تقویت کننده ترانزیستوری، علیرغم سابقه طولانی خود، همچنان موضوع مورد علاقه مطالعه برای مبتدیان و آماتورهای رادیویی کهنه کار است. و این قابل درک است. این یک جزء ضروری از محبوب ترین دستگاه های رادیویی آماتور است: گیرنده های رادیویی و تقویت کننده های فرکانس پایین (صدا). ما به نحوه ساخت ساده‌ترین تقویت‌کننده‌های ترانزیستوری فرکانس پایین نگاه خواهیم کرد.
پاسخ فرکانس آمپر
در هر گیرنده تلویزیون یا رادیو، در هر مرکز موسیقی یا تقویت کننده صدا، می توانید تقویت کننده های صدای ترانزیستوری (فرکانس پایین - LF) را پیدا کنید. تفاوت بین تقویت کننده های ترانزیستور صوتی و انواع دیگر در پاسخ فرکانسی آنها نهفته است.
تقویت کننده صوتی ترانزیستوری دارای پاسخ فرکانسی یکنواخت در باند فرکانسی از 15 هرتز تا 20 کیلوهرتز است. این بدان معنی است که تمام سیگنال های ورودی با فرکانس در این محدوده توسط تقویت کننده تبدیل (تقویت) می شوند.در مورد همان. شکل زیر منحنی پاسخ فرکانس ایده‌آل را برای تقویت‌کننده صوتی در مختصات «افزایش تقویت‌کننده Ku - فرکانس سیگنال ورودی» نشان می‌دهد.
این منحنی از 15 هرتز تا 20 کیلوهرتز تقریباً صاف است. این بدان معنی است که چنین تقویت کننده ای باید به طور خاص برای سیگنال های ورودی با فرکانس های بین 15 هرتز و 20 کیلوهرتز استفاده شود. برای سیگنال های ورودی با فرکانس های بالاتر از 20 کیلوهرتز یا کمتر از 15 هرتز، کارایی و عملکرد آن به سرعت کاهش می یابد.
نوع پاسخ فرکانسی تقویت کننده توسط عناصر رادیویی الکتریکی (ERE) مدار آن و مهمتر از همه توسط خود ترانزیستورها تعیین می شود. یک تقویت کننده صوتی مبتنی بر ترانزیستور معمولاً روی ترانزیستورهای به اصطلاح فرکانس پایین و متوسط با پهنای باند کل سیگنال های ورودی از ده ها و صدها هرتز تا 30 کیلوهرتز مونتاژ می شود.
کلاس تقویت کننده
همانطور که می دانید، بسته به درجه تداوم جریان در طول دوره آن از طریق مرحله تقویت کننده ترانزیستور (تقویت کننده)، کلاس های زیر از عملکرد آن متمایز می شود: "A"، "B"، "AB", "C", "D ".
در کلاس عملکرد، جریان "A" برای 100٪ از دوره سیگنال ورودی از طریق صحنه می گذرد. آبشار این کلاس در شکل زیر نشان داده شده است.
در مرحله تقویت کننده کلاس "AB"، جریان بیش از 50٪ از آن عبور می کند، اما کمتر از 100٪ دوره سیگنال ورودی (شکل زیر را ببینید).
در کلاس عملکرد مرحله "B"، جریان دقیقاً 50٪ از دوره سیگنال ورودی، همانطور که در شکل نشان داده شده است، از آن عبور می کند.
در نهایت، در کلاس عملیات مرحله "C"، جریان برای کمتر از 50٪ از دوره سیگنال ورودی از آن عبور می کند.
تقویت کننده ترانزیستور LF: اعوجاج در کلاس های اصلی کار
در ناحیه کار، تقویت کننده ترانزیستور کلاس "A" سطح پایینی از اعوجاج غیر خطی دارد. اما اگر سیگنال دارای ولتاژهای ضربه ای باشد که منجر به اشباع ترانزیستورها می شود، هارمونیک های بالاتر (تا 11) در اطراف هر هارمونیک "استاندارد" سیگنال خروجی ظاهر می شود. این باعث ایجاد پدیده به اصطلاح صدای ترانزیستوری یا فلزی می شود.
اگر تقویت‌کننده‌های توان فرکانس پایین روی ترانزیستورها منبع تغذیه ناپایدار داشته باشند، سیگنال‌های خروجی آنها در دامنه نزدیک به فرکانس شبکه مدوله می‌شوند. این منجر به سختی صدا در لبه سمت چپ پاسخ فرکانسی می شود. روش های مختلف تثبیت ولتاژ طراحی تقویت کننده را پیچیده تر می کند.
بازده معمول تقویت کننده کلاس A یک سر به دلیل ترانزیستور همیشه روشن و جریان پیوسته جزء DC از 20٪ تجاوز نمی کند. می توانید یک تقویت کننده کلاس A را فشار دهید، بازده کمی افزایش می یابد، اما امواج نیمه سیگنال نامتقارن تر می شوند. انتقال آبشار از کلاس کاری "A" به کلاس کاری "AB" اعوجاج غیرخطی را چهار برابر می کند، اگرچه راندمان مدار آن افزایش می یابد.
Bتقویت کننده های کلاس "AB" و "B" اعوجاج با کاهش سطح سیگنال افزایش می یابد. شما ناخواسته می خواهید چنین آمپلی فایری را برای احساس کامل قدرت و پویایی موسیقی بلندتر کنید، اما اغلب این کمک چندانی نمی کند.
کلاسهای شغلی متوسط
کلاس کاری "A" یک تنوع دارد - کلاس "A+". در این حالت، ترانزیستورهای ورودی ولتاژ پایین تقویت کننده این کلاس در کلاس "A" کار می کنند و ترانزیستورهای ولتاژ خروجی تقویت کننده، زمانی که سیگنال های ورودی آنها از سطح معینی فراتر رود، به کلاس "B" یا "AB". راندمان چنین آبشارهایی بهتر از کلاس خالص "A" است و اعوجاج غیر خطی کمتر است (تا 0.003٪). با این حال، آنها همچنین به دلیل وجود هارمونیک های بالاتر در سیگنال خروجی "فلزی" صدا می کنند.
تقویت‌کننده‌های کلاس دیگر - "AA" دارای درجه اعوجاج غیرخطی حتی کمتری هستند - حدود 0.0005٪، اما هارمونیک‌های بالاتری نیز وجود دارد.
بازگشت به تقویت کننده ترانزیستوری کلاس A؟
امروزه بسیاری از متخصصان در زمینه بازتولید صدای با کیفیت بالا از بازگشت به تقویت کننده های لوله حمایت می کنند، زیرا سطح اعوجاج غیر خطی و هارمونیک های بالاتر وارد شده توسط آنها به سیگنال خروجی به وضوح کمتر از ترانزیستورها است.. با این حال، این مزایا تا حد زیادی با نیاز به یک ترانسفورماتور منطبق بین مرحله خروجی لوله با امپدانس بالا و بلندگوهای کم امپدانس جبران می شود. با این حال، یک تقویت کننده ترانزیستوری ساده را می توان با خروجی ترانسفورماتور مطابق شکل زیر ساخت.
همچنین یک نقطه نظر وجود دارد که فقط یک تقویت کننده هیبریدی تیوب ترانزیستور می تواند کیفیت صدای نهایی را ارائه دهد، که تمام مراحل آن تک سر هستند، با بازخورد منفی پوشش داده نمی شوند و در کلاس "A" کار می کنند. یعنی چنین دنبال کننده قدرتی یک تقویت کننده روی یک ترانزیستور است. طرح آن می تواند حداکثر بازده قابل دستیابی (در کلاس "A") بیش از 50٪ باشد. اما نه قدرت و نه کارایی آمپلی فایر نشانگر کیفیت پخش صدا نیستند. در عین حال، کیفیت و خطی بودن ویژگی های تمام ERE ها در مدار از اهمیت ویژه ای برخوردار است.
همانطور که مدارهای تک سر این دیدگاه را دارند، گزینه های آنها را در زیر بررسی خواهیم کرد.
تقویت کننده تک ترانزیستوری تک سر
مدار آن، ساخته شده با یک امیتر مشترک و اتصالات R-C برای سیگنال های ورودی و خروجی برای عملکرد در کلاس "A"، در شکل زیر نشان داده شده است.
یک ترانزیستور n-p-n Q1 را نشان می دهد. کلکتور آن از طریق یک مقاومت محدود کننده جریان R3 به ترمینال مثبت +Vcc وصل شده و امیتر آن به -Vcc متصل است. تقویت کننده ترانزیستور p-n-p مدار مشابهی خواهد داشت، اما سیم های منبع تغذیه معکوس خواهند شد.
C1 یک خازن جداکننده است که منبع ورودی AC را از منبع ولتاژ DC Vcc جدا می کند. در عین حال، C1 از عبور جریان ورودی متناوب از محل اتصال پایه-امیتر ترانزیستور Q1 جلوگیری نمی کند. مقاومت R1 و R2 همراه با مقاومتانتقال "E - B" یک تقسیم کننده ولتاژ Vcc را تشکیل می دهد تا نقطه کار ترانزیستور Q1 را در حالت استاتیک انتخاب کند. معمولی برای این مدار مقدار R2=1 کیلو اهم است و موقعیت نقطه کار Vcc / 2 است. R3 یک مقاومت بار مدار کلکتور است و برای ایجاد سیگنال خروجی ولتاژ متغیر روی کلکتور استفاده می شود.
فرض کنید Vcc=20 ولت، R2=1 کیلو اهم، و بهره جریان h=150. ولتاژ را در امیتر Ve=9 ولت انتخاب می کنیم و افت ولتاژ در انتقال "A - B" برابر است. برابر با Vbe=0.7 V گرفته شده است. این مقدار مربوط به ترانزیستور سیلیکونی است. اگر تقویت‌کننده‌ای مبتنی بر ترانزیستورهای ژرمانیومی در نظر بگیریم، افت ولتاژ در محل اتصال باز "E - B" Vbe=0.3 V خواهد بود.
جریان امیتر، تقریبا برابر با جریان کلکتور
Ie=9 V/1 kΩ=9 mA ≈ Ic.
جریان پایه Ib=Ic/h=9mA/150=60uA.
افت ولتاژ در مقاومت R1
V(R1)=Vcc - Vb=Vcc - (Vbe + Ve)=20V - 9.7V=10.3V
R1=V(R1)/Ib=10، 3 V/60 uA=172 کیلو اهم.
C2 برای ایجاد مداری برای عبور مولفه متغیر جریان امیتر (در واقع جریان کلکتور) مورد نیاز است. اگر وجود نداشت، مقاومت R2 به شدت مؤلفه متغیر را محدود می کرد، به طوری که تقویت کننده ترانزیستور دوقطبی مورد نظر دارای بهره جریان پایینی بود.
در محاسبات خود، فرض کردیم که Ic=Ib h، جایی که Ib جریان پایه ای است که از امیتر به آن می ریزد و هنگام اعمال ولتاژ بایاس به پایه ایجاد می شود. با این حال، از طریق پایه همیشه (هم با و هم بدون افست)همچنین یک جریان نشتی از کلکتور Icb0 وجود دارد. بنابراین، جریان واقعی کلکتور Ic=Ib h + Icb0 h است، یعنی. جریان نشتی در مدار با OE 150 برابر تقویت می شود. اگر ما تقویت کننده ای مبتنی بر ترانزیستورهای ژرمانیومی را در نظر بگیریم، این شرایط باید در محاسبات در نظر گرفته شود. واقعیت این است که ترانزیستورهای ژرمانیوم دارای Icb0 قابل توجهی از مرتبه چند μA هستند. در سیلیکون، سه مرتبه قدر کوچکتر است (حدود چند نانو آمپر)، بنابراین معمولاً در محاسبات نادیده گرفته می شود.
تقویت کننده ترانزیستور MIS تک سر
مانند هر تقویت کننده ترانزیستوری اثر میدانی، مدار مورد نظر مشابه خود را در میان تقویت کننده های ترانزیستور دوقطبی دارد. بنابراین، آنالوگ مدار قبلی را با یک امیتر مشترک در نظر بگیرید. این با یک منبع مشترک و اتصالات R-C برای سیگنال های ورودی و خروجی برای عملکرد در کلاس "A" ساخته شده است و در شکل زیر نشان داده شده است.
در اینجا C1 همان خازن جداکننده است که به وسیله آن منبع ورودی AC از منبع ولتاژ DC Vdd جدا می شود. همانطور که می دانید، هر تقویت کننده ترانزیستوری اثر میدانی باید پتانسیل گیت ترانزیستورهای MOS خود را کمتر از پتانسیل منابع خود داشته باشد. در این مدار، گیت توسط R1 به زمین متصل می شود که معمولاً مقاومت بالایی دارد (100 کیلو اهم تا 1 مگا اهم) به طوری که سیگنال ورودی را شنت نمی کند. عملا هیچ جریانی از طریق R1 وجود ندارد، بنابراین پتانسیل گیت در غیاب سیگنال ورودی برابر با پتانسیل زمین است. پتانسیل منبع به دلیل افت ولتاژ در مقاومت R2 از پتانسیل زمین بیشتر است. بنابراینبنابراین، پتانسیل دروازه کمتر از پتانسیل منبع است که برای عملکرد عادی Q1 ضروری است. خازن C2 و مقاومت R3 همان هدف مدار قبلی را دارند. از آنجایی که این یک مدار منبع مشترک است، سیگنال های ورودی و خروجی 180 درجه از فاز خارج می شوند.
تقویت کننده خروجی ترانسفورماتور
سومین تقویت کننده ترانزیستور ساده تک مرحله ای، که در شکل زیر نشان داده شده است، نیز مطابق مدار امیتر رایج برای عملکرد در کلاس "A" ساخته شده است، اما از طریق یک تطبیق به یک بلندگو با امپدانس پایین متصل می شود. ترانسفورماتور.
سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور T1 بار مدار کلکتور ترانزیستور Q1 است و یک سیگنال خروجی ایجاد می کند. T1 سیگنال خروجی را به بلندگو می فرستد و اطمینان حاصل می کند که امپدانس خروجی ترانزیستور با امپدانس پایین (در حد چند اهم) بلندگو مطابقت دارد.
تقسیم‌کننده ولتاژ منبع تغذیه کلکتور Vcc، که روی مقاومت‌های R1 و R3 مونتاژ شده است، انتخاب نقطه کار ترانزیستور Q1 (تامین ولتاژ بایاس به پایه آن) را فراهم می‌کند. هدف از عناصر باقی مانده تقویت کننده مانند مدارهای قبلی است.
تقویت کننده صوتی فشاری
تقویت کننده فشار-کش با فرکانس پایین دو ترانزیستوری سیگنال صوتی ورودی را به دو نیم موج خارج از فاز تقسیم می کند که هر کدام توسط مرحله ترانزیستور خود تقویت می شوند. پس از انجام چنین تقویتی، نیمه امواج به یک سیگنال هارمونیک کامل ترکیب می شوند که به سیستم بلندگو منتقل می شود. چنین تبدیل فرکانس پایینسیگنال (شکاف و همجوشی مجدد) البته به دلیل تفاوت فرکانس و خواص دینامیکی دو ترانزیستور مدار باعث ایجاد اعوجاج غیرقابل برگشت در آن می شود. این اعوجاج کیفیت صدا را در خروجی تقویت کننده کاهش می دهد.
تقویت کننده های فشاری که در کلاس "A" کار می کنند سیگنال های صوتی پیچیده را به اندازه کافی بازتولید نمی کنند، زیرا یک جریان ثابت افزایش یافته دائماً در بازوهای آنها جریان دارد. این منجر به عدم تقارن امواج نیمه سیگنال، اعوجاج فاز و در نهایت به از دست دادن قابلیت درک صدا می شود. هنگام گرم شدن، دو ترانزیستور قدرتمند اعوجاج سیگنال را در فرکانس‌های پایین و فرکانس زیر پایین دو برابر می‌کنند. اما همچنان مزیت اصلی مدار فشار کش راندمان قابل قبول و افزایش توان خروجی آن است.
مدار تقویت کننده قدرت ترانزیستور فشاری در شکل نشان داده شده است.
این یک تقویت کننده کلاس "A" است، اما از کلاس "AB" و حتی "B" نیز می توان استفاده کرد.
تقویت کننده قدرت ترانزیستور بدون ترانسفورماتور
ترانسفورماتورها، با وجود پیشرفت در کوچک سازی، هنوز هم حجیم ترین، سنگین ترین و گران ترین ERE هستند. بنابراین، راهی برای حذف ترانسفورماتور از مدار فشار-کشش با اجرای آن بر روی دو ترانزیستور مکمل قدرتمند از انواع مختلف (n-p-n و p-n-p) پیدا شد. اکثر تقویت کننده های قدرت مدرن از این اصل استفاده می کنند و برای کار در کلاس "B" طراحی شده اند. مدار چنین تقویت کننده قدرتی در شکل زیر نشان داده شده است.
هر دو ترانزیستور آن بر اساس مدار جمع کننده مشترک (پیرو امیتر) متصل می شوند. بنابراین مدار ولتاژ ورودی را بدون تقویت به خروجی منتقل می کند. اگر سیگنال ورودی وجود نداشته باشد، هر دو ترانزیستور در مرز وضعیت روشن هستند، اما خاموش هستند.
هنگامی که یک سیگنال هارمونیک وارد می شود، نیمه موج مثبت آن TR1 را باز می کند، اما ترانزیستور p-n-p TR2 را در حالت قطع کامل قرار می دهد. بنابراین، تنها نیمه موج مثبت جریان تقویت شده از طریق بار عبور می کند. نیم موج منفی سیگنال ورودی فقط TR2 را باز می کند و TR1 را خاموش می کند، به طوری که نیمه موج منفی جریان تقویت شده به بار عرضه می شود. در نتیجه، یک سیگنال سینوسی با توان کامل (به دلیل تقویت جریان) به بار تحویل داده می شود.
تقویت کننده تک ترانزیستوری
برای جذب موارد فوق، ما یک تقویت کننده ترانزیستوری ساده را با دستان خود جمع می کنیم و نحوه عملکرد آن را مشخص می کنیم.
به عنوان بار یک ترانزیستور کم مصرف T از نوع BC107، هدفون را با مقاومت 2-3 کیلو اهم روشن می کنیم، ولتاژ بایاس را از یک مقاومت با مقاومت بالا R 1 به پایه اعمال می کنیم. MΩ، خازن الکترولیتی جداکننده C را با ظرفیت 10 μF تا 100 μF در مدار پایه T روشن می کنیم. مدار را از باتری 4.5 ولت / 0.3 آمپر تغذیه می کنیم.
اگر مقاومت R متصل نباشد، نه جریان پایه Ib وجود دارد و نه جریان کلکتور Ic. اگر مقاومت متصل باشد، ولتاژ در پایه به 0.7 ولت افزایش می یابد و جریان Ib \u003d 4 μA از آن عبور می کند. ضریببهره جریان ترانزیستور 250 است که Ic=250Ib=1 mA را می دهد.
پس از مونتاژ یک تقویت کننده ترانزیستوری ساده با دستان خود، اکنون می توانیم آن را آزمایش کنیم. هدفون را وصل کرده و انگشت خود را روی نقطه 1 نمودار قرار دهید. صدایی خواهید شنید. بدن شما تابش برق را با فرکانس 50 هرتز درک می کند. صدایی که از هدفون می شنوید این تشعشع است که فقط توسط ترانزیستور تقویت می شود. اجازه دهید این فرآیند را با جزئیات بیشتری توضیح دهیم. یک ولتاژ AC 50 هرتز از طریق خازن C به پایه ترانزیستور متصل می شود. ولتاژ در پایه اکنون برابر است با مجموع ولتاژ بایاس DC (تقریبا 0.7 ولت) که از مقاومت R و ولتاژ انگشت AC می آید. در نتیجه جریان کلکتور یک جزء متناوب با فرکانس 50 هرتز دریافت می کند. این جریان متناوب برای حرکت غشای بلندگوها به جلو و عقب با فرکانس یکسان استفاده می شود، به این معنی که می توانیم صدای 50 هرتز را در خروجی بشنویم.
شنیدن سطح نویز 50 هرتز چندان جالب نیست، بنابراین می توانید منابع فرکانس پایین (پخش کننده سی دی یا میکروفون) را به نقاط 1 و 2 وصل کنید و گفتار یا موسیقی تقویت شده را بشنوید.
