Усилитель транзистор. Транзисторный усилитель: принцип работы, классы усиления, преимущества и недостатки

Как работает транзисторный усилитель. Какие существуют классы усиления. В чем преимущества и недостатки транзисторных усилителей. Чем транзисторные усилители отличаются от ламповых. Какие характеристики важны при выборе транзисторного усилителя.

Принцип работы транзисторного усилителя

Транзисторный усилитель — это электронное устройство, которое усиливает входной электрический сигнал за счет использования полупроводниковых транзисторов. Основной принцип работы заключается в том, что небольшие изменения напряжения или тока на входе транзистора вызывают значительные изменения тока в выходной цепи.

Как это происходит? Транзистор имеет три электрода — базу, эмиттер и коллектор. При подаче небольшого тока на базу, транзистор открывается, и через него начинает протекать значительно больший ток от эмиттера к коллектору. Таким образом, слабый входной сигнал управляет сильным выходным током.

Основные этапы усиления сигнала в транзисторном усилителе:

1. Входной сигнал подается на базу транзистора
2. Изменения тока базы вызывают усиленные изменения тока коллектора
3. Усиленный сигнал снимается с нагрузки в цепи коллектора
4. Для дальнейшего усиления сигнал может проходить через несколько каскадов

За счет этого принципа транзисторные усилители способны многократно увеличивать амплитуду входного сигнала.

Классы усиления транзисторных усилителей

Существует несколько основных классов усиления, которые определяют режим работы выходных транзисторов усилителя:

Класс А

В усилителях класса А выходные транзисторы работают в активном режиме на протяжении всего периода входного сигнала. Это обеспечивает минимальные искажения, но имеет низкий КПД — около 25-30%.

Класс B

В классе B каждый из пары выходных транзисторов усиливает только половину периода сигнала. Это повышает КПД до 50-60%, но может вносить искажения при переходе через ноль.

Класс AB

Является компромиссным вариантом между классами A и B. Транзисторы работают чуть более половины периода, что снижает переходные искажения при приемлемом КПД 50-70%.

Класс D

Импульсный режим работы транзисторов, когда они переключаются между закрытым и насыщенным состояниями. Обеспечивает очень высокий КПД — до 90% и выше.

Преимущества транзисторных усилителей

Транзисторные усилители обладают рядом важных преимуществ по сравнению с ламповыми:

• Высокий КПД — до 70% в классе AB и до 90% в классе D
• Компактные размеры и малый вес
• Низкое энергопотребление
• Длительный срок службы транзисторов
• Отсутствие необходимости в высоковольтном питании
• Низкий уровень шумов и помех
• Широкий частотный диапазон

Эти достоинства сделали транзисторные усилители доминирующими на рынке бытовой аудиотехники.

Недостатки транзисторных усилителей

Несмотря на множество преимуществ, транзисторные усилители имеют и некоторые недостатки:

• Более «жесткое» звучание по сравнению с ламповыми усилителями
• Склонность к возникновению интермодуляционных искажений
• Необходимость использования цепей обратной связи для линеаризации характеристик
• Чувствительность к перегрузкам и перегреву
• Сложность ремонта из-за высокой степени интеграции компонентов

Однако современные технологии позволяют в значительной степени компенсировать эти недостатки.

Сравнение транзисторных и ламповых усилителей

Транзисторные и ламповые усилители имеют свои особенности, которые определяют их применение:

Транзисторные усилители:

• Более компактные и легкие
• Имеют высокий КПД
• Обеспечивают широкий частотный диапазон
• Дают более точное и нейтральное звучание

Ламповые усилители:

• «Мягкое» и «теплое» звучание
• Более устойчивы к перегрузкам
• Имеют характерные четные гармоники
• Требуют регулярной замены ламп

Выбор между ними часто определяется личными предпочтениями слушателя и жанром музыки.

Ключевые характеристики транзисторных усилителей

При выборе транзисторного усилителя следует обращать внимание на следующие параметры:

• Выходная мощность — определяет громкость и способность раскачать акустику
• Коэффициент нелинейных искажений — характеризует чистоту звука
• Частотный диапазон — показывает способность воспроизводить низкие и высокие частоты
• Отношение сигнал/шум — влияет на слышимость тихих звуков
• Демпинг-фактор — характеризует контроль над динамиками
• Входная чувствительность — определяет совместимость с источниками сигнала

Эти параметры позволяют оценить качество усилителя и его соответствие конкретным задачам.

Применение транзисторных усилителей

Благодаря своим преимуществам, транзисторные усилители нашли широкое применение в различных областях:

• Бытовая аудиотехника (домашние кинотеатры, стереосистемы)
• Профессиональное звуковое оборудование
• Автомобильные аудиосистемы
• Мобильные устройства (смартфоны, планшеты)
• Измерительная техника
• Радиопередающие устройства

Их использование позволяет создавать компактные и энергоэффективные устройства с высоким качеством звука.

Перспективы развития транзисторных усилителей

Технологии транзисторного усиления продолжают развиваться. Основные направления совершенствования:

• Улучшение качества звучания за счет новых схемотехнических решений
• Повышение энергоэффективности, особенно в классе D
• Миниатюризация компонентов
• Интеграция с цифровыми технологиями обработки сигнала
• Применение новых материалов для улучшения характеристик

Эти инновации позволят создавать еще более совершенные усилители, сочетающие высокое качество звука с экономичностью и компактностью.

Транзисторы или лампы?

• Главная страница
• Усилители
• Транзисторы или лампы?

Современный транзистор

Современная лампа

За всю историю создания усилителей мощности звуковой частоты разработано огромное количество схемотехнических решений.

Как показывает практика, транзисторные усилители при их правильном использовании по объективным техническим характеристикам значительно превосходят ламповые. Тем не менее, многие специалисты отдают предпочтение ламповым усилителям, несмотря на их заоблачную стоимость.

Принято считать, что ламповый усилитель имеет более правильное звучание, характеризуемое терминами «прозрачность», «четкость», «детальность» и т.д. Строго говоря, такое мнение не совсем субъективно.

Чтобы предугадать разницу в звучании ламповых и транзисторных усилителей необходимо рассмотреть на физическом уровне различия между транзисторами и лампами.

Показатели	Лампа — триод	Полевой транзистор	Биполярный транзистор
Тип проводимости	Электронная(через вакуум)	Электронная или дырочная (через канал в кристалле кремния)	Электронная или дырочная (через 2 барьера: эмиттер – база и база — коллектор)
Входная нелинейность	Отсутствует	Отсутствует на НЧ	Пропорциональна величине тока коллектора и обусловлена нелинейностью ВАХ база — эмиттер
Выходная нелинейность	Пропорциональна корню третей степени из величины тока анода	Пропорциональна квадратному корню величины тока стока	Пропорциональна величине тока коллектора
Термочувствительность	Отсутствует	Ток стока и крутизна зависят от мгновенной температуры кристалла	Ток коллектора и коэффициент усиления по току зависят от мгновенной температуры кристалла
Выходное сопротивление	В два раза меньше сопротивления нагрузки	Как правило, больше сопротивления нагрузки	Больше сопротивления нагрузки

Биполярный транзистор отличается от лампы термочувствительностью основных параметров, большей нелинейностью входных и выходных характеристик. Кроме этого, лампа превосходит транзистор удобством согласования своего внутреннего сопротивления с сопротивлением громкоговорителя. Полевой транзистор занимает среднее положение между биполярным транзистором и лампой-триодом.

На первый взгляд, в качестве усилительных элементов, предпочтительнее использовать лампы. Несмотря на кажущуюся очевидность, такое решение не является взвешенным.

На помощь транзисторам приходит схемотехническая хитрость – «отрицательная обратная связь» (ООС). Практически все усилители мощности охвачены местными и общими обратными связями. Они линеаризуют усилитель, уменьшают его выходное сопротивление, расширяют диапазон частот, делают его работу стабильной и независимой от колебаний температуры кристаллов. В итоге, транзисторные усилители обладают великолепными техническими характеристиками. Кроме того, применение биполярных и полевых транзисторов обеспечивает более высокий КПД, массогабаритные показатели и, что немало важно, существенно меньшую стоимость.

Однако не стоит забывать, что в каждом явлении имеются как положительные, так и отрицательные стороны. Интермодуляционные искажения в выходном сигнале, его размывание по времени и разрушение «фазовой картины» – плата за использование отрицательной обратной связи. Присутствие в музыкальном сигнале даже небольших по величине продуктов интермодуляции высших порядков вызывает у слушателя ощущение «металличности», «жесткости». Чаще всего такое звучание характеризуют как ненатуральное. Обилие реактивностей в усилительных каскадах приводит к «многопутевому» распространению сигнала и фазовой деструктуризации.

Размывание сигнала вызвано тем, что через цепь обратной связи он многократно возвращается на вход усилительного каскада. В результате, на выходе, помимо самого сигнала, появляется множество откликов задержанных по времени и смещенных по фазе. Время размывания сигнала для общей обратной связи может достигать 100мс и более. В итоге, наиболее заметным последствием действия на звук общей ООС является ухудшение динамики и ослабление энергичности музыкального звучания.

Необходимо отметить, что в транзисторном усилителе без ООС не обойтись, так как для того чтобы обеспечить даже скромные значения нелинейных искажений и приемлемое выходное сопротивление, усилитель на транзисторах должен иметь, как минимум, глубокие местные ООС. Местные ООС лучше чем общие ведут себя на звуке, и обеспечивают меньшие по величине задержки и более короткий период размывания сигнала. Применение качественных «звуковых» транзисторов позволяет отказаться от общей ООС и получить от усилителя «четкость», «прозрачность», «динамичность» и «энергичность» воспроизведения.

Современные ламповые и транзисторные усилители

Ламповые усилители мощности с ООС, по изложенным выше причинам, практически не используются. Тем не менее, и в них есть элемент, ухудшающий качество звучания – выходной трансформатор, который предназначен для согласования выходного сопротивления усилителя и сопротивления нагрузки. Но вред от ООС оказывается большим, чем от применения выходного трансформатора.

Причина «натурального» звучания лампового усилителя заключается в его «гениальной» простоте. При этом его стоимость может достигать нескольких сотен тысяч долларов. В силу высокой стоимости, низкого КПД и низкой выходной мощности ламповые усилители звуковой частоты сегодня интересны только истинным ценителям музыки и занимают почетное место только среди прочего Hi-End оборудования в звуковых студиях. А транзисторные усилители широко используются, поскольку имеют высокую надежность, большую выходную мощность и удобство в эксплуатации.

В настоящее время ведущими производителями усилителей мощности звуковой частоты по праву считаются Pass Labs, Unison Research, McIntosh, Accuphase, Denon, NAD, Marantz, Pioneer, Yamaha, Arcam и др.

Транзисторный усилитель класса А – энциклопедия. Сладкоголосая печка

Сладкоголосая печка

Сладкоголосая печка

В сравнительно недавнем советском прошлом термин “класс” в отношении аудиотехники не вызывал никаких двусмысленностей и воспринимался буквально – этот параметр определял уровень качества (класс) того или иного компонента. Соответственно, «в ходу» были «высший», «первый», «второй» классы и далее по списку. Однако, радиоинженеры, которые проектировали для нас эту технику, этот термин понимали совсем иначе. Как? Давайте разбираться.

В радиоэлектронике термин “класс” определяет схемотехнику и базовые принципы работы каскада усиления. Традиционно классы именуются буквами латинского алфавита, и лидирующая “A” отдана устройству, с которого началась более чем столетняя история электронного звукоусиления. В 1916 году инженер Эрнст Александерсон, работающий в американской компании General Electric, получил патент, в котором впервые был изложен принцип усиления электрического сигнала. Конечно, в то время никаких транзисторов ещё не было, и речь в патенте шла о работе электронной лампы – вакуумного триода. Напомним суть работы триода – внутри колбы, из которой откачан воздух, размещаются электроды катода и анода, а также управляющая сетка между ними. Если к электродам приложить напряжение, то между ними возникает поток электронов, движущихся от катода к аноду. Прикладывая потенциал к управляющей сетке можно менять интенсивность этого потока – чем выше этот потенциал, тем менее насыщенным будет поток. То есть, фактически напряжение на сетке модулирует напряжение между катодом и анодом. При определенном значении напряжения на управляющей сетке поток электронов вовсе иссякнет – триод закроется. Если управляющую сетку рассматривать как вход, а к катоду и аноду подключить нагрузку, то перед нами будет простейший усилительный каскад.

И здесь есть одна проблема. Дело в том, что звуковой электрический сигнал является переменным – то есть, имеет как положительную, так и отрицательную полуволны. Когда на управляющей сетке оказывается положительная полуволна, триод её точно повторяет на выходе с большей амплитудой, как и задумано. Но когда подходит очередь отрицательной полуволны триод остается в закрытом состоянии, фактически обрезая половину сигнала, что, по понятным причинам, допускать никак нельзя. Чтобы этого не случалось было предложено сместить уровень входного сигнала, принятый за “ноль”, в середину рабочего диапазона усилительного элемента. То есть, обрабатывая положительную полуволну, триод открывается сильнее от середины своего рабочего диапазона, а при работе с отрицательной полуволной начинает закрываться от той же отметки – вплоть до полного закрытия или открытия в первом случае. Это и есть усилительный каскад, работающий в классе A.

Когда в 1928 году был изобретён полевой транзистор, а в 1947 году благодаря усилиям компании Bell Labs свет увидел его биполярный собрат, принципы работы усилительных каскадов в своих базовых моментах не изменились. Как известно, транзистор (например, биполярный) способен регулировать ток между эмиттером и коллектором (ток коллектора) в зависимости от тока между эмиттером и базой (ток базы или управляющий ток). Таким образом, транзисторы вполне могли заменить вакуумные лампы, обладая существенными преимуществами. Прежде всего, они были намного компактнее – достаточно вспомнить, что размер современных бескорпусных транзисторов в интегральных микросхемах исчисляется в нанометрах. Кроме того, транзисторы более энергоэффективны – им не нужны цепи накала, которые дали вакуумным радиоэлементам название “лампа”. И, как следствие, транзисторы обладают ощутимо большим ресурсом.

Но вернемся к усилителям, работающим в классе A, которые так нежно любят почитатели качественного воспроизведения музыки. И эта любовь вполне объяснима – основным преимуществом таких каскадов усиления является тот факт, что транзистор здесь всегда работает в самой линейной средней части своего рабочего диапазона. То есть, усилитель всегда готов моментально отреагировать на изменения входного сигнала, не тратя время на переключение из закрытого состояния в открытое или обратно и, соответственно, не вмешиваясь в фазу сигнала. Кроме того, в таком каскаде задействован единственный усилительный элемент, а значит отсутствует проблема идентичности характеристик транзисторов, работающих в тандеме в каскадах усиления других классов.

Однако, здесь же проявляется и обратная сторона медали – рабочий диапазон этого единственного элемента ограничивает возможности по усилению сигнала. Усилительный каскад, работающий в классе A, идеально справляется со своими задачами на небольших уровнях громкости, когда рабочий диапазон транзистора с запасом перекрывает возможную амплитуду выходного сигнала. Но выдающиеся характеристики такого каскада проявляются только на среднем участке рабочего диапазона, который отличается линейностью. Чем ближе амплитуда выходного сигнала к границе рабочего диапазона транзистора, тем выше искажения. Самое печальное, что по мере приближения к полностью закрытому или открытому состоянию усилительного элемента рост искажений приобретает экспоненциальный характер. По этой причине усилительные каскады, работающие в классе A, массово применяют в предварительных усилителях и усилителях для наушников, где не требуется высокая выходная мощность. Впрочем, это вовсе не исключает их использование в выходных каскадах усилителей, причем с весьма внушительной мощностью – просто подобные реализации очень дороги и потому встречаются только в аудиотехнике, относящейся к разряду High End.

Второй серьезной проблемой усилителей класса A стал крайне низкий коэффициент полезного действия, редко превышающий 30 процентов. Дело в том, что при отсутствии полезного сигнала на входе усилителя транзисторы находятся в полуоткрытом состоянии, то есть, через них течет ток. Утилизируется эта энергия (70 процентов от потребляемой!) в тепло, потому такие усилители оснащаются серьезными системами охлаждения, которые не дают транзисторам перегреться и выйти из строя. То есть, фактически усилитель класса A, кроме услаждения слуха, работает электрообогревателем.

И проблема здесь не столько в счетах за электроэнергию (хотя, и в них тоже) – дело в том, что такой режим работы отрицательно сказывается на ресурсе комплектующих. Кроме того, для таких усилителей при прочих равных требуются более мощные блоки питания, а также эффективные, а значит габаритные и тяжелые радиаторы охлаждения транзисторов. Все это ведет к удорожанию производства подобной техники.

Несмотря на все перечисленные особенности, а также наличие целого спектра альтернативных принципов усиления, которые являются как более поздними усовершенствованиями класса A, так и совершенно новыми разработками, этот тип усилителей не собирается на покой. В погоне за аудиофильским граалем многие любители музыки и качественного её воспроизведения готовы мириться и с высокой ценой таких компонентов, и с громоздкостью, и с немалым их весом. Да и угрызениями совести относительно урона планете они мучаются редко.

С другими классами усиления звука можно познакомиться здесь и здесь.

Денис Репин

16 февраля 2022 года

Редакция Hi-Fi.ru

Теги: усилитель, усилитель мощности, класс усиления, класс A, класс

Подписывайтесь на нашу ленту в Яндекс. Дзен

Основные вопросы о транзисторном усилении

Сначала я начну с определения усиления. В самом общем случае усиление — это просто отношение между двумя величинами. Это не означает, что выходное значение больше, чем входное значение (хотя именно так оно используется чаще всего). Также не важно, большое или маленькое текущее изменение.

Теперь давайте перейдем к некоторым часто используемым значениям усиления:

Наиболее важным (и тем, о котором говорит ваш вопрос) является \$ \beta\$. Он определяется как \$ \beta= \frac {I_c} {I_b} \$, где \$I_c\$ — это ток, поступающий в коллектор, а \$I_b\$ — это ток, поступающий в базу. Если мы немного изменим формулу, мы получим \$I_c=\beta I_b\$, которая является наиболее часто используемой формулой. Из-за этой формулы некоторые люди говорят, что транзистор «усиливает» ток базы.

Как это связано с током эмиттера? У нас также есть формула \$I_c+I_b+I_e=0\$. Когда мы объединяем эту формулу со второй формулой, мы получаем \$\beta I_b + I_b + I_e=0\$. Отсюда мы можем получить ток эмиттера как \$-I_e=\beta I_b + I_b= I_b (\beta + 1)\$ (обратите внимание, что \$ I_e\$ — это ток, протекающий через эмиттер, поэтому он отрицательный).

Отсюда видно, что используя \$\beta\$ как удобный инструмент в расчетах, мы можем увидеть зависимость между током базы транзистора и током эмиттера транзистора. Поскольку на практике \$\beta\$ находится в диапазоне от сотен до тысяч, мы можем сказать, что «маленький» ток базы «усиливается» в «большой» ток коллектора (который, в свою очередь, создает «большой» ток эмиттера). Обратите внимание, что я не говорил о каких-либо дельтах до сих пор. Это потому, что транзистор как элемент не требует изменения тока. Можно просто подключить базу к постоянному току постоянного тока и транзистор будет нормально работать. Если требуется изменение тока, это происходит не из-за транзистора, а из-за остальной части схемы, которая может блокировать постоянную часть входного тока.

Также используется другое значение, и оно называется \$ \alpha\$. Вот что это такое: \$ \alpha = \frac {I_c} {I_e} \$. Когда мы переставим это, мы увидим, что \$I_c= \alpha I_e\$. Таким образом, \$ \alpha\$ — это значение, на которое усиливается ток эмиттера для получения тока коллектора. В этом случае усиление фактически дает нам меньший выход (хотя на практике \$\alpha\$ близко к 1, что-то вроде 0,98 или выше), потому что, как мы знаем, эмиттерный ток, выходящий из транзистора, равен сумме тока базы и тока коллектора, протекающих через транзистор.

Теперь я немного расскажу о том, как транзистор усиливает напряжение и ток. Секрет в том, что это не так. Усилитель напряжения или тока делает! Сам усилитель представляет собой немного более сложную схему, в которой используются свойства транзистора. Он также имеет входной узел и выходной узел. Усиление напряжения представляет собой отношение напряжения между этими узлами \$A_v = \frac {V_{out}}{V_{in}}\$. Текущее усиление представляет собой отношение токов между этими двумя узлами: \$ A_i=\frac {I_{out}}{I_{in}}\$. У нас также есть усиление мощности, которое является произведением усиления тока и напряжения. Обратите внимание, что усиление может меняться в зависимости от узлов, которые мы выбрали в качестве входного узла и выходного узла!

Есть еще несколько интересных значений, связанных с транзисторами, которые вы можете найти здесь

Итак, подведем итог: у нас есть транзистор, который что-то делает. Чтобы безопасно использовать транзистор, мы должны иметь представление о том, что делает транзистор. Одним из способов представления процессов, происходящих в транзисторе, является использование термина «усиление». Таким образом, используя усиление, мы можем избежать реального понимания того, что происходит в транзисторе (если у вас есть какие-либо курсы физики полупроводников, вы узнаете это там), и просто иметь несколько уравнений, которые будут полезны для большого количества практических задач.

Транзистор в качестве усилителя тока

Практический класс

Малый ток в цепи база-эмиттер используется для управления гораздо большим током в цепи коллектор-эмиттер.

Приборы и материалы

Для каждой группы учащихся

• Транзистор NPN (по возможности установлен)
• Амперметры, 0-100 мА, 2 (в зависимости от транзистора)
• Ячейка, 1,5 В в держателе
• Элементы, 1,5 В в держателе, 4 (или стабилизированный источник постоянного тока низкого напряжения)
• Реостат
• Резистор (680 Ом, 1 Вт)
• Лампа в держателе, 6 В, 60 мА.
• Провода, 4 мм, 10 шт.
• Зажимы типа «крокодил», 3 шт. (при необходимости)

Здоровье и безопасность, а также технические примечания

Это поможет, если транзистор будет установлен на основании с тремя 4-мм выводами. В противном случае выполните соединения с ним с помощью зажимов-крокодилов.

Прочтите наше стандартное руководство по охране труда и технике безопасности

Процедура

1. В транзисторе незначительный ток в цепи база-эмиттер используется для управления гораздо большим током в цепи коллектор-эмиттер. Расположите компоненты цепи, как показано на схеме, и соедините их следующим образом.
2. Подключите реостат, чтобы сформировать делитель напряжения на ячейке 1,5 В.
3. Подключить ползунковую клемму к постоянному сопротивлению 680 Ом, один амперметр (диапазон
100 мА) и базовый вывод транзистора.
4. Подключите один конец делителя напряжения к эмиттерной клемме транзистора.
5. Подключить коллектор транзистора к другому миллиамперметру (диапазон 100 мА), лампочке и 6-вольтовой батарее и обратно к эмиттеру (который уже подключен к делителю напряжения).
6. Теперь проведите следующие эксперименты:
7. Во-первых, оставьте цепь базы разомкнутой, без соединения с базой. Вы не увидите заметного тока в цепи коллектора.
8. Соедините базовую цепь. Напряжение для подходящего базового тока составляет менее 1 вольта. Начните с отсутствия напряжения на делителе напряжения и увеличивайте напряжение до тех пор, пока не загорится лампа в цепи коллектора.