Одним из вариантов заметного повышения качества воспроизведения музыкальных файлов является способ разделения сигнала на частотые составляющие (НЧ, СЧ, ВЧ) в предварительных маломощных каскадах и дальнейшее их усиление соответствующими узкополосными усилителями и динамическими системами. Такой вариант позволяет, например, избавиться от необходимости применения пассивных RLC-фильтров в акустических системах, которые вносят неизбежные затухания и искажения в сигнал уже на выходе его из усилительного тракта. Также, такой вариант даёт возможность применения раздельных акустических систем для низких частот () и значительно менее требовательных к мощности небольших СЧ и ВЧ излучателей. Требования к характеристикам самих усилителей мощности тоже не одинаковы для НЧ, СЧ и ВЧ сигналов и предлагаемый вариант даёт возможность использовать такие усилители оптимальным образом. В этой статье будет приведён пример построения системы раздельного, двухполосного воспроизведения средней мощности. При её изготовлении ставилась задача максимально эффективного использования имеющихся ещё с советских времён малогабаритных широкополосных акустических систем «Radiotehnika S-30» и АС «PHILIPS FB-20PH». Конечно, с предлагаемым усилителем возможно применение и любых других систем, аналогичных по мощности и характеристикам.
Как известно всем, кто сталкивался в своё время с колонками S-30, качество воспроизведения звука этими АС было весьма посредственным, особенно в среднем диапазоне (СЧ-ВЧ) из за применения динамических головок с не очень высокими параметрами. Но использовать эти колонки в качестве «сабвуферов» для обычных жилых помещений вполне возможно. В то же время имеющиеся колонки от миникомплекса «PHILIPS»с номинальной мощностью по 20 Вт, довольно качественно воспроизводят как раз СЧ-ВЧ составляющие сигнала, но имеют ощутимый завал на частотах ниже 90 Гц. Поэтому и возник такой вариант использования этой акустики с максимально возможной отдачей.
Одним из важных плюсов в этом варианте, как уже говорилось выше, является то, что усилитель мощности для каждой полосы частот — отдельный и может быть подобран по мощности и характеристикам оптимальным образом. Исходя из номинальных мощностей применяемой акустики, было принято решение использовать в качестве УМЗЧ специализированные микросхемы-усилители мощности (конечно, можно использовать МС других серий в соответствующем включении или, например, транзисторные схемы). Такие микросхемы мощностью до 45 ВТ на канал (содержат обычно 2, 4 канала) широко применяются в малогабаритной радиотехнике, например в автомагнитолах.
Предварительные каскады с фильтрами
Поскольку микросхемы усилителей мощности серии TDA, применённые в данном усилителе, имеют однополярное питание (+8...18 В), то и каскады предварительного усиления выбирались с однополярным питанием. При этом ставилась задача использовать схемы с минимальным количеством каскадов и активных элементов в них для снижения вносимых этими каскадами искажений в исходный сигнал. В качестве входного каскада с фильтром, выделяющим НЧ-составляющую сигнала, была применена схема на рис.1, опубликованная в своё время в одном из номеров журнала «Моделист-Конструктор», но с заменой транзисторов на современные аналоги и изменением частоты среза фильтра под вышеуказанную акустику.
Здесь транзистор Т1 работает как фазовращатель, напряжения в противофазе возникают на резисторах R3 и R4. Прямой сигнал снимается с эмиттера и подаётся на следующий каскад на транзисторе Т2. Он пропускает СЧ и ВЧ составляющие сигнала и задерживает низкие частоты, которые проходят на выход НЧ через каскад на Т3. Частота среза выбирается подбором конденсаторов С3 и С4, в данном случае она около 150 Гц. Частоту среза можно сдвинуть в сторону более высоких частот, уменьшая эти ёмкости. Например в исходной схеме, при ёмкостях С3=С4 = 330 пФ частота среза была указана равной 3 кГц. К сожалению, найти исходную схему с подробным описанием и расчётами мне не удалось, поэтому частота среза и эти ёмкости подбирались в готовой схеме опытным путём по наилучшему соотношению звучания НЧ и СЧ-ВЧ колонок. Крутизна среза фильтра около 12 дБ на октаву. Сигнал СЧ+ВЧ с выхода этого фильтра подаётся непосредственно на усилитель мощности средних-высоких частот, а низкочастотный сигнал на ещё один фильтр — инфранизких частот (сабсоник), который срезает частоты ниже 30 Гц (рис.2).
Это позволяет избавиться от соответствующих колебаний очень низких частот, которые практически не воспроизводятся применяемыми динамиками, тем не менее вызывают ненужные нам колебания их диффузоров с большой амплитудой, что приводит к большим перегрузкам и искажениям сигнала. Частота среза фильтра задаётся элементами С2, С3, С4, R4, R5, а режим работы транзистора Т1 подбором номинала резистора R3 (следует выставить на коллекторе этого транзистора примерно половину напряжения питания каскада, т. е. 4,5 V). На выходе фильтра включен переменный резистор (может быть от 10 до 100 кОм, это зависит от входного сопротивления включенного за ним усилителя мощности). С его помощью можно регулировать уровень усиления низких частот относительно СЧ-ВЧ для выравнивания суммарной частотной характеристики всей системы. Шунтирующий конденсатор C5 после переменного резистора нужен для дополнительного среза частот выше 1000 Гц, чтобы убрать возможные вч-шумы и наводки, а разделительный C6 мкФ можно не ставить, если на входе усилителя мощности такой конденсатор уже используется. Для снижения собственных шумов, схемы выбраны без использования оксидных электролитических конденсаторов в сигнальных цепях (за исключением входного конденсатора С1 первого фильтра, но и его можно заменить при желании на обычный, например, плёночный). Транзисторы в обоих фильтрах можно применить любые маломощные n-p-n структуры, но, желательно с высоким коэффициентом усиления и низким уровнем собственных шумов (2РС1815L, BC549C, BC550C, BC849C (smd) , BC850C (smd), BC109C, BC179C и др.)
Оконечные усилители мощности
Для упрощения схемы и в целях уменьшения размеров готового устройства, в качестве оконечных усилителей были использованы микросхемы серии TDA, которые широко применяются в малогабаритной аудио аппаратуре, например, в автомагнитолах. Эти микросхемы имеют, как правило, достаточно приемлемые характеристики для бытовой аппаратуры вполне высокого качества. При этом они имеют встроенные схемы защиты от перегрузки, перегрева и коротких замыканий в нагрузке. Мощностные характеристики определялись исключительно мощностями имеющихся акустических систем. Так, для СЧ-ВЧ полосы была использована МС TDA1558Q в мостовом включении. Эта МС может включаться по схеме 4 канала по 11 Вт, либо по мостовой схеме 2х22 Вт). Для колонок мощностью 20 ватт была применена такая мостовая схема включения (рис.3)
Схема предельно простая и отдельного описания, явно, не требует. Неиспользуемые выводы МС — 4,9,15 — следует оставить свободными. Если отдельный выключатель MUTE / ST-BY использоваться не будет, контакт 14 МС следует соединить напрямую с плюсовым проводом питания. Электролитический конденсатор большой ёмкости (2200 mF) желательно ставить как можно ближе к выводам МС. От его ёмкости зависит не только качество сглаживания питающего напряжения, но и перегрузочная способность усилителя. Конденсатор 0,1 mF в цепи питания ставится для фильтрация возможной высокочастотной составляющей. Рабочее напряжение всех элементов должно быть не ниже напряжения питания (+U).
Для низкочастотной полосы была использована одна из имеющихся в наличии оригинальных МС TDA7575. Эти микросхемы действительно «оригинальны» и встречаются, как правило, в аппаратах более высокого класса и мощности. Найти такую не очень просто, как и схему её подключения. Конечно, здесь можно применить и многие другие МС с подобными характеристиками (2 или 4 канала по 45 Вт), даташиты на которые без труда можно найти в интернете. Данная же микросхема здесь будет описана немного более подробно для тех, кто захочет применить именно её (рис.4).
Основные характеристики: мощность — 2х45 W или 1х75 W (на нагрузку 1 Om), линейная АЧХ 20...20 000 Гц, Rвх = 100 кОm.
Минусовые входные выводы 9 и 19 в моём варианте включения соеденины на «землю» (общий провод), НЧ сигнал подаётся на выводы 8 и 20 (соответственно левый и правый канал). В случае установки здесь входных конденсаторов по 0,33 мкФ, конденсатор С6 на выходе фильтра по схеме рис.2 ставить, естественно, не нужно. Как видно, в МС присутствуют различные входы и выходы дополнительного управления, которые в нашем случае не используются и их можно оставить свободными (выводы 3,13,14,16,17,18 и 25). Для включения МС в рабочий режим на контакты ST-BY и MUTE нужно подать напряжение питания +U. Микросхема позволяет подключать акустику сопротивлением 1 Ом и может тогда выдать мощность до 75 Вт, но при мостовом включении и, соответственно, в одноканальном режиме. При этом следует соблюдать следующие условия:
- запараллелить выходы (OUT1+ соединить с OUT2+; OUT1- соединить с OUT2-);
- минимизировать сопротивление выходного шлейфа, т.е. провода от выхода МС до динамика сделать как можно толще и короче, а для этого сам усилитель должен быть расположен рядом с динамиком. Сопротивления выходного шлейфа очень существенно влияет на коэффициент гармоник;
- входной сигнал подавать на вход IN2 (IN1 — оставить свободным или заземлить);
- на вывод «1 Om SETTING» подать U=2,5V (для двухканального варианта по 45 Вт, как в нашем случае, этот выход следует оставить свободным или соединить с общим проводом). Сам не пробовал использовать схему с таким включением для 1 Ом-динамика, так как у меня нет динамиков сопротивлением 1 Ом, поэтому привожу здесь как справку данные для такого варианта, которые смог найти в доступных мне источниках.
Источник питания
Для питания усилителя в целом были использованы два трансформатора мощностью по 60-70 Вт, по одному для для НЧ и СЧ-ВЧ каналов. Один трансформатор достаточной мощности (120 и более Вт) просто не «вписывался» в малогабаритный корпус по высоте. Стабилизаторов тоже, соответственно, два. Питание использованных здесь МС лежит в пределах от 8 до 18 вольт, поэтому трансформатор может быть выбран с соответствующим напряжением на вторичной обмотке и выходным током не менее 3-х ампер без значительной «просадки». После трансформатора ставятся обычные двухполупериодные мостовые выпрямители с диодами нужной мощности, или диодная сборка (например KBU810 на 8 А). Далее выпрямленное напряжение стабилизируется в схеме «умощнённого» стабилизатора на МС типа КРЕН8 или аналогичной с дополнительным регулирующим транзистором (рис.5)
Выходное напряжение стабилизатора может быть в пределах 12 — 17 вольт для достижения максимально возможной мощности при минимуме искажений. В данном случае применена микросхема KIA7812 с напряжением стабилизации 12 вольт и для поднятия выходного напряжения до 15-16 вольт между средним выводом и общим проводом установлен дополнительно стабилитрон на 3-4 вольта (КС133, КС 139). Поднимать напряжение питания до 18 вольт не следует, хоть такой предел и указан в даташитах на МС TDA, так как на практике, в момент включения возможно срабатывание системы внутренней защиты этих микросхем из-за «перегрузки». Можно питать усилители и нестабилизированным напряжением, но это увеличит их нагрев во время работы и уменьшит перегрузочную способность.
Каскады предварительного усиления — фильтры, возможно питать от этих же стабилизаторов, но лучше, всё-таки, сделать для них один общий стабилизатор на 9...12 вольт для развязки от помех и возможного взаимного влияния полосных каналов.
Все микросхемы (усилители мощности и стабилизаторы), а также дополнительные мощные транзисторы (КТ818 или аналогичные импортные) блока питания следует закрепить на теплоотводах достаточной площади. В моём случае все эти элементы расположены на одном общем теплоотводе, состоящим из двух параллельно закреплённых алюминиевых пластин толщиной 3 мм и размером 70х200 мм. Как правило, большинство микросхем TDA и аналогичных имеют минус питания на корпусе и их можно, соответственно, крепить к одному теплоотводу без изоляционных прокладок. Транзисторы же и микросхемы стабилизатора следует изолировать. Печатные платы в архиве .
Заключение
Использование усилителя по приведённым здесь схемам позволило значительно повысить качество воспроизведения фонограмм даже с использованием акустики среднего уровня и качества. При этом колонки PHILIPS никак не переделывались, а в S-30 были отключены все внутренние пассивные фильтры и СЧ-ВЧ-головка 6ГДВ-1, а НЧ сигнал подавался напрямую на НЧ динамик (25ГДН-1-4). Регулировка уровня НЧ составляющей позволяет сбалансировать общую частотную характеристику всей системы в зависимости от размеров помещения и расстояния слушателя до акустики. Специально для сайта - А. Барышев .
Обсудить статью СХЕМА САМОДЕЛЬНОЙ ДВУХПОЛОСНОЙ АС С УНЧ
Выходные каскады на базе " двоек "
В качестве источника сигнала будем использовать генератор переменного тока с перестраиваемым выходным сопротивлением (от 100 Ом до 10,1 кОм) с шагом 2 кОм (рис. 3). Таким образом, при испытаниях ВК при максимальном выходном сопротивлении генератора (10,1 кОм) мы в какой - то степени приблизим режим работы испытуемых ВК к схеме с разомкнутой ООС, а в другом (100 Ом) - к схеме с замкнутой ООС.
Основные типы составных биполярных
транзисторов (БТ) показаны на рис. 4. Наиболее часто в
ВК используется со ставной транзистор Дарлингтона (рис. 4 а) на базе двух транзисторов одной проводимости (" двойка
" Дарлингтона), реже - составной транзистор Шиклаи (рис. 4б) из двух транзисторов разной проводимости с токовой
отрицательной ОС, и еще реже - составной транзистор Брайстона
(Bryston , рис. 4 в).
" Алмазный " транзистор - разновидность
составного транзистора Шиклаи - показан на рис. 4 г. В
отличие от транзистора Шиклаи, в этом транзисторе благодаря " токовому зеркалу " ток коллекторов обоих транзисторов VT 2 и VT 3 практически одинаков. Иногда транзистор Шиклаи
используют с коэффициентом передачи больше 1 (рис. 4 д). В этом случае K П =1+ R 2/ R 1. Аналогичные схемы можно
получить и на полевых транзисторах (ПТ).
1.1. Выходные каскады на базе " двоек ". " Двойка " - это двухтактный выходной каскад с транзисторами, включенными по схеме Дарлингтона, Шиклаи или их комбинации (квазикомлементарный каскад, Bryston и др.). Типовой двухтактный выходной каскад на " двойке " Дарлингтона показан на рис. 5. Если эмиттерные резисторы R3, R4 (рис. 10) входных транзисторов VT 1, VT 2 подключить к противоположным шинам питания, то эти транзисторы будут работать без отсечки тока, т. е. в режиме класса А.
Посмотрим, что даст спаривание выходных транзисторов для двойки " Дарлингт она (рис. 13).
На рис. 15 приведена схема ВК, использованная в одном из професс и ональных усилителей.
 |
Менее популярна в ВК схема Шиклаи (рис. 18) . На первых порах развития схемотехники транзисторных УМЗЧ были популярны квазикомплементарные выходные каскады, когда верхнее плечо выполнялось по схеме Дарлингтона, а нижнее - по схеме Шиклаи. Однако в первоначальной версии входное сопротивление плеч ВК несимметрично, что приводит к дополнительным искажениям. Модифицированный вариант такого ВК с диодом Баксандалла, в качестве которого использован базо - эмиттерный переход транзистора VT 3, показан на рис. 20.
Кроме рассмотренных " двоек ", есть модификация ВК Bryston , в которой входные транзисторы эмиттерным током управляют транзисторами одной проводимости, а коллекторным током - транзисторами другой проводимости (рис. 22). Аналогичный каскад может быть реализован и на полевых транзисторах, например, Lateral MOSFET (рис. 24) .
Гибридный выходной каскад по схеме Шиклаи с полевыми транзисторами в качестве выходных показан на рис. 28 . Рассмотрим схему параллельного усилителя на полевых транзисторах (рис. 30).
В качестве эффективного способа повышения и стабилизации входного сопротивления " двойки " предлагается использовать на ее входе буфер, например, эмиттерный повторитель с генератором тока в цепи эмиттера (рис. 32).
 |
Из рассмотренных " двоек " наихудшим по девиации фазы и полосе пропускания оказался ВК Шиклаи. Посмотрим, что может дать для такого каскада применение буфера. Если вместо одного буфера использовать два на транзисторах разной проводимости, включенных параллельно (рис. 35) , то можно ожидать дальнейшего улучшения пара метров и повышения входного сопротивления. Из всех рассмотренных двухкаскадных схем наилучшим образом по нелинейным искажениям показала себя схема Шиклаи с полевыми транзисторами. Посмотрим, что даст установка параллельного буфера на ее входе (рис. 37).
Параметры исследованных вы ходных каскадов сведены в табл. 1 .
 |
Анализ таблицы
позволяет сделать следующие выводы:
- любой ВК из " двоек " на БТ как нагрузка
УН плохо подходит для работы в УМЗЧ высокой верности;
- характеристики ВК с ПТ на вы ходе мало
зависят от сопротивления источника сигнала;
- буферный каскад на входе любой из
" двоек " на БТ повышает входное сопротивление, снижает индуктивную
составляющую выхода, расширяет полосу пропускания и делает
параметры независимыми от выходного сопротивления источника
сигнала;
- ВК Шиклаи с ПТ на выходе и параллельным
буфером на входе (рис. 37) имеет самые высокие характеристики
(минимальные искажения, максимальную полосу пропускания, нулевую девиацию фазы в звуковом диапазоне).
Выходные каскады на базе " троек "
В высококачественных УМЗЧ чаще используются трехкаскадные структуры: " тройки " Дарлингтона, Шиклаи с выходными транзисторами Дарлинг тона, Шиклаи с выходными транзис торами Bryston и другие комбинации. Одним из самых популярных вы ходных каскадов в настоящее вре мя является ВК на базе составно го транзис тора Дарлингтона из трех транзисторов (рис. 39). На рис. 41 показан ВК с разветвлением каскадов: входные повторители одновременно работают на два каскада, которые, в свою очередь, также работают на два каскада каждый, а третья ступень включена на общий выход. В результате, на выходе такого ВК работают счетверенные транзисторы.
 |
Схема ВК, в которой в качестве выходных транзисторов использованы составные транзисторы Дарлингтона, изображена на рис. 43. Параметры ВК на рис.43 можно существенно улучшить, если включить на его входе хорошо зарекомендовавший себя с " двойками " параллельный буферный каскад (рис. 44).
Вариант ВК Шиклаи по схеме на рис. 4 г с применением составных транзисторов Bryston показан на рис. 46 . На рис. 48 показан вариан т ВК на транзисторах Шиклаи (рис.4 д) с коэффициентом передачи около 5, в котором входные транзисторы работают в классе А (цепи термоста билизации не показаны).
На рис. 51 показан ВК по структуре предыдущей схемы только с единичным коэффициентом передачи. Обзор будет неполным, если не остановиться на схеме выходного каскада с коррекцией нелинейности Хауксфорда (Hawksford), приведенной на рис. 53 . Транзисторы VT 5 и VT 6 - составные транзисторы Дарлингтона.
Заменим выходные транзисторы на полевые транзисторы типа Lateral (рис. 57
 |
По вышению надежности усилите лей за счет исключения сквозных то ков, которые особенно опасны при кли пировании высокочастотных сиг налов, способствуют схемы антинасыщения выходных транзисторов. Варианты таких решений показаны на рис. 58. Через верхние диоды происходит сброс лишнего тока базы в коллектор транзистора при прибли жении к напряжению насы щен ия. На пряжение насыщения мощных транзисторов обычно находится в пределах 0,5...1,5 В, что примерно совпадает с падением напряжения на базо-эмиттерном переходе. В первом варианте (рис. 58 а) за счет дополнительного диода в цепи базы напряжение эмитте р - коллектор не доходит до напряжения насыщения пример но на 0,6 В (падение напряжения на диоде). Вторая схема (рис. 58б) требует подбора резисторов R 1 и R 2. Нижние диоды в схемах предназначены для быстрого выключения транзисторов при импульсных сигналах. Аналогичные решения применяются и в силовых ключах.
Часто для повышения качества в УМЗЧ делают раздельное питание, повышенное, на 10...15 В для входного каскада и усилителя на пряжения и пониженное для вы ходного каскада. В этом случае во избежание выхода из строя выходных транзисторов и снижения перегрузки предвыходных необходимо использовать защитные диоды. Рассмотрим этот вариант на примере модификации схемы на рис. 39. В случае повышения входного напряжения выше на пряжения питания выходных транзисторов открываются дополнительные диоды VD 1, VD 2 (рис. 59), и лишний ток базы транзисторов VT 1, VT 2 сбрасывается на шины питания оконечных транзисторов. При этом не допускается повышения входного на пряжения выше уровней питания для выходной ступени ВК и снижается ток коллектора транзисторов VT 1, VT 2.
Схемы смещения
Ранее, с целью упрощения, вместо схемы смещения в УМЗЧ использовался отдельный источник напряжения. Многие из рассмотренных схем, в частности, выходные каскады с параллельным повторителем на входе, не нуждаются в схемах смещения, что является их дополнительным достоинством. Теперь рассмотрим типовые схе мы смещения, которые представлены на рис. 60 , 61 .
Генераторы стабильного тока. В современных УМЗЧ широко используется ряд типовых схем: диф ференциальный каскад (ДК), отражатель тока (" токовое зеркало "), схема сдвига уровня, каскод (с последова тельным и параллельным питанием, последний также называют " лома ным каскодом "), генератор стабильного тока (ГСТ) и др. Их правильное применение позволяет значительно повысить технические характеристики УМЗЧ. Оценку параметров основных схем ГСТ (рис. 62 - 6 6) сделаем с помощью моделирования. Будем исходить из того, что ГСТ является нагрузкой УН и включенпараллельно ВК. Исследуем его свойства с помощью методики, аналогичной исследованиям ВК.
Отражатели тока
Рассмотренные схемы ГСТ - , это вариант динамической нагрузки для однотактного УН. В УМЗЧ с одним дифференциальным каскадом (ДК) для организации встречной динамической нагрузки в УН используют структуру " токового зеркала " или, как его еще называют, " отражателя тока " (ОТ). Эта структура УМЗЧ была характерна для усилителей Холтона, Хафлера и др. Основные схемы отражателей тока приведены на рис. 67 . Они могут быть как с единичным коэффициентом передачи (точнее, близким к 1), так и с большим или меньшим единицы (масштабные отражатели тока). В усилителе напряжения ток ОТ находится в пределах 3...20 мА: Поэтому испытаем все ОТ при токе, например, около 10 мА по схеме рис. 68.
Результаты испытаний приве дены в табл. 3 .
В качестве примера реального усилителя предлагается схема усилителя мощности S. BOCK , опубликованная в журнале Радиомир, 201 1 , № 1, с. 5 - 7; № 2, с. 5 - 7 Radiotechnika №№ 11, 12/06
Целью автора было построение усилителя мощности, пригодного как для озвучивания " пространства " во время прадничных мероприятий, так и для дискотек. Конечно, хотелось, чтобы он умещался в корпусе сравнительно небольших габаритов и легко транспортировался. Еще одно требование к нему - легкодоступность комплектующих. Стремясь достичь качества Hi - Fi , я выбрал комплементарно - симметричную схему выходного каскада. Максимальная выходная мощность усилителя была задана на уровне 300 Вт (на нагрузке 4 Ом). При таком мощности выходное напряжение составляет примерно 35 В. Следовательно для УМЗЧ необходимо двухполярное питающее напряжение в пределах 2x60 В. Схема усилителя приведена на рис. 1 . УМЗЧ имеет асимметричный вход. Входной каскад образуют два дифференциальных усилителя.
А. ПЕТРОВ, Радиомир, 201 1 , №№ 4 - 12
Усилители низкой частоты в основном предназначены для обеспечения заданной мощности на выходном устройстве, в качестве которого может быть – громкоговоритель, записывающая головка магнитофона, обмотка реле, катушка измерительного прибора и т. д. Источниками входного сигнала являются звукосниматель, фотоэлемент и всевозможные преобразователи неэлектрических величин в электрические. Как правило, входной сигнал очень мал, его значение недостаточно для нормальной работы усилителя. В связи с этим перед усилителем мощности включают один или несколько каскадов предварительного усиления, выполняющих функции усилителей напряжения.
В предварительных каскадах УНЧ в качестве нагрузки чаще всего используют резисторы; их собирают как на лампах, так и на транзисторах.
Усилители на биполярных транзисторах обычно собирают по схеме с общим эмиттером. Рассмотрим работу такого каскада (рис. 26). Напряжение синусоидального сигнала u вх подают на участок база – эмиттер через разделительный конденсатор С р1 , что создает пульсацию тока базы относительно постоянной составляющей I б0 . Значение I б0 определяется напряжением источника Е к и сопротивлением резистора R б . Изменение тока базы вызывает соответствующее изменение тока коллектора, проходящего по сопротивлению нагрузки R н . Переменная составляющая тока коллектора создает на сопротивлении нагрузки R k усиленное по амплитуде падение напряжения u вых .
Расчет такого каскада можно произвести графически с использованием приведенных на рис. 27 входных и выходных характеристик транзистора, включенного по схеме с ОЭ. Если сопротивление нагрузки R н и напряжение источника Е к заданы, то положение линии нагрузки определяется точками С и D . При этом точка D задана значением Е к , а точка С – током I к =Е к /R н . Линия нагрузки CD пересекает семейство выходных характеристик. Выбираем рабочий участок на линии нагрузки так, чтобы искажения сигнала при усилении были минимальны. Для этого точки пересечения линии CD с выходными характеристиками должны находиться в пределах прямолинейных участков последних. Этому требованию соответствует участок АВ линии нагрузки.
Рабочая точка при синусоидальном входном сигнале находится в середине этого участка – точка О . Проекция отрезка AO на ось ординат определяет амплитуду коллекторного тока, а проекция того же отрезка на ось абсцисс – амплитуду переменной составляющей коллекторного напряжения. Рабочая точка O определяет ток коллектора I к0 и напряжение на коллекторе U кэ0 соответствующие режиму покоя.
Кроме того, точка O определяет ток покоя базы I б0 , а следовательно, и положение рабочей точки O" на входной характеристике (рис. 27, а, б). Точкам А и В выходных характеристик соответствуют точки А" и В" на входной характеристике. Проекция отрезка А"O" на ось абсцисс определяет амплитуду входного сигнала U вх т , при которой будет обеспечен режим минимальных искажений.
Строго говоря, U вх т , необходимо определять по семейству входных характеристик. Но так как входные характеристики при различных значениях напряжения U кэ , отличаются незначительно, на практике пользуются входной характеристикой, соответствующей среднему значению U кэ =U кэ 0 .
Каскады предварительного усиления Общие сведения. Предварительный усилитель усиливает коле-бания напряжения или тока источника сигнала до значений, кото-рые необходимо подать на вход оконечного каскада для получения в нагрузке заданной мощности. Предварительный усилитель может быть одно- и многокаскадным. Транзисторы в каскадах предвари-тельного усиления включают с ОЭ, а лампы — с общим катодом, что позволяет получить наибольшее усиление . Включение транзистора с ОБ целесообразно во входных каскадах, работающих от источника сигнала с малым внутренним сопротивлением. Для уменьшения нелинейных искажений в каскадах предварительного усиления предпочтителен режим А.
- По виду связи между каскада-ми (при многокаскадном выполнении усилителей) различают усили-тели с емкостной,
- трансформаторной
- гальванической связью (уси-лители постоянного тока).
Усилители с емкостной связью.
Усилители с емкостной или ЯС-бвязью имеют широкое применение.. Они просты в конструкции и наладке, дешевы, обладают стабильными характеристиками, на-дежны в работе, имеют небольшие размеры и массу. Типовые схе-мы усилителя на транзисторах и лампах с емкостной связью Частотная характеристика резисторного каскада с емкостной связью может быть разделена на три области частот: нижних НЧ, средних СЧ и верхних ВЧ. В области нижних частот коэффициент усиления Kн снижается (с уменьшением частоты) в ос-новном из-за увеличения сопротивления конденсатора межкас-кадной связи Ср1. Емкость этого конденсатора выбирают достаточ-но большой, что снизит падение напряжения на нем. Обычно низ-кочастотный диапазон ограничивается частотой fH, на которой ко-эффициент усиления снижается до 0,7 среднечастотного значения, т. е. Kн=0,7K0. В области средних частот, составляющих основную часть рабочего диапазона усилителя, коэффициент усиления Kо практически не зависит от частоты. В области верхних частот fB снижение усиления Kв обусловлено емкостью Со=/=Свых+См+Свх (где Свых — емкость усилительного элемента каскада; См — емкость монтажа, Свх — емкость усилительного элемента следующего кас-када) . Эту емкость всегда стремятся свести к минимуму, чтобы ограничить через нее ток сигнала и обеспечить большой коэффициент усиления. Расчет резисторного каскада предварительного усиления. Ис-ходные данные: полоса усиливаемых частот fн-fв = 100-4000 Гц, коэффициент частотных искажений MH Усилители с трансформаторной связью
. Каскады предварительного усиления с трансформаторной связью обеспечивают лучшее-согласование усилительных каскадов по сравнению с каскадами с резисторной емкостной связью и применяются в качестве инверсных для подачи сигнала на двухтактный выходной каскад. Нередко трансформатор используют в качестве входного устройства. Схемы усилительных каскадов с последовательным и параллельным включением трансформатора показаны на. Схема с последовательно включенным трансформатором не содержит резистора RK в коллекторной цепи, поэтому обладает более высо-ким выходным сопротивлением каскада, равным выходному сопро-тивлению транзистора, и применяется чаще. В схеме с параллельно включенным трансформатором требуется переходной конденсатор С. Недостатком этой схемы являются дополнительные потери мощно-сти сигнала в резисторе RK и снижение выходного сопротивления вследствие шунтирующего действия этого резистора. Нагрузкой трансформаторного каскада обычно служит относи-тельно низкое входное сопротивление последующего каскада. В этом случае для межкаскадной связи используют понижающие транс форматоры с коэффициентом трансформации n2=*RB/R"H Частотная характеристика усилителя с трансформаторной связью имеет снижение коэффициента усиления в области нижних и верхних частот. В области нижних частот спад коэффи-циента усиления каскада объясняется уменьшением индуктивного сопротивления обмоток трансформатора, вследствие чего возрастает их шунтирующее де.йствие входной и выходной цепей каскада и снижается коэффициент усиления К=Kо/. На средних частотах влиянием реактивных эле-ментов можно пренебречь. В области верхних частот на коэффициент уси-ления влияют емкость коллекторного перехода Ск и индуктивность рассеи-вания ls обмоток трансформатора. На некоторой частоте емкость Ск и индуктивность Is могут вызвать резонанс напряжения, вследствие че-го на этой частоте возможен подъем частотной характеристики. Иногда этим пользуются для коррекции час-тотной характеристики усилителя. Усилительный режим транзистора определяется постоянными напряжениями между электродами и токами, протекающими в цепях электродов. Их задают элементы внешних цепей транзистора, которые составляют схему его включения. Усилительный прибор, его обвязка, источник питания и нагрузка образуют усилительный каскад
. Рис.20 Схема усилительного каскада на транзисторе с ОЭ Обозначения в схеме: R ВХ. V ~
и R ВЫХ. V ~
- входное и выходное сопротивления транзистора V1 переменному току без учёта элементов внешней цепи (обвязки). R ВХ.~
и R ВЫХ.~
- входное и выходное сопротивления усилительного каскада. R U
- сопротивление источника сигнала. R Н~
- эквивалентное сопротивление нагрузки каскада переменному току. R ВХ.СЛ
- входное сопротивление следующего каскада. U m .ВХ
- амплитуда входного сигнала. U m .ВЫХ
- амплитуда выходного сигнала. Примечание: Все сопротивления цепей измерены в направлении стрелки при разрыве схемы вдоль пунктирных линий. Независимо от схемы включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) или общим коллектором (ОК) назначение элементов усилительного каскада одинаково. Рассмотрим назначения элементов стандартной обвязки транзистора включённого с общим эмиттером (ОЭ) в типовой схеме усилительного каскада (Рис.20). Развязывающий фильтр по питанию R ф С ф
. При питании усилителя от выпрямителя фильтр по питанию R ф С Ф
обеспечивает сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения электрической сети Е К
. Сопротивление резистора R Ф выбирается из расчёта допустимого снижения к.п.д. усилителя и лежит в пределах от долей Ома
в оконечных каскадах до единиц кОм
в маломощных каскадах, так чтобы ΔU =
(0,1…0,2) E K
. Тогда ёмкость конденсатора С Ф
для звуковых частот может достигать десятки
и сотни
мкФ, а для её расчёта можно пользоваться приближённой формулой С Ф > 10
⁄
(2π F Н R Ф
) Базовый делитель R Б1 R Б2
. Два резистора R Б1
и R Б2
, включённых последовательно по постоянному
току между шиной питания E K
и общим проводом, являются базовым делителем
напряжения питания и образуют начальное базовое смещение U 0Б = U Б – U Э
между базой и эмиттером транзистора V1. Это напряжение U 0б
определяет режим работы транзистора: А, В или АВ. Чем меньше сопротивления резисторов R Б1 R Б2
тем выше температурная стабильность каскада, но при этом недопустимо снижается входное сопротивление каскада по переменному
току R ВХ~
, для которого R Б1 , R Б2
и R ВХ. V ~
(входное сопротивление транзистора) включены параллельно
. R ВХ~ =
(R ВХ. V ~
∙
R Б
) ⁄
(R ВХ. V ~
+R Б
), где R Б =
(R Б1
∙
R Б2
) ⁄
(R Б1
+ R Б2
) Поэтому типовыми значениями номиналов резисторов базового делителя для каскадов предварительного усиления являются: R Б1 – десятки кОм, R Б2 – единицы - десятки кОм.
Сопротивление коллекторной нагрузки R К.
Резистор R К
образует путь протекания коллекторного тока покоя I 0К
, который определяется выбранным режимом работы транзистора V1 (А, В или АВ). В сильной степени сопротивление коллекторной нагрузки R К
влияет на усилительные свойства транзистора, так как от его номинала зависит угол наклона выходной динамической характеристики. Чем больше сопротивление резистора R К
(десятки кОм) тем больше коэффициент усиления каскада по напряжению К U
и, наоборот, чем меньше R К
(сотни Ом) – тем больше коэффициент усиления по току К I
. Максимальное усиление мощности будет при соизмеримых значениях R К
и R ВЫХ. V ~
(выходного сопротивления транзистора переменному току). По переменному току сигнала сопротивление коллекторной нагрузки R К
включено параллельно R ВЫХ. V ~
и может привести к недопустимому снижению выходного сопротивления каскада R ВЫХ.~ .
Резистор автосмещения R Э.
Эмиттерный ток транзистора I Э
(как постоянный I 0Э
так и переменный I m Э
), протекая через резистор R Э
образует на нём падение напряжения U Э
. Это напряжение является напряжением обратной связи U ОС
, так как связано с входными параметрами транзистора выражением: U 0Б = U Б – U Э,
где U Б
– напряжение на базе V1, измеренное по отношению общего провода. Как будет доказано в последующих темах, отрицательная обратная связь (ООС) противодействует
изменению параметров усилительного каскада, обеспечивая стабилизацию его режима, в том числе и температурного. Например, повышение температуры tºС
вызывает увеличение эмиттерного тока I 0Э
и U Э
, но при этом автоматически уменьшается начальное базовое смещение U 0Б = U Б – U Э
, которое подзапирает транзистор и, как следствие, уменьшает эмиттерный ток, компенсируя его зависимость от температуры. Отсюда название R Э
– резистор автосмещения
. Таким образом ООС по постоянному току благоприятно сказывается на стабильность режима работы усилительного каскада. Но за счёт протекания тока сигнала I m Э
через R Э
образуется ООС по переменному
току, которая уменьшает, к сожалению, коэффициент усиления каскада. Включив параллельно резистору R Э
конденсатор большой ёмкости С Э
, можно уменьшить эквивалентное сопротивление эмиттерной цепи на несколько порядков для самых низких рабочих частот. Конденсатор С Э
предназначен для устранения отрицательной обратной связи по переменному току
, в результате чего можно избежать снижения коэффициента усиления. Разделительные конденсаторы С Р1 С Р2
– устраняют связь
между каскадами по постоянному
току. При их отсутствии режимы работы всех транзисторов гальванически (непосредственно) связанных между собой будут взаимозависимы. Причём, незначительное изменение режима первого транзистора за счёт усилительных свойств приведёт к недопустимому изменению режима последнего. Емкость межкаскадного разделительного конденсатора в усилителях звуковых частот УЗЧ достигают десятки
и сотни микрофарад
(мкФ), а выходного разделительного конденсатора, перед громкоговорителем – тысячи
мкФ. В высокочастотных цепях ёмкость С Р
уменьшается обратно пропорционально рабочей частоте. При использовании полевого транзистора с большим входным сопротивлением, С Р составляет доли
мкФ (например 0,1 мкФ). 2. Принцип работы усилительного каскада
(Рис.22) В режиме покоя
(при отсутствие сигнала) постоянная составляющая коллекторного тока I 0К
протекает от +Е К
через R К
, переход ЭК VT 1 , R Э
, - Е К
. Постоянная составляющая коллекторного напряжения, если считать I 0Э ≈ I 0К
, равна: U 0К = Е К - I 0К (R К + R Э)
В усилительном режиме
,
при подаче сигнала на вход каскада переменная составляющая тока коллекторной цепи I m К
протекает по нескольким параллельным цепям: 1. ЭК VT 1 → С Р2 → ЭБ VT 2 →
-Е К (общий провод);
2. ЭК VT 1 → R К → С Ф →
-Е К;
3. ЭК VT 1 → С р2 → R Б1 → С Ф →
-Е К;
4. ЭК VT 1 → С Р2 → R Б2 →
-Е К.
Таким образом, полным сопротивлением нагрузки для переменного
тока сигнала R н~
является эквивалентное сопротивление параллельно
включённых R К, R Б1 , R Б2 , R ВХ. V 2 ,
R Н~ =
(R К
∙
R ВХ.СЛ.
) ⁄
(R К
+R ВХ.СЛ.
), где R ВХ.СЛ
= (R ВХ. V 2~
∙
R Б1
∙
R Б2
) ⁄
(R ВХ. V 2~
∙
R Б1
+ R ВХ. V 2~
∙
R Б2
+ R Б1
∙
R Б2
) Рис.22 Схема усилительного каскада с ОЭ. Полезной является только составляющая выходного тока усиленного сигнала I m Б2 ,
протекающая по первой из перечисленных ветвей, так как только она будет усиливаться в следующем усилительном каскаде. Остальные постоянные и переменные токи, протекая через элементы обвязки транзистора, приведут к рассеиванию энергии источника питания и сигнала, снижая к.п.д каскада. Прохождение и обработка сигнала в цепях усилительного каскада наглядно видно по осциллограммам в характерных точках схемы, приведённых на Рис.22. При подаче на вход каскада сигнала U m .ВХ
ранее постоянные напряжения в схеме U 0Б, U 0К, U 0Э
станут пульсирующими U m Б, U m К, U m Э
, изменяясь синхронно амплитуде входного сигнала. На осциллограммах видно, что напряжения сигналов U m Б, U m К, U m Э
, буду смещены по отношению оси времени в положительную или отрицательную область на величину постоянных потенциалов в этих точках U 0Б, U 0К, U 0Э,
в зависимости от полярности источника питания “+ Е К ”
или “- Е К ”
. Только при единственном включении транзистора по схеме с ОЭ фаза выходного сигнала (осциллограммы U m К
и как следствие U m .ВЫХ
), снимаемого с коллектора изменится на 180º. Поэтому каскад с включением транзистора по схеме с ОЭ называется инверсным
.
При других включениях транзистора с ОК и ОБ выходной
и входной
сигналы всегда совпадают
по фазе
. Для определения схемы включения транзистора с ОЭ, ОК, ОБ необходимо пользоваться следующим правилом (пример для ОЭ): Если входной сигнал подаётся в базовую
цепь транзистора, а выходной снимается с коллектора
, то третий электрод – эмиттер
, является общим
для входного и выходного сигнала независимо от того, как он включён в схему.
На Рис.23 и Рис.24 представлены схемы с включением транзисторов с общим коллектором ОК и общей базой ОБ и приведены их особенности. Рис.23 Схема усилительного каскада с ОК. Важными свойствам усилительного каскада с транзистором, включенным с ОК являются: 1. Большое входное R ВХ
(десятки кОм
) и малое выходное (десятки Ом
) сопротивления,
что улучшает согласование с предыдущими и последующими каскадами. 2. Входной сигнал не инвертируется, т.е. входной U ВХ
и выходной U ВЫХ
сигналы совпадают по фазе (φ = 0). 3. Коэффициент усиления по напряжению меньше единицы (К U
< 1
, но К I >>
1). Рис.24 Схема усилительного каскада с ОБ. Свойство транзисторного усилительного каскада с ОБ противоположные свойствам каскада с ОК. Каскады с включением транзистора по схеме с ОБ в низкочастотных усилителях УНЧ (звуковых частот УЗЧ) практически не используются.
