый моноусилитель. Он может управлять 2 динамиками одновременно.

Без параллельного или последовательного доступа. Потому что это вызывает изменение импеданса динамика.

Но в этой схеме мы продолжаем динамики вместо коллекторного резистора (RC) транзистора.

Итак, он может усиливаться через 2 динамика.

Как это работает

Сначала введите источник питания в схему и аудиосигнал на входной терминал.Затем аудиосигнал, передаваемый через C1 и R1, усиливается транзистором Q1.

Какой Q1 является первым предусилителем для небольшого увеличения сигнала. Перед отправкой в ​​Q2.

Затем Q2 подключается к цепи эмиттерного повторителя. Его функция — усилитель драйвера для усиления сигнала из секции предварительного усилителя. Для большей мощности для вождения Q3 работает хорошо.

А Q3 — усилитель мощности вне динамика.

Он имеет обратную связь аудиосигнала через VR1 и R2 на контакт B Q2.Чтобы контролировать стабильность работы навсегда.

Эта схема выводит 40 милливатт, искажение скорости сигнала составляет 0,1 процента. А АЧХ от 15 Гц до 200 кГц.
Напряжение питания от 9В до 20В.

Вы ищете усилитель моно. У вас есть много вариантов. Например:

Детали вам понадобятся

0,25 Вт 5% резисторы
R1: 27K
R2: 47K
R3: 12K
R4: 10 Ом
VR1: 50K Потенциометр

Конденсаторы
C1: 0.22 мкФ 50 В Керамика
C2: 5 пФ 50 В Керамика
C3, C4: 10 пФ 50 В Керамика
C5: 1000 мкФ 16 В Электролитический

Полупроводники
Q1: BC558, 45 В 0,1 А Транзистор PNP
Q2: BD140,80 В : TIP2955, 60V, 15A PNP-транзистор

Примечание: Эту схему я публиковал давно. Но я не пробовал. Нашел много ошибок. Я нашел этот веб-сайт, разместил этот контент на нем. И измените номер транзистора. Это хорошая идея.Спасибо.

Также ознакомьтесь со следующими статьями:

ПОЛУЧИТЬ ОБНОВЛЕНИЕ ПО ЭЛЕКТРОННОЙ ПОЧТЕ

Я всегда стараюсь сделать Electronics Learning Easy .

Схема 4-х транзисторного усилителя звука

Это схема 4-х транзисторного усилителя звука. Комплементарный двухтактный усилитель с 4 транзисторами, демонстрирующий основы конструкции аудиоусилителя.

Эта схема экономит ток батареи, который довольно низкий при средней громкости, возрастая до 25-30 мА при увеличении громкости.

Это дает нам усилитель мощностью 250 мВт, которого достаточно, чтобы довести громкоговоритель до такой же громкости, как у мобильного телефона или MP3-плеера.

Входное напряжение должно быть около 100-500 мВ, чтобы усилитель полностью работал. Ранее вам может понравиться схема усилителя LM386 . Но вам может понравиться и эта схема.

Работа схемы 4-х транзисторного усилителя

Этот тип схемы с небольшим количеством компонентов не требует трансформаторов и обеспечивает очень хорошие результаты.Четыре транзистора соединены напрямую, а петли обратной связи постоянного тока помогают стабилизировать работу схемы.

Рекомендуется: Здесь работает транзистор

Оба транзистора Q3 и Q4 скомпонованы как комплементарная пара, работающая в двухтактном режиме. Каждый выходной транзистор выполняет одну половину звукового цикла, причем один отключается, когда другой проводит.

Затем транзисторы Q1 и Q2 работают как предварительный усилитель для увеличения входящего напряжения для управления выходной парой.

Затем в точке Q1 смещение всей цепи начинается с делителя напряжения, состоящего из резисторов 56 кОм и 100 кОм.

Это обеспечивает базу с напряжением смещения 5,5 В. Напряжение эмиттера на 0,6В меньше этого, и будет 4,9В.

И далее, транзистор Q2 смещен так, что он обеспечивает напряжение на нагрузочном резисторе 270 Ом, которое образует выходные транзисторы.

Рекомендуется: 3-х транзисторная схема усилителя звука

Имеется перепад напряжения 0.6В между их выводами базы и эмиттера.

Это необходимо для уменьшения перекрестных искажений, которые возникают, когда два транзистора соединены двухтактным.

Электролитический фильтр емкостью 100 мкФ защищает динамик от появления постоянного тока, поэтому динамик должен колебаться вокруг этого нового положения.

См. Множество схем транзисторных усилителей

Прежде всего, вам понадобятся все детали ниже

• Q1, Q3: BC547 или эквивалент, 45 В 0.1A, транзистор NPN
• Q2, Q4: BC557 или аналогичный, 45 В 0,1 A, транзистор PNP

0,25 Вт Допуск резисторов: 5%

• R1: 56K
• R2: 100K
• R3: 33K
• R4: 470 Ом
• R5: 270 Ом
• R6: 1,5 кОм
• R7: 10 кОм

Электролитические конденсаторы

• C1: 10 мкФ 25 В
• C2: 1 мкФ 25 В 10021
• C 25 В

• B1: 9-вольтовые батареи
• SP1: 8 Ом 0.25 ” Громкоговоритель

Эта схема требует достаточного источника питания. У тебя есть это? Если у вас его нет. Смотрим: Много схемы блока питания

Эта схема небольшого размера вы можете собрать их на макетной плате. Или вы можете собрать схему усилителя на небольшом куске универсальной печатной платы с 20 — 25 отверстиями. Прежде чем приступать к какой-либо пайке, сначала составьте схему расположения, которая почти соответствует схеме.

С осторожностью вы обнаружите, что вам не придется вырезать ни одну из универсальных дорожек печатной платы, и большинство деталей аккуратно поместятся на плату, поскольку все они 0.Расстояние 1 дюйм.

Для моего сына план будет строить его на древесной плите или твердой бумаге , это также экономит деньги и весело!

Когда вы закончите пайку, затем подключите батарею через миллиамперметр, чтобы проверить, что ток находится в пределах 30 мА и, скорее всего, 5-15 мА при отсутствии входного сигнала.

Вы можете проследить через усилитель с помощью трассировщика сигналов проекта .

Очевидно, что все ступени не могут обеспечить хороший усилитель, поскольку транзистор имеет усиление не менее 20 раз, а иногда и внутрисхемное усиление 100.

Таким образом, этот коэффициент усиления усилителя примерно 20 x 20 x 20 или 8000 раз! Но это не так. Если на входе около 250 мВ, усилитель должен обеспечивать усиление от 40 до 80 раз.

Трассировщик сигналов укажет, какой транзистор обеспечивает это усиление. Посмотреть на себя. В целом, эти объединенные 4 транзистора проекта должны доставить вам часы удовольствия. Хотя эта схема 4-х транзисторного усилителя звука устарела, она по-прежнему подходит для обучения детей и обеспечивает хорошее звучание.
Источник: http://www.talkingelectronics.com/

ПОЛУЧИТЬ ОБНОВЛЕНИЕ ПО ЭЛЕКТРОННОЙ ПОЧТЕ

Я всегда стараюсь сделать Electronics Learning Easy .

Глава 9: Ступени усилителя на одном транзисторе: [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 выходного сигнала.

Базовый усилитель, показанный на рисунке 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, 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 названию 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, а выходной сигнал уходит. Остающийся терминал является общим как для ввода, так и для вывода. В этой главе мы в основном будем использовать транзисторы n-типа (NPN, NMOS) в примерах схем.Те же базовые каскады усилителя могут быть также легко реализованы с использованием транзисторов p-типа (PNP, PMOS). Когда собираются более крупные многокаскадные усилители, оба типа транзисторов часто перемежаются друг с другом.

Строительные блоки усилительных каскадов:

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 всего: вырождение эмиттера / источника)
   

5. Обратная связь по шунту

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 инвертирующий усилитель 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 рождает его общее название.

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 _{должно быть} 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 будет преобразован обратно 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 недостаточна для приличного усилителя напряжения (в идеале — нуля). 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), чтобы получить более благоприятные выходные и частотные характеристики. 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 высокое входное сопротивление.Обычно более низкое 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 кривыми V _DS и (b) I _C в сравнении с V _CE кривые

Красная линия, наложенная на два набора кривых, представляет линию нагрузки постоянного тока 400-омного 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 , равное 400 Ом. Следующим шагом является определение соответствующего V _GS или I _B для 10 мА I _D или I _C .В примере NMOS каждая кривая представляет разные V _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 половина напряжения питания, В + появится на R _L , 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 V + = 8V и мы хотим, чтобы V _GS равнялся 1,32 V , то:

Реальные значения R ₁ и R ₂ не так важны, как их соотношение. Однако выбранный нами коэффициент делителя будет правильным только для одного набора условий напряжения источника питания, порогового напряжения и крутизны транзистора, а также 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 50 мкА. 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 _{2 отсутствует.} . Если принять номинальное значение В, _BE , равное 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 транзистора по постоянному току менее чувствительной к В +. Для этого нам нужно сделать ток в R ₂ во много раз больше, чем в I _B . Если мы, например, решим 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 вычислили в качестве верхней границы, или 14,7 кОм. R ₂ будет составлять В _BE , деленное на 450 мкА или 1,444 кОм, что соответствует коэффициенту делителя 0,8921. Если бы мы просто использовали 8V- V _BE / 8V в качестве отношения (предположим, что V _BE = 0,65 В), коэффициент делителя был бы 0,8125. С учетом I _B сместился требуемый коэффициент. Эти значения необходимо немного изменить, если фактическое значение V _BE не равно 0.В этом расчете мы использовали 65 вольт (или β не было 200). Это указывает на главное ограничение этой схемы смещения, как мы указывали 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. Вход теперь включает параллельную комбинацию R ₁ и R ₂ на входе.Для случая MOS теперь устанавливается входное сопротивление. Для случая BJT мы теперь 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 предыдущему 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 напряжения постоянного тока, пропуская почти всю часть входного сигнала переменного тока 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 то, как она работает. В соответствии с суперпозицией 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 необходимо вставить в схему модель транзистора с малым сигналом. Модели малосигналов 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 по напряжению малого сигнала A _v представляет собой отношение входного напряжения к выходному напряжению:

Входное напряжение В _в (v _{должно быть} для BJT и v _gs для MOS), умноженное на крутизну g _м , равно выходному току слабого сигнала, i _o в коллекторе или стоке. В _out будет просто умножить этот ток на сопротивление нагрузки R _L, , пренебрегая на данный момент сопротивлением выхода слабого сигнала r _или . 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 оба они 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, тогда усиление будет уменьшено, потому что фактическая выходная нагрузка представляет собой параллельную комбинацию R _L и r _или . 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). Это, конечно, будет в случае отсутствия какой-либо схемы смещения затвора или базы.

9.2.4 Выходное сопротивление слабого сигнала, общий эмиттер или источник

Снова глядя 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 Общий источник и излучатель Лабораторная деятельность

9.3 Последователь тока, также известный как усилитель с общей базой или затвор

Повторитель тока или усилитель с общей базой / затвором имеет высокое усиление 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 клеммы общего затвора или базы.

Каскад с общим затвором или базой чаще всего используется в сочетании с усилителем с общим эмиттером или истоком в так называемой каскодной конфигурации. Каскод будет рассмотрен более подробно в следующей главе, посвященной многокаскадным усилителям.

9.3.2 Усиление по напряжению слабого сигнала, токовый повторитель или усилитель с общей базой / затвором

Чтобы рассчитать усиление по напряжению малого сигнала для усилителя с общей базой или затвором, мы вставляем в схему малосигнальную модель транзистора.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 на стоке. В _out будет просто умножить этот ток на сопротивление нагрузки R _L, , пренебрегая на данный момент сопротивлением выхода слабого сигнала r _или .

Возможно, более полезно учитывать коэффициент усиления по току каскада 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, коэффициент усиления по току MOS-каскада равен точно 1. В случае версии BJT мы знаем, что соотношение От I _C до I _E равно α и, следовательно, будет немного меньше 1.

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

Снова глядя на модели малых сигналов на рисунке 9.3.1, мы видим, 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, повторитель тока 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 питается от источника напряжения с низким импедансом (почти идеальным). Если это не так, то конечный выходной импеданс должен быть добавлен последовательно с r _o .Если вход токового повторителя управляется относительно высоким выходным сопротивлением усилителя крутизны, такого как общий эмиттер или усилитель-исток более ранней версии, 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, либо 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 рис. 9.4, имеет выходной сигнал 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 от входа к выходу устанавливается падением В, _BE примерно на 0,65 В ниже базы для BJT и В, _GS ниже затвора для MOS.Функция этой конфигурации заключается не в усилении напряжения, а в согласовании усиления по току или мощности и импеданса. Входное сопротивление намного выше, чем его выходное сопротивление, поэтому от источника сигнала не требуется подавать столько энергии на вход. 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 с общим коллектором / стоком

Ток коллектора / источника 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 рассчитать усиление по напряжению при слабом сигнале конфигурации повторителя напряжения, мы вставляем в схему малосигнальную модель транзистора.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 _{на выходе} / 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 _из = V _в — 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)

Выходное сопротивление — это просто параллельная комбинация резистора эмиттера (истока) R _L и сопротивления эмиттера (истока) малого сигнала транзистора r _E .Снова из раздела 9.3.3 уравнение для r _E выглядит следующим образом:

Точно так же сопротивление источника слабого сигнала, r _S , для МОП-транзистора составляет 1/ g _м .

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) Лабораторная деятельность

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, — это 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 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 совпадает по фазе с сигналом, наблюдаемым на V _из и, таким образом, вычитается из V _из , уменьшая его амплитуду.Когда значение резистора эмиттера 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 ( г, _м, ) 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. Допускается 1 / 3V _CC через R _C , V _CE и R _B2
3.Экономьте электроэнергию, допуская только 10% I _E с 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 = (R _B2 / (R _B1 + R _B2 )) * V _CC ⇒ 6.7V = ( _{рэнд B2} / ( _{рэнд B1} + _{рэнд B2} )) * 20 (1)

V _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 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 V _C = 2/3 * 20V = 13,3 V

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 Коэффициент усиления слабого сигнала по напряжению с вырождением эмиттер / источник

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 уменьшает общую крутизну g _m схемы в g _m R _E + 1, что дает выигрыш по напряжению:

(когда г _м R _E »1)

Таким образом, усиление напряжения 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 вычислить усиление слабого сигнала, мы сначала находим g _m = I _C / V _T = 2 мА / 25 мВ = 0,08. Используя нашу формулу для A _V :

9.5.2 Входное сопротивление слабого сигнала с искажением эмиттер / источник

Снова посмотрев на модели малых сигналов на рисунке 9.4.1, мы видим, что для случая BJT вход V _в см. R _ последовательно с резистором дегенерации R _E в качестве нагрузки. Для корпуса МОП В _в см 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 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 вырождением эмиттера / источника

В основном те же методы, что и в простом каскаде усилителя с общим эмиттером / 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 малого 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 невозможно.Способ восстановления небольшого усиления напряжения сигнала при сохранении желаемого рабочего смещения постоянного тока заключается 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 могут быть применены расчеты для усилителя с общим эмиттером с вырождением эмиттера, заменив R _E на R _E1 при вычислении усиления усилителя, а также входного и выходного импедансов, поскольку достаточно большой байпасный конденсатор в эффектах закорачивает R _E2 и эффективно удаляется из схемы для достаточно высокочастотных входов.

Рисунок 9.5.4 Добавление обводного конденсатора эмиттера

Используя наше предыдущее упражнение со смещением 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 , и получим:

Однако добавление шунтирующего 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. Следовательно, 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 )

Для нашего примера задачи с R _E1 = 1K, R _E2 = 2K и C ₁ = 1 мкФ 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. Рассчитайте параметры слабого сигнала: g _m , r _ , r _e и т. Д.
3. Замените 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

Здесь 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 V ₁ и V 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 / V ₁ .

Рисунок 9.6.1 Теорема Миллера

На этом этапе мы рассмотрим шаги, которые покажут, 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, достигается путем подачи некоторой части сигнала коллектора или стока обратно на вход на базе или затворе. Это делается с помощью резистора смещения (R _F ), как показано на рисунке 9.7.1. Резистор R _F подключается между двумя узлами с коэффициентом усиления A _V ( K ), и, таким образом, применение теоремы Миллера является лучшим способом анализа характеристик слабого сигнала этой схемы.

Рисунок 9.7.1 Шунтовая обратная связь между стоком и затвором (a) и коллектор-основание (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 связан по постоянному току, то делитель напряжения формируется R _F и R _S и V _GS будет меньше V _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. Петля отрицательной обратной связи достигает равновесия, которое является точкой смещения для схемы.

В некоторых таблицах данных для расширенных 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 стока, равно значению R _F , деленному на коэффициент усиления по напряжению плюс один.

9.7.2 Вариант BJT Методы смещения постоянного тока

Эта конфигурация использует отрицательную обратную связь для стабилизации рабочей точки. В этой форме смещения резистор обратной связи по базе R _F подключен к коллектору, а не к источнику постоянного тока V ₊ . Таким образом, любое значительное 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:

Согласно закону Ома, базовый ток I _b = В _RF / R _F , и поэтому:

Следовательно, базовый ток I _b равен:

Если В _BE поддерживается постоянной и температура увеличивается, то ток коллектора I _c увеличивается.Однако большее значение I _c вызывает увеличение падения напряжения на резисторе R _L , что, в свою очередь, снижает напряжение V _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 быть выполнено следующее условие:

что имеет место, когда:

1. Поскольку β является фиксированным (и, как правило, точно не известным) для данного транзистора, это соотношение может быть удовлетворено либо путем сохранения R _L достаточно большим, 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 уменьшения усиления из-за 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 некоторого предварительного анализа постоянного тока, чтобы определить рабочую точку Q ₁ . Для этого мы устанавливаем В, _в на ноль вольт, то есть, замыкаем. 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, мы хотели бы, чтобы В _{на выходе} составлял 5 В. 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 получиться 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 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 эмиттера 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 в основании Q ₁ , будет равняться 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 вычислить общее усиление напряжения от источника напряжения В, _, , В, , _{, выход} , мы умножаем это отношение делителя на усиление базы и коллектора, A _В , которое мы только что вычислили.

Из нашего исследования конфигурации инвертирующего операционного усилителя в главе 3 мы узнали, что для усилителей с менее чем бесконечным усилением 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 коэффициента 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 таким образом, 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 _базы и выходное сопротивление R _{на выходе} .Также рассчитайте общий коэффициент усиления по напряжению В _{на выходе} / В _в 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. Сложность 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 определить 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 будет конденсатор C ‘ _C через R _L , который будет равен C _C раз (A _V +1) / A _V , который для больших значений A _V мы принимаем равным 1.

Как это работает? Что ж, мы знаем, что создание напряжения на конденсаторе вызывает протекание тока. 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 , вызывая еще больший ток, протекающий через C _C .Следовательно, с точки зрения В, _В, , емкость выглядит намного большей.

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 выбраны для установки такой рабочей точки постоянного тока, что В _out имеет значение постоянного тока приблизительно В, + / 2 или 5 В.С данным сопротивлением R _L 10 кОм усиление 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, _в до В, _из падает на -3 дБ от его 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. Коэффициент усиления от В, _{в диапазоне} до В, _из в диапазоне дБ составляет 20Log (A _V ) 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, и аналогично r _π 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 входное сопротивление 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 о поглощении 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 управляющему коэффициенту источника.

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 схемы есть источник тока, управляемый напряжением В, , источник можно заменить простой проводимостью со значением, равным коэффициенту управления источником.

Доказательство снова тривиально. Полная проводимость Y, на которую подается напряжение V , накладывает тот же ток, что и источник Y V .

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