Усилитель на базе транзистора: Как работает усилитель звуковой частоты / Хабр

Содержание

Усилители с общей базой и общим коллектором

Усилитель с общей базой

На рис. 24.1 показан усилитель, где транзистор включен по схеме с общей базой (ОБ). Необходимое смещение создают два отдельных источника питания. Разделительный конденсатор С1 обеспечивает передачу пере­менного входного сигнала на эмиттер транзистора (входное напряжение прикладывается между эмиттером и базой). Выходной сигнал снимается с нагрузочного резистора R4.

На рис. 24.2 приведена практическая схема усилителя промежуточной частоты с одним источником питания. Нагрузкой усилителя являет­ся резонансный контур С3L1 с трансформаторной связью. С1 – входной разделительный конденсатор, резисторы R1 и R2 образуют цепь смещения по постоянному току, R3 — эмиттерный резистор. Развязывающий конденсатор С2 обеспечивает сохранение на базе транзистора нулевого потенциала по переменному току. В данном случае развязывающий конденсатор присоединен к положительной шине источника питания, а не с шасси. Это допустимо, поскольку по переменному току (то есть для переменного сигнала) потенциал этой шины равен нулю. Потенциалы положительной шины источника питания и шасси отличаются только по постоянному току.

Усилитель с ОБ имеет низкое входное сопротивление (50-100 Ом) и низкий коэффициент усиления по сравнению с усилителем по схеме с ОЭ. Преимущество этого усилителя – хорошие частотные характеристики (широкая полоса пропускания). Поэтому усилители с ОБ используют­ся при очень высоких частотах, например в качестве усилителей РЧ в радиоприемниках и телевизорах, усилителей ПЧ в ЧМ-приемниках и т. д.

Рис. 24.1. Усилитель с ОБ. Источники питания Е1 и Е2 задают режим усилителя по постоянному току.

 

Рис. 24.2. ТипичныйУПЧ по схеме с ОБ. 

Фазовые соотношения

При уменьшении входного сигнала потенциал эмиттера уменьшается от­носительно потенциала базы, ток Ic увеличивается и увеличивает падение напряжения на коллекторном резисторе. В результате уменьшается вы­ходное напряжение. Таким образом, усилитель с ОБ не изменяет фазу входного сигнала при его усилении.

Усилитель с общим коллектором

На рис. 24.3(а) показан усилитель, где транзистор включен по схеме с об­щим коллектором. Здесь С1 и С2 входной и выходной разделительные конденсаторы, резисторы R1 и R2 образуют цепь смещения по постоянно­му току. Коллекторный резистор отсутствует, так как выходной сигнал снимается с эмиттера. На рис. 24.3(б) представлен обычный способ изображения схемы усилителя с ОК. Выходной сигнал действует на эмиттерном резисторе

R3, и поэтому данная схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерный повторитель имеет высокий коэффициент усиления по току и меньший единицы коэффициент усиления по напря­жению. Такое значение коэффициента усиления по напряжению связано с действием 100 %-ной отрицательной обратной связи через резистор R3.

Фазовые соотношения

При увеличении входного сигнала потенциал базы увеличивается отно­сительно потенциала эмиттера, т. е. увеличивается напряжение VBE, и соответственно увеличивается падение напряжения на эмиттерном рези­сторе, являющегося выходным напряжением. Таким образом, усилитель с ОК не изменяет фазу входного сигнала при его усилении.

 

Рис. 24.3. Эмиттерный повторитель, или усилитель с ОК, (а)

и стандартное изображение его схемы (б).

Таблица 24.1. Сравнение усилителей с ОЭ, ОБ и ОК

Конфигу­рация

Входное сопротивление

Выходное сопротивление

Инвертиро­вание фазы

Преимущества

ОЭ

1-2 кОм

10-50 кОм

Да

Высокое усиление по току и мощности

ОБ

Очень низкое

Очень высокое

Нет

Хорошие частотные характеристики

ОК

Очень высокое

Очень низкое

Нет

Низкое выходное сопротивление, высокий коэффициент усиления по току

 

Добавить комментарий

Усилители переменного тока низкой частоты. Однотактный усилитель с МДП-транзистором. Промежуточные классы работы

Предлагаемый вашему драгоценному вниманию усилитель прост в сборке, ужасно прост в настройке (он её фактически не требует), не содержит особо дефицитных компонентов и при всем при этом имеет весьма недурные характеристики и запросто тянет на так называемый hi-fi, столь нежно любимый большинством граждан. Усилитель может работать на нагрузку 4 и 8 Ом, может быть использован в мостовом включении на нагрузку 8 Ом, при этом он отдаст в нагрузку 200 Вт.

Основные характеристики:

Напряжение питания, В………………………………………………………. ±35
Потребляемый ток в режиме молчания, мА………………………….. 100
Входное сопротивление, кОм………………………………………………… 24
Чувствительность (100 Вт, 8 Ом), В………………………………………. 1,2
Выходная мощность (КГ=0,04%), Вт………………………………………. 80
Диапазон воспроизводимых частот, Гц……………………….. 10 — 30000
Отношение сигнал/шум (не взвешенное), дБ………………………… -73

Усилитель полностью на дискретных элементах, без всяких ОУ и прочих хитростей. При работе на нагрузку 4 Ома и питании 35 В усилитель развивает мощность до 100 Вт. Если есть потребность подключить нагрузку 8 Ом питание можно увеличить до +/-42 В, в этом случае, мы получим те же самые 100 Вт. Очень сильно не рекомендуется увеличивать напряжение питания более 42 В, иначе можно остаться без выходных транзисторов. При работе в мостовом режиме должна использоваться 8-ми омная нагрузка, иначе, опять-таки, лишаемся всякой надежды на выживание выходных транзисторов. Кстати, надо учесть, что защиты от КЗ в нагрузке не предусмотрено, так что надо быть поосторожней. Для использования усилителя в мостовом режиме необходимо вход МТ прикрутить к выходу другого усилителя, на вход которого и подается сигнал. Оставшийся вход замыкается на общий провод. Резистор R11 служит для установки тока покоя выходных транзисторов. Конденсатор C4 определяет верхнюю границу усиления и уменьшать его не стоит — получите самовозбуждение на высоких частотах.
Все резисторы — 0,25 Вт за исключением R18, R12, R13, R16, R17. Первые три — 0,5 Вт, последние два — по 5 Вт. Светодиод HL1 служит не для красоты, поэтому не надо втыкать в схему сверхъяркий диод и выводить его на переднюю панель. Диод должен быть самый обычный зелёного цвета — это важно, поскольку светодиоды других цветов имеют другое падение напряжения. Если вдруг кому-то не повезло и он не смог достать выходные транзисторы MJL4281 и MJL4302, их можно заменить на MJL21193 и MJL21194 соответственно. Переменный резистор R11 лучше всего взять многооборотный, хотя подойдет и обычный. Ничего критичного тут нет — просто удобнее устанавливать ток покоя.

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.

Уверен, многие из вас недовольны хрипами и искажениями от не серьёзных китайских компьютерных колонок. Я пробовал подключать несколько вариантов такой акустики к компьютеру, но ни один из них меня не устроил ни по качеству звука, ни по функциональности, а главное — по убогому дизайну. Поэтому пришлось попробовать сделать что нибудь путёвое самому. Тем более современные микросхемы позволяют спаять действительно неплохие по своим характеристикам УНЧ буквально за вечер. Вся электронная мелочь нашлась дома, покупались только микросхемы усилителей и выключатели с разъёмами для наушников.

Мощный усилитель 2х25 Ватт, сделан на микросхеме TDA7265 — это основной УНЧ. Подробное описание микросхемы скачайте здесь.


Это небольшой, относительно маломощный УНЧ для наушников 2х5 Ватт. Превосходства его конечно очевидны хотя бы уже в показателях выходной мощности. Но я его делал не только для ушей, а больше по удобству эксплуатации. Ведь чтоб подключить наушники с толстым штекером Jack 6,3 мм, возникнет много трудностей с переходниками, не говоря о том, что они не могут в полной мере и с приличным качеством прокачаться слабым усилителем.


Чаще всего внешний вид у покупных китайских колоночек оставляет желать лучшего и их хочется просто убрать под стол, чтобы их не видеть. Но тогда будет неудобно их включать. Данный же усилитель собраный своими руками и на свой вкус, будет находиться на видном удобном месте стола, являясь его своеобразным украшением, поэтому все гнёзда, регуляторы и кнопки УНЧ будут под рукой. Подсветка при желании отключается кнопкой на задней стенке УНЧ, чтоб не мешать пользоваться компьютером в темноте, но после следующего включения усилителя она автоматически включается опять.


Корпус для УНЧ был сделан из ДСП, после чего тщательно зачищен и покрашен в серьёзный чёрный цвет.

Индикатор хотелось сделать похожим на индикаторы знаменитых фирменных усилителей.


Регулятор сделан классический — большой круглый, и уж ни в коем случае не кнопочный. Чтобы при вращении чувствовалось что это вещь, а не какое нибудь игрушечное дешёвое барахло. На энкодере регулировка у меня отпала сама собой, нужна была подсветка положения на ручке, а бесконечно вращать с проводом её не получится. Поэтому решил сделать регулятор на переменном резисторе.


Опоры для самодельного УНЧ решено сделать в классическом стиле дизайна радиоаппаратуры — никелированные, но с небольшой изюминкой в стиле хай тек. У основания ножек используется голубая подсветка. Как видно из фотографий, это реализовано с помощью залитых синих светодиодов в основании ножек.


На передней панели УНЧ находятся: выключатель сети, выключатель АС, сигнал на наушники постоянный независимый от того включены колонки, или нет — это тоже часть задуманного плана. Сейчас не найдёшь усилителя с такой схемой, даже серьёзные дорогие усилители делают по принципу «воткнул наушники и нет сигнала на АС», а раньше все усилки делались именно по такой схеме. Для меня такая схема распределения сигналов очень актуальна.

В этой статье мы поговорим об усилителях. Они же УНЧ (усилители низкой частоты), они же УМЗЧ (усилители мощности звуковой частоты). Эти устройства могут быть выполнены как на транзисторах, так и на микросхемах. Хотя некоторые радиолюбители, отдавая дань моде на винтаж, делают их по старинке — на лампах. Здесь советуем посмотреть . Особое внимание начинающих хочу обратить на микросхемы автомобильных усилителей с 12-ти вольтовым питанием. Используя их можно получить довольно качественный звук на выходе, причем для сборки практически достаточно знаний школьного курса физики. Порой из обвеса, или говоря другими словами, тех деталей на схеме, без которых микросхема не будет работать, на схеме бывает буквально 5 штук. Одна из подобных, усилитель на микросхеме TDA1557Q приведена на рисунке:

Такой усилитель в свое время был собран мною, пользуюсь уже несколько лет им вместе с советской акустикой 8 Ом 8 Вт, совместно с компьютером. Качество звучания намного выше, чем у китайских пластмассовых колонок. Правда, чтобы почувствовать существенную разницу, мне пришлось купить звуковую карту creative, на встроенном звуке разница была незначительная.

Усилитель можно собрать навесным монтажом

Также усилитель можно собрать навесным монтажом, прямо на выводах деталей, но я бы не советовал собирать этим методом. Лучше потратить немного больше времени, найти разведенную печатную плату (или развести самому), перенести рисунок на текстолит, протравить его и получить в итоге усилитель, который будет работать много лет. Обо всех эти технологиях многократно рассказано в интернете, поэтому более подробно останавливаться на них не буду.

Усилитель прикрепленный к радиатору

Сразу скажу, что микросхемы усилителей при работе сильно нагреваются и их необходимо крепить, нанеся термопасту на радиатор. Тем же, кто хочет просто собрать один усилитель и нет времени или желания изучать программы по разводке печатных плат, технологии ЛУТ и травление, могу предложить использовать специальные макетные платы с отверстиями под пайку. Одна из них изображена на фото ниже:

Как видно на фото, соединения осуществляются не дорожками на печатной плате, как в случае с печатным монтажом, а гибкими проводками, подпаиваемыми к контактам на плате. Единственной проблемой при сборке таких усилителей, является источник питания, выдающий напряжение 12-16 вольт, при токе потребления усилителем до 5 ампер. Разумеется, такой трансформатор (на 5 ампер) будет иметь немаленькие размеры, поэтому некоторые пользуются импульсными источниками питания.

Трансформатор для усилителя — фото

У многих, думаю, дома есть блоки питания компьютеров, которые сейчас морально устарели, и больше не используются в составе системных блоков, так вот такие блоки питания способны выдавать по цепям +12 вольт, токи намного большие чем 4 ампера. Конечно, такое питание среди ценителей звучания считается худшим, чем стандартное трансформаторное, но я подключал импульсный блок питания для питания своего усилителя, после сменил его на трансформаторный — разница в звучании можно сказать незаметна.

После выхода с трансформатора, разумеется, нужно поставить для выпрямления тока диодный мост, который должен быть рассчитан на работу с большими токами, потребляемыми усилителем.

После диодного моста идет фильтр на электролитическом конденсаторе, который должен быть рассчитан на заметно большее напряжение, чем у нас в схеме. Например, если у нас в схеме питание 16 вольт, конденсатор должен быть на 25 вольт. Причем этот конденсатор должен быть как можно большей емкости, у меня стоят подключенные параллельно 2 конденсатора по 2200 мкф, и это не предел. Параллельно питанию (шунтируем) нужно подключить керамический конденсатор емкостью 100 нф. У усилителя на входе ставят пленочные разделительные конденсаторы емкостью от 0,22 до 1 мкф.

Пленочные конденсаторы

Подключение сигнала к усилителю, с целью снизить уровень наводимых помех, должно осуществляться экранированным кабелем, для этих целей удобно пользоваться кабелем Джек 3.5 — 2 Тюльпана, с соответствующими гнездами на усилителе.

Кабель джек 3.5 — 2 тюльпана

Регулировку уровня сигнала (громкости на усилителе) осуществляют с помощью потенциометра, если усилитель стерео, то сдвоенного. Схема подключения переменного резистора показана на рисунке ниже:

Разумеется усилители могут быть выполнены и на транзисторах, при этом питание, подключение и регулировка громкости в них применяются точно так же, как и в усилителях на микросхемах. Рассмотрим, к примеру, схему усилителя на одном транзисторе:

Здесь также стоит разделительный конденсатор, и минус сигнала соединяется с минусом питания. Ниже приведена схема двухтактного усилителя мощности на двух транзисторах:

Следующая схема также на двух транзисторах, но собранная из двух каскадов. Действительно, если присмотреться, она состоит как-бы из 2 почти одинаковых частей. В первый каскад у нас входят: С1, R1, R2, V1. Во второй каскад C2, R3, V2, и нагрузка наушники В1.

Двухкаскадный усилитель на транзисторах — схема

Если же мы хотим сделать стерео усилитель, нам нужно будет собрать два одинаковых канала. Точно также мы можем, собрав две схемы любого моно усилителя, превратить его в стерео. Ниже приведена схема трехкаскадного усилителя мощности на транзисторах:

Трехкаскадный усилитель на транзисторах — схема

Схемы усилителей также различаются по напряжению питания, некоторым достаточно для работы 3-5 вольт, другим необходимо 20 и выше. Для работы некоторых усилителей требуется двуполярное питание. Ниже приведены 2 схемы усилителя на микросхеме TDA2822 , первая стерео подключение:

На схеме в виде резисторов RL обозначены подключения динамиков. Усилитель нормально работает от напряжения в 4 вольта. На следующем рисунке изображена схема мостового включения, в ней используется один динамик, зато она выдает большую мощность, чем в стерео варианте:

На следующем рисунке изображены схемы усилителя на , обе схемы взяты из даташита. Питание 18 вольт, мощность 14 Ватт:

Акустика, подключаемая к усилителю, может иметь разное сопротивление, чаще всего это 4-8 Ом, иногда встречаются динамики с сопротивлением 16 Ом. Узнать сопротивление динамика, можно перевернув его тыльной стороной к себе, там обычно пишется номинальная мощность и сопротивление динамика. В нашем случае это 8 Ом, 15 Ватт.

Если же динамик находится внутри колонки и посмотреть, что на нем написано, нет возможности, тогда динамик можно прозвонить тестером в режиме омметра выбрав предел измерения 200 Ом.

Динамики имеют полярность. Кабеля, которыми акустика подключается, обычно имеют пометку красным цветом, для провода который соединен с плюсом динамика.

Если провода не имеют пометок, проверить правильность подключения можно, соединив батарейку плюс с плюсом, минус с минусом динамика (условно), если диффузор динамика выдвинется наружу — то мы угадали с полярностью. Больше различных схем УНЧ, в том числе ламповых, можно посмотреть в . Там собрана, думаем, самая большая подборка схем в интернете.

Большинство современных транзисторных усилителей звуковой частоты построены по традиционной схеме: за входным дифференциальным каскадом следует усилитель напряжения и выходной двухтактный бестрансформаторный каскад с последовательным питанием транзисторов по постоянному току, двуполярным источником питания и непосредственным, без переходного конденсатора, подключением нагрузки (рис. 1).

На первый взгляд, все это традиционно и хорошо известно. Однако каждый усилитель звучит по-своему. В чем же дело? А дело все в схемотехнических решениях отдельных каскадов, качестве применяемой элементарной базы, выборе режимов активных элементов, конструктивных решениях аппаратов. Но все по порядку.

Входной каскад

Хорошо известный дифференциальный каскад на самом деле не так прост, как кажется на первый взгляд. От его качества во многом зависят такие параметры усилителя, как отношение сигнал/шум и скорость нарастания выходного напряжения, а также напряжение смещения “нуля” и температурная стабильность усилителя.

Отсюда первый вывод: переход от неинвертирующего включения к инвертирующему существенно повышает качество звучания усилителя. Осуществить такой переход на практике в готовом устройстве довольно легко. Для этого достаточно подать сигнал с входных разъемов на конденсатор С2, предварительно отсоединив его от шины нулевого потенциала усилителя, и удалить конденсатор С1.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя практически равно сопротивлению резистора R2. Это намного меньше, чем входное сопротивление неинвертирующего усилителя, которое определяется резистором R1. Поэтому чтобы сохранить неизменной АЧХ в области низких частот, в ряде случаев требуется увеличить емкость конденсатора С2, которая должна быть во столько раз больше емкости конденсатора С1, во сколько сопротивление резистора R1 больше сопротивления резистора R2. Кроме того, для сохранения неизменным коэффициента усиления всего устройства придется подобрать резистор R3 в цепи ООС, т.к. коэффициент усиления инвертирующего усилителя К = R3/R2, а неинвертирующего К = 1 + R3/R2. При этом для минимизации напряжения смещения нуля на выходе резистор R1 необходимо подобрать с тем же сопротивлением, что у вновь установленного резистора R3.

Если все же необходимо сохранить неинвертирующее включение первого каскада, но при этом устранить влияние синфазных искажений, следует повысить выходное сопротивление источника тока, заменив резистор R7 в эмиттерных цепях дифференциального каскада на транзисторный источник стабильного тока (рис. 4). Если такой источник в усилителе уже имеется, повысить его выходное сопротивление можно, увеличив номинал резистора R14 в эмиттере транзистора VT8. При этом для сохранения неизменной величины тока через этот транзистор следует увеличить опорное напряжение на его базе, например, заменив стабилитрон VD1 на другой, с более высоким напряжением стабилизации.

Весьма эффективным путем снижения искажений усилителя является использование в дифференциальном каскаде однотипных транзисторов, предварительно подобранных по статическому коэффициенту усиления и напряжению база – эмиттер.

Такой способ неприемлем при серийном производстве усилителей, но вполне подходит при модернизации единичных экземпляров готовых устройств. Отличные результаты дает установка в дифференциальном каскаде транзисторной сборки из двух транзисторов, выполненных в едином технологическом процессе на одном кристалле и поэтому имеющих близкие значения вышеуказанных параметров.

Снижению искажений способствует также введение в первый каскад усилителя местной отрицательной обратной связи по току посредством установки в цепях эмиттеров транзисторов VT1, VT2 резисторов с сопротивлением до 100 Ом (R9, R10). При этом может потребоваться некоторая корректировка сопротивления резистора R3 в цепи ООС.

Разумеется, этим не исчерпываются все способы модернизации входного дифференциального каскада. Возможна также установка вместо однотранзисторного двухтранзисторного источника тока с рекордными показателями выходного сопротивления, введение так называемого токового зеркала в усилителях с несимметричным съемом сигнала с первого каскада на каскад усиления напряжения, включение каждого из транзисторов по каскодной схеме и т.д. Однако такие переделки трудоемки и не всегда конструкция усилителя позволяет их выполнить.

Выходной каскад

Выходной каскад является основным источником искажений в любом усилителе мощности. Его задачей является формирование неискаженного сигнала требуемой амплитуды в рабочем диапазоне частот на низкоомной нагрузке.

Рассмотрим традиционный каскад на комплементарных парах биполярных транзисторов, включенных по схеме двухтактного эмиттерного повторителя. У биполярных транзисторов существует емкость p-n-перехода эмиттер– база, которая может достигать величины десятых и сотых долей микрофарады. Величина этой емкости влияет на граничную частоту транзисторов. При подаче на вход каскада положительной полуволны сигнала работает верхнее плечо двухтактного каскада (VT4, VT6). Транзистор VТ4 включен по схеме с общим коллектором и имеет малое выходное сопротивление, поэтому протекающий через него ток быстро заряжает входную емкость транзистора VT6 и открывает его. После изменения полярности входного напряжения включается нижнее плечо выходного каскада, а верхнее выключается. Транзистор VТ6 закрывается. Но чтобы полностью закрыть транзистор, необходимо разрядить его входную емкость. Разряжается она, в основном, через резисторы R5 и R6, причем относительно медленно. К моменту включения нижнего плеча выходного каскада полностью разрядиться эта емкость не успевает, поэтому транзистор VТ6 полностью не закрывается, и через транзистор VТ7, помимо своего, протекает коллекторный ток транзистора VТ6. В результате из-за возникновения сквозного тока на высоких частотах при большой скорости переключения не только повышается рассеиваемая транзисторами мощность и падает КПД, но и растут искажения сигнала. Простейший способ устранения описанного недостатка – уменьшение сопротивления резисторов R5 и R6. Однако при этом возрастает мощность, рассеиваемая на транзисторах VТ4 и VТ5. Более рациональный способ уменьшить искажения – изменить схему выходного каскада усилителя таким образом, чтобы форсировать рассасывание избыточного заряда (рис. 5). Этого можно добиться с помощью подключения резистора R5 к эмиттеру транзистора VТ5.

В случае высокого выходного сопротивления предоконечного каскада избыточный заряд может накапливаться и на базах транзисторов VT4 и VT5. Для устранения этого явления необходимо соединить базы этих транзисторов с точкой нулевого потенциала усилителя через резисторы R11 и R12 с номиналами 10…24 кОм.

Описанные меры достаточно эффективны. По сравнению с типовым включением, скорость убывания коллекторного тока в выходном каскаде после описанных переделок оказывается приблизительно в четыре раза больше, а искажение на частоте 20 кГц – примерно втрое меньше.

Очень важное значение с точки зрения вносимых искажений имеет предельная граничная частота используемых транзисторов, а также зависимость их статического коэффициента усиления по току и граничной частоты от тока эмиттера. Поэтому дальнейшего улучшения качественных показателей усилителей с выходным каскадом на биполярных транзисторах можно достичь путем замены выходных транзисторов на более высокочастотные с меньшей зависимостью коэффициента усиления от тока эмиттера. В качестве таких транзисторов можно порекомендовать комплементарные пары 2SA1302 и 2SC3281; 2SA1215 и 2SC2921; 2SA1216 и 2SC2922. Все транзисторы производства фирмы Toshiba в корпусах ТО-247.

В значительной степени на качество звучания усилителя влияет его способность работать на низкоомную нагрузку, т.е. отдавать в нагрузку максимальный ток сигнала без искажений.

Известно, что любая акустическая система (сокращенно АС) характеризуется модулем выходного комплексного сопротивления Z. Обычно величина этого сопротивления указывается в паспортах серийных АС бытового назначения и составляет 4 или 8 Ом. Однако это верно только на какой-то одной частоте, обычно на 1 кГц. В диапазоне же рабочих частот модуль комплексного сопротивления изменяется в несколько раз и может уменьшаться до 1…2 Ом. Другими словами, для непериодических импульсных сигналов с широким спектром, к которым относится музыкальный сигнал, АС представляет для усилителя низкоомную нагрузку, с которой многие из серийных усилителей просто не справляются.

Поэтому наиболее эффективным способом улучшения качественных показателей выходного каскада при работе на реальную комплексную нагрузку является увеличение количества транзисторов в плечах двухтактного усилителя. Это позволяет не только повысить надежность усилителя, так как расширяется область безопасной работы каждого транзистора, но, самое главное, снизить искажения за счет перераспределения коллекторных токов между транзисторами. В этом случае сужается диапазон изменения тока коллектора и, соответственно, коэффициента усиления, что приводит к уменьшению искажений на низкоомной нагрузке, разумеется, при соблюдении определенных требований к источнику питания.

Совсем радикальным способом, позволяющим коренным образом улучшить звучание усилителя, является замена биполярных транзисторов в выходном каскаде на полевые с изолированным затвором (MOSFET).

По сравнению с биполярными MOSFET выгодно отличаются лучшей линейностью проходных характеристик и существенно более высоким быстродействием, т.е. лучшими частотными свойствами. Эти особенности полевых транзисторов в случае их применения позволяют относительно простыми средствами доводить параметры и качество звучания модернизируемого усилителя до самого высокого уровня, что неоднократно подтверждено на практике. Улучшению линейности выходного каскада способствует и такая особенность полевых транзисторов, как высокое входное сопротивление, что позволяет обойтись без предоконечного каскада, выполняемого обычно по схеме Дарлингтона, и дополнительно снизить искажения, сократив путь сигнала.

Отсутствие явления вторичного теплового пробоя у полевых транзисторов расширяет область безопасной работы выходного каскада и тем самым позволяет повысить надежность работы усилителя в целом, а также в некоторых случаях упростить цепи температурной стабилизации тока покоя.

И последнее. Для повышения надежности усилителя не лишним будет установка защитных стабилитронов VD3, VD4 с напряжением стабилизации 10…15 В в цепи затворов транзисторов. Эти стабилитроны будут защищать от пробоя затвор, величина обратного пробивного напряжения которого обычно не превышает 20 В.

При анализе цепей установки начального смещения выходного каскада любого усилителя следует обратить внимание на два момента.

Первый момент связан с тем, какой начальный ток покоя установлен. Многие зарубежные производители устанавливают его в пределах 20…30 мА, что явно недостаточно с точки зрения высококачественного звучания на малых уровнях громкости. Хотя видимые искажения типа “ступенька” в выходном сигнале отсутствуют, недостаточная величина тока покоя приводит к ухудшению частотных свойств транзисторов, и как следствие, к неразборчивому, “грязному” звучанию на малых уровнях громкости, “замазыванию” мелких деталей. Оптимальной величиной тока покоя следует считать 50…100 мA. Если в усилителе установлено несколько транзисторов в плече, то эта величина относится к каждому транзистору. В подавляющем большинстве случаев площадь радиаторов усилителя позволяет долговременно отводить от выходных транзисторов тепло при рекомендованной величине тока покоя.

Второй, очень важный момент состоит в том, что нередко применяемый в классической схеме установки и термостабилизации тока покоя высокочастотный транзистор возбуждается на высоких частотах, причем его возбуждение очень сложно обнаружить. Поэтому желательно использовать вместо него низкочастотный транзистор с f т В любом случае замена этого транзистора на низкочастотный гарантирует от неприятностей. Устранить динамическое изменение напряжения помогает и включение между коллектором и базой конденсатора С4 емкостью до 0,1 мкФ.

Частотная коррекция усилителей мощности

Важнейшим условием обеспечения высококачественного звуковоспроизведения является снижение до возможного минимума динамических искажений транзисторного усилителя. В усилителях с глубокой ООС этого можно достичь, уделив серьезное внимание частотной коррекции. Как известно, реальный звуковой сигнал имеет импульсный характер, поэтому достаточное для практических целей представление о динамических свойствах усилителя можно получить по его реакции на скачок входного напряжения, которое, в свою очередь, зависит от переходной характеристики. Последняя может быть описана с помощью коэффициента затухания. Переходные характеристики усилителей при различных значениях этого коэффициента приведены на рис. 7.

По величине первого выброса выходного напряжения U вых = f(t) можно сделать однозначный вывод об относительной устойчивости усилителя. Как видно из приведенных на рис. 7 характеристик, этот выброс максимален при малых коэффициентах затухания. Такой усилитель обладает малым запасом устойчивости и при прочих равных условиях имеет большие динамические искажения, которые проявляют себя в виде «грязного», «непрозрачного» звучания, особенно на высоких частотах слышимого звукового диапазона.

С точки зрения минимизации динамических искажений, наиболее удачен усилитель с апериодической переходной характеристикой (коэффициент затухания менее 1). Однако реализовать на практике такой усилитель технически очень сложно. Поэтому большинство фирм-производителей идут на компромисс, обеспечивая более низкий коэффициент затухания.

На практике оптимизация частотной коррекции осуществляется следующим образом. Подав с генератора импульсов на вход усилителя сигнал типа «меандр» частотой 1 кГц и наблюдая переходный процесс на выходе с помощью осциллографа, подбором емкости корректирующего конденсатора добиваются формы выходного сигнала, наиболее приближенной к прямоугольной.

Влияние конструкции усилителя на качество звука

В хорошо спроектированных усилителях, с тщательно проработанной схемотехникой и режимами работы активных элементов, к сожалению, далеко не всегда продуманы вопросы конструктивного исполнения. Это приводит к тому, что искажения сигнала, вызванные монтажными наводками от токов выходного каскада на входные цепи усилителя, вносят заметный вклад в общий уровень искажений всего устройства. Опасность таких наводок состоит в том, что формы токов, проходящих по цепям питания плеч двухтактного выходного каскада, работающего в режиме класса АВ, сильно отличаются от форм токов в нагрузке.

Второй конструктивной причиной повышенных искажений усилителя является неудачная разводка «земляных» шин на печатной плате. Из-за недостаточного сечения на шинах происходит заметное падение напряжения, создаваемое токами в цепях питания выходного каскада. В результате потенциалы «земли» входного каскада и «земли» выходного каскада становятся различными. Происходит так называемое искажение «опорного потенциала» усилителя. Эта постоянно изменяющаяся разность потенциалов добавляется на входе к напряжению полезного сигнала и усиливается последующими каскадами усилителя, что равноценно наличию помехи и приводит к росту гармонических и интермодуляционных искажений.

Для борьбы с такой помехой в готовом усилителе необходимо проводами достаточно большого сечения соединить в одной точке (звездой) шины нулевого потенциала входного каскада, нулевого потенциала нагрузки и нулевого потенциала источника питания. Но наиболее радикальным способом устранения искажения опорного потенциала является гальваническая развязка общего провода входного каскада усилителя от мощной шины питания. Такое решение возможно в усилителе с дифференциальным входным каскадом. С общим проводом источника сигнала (левым на схеме на рис. соединены лишь выводы резисторов R1 и R2. Все остальные проводники, соединенные с общим проводом, подключены к мощной шине источника питания, правой на схеме. Однако в этом случае отключение по каким-либо причинам источника сигнала может привести к выходу усилителя из строя, так как левая «земляная» шина оказывается ни к чему не подключенной и состояние выходного каскада становится непредсказуемым. Во избежание аварийной ситуации обе «земляные» шины соединяют между собой резистором R4. Его сопротивление должно бить не очень маленьким, чтобы помехи от мощной шины питания не могли попасть на вход усилителя, и в то же время не слишком большим, чтобы не влиять на глубину ООС. На практике сопротивление резистора R4 составляет около 10 Ом.

Энергоемкость источника питания

В подавляющем большинстве промышленных усилителей емкость накопительных (фильтрующих) конденсаторов блока питания явно недостаточна, что объясняется исключительно экономическими причинами, т.к. электрические конденсаторы больших номиналов (от 10 000 мкФ и более) – явно не самые дешевые компоненты. Недостаточная емкость фильтрующих конденсаторов приводит к «зажатости» динамики усилителя и повышению уровня фона, т.е. к ухудшению качества звучания. Практический опыт автора в области модернизации большого числа различных усилителей свидетельствует о том, что «настоящий звук» начинается при энергоемкости источника питания не менее 75 Дж на канал. Для обеспечения такой энергоемкости требуется суммарная емкость фильтрующих конденсаторов не менее 45 000 мкФ при напряжении питания 40 В на одно плечо (Е = CU 2 /2).

Качество элементной базы

Далеко не последнюю роль в обеспечении высокого качества звучания усилителей играет качество элементной базы, причем главным образом пассивных компонентов, т.е. резисторов и конденсаторов, а также монтажных проводов.

И если большинство производителей применяет в своих изделиях постоянные углеродистые и металлопленочные резисторы достаточно высокого качества, то этого нельзя сказать в отношении постоянных конденсаторов. Стремление сэкономить на себестоимости продукции часто приводит к плачевным результатам. В тех цепях, где необходимо использовать высококачественные пленочные полистироловые или полипропиленовые конденсаторы с малыми диэлектрическими потерями и низким коэффициентом диэлектрической абсорбции, зачастую установлены грошовые оксидные конденсаторы или, что несколько лучше, конденсаторы с диэлектриком из лавсановой (полиэтилентерафталат) пленки. Из-за этого даже грамотно спроектированные усилители звучат «неразборчиво», «мутно». При воспроизведении музыкальных фрагментов отсутствуют детали звучания, нарушен тональный баланс, явно не хватает скорости, что проявляется в вялой атаке звучания музыкальных инструментов. При этом страдают и другие аспекты звука. В целом звучание оставляет желать лучшего.

Поэтому при модернизации действительно высококачественных усилительных устройств необходимо заменить все низкокачественные конденсаторы. Хорошие результаты дает применение конденсаторов фирм Siemens, Philips, Wima. При доводке дорогих аппаратов высокого класса лучше всего использовать конденсаторы американской компании Reelcup типов PPFX, PPFX-S, RTX (типы указаны в порядке возрастания стоимости).

И в последнюю очередь следует обратить внимание на качество диодов выпрямителя и монтажных проводов.

Повсеместно применяемые в блоках питания усилителей мощные выпрямительные диоды и выпрямительные мосты обладают низким быстродействием из-за наличия эффекта рассасывания неосновных носителей заряда в p-n-переходе. В результате при смене полярности подводимого к выпрямителю переменного напряжения промышленной частоты находящиеся в открытом состоянии диоды закрываются с некоторой задержкой, что в свою очередь приводит к появлению мощной импульсной помехи. Помеха проникает по цепям питания в звуковой тракт и ухудшает качество звучания. Для борьбы с этим явлением необходимо применять быстродействующие импульсные диоды, а еще лучше диоды Шоттки, в которых эффект рассасывания неосновных носителей заряда отсутствует. Из доступных можно рекомендовать диоды фирмы International Rectifier. Что касается монтажных проводов, то лучше всего заменить, имеющиеся обычные монтажные провода на кабели большого сечения из бескислородной меди. Прежде всего следует заменить провода, передающие усиленный сигнал к выходным клеммам усилителя, провода в цепях питания, а также по мере необходимости проводку от входных гнезд до входа первого усилительного каскада.

Конкретные рекомендации по маркам кабелей дать затруднительно. Все зависит от вкуса и финансовых возможностей владельца усилителя. Из известных и доступных на нашем рынке можно рекомендовать кабели фирм Kimber Kable, XLO, Audioquest.

На каких транзисторах можно сделать усилитель звука

Если громкость звука не самое важное, а предпочтение отдается качеству звучания, то этот УМЗЧ будет как раз кстати. Да объективные характеристики весьма не плохи:. Предварительная часть усилителя мощности низкой частоты выполнена на операционном усилителе А1. Сигнал с его выхода поступает на выходной двухтактный каскад на противоположных полевых транзисторах с изолированным затвором — 2SK n-канал и 2SJ р-канал. Коэффициент усиления по напряжению зависит от соотношения сопротивлений резисторов R1 и R4. Изменяя сопротивление R1 можно в достаточно широких пределах регулировать чувствительность этого УМЗЧ, приспособляя его под выходные параметры имеющегося предварительного УЗЧ.


Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам. ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Как сделать простейший усилитель на одном транзисторе / A simple amplifier with one transistor

Усилитель своими руками


Схема простого усилителя звука на транзисторах , которая реализована на двух мощных составных транзисторах TIPTIP установленных в выходном каскаде, двух маломощных BCB в дифференциальном тракте и один BDC в цепи предварительного усиления сигнала — всего пять транзисторов на всю схему!

Такая конструкция УМЗЧ свободно может быть использована например в составе домашнего музыкального центра или для раскачки сабвуфера установленного в автомобиле, на дискотеке. Главная привлекательность данного усилителя мощности звука заключается в легкости его сборки даже начинающими радиолюбителями, нет необходимости в какой либо специальной его настройке, не возникает проблем в приобретении комплектующих по доступной цене.

Представленная здесь схема УМ обладает электрическими характеристиками с высокой линейностью работы в частотном диапазоне от 20Гц до Гц. Есть и другой вариант получения еще большей мощности на выходе, это например: — включить два таких УМЗЧ по мостовой схеме, то тогда естественно на выходе мы получим более Вт. Для обеспечения схемы устройства нужным питанием, потребуется собрать не сложный двух-полярный блок питания с выпрямителем переменного напряжения.

Для надежности работы устройства, полярные конденсаторы в схемах как усилителя так и блока питания лучше будет установить с номинальным напряжением на 50vv. В случае отсутствия в наличии выходных ключей TIPTIP можно применить другие комплементарные пары транзисторов с аналогичным коэффициентом передачи тока. Например из советских можно использовать пару КТКТ, только при этом выходную мощность нельзя повышать более Вт.

Чтобы обеспечить комфортные условия для работы мощных транзисторов их обязательно нужно устанавливать на теплоотводы с достаточной площадью рассеивания тепла, а также желательно установить в корпусе аппарата систему принудительного охлаждения с использованием вентилятора.

Компоновка печатных плат на радиаторах. Практическое тестирование данной конструкции выявило некоторый нагрев выпрямительных диодов 1N, поэтому их тоже бы желательно разместить на небольшом радиаторе. При выборе или самостоятельном изготовлении трансформатора для блока питания нужно учитывать такой фактор: — трансформатор должен иметь достаточный запас по мощности, например: Вт из расчета на один канал, в случае двухканального варианта, то естественно и мощность удваивается.

В каждом плече по питанию необходимо установить плавкий предохранитель рассчитанный на рабочий ток 6А, соответственно для стерео при работе на одном блоке питания — 12А. Прочитав достаточное количество соответствующей литературы и выбрал из предлагавшегося самую последнюю версию. Это был усилитель мощностью 30 Вт соответствующий по своим параметрам усилителям высокого класса. В имеющеюся трассировку оригинальных печатных плат никаких изменений вносить не предполагал, однако, ввиду отсутствия первоначальных силовых транзисторов, был выбран более надежный выходной каскад с использованием транзисторов 2SA и 2SC Применение этих транзисторов в итоге позволило обеспечить большую выходную мощность усилителя.

Принципиальная схема моей версии усилителя далее. Если присмотреться, то сможете увидеть на печатной плате вместе со всеми компонентами стоят резисторы смещения, они мощность 1 Вт углеродного типа.

Оказалось, что они более термостабильны. Собранная версия усилителя работает при токе около 1,6 А и напряжении 35 В. В результате чего 60 Вт мощности непрерывного рассеивается на транзисторах в выходном каскаде. Должен заметить, что это только треть мощности, которую они способны выдержать. Постарайтесь представить, сколько тепла выделяется на радиаторах при их нагреве до 40 градусов. Корпус усилителя сделан своими руками из алюминия. Верхняя плита и монтажная плита толщиной 3 мм.

Радиатор состоит из двух частей, его габаритные размеры составляют x x 35 мм. Крепеж — винты, в основном с потайной головкой из нержавеющей стали и резьбой М5 или М3. Количество конденсаторов было увеличено до шести, их общая ёмкость мкФ. Для питания был использован тороидальный трансформатор мощностью Вт. Хорошо видно устройство усилителя, которое имеет медные шины соответствующего дизайна. Так же имеется ВЧ фильтр в цепи питания. При всей своей простоте, надо сказать обманчивой простоте, топологии платы этого усилителя и звук им производится как бы без всякого усилия, подразумевающего в свою очередь возможность его бесконечного усиления.

Таким образом становится понятно, что простая и качественная конструкция УМЗЧ не обязательно делается с применением интегральных микросхем — всего 8 транзисторов позволяют добиться приличного звучания со схемой, собрать которую можно за пол дня.

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… 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. Простейший УНЧ, выполненный по схеме с общим эмиттером, показан на рис. 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.

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 … 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. Для освоения техники усиления низких частот рекомендуется поэкспериментировать с подбором номиналов элементов и режимов работы усилителей рис. Усложненные и улучшенные по сравнению со схемой на рис. В схеме на рис. Однотранзисторный усилитель с делителем для подачи напряжения смещения на базу транзистора. Соединив последовательно два простейших каскада усиления рис. 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. 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.

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 НЧ с непосредственной связью между каскадами приведена на рис.

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 КТ 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 мкФ. 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.

Транзистор VT2 должен быть установлен на теплоотводя-щей пластине радиаторе. На рис. Такого рода связь улучшает частотные характеристики усилителя в области нижних частот, схема в целом упрощается. В то же время настройка усилителя осложняется тем, что каждое сопротивление усилителя приходится подбирать в индивидуальном порядке. Резистор R1 должен быть 0,1…2 кОм. Расчет усилителя, приведенного на рис. Такие усилители имеют довольно высокий коэффициент усиления Ку.

Усилитель на рис. УНЧ по схеме на рис. Для портативной радиоэлектронной аппаратуры важным параметром является экономичность УНЧ. Схема такого УНЧ представлена на рис. При увеличении входного напряжения этот транзистор шунтирует переход эмиттер — база VT3 и уменьшает значение тока, протекающего через транзисторы VT1 и VT3.

Как и в приведенной выше схеме см. 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:. Примерами УНЧ с непосредственными связями и минимальным подбором режима работы являются схемы, приведенные на рис. Они имеют высокий коэффициент усиления и хорошую стабильность.

Микрофонный усилитель рис. 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.

Усилитель рис. Каскадный усилитель низкой частоты на полевых транзисторах, также имеющий высокое входное сопротивление, показан на рис. Типовые УНЧ, предназначенные для работы на низкоомную нагрузку и имеющие выходную мощность десятки мВт и выше, изображены на рис.

Электродинамическая головка ВА1 может быть подключена к выходу усилителя, как показано на рис. 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. Если вам нужна то такой усилитель можно собрать даже на одной лампе, смотрите у нас на сайте по электронике в соответствующем разделе.

Транзисторные усилители, несмотря на появление более современных микросхемных, не потеряли свой актуальности. Достать микросхему бывает, порой, не так легко, а вот транзисторы можно выпаять практически из любого электронного устройства, именно поэтому у заядлых радиолюбителей иногда накапливаются горы этих деталей.

Для того, чтобы найти им применение предлагаю к сборке незатейливый транзисторный усилитель мощности, сборку которого осилит даже начинающий.

Схема состоит из 6-ти транзисторов и может развивать мощность до 3-х ватт при питании напряжением 12 вольт. Этой мощности хватит для озвучивания небольшой комнаты или рабочего места. Транзисторы Т5 и Т6 на схеме образуют выходной каскад, на их место можно поставить широко распространённые отечественные аналоги КТ и КТ Конденсатор С4, который подключается к коллекторам выходных транзисторов, отделяет постоянную составляющую сигнала на выходе, именно поэтому данный усилитель можно использовать без платы защиты акустических систем.

Даже если усилитель в процессе работы выйдет из строя и на выходе появится постоянное напряжение, оно не пройдёт дальше этого конденсатора и динамики акустической системы останутся целы.


Усилитель звука на транзисторах #1

После освоения азов электроники, начинающий радиолюбитель готов паять свои первые электронные конструкции. Усилители мощности звуковой частоты, как правило самые повторяемые конструкции. Схем достаточно много, каждая отличается своими параметрами и конструкцией. В этой статье будут рассмотрены несколько простейших и полностью рабочих схем усилителей, которые успешно могут быть повторены любым радиолюбителем. В статье не использованы сложные термины и расчеты, все максимально упрощено, чтобы не возникло дополнительных вопросов.

Пост пикабушника bezr0mval с тегами Хобби, Усилитель звука, Своими руками, До этого был ультралинейный усилитель класса A на транзисторах по Промывку нужно делать всегда, даже если на флюсе написано, что можно не смывать. Давайте конкретно а не абстрактно на каких- то кирпичах.

Усилитель своими руками: ламповый, на транзисторах, на микросхемах

Введите электронную почту и получайте письма с новыми самоделками. Не более одного письма в день. Войти Чужой компьютер. В гостях у Самоделкина! Простейший усилитель звука на одном транзисторе за 15 минут. Доставка новых самоделок на почту Получайте на почту подборку новых самоделок. Никакого спама, только полезные идеи! Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь. Слушай свою музыку по радио.

Схема усилителя звука на одном транзисторе

Сделал музыку громче, чтобы его не слышать. Из фольклора аудиофилов. Кто-то хочет слушать серьезную музыку дома как в зале. Качество аппаратуры для этого нужно такое, какое у любителей децибел громкости как таковых просто не помещается там, где у здравомыслящих людей ум, но у последних оный за разум заходит от цен на подходящие усилители УМЗЧ, усилитель мощности звуковой частоты. А у кого-то попутно возникает желание приобщиться к полезным и увлекательным сферам деятельности — технике воспроизведения звука и вообще электронике.

Сделал музыку громче, чтобы его не слышать.

Усилитель звука своими руками (УМЗЧ): виды, схемы, простые и сложные

Транзисторные усилители мощности низкой частоты УМЗЧ для звуковой и аудио-аппаратуры. В разделе собраны принципиальные схемы самодельных усилителей мощности НЧ на биполярных и полевых транзисторах. Для самодельного аудио-комплекса или при ремонте музыкального центра можно изготовить многоканальный усилитель мощности в конфигурациях:. На транзисторах можно без лишних сложностей собрать небольшой самодельный усилитель для наушников. Присутствуют очень простые и доступные по себестоимости конструкции усилителей, которые прекрасно подойдут для изготовления начинающими радиолюбителями. Усилитель построен по простой схеме на трех транзисторах.

Простейшие усилители низкой частоты на транзисторах

Эта схема усилителя звука была создана всеми любимым британским инженером электронщик-звуковик Линсли-Худом. Сам усилитель собран всего на 4-х транзисторах. С виду — обыкновенная схема усилителя НЧ, но это лишь с первого взгляда. Опытный радиолюбитель сразу поймет, что выходной каскад усилителя работает в классе А. Гениально то, что просто и эта схема тому доказательство.

Усилитель звука на полевых транзисторах с изолированным затвором обеспечивает Поэтому транзисторы можно установить на общий радиатор.

Транзисторные УНЧ

Несмотря на обилие мощных микросхемных и транзисторных звуковых усилителей, всегда есть потребность иметь небольшой портативный стерео-усилитель, который не требует мощного питания. Как раз такой можно построить на микросхеме TDAP, другое её. Как известно, первые транзисторы, которые пришли на смену радиолампам, были именно германиевыми. Их изобретение сыграло большую роль в развитии электроники, позволив сделать электронные устройства более функциональными, экономичными и.

На сайте радиочипи представлены принципиальные схемы сабвуферов, собранные своими руками

Высокое входное сопротивление и неглубокая ОС — основной секрет теплого лампового звучания. Ни для кого не секрет, что именно на лампах реализуются самые высококачественные и дорогие усилители, которые относятся к разряду HI-End. Давайте поймем, что такое качественный усилитель? Качественным имеет право называться тот усилитель мощности НЧ, который полностью повторяет форму входного сигнала на выходе, не искажая его, разумеется выходной сигнал уже усиленный. В сети можно встретить несколько схем действительно высококачественных усилителей, которые имеют право относится к разряду HI-End и совсем не обязательна ламповая схематика.

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

Усилитель своими руками на транзисторах

Основные достоинства этого усилителя — это простота сборки, ненадобность настройки, доступность и низкая стоимость элементов, из которых он состоит. Из электрических параметров хочется отметить очень высокую линейность в рабочем диапазоне частот 20ГцкГц. Недостатки есть — куда без них — несколько повышенный уровень шума, однако этот недостаток можно немного компенсировать — ниже посмотрим как. Идеальный вариант для дачи, деревни, короче говоря, для тех ситуаций, где дорогую технику использовать нежелательно, а громкого звука ну уж очень хочется. Схема: Печять: Как видите — проще уже некуда. Всего делов, что 5 транзисторов и несколько дополнительных компонентов.

Сегодня я расскажу, о том, как собирал свой усилитель на микросхемах LM На самом деле это уже 2ой мой усилитель на этих микросхемах. Уж больно они мне понравились своим качеством и относительной простотой сборки.


Как буферизовать выход операционного усилителя для получения более высокого тока, часть 2

Добавлено 8 октября 2019 в 06:52

Сохранить или поделиться

В данной статье мы рассмотрим два варианта базовой схемы на биполярных транзисторах для буферизации тока.

Вспомогательная информация

Предыдущая статья

Если выходной каскад вашего операционного усилителя не может справиться с давлением

Базовая схема буферизации на биполярном транзисторе, рассмотренная в предыдущей статье, отлично подходит для многих приложений, но у нее есть два ограничения, которые необходимо учитывать: во-первых, для высоких токов нагрузки может потребоваться слишком большой выходной ток операционного усилителя; во-вторых, она не совместима с отрицательными напряжениями нагрузки. Начнем с первой проблемы.

Как упоминалось в предыдущей статье, выходной ток, требуемый от операционного усилителя, будет приблизительно равен току нагрузки, деленному на коэффициент усиления по току транзистора (он же бета или hFE). В некоторых ситуациях может быть проблематично добавить в ваш проект возможность получения большого выходного тока.

Например: вы используете компонент операционного усилителя, который включает в себя несколько усилителей в одном корпусе. Если у вас уже есть деталь с низким выходным током, которая подходит именно для вашей системы, и вы используете три из четырех усилителей в комплекте, вы можете решить использовать этот четвертый усилитель. Или, скажем, у вас есть операционный усилитель, встроенный в микроконтроллер, используемый на плате. Этот операционный усилитель вряд ли может предложить большой выходной ток, но вы не хотите добавлять внешнюю деталь просто потому, что вам нужно еще 20 или 30 мА от встроенного операционного усилителя. Решением таких ситуаций является дополнительное усиление по току с помощью биполярного транзистора. Первое, что нужно сделать, это просто найти транзистор с более высоким hFE. Но если вам нужно гораздо большее усиление по току (потому что у вас слишком большой ток нагрузки, или ваш операционный усилитель настолько слаб, или и то, и другое), то настало время использовать пару Дарлингтона.

Пара Дарлингтона

Рисунок 1 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на паре Дарлингтона

Условное обозначение на схеме рассказывает большую часть истории. Пара Дарлингтона – это два биполярных транзистора с общим коллектором, объединенных в один корпус. В результате получается устройство, которое работает очень похоже на обычный биполярный транзистор, но с чрезвычайно высоким hFE – общий коэффициент усиления по току приблизительно равен hFE первого транзистора, умноженному на hFE второго транзистора. В этот момент вы можете подумать: «У меня много транзисторов 2N2222, я просто подключу их в стиле Дарлингтона и скажу, что это круто». Ну, это не так просто. Взгляните на эквивалентную схему для транзистора Дарлингтона TIP142T от Fairchild:

Рисунок 2 – Эквивалентная схема транзистора Дарлингтона TIP142T от Fairchild

В дополнение к биполярным транзисторам у нас тут защитный диод и два резистора. Резисторы уменьшают время выключения, обеспечивая путь разряда для емкости перехода база-эмиттер правого транзистора, и они обеспечивают определенное состояние для базы правого транзистора, которая в противном случае висела бы в воздухе, когда пара Дарлингтона находится в режиме отсечки. Они также приводят к снижению hFE, потому что часть тока базы идет в обход переходов база-эмиттер. Это уменьшение усиления на самом деле во многих ситуациях выгодно, потому что оно уменьшает влияние тока утечки – и дело в том, что вам на самом деле не нужен весь коэффициент усиления по току, который был бы примерно равен 10 000, если предположим, что каждый биполярный транзистор имеет hFE = 100. Суть в том, что, вероятно, лучше купить устройство Дарлингтона, а не делать свое собственное из двух отдельных биполярных транзисторов.

Вот схема LTspice с парой Дарлингтона вместо одного биполярного транзистора.

Рисунок 3 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на паре Дарлингтона в LTspice

В LTspice по умолчанию нет устройств Дарлингтона, но вы можете зайти сюда, чтобы скачать файлы подсхем и условных обозначений для TIP142.

Вот график входного напряжения VIN, выходного напряжения VOUT и напряжения, приложенного к базе транзистора Дарлингтона (выходного напряжения ОУ), VBASE.

Рисунок 4 – График входного напряжения схемы, выходного напряжения схемы и напряжения, приложенного к базе транзистора Дарлингтона (выходного напряжения ОУ)

Как и в схеме с одним биполярным транзистором, выходное напряжение повторяет входное напряжение (график входного напряжения VIN скрыт под графиком выходного напряжения VOUT). Обратите внимание, что напряжение на базе транзистора Дарлингтона VBASE приблизительно на 1,3–1,4 В выше напряжения на нагрузке; это потому, что теперь у нас есть два падения напряжения база-эмиттер вместо одного. Таким образом, вы должны быть особенно осторожны, чтобы убедиться, что ваши напряжения питания транзистора Дарлингтона и операционного усилителя достаточно высоки, чтобы обеспечить весь диапазон напряжений нагрузки (более подробно об этом см. раздел «Просто, но без «защиты от дурака»» в конце предыдущей статьи).

Следующий график показывает ток нагрузки и ток, протекающий через базу транзистора Дарлингтона.

Рисунок 5 – График ток нагрузки и тока базы первого транзистора пары Дарлингтона

Таким образом, при токе нагрузки 360 мА ток базы составляет 169 мкА, что соответствует hFE ≈ 2130. Техническое описание указывает, что коэффициент усиления по току должен быть около 1000; возможно, эта конкретная модель SPICE не так точна, как могла бы быть. В любом случае нам удалось значительно снизить выходной ток, требующийся от операционного усилителя.

Другой способ справиться с операционным усилителем, который не может обеспечить достаточный выходной ток, – это использовать MOSFET-транзистор вместо биполярного транзистора. Мы рассмотрим реализацию с MOSFET в следующей статье.

Идем ниже земли

Операционные усилители часто используются с отрицательными выходными напряжениями. Очевидным примером являются синусоидальные сигналы, которые можно найти в аудио, видео и радиочастотных приложениях. Когда операционный усилитель генерирует положительное выходное напряжение, выходной ток течет «из» операционного усилителя и через нагрузку «в» узел земли. Следовательно, когда выходной сигнал положительный, операционный усилитель «отдает» ток. При отрицательном выходном напряжении ток протекает «из» узла земли через нагрузку и «в» операционный усилитель, поэтому теперь операционный усилитель «принимает» ток. Таким образом, для поддержки сигналов, которые по напряжению находятся выше и ниже уровня земли, нам необходим буфер выходного тока, который может «принимать» и «отдавать» ток. Вуаля:

Рисунок 6 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на двухтактном усилителе на биполярных транзисторах

Общая идея та же: биполярные транзисторы обеспечивают способность пропускать более высокий ток, а схема обратной связи заставляет ОУ изменять свой выходной сигнал любым необходимым способом, чтобы гарантировать, что напряжение нагрузки Vвых равно Vвх. Разница заключается в добавлении PNP транзистора, который выполняет для отрицательных напряжений нагрузки то же самое, что NPN транзистор для положительных напряжений нагрузки. Другими словами, когда входное напряжение положительное, выходной сигнал операционного усилителя становится положительным, чтобы открыть NPN транзистор, и ток подается от NPN транзистора к нагрузке. Когда входное напряжение отрицательное, выходной сигнал операционного усилителя становится отрицательным, чтобы открыть PNP транзистор, и PNP транзистор принимает ток нагрузки. Вот схема LTspice:

Рисунок 7 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на двухтактном усилителе на биполярных транзисторах в LTspice

Обратите внимание, что я выбрал модель PNP транзистора, рекомендованную в качестве комплементарного транзистора в техническом описании для 2SCR293P:

Рисунок 8 – Рекомендация по выбору комплементарного транзистора для 2SCR293P

Вот график для входного напряжения VIN и выходного напряжения VOUT. Как обычно, график входного напряжения скрыт под графиком выходного напряжения.

Рисунок 9 – Графики входного и выходного напряжений для схемы буферизации выходного тока операционного усилителя на двухтактном усилителе на биполярных транзисторах

Следующая увеличенная диаграмма включает в себя график выходного напряжения операционного усилителя (VBASE). Обратите внимание, что действие отрицательной обратной связи заставляет операционный усилитель автоматически обходить «мертвую зону», т. е. диапазон напряжений (примерно от –0,7 В до +0,7 В), в котором оба транзистора находятся в закрытом состоянии.

Рисунок 10 – Графики входного и выходного напряжений схемы и выходного напряжения операционного усилителя

Это аудиоусилитель?

В этот момент вам может быть интересно, можете ли вы использовать эту схему в качестве усилителя мощности для аудиосигналов. Вы, конечно, можете, но качество звука будет не лучшим. Фактически, конфигурация «NPN транзистор плюс PNP транзистор» в этой схеме упоминается как выходной каскад класса B, и объединение каскада класса B с операционным усилителем и некоторой отрицательной обратной связью дает усилитель мощности с минимальным кроссоверным искажением (каскад класса B сам по себе имеет серьезные проблемы с искажениями, создаваемыми большой мертвой зоной). Однако даже при отрицательной обратной связи качество звука всё еще несколько ухудшается из-за попеременного включения и выключения NPN и PNP транзисторов. Вот почему предпочтительной схемой для аудио является усилитель класса AB, в котором транзисторы смещены таким образом, что при небольших входных напряжениях (выше или ниже точки кроссовера) оба находятся в состоянии проводимости.

Заключение

Мы рассмотрели три простых недорогих схемы, которые могут значительно увеличить выходной ток операционного усилителя. Эти три конфигурации охватывают большинство ситуаций, в которых необходим усилитель с высоким выходным током – просто не забудьте перепроверить напряжение питания, ограничения по току и рассеиваемой мощности.

Оригинал статьи:

Теги

LTspiceБиполярный транзисторОУ (операционный усилитель)Пара ДарлингтонаСоставной транзистор ДарлингтонаУсилитель класса BУсилитель мощностиУсилитель с высоким выходным током

Сохранить или поделиться

Усилитель мощности НЧ на транзисторах. ч. 1. Схема. | Старый Регенератор

В заметке рассматривается схема усилителя мощности низкой частоты (рис. 1). Самая обычная и распространенная схема.

Рис. 1. Схема усилителя

Рис. 1. Схема усилителя

Однако, есть множество гораздо более простых схем, зачем же использовать целых 10 транзисторов, пару диодов, не считая прочих элементов, если можно собрать усилитель всего на 3-х транзисторах? Для пояснения этого «зачем» рассмотрим отдельные узлы схемы, учитывая, что предполагается работа в широком диапазоне напряжения питания, а также то, что переносная аппаратура работает и при колебаниях температуры окружающей среды.

Прежде всего, следует отметить, что один узел усилителя (стабилизатор напряжения 2,5 В) на схеме не показан, так как его работа была уже рассмотрена.

Сначала вспомним, что при проверке работы предварительного усилителя выяснилось, что ток эмиттера (а значит— и ток коллектора) очень мало зависит от напряжения на коллекторе. Поэтому, если запитывать базу стабильным напряжением, то ток коллектора транзистора будет практически постоянным и зависеть от сопротивления в цепи эмиттера, которое создает местную отрицательную обратную связь по постоянному току.

Это свойство транзистора используется в стабилизаторах тока, которых в схеме усилителя два: VT3 и VT6.

Напряжение на базы транзисторов подается через параметрический стабилизатор R2 VD1 VD2. Причина использования дополнительного стабилизатора, а не делителя на резисторах, как в предварительном УНЧ, следующая.

Рис. 2. Генератор стабильного тока.

Рис. 2. Генератор стабильного тока.

При наличии нагрузки в цепи коллектора (см. рис. 2) ток базы транзистора крайне мал (определяется h31э), поэтому падение напряжения на резисторе R1 (рис. 2) определяется в основном величиной резистора R2.

Но как только мы уберем нагрузку из коллекторной цепи (рис. 3), или ее сопротивление будет очень велико, то произойдет следующее. Ток эмиттера равен сумме токов базы и коллектора:

Iэ = Iб + Iк

Если Iк равен 0 (нагрузка отсутствует), то Iэ = Iб, и эмиттерный переход транзистора начинает работать как обычный диод. Ток базы при этом может достигать миллиампера, что создает уже существенное дополнение к току, протекающему через R1 (рис. 3.).

Рис. 3.

Рис. 3.

Если бы мы питали от делителя один стабилизатор тока, то этим явлением можно было пренебречь. Но у нас их два, и таким образом изменение тока базы одного немедленно скажется на режиме работы другого. Чтобы несколько скомпенсировать такие колебания (которые вполне возможны) и применен дополнительный стабилизатор на VD1 и VD2, хотя это и ведет к увеличению (примерно на пол-миллиампера) потребляемого тока.

Дифференциальный каскад VT1VT2 самый обычный, да и все остальное также ничего особенного не представляет. Применение дифференциального каскада (также, как и стабилизаторов тока) позволяет поддерживать работоспособность усилителя в широком диапазоне питающих напряжений (предполагается 3… 15 вольт).

Цепочка R3C1 фильтрует напряжение на базе VT1. В принципе, при питании от батарей ее можно исключить, но если предполагается работа от сети, да еще от нестабилизированного выпрямителя с большими пульсациями, без этой цепочки получим хороший фон на выходе, т.к. пульсации без проблем будут проходить на базу VT1 и усиливаться, как полезный сигнал.

Коэффициент усиления определяется отношением резисторов отрицательной обратной связи R12/R7 и в данном случае равен 40.

Конденсатор C3 устраняет самовозбуждение усилителя. Вообще говоря его желательно подобрать, чтобы не только исключить самовозбуждение, но и не «зарезать» полосу усилителя в области верхних частот.

Осталось пояснить каскад на транзисторе VT5, отвечающий за регулировку тока покоя оконечного каскада усилителя. Зачем применять такую сложную схему, когда есть более простые решения (рис. 4).

Рис. 4. Варианты установки тока покоя выходного каскада.

Рис. 4. Варианты установки тока покоя выходного каскада.

Учитывая, что в данном усилителе ток коллектора VT6 (КТ315) стабилизирован, можно бы обойтись и простым резистором (рис. 4-a) или диодом с последовательно включенным резистором (рис. 4-b).

Однако дело в том, что при работе усилителя, даже на средней громкости, транзисторы выходного каскада VT9 VT10 (рис. 1) начинают нагреваться. А это ведет к тому, что при стабильном напряжении на базе ток покоя этих транзисторов увеличивается. Ведь местной отрицательной обратной связи (за счет резистора в цепи эмиттера) у них нет.

Такой же эффект будет и при повышении температуры окружающей среды (например, приемник лежит на солнце).

Диоды на рис. 4-b и 4-c несколько сглаживают ситуацию, но во-первых, их трудновато крепить на радиаторе выходных транзисторов, а кроме того в схеме рис. 4-c трудно подобрать диоды так, чтобы выставить минимальный ток покоя мощного каскада при отсутствии искажений «ступенька».

Транзистор средней мощности легко (и главное — с хорошим термоконтактом) монтируется на радиаторе выходных транзисторов, а наличие потенциометра позволяет точно отрегулировать ток покоя. Терморезистор R10 (рис. 1) осуществляет дополнительную коррекцию тока покоя при изменении температуры окружающей среды.

Такая схема очень широко распространена, в частности, в приемнике «Урал-авто-2» последних выпусков именно такой вариант и использован (без терморезистора).

У этой схемы, в том виде, как она приведена, есть один серьезный недостаток — включение переменного резистора R11 (рис. 1).

Дело в том, что переменный резистор — один из наименее надежных элементов в радиотехнике. Благодаря наличию подвижного контакта, перемещающегося по графитовой или проволочной поверхности, всегда есть вероятность, что этот контакт будет потерян полностью (или изменятся его характеристики) при изменении влажности, сотрясении и т. п., и база транзистора окажется «висящей» в воздухе.

А это немедленно приведет к изменению тока покоя (причем именно в направлении его увеличения) и может привести как минимум к перегреву выходного каскада, а то и к выходу его транзисторов из строя.

Использование хороших потенциометров не всегда возможно, в т. ч. и по экономическим причинам. Поэтому в следующей части статьи, посвященной настройке усилителя, попробую другой вариант включения переменного резистора.

Разработка и оценка GaN-усилителя L-диапазона для уровня выходной мощности 125 Вт

Мощностные и частотные характеристики коммерчески доступных нитрид-галлиевых (GaN) транзисторов постоянно растут. Эти транзисторы доступны в линейках продукции ведущих мировых производителей, они демонстрируют высокие значения коэффициента усиления, выходной мощности и КПД. При выходной мощности до десятков ватт применим корпус для поверхностного монтажа (SMD). Для более высоких значений мощности транзисторов применимы уже керамические корпуса с металлическим основанием, они соединяют исток транзистора непосредственно с теплоотводом корпуса и потому обеспечивают большие значения теплопередачи.

В данной статье рассмотрен вариант достижения высоких выходных характеристик усилителя при использовании недорогого транзистора L-диапазона. Усилитель оптимизирован для работы в полосе частот 0,96–1,215 ГГц с типичным значением коэффициента усиления в центре полосы 20 дБ, выходной мощности P =–3 дБ 51 дБм (125 Вт) при компрессии 3 дБ и КПД более 70%. В основе разработки — серийно выпускаемый транзистор QPD1008 производства Qorvo, изготовленный по технологии 0,25 мкм GaN HEMT. Корпус транзистора NI360 из металлокерамики, бесфланцевая версия представлена на рис. 1.

Разработка

Транзистор помещен на алюминиевый носитель таким образом, чтобы выводы располагались на уровне печатной платы из материала Rogers 4360G2 толщиной 32 мил (0,8128 мм) с металлизацией толщиной 35 мкм. Относительно толстая подложка была выбрана исходя из широких возможностей выбора импеданса для обеспечения необходимых уровней выходной мощности в дополнение к высокому постоянному напряжению. Постоянное напряжение для QPD1008 составляет 50 В при токе стока 260 мА.

График зависимости коэффициента усиления от частоты приведен на рис. 2. Участок от 1,4 ГГц до 2,1 ГГц показывает зону безусловной стабильности. Рабочий диапазон QPD1008, обладающий условной стабильностью, имеет максимальный устойчивый коэффициент усиления 26 дБ. Итоговое значение будет очевидно меньше данной величины из-за необходимости обеспечения безусловной стабильности усиления, а также вследствие влияния цепей смещения и согласования. Кроме того, настройки на максимальную мощность и КПД предпочтительнее, чем согласование входов и выходов с внешними цепями.

Усилитель должен быть безусловно стабильным на всех рабочих частотах при температурах до –40°C. Так как собственно транзистор является безусловно стабильным только в полосе 1,4–1,8 ГГц, на частотах выше этого диапазона стабильность может нарушаться. Это требует определенных мер, что касается и более низких частот, где коэффициент усиления оказывается в избытке.

Режим большого сигнала с подключенной нагрузкой показал, что на частоте 1,1 ГГц устройство на базе QPD1008 обеспечивает мощность выходного сигнала +51 дБм при компрессии 3 дБ. Необходимый импеданс по входу составил согласно расчетам 0,73+0,64j, по выходу 5+2j. Диаграмма Смита для характеристического импеданса 11,7 Ом показана на рис. 3. Необходимо заметить, что необходимый входной импеданс очень близок к участку, соответствующему короткому замыканию на диаграмме Смита, и это значение также близко к границе стабильности всей схемы. Таким образом, необходим компромисс между условиями безусловной стабильности схемы и хорошей передачи СВЧ-мощности (меньшими отражениями от входа).

Схема усилителя показана на рис. 4. Все пассивные компоненты являются элементами поверхностного монтажа (SMD), подобранные из расчета высоких значений постоянного напряжения и максимальной СВЧ-мощности. Номиналы СВЧ-резисторов подобраны исходя из требований безусловной стабильности. Они изготовлены компанией IMS и способны рассеять мощность 25 Вт в непрерывном режиме при форм-факторе 0805. Цепи смещения как стока, так и затвора реализованы соответствующими полосками печатной платы, оканчивающимися шунтирующими конденсаторами, дающими короткое замыкание в цепях в центре рабочей полосы частот. Цепи согласования по входу и выходу преобразуют 50 Ом в низкое сопротивление истока транзистора и нагрузки для лучшей передачи мощности. Они реализованы как навесными элементами, так и распределенными структурами микрополосковой линии. Чертеж печатной платы показан на рис. 5. Важно, чтобы микрополосковая линия имела достаточную ширину для передачи СВЧ-мощности, иначе при высоком уровне передаваемого сигнала узкая полосковая линия может просто испариться.

Для дальнейших измерений к входу усилителя была подключена демпфирующая цепь с высоковольтным резистором, включенным параллельно резонатору, состоящему из последовательного LC-контура. Размеры схемы и расположение на ней элементов были выбраны из соображений максимального отражения НЧ-сигнала при минимальном влиянии на сигнал внутри рабочей полосы (рис. 4). Важным свойством данной цепи было также избавление схемы от нежелательных значений импедансов, которые могли бы вызвать возбуждение схемы.

Внешний вид платы и изображение финальной сборки схемы усилителя на базе QPD1008 приведены на рис. 5, 6. Печатная плата из материала Rogers 4360G2 установлена на носитель из алюминиевого сплава, выступающий в качестве теплопровода для радиатора. Боковая панель смонтирована с краю основания, и через нее подается напряжение смещения. Синий провод — это смещение, подаваемое на затвор транзистора, красный провод — напряжение стока и черный провод — общий. На входе и выходе платы располагаются недорогие соединители SMA. Сбоку платы в основании расположено отверстие для термопары, позволяющее точно измерять температуру основания транзистора.

Измеренные характеристики

Были рассмотрены характеристики усилителя на базе транзистора L-диапазона QPD1008 от Qorvo. Однокаскадный усилитель на базе данного транзистора достигает максимума ключевых параметров в полосе 960–1215 МГц, обеспечивая в середине полосы максимальную выходную мощность +51 дБм, КПД 70% и коэффициент усиления в режиме малого сигнала 20 дБ на уровне компрессии 3 дБ.

Значения полученных S-параметров говорят об усилении 19 дБ в рабочей полосе частот, и это значение изменяется на менее чем 2 дБ с варьированием температуры в рабочем диапазоне –40…+85 °C. Потери по входу схемы вряд ли изменятся с температурой и в худшем случае составят 5 дБ в полосе. Относительно плохие обратные потери на отражение определяются согласованием на необходимый импеданс с точки зрения оптимального режима работы цепи истока. Потери на отражение по выходу обычно составляют 7 дБ, что также является результатом согласования на максимальную мощность, которое предпочтительнее, чем согласование по входу и выходу по отношению к внешним цепям.

Также были проведены измерения схемы при большом сигнале в рабочем температурном диапазоне в режиме импульсного сигнала с длительностью импульса 128 мкс скважностью 10. В данном режиме входная мощность была подана на схему с шагом 10 дБ до достижения уровня, слегка превышающего уровень компрессии 3 дБ. В результате увеличения входной мощности рассеиваемая мощность увеличивалась и температура также росла. Результат измерения середине частотного диапазона (1,09 ГГц) при различных температурах показан на рис. 8. Изменение значений коэффициента усиления для различных температур отражено на рис. 8a. Как видно, уровень компрессии 3 дБ достигается при входной мощности +33 дБ для низких значений температуры, +34 дБ для номинальных значений температуры и +35 дБ для высоких значений. Зависимость выходной мощности от входной (рис. 8б) показывает, что в середине полосы уровень 3 дБ компрессии достигается при значе- ниях выходной мощности +51 дБм при разбросе ±0,3 дБм с варьированием температуры. Частотные зависимости данных параметров приведены на рис. 9.

На границах полосы усилитель мощности на базе транзистора QPD1008 достигает минимум 50 дБм (100 Вт) выходной мощности, КПД более 50% и коэффициента усиления 16,5 дБ в точке 3 дБ компрессии. В центре частотного диапазона КПД достигает более 70%. Стоит заметить, что данные величины уже включают в себя потери при согласовании и в соединителях. Эти значения достигаются на множестве отладочных плат, что говорит о повторяемости результата.

Итоги

Были рассмотрены характеристики усилителя на базе транзистора L-диапазона QPD1008 от Qorvo. Однокаскадный усилитель на базе данного транзистора достигает максимума ключевых параметров в полосе 960–1215 МГц, обеспечивая в середине полосы максимальную выходную мощность +51 дБм, КПД 70% и коэффициент усиления в режиме малого сигнала 20 дБ на уровне компрессии 3 дБ.

 

Авторы: Энди Дирн (Andy Dearn), Роберт Смит (Robert Smith), Plextek RFI

 

Перевод: Г.В. КонМакро Групп, руководитель направления ВЧ, силовые и оптические компоненты, [email protected]

Выходные транзисторы усилителя звука. Простая схема усилителя на транзисторе своими руками

Всем, кто затрудняется в выборе первой схемы для сборки, я хочу порекомендовать этот усилитель на 1 транзисторе. Схема очень простая, и может быть выполнена, как навесным так и печатным монтажем.

Сразу скажу, сборка этого усилителя оправдана только в качестве эксперимента, так как качество звука будет, в лучшем случае на уровне дешевых, китайских приемников – сканеров. Если кто-то захочет собрать себе маломощный усилитель с более качественным звучанием, с применением микросхемы TDA 2822 m , может перейти по следующей ссылке:


Портативная колонка для плейера или телефона на микросхеме tda2822m
Фото проверки усилителя:


На следующем рисунке приведен список необходимых деталей:

В схеме можно использовать почти любой из биполярных транзисторов средней и большой мощности n — p — n структуры, например КТ 817. Конденсатор на входе желательно поставить пленочный, емкостью 0.22 – 1 МкФ. Пример пленочных конденсаторов на следующем фото:

Привожу рисунок печатной платы из программы Sprint-Layout :


Сигнал берется с выхода mp3 плейера или телефона, используются земля и один из каналов. На следующем рисунке можно увидеть схему распайки штекера Джек 3.5, для подключения к источнику сигнала:


При желании этот усилитель, как и любой другой, можно снабдить регулятором громкости, подключив потенциометр на 50 КОм по стандартной схеме, используется 1 канал:


Параллельно питанию, если в блоке питания после диодного моста не стоит электролитический конденсатор большой ёмкости, нужно поставить электролит на 1000 – 2200 МкФ, с рабочим напряжением большим, чем напряжение питания схемы.
Пример такого конденсатора:

Скачать печатную плату усилителя на одном транзисторе для программы sprint – layout можно в разделе сайта Мои файлы.

Оценить качество звучания этого усилителя, можно посмотрев видео его работы на нашем канале.

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 ).

  • 20.09.2014

    Номинал пассивных компонентов для поверхностного монтажа маркируется по определенным стандартам и не соответствует напрямую цифрам, нанесенным на корпус. Статья знакомит с этими стандартами и поможет Вам избежать ошибок при замене чип-компонентов. Основой производства современных средств радиоэлектронной и вычислительной техники является технология поверхностного монтажа или SMT-технология (SMT — Surface Mount Technology). …

  • 21.09.2014

    На рисунке показана схема простого сенсорного переключателя на ИМС 555. Таймер 555 работает в режиме компаратора. При прикосновении пластин происходит переключение компаратора, который в свою очередь управляет транзистором VT1 с открытым коллектором. К «открытому» коллектору можно подключать внешнюю нагрузку с питанием её от внешнего или внутреннего источника питания, внешнее питание …

  • 12.12.2015

    В предварительном усилителе для динамического микрофона используется двухканальный операционный усилитель uA739. Оба канала предварительного усилителя одинаковые, поэтому на схеме показан только один. На неинвертирующий вход ОУ подано 50 % напряжение питания, которое задается резисторами R1 и R4 (делитель напряжения), при этом это напряжение используется одновременно двумя каналами усилителя. Цепь R3C3 является …

  • 23.09.2014

    Часы со статической индикацией обладают более ярким свечением индикаторов по сравнению с динамической индикацией, схема таких часов показана на рисунке 1. В качестве уст-ва управления индикатором является дешифратор К176ИД2, эта микросхема обеспечит достаточно высокую яркость свечения светодиодного индикатора. В качестве счетчиков используются микросхемы К561ИЕ10, каждая содержит по 20а четырех разрядных …

Схема простого усилителя звука на транзисторах , которая реализована на двух мощных составных транзисторах TIP142-TIP147 установленных в выходном каскаде, двух маломощных BC556B в дифференциальном тракте и один BD241C в цепи предварительного усиления сигнала — всего пять транзисторов на всю схему! Такая конструкция УМЗЧ свободно может быть использована например в составе домашнего музыкального центра или для раскачки сабвуфера установленного в автомобиле, на дискотеке.

Главная привлекательность данного усилителя мощности звука заключается в легкости его сборки даже начинающими радиолюбителями, нет необходимости в какой либо специальной его настройке, не возникает проблем в приобретении комплектующих по доступной цене. Представленная здесь схема УМ обладает электрическими характеристиками с высокой линейностью работы в частотном диапазоне от 20Гц до 20000Гц. p>

При выборе или самостоятельном изготовлении трансформатора для блока питания нужно учитывать такой фактор: — трансформатор должен иметь достаточный запас по мощности, например: 300 Вт из расчета на один канал, в случае двухканального варианта, то естественно и мощность удваивается. Можно применить для каждого свой отдельный трансформатор, а если использовать стерео вариант усилителя, то тогда вообще получится аппарат типа «двойное моно», что естественно повысит эффективность усиления звука.

Действующее напряжение во вторичных обмотках трансформатора должно составлять ~34v переменки, тогда постоянное напряжение после выпрямителя получится в районе 48v — 50v. В каждом плече по питанию необходимо установить плавкий предохранитель рассчитанный на рабочий ток 6А, соответственно для стерео при работе на одном блоке питания — 12А.

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.

Транзисторный усилитель с общим эмиттером » lectronics Notes

Простое в использовании пошаговое руководство по проектированию электронной схемы каскада усилителя на транзисторах с общим эмиттером, показывающее расчеты номиналов электронных компонентов.


Учебное пособие по проектированию схем транзисторов Включает:
Расчет схем транзисторов Конфигурации цепи Общий эмиттер Схема с общим эмиттером Повторитель эмиттера Общая база

См. также: Типы транзисторных схем


Усилитель с общим эмиттером широко используется, и его электронная схема относительно проста..

Существует несколько простых расчетов, которые можно объединить с простой последовательностью проектирования, чтобы получить надежный результат. Довольно легко принять предпочтительные номиналы компонентов в конструкции усилителя с общим эмиттером.

Существует несколько модификаций усилителя с общим эмиттером, которые можно легко учесть в конструкции. Наиболее простой формой конструкции усилителя с общим эмиттером является простой логический буфер/выход, состоящий из транзистора и пары резисторов.К нему можно добавить несколько дополнительных компонентов, чтобы он стал усилителем со связью по переменному току со смещением по постоянному току и резистором обхода эмиттера.

Простая логическая конструкция усилителя с общим эмиттером

Эта очень простая конструкция логического буфера или усилителя с общим эмиттером настолько проста, насколько это возможно.

На схеме показан транзистор с входным резистором и коллекторным резистором. Входной резистор используется для ограничения тока, протекающего в базу, а коллекторный резистор используется для создания этого напряжения на выходе.

Когда на входе наблюдается высокий логический уровень, это вызывает протекание тока через резистор R1 в базу. Это приводит к включению транзистора. В свою очередь напряжение на коллекторе падает почти до нуля и все напряжение вырабатывается на резисторе R1.

Видно, что есть инверсия фазы. При высоком входном напряжении выход низкий, т.е. Схема базового усилителя на транзисторах с общим эмиттером — эта версия часто используется с логическими схемами в качестве простого переключателя.

Усилитель с общим эмиттером, действующий как буфер для логической ИС, сконструировать очень просто.

Хотя это и не единственный способ проектирования сцены, можно использовать следующее пошаговое руководство.

  1. Выберите транзистор:   Выбор транзистора, обозначенного на схеме TR1, будет зависеть от ряда факторов:
    • Ожидаемое рассеивание мощности.
    • Требуемая скорость переключения — для приложений переключения выберите переключающий транзистор, а не другой тип транзистора с высокой пропускной способностью, фут.
    • Требуется текущий коэффициент усиления.
    • Требуется текущая мощность.
    • Напряжение коллектор-эмиттер.
    Все это можно предвидеть с достаточной точностью до начала проектирования. После завершения проектирования необходимо проверить все цифры, чтобы убедиться, что транзистор соответствует выбранным параметрам.
  2. Расчет резистора коллектора:   При выбранном типе транзистора необходимо определить значения других электронных компонентов.Определение коллекторного резистора R2 достигается путем определения тока, необходимого для протекания через резистор. Это будет зависеть от таких элементов, как ток, который должна обеспечить цепь. Также может потребоваться светодиодный индикатор, включенный последовательно с коллекторным резистором. Ток должен быть определен для получения требуемой светоотдачи. Номинал резистора можно определить по закону Ома, зная ток, протекающий через резистор, и напряжение на нем.
  3. Определите значение базового резистора:   Ток базы представляет собой ток коллектора, деленный на значение β или hfe, которое практически одинаково. Убедитесь в наличии достаточного тока для включения транзистора при самых низких значениях β даже при низких температурах, когда значения β будут ниже. Следует соблюдать осторожность, чтобы не подавать чрезмерный ток на базу, так как в результате переключение может занять больше времени, поскольку необходимо удалить избыточный накопленный заряд.
  4. Переоценка первоначальных предположений:  После завершения проектирования необходимо переоценить некоторые первоначальные решения и оценки на случай, если окончательный проект что-либо изменил.

Простая конструкция усилителя с общим эмиттером со связью по переменному току

Электронная схема базовой схемы для схемы усилителя с общим эмиттером, связанной по переменному току, приведена ниже.

Схема базового транзисторного усилителя с общим эмиттером с одним базовым резистором смещения

Эта схема не получила широкого распространения, поскольку трудно определить точную рабочую точку схемы из-за различий в значениях β.

Можно использовать пошаговый процесс, показанный ниже:

  1. Выберите транзистор:   Выбор транзистора будет зависеть от таких факторов, как ожидаемая рассеиваемая мощность, напряжение коллектор-эмиттер, полоса пропускания и т.п.
  2. Выберите резистор коллектора: Значение этого параметра должно быть выбрано таким образом, чтобы коллектор располагался примерно на половине шины питания для требуемого тока. Значение сопротивления можно определить просто по закону Ома. Текущее значение должно быть выбрано таким образом, чтобы сопротивление/выходной импеданс был приемлемым для следующего каскада.
  3. Выберите базовый резистор: Используя значение β для транзистора, определите базовый ток.Затем, используя закон Ома и зная напряжение питания и тот факт, что база будет на 0,5 В (для кремния) выше земли, рассчитайте резистор.
  4. расчет развязывающих конденсаторов:   Используя знание входного и выходного импеданса, определите номинал конденсатора, равный импедансу на самой низкой частоте использования. (Xc = 2π f C, где C в фарадах, а частота в Гц).
  5. Пересмотрите расчеты:   Пересмотрите все расчеты и допущения, чтобы убедиться, что они все еще верны в свете того, как развивалась схема.

Комплексная конструкция усилителя с общим эмиттером со связью по переменному току

Включив несколько дополнительных компонентов в схему с общим эмиттером, можно обеспечить более высокий уровень усиления, а также улучшенную температурную стабильность на постоянном токе.

Схема базового транзисторного усилителя с общим эмиттером

Конструкция усилителя с общим эмиттером относительно проста. В качестве основы можно использовать следующую схему проектирования.

  1. Выберите транзистор:  Как и прежде, тип транзистора следует выбирать в соответствии с ожидаемыми требованиями к производительности.
  2. Расчет резистора коллектора:   Необходимо определить ток, необходимый для адекватного управления следующей ступенью. Зная требуемый ток в резисторе, выберите напряжение коллектора, равное примерно половине напряжения питания, чтобы обеспечить равные отклонения сигнала вверх и вниз. Это определит значение резистора, используя закон Ома.
  3. Рассчитайте резистор эмиттера:   обычно для напряжения эмиттера выбирается напряжение около 1 вольта или 10% от напряжения на шине.Это обеспечивает хороший уровень стабильности цепи постоянного тока. Рассчитайте сопротивление, зная ток коллектора (фактически такой же, как ток эмиттера) и напряжение эмиттера.
  4. Определение тока базы:   Можно определить ток базы, разделив ток коллектора на β (или hfe, что по сути то же самое). Если указан диапазон для β, будьте осторожны.
  5. Определите базовое напряжение:   Это легко рассчитать, поскольку базовое напряжение представляет собой просто напряжение на эмиттере плюс напряжение перехода база-эмиттер.Это принято равным 0,6 вольта для кремниевых и 0,2 вольта для германиевых транзисторов.
  6. Определите значения базовых резисторов:   Предположим, что ток, протекающий через цепь R1 + R2, примерно в десять раз превышает требуемый базовый ток. Затем выберите правильное соотношение резисторов, чтобы обеспечить требуемое напряжение на базе.
  7. Конденсатор обхода эмиттера: Коэффициент усиления схемы без конденсатора на эмиттерном резисторе составляет приблизительно R3/R4.ЧТОБЫ увеличить усиление для сигналов переменного тока, добавлен эмиттерный резистор, шунтирующий конденсатор С3. Это должно быть рассчитано так, чтобы иметь реактивное сопротивление, равное R4, при самой низкой рабочей частоте.
  8. Определите значение входного конденсатора:   Значение входного конденсатора должно равняться сопротивлению входной цепи на самой низкой частоте, чтобы обеспечить падение на -3 дБ на этой частоте. Общий импеданс цепи будет равен β, умноженному на R3, плюс любое сопротивление, внешнее по отношению к цепи, т.е.е. импеданс источника. Внешнее сопротивление часто игнорируют, так как оно, скорее всего, не повлияет на схему чрезмерно.
  9. Определите номинал выходного конденсатора: Опять же, выходной конденсатор обычно выбирается равным сопротивлению цепи на самой низкой рабочей частоте. Сопротивление цепи равно выходному сопротивлению эмиттерного повторителя плюс сопротивление нагрузки, т.е. следующей цепи.
  10. Переоцените допущения:   В свете того, как развивалась схема, переоцените все допущения схемы, чтобы убедиться, что они все еще остаются в силе.Такие аспекты, как выбор транзистора, значения потребляемого тока и т. д.

Можно получить более определенное усиление каскада для более высокочастотных сигналов, подключив резистор (R5) последовательно с C3. Для низких значений коэффициента усиления по напряжению это можно определить из простого соотношения A v = R3 / R5.

Схема базового усилителя на транзисторе с общим эмиттером с дополнительным резистором-эмиттером в обходной цепи конденсатора

После небольшой практики различные этапы конструкции усилителя на транзисторе с общим эмиттером становятся второй натурой, и их можно очень легко реализовать.Выбор транзистора также может быть сделан более легко. Как упоминалось выше, очень важно использовать переключающий транзистор для коммутационных приложений — даже транзисторы с высоким ft или отсечкой не будут работать так же хорошо, как надлежащий переключающий транзистор.

Дополнительные схемы и схемы:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Транзисторная конструкция Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы схемы полевых транзисторов Символы цепи
    Вернитесь в меню проектирования схем .. .

Новый хаотический осциллятор, полученный из однотранзисторного усилителя класса C

В этой статье описывается новая автономная детерминированная хаотическая динамическая система, имеющая единственную нестабильную седловидно-спиральную неподвижную точку. Математическая модель берет свое начало в фундаментальной структуре усилителя класса C. Эволюция робастных странных аттракторов обусловлена ​​билатеральной природой биполярного транзистора с локальной полиномиальной или кусочно-линейной крутизной с прямой связью и высокой частотой работы.Численный анализ подтверждается экспериментальной проверкой, и оба результата доказывают, что хаос не является ни численным артефактом, ни длительным переходным процессом. Кроме того, наблюдается хорошее соответствие между теорией и измерениями.

1. Введение

До сих пор о формировании странных аттракторов сообщалось во многих сосредоточенных электронных схемах, как изолированных, так и управляемых. Хаотические сигналы имеют несколько фундаментальных свойств: широкополосный и непрерывный частотный спектр, чувствительность к небольшим изменениям начальных условий, аттракторы плотного состояния с (в отличие от шума) нецелочисленной метрической размерностью и отсутствие аналитического решения в замкнутой форме.Из-за этих особенностей, особенно наличия доминирующих гармоник в частотном спектре, хаос может наблюдаться в общих моделях всех типов аналоговых гармонических генераторов с сосредоточенными параметрами, независимо от типа активного элемента, используемого в качестве источника энергии. Например, в работе [1] описано долговременное непредсказуемое движение известного осциллятора Колпитца. В работе [2] показано существование робастных странных аттракторов, развернутых при изучении движения осциллятора Хартли. Оба генератора требуют только одного транзистора и трех элементов накопления для формирования стабильных синусоидальных выходных напряжений.В некоторых интересных работах [3, 4] представлена ​​методология преобразования очень популярной конфигурации сети Wien-bridge в хаотический осциллятор. Оказывается, простой механизм, предназначенный для стабилизации амплитуды, может вызвать как растяжение, так и свертывание векторного поля, необходимое для эволюции хаоса. Фактически, самая известная хаотическая электронная система, генератор Чуа, может рассматриваться как соединение параллельного LC-резонансного резервуара, синхронизирующей цепи и нелинейного резистора. Этот нелинейный элемент может быть как полиномиальным [5], так и кусочно-линейным [6].Оба типа нелинейностей практически реализуются с помощью нескольких серийно выпускаемых устройств и являются единственными активными компонентами в спроектированных хаотических цепях. Исследование [7] доказывает, что пара связанных элементов накопления может быть заменена одним элементом более высокого порядка, таким как частотно-зависимый отрицательный резистор. Одиночный элемент иммитанса третьего порядка может быть использован для создания линейной части векторного поля, как это продемонстрировано в работе [8]. Систематическая процедура проектирования, ведущая к надежным хаотическим генераторам с пассивными только нелинейными элементами, представлена ​​в нескольких кулинарных книгах [9, 10].В этих статьях нелинейные резисторы имеют кривую ампер-напряжения с одной точкой излома и поэтому служат энергетическим клапаном. В ряде работ используется предложенный подход к построению оригинальных структур хаотических осцилляторов [11, 12].

Помимо осцилляторов, непредсказуемое движение было обнаружено в других естественно нехаотических аналоговых строительных блоках. В последнее время в современных сложных электронных системах усиливается возможность наблюдения робастного хаоса из-за высоких частот и амплитуд полезных обрабатываемых сигналов.В таких случаях паразитные свойства (особенно входное и выходное сопротивления) активных элементов обязательно вносят погрешности в описание системы дифференциальных уравнений, приводят к неожиданным связям между независимыми узлами, изменяют значения рабочих элементов накопления и повышают математический порядок схемы, вызывают дополнительные функциональные нелинейности или эффекты гистерезиса на существующих нелинейных кривых переноса и т. д. Приведем несколько примеров таких систем. Наличие структурно устойчивых странных аттракторов было подтверждено в стандартных топологиях преобразователей постоянного тока, а именно, buck [13], cuk [14] и boost [15, 16].Очень интересные сведения о нерегулярном поведении в общем классе преобразователей постоянного тока и его свойствах, включая возможный механизм управления, можно найти в статьях [17, 18]. Еще один наглядный пример хаотической системы на основе импульсного преобразователя мощности описан в работе [19]. Импульсный хаос можно наблюдать и в цепях с переключаемыми конденсаторами; подробности см. в статьях [20, 21]. Описанию хаоса в петлях фазовой автоподстройки частоты посвящено несколько научных работ: подробнее см. несколько примеров, приведенных в статьях [22, 23].Недавно в высокочастотных математических моделях ячеек статической памяти с несколькими состояниями, состоящих из резонансных туннельных диодов, были обнаружены аттракторы с одинарной спиралью, а также аттракторы с двойной прокруткой; количество этих диодов определяет общее количество фиксированных точек. Хаос можно наблюдать, если вольт-амперную характеристику считать кусочно-линейной [24], а также кубической полиномиальной [25]. Интересным следствием этих исследований является то, что существует прямая корреляция между количеством равновесий и сложностью генерируемых хаотических аттракторов.Очень сложное векторное поле и геометрические формы бассейнов притяжения [26] предполагают возможную эволюцию многосвитковых хаотических аттракторов. Отпечатки хаоса можно наблюдать в очень простых сетях, содержащих недавно разработанные элементы схемы памяти: мемристоры [27, 28] или вообще мем-элементы [29, 30], как целочисленного, так и дробного порядка [31]. Чтобы закончить этот очень краткий список хаотических аналоговых строительных блоков, мы можем упомянуть частотные фильтры как хорошие кандидаты для демонстрации хаотического решения.Эти секции фильтрации могут иметь различную топологию, например, фильтры с переменным состоянием [32] или пассивные лестничные фильтры с активной нелинейной обратной связью. Эта активная нелинейная обратная связь может быть реализована как двухполюсным [5, 33, 34], так и двухполюсным [35] устройством. Там наличие хаоса обусловлено малой диссипацией системы, т. е. фильтрами с высокой добротностью. Если говорить о хаотической схеме с сосредоточенными параметрами и минимальным количеством элементов, то кажется, что схема с управляемым R-L-диодом является самой простой [36].

Поиск наиболее тривиального алгебраического описания хаотического потока с непрерывным временем был начат фундаментальным вопросом, поднятым в [37]. На сегодняшний день эта проблема по-прежнему представляет собой актуальную тему.

Существование устойчивых хаотических сигналов в очень простых электронных системах с сосредоточенными параметрами, имеющих один или два транзистора, является старой, но все еще актуальной проблемой. Некоторые недавние примеры хаотических генераторов на основе транзисторов можно найти в статье [38]. Обсуждаемые здесь схемы явно относятся к простейшим случаям с хаотической динамикой, так как некоторые из них, помимо используемого транзистора, содержат всего три элемента накопления.Несколько более сложная хаотическая сеть с двумя стандартными биполярными транзисторами обсуждается в исследовательской работе [39].

Основная цель следующих разделов этой статьи — доказать, что хаос может наблюдаться при очень специфических условиях в основной ячейке усилителя класса C, состоящего из одного биполярного транзистора. Этот факт уже отмечался в совсем недавней публикации [40]. В отличие от этого исследования, где как обратная, так и прямая крутизны двухпортового биполярного транзистора рассматриваются как полиномиальная нелинейность, эта работа предполагает случай, гораздо более близкий к физической реальности.Кроме того, представлены и тщательно проанализированы два странных аттрактора разной формы вместо одного. Хотя описание математической модели, положенной в основу данной работы, и соответствующей схемной реализации не является самым простым, оно все же представляет собой интересную хаотическую динамическую систему, относящуюся к классу систем, имеющих единственное неустойчивое равновесие.

Этот документ организован следующим образом. В следующем разделе дается краткое математическое описание анализируемой автономной детерминированной динамической системы.В третьем разделе этой статьи дается количественная оценка хаотического движения, создаваемого анализируемой системой. В четвертом разделе описываются две конструкции схем, эквивалентных потоку, основанные на ячейке усилителя класса C с полиномиальной нелинейностью. Пятый раздел данной рукописи посвящен экспериментальной проверке построенных хаотических генераторов. Наконец, раскрываются заключительные замечания и будущие возможные темы.

2. Математическая основа

Принципиальная структура однотранзисторного усилителя класса C представлена ​​на рис. 1(a).Для полезных сигналов эту сеть можно перерисовать в виде вычислительной модели, показанной на рисунке 1(b). В своей базовой форме обе схемы являются линейными и подходят для небольших полезных сигналов. Без входного сигнала результирующая динамическая система может быть описана следующей системой обыкновенных дифференциальных уравнений:

Обратите внимание, что параметры полной проводимости биполярного транзистора считаются постоянными. Это представляет собой обычную ситуацию во многих практических приложениях.Прямая крутизна предполагается нелинейной, характеризуемой кривой, аппроксимируемой кубическим многочленом вида . Символическая форма матрицы Якоби есть, а характеристический полином, рассчитанный для одной неподвижной точки, находящейся в начале координат, равен

В дальнейшем будем считать, что точка смещения заставляет транзистор работать в режиме источника постоянного тока; IE Y 22 22 = 0 S. Кроме того, предположим, что нормированные значения накопления элементов составляют C CE = 0 F, C

3 BE = C = 1 F, L = 1 H и обратная крутизна линейна; я.е., y 12  = 1 S. С учетом этого характеристический многочлен упрощается до

.

3. Численный анализ

Все результаты численного интегрирования, представленные в этой статье, были получены с использованием метода Рунге-Кутты четырех порядков с фиксированным размером шага. Эта процедура также использовалась в качестве основы для вычисления наибольшего показателя Ляпунова (LLE) [41] вместе с ортогонализации Грама-Смита.LLE как квантор потока формирует одну функцию пригодности для неградиентной оптимизации, как это признано в работах [42, 43]. По сути, поиск хаотического решения динамической системы представляет собой многокритериальную оптимизационную задачу. Во-первых, хаотичное поведение не должно заменяться длительным переходным движением. Следовательно, LLE необходимо рассчитывать на аттракторе. Кроме того, из интересного решения необходимо удалить медленно расходящееся движение. Эти потенциально полезные результаты сохраняются и окончательно проверяются с помощью ручного анализа и визуализации аттракторов.Ограниченность численно интегрированного ω -предельного множества проверяется с помощью условия внутри сферы. Вся процедура оптимизации была реализована в MATLAB. Поскольку оценка отдельных целевых функций не связана между собой, процесс поиска можно значительно ускорить, используя параллельную обработку на основе CUDA. Тем не менее, поиск в трехмерном пространстве внутренних параметров системы по-прежнему является очень сложной операцией.

Обратите внимание, что описанная выше процедура оптимизации и ее результаты, т.е.т. е. численные значения входной проводимости транзистора и форма кубической полиномиальной прямой крутизны не имеют прямой корреляции с физической природой однокаскадного усилителя класса С. Тем не менее, проводимость является масштабируемой величиной сети (через норму импеданса), и для больших обрабатываемых амплитуд полезного сигнала свойство усиления типа насыщения биполярного транзистора является мягкой гипотезой. Конечно, нормализованное значение y 12  = 1 S указывает на сильно неодносторонний биполярный транзисторный каскад.

Были обнаружены два набора внутренних параметров, приводящих к различным формам странных аттракторов и связанной с ними нецелой размерности Каплана–Йорка D KY , а именно,

Собственные значения, связанные с неподвижной точкой для динамической системы с (6 ) и для набора (7) получаем

Следовательно, начало координат является седло-узловой точкой равновесия с индексом устойчивости 1.

На рис. 2 показаны формы типичных странных аттракторов, генерируемых динамической системой (1) с параметрами (6).Численное интегрирование было рассчитано с конечным временем 300 с и временным шагом 10 мс. Из-за симметрии векторного поля относительно горизонтальной плоскости z  = 0 имеются два зеркально отраженных странных аттрактора с одинаковой геометрической структурой. На рис. 2 также показана чувствительность к малым отклонениям начальных условий и векторного поля вблизи фиксированной точки  = (0, 0, 0) T . Для этого анализа конечное время и временной шаг были сохранены теми же. Рисунок 3 представляет собой визуализацию LLE как двумерной функции формы прямой функции крутизны.При значениях входной проводимости y 11 больше 0,6 хаос исчезает, и усилитель класса C выдает различные предельные циклы. Порядок в цепи восстанавливается за счет значительных системных рассеяний. Разумеется, о случаях с y 11  ≤ 0 не может быть и речи из-за физической сущности входной проводимости. Отметим, что скрытые аттракторы, в том числе с фрактальной геометрической размерностью, не исключаются исследованиями, представленными в данной статье.На рис. 4 показано распределение динамической энергии по объему пространства состояний, занимаемому странным аттрактором. Для визуализации локальной динамики, рассчитанной в каждой точке сетки 510 × 610, численное интегрирование проводилось до конечного времени 1 с с временным шагом 10 мс. Диапазоны значений для отдельных ребер одинаковы:  ∈ (–2,5, 2,5) и  ∈ (–3, 3).

На рис. 5 представлена ​​информация о форме странного аттрактора, если динамическая система (1) имеет внутренние параметры (7). Он сильно напоминает так называемый аттрактор с двойным крючком, который может быть сгенерирован схемой Чуа с тремя действительными собственными значениями, связанными с фиксированной точкой, расположенной в начале координат [44].В отличие от схемы Чуа, здесь есть два сосуществующих двойных крючка. Также обратите внимание на эволюцию двух соседних орбит во времени: разница видна спустя довольно долгое время; около 120 с проходит до сдвига фазы и 170 с истекает до наблюдения экспоненциального расхождения.

3.1. Случай дробного порядка

В последнее время открытие и представление новой хаотической динамической системы обычно поддерживается численным анализом описания математической модели в условиях дробности; то есть одно или все дифференциальные уравнения имеют нецелочисленный порядок.Такое исследование может быть выполнено на трех уровнях. Первый уровень является чисто математическим и включает в себя дискретизацию обыкновенных [45] или дифференциальных уравнений в частных производных [46] и выполнение итераций. Этот численный подход хорошо подходит как для хаотической [47–49], так и для гиперхаотической [50, 51] динамики. Второй уровень заключается в моделировании элемента схемы дробного порядка (FO) в виде двухполюсника или двухпорта с использованием подходящего программного обеспечения для схемотехники, такого как OrCAD PSpice или Multisim. Оба класса волоконно-оптических элементов (часто называемых элементами с постоянной фазой из-за их фундаментальных свойств, поддерживающих постоянный фазовый сдвиг между откликом и движущей силой) можно считать либо идеальными, либо аппроксимированными в частотной области.Чтобы получить точную аппроксимацию двухвыводного полностью пассивного элемента оптоволоконной схемы, можно обратиться к статье [52]. Процедура проектирования аппроксимированного двухпортового оптоволоконного элемента представлена ​​во всестороннем исследовании [53]. Поскольку хаотический сигнал является широкополосным, указанные приближения должны быть справедливы, по крайней мере, в пределах одного и того же частотного диапазона. Чтобы избежать трудоемких расчетов, в [54] можно найти пассивные лестничные ВОК конденсаторы различных математических порядков.

Из-за практически ориентированных заключительных замечаний, вытекающих из этого исследования, был принят последний метод, предназначенный для моделирования нецелого характера элементов накопления, связанных с усилителем класса C.Новая структура схемы для анализа представлена ​​на рисунке 1(c). Обратите внимание, что ВО природа элементов накопления моделируется полностью пассивными лестничными сетями, имеющими семь секций. Этого количества оказывается достаточно как с точки зрения требуемого частотного диапазона (пять декад), так и максимально допустимой фазовой ошибки (менее 1 градуса). Для повышения универсальности обозначим математический порядок аппроксимации, связанной с конденсатором C , как через k , сумму конденсаторов C  +  C ce буквой m , а математический порядок индуктора по n .Вектор состояния принимает более сложную форму

Поведение этой электронной системы с сосредоточенными параметрами однозначно определяется следующей системой обыкновенных дифференциальных уравнений: где и – напряжение на конденсаторе j th в приближении C be и C  +  C ce ВО конденсатор соответственно. Точно так же символ i cj представляет ток, протекающий через j th индуктор.Заметим, что второе, четвертое и шестое дифференциальные уравнения представлены в нашей системе k th , m th и n th раз соответственно. Очевидно, мы имеем дело с системой 3 +  k  +  m  +  n обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка. Таким образом, вместо вычисления биномиальных коэффициентов и дискретизации дифференциальных уравнений мы можем пойти стандартным путем процесса численного интегрирования.Некоторые численные результаты графически продемонстрированы на рисунке 6. Для математических порядков аппроксимированных элементов с постоянной фазой ниже 0,9 хаотическое поведение усилителя класса C исчезает, а для очень низких полных порядков схемы наблюдаются только предельные циклы. Символы α , β и δ , используемые на рисунке 6, представляют FO первого, второго и третьего дифференциального уравнения соответственно. Обсудим конкретный случай ФО, когда порядки отдельных дифференциальных уравнений равны 0.9.

Приняв численные значения, приведенные в статье [54], для математического порядка 0,9, частотный диапазон элемента с постоянной фазой может быть уменьшен с исходного интервала 10 Гц до 1 МГц. Для анализа нормализованной схемы псевдоемкость элемента с постоянной фазой будет равна 1 с 0,1 /Ф (восточно-оптический конденсатор), а псевдоиндуктивность приблизительно равна 1 с 0,1 /Ф (восточная индуктивность). Для первого случая результирующие численные значения резисторов и конденсаторов будут

. Конечно, эти значения справедливы и для второго конденсатора ВО; я.е., индекс а можно заменить на б . Индуктивность ВО может быть смоделирована значениями

LLE может быть использована для получения кусочно-линейной аппроксимации гладкого полиномиального векторного поля [55]. В нашем случае крутизну можно было бы заменить трехзвенной нечетно-симметричной функцией с параметрами

. ), приводящий к развитию устойчивого хаоса, оптимальным кусочно-линейным приближением является

. Соответствующий странный аттрактор показан на рис. 7 вместе с графиком распределения динамической энергии по трем горизонтальным плоскостям пространства состояний.Обратите внимание на высокую степень сходства аттракторов с результатами, представленными на рис. 5.

Здесь может возникнуть интересный вопрос о возможности генерации так называемых многосвитковых [56] или многосеточных [57] странных аттракторов. Такое сложное поведение связано с определенной геометрией векторного поля. Пространство состояний можно разделить на «периодическое» формирование аффинных отрезков с одинаковыми свойствами: наличием единой неподвижной точки с седло-спиральной локальной геометрией с индексом устойчивости 1.В каждом упомянутом сегменте траектория состояния притягивается к собственной плоскости и по спирали уходит в другой сегмент. Известный двойной спиральный аттрактор, наблюдаемый в осцилляторе Чуа, можно считать родоначальником этого вида движения и особого типа многоспирального аттрактора. Однако собственные значения, связанные с наборами параметров (15), равны, а для набора (16) получаем

Эти собственные значения не приводят к конфигурации векторного поля, перспективной с точки зрения генерации мультиспирального аттрактора.Кроме того, численное исследование не обнаруживает такого рода динамического движения. Во внешних областях пространства состояний, т. е. при  < – или  > , динамическая система проявляет сильную диссипацию по всем направлениям, а орбита состояний смещается к внутреннему сегменту, как показано на рис. 8.

Рис. 9 демонстрирует сложный характер бассейнов притяжение рассчитано для динамической системы (1) с группой параметров (6). Отдельные цвета различают три ω -предельных множеств: хаотический аттрактор (красный), решение, близкое к предельному циклу (зеленый), и неподвижная точка (черный).Из-за симметрии векторного поля предоставляются только горизонтальные срезы пространства состояний, имеющие z  ≥ 0. На рис. 10 представлены те же графики, но относящиеся к набору параметров (7).

При введении постоянного члена в полиномиальную функцию неподвижная точка, находящаяся в начале координат, превращается в виртуальную. При малых значениях параметра c это равновесие с менее динамичной системой по-прежнему порождает странные аттракторы, подобные исходному. Таким образом, происходит наложение обнаруженной хаотической динамической системы на довольно редкие случаи отсутствия равновесия.

4. Проектирование схемы

Чтобы соответствовать основным критериям представления новой хаотической системы [58], необходимо доказать структурную устойчивость желаемого странного аттрактора. Из-за ограниченной способности человеческого глаза улавливать кратковременные переходные движения, практическое построение и лабораторная проверка хаотического осциллятора — лучший способ продемонстрировать такую ​​стабильность.

Если известна система обыкновенных дифференциальных уравнений и численные значения внутренних параметров, то задача синтеза схемы относится к простым и понятным задачам с множеством правильных решений.Если минимизация элементов схемы не является приоритетом дизайна, мы можем следовать концепции аналоговых компьютеров. Требуется всего три строительных блока: инвертирующие интеграторы, дифференциальные усилители и двухполюсники с нелинейной передаточной характеристикой. Конечная сеть может работать как в режиме напряжения [59, 60], так и в режиме тока [61]. При определенных обстоятельствах результирующая схема может быть упрощена заменой пассивных двухполюсников [62]. Более сложные нелинейные кривые передачи могут быть реализованы цифровыми подсхемами [63].Метод, ведущий к полной реализации хаотического генератора на кристалле, можно найти в примере в статье [64]. Схемная реализация хаотического осциллятора на основе модели (1) показана на рисунке 11(а). Он содержит два операционных усилителя с обратной связью по напряжению TL082, операционный усилитель с обратной связью по току с узлом частотной компенсации (TZ) AD844 и два четырехквадрантных аналоговых умножителя AD633 с универсальной передаточной функцией по напряжению  =  K ⋅( – ) ( – ). Все переменные состояния легко измеряются как напряжения на выходе инвертирующих интеграторов.Схема питается симметричным источником напряжения ±15 В. Динамическое поведение этой сети описывается следующей системой обыкновенных дифференциальных уравнений: где K  = 0,1 представляет собой внутренне урезанную передаточную константу множителя.


Неидеальные и паразитные свойства используемых активных устройств явно ограничивают частотный спектр генерируемого сигнала. Это может быть особенно важно в случае генераторов, где выходные сигналы (переменные состояния) представляют собой широкополосные шумоподобные хаотические сигналы.К счастью, постоянную времени разработанного хаотического генератора можно сократить, а результирующие формы сигналов можно оценить как с помощью подходящего симулятора схемы, так и с помощью лабораторных измерений. Из-за лучшего соответствия между теоретическими ожиданиями и анализом схемы для этой цели использовалась программа OrCAD PSpice. Отдельные активные элементы были смоделированы с использованием третьего уровня абстракции, а влиятельные паразитные свойства были параметрически просчитаны. С точки зрения проектируемой схемы, наиболее проблемной частью является AD633, демонстрирующий сильно искаженные вход-выходные характеристики при постоянной времени хаотического генератора менее 1  мкс с.Дальнейшее интересное чтение по этой теме можно найти в [65].

Рисунок 11(b) напоминает принцип двойственности и построение схемы, которая двойственна рисунку 1(b). Он состоит из двух источников напряжения, управляемых током, но только z 21 ( i 1 ) является нелинейным. Эта цепь описывается теми же дифференциальными уравнениями, что и (1), но после рассмотрения двойных переменных (напряжения/токи) и параметров (адмиттансов/полных сопротивлений). Подробно, где вектор состояния принимает вид x  = ( i 1 , i 2 , ) T .Прямая схемотехническая реализация описания состояния усилителя класса C (1) представлена ​​на рисунке 11(c). Соответствующая система обыкновенных дифференциальных уравнений представляет собой крутизну операционного усилителя крутизны LM13700, точно регулируемую внешним постоянным током. Поскольку искомые странные аттракторы расположены внутри куба с ребрами ±3 В, динамический диапазон интегральной схемы LM13700 не представляет проблемы. Вся хаотическая цепь может питаться симметричным напряжением ±15 В.Чтобы изменить выходной ток LM13700, необходимо поменять местами узлы входного напряжения.

5. Экспериментальная проверка

Хаотический осциллятор, предложенный в предыдущем разделе, был построен с использованием макета; см. рис. 12. Для экспериментальной проверки постоянная времени была установлена ​​равной τ  = 10  μ с. Этот факт приводит к выбору всех конденсаторов 10 NF и, используя базовые расчеты, значения оставшихся пассивных компонентов: R 1 = 50 кОм, R 2 = 10 кОм, R 3 = 3 .9 кОм, R 4  = 10 кОм, R 5  = 127 Ом и R 6  0=. Чтобы проследить эволюцию хаоса, переменными считаются два резистора, а именно R 3 (параметр b ) и R 5 (параметр a ). На рис. 12 также показана реализация печатной платы двухполюсника, описываемого параметрами полной проводимости, с полностью регулируемыми крутизнами; т. е. формы обоих и могут быть отрегулированы независимо.Результаты отдельных измерений представлены на рисунках 13–16.

6. Заключение

Начиная с очень простой математической модели усилителя класса C с одним биполярным транзистором, были обнаружены два геометрически различных странных аттрактора. Есть два условия развития хаоса: неодносторонность и нелинейная прямая крутизна транзистора. Численный анализ включает расчет LLE, распределения энергии и бассейнов притяжения.

На основе этого открытия в рамках этой статьи разработан и экспериментально проверен надежный генератор хаоса.Реализация схемы соответствует концепции аналогового компьютера и использует дешевые и коммерчески доступные активные элементы. При экспериментальной проверке наблюдались несколько различных форм самовозбуждающихся странных аттракторов.

Проблема, решенная в данной работе, открывает новые темы для будущих исследований. Например, существование хаоса в обычных строительных блоках, предназначенных для обработки аналоговых сигналов, таких как многокаскадные усилители, каскоды, токовые зеркала и дифференциальные усилители, можно доказать с помощью того же полностью численного подхода, который предложен в этой статье.Также, сосредоточившись на топологии усилителя класса С, можно локализовать «хаотичные» конфигурации внутренних параметров, тесно связанные со стандартным режимом работы. Особое внимание следует уделить многообещающим случаям, когда обратная крутизна очень мала. Наконец, входной сигнал как движущая сила действует как дополнительная степень свободы, которая может увеличить общую вероятность хаотического решения.

Доступность данных

В этой рукописи представлены две группы результатов (выходных данных).1. Вытекающие из численных процедур, используемых для математического анализа исследуемой динамической системы (интегрирование траекторий состояний, свойств чувствительности, вычисление наибольшего показателя Ляпунова и визуализация областей притяжения). 2. Экспериментальная проверка разработанного хаотического генератора. Этот тип вывода можно повторно смоделировать с помощью симулятора схем OrCAD PSpice. В обоих случаях исходные файлы, схемы и профили моделирования могут быть отправлены кандидатам на основании запроса по электронной почте, отправленного автору этой статьи, то есть [email protected] Пожалуйста, не стесняйтесь обращаться к автору также в случае возникновения вопросов, предложений и замечаний. Подробности о входных параметрах для численных процедур можно найти в основной части статьи.

Конфликт интересов

Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов в связи с публикацией данной статьи.

Благодарности

Автор хотел бы поблагодарить д-ра Томаса Готтанса за его многолетнюю поддержку, много полезных советов и рекомендаций относительно концепции этой статьи.Исследование, описанное в этой статье, финансировалось Грантовым агентством Чешской Республики в рамках проекта №. 19-22248С. Для исследований использовалась инфраструктура Центра SIX.

Транзисторные усилители — инженерные проекты

В конфигурации PNP с общим эмиттером эмиттер транзистора является клеммой, общей как для входной, так и для выходной стороны. Сигнал, который необходимо усилить, подается между базой и эмиттером, образуя входную цепь, в то время как усиленное выходное напряжение формируется через импеданс нагрузки в коллектор-эмиттер, образуя выходную цепь.На рис. 1 показана базовая схема усилителя CE с использованием нагрузочного резистора RC. Усиление тока большого сигнала | Конфигурация PNP-транзистора с общим эмиттером В транзисторе CB IE формирует входной ток, а IC…

Подробнее

Здесь, в этой статье, мы собираемся обсудить характеристические кривые транзистора CB, такие как кривая статической входной и статической выходной характеристик транзистора CB (общая база). Характеристические кривые транзистора в конфигурации с общей базой На рисунке 1 показан PNP-транзистор, подключенный в конфигурации с общей базой (CB).База — это клемма, общая для входной и выходной стороны, и эта клемма заземлена. Тогда у нас остаются две переменные напряжения, а именно VEB и VCB. Далее текущий IB игнорируется, т.к. это не что иное, как…

Подробнее

В этой статье вы узнаете об эффективности эмиттера, коэффициенте переноса базы, раннем эффекте, динамическом сопротивлении эмиттера и усилителе транзистора. Что вы подразумеваете под усиливающим действием транзистора? Транзистор может выполнять различные функции, но в основном он используется для усиления электрического сигнала.На рис. 1 показана базовая схема транзисторного усилителя PNP в конфигурации с общей базой (CB). Однако мы можем использовать NPN-транзистор и получить те же результаты. На рисунке 1 транзистор смещен для работы в активной области, т. е. JE равен…

. Подробнее

На рис. 1 показаны различные составляющие тока pnp-транзистора, работающего в активной области. Весь эмиттерный ток IE состоит из двух частей (i) дырочного тока IpE, переносимого дырками, диффундирующими через JE от эмиттера p-типа к базе n-типа, и (ii) электронного тока InE, переносимого диффузией электронов через JE от базы n-типа к эмиттер p-типа.Отношение равно где и — соответственно проводимость области эмиттера p-типа и области основания n-типа. Обычно > . Следовательно, в pnp-транзисторе IpE>>Inr и, следовательно, мы можем пренебречь…

Подробнее

Биполярный переходной транзистор (BJT) является продолжением PN-диода. Это трехслойный полупроводниковый прибор с двумя переходами. Кроме того, это биполярное устройство, т. е. ток переносится двумя типами носителей заряда, а именно электронами и дырками, и поэтому устройство называется биполярным переходным транзистором.BJT в основном используется в качестве усилителя, то есть в качестве схемы для усиления или увеличения величины периодического или а-периодического напряжения или тока. Переходной транзистор может быть типа PNP или NPN и…

Подробнее

В двухтактном усилителе класса B выходной ток (ток коллектора) протекает только в течение половины периода входного сигнала. Следовательно, искажения чрезмерны. Таким образом, несимметричная работа невозможна в аудиоусилителях класса B. Аудиоусилитель класса B (ненастроенный) обязательно должен использовать двухтактный режим для уменьшения искажений.По сути, в двухтактном усилителе класса B один транзистор Q1 проводит в течение одного полупериода, а другой транзистор, а именно Q2, проводит в течение другого полупериода. Усилители мощности класса А могут использовать как несимметричные, так и импульсные…

Подробнее

В усилителе мощности, использующем только один транзистор, называемом несимметричным усилителем, несмотря на всю тщательность конструкции и эксплуатации, возникают заметные искажения из-за нелинейности передаточных характеристик. Такое искажение можно значительно уменьшить, используя двухтактный режим с двумя транзисторами в одном каскаде, как показано на рисунке 1.В двухтактном усилителе входной сигнал подается на вход двух транзисторов через трансформатор TR1 с отводом от середины. Тогда напряжения V1 и V2 на двух половинах центра…

Подробнее

Отрицательная обратная связь, несомненно, снижает коэффициент усиления усилителя. Несмотря на этот недостаток, отрицательная обратная связь широко используется в усилителях из-за ее различных достоинств, обсуждаемых ниже. Стабильность усиления Отрицательная обратная связь приводит к повышенной стабильности усиления усилителя, несмотря на изменения значений компонентов схемы и параметров устройства (BJT и FET), вызванные такими факторами, как изменение температуры, старение, замена компонентов схемы и изменение напряжения питания. .Рассмотрим уравнение обратной связи: Обычно мы сохраняем . Тогда уравнение обратной связи сводится к…

Подробнее

Что такое обратная связь? Что такое обратная связь в усилителе? Обратная связь: обратная связь — явление универсального значения, поэтому она вошла в общий лексикон. Итак, рассмотрим следующую ситуацию: вы офицер. Вы поручили подчиненному выполнить определенную работу. Через какое-то время человек информирует вас о состоянии задания, выполнено ли оно удовлетворительно или есть какие-то трудности.Таким образом, информация представляет собой обратную связь. Вы определенно хотите, чтобы эта обратная связь гарантировала, что работа была сделана; если нет, то какие корректирующие меры должны быть приняты…

Подробнее

Максимальный КПД цепи коллектора класса А Эффективность преобразования усилителя Усилитель потребляет переменный ток. мощность от источника постоянного тока (питание коллектора VCC в усилителе CE) и преобразует часть его в полезную мощность переменного тока. мощность, отдаваемая импедансу нагрузки. Отношение переменного тока выходная мощность постоянного тока мощность от источника питания на выходе называется эффективностью преобразования, также называемой эффективностью коллекторной цепи в случае усилителя CE и обозначается греческой буквой .Таким образом,           ……(1) Для настоящего анализа мы предполагаем сопротивление…

Подробнее

Транзисторный усилитель рабочий, теория. Конструкция усилителя с RC-цепочкой, практическая принципиальная схема

Усилитель

— это схема, которая используется для усиления сигнала. Входным сигналом усилителя будет ток или напряжение, а выходным сигналом будет усиленная версия входного сигнала. Схема усилителя, основанная исключительно на транзисторе или транзисторах, называется транзисторным усилителем.Транзисторные усилители обычно используются в таких приложениях, как RF (радиочастота), аудио, OFC (оптоволоконная связь) и т. Д. В любом случае наиболее распространенным применением, которое мы видим в нашей повседневной жизни, является использование транзистора в качестве усилителя звука. Как вы знаете, обычно используются три конфигурации транзисторов: общая база (CB), общий коллектор (CC) и общий эмиттер (CE). В конфигурации с общей базой коэффициент усиления меньше единицы, а в конфигурации с общим коллектором (эмиттерный повторитель) коэффициент усиления почти равен единице).Повторитель с общим эмиттером имеет положительный коэффициент усиления, превышающий единицу. Таким образом, конфигурация с общим эмиттером чаще всего используется в аудиоусилителях. В этой статье мы узнаем больше о транзисторных усилителях.

Хороший транзисторный усилитель должен иметь следующие параметры; высокий входной импеданс, большая ширина полосы, высокий коэффициент усиления, высокая скорость нарастания, высокая линейность, высокая эффективность, высокая стабильность и т. д. Приведенные выше параметры объясняются в следующем разделе.
Входной импеданс: Входной импеданс — это импеданс источника входного напряжения, когда он подключен ко входу транзисторного усилителя.Чтобы схема транзисторного усилителя не нагружала источник входного напряжения, схема транзисторного усилителя должна иметь высокое входное сопротивление.

Пропускная способность.

Диапазон частот, который усилитель может правильно усилить, называется полосой пропускания этого конкретного усилителя. Обычно полоса пропускания измеряется на основе точек половинной мощности, т. е. точек, в которых выходная мощность становится половиной пиковой выходной мощности на графике зависимости частоты от выходной мощности. Проще говоря, пропускная способность — это разница между нижней и верхней половиной мощности.Ширина полосы частот хорошего аудиоусилителя должна быть от 20 Гц до 20 кГц, потому что это диапазон частот, слышимых человеческим ухом. Частотная характеристика одноступенчатого транзистора с RC-связью показана на рисунке ниже (рис. 3). Точки, отмеченные P1 и P2, являются точками нижней и верхней половины мощности соответственно.

Частотная характеристика усилителя с RC-цепочкой
Усиление.

Коэффициент усиления усилителя – это отношение выходной мощности к входной мощности. Он показывает, насколько усилитель может усилить данный сигнал.Усиление может быть просто выражено в числах или в децибелах (дБ). Прирост числа выражается уравнением G = P out / Pin . В децибелах усиление выражается уравнением Усиление в дБ = 10 log (P из / P из ). Здесь Pout — выходная мощность, а Pin — входная мощность. Усиление также может быть выражено через выходное напряжение/входное напряжение или выходной ток/входной ток. Усиление напряжения в децибелах можно выразить с помощью уравнения Av в дБ = 20 log (V из / V из ), а усиление тока в дБ можно выразить с помощью уравнения Ai = 20 log (I из / I в ).

Получение прибыли.

G = 10 log (P из / P из )………(1)

Пусть P из = V из / R из и P из = V из / R из . Где V out — выходное напряжение V in — входное напряжение, Pout — выходная мощность, P in — входная мощность, R in — входное напряжение и R out — выходное сопротивление. .Подставив это в уравнение 1, мы получим
G = 10 log (V из² /R из ) / (V in² /R из )………….(2)

Пусть R из = R из , тогда уравнение 2 становится

G = 10 log (Vout²/Vin²)
, т. е.
G = 20 log (Vout/Vin)

Эффективность.

Эффективность усилителя показывает, насколько эффективно усилитель использует источник питания. Проще говоря, это мера того, сколько энергии от источника питания полезно преобразуется в выходную мощность.КПД обычно выражается в процентах, и уравнение выглядит следующим образом: ζ = (P из / P s ) x 100. Где ζ — это эффективность, P из — выходная мощность, а P s — мощность, потребляемая от источник питания.

Транзисторные усилители

класса A имеют КПД до 25%, класс AB — до 55%, класс C — до 90%. Класс A обеспечивает отличное воспроизведение сигнала, но эффективность очень низкая, а класс C имеет высокую эффективность, но плохое воспроизведение сигнала.Класс AB находится между ними, поэтому он обычно используется в аудиоусилителях.

Стабильность.

Стабильность – это способность усилителя противостоять колебаниям. Эти колебания могут быть высокоамплитудными, маскирующими полезный сигнал, или очень малоамплитудными высокочастотными колебаниями в спектре. Обычно проблемы со стабильностью возникают при работе на высоких частотах, около 20 кГц в случае аудиоусилителей. Добавление сети Зобеля на выходе, обеспечение отрицательной обратной связи и т. д. повышает стабильность.

Скорость нарастания.

Скорость нарастания усилителя — это максимальная скорость изменения выходного сигнала в единицу времени. Он показывает, насколько быстро выходной сигнал усилителя может изменяться в зависимости от входного сигнала. Проще говоря, это скорость усилителя. Скорость нарастания обычно выражается в В/мкс, и формула выглядит следующим образом:

Линейность.

Усилитель называется линейным, если существует линейная зависимость между входной мощностью и выходной мощностью.Он представляет собой неравномерность усиления. 100% линейность практически невозможна, так как усилители, использующие активные устройства, такие как биполярные транзисторы, полевые транзисторы или полевые МОП-транзисторы, имеют тенденцию терять усиление на высоких частотах из-за внутренней паразитной емкости. В дополнение к этому входные развязывающие конденсаторы по постоянному току (присутствующие почти во всех практических схемах аудиоусилителей) устанавливают более низкую частоту среза.

Шум.

Шум относится к нежелательным и случайным помехам в сигнале. Проще говоря, можно сказать, что это нежелательные колебания или частоты, присутствующие в сигнале.Это может быть связано с недостатками конструкции, отказами компонентов, внешними помехами, взаимодействием двух или более сигналов, присутствующих в системе, или из-за определенных компонентов, используемых в схеме.

Колебание выходного напряжения.

Колебание выходного напряжения — это максимальный диапазон, до которого может колебаться выходной сигнал усилителя. Он измеряется между положительным пиком и отрицательным пиком, а в усилителях с одним источником питания измеряется от положительного пика до земли. Обычно это зависит от таких факторов, как напряжение питания, смещение и номинал компонентов.

RC-усилитель с общим эмиттером.

Усилитель с RC-связью с общим эмиттером является одним из самых простых и элементарных транзисторных усилителей, которые можно изготовить. Не ожидайте большого бума от этой маленькой схемы, основной целью этой схемы является предварительное усиление, то есть сделать слабые сигналы достаточно сильными для дальнейшей обработки или усиления. При правильной конструкции этот усилитель может обеспечить отличные характеристики сигнала. Принципиальная схема однокаскадного усилителя с RC-связью с общим эмиттером на транзисторе показана на рис.1.

Усилитель с RC-цепочкой

Конденсатор Cin — это входной развязывающий конденсатор по постоянному току, который блокирует любую постоянную составляющую, если она присутствует во входном сигнале, от достижения базы Q1. Если какое-либо внешнее постоянное напряжение достигнет базы транзистора Q1, это изменит условия смещения и повлияет на характеристики усилителя.

R1 и R2 — резисторы смещения. Эта цепь обеспечивает базу транзистора Q1 необходимым напряжением смещения, чтобы перевести его в активную область. Область работы, в которой транзистор полностью выключен, называется областью отсечки, а область работы, в которой транзистор полностью включен (как замкнутый переключатель), называется областью насыщения.Область между отсечкой и насыщением называется активной областью. См. рис. 2 для лучшего понимания. Для правильной работы транзисторного усилителя он должен работать в активной области. Давайте рассмотрим эту простую ситуацию, когда у транзистора нет смещения. Как мы все знаем, кремниевый транзистор требует 0,7 вольта для включения, и эти 0,7 вольта, несомненно, будут взяты транзистором из входного аудиосигнала. Таким образом, все части входного сигнала с амплитудой ≤ 0,7 В будут отсутствовать в выходном сигнале.С другой стороны, если транзистор имеет сильное смещение на базе, он войдет в состояние насыщения (полностью включен) и будет вести себя как замкнутый переключатель, так что любое дальнейшее изменение тока базы из-за входного аудиосигнала не вызовет любые изменения на выходе. Напряжение между коллектором и эмиттером в этих условиях будет 0,2 В (Vce sat = 0,2 В). Вот почему для правильной работы транзисторного усилителя требуется правильное смещение.

Выходные характеристики BJT

Cout — выходной развязывающий конденсатор по постоянному току.Он предотвращает попадание любого напряжения постоянного тока в последующую стадию с текущей ступени. Если этот конденсатор не используется, выходной сигнал усилителя (Vout) будет ограничен уровнем постоянного тока на коллекторе транзисторов.

Rc — резистор коллектора, а Re — резистор эмиттера. Значения Rc и Re выбраны таким образом, чтобы 50% Vcc падало на коллектор и эмиттер транзистора. Это делается для того, чтобы рабочая точка располагалась в центре линии нагрузки.40 % Vcc отбрасывается через Rc, а 10 % Vcc отбрасывается через Re. Более высокое падение напряжения на Re уменьшит размах выходного напряжения, поэтому общепринятой практикой является поддержание падения напряжения на Re = 10% Vcc . Ce — эмиттерный обходной конденсатор. При нулевом сигнале (т. е. при отсутствии входа) через Re протекает только ток покоя (устанавливаемый смещающими резисторами R1 и R2). Этот ток представляет собой постоянный ток величиной в несколько миллиампер, и Ce ничего не делает. При подаче входного сигнала транзистор усиливает его, в результате чего через Re протекает соответствующий переменный ток.Работа Ce состоит в том, чтобы обойти эту переменную составляющую тока эмиттера. Если Се отсутствует, весь эмиттерный ток будет протекать через Re, что приведет к большому падению напряжения на нем. Это падение напряжения добавляется к Vbe транзистора, и настройки смещения будут изменены. На самом деле, это все равно, что давать сильную отрицательную обратную связь, и поэтому резко снижает прибыль.

Конструкция усилителя с RC-связью.

Конструкция однокаскадного усилителя с RC-связью показана ниже.

Номинальные значения тока коллектора Ic и hfe можно получить из паспорта транзистора.

Дизайн Re и Ce.

Пусть напряжение на Re; V Re = 10%V см3 …………. (1)

Напряжение на Rc; V Rc = 40% V куб.см. ……………..( 2 )

Оставшиеся 50% упадут на коллектор-эмиттер.

Из (1) и (2) R c = 0,4 (V куб. см / I c ) и Re = 01 (V куб. см / I c ).

Конструкция R1 и R2.

Базовый ток I b = I c / hfe.

Пусть I c ≈ I e .

Пропустить ток через R1; I R1  = 10I б.

Также напряжение на R2 ; V R2 должен быть равен V be + V Re. От этого VR2 можно найти.

Следовательно, V R1 = V cc -V R2. Поскольку VR1, VR2 и IR1 найдены, мы можем найти R1 и R2, используя следующие уравнения.

R1 = V R1 /I R1 и R2 = V R2 /I R1.

Обнаружение Ce.

Импеданс эмиттерного шунтирующего конденсатора должен составлять одну десятую от Re.

т. е. XCe = 1/10 (Re) .

Также X Ce = 1/2∏F Ce.

F можно выбрать равным 100 Гц.

Из этого Ce можно найти.

Обнаружение Цин.

Полное сопротивление входного конденсатора (C в ) должно составлять одну десятую входного сопротивления транзисторов (R в ).

т. е. X Cin = 1/10 (R в )

Rin = R1 параллельно R2 параллельно (1 + (hfe re))

относительно = 25 мВ/л e.

Xcin = 1/2∏FCin.

Из этого C в можно найти.

Обнаружение Cout.

Полное сопротивление выходного конденсатора (C out ) должно составлять одну десятую от выходного сопротивления цепи (R out ).

я.e, XC из = 1/10 (R из ).

рэндов из = рэндов c.

X Cвыход = 1/2∏FC выход.

Отсюда можно найти Cout.

Настройка усиления.

Установка подходящего нагрузочного резистора RL между коллектором транзистора и землей задаст коэффициент усиления. Это не показано на рис. 1.

Выражение для коэффициента усиления по напряжению (A v ) транзисторного усилителя с общим эмиттером выглядит следующим образом.

A v = -( rc / re )

относительно = 25 мВ/л e

и rc = R c параллельно RL

Из этого RL можно найти.

Завершение!

Итак, мы увидели так много подробностей о транзисторных усилителях и о том, как они работают. Мы также рассмотрели теоретическую часть, основные расчеты и концепции. Примените это в своей кривой обучения.

 

 

транзистор

в качестве усилителя | Electrical4U

Транзистор представляет собой полупроводниковое устройство с тремя выводами, а именно., эмиттер (E), база (B) и коллектор (C) и, таким образом, имеет два перехода, а именно: переход база-эмиттер (BE) и переход база-коллектор (BC), как показано на рисунке 1a. Такое устройство может работать в трех различных областях, а именно: отсечка, активная зона и зона насыщения. Транзисторы полностью закрыты в области отсечки и полностью открыты при работе в области насыщения.

Однако, хотя они работают в активной области, они действуют как усилители, т. е. их можно использовать для увеличения уровня входного сигнала без его существенного изменения.Причину такого поведения можно понять, проанализировав работу транзистора с точки зрения носителей заряда. Для этого рассмотрим npn-транзистор с биполярным переходом (BJT), смещенный для работы в активной области (переход BE смещен в прямом направлении, а переход BC смещен в обратном направлении), как показано на рисунке 1b.

Здесь, как правило, эмиттер будет сильно легирован, база будет легирована слабо, а коллектор будет умеренно легирован. Далее база будет узкой, эмиттер будет шире, а коллектор будет намного шире.

Прямое смещение, прикладываемое между выводами базы и эмиттера транзистора, вызывает протекание тока базы I B в область базы. Однако его величина меньше (обычно в мкА, поскольку V BE в целом составляет около 0,6 В).

Это можно рассматривать как движение электронов из базовой области или инжекцию дырок в базовую область в эквивалентном смысле. Кроме того, эти инжектированные дырки притягивают к себе электроны в области эмиттера, что приводит к рекомбинации дырок и электронов.

Однако из-за меньшего легирования базы по сравнению с эмиттером будет больше электронов по сравнению с дырками. Таким образом, даже после рекомбинационного эффекта гораздо больше электронов останется свободным. Эти электроны теперь пересекают узкую базовую область и движутся к выводу коллектора под влиянием смещения, приложенного между коллектором и базовыми областями.

Это не что иное, как ток коллектора I C , идущий в коллектор. Отсюда можно заметить, что, изменяя ток, втекающий в область базы (I B ), можно получить очень большое изменение тока коллектора, I C .Это не что иное, как усиление тока, из чего можно сделать вывод, что npn-транзистор, работающий в своей активной области, действует как усилитель тока. Соответствующий коэффициент усиления по току может быть математически выражен как:

Теперь рассмотрим npn-транзистор с входным сигналом, подаваемым между его выводами базы и эмиттера, в то время как выходной сигнал собирается через нагрузочный резистор RC, подключенный через выводы коллектора и базы, как показано на рисунке 2.

Теперь рассмотрим npn-транзистор с входным сигналом, подаваемым между его выводами базы и эмиттера, в то время как выходной сигнал собирается через нагрузочный резистор RC, подключенный к выводам коллектора и базы, как показано на рисунке 2. .

Обратите внимание, что работа транзистора в его активной области всегда обеспечивается за счет использования соответствующих источников напряжения, V EE и V BC . Здесь небольшое изменение входного напряжения V в заметно изменяет ток эмиттера I E , поскольку сопротивление входной цепи низкое (из-за условия прямого смещения).

Это, в свою очередь, изменяет ток коллектора почти в тех же пределах из-за того, что величина тока базы для рассматриваемого случая значительно меньше.Это большое изменение в I C вызывает большое падение напряжения на нагрузочном резисторе R C , которое представляет собой не что иное, как выходное напряжение.

Следовательно, можно получить усиленную версию входного напряжения на выходных клеммах устройства, что приводит к выводу, что схема действует как усилитель напряжения. Математическое выражение для коэффициента усиления по напряжению, связанного с этим явлением, имеет вид

. Хотя приведено объяснение для npn BJT, подобная аналогия верна даже для pnp BJT.Следуя тем же соображениям, можно объяснить усиливающее действие другого типа транзистора, а именно полевого транзистора (FET). Кроме того, следует отметить, что существует много вариантов схемы усилителя транзисторов, таких как

  1. Первый набор: конфигурация с общей базой/затвором, конфигурация с общим эмиттером/источником, конфигурация с общим коллектором/стоком
  2. Второй набор: усилители класса А, Усилители класса B, усилители класса C, усилители класса AB
  3. Третий набор: однокаскадные усилители, многокаскадные усилители и т. д.Однако основной принцип работы остается прежним.

Карта транзисторных усилителей | LJ Create

Страна

CountryAfghanistanAlbaniaAlgeriaAmerican SamoaAndorraAngolaAnguillaAntarcticaAntigua и BarbudaArgentinaArmeniaArubaAustraliaAustriaAzerbaijanBahamasBahrainBangladeshBarbadosBelarusBelgiumBelizeBeninBermudaBhutanBoliviaBonaire, Синт-Эстатиус и SabaBosnia и HerzegovinaBotswanaBouvet IslandBrazilBritish Индийский океан TerritoryBrunei DarussalamBulgariaBurkina FasoBurundiCambodiaCameroonCanadaCape VerdeCayman IslandsCentral Африканский RepublicChadChileChinaChristmas IslandCocos IslandsColombiaComorosCongo, Демократическая Республика theCongo, Республика theCook IslandsCosta RicaCroatiaCubaCuraçaoCyprusCzech RepublicCôte d’IvoireDenmarkDjiboutiDominicaDominican RepublicEcuadorEgyptEl SalvadorEquatorial GuineaEritreaEstoniaEswatini (Свазиленд) EthiopiaFalkland островаФарерские островаФиджиФинляндияФранцияФранцузская ГвианаФранцузская ПолинезияФранцузские Южные ТерриторииГабонГамбияГрузияГерманияГанаГибралтарГрецияГренландияГренадаГваделупаГуамГватемалаГернсиГвинеяГвинея-БиссауГай anaHaitiHeard и McDonald IslandsHoly SeeHondurasHong KongHungaryIcelandIndiaIndonesiaIranIraqIrelandIsle из ManIsraelItalyJamaicaJapanJerseyJordanKazakhstanKenyaKiribatiKuwaitKyrgyzstanLao Народной Демократической RepublicLatviaLebanonLesothoLiberiaLibyaLiechtensteinLithuaniaLuxembourgMacauMacedoniaMadagascarMalawiMalaysiaMaldivesMaliMaltaMarshall IslandsMartiniqueMauritaniaMauritiusMayotteMexicoMicronesiaMoldovaMonacoMongoliaMontenegroMontserratMoroccoMozambiqueMyanmarNamibiaNauruNepalNetherlandsNew CaledoniaNew ZealandNicaraguaNigerNigeriaNiueNorfolk IslandNorth KoreaNorthern Марианской IslandsNorwayOmanPakistanPalauPalestine, штат Нью-ofPanamaPapua GuineaParaguayPeruPhilippinesPitcairnPolandPortugalPuerto RicoQatarRomaniaRussiaRwandaRéunionSaint BarthélemySaint HelenaSaint Киттс и NevisSaint LuciaSaint MartinSaint Пьер и MiquelonSaint Винсент и GrenadinesSamoaSan MarinoSao Томе и PrincipeSaudi ArabiaSenegalSerbiaSeychellesSierra LeoneSingaporeSint MaartenSlovakiaSloveniaSol OMON IslandsSomaliaSouth AfricaSouth GeorgiaSouth KoreaSouth SudanSpainSri LankaSudanSurinameSvalbard и Ян Майен IslandsSwedenSwitzerlandSyriaTaiwanTajikistanTanzaniaThailandTimor-LesteTogoTokelauTongaTrinidad и TobagoTunisiaTurkeyTurkmenistanTurks и Кайкос IslandsTuvaluUS Экваторияльная IslandsUgandaUkraineUnited Арабские EmiratesUnited KingdomUnited StatesUruguayUzbekistanVanuatuVenezuelaVietnamVirgin острова, BritishVirgin острова, U.S.Wallis and FutunaЗападная СахараЙеменЗамбияЗимбабвеАландские острова

Новый взгляд на однотранзисторный усилитель – Часть 1

Схема и технология смещения

Об однотранзисторном усилителе можно узнать так много, что это краткое руководство вряд ли коснется поверхности. В этом обсуждении рассматривается только конфигурация с общим эмиттером применительно к низкоуровневому звуку.

История

На заре существования твердотельных усилителей большой проблемой была термостабильность.Первыми доступными устройствами были германиевые PNP-транзисторы с утечкой. Утечка между коллектором и основанием часто была настолько чрезмерной, что могла вызвать тепловой разгон, поскольку утечка увеличивалась экспоненциально с ростом температуры. Классическим способом держать это под контролем была топология базового делителя-эмиттера с заглушением резистора. В ранних учебниках (включая тот, которым я пользовался в 1963 году) был подробный раздел на эту тему и математический расчет «коэффициента стабильности».

К сожалению, сейчас (около 50 лет спустя) мы все еще страдаем от пережитков этого подхода, поскольку мы продолжаем видеть появление одних и тех же схем, даже несмотря на то, что германиевые транзисторы устарели и недоступны более 30 лет, а кремниевые биполярные NPN устарели. долгое время был предпочтительным транзистором.Поскольку утечки в кремниевых устройствах настолько малы, что их практически невозможно измерить, мы можем начать все сначала.

Схема цепи автоматического смещения

Стабильная рабочая точка покоя (точка Q) может быть установлена ​​просто путем подачи на базовый делитель напряжения коллектора. Это позволяет обойтись без эмиттерного резистора. Хотя он и не идеален, он обеспечивает предсказуемые результаты и простоту. Это хорошо для транзисторов усилителя малой мощности, которые рассеивают менее 100 мВт.R1, 2 и 3 образуют базовый разделитель. Соединение R2 и 3 зашунтировано на общий провод через C2, чтобы исключить отрицательную обратную связь с коллектором — эта отрицательная обратная связь имеет тенденцию уменьшать коэффициент усиления по напряжению. Мы будем покрывать отрицательный отзыв в будущем. C1 — входной конденсатор связи, а C3 — выходной конденсатор связи — оба пропускают сигнал переменного тока, блокируя постоянную составляющую. Для работы с широким диапазоном hFE ток базы делителя находится в диапазоне от 5 до 10 * базовый ток.

Расчет рабочей точки (закон Ома)

  1. Установка напряжения коллектора: Мое практическое правило — установить его примерно на 40% от Vcc.В данном случае это 5В.
  2. Расчет тока коллектора: Ic = (Vcc – Vc) /R4 = (12В – 5В) /2,2K = 3,2 мА.
  3. Рассчитать базовый ток: Ib = Ic / hFE = 3,2 мА/200 = 16 мкА (используя общий 2N3904)
  4. Установите ток базового делителя: Id = Ib * 5 = 16 мкА * 5 = 80 мкА (хорошим коэффициентом является 5)
  5. Расчет Ir1: Ir1 = Id – Ib = 80 мкА – 16 мкА = 64 мкА
  6. Расчет R1: R1 = Vbe / Ir1 = 0,65 В / 64 мкА = 10 кОм
  7. Рассчитать R2 + R3: R23 = (Vc – Vbe) /Id = (5 – 0.65В)/80мкА = 54K
  8. Вычислить R2,3: R2 = R3 = 54K / 2 = 27K (может быть неравным, но в сумме должно быть 54K)

Данные

Используемые транзисторы имеют hFE в диапазоне от 58 до 414.
Обратите внимание на изменения Vbe: (от 0,615 до 0,708 В) Это больший диапазон, чем я ожидал.
Обратите внимание на изменения Vc: (от 4,32 до 6,67 В) Это рабочие точки покоя при комнатной температуре.)
(Значительно упадет при более высоких температурах.) hFE имел более низкий коэффициент усиления по напряжению.
(от 44,6 до 47,4 дБ) Это было более стабильно, чем ожидалось

Обновление

Данные об усилении значительно обновлены, и в результате мои наблюдения также изменились. Коэффициент усиления по напряжению (Av) удивительно стабилен по отношению к транзистору hFE — только самое низкое значение hFE показало какое-либо снижение Av.

Предыдущие данные ошибочно указывали на обратное, поскольку усилитель был опасно близок к генерации из-за фазового сдвига, вызванного низкими значениями C1 и C2, а также низким сопротивлением источника (10 Ом).В реальном мире этого бы не произошло, потому что значения конденсатора были бы выбраны для полной звуковой полосы пропускания (от 20 до 20 000 Гц).

Аттенюатор

Любители часто допускают ошибку, связанную с уровнем сигнала. Немногие генераторы функций выдают уровни сигнала, которые достаточно низки, чтобы их можно было использовать в качестве источника сигнала низкого уровня. Делитель напряжения 100:1 является необходимым дополнением к вашему генератору сигналов. Он обеспечивает достаточно низкий уровень сигнала, чтобы предотвратить искажения в усилителе с высоким коэффициентом усиления, и обеспечивает выходной сигнал с низким импедансом, облегчающий измерения.Кроме того, переменное напряжение может быть измерено на входе аттенюатора, что упрощает требования к приборам.

Графическая визуализация

Не пытайтесь согласовать это со схемой на рис. 1 — параметры (Vcc, RL, рабочая точка и т. д.) выбраны для наилучшего визуального представления.

Сигнал входного тока (справа) слегка наклонен, чтобы соответствовать наклону характеристических кривых.
Выходной ток (слева) указывает произведение входного тока на коэффициент усиления по току (hFE или ).
Выходное напряжение (внизу) показывает дельта E = дельта I * R (где дельта = изменение значения)
Можно наблюдать, как происходит отсечение сигнала — насыщение вверху слева и отсечка внизу справа.

Репликация цепи

Читателям предлагается воспроизвести мою простую схему и выводы — надеюсь, вы получите такое же удовольствие и узнаете столько же или даже больше. Требуется не так много оборудования — ознакомьтесь со следующим списком:

Протоплата

  • Небольшой источник питания постоянного тока или батарея
  • Функциональный генератор
  • Аттенюатор сигнала
  • — сделайте свой собственный
  • Цифровой мультиметр — предпочтительно тот, который может считывать мВ переменного тока, или, что еще лучше, тот, который может отображать уровень сигнала в дБ, или, возможно, классический старинный аудиовольтметр (поиск HP 403B на eBay)
  • Осциллограф — высокая производительность не нужна

Фотографии


На будущее

Часть 2 будет обсуждать неуловимое входное сопротивление (сопротивление)
Часть ?? обсудим невероятный, но простой способ значительно улучшить эту простую схему

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.