Усилитель электрических сигналов - это электронное устройство, предназначенное для увеличения мощности, напряжения или тока сигнала, подве­денного к его входу, без существенного искажения его формы. Электрическими сигналами могут быть гармонические колебания ЭДС, тока или мощности, сигналы прямо­угольной, треугольной или иной формы. Частота и форма колебаний являются существенными факторами, опреде­ляющими тип усилителя. Поскольку мощность сигнала на выходе усилителя больше, чем на входе, то по закону со­хранения энергии усилительное устройство должно включать в себя источ­ник питания. Т.о., энергия для работы усилителя и нагрузки подводится от источника питания. Тогда обобщенную структурную схему усилительного устройства можно изобразить, как показано на рис. 1.

Рисунок 1. Обобщенная структурная схема усилителя.

Электрические колебания поступают от источника сигнала на вход усилителя, к выходу ко­торого присоединена нагрузка, энергия для работы усилителя и нагрузки подводится от источника питания. От источника питания усилитель отбирает мощность Ро - необходимую для усиления входного сигнала. Источник сигнала обеспечивает мощность на входе усилителя Р вх выходная мощность Р вых выделяется на активной части нагрузки. В усилителе для мощностей выполняется неравенство: Р вх < Р вых < Ро . Следова­тельно, усилитель - это управляемый входным сигналом преобразователь энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Преобразование энергии осуществляется с помощью усилительных элементов (УЭ): биполяр­ных транзисторов, полевых транзисторов, электронных ламп, интегральных микросхем (ИМС). варикапов и других.

Простейший усилитель содержит один усилительный элемент. В большинстве слу­чаев одного элемента недостаточно и в усилителе при­меняют несколько активных элементов, которые соединяют по ступенчатой схеме: колебания, усиленные первым элементом, поступают на вход второго, затем третьего и т. д. Часть усилителя, составляющая одну ступень усиления, называется каскадом . Усилитель состоит из активных и пассивных элемен­тов : к активным элементам относятся транзисторы, эл. микросхемы и другие нелинейные элементы, обладающие свойством изменять электропроводность между выходными электродами под воздействием управляюще­го сигнала на входных электродах. Пассивными эле­ ментами являются резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и другие элементы, формирующие необхо­димый размах колебаний, фазовые сдвиги и другие па­раметры усиления. Таким образом, каждый каскад усилителя состоит из минимально не­обходимого набора активных и пассивных элементов.

Структурная схема типичного многокаскадного усилителя приведена на рис. 2.

Рисунок 2. Схема многокаскадного усилителя.

Входной каскад и предварительный усилитель предназначены для усиления сигнала до значения, необходимого для подачи на вход усилителя мощно­сти (выходного каскада). Количество каскадов предварительного усиления оп­ределяется необходимым усилением. Входной каскад обеспечивает, при необ­ходимости, согласование с источником сигнала, шумовые параметры усилителя и необходимые регулировки.

Выходной каскад (каскад усиления мощности) предназначен для отдачи в нагрузку заданной мощности сигнала при минимальных искажениях его формы и максимальном КПД.

Источни­ками усиливаемых сигналов могут быть микрофоны, счи­тывающие головки магнитных и лазерных накопителей информации, различные преобразователи неэлектрических парамет­ров в электрические.

Нагрузкой являются громкоговорители, электриче­ские двигатели, сигнальные лампы, нагреватели и т. д. Источники питания вырабатывают энергию с заданными параметрами - номинальными значениями напряжений, токов и мощности. Энергия расходуется в коллекторных и базовых цепях транзисторов, в цепях накала и анод­ных цепях ламп; используется для поддержания задан­ных режимов работы элементов усилителя и нагрузки. Нередко энергия источников питания требуется и для работы преобразователей входных сигналов.

Классификация усилительных устройств.

Усилительные устройства классифицируют по различным признакам.

По виду усиливаемых электрических сигналов усилители подразделяют на усилители гармонических (непрерывных) сигналов и усилители импульсных сигналов.

По ширине полосы пропускания и абсолютным значениям усиливаемых частот усилители подразделяются на следующие типы:

- Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления сигналов в пределах от низшей частоты = 0 до верхней рабочей частоты . УПТ усиливает как переменные составляющие сигнала, так и его постоянную со­ставляющую. УПТ широко применяются в устройствах автоматики и вычислительной техники.

- Усилители напряжения , в свою очередь подразделяются на усили­тели низкой, высокой и сверхвысокой частоты.

По ширине полосы пропускания усиливаемых частот различают:

- избирательные усилители (усилители высокой частоты - УВЧ), для которых действительно отношение частот /1 ;

- широкополосные усилители с большим диапазоном частот, для которых отношение частот />>1 (например УНЧ - усилитель низкой частоты).

- Усилители мощности - оконечный каскад УНЧ с трансформаторной развязкой. Для того, чтобы мощность была максимальной R вн. к = R н, т.е. сопротивление нагрузки должно быть равно внутреннему сопротивлению коллекторной цепи ключевого элемента (транзистора).

По конструктивному исполнению усилители можно подразделить на две большие группы: усилители, выполненные с помощью дискретной технологии, то есть способом навесного или печатного монтажа, и усилители, выполненные с помощью интегральной технологии. В настоящее время в качестве активных элементов широко используются аналоговые интегральные микро­схемы (ИМС).

Показатели работы усилителей.

К показателям работы усилителей относятся вход­ные и выходные данные, коэффициент усиления, диапа­зон частот, коэффициент искажений, КПД и другие па­раметры, Характеризующие его качественные и эксплуа­тационные свойства.

К входным данным относятся номинальное значение входного сигнала (напряжения U вх = U 1 , тока I вх = I 1 или мощно­сти P вх = P 1 ), входное сопротивление, входная емкость или ин­дуктивность; ими определяется пригодность усилителя для конкретных практических применений. Входное со­ противление R вх в сравнении с сопротивлением источ­ника сигнала R и предопределяет тип усилителя; в зави­симости от их соотношения различают усилители напря­жения (при R вх >> R и ), усилители тока (при R вх << R и ) или усилители мощности (при R вх = R и ). Входная ем­ кость С вх , являясь реактивной компонентой сопротивле­ния, оказывает существенное влияние на ширину рабо­чего диапазона частот.

Выходные данные - это номинальные значения выход­ного напряжения U вых =U 2 , тока I вых =I 2 , выходной мощности P вых =P 2 и выходного сопротивления. Выходное сопротивление дол­жно быть значительно меньшим, чем сопротивление на­грузки. И входное и выходное сопротивления могут быть активными или иметь реактивную составляющую (ин­дуктивную или емкостную). В общем случае каждое из них равно полному сопротивлению Z, содержащему как активную, так и реактивную составляющие

Коэффициентом усиления называется отношение вы­ходного параметра ко входному. Различают коэффициенты усиления по напряжению K u = U 2 / U 1 , по току K i = I 2 / I 1 и мощности K p = P 2 / P 1 .

Характеристики усилителя.

Характеристики усилителя отображают его способность усиливать с определенной степенью точности сиг­налы различной частоты и формы. К важнейшим харак­теристикам относятся амплитудная, амплитудно-частот­ная, фазо-частотная и переходная .

Рис. 3. Амплитудная характеристика.

Амплитудная характеристика представляет собой зависимость ампли­туды выходного напряжения от амплитуды подаваемого на вход гармонического колебания определенной частоты (рис. 3.). Входной сигнал изменяется от минимального до максимального значения, при­чем уровень минимального значения должен превышать уровень внутренних помех U п , создаваемых самим уси­лителем. В идеальном усилителе (усилителе без помех) амплитуда выходного сигнала пропорциональна ампли­туде входного U вых = K* U вх и амплитудная характерис­тика имеет вид прямой линии, проходящей через начало координат. В реальных усилителях избавиться от помех не удается, поэтому его амплитудная характеристика от­личается от прямой.

Рис. 4. Амплитудно-частотная характеристика.

Амплитудно- и фазо-частотная характеристики отражают зависимость коэффициента усиления от частоты. Из-за присутствия в усилителе реактивных элементов сигналы разных частот усиливаются неодинаково, а вы­ходные сигналы сдвигаются относительно входных на различные углы. Амплитудно-частотная характеристика в виде зависимости представлена на рисунке 4.

Рабочим диапазоном частот усилителя называют интервал частот, в пределах которого модуль коэффициента K остается постоянным или изменяется в заранее заданных пределах.

Фазо-частотной характеристикой называется частотная зависимость угла сдвига фазы выходного сигнала по отношению к фазе входного.

Обратные связи в усилителях.

Обратной связью (ОС) называют связь между электрическими цепями, посред­ством которой энергия сигнала передается из цепи с более высоким уровнем сигнала в цепь с более низким его уровнем: например, из выходной цепи уси­лителя во входную или из последующих каскадов в предыдущие. Структурная схема усилителя с обратной связью изображена на рисунке 5.

Рис. 5. Структурная (слева) и принципиальная схема с отрицательной ОС по току (справа).

Передача сигнала с выхода на вход усилителя осуществляется с помощью четырехполюсника В. Четырехполюсник обратной связи представляет собой внешнюю электрическую цепь, состоящую из пассивных или активных, линей­ных или нелинейных элементов. Если обратная связь охватывает весь усили­тель, то обратная связь называется общей: если обратная связь охватывает от­дельные каскады или части усилителя, называется местной. Таким образом, на рисунке пред­ставлена структурная схема усилителя с общей обратной связью.

Модель усилительного каскада.

Усилител ьный каскад - конструктивное звено усилителя - содержит один или более активных (усилительных) элементов и набор пассивных элементов. На практике, для большей наглядности, сложные процессы исследуют на простых моделях.

Один из вариантов транзисторного каскада для усиления пере­менного тока приведен на рисунке слева. Транзистор V1 р-п-р типа вклю­чен по схеме с общим эмиттером. Входное напряжение база - эмиттерсоздается источником с ЭДС Е c и внутренним сопротивлением R c источника. В цепи базы установлены резисторы R 1 и R 2 . Коллектор тран­зистора соединен с отрицательным зажимом источника E к через резисторы R к и R ф . Выходной сигнал снимается с выводов коллектора и эмиттера и через конденсатор С 2 поступает в нагрузку R н . Конденсатор Сф совместно с резистором Rф образует RС -звено фильтра (положительную обратную связь - ПОС ), который требуется, в частности, для сглаживания пульсаций питающего напряжения (при маломощном источнике E к с большим внутренним сопротивлением). Так же, для большей стабильности устройства, в цепь эмиттера транзистора V1 (отрицательная обратная связь - ООС ) можно дополнительно включить RC -фильтр, который будет припятствовать передачи части выходного сигнала обратно на вход усилителя. Таким образом, можно избежать эффекта самовозбуждения устройства. Обычно искусственно созданная внешняя ООС позволяет добиться хороших параметров усилителя, однако это справедливо в общем случае только для усиления постоянного тока или низких частот.

Схема усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе.

Усилительный каскад на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОЭ, является одним из наиболее распространенных асимметричных усилителей. Принципиальная схема такого каскада, выполненная на дискретных элементах, изображена на рисунке ниже.

В этой схеме резистор Rк , включенный в главную цепь транзистора, служит для ограничения коллекторного тока, а также для обеспечения необходимого коэффициента усиления. При помощи делителя напряжения R1R2 задается начальное напряжение смещения на базе транзистора VT, необходимое для режима усиления класса А.

Цепь RэСэ выполняет функцию эмиттерной термостабилизации точки покоя; конденсаторы С1 и С2 являются разделительными для постоянной и переменной составляющих тока. Конденсатор Сэ шунтирует резистор Rэ по переменному току, так как емкость Сэ значительна.

При подаче на вход усилителя напряжения сигнала неизменной амплитуды при различных частотах выходное напряжение в зависимости от частоты сигнала будет изменяться, так как сопротивление конденсаторов C1 , C2 на разных частотах различно.

Зависимость коэффициента усиления от частоты сигнала получило название амплитудно-частотной характеристики усилителя (АЧХ).

Усилители низкой частоты наиболее широко применяются для усиления сигналов, несущих звуковую информацию, в этих случаях они называются, также, усилителями звуковой частоты, кроме этого УНЧ используются для усиления информационного сигнала в различных сферах: измерительной технике и дефектоскопии; автоматике, телемеханике и аналоговой вычислительной технике; в других отраслях электроники. Усилитель звуковых частот обычно состоит из предварительного усилителя и усилителя мощности (УМ). Предварительный усилитель предназначен для повышения мощности и напряжения и доведения их до величин, нужных для работы оконечного усилителя мощности, зачастую включает в себя регуляторы громкости, тембра или эквалайзер, иногда может быть конструктивно выполнен как отдельное устройство.

Усилитель мощности должен отдавать в цепь нагрузки (потребителя) заданную мощность электрических колебаний. Его нагрузкой могут являться излучатели звука: акустические системы (колонки), наушники (головные телефоны); радиотрансляционная сеть или модулятор радиопередатчика. Усилитель низких частот является неотъемлемой частью всей звуковоспроизводящей, звукозаписывающей и радиотранслирующей аппаратуры.

Анализ работы каскада усилителя производят с помощью эквивалентной схемы (на рис. ниже), в которой транзистор заменен Т-образной схемой замещения.

В этой эквивалентной схеме все физические процессы, происходящие в транзисторе, учитываются при помощи малосигнальных Н-параметров транзистора, которые приведены ниже.

Для питания усилителей используются источники напряжения с малым внутренним сопротивлением, поэтому можно считать, что по отношению к входному сигналу резисторы R1 и R2 включены параллельно и их можно заменить одним эквивалентным Rб = R1R2/(R1+R2) .

Важным критерием для выбора номиналов резисторов Rэ, R1 и R2 является обеспечение температурной стабильности статического режима работы транзистора. Значительная зависимость параметров транзистора от температуры приводит к неуправляемому изменению коллекторного тока Iк , вследствие чего могут возникнуть нелинейные искажения усиливаемых сигналов. Для достижения наилучшей температурной стабилизации режима надо увеличивать сопротивление Rэ . Однако это приводит к необходимости повышать напряжение питания Е и увеличивает потребляемую от него мощность. При уменьшении сопротивлений резисторов R1 и R2 также возрастает потребляемая мощность, снижающая экономичность схемы и уменьшается входное сопротивление усилительного каскада.

Усилитель постоянного тока в интегральном исполнении.

Усилитель (ОУ) в интегральном исполнении является наиболее распространенной универсальной микросхемой (ИМС). ОУ – это устройство с высокостабильными качественными показателями, которые позволяют производить обработку аналоговых сигналов по алгоритму, задаваемому с помощью внешних цепей.

Операционный усилитель (ОУ) - унифицированный многокаскадный усилитель постоянного тока (УПТ), удовлетворяющий следующим требованиям к электрическим параметрам:

· коэффициент усиления по напряжению стремится к бесконечности;

· входное сопротивление стремится к бесконечности;

· выходное сопротивление стремится к нулю;

· если входное напряжение равно нулю, то выходное напряжение также равно нулю Uвх = 0, Uвых = 0;

· бесконечная полоса усиливаемых частот.

ОУ имеет два входа, инвертирующий и неинвертирующий, а также один выход. Вход и выход УПТ выполняют с учетом вида источника сигнала и внешней нагрузки (несимметричные, симметричные) и величин их сопротивлений. Во многих случаях в УПТ, как и в усилителях переменного тока, обеспечивают большое входное сопротивление, чтобы уменьшить влияние УПТ на источник сигнала, и малое выходное сопротивление, чтобы уменьшить влияние нагрузки на выходной сигнал УПТ.

На рисунке 1 приведена схема инвертирующего усилителя, на рисунке 2 неинвертирующего. В этом случае коэффициент усиления равен:

Для инвертирующего Киоу = Rос / R1

Для неинвертирующего Кноу = 1 + Rос / R1



Инвертирующий усилитель охвачен ООС параллельной по напряжению, что вызывает уменьшение Rвхоу и Rвыхоу. Неинвертирующий усилитель охвачен ООС последовательной по напряжению, что обеспечивает увеличение Rвхоу и уменьшение Rвыхоу. На базе этих ОУ можно построить различные схемы для аналоговой обработки сигналов.

К УПТ предъявляются высокие требования по наименьшему и по высокому входному сопротивлению. Самопроизвольное изменение выходного напряжения УПТ при неизменном напряжении входного сигнала называется дрейфом усилителя . Причинами дрейфа являются нестабильность напряжений питания схемы, температурная и временная нестабильности параметров транзисторов и резисторов. Этим требованиям удовлетворяет ОУ в котором первый каскад собран по дифференциальной схеме, который подавляет все синфазные помехи и обеспечивает высокое входное сопротивление. Этот каскад может быть собран на полевых транзисторах и на составных транзисторах, где в цепи эмиттеров (истоков) подключен ГСТ (генератор стабильного тока), что усиливает подавление синфазных помех. Для повышения входного сопротивления применяют глубокую последовательную ООС и высокую коллекторную нагрузку (в этом случае Jвхоу стремится к нулю).

Усилители постоянного тока предназначены для усиления сигналов, медленно изменяющихся во времени, т. е. сигналов, эквивалентная частота которых приближается к нулю. Поэтому УПТ должны обладать амплитудно-частотной характеристикой в виде, изображённой на рисунке слева. Поскольку коэффициент усиления ОУ очень велик, то использование его в качестве усилителя возможно лишь при охвате его глубокой отрицательной обратной связью (при отсутствии ООС даже крайне малый сигнал "шума" на входе ОУ даст на выходе ОУ напряжение, близкое к напряжению насыщения).

История операционного усилителя связана с тем, что усилители постоянного тока использовались в аналоговой вычислительной технике для реализации различных математических операций, например суммирования, интегрирования и др. В настоящее время эти функции хотя и не утратили своего значения, однако составляют лишь малую часть списка возможных применений ОУ.

Усилители мощности.

Что же представляет из себя усилитель мощности – далее, для краткости будем называть его УМ? Исходя из вышеизложенного, структурную схему усилителя можно условно разделить на три части:

  • Входной каскад
  • Промежуточный каскад
  • Выходной каскад (усилитель мощности)

Все эти три части выполняют одну задачу – увеличить мощность выходного сигнала без изменения его формы до такого уровня, чтобы можно было раскачать нагрузку с низким сопротивлением - динамическую головку или наушники.

Бывают трансформаторные и бестрансформаторные схемы УМ.

1. Трансформаторные усилители мощности.

Рассмотрим однотактный трансформаторный УМ , в кото­ром транзистор включен по схеме с ОЭ (рис. слева).

Трансформаторы ТР1, и ТР2 предназначены для согласования нагрузки и выходного сопротивления усилителя и входного сопротивления усилителя с сопротивлением ис­точника входного сигнала соответственно. Элементы R и D обеспечивают начальный режим работы транзистора, а С увеличивает переменную составляющую, поступающую на транзистор Т.

Поскольку трансформатор является нежелательным элементом усилителей мощности, т.к. имеет большие габариты и вес, относительно сложен в изготовлении, то в настоящее время наибольшее распространение получили бестрансформаторные усилители мощности.

2. Бестрансформаторные усилители мощности.

Рассмотрим двухтактный УМ на биполярных транзисторах с различным типом проводимости. Как уже отмечалось выше, необходимо увеличить мощность выходного сигнала без изменения его формы. Для этого берется постоянный ток питания УМ и преобразуется в переменный, но так, что форма сигнала на выходе повторяет форму входного сигнала, как показано на рисунке ниже:

Если транзисторы обладают достаточно высоким значением крутизны, то возможно построение схем, работающих на нагрузку величиной единицы Ом без использования трансформаторов. Питается такой усилитель от двухполярного источника питания с заземленной средней точкой, хотя возможно построение схем и для однополярного питания.

Принципиальная схема комплементарного эмиттерного повторителя - усилителя с дополнительной симметрией - приведена на рисунке слева. При одинаковом входном сигнале через транзистор n-p-n-типа протекает ток во время положительных полупериодов. Когда же входное напряжение отрицательно, ток будет течь через транзистор p-n-p -типа. Объединяя эмиттеры обоих транзисторов, нагружая их общей нагрузкой и подавая один и тот же сигнал на объединенные базы, получаем двухтактный каскад усиления мощности.

Рассмотрим более подробно включение и работу транзисторов. Транзисторы усилителя работают в режиме класса В. В данной схеме транзисторы должны быть абсолютно одинаковы по своим параметрам, но противоположны по планарной структуре. При поступлении на вход усилителя положительной полуволны напряжения Uвх транзистор Т1 , работает в режиме усиления, а транзис­тор Т2 - в режиме отсечки. При поступлении отрицатель­ной полуволны транзисторы меняются ролями. Так как напряжение между базой и эмиттером открытого транзи­стора мало (около 0,7 В), напряжение Uвых близко к напря­жению Uвх . Однако выходное напряжение оказывается искаженным из-за влияния нелинейностей входных ха­рактеристик транзисторов. Проблема нелинейных искажений решается подачей начального смещения на базовые цепи, переводящей каскад в режим АВ.

Для рассматриваемого усили­теля максимально возможная амплитуда напряжения на нагрузке Um равна E . Поэтому максимально возможная мощность нагрузки определяется выражением

Можно показать, что при максимальной мощности нагрузки усилитель потребляет от источников питания мощность, определяемую выражением

Исходя из вышесказанного, получаем максимально возможный коэффици­ент полезного действия УМ : n max = P н.max / P потр.max = 0,78.

Усилители низкой частоты в основном предназначены для обеспечения заданной мощности на выходном устройстве, в качестве которого может быть – громкоговоритель, записывающая головка магнитофона, обмотка реле, катушка измерительного прибора и т. д. Источниками входного сигнала являются звукосниматель, фотоэлемент и всевозможные преобразователи неэлектрических величин в электрические. Как правило, входной сигнал очень мал, его значение недостаточно для нормальной работы усилителя. В связи с этим перед усилителем мощности включают один или несколько каскадов предварительного усиления, выполняющих функции усилителей напряжения.

В предварительных каскадах УНЧ в качестве нагрузки чаще всего используют резисторы; их собирают как на лампах, так и на транзисторах.

Усилители на биполярных транзисторах обычно собирают по схеме с общим эмиттером. Рассмотрим работу такого каскада (рис. 26). Напряжение синусоидального сигнала u вх подают на участок база – эмиттер через разделительный конденсатор С р1 , что создает пульсацию тока базы относительно постоянной составляющей I б0 . Значение I б0 определяется напряжением источника Е к и сопротивлением резистора R б . Изменение тока базы вызывает соответствующее изменение тока коллектора, проходящего по сопротивлению нагрузки R н . Переменная составляющая тока коллектора создает на сопротивлении нагрузки R k усиленное по амплитуде падение напряжения u вых .

Расчет такого каскада можно произвести графически с использованием приведенных на рис. 27 входных и выходных характеристик транзистора, включенного по схеме с ОЭ. Если сопротивление нагрузки R н и напряжение источника Е к заданы, то положение линии нагрузки определяется точками С и D . При этом точка D задана значением Е к , а точка С – током I к =Е к /R н . Линия нагрузки CD пересекает семейство выходных характеристик. Выбираем рабочий участок на линии нагрузки так, чтобы искажения сигнала при усилении были минимальны. Для этого точки пересечения линии CD с выходными характеристиками должны находиться в пределах прямолинейных участков последних. Этому требованию соответствует участок АВ линии нагрузки.

Рабочая точка при синусоидальном входном сигнале находится в середине этого участка – точка О . Проекция отрезка AO на ось ординат определяет амплитуду коллекторного тока, а проекция того же отрезка на ось абсцисс – амплитуду переменной составляющей коллекторного напряжения. Рабочая точка O определяет ток коллектора I к0 и напряжение на коллекторе U кэ0 соответствующие режиму покоя.

Кроме того, точка O определяет ток покоя базы I б0 , а следовательно, и положение рабочей точки O" на входной характеристике (рис. 27, а, б). Точкам А и В выходных характеристик соответствуют точки А" и В" на входной характеристике. Проекция отрезка А"O" на ось абсцисс определяет амплитуду входного сигнала U вх т , при которой будет обеспечен режим минимальных искажений.



Строго говоря, U вх т , необходимо определять по семейству входных характеристик. Но так как входные характеристики при различных значениях напряжения U кэ , отличаются незначительно, на практике пользуются входной характеристикой, соответствующей среднему значению U кэ =U кэ 0 .

Самая суть для разбирающихся практиков

Усилитель собран по принципу «двойное моно», схема одного канала показана на рис.1 . Первый каскад на транзисторах VT1-VT4 – это усилитель напряжения с коэффициентом около 2,9 , второй каскад на VT5 – усилитель тока (эмиттерный повторитель). При входном напряжении 1 В выходная мощность около 0,5 Вт на нагрузке 16 Ом. Рабочий диапазон частот по уровню -1 dB примерно от 3 Гц до 250 кГц. Входное сопротивление усилителя – 6,5…7 кОм, выходное – 0,2 Ом.

Графики КНИ на частоте 1 кГц при выходной мощности 0,52 Вт и 0,15 Вт показаны на рис.2 и рис.3 (сигнал в звуковую карту подаётся через делитель «30:1»).

На рис.4 показан результат интермодуляционных искажений при измерении двумя тонами равного уровня (19 кГц и 20 кГц).

Усилитель собран в подходящем по размерам корпусе, взятом от другого усилителя. К цепям питания одного из каналов подключен блок управления вентиляторами (рис.5 ), контролирующий температуру одного из радиаторов выходных транзисторов (монтажная плата с навесным монтажом видна в центре на рисунке 6 ).

Оценка звучания на слух – «неплохо». Звук к колонкам не «привязан», панорама есть, но её «глубина» меньше, чем та, к которой привык. С чем это связанно, пока не выяснил, возможно (варианты с другими транзисторами, с изменением тока покоя выходных каскадов и поиском точек подключения входных/выходных «земель» были проверены).

Теперь для тех, кому интересно, немного об экспериментах

Эксперименты заняли достаточно долгое время и проводились немного хаотично – переходы с одного на другое делались по мере решения одних вопросов и появлению других, поэтому в схемах и измерениях могут быть заметны некоторые несовпадения. В схемах это отражается как нарушение нумерации элементов, а в измерениях - как изменение уровня шумов, наводок от сети 50 Гц, пульсаций 100 Гц и их продуктов (применялись разные блоки питания). Но в большинстве случаев замеры проводились несколько раз, поэтому неточности не должны быть особо значимыми.

Все эксперименты можно разбить на несколько. Первый был проведён для оценки принципиальной работоспособности TND каскада, следующие – для проверки таких характеристик, как нагрузочная способность, коэффициент усиления, зависимость линейности, работа с выходным каскадом.

Достаточно полную теоретическую информацию о работе TND каскада можно узнать из статей Г.Ф. Прищепова в журналах «Схемотехника» №9 2006 г. и «Радиохобби» №3 2010 г. (там примерно одинаковые тексты), поэтому здесь будет рассмотрено только его практическое применение.

Итак, первое – оценка принципиальной работоспособности

Сначала была собрана схема на транзисторах КТ315 с коэффициентом усиления около трёх (рис.7 ). При проверке оказалось, что с теми номиналами R3 и R4, что показаны на схеме, усилитель работает только с сигналами малого уровня, а при подаче 1 В происходит перегруз по входу (1 В – это уровень, который могут отдавать ПКД и звуковая карта компьютера, поэтому почти все измерения приведены к нему). На рисунке 8 на нижнем графике показан спектр выходного сигнала, на верхнем – входного и на нём видны искажения (КНИ должен быть около 0,002-0,006%). Глядя на графики и сравнивая уровни в каналах, надо учитывать, что выходной сигнал поступает в звуковую карту через делитель 10:1 (с входным сопротивлением около 30 кОм, резисторы R5 и R6 на рис.7 ) – ниже по тексту параметры делителя будут другими и об этом всегда будет указано).

Если считать, что появление искажений во входном сигнале говорит об изменении входного сопротивления каскада (что обычно вызвано неправильно выбранным режимом по постоянному току), то для работы с бОльшими входными сигналами следует увеличивать сопротивление R4 и, соответственно, для сохранения Кус равного трём, увеличивать R3.

После установки R3=3,3 кОм, R4=1,1 кОм, R1=90 кОм и повышения напряжения питания до 23В, удалось получить более-менее приемлемый значения КНИ (рис.9 ). Также выяснилось, что TND каскад «не любит» низкоомную нагрузку, т.е. чем больше будет сопротивление следующего каскада, тем меньше уровни гармоник и тем ближе к расчетному значению становится коэффициент усиления (ниже будет рассмотрен ещё один пример).

Затем усилитель был собран на печатной плате и к нему был подключен эмиттерный повторитель на составном транзисторе КТ829А (схема на рисунке 1 ). После установки транзистора и платы на радиатор (рис.10 ), усилитель был проверен при работе на нагрузку 8 Ом. На рисунке 11 видно, что сильно выросло значение КНИ, но это результат работы эмиттерного повторителя (сигнал со входа усилителя (верхний график) берётся в компьютер напрямую, а с выхода – через делитель 3:1 (нижний график)).

На рисунке12 показан график КНИ при входном сигнале 0,4 В:

После этого было проверено ещё два варианта повторителей – с составным транзистором из биполярных КТ602Б+КТ908А и с полевым IRF630A (ему потребовалось увеличение тока покоя за счёт установки на затворе +14,5В и уменьшения сопротивления R7 до 5 Ом при постоянном напряжении на нём 9,9 В (ток покоя около 1,98 А)). Лучшее, что получилось при входных напряжениях 1 В и 0,4 В, показано на рисунках 13 и 14 (КТ602Б+КТ908А), 15 и 16 (IRF630A):

После этих проверок схема вернулась к варианту с транзистором КТ829, был собран второй канал и после прослушки макета при питании от лабораторных источников, был собран усилитель, показанный на рисунке 6 . Два или три дня ушло на отслушивание и мелкие доработки, но на звуке и характеристиках усилителя это почти не отразилось.

Оценка нагрузочной способности

Так как желание проверить каскад TND на «грузоподъемность» ещё не пропало, был собран новый макет на 4-х транзисторах в цепочке (рис.17 ). Напряжение питания +19 В, делитель на выходе каскада 30 кОмный «10:1», входной сигнал – 0,5 В, выходной – 1,75 В (коэффициент усиления равен 3,5, но если делитель отключить, то выходное напряжение получается около 1,98 В, что говорит об Кус=3,96):

Подбирая сопротивление резистора R1, можно получить некоторый минимальный КНИ и этот график при нагрузке 30 кОм показан на рисунке 18 . Но если теперь последовательно резистору R5 установить ещё один такого же номинала (54 кОм), то гармоники получают вид, показанный на рисунке 19 – вторая гармоника вырастает примерно на 20 dB относительно основного тона и чтобы её вернуть к низкому значению, нужно опять изменить сопротивление R1. Это косвенно указывает на то, что для получения максимально стабильных значений КНИ питание каскада должно быть стабилизировано. Проверяется просто – изменение напряжения питания примерно также меняет вид гармоникового «хвоста».

Так, хорошо, это каскад работает с 0,5 В на входе. Теперь надо бы проверить его при 1 В и, допустим, с коэффициентом усиления «5».

Оценка коэффициента усиления

Каскад собран на транзисторах КТ315, напряжение питания +34,5 В (рис.20 ). Чтобы получить Кус=5, были поставлены резисторы R3 и R4 номиналами 8,38 кОм и 1,62 кОм. На нагрузке в виде резисторного делителя «10:1» с входным сопротивлением около 160 кОм выходное напряжение получилось около 4,6 В.

На рисунке 21 видно, что КНИ менее 0,016%. Большой уровень помехи 50 Гц и других кратных выше по частоте – это плохая фильтрация питания (работает на пределе).

К этому каскаду был подключен повторитель на КП303+КТ829 (рис.22 ) и затем сняты характеристики всего усилителя при работе на нагрузку 8 Ом (рис.23 ). Напряжение питания 26,9 В, коэффициент усиления около 4,5 (4,5 В переменки на выходе на нагрузке 8 Ом – это примерно 2,5 Вт). При настройке повторителя на минимальный уровень КНИ пришлось изменить напряжение смещения TND каскада, но так как уровень его искажений намного меньше, чем повторителя, то на слух это никак не отразилось – были собраны два канала и отслушаны в макетном варианте. Разницы в звучании с описанным выше полуваттным вариантом усилителя не замечено, но так как усиление нового варианта было избыточно, а тепла он выделяет больше, то схема была разобрана.

При регулировке напряжения смещения TND каскада можно найти такое положение, что гармониковый «хвост» имеет более ровный спад, но становится длинней и при этом уровень второй гармоники вырастает на 6-10 dB (общий КНИ становится около 0,8-0,9%).

При таком большом КНИ повторителя изменением номинала резистора R3 можно смело менять коэффициент усиления первого каскада как в большую, так и в меньшую сторону.

Проверка каскада с бОльшим током покоя

Схема была собрана на транзисторной сборке КТС613Б. Ток покоя каскада 3,6 мА - это самый большой из всех проверенных вариантов. Выходное напряжение на резисторном делителе 30 кОм получился 2,69В, КНИ при этом около 0,008% ((рис.25 ). Это примерно в три раза меньше, чем показано на рисунке 9 при проверке каскада на КТ315 (с таким же коэффициентом усиления и приблизительно с таким же напряжением питания). Но так как ещё одну такую же транзисторную сборку найти не удалось, второй канал не собирался и усилитель, соответственно, не слушался.

При увеличении сопротивления R5 в два раза и без подстройки напряжения смещения КНИ становится около 0,01% (рис.26 ). Можно сказать, что вид «хвоста» меняется незначительно.

Попытка оценки полосы рабочих частот

Сначала проверялся макет, собранный на транзисторной сборке. При использовании генератора ГЗ-118 с полосой выдаваемых частот от 5 Гц до 210 кГц «завалов на краях» не было обнаружено.

Затем проверялся уже собранный полуваттный усилитель. Он ослабил сигнал частотой 210 кГц примерно на 0,5 dB (при этом на 180 кГц изменений не было).

Нижнюю границу оценить было нечем, по крайней мере, не удалось увидеть разницу между входным и выходным сигналами при запуске свип-генератора программы , начиная с частот 5 Гц. Поэтому можно считать, что она ограничивается ёмкостью разделительного конденсатора С1, входным сопротивлением TND каскада, а также ёмкостью «выходного» конденсатора С7 и сопротивлением нагрузки усилителя – примерный расчет в программе показывает -1 dB на частоте 2,6 Гц и -3 dB на частоте 1,4 Гц (рис.27 ).

Так как входное сопротивление TND каскада достаточно низкое, то регулятор громкости следует выбирать не более 22...33 кОм.

Заменой выходного каскада может быть любой повторитель (усилитель тока), обладающий достаточно большим входным сопротивлением.

В приложении к тексту находятся файлы двух вариантов печатных плат в формате программы 5 версии (рисунок при изготовлении плат по надо «зеркалить»).

Послесловие

Спустя несколько дней увеличил питание каналов на 3 В, заменил 25-тивольтовые электролитические конденсаторы на 35-тивольтовые и подстроил напряжения смещения первых каскадов на минимум КНИ. Токи покоя выходных каскадов стали около 1,27 А, значения КНИ и ИМД при 0,52 Вт выходной мощности уменьшились до 0,028% и 0,017% (рис.28 и 29 ). На графиках видно, что увеличились пульсации 50 Гц и 100 Гц, но на слух их не слышно.

Литература:
1. Г. Прищепов, «Линейные широкополосные TND-усилители и повторители», журнал «Схемотехника» №9, 2006 г.

Андрей Гольцов, r9o-11, г. Искитим

Список радиоэлементов

Обозначение Тип Номинал Количество Примечание Магазин Мой блокнот
Рисунок №1, детали на один канал
VT1...VT4 Биполярный транзистор

PMSS3904

4 В блокнот
VT5 Биполярный транзистор

КТ829А

1 В блокнот
VD1...VD4 Диод

КД2999В

4 В блокнот
R1 Резистор

91 кОм

1 smd 0805, точный номинал подбирать при настройке В блокнот
R2 Резистор

15 кОм

1 smd 0805 В блокнот
R3 Резистор

3.3 кОм

1 smd 0805 В блокнот
R4 Резистор

1.1 кОм

1 smd 0805 В блокнот
R5, R6 Резистор

22 Ом

2 smd 0805 В блокнот
R7 Резистор

12 Ом

1 набрать из ПЭВ-10 В блокнот
R8, R9 Резистор

Такие достоинства полевых транзисторов, как малые нелинейные искажения, высокое входное сопротивление и низкий уровень шумов, делают их весьма привлекательными для использования в каскадах предварительного усиления УМЗЧ. Однако широкое применение этих транзисторов в таких устройствах сдерживается из-за сравнительно малого предельно-допустимого напряжения сток-исток.

Избавиться от этого недостатка позволяет включение транзисторов предварительного усилителя по каскодной схеме ОИ-ОБ (общий исток— общая база). В публикуемой статье предлагается один из вариантов УМЗЧ с входным каскадом, построенным по схеме ОИ-ОБ.

Принципиальная схема УМЗЧ

Принципиальная схема УМЗЧ показана на рисунке. Симметричный входной каскад усилителя выполнен на транзисторах ѴТ1—ѴТ4, включенных по схеме ОИ-ОБ. Предоконечный каскад УМЗЧ собран на транзисторах ѴТ5, ѴТ6, а выходной — на транзисторах ѴТ8—ѴТ13 по стандартной схеме.

Усилитель охвачен цепью ООС, глубина которой по переменному току составляет 32 дБ. Все его каскады работают в симметричном режиме, что позволило получить коэффициент гармоник при выходной мощности 40 Вт без ООС около 1%.

Для питания усилителя необходимо иметь два источника: стабилизированный напряжением +34 В и нестабилизированный +32 В. При питании от указанных источников усилитель обеспечивает получение следующих технических характеристик:

  • номинальное входное напряжение — 0,8 В;
  • входное сопротивление — 440 кОм;
  • номинальная выходная мощность при коэффициенте гармоник 0,5% и сопротивлении нагрузки 4 Ома — 50 Вт;
  • коэффициент гармоник при выходной мощности 0,1...35 Вт на частоте 1000 Гц — 0,07%, 20 000 Гц— 1%,
  • скорость нарастания выходного напряжения (без цепи R1C2)—40 В/мкс;
  • отношение сигнал/шум — 86 дБ.

В усилителе использованы постоянные резисторы МЛТ-0,5 (R3, R22, R25) и МЛТ-0,25 (остальные); подстроечные (R5, R14) -СПЗ-16; R26, R27 — проволочные. Конденсаторы С1 и С7 — МБМ; С2, С4—С6 — КТ-1, СЗ — оксидный К50-6.

Транзисторы КПЗОЗД заменят КП303Г и КП303Е; КП103М — КП103Л; КТ3102А — КТ3102Б; КТ3107А— КТ3107Б; КТ502Е — КТ502Д; КТ503Е — КТ503Д; КТ814Г — КТ814В, КТ816В и КТ816Г; КТ815Г — КТ815В, КТ817В и КТ817Г; КТ818Г — КТ818В; КТ819Г — КТ819В.

Транзисторы ѴТ2 и ѴТЗ необходимо подобрать по токам стока. При напряжении стока Uc = =8,5 В и нулевом напряжении на затворе они должны находиться в пределах 5,5...6,5 мА.

Транзисторы VT12, VT13 размещают на теплоотводах площадью 1000 см2 каждый. К одному из теплоотводов следует приклеить транзистор VT7.

Налаживание

Налаживание усилителя начинают с установки нулевого напряжения на выходе усилителя с помощью резистора R5. Затем резистором R14 устанавливают ток покоя выходных транзисторов равным 200 мА. В заключение, подавая на вход усилителя прямоугольные импульсы амп-
литудой 0,5 В и частотой 1 кГц, подбором конденсатора С4 добиваются отсутствия выбросов на переходной характеристике усилителя.

В. Орлов, г. Москва.

Усилитель колебаний ЗЧ - составная часть каждого современного радиоприемника, радиолы, телевизора или магнитофона. Усилитель является основой радиовещания по проводам, аппаратуры телеуправления, многих измерительных приборов, электронной автоматики и вычислительной техники, кибернетических устройств. Но в этой беседе я буду говорить о немногом: об элементах и работе транзисторных усилителей применительно к очень узкой области радиотехники - для усиления и преобразования электрических колебаний звуковой частоты в звук.

КАСКАДЫ УСИЛИТЕЛЯ

Усилительным каскадом принято называть транзистор с резисторами, конденсаторами и другими деталями, которые обеспечивают ему условия работы как усилителя. Усилитель, который ты делал к детекторному приемнику (см. рис. 92), был однокаскадным. Его транзистор может быть составным (см. рис. 95), но усилитель все равно останется однокаскадным. Но однокаскадный транзисторный усилитель не может обеспечить усиление сигнала звуковой частоты, достаточное для громкого звуковоспроизведения.

Для громкого воспроизведения колебаний звуковой частоты транзисторный усилитель должен быть минимум двух-трехкаскадным. В усилителях, содержащих несколько каскадов, различают каскады предварительного усиления и выходные, или оконечные, каскады. Выходным называют последний каскад усилителя, работающий на телефоны или динамическую головку громкоговорителя, а предварительными - все находящиеся перед ним каскады.

Задача одного или нескольких каскадов предварительного усиления заключается в том, чтобы увеличить напряжение звуковой частоты до значения, необходимого для работы транзистора выходного каскада. От транзистора выходного каскада требуется повышение мощности колебаний звуковой частоты до уровня, необходимого для работы динамической головки.

Для выходных каскадов наиболее простых транзисторных усилителей радиолюбители часто используют маломощные транзисторы, такие же, что и в каскадах предварительного усиления. Объясняется это желанием делать усилители более экономичными, что особенно важно для переносных конструкций с питанием от батарей. Выходная мощность таких усилителей небольшая - от нескольких десятков до 100-150 мВт, но и ее бывает достаточно для работы телефонов или маломощных динамических головок. Если же вопрос экономии энергии источников питания не имеет столь существенного значения, например при питании усилителей от электроосветительной сети, в выходных каскадах используют мощные транзисторы.

Каков принцип работы усилителя, состоящего из нескольких каскадов?

Схему простого транзисторного двухкаскадного усилителя ЗЧ ты видишь на рис. 173. Рассмотри ее внимательно. В первом каскаде усилителя работает транзистор V1, во втором - транзистор V2. Здесь первый каскад является каскадом предварительного усиления, второй - выходным. Между ними - разделительный конденсатор С2. Принцип работы любого из каскадов этого усилителя одинаков и аналогичен знакомому тебе принципу работы однокаскадного усилителя.

Рис. 173. Двухкаскадный усилитель на транзисторах

Разница только в деталях: нагрузкой транзистора V1 первого каскада служит резистор R2, а нагрузкой транзистора V2 выходного каскада - телефоны В1 (или, если выходной сигнал достаточно мощный, головка громкоговорителя). Смещение на базу транзистора первого каскада подается через резистор R1, а на базу транзистора второго каскада - через резистор R3. Оба каскада питаются от общего источника ииль которым может быть батарея гальванических элементов или выпрямитель. Режимы работы транзисторов устанавливают подбором резисторов R1 и R3, что обозначено на схеме звездочками.

Действие усилителя в целом заключается в следующем. Электрический сигнал, поданный через конденсатор С1 на вход первого каскада и усиленный транзистором V1, с нагрузочного резистора R2 через разделительный конденсатор С2 поступает на вход второго каскада. Здесь он усиливается транзистором V2 и телефонами В1, включенными в коллекторную цепь транзистора, преобразуется в звук.

Какова роль конденсатора С1 на входе усилителя? Он выполняет две задачи: свободно пропускает к транзистору переменное напряжение сигнала и предупреждает замыкание базы на эмиттер через источник сигнала. Представь себе, что этого конденсатора во входной цепи нет, а источником усиливаемого сигнала служит электродинамический микрофон с малым внутренним сопротивлением. Что получится? Через малое сопротивление микрофона база транзистора окажется соединенной с эмиттером. Транзистор закроется, так как будет работать без начального напряжения смещения. Он будет открываться только при отрицательных полупериодах напряжения сигнала. А положительные полупериоды, еще больше закрывающие транзистор, будут им «срезаны». В результате транзистор станет искажать усиливаемый сигнал.

Конденсатор С2 связывает каскады усилителя по переменному току. Он должен хорошо пропускать переменную составляющую усиливаемого сигнала и задерживать постоянную составляющую коллекторной цепи транзистора первого каскада. Если вместе с переменной составляющей конденсатор - будет проводить и постоянный ток, режим работы транзистора выходного каскада нарушится и звук станет искаженным или совсем пропадет.

Конденсаторы, выполняющие такие функции, называют конденсаторами связи, переходными или разделительными.

Входные и переходные конденсаторы должны хорошо пропускать всю полосу частот усиливаемого сигнала - от самых низких до самых высоких. Этому требованию отвечают конденсаторы емкостью не менее 5 мкФ. Использование в транзисторных усилителях конденсаторов связи больших емкостей объясняется относительно малыми входными сопротивлениями транзисторов. Конденсатор связи оказывает переменному току емкостное сопротивление, которое будет тем меньшим, чем больше его емкость. И если оно окажется больше входного сопротивления транзистора, на нем будет падать часть напряжения переменного тока, большая, чем на входном сопротивлении транзистора, отчего будет проигрыш в усилении. Емкостное сопротивление конденсатора связи должно быть по крайней мере в 3-5 раз меньше входного сопротивления транзистора. Поэтому-то на входе, а также для связи между транзисторными каскадами ставят конденсаторы больших емкостей. Здесь используют обычно малогабаритные электролитические конденсаторы с обязательным соблюдением полярности их включения.

Таковы наиболее характерные особенности элементов двухкаскадного транзисторного усилителя ЗЧ.

Для закрепления в памяти принципа работы транзисторного двухкаскадного усилителя ЗЧ предлагаю смонтировать, наладить и проверить в действии несколько его вариантов.