Der Transistorverstärker bleibt trotz seiner bereits langen Geschichte ein beliebtes Studienfach sowohl für Anfänger als auch für erfahrene Funkamateure. Und das ist verständlich. Es ist ein unverzichtbarer Bestandteil der beliebtesten Amateurfunkgeräte: Funkempfänger und Niederfrequenzverstärker. Wir werden uns ansehen, wie die einfachsten Niederfrequenz-Transistorverstärker aufgebaut sind.
Amp-Frequenzgang
In jedem Fernseh- oder Radioempfänger, in jeder Musikanlage oder jedem Tonverstärker findet man Transistor-Tonverstärker (Niederfrequenz - LF). Der Unterschied zwischen Audio-Transistorverstärkern und anderen Typen liegt in ihrem Frequenzgang.
Der Transistor-Audioverstärker hat einen gleichmäßigen Frequenzgang im Frequenzband von 15 Hz bis 20 kHz. Das bedeutet, dass alle Eingangssignale mit einer Frequenz in diesem Bereich vom Verstärker gewandelt (verstärkt) werden.ungefähr gleich. Die folgende Abbildung zeigt den idealen Frequenzgangverlauf für einen Audioverstärker in den Koordinaten "Verstärkungsfaktor Ku - Eingangssignalfrequenz".
Diese Kurve ist von 15Hz bis 20kHz fast flach. Das bedeutet, dass ein solcher Verstärker speziell für Eingangssignale mit Frequenzen zwischen 15 Hz und 20 kHz verwendet werden sollte. Bei Eingangssignalen mit Frequenzen über 20 kHz oder unter 15 Hz verschlechtern sich Effizienz und Leistung schnell.
Die Art des Frequenzgangs des Verstärkers wird durch die elektrischen Funkenelemente (ERE) seiner Sch altung und vor allem durch die Transistoren selbst bestimmt. Ein auf Transistoren basierender Audioverstärker wird normalerweise auf den sogenannten Nieder- und Mittelfrequenztransistoren mit einer Gesamtbandbreite von Eingangssignalen von mehreren zehn und Hunderten von Hz bis 30 kHz aufgebaut.
Verstärkerklasse
Wie Sie wissen, werden je nach Grad der Kontinuität des Stromflusses während seiner gesamten Periode durch die Transistorverstärkerstufe (Verstärker) die folgenden Betriebsklassen unterschieden: "A", "B", "AB", "C", "D ".
In der Betriebsklasse fließt der Strom "A" für 100 % der Eingangssignalperiode durch die Stufe. Die Kaskade in dieser Klasse ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
In der Verstärkerstufe der Klasse "AB" fließt der Strom zu mehr als 50%, aber weniger als 100% der Periode des Eingangssignals durch sie (siehe Abbildung unten).
In der Betriebsklasse der "B"-Stufe fließt der Strom durch sie genau 50% der Periode des Eingangssignals, wie in der Abbildung dargestellt.
Schließlich fließt in der Betriebsklasse "C" der Strom für weniger als 50% der Eingangssignalperiode hindurch.
NF-Transistorverstärker: Verzerrung in den Hauptarbeitsklassen
Im Arbeitsbereich weist der Transistorverstärker der Klasse "A" eine geringe nichtlineare Verzerrung auf. Wenn das Signal jedoch Spannungsstöße aufweist, die zu einer Sättigung der Transistoren führen, erscheinen höhere Harmonische (bis zur 11.) um jede „normale“Harmonische des Ausgangssignals herum. Dies verursacht das Phänomen des sogenannten Transistor- oder Metallklangs.
Wenn Niederfrequenz-Leistungsverstärker auf Transistoren eine unstabilisierte Stromversorgung haben, dann sind ihre Ausgangssignale nahe der Netzfrequenz in der Amplitude moduliert. Dies führt zu einer Härte des Klangs am linken Rand des Frequenzgangs. Verschiedene Methoden zur Spannungsstabilisierung machen das Design des Verstärkers komplexer.
Der typische Wirkungsgrad eines Single-Ended-Class-A-Verstärkers überschreitet 20 % nicht aufgrund des Always-On-Transistors und des kontinuierlichen Flusses der DC-Komponente. Sie können einen Klasse-A-Verstärker gegentakten, der Wirkungsgrad steigt leicht an, aber die Halbwellen des Signals werden asymmetrischer. Die Übertragung der Kaskade von der Arbeitsklasse "A" auf die Arbeitsklasse "AB" vervierfacht die nichtlineare Verzerrung, obwohl der Wirkungsgrad ihrer Sch altung zunimmt.
BVerstärker der Klassen "AB" und "B" erhöhen die Verzerrung mit abnehmendem Signalpegel. Unwillkürlich möchte man einen solchen Verstärker lauter aufdrehen, um die Kraft und Dynamik der Musik voll auszuschöpfen, aber oft hilft das nicht viel.
Mittlere Berufsklassen
Arbeitsklasse "A" hat eine Variation - Klasse "A+". In diesem Fall arbeiten die Niederspannungs-Eingangstransistoren des Verstärkers dieser Klasse in Klasse "A", und die Hochspannungs-Ausgangstransistoren des Verstärkers gehen in die Klassen "B" oder ein, wenn ihre Eingangssignale einen bestimmten Pegel überschreiten "AB". Der Wirkungsgrad solcher Kaskaden ist besser als in der reinen Klasse "A", und die nichtlinearen Verzerrungen sind geringer (bis zu 0,003%). Sie klingen jedoch auch "metallisch", da im Ausgangssignal höhere Obertöne vorhanden sind.
Verstärker einer anderen Klasse - "AA" - haben einen noch geringeren Grad an nichtlinearer Verzerrung - etwa 0,0005%, aber es sind auch höhere Harmonische vorhanden.
Rückkehr zum Transistorverstärker der Klasse A?
Heute plädieren viele Spezialisten auf dem Gebiet der hochwertigen Klangwiedergabe für eine Rückkehr zu Röhrenverstärkern, da der Grad der nichtlinearen Verzerrungen und höheren Harmonischen, die von ihnen in das Ausgangssignal eingebracht werden, offensichtlich niedriger ist als der von Transistoren. Diese Vorteile werden jedoch weitgehend durch die Notwendigkeit eines Anpassungstransformators zwischen der hochohmigen Röhrenendstufe und den niederohmigen Lautsprechern wieder aufgehoben. Ein einfacher Transistorverstärker kann jedoch wie unten gezeigt mit einem Transformatorausgang hergestellt werden.
Es gibt auch den Standpunkt, dass nur ein Hybrid-Röhren-Transistor-Verstärker die ultimative Klangqualität bieten kann, der alle Stufen unsymmetrisch ist, nicht von Gegenkopplungen bedeckt ist und in Klasse "A" arbeitet. Das heißt, ein solcher Leistungsfolger ist ein Verstärker an einem einzelnen Transistor. Sein Schema kann die maximal erreichbare Effizienz (in Klasse "A") nicht mehr als 50% haben. Aber weder die Leistung noch die Effizienz des Verstärkers sind Indikatoren für die Qualität der Klangwiedergabe. Dabei sind Qualität und Linearität der Kennlinie aller EREs im Stromkreis von besonderer Bedeutung.
Sobald Single-Ended-Sch altungen diese Perspektive erh alten, werden wir uns ihre Optionen unten ansehen.
Single-Ended-Single-Transistor-Verstärker
Seine Sch altung, die mit einem gemeinsamen Emitter und R-C-Anschlüssen für Eingangs- und Ausgangssignale für den Betrieb in Klasse "A" ausgeführt ist, ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Es zeigt einen n-p-n-Transistor Q1. Sein Kollektor ist über einen Strombegrenzungswiderstand R3 mit dem positiven Anschluss +Vcc verbunden, und sein Emitter ist mit –Vcc verbunden. Der p-n-p-Transistorverstärker hat die gleiche Sch altung, aber die Stromversorgungsleitungen sind vertauscht.
C1 ist ein Entkopplungskondensator, der die AC-Eingangsquelle von der DC-Spannungsquelle Vcc trennt. Gleichzeitig verhindert C1 nicht den Durchgang eines Eingangswechselstroms durch den Basis-Emitter-Übergang des Transistors Q1. Widerstände R1 und R2 zusammen mit Widerstandder Übergang "E - B" bildet einen Spannungsteiler Vcc, um den Arbeitspunkt des Transistors Q1 im statischen Modus auszuwählen. Typisch für diese Sch altung ist der Wert von R2=1 kOhm, und die Lage des Arbeitspunktes ist Vcc / 2. R3 ist ein Kollektorkreis-Lastwiderstand und wird verwendet, um ein variables Spannungsausgangssignal am Kollektor zu erzeugen.
Nehmen wir an, dass Vcc=20 V, R2=1 kOhm und die Stromverstärkung h=150. Wir wählen die Spannung am Emitter Ve=9 V, und den Spannungsabfall am Übergang "A - B". angenommen gleich Vbe=0,7 V. Dieser Wert entspricht dem sogenannten Siliziumtransistor. Wenn wir einen Verstärker auf der Basis von Germaniumtransistoren in Betracht ziehen, dann wäre der Spannungsabfall über dem offenen Übergang "E - B" Vbe=0,3 V.
Emitterstrom, ungefähr gleich Kollektorstrom
Ie=9 V/1 kΩ=9 mA ≈ Ic.
Grundstrom Ib=Ic/h=9mA/150=60uA.
Spannungsabfall am Widerstand R1
V(R1)=Vcc - Vb=Vcc - (Vbe + Ve)=20V - 9,7V=10,3V
R1=V(R1)/Ib=10, 3 V/60 µA=172 kOhm.
C2 wird benötigt, um einen Stromkreis für den Durchgang der variablen Komponente des Emitterstroms (eigentlich des Kollektorstroms) zu erstellen. Wenn es nicht da wäre, würde der Widerstand R2 den variablen Anteil stark begrenzen, so dass der betreffende Bipolartransistor-Verstärker eine geringe Stromverstärkung hätte.
In unseren Berechnungen haben wir angenommen, dass Ic=Ib h, wobei Ib der Basisstrom ist, der vom Emitter in ihn fließt und entsteht, wenn eine Vorspannung an die Basis angelegt wird. Jedoch immer durch die Basis (sowohl mit als auch ohne Offset)es gibt auch einen Leckstrom vom Kollektor Icb0. Daher ist der tatsächliche Kollektorstrom Ic=Ib h + Icb0 h, d. h. Der Leckstrom im Stromkreis mit OE wird um das 150-fache verstärkt. Würden wir einen Verstärker auf Basis von Germanium-Transistoren in Betracht ziehen, dann müsste dieser Umstand bei den Berechnungen berücksichtigt werden. Tatsache ist, dass Germaniumtransistoren einen signifikanten Icb0 in der Größenordnung von mehreren μA haben. In Silizium ist er um drei Größenordnungen kleiner (etwa wenige nA), wird also bei Berechnungen meist vernachlässigt.
Single-Ended-MIS-Transistorverstärker
Wie jeder Feldeffekttransistor-Verstärker hat die betreffende Sch altung ihr Analogon unter den Bipolartransistor-Verstärkern. Betrachten Sie daher ein Analogon der vorherigen Sch altung mit einem gemeinsamen Emitter. Es ist mit einer gemeinsamen Quelle und R-C-Anschlüssen für Eingangs- und Ausgangssignale für den Betrieb in Klasse "A" ausgestattet und in der folgenden Abbildung dargestellt.
C1 ist hier derselbe Entkopplungskondensator, mit dem die AC-Eingangsquelle von der DC-Spannungsquelle Vdd getrennt wird. Wie Sie wissen, muss bei jedem Feldeffekttransistorverstärker das Gate-Potential seiner MOS-Transistoren unter den Potentialen ihrer Sources liegen. In dieser Sch altung ist das Gate über R1 geerdet, das typischerweise hochohmig ist (100 kΩ bis 1 MΩ), damit es das Eingangssignal nicht überbrückt. Durch R1 fließt praktisch kein Strom, sodass das Gate-Potential bei fehlendem Eingangssignal gleich dem Massepotential ist. Das Source-Potential ist aufgrund des Spannungsabfalls über dem Widerstand R2 höher als das Massepotential. SoSomit ist das Gate-Potential niedriger als das Source-Potential, was für den normalen Betrieb von Q1 erforderlich ist. Kondensator C2 und Widerstand R3 haben den gleichen Zweck wie in der vorherigen Sch altung. Da es sich um eine Common-Source-Sch altung handelt, sind die Ein- und Ausgangssignale um 180° phasenverschoben.
Trafo Ausgangsverstärker
Der dritte einstufige einfache Transistor-Verstärker, dargestellt in der Abbildung unten, ist ebenfalls nach der Common-Emitter-Sch altung für den Betrieb in Klasse "A" ausgeführt, jedoch über eine Anpassung an einen niederohmigen Lautsprecher angeschlossen Transformator.
Die Primärwicklung des Transformators T1 ist die Kollektorsch altungslast des Transistors Q1 und entwickelt ein Ausgangssignal. T1 sendet das Ausgangssignal an den Lautsprecher und stellt sicher, dass die Ausgangsimpedanz des Transistors mit der niedrigen Lautsprecherimpedanz (in der Größenordnung von einigen Ohm) übereinstimmt.
Der Spannungsteiler der Kollektorstromversorgung Vcc, der auf den Widerständen R1 und R3 aufgebaut ist, ermöglicht die Wahl des Arbeitspunkts des Transistors Q1 (Lieferung einer Vorspannung an seine Basis). Der Zweck der restlichen Elemente des Verstärkers ist derselbe wie in den vorherigen Sch altungen.
Gegentakt-Audioverstärker
Der Zwei-Transistor-Gegentakt-Tieftonverstärker zerlegt das Eingangs-Audiosignal in zwei gegenphasige Halbwellen, die jeweils durch eine eigene Transistorstufe verstärkt werden. Nachdem eine solche Verstärkung durchgeführt wurde, werden die Halbwellen zu einem vollständigen harmonischen Signal kombiniert, das an das Lautsprechersystem übertragen wird. Eine solche Transformation von NiederfrequenzSignal (Aufteilen und Wiederverschmelzen) verursacht natürlich eine irreversible Verzerrung aufgrund des Unterschieds in der Frequenz und den dynamischen Eigenschaften der beiden Transistoren der Sch altung. Diese Verzerrung reduziert die Klangqualität am Ausgang des Verstärkers.
Gegentaktverstärker der Klasse "A" geben komplexe Audiosignale nicht gut genug wieder, da in ihren Armen ständig ein erhöhter Konstantstrom fließt. Dies führt zu Asymmetrien der Halbwellen des Signals, Phasenverzerrungen und letztendlich zum Verlust der Tonverständlichkeit. Beim Erhitzen verdoppeln zwei leistungsstarke Transistoren die Signalverzerrung in den niedrigen und infratiefen Frequenzen. Der Hauptvorteil der Gegentaktsch altung ist jedoch der akzeptable Wirkungsgrad und die erhöhte Ausgangsleistung.
Push-Pull-Transistor-Leistungsverstärkersch altung ist in der Abbildung dargestellt.
Dies ist ein Verstärker der Klasse "A", aber es können auch Klasse "AB" und sogar "B" verwendet werden.
Trafoloser Transistor-Leistungsverstärker
Transformatoren sind trotz fortschreitender Miniaturisierung immer noch die sperrigsten, schwersten und teuersten ERE. Daher wurde ein Weg gefunden, den Transformator aus der Gegentaktsch altung zu eliminieren, indem man ihn mit zwei leistungsstarken komplementären Transistoren unterschiedlichen Typs (n-p-n und p-n-p) betreibt. Die meisten modernen Leistungsverstärker verwenden dieses Prinzip und sind für den Betrieb in Klasse "B" ausgelegt. Die Sch altung eines solchen Leistungsverstärkers ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Beide Transistoren sind gemäß einer gemeinsamen Kollektorsch altung (Emitterfolger) verbunden. Daher überträgt die Sch altung die Eingangsspannung unverstärkt an den Ausgang. Wenn kein Eingangssignal vorhanden ist, befinden sich beide Transistoren an der Grenze des eingesch alteten Zustands, sind jedoch ausgesch altet.
Wenn ein harmonisches Signal eingegeben wird, öffnet seine positive Halbwelle TR1, versetzt aber den p-n-p-Transistor TR2 in den vollständigen Sperrmodus. Somit fließt nur die positive Halbwelle des verstärkten Stroms durch die Last. Die negative Halbwelle des Eingangssignals öffnet nur TR2 und sch altet TR1 aus, so dass die negative Halbwelle des verstärkten Stroms der Last zugeführt wird. Als Ergebnis wird ein mit voller Leistung verstärktes (aufgrund der Stromverstärkung) sinusförmiges Signal an die Last geliefert.
Einzeltransistorverstärker
Um das Obige zu assimilieren, bauen wir einen einfachen Transistorverstärker mit unseren eigenen Händen zusammen und finden heraus, wie er funktioniert.
Als Last eines Niederleistungstransistors T vom Typ BC107 sch alten wir Kopfhörer mit einem Widerstand von 2-3 kOhm ein und legen die Vorspannung von einem hochohmigen Widerstand Rvon 1 an die Basis an MΩ, wir sch alten den Entkopplungs-Elektrolytkondensator C mit einer Kapazität von 10 μF bis 100 μF in der Basissch altung T ein. Wir werden die Sch altung aus einer Batterie mit 4,5 V / 0,3 A speisen.
Wenn der Widerstand R nicht angeschlossen ist, dann fließt weder der Basisstrom Ib noch der Kollektorstrom Ic. Wenn der Widerstand angeschlossen ist, steigt die Spannung an der Basis auf 0,7 V und ein Strom Ib \u003d 4 μA fließt durch ihn. Koeffizientdie Stromverstärkung des Transistors beträgt 250, was Ic=250Ib=1 mA ergibt.
Nachdem wir einen einfachen Transistorverstärker mit unseren eigenen Händen zusammengebaut haben, können wir ihn jetzt testen. Schließen Sie die Kopfhörer an und legen Sie Ihren Finger auf Punkt 1 des Diagramms. Sie hören ein Geräusch. Ihr Körper nimmt die Strahlung des Netzes mit einer Frequenz von 50 Hz wahr. Das Rauschen, das Sie aus den Kopfhörern hören, ist diese Strahlung, die nur durch den Transistor verstärkt wird. Lassen Sie uns diesen Vorgang näher erläutern. An die Basis des Transistors wird über den Kondensator C eine Wechselspannung von 50 Hz angelegt. Die Spannung an der Basis ist nun gleich der Summe der DC-Vorspannung (ungefähr 0,7 V), die vom Widerstand R kommt, und der AC-Fingerspannung. Dadurch erhält der Kollektorstrom einen Wechselanteil mit einer Frequenz von 50 Hz. Durch diesen Wechselstrom wird die Membran der Lautsprecher mit der gleichen Frequenz hin- und herbewegt, sodass am Ausgang ein 50Hz-Ton zu hören ist.
Das Hören des 50-Hz-Rauschpegels ist nicht sehr interessant, daher können Sie Niederfrequenzquellen (CD-Player oder Mikrofon) an die Punkte 1 und 2 anschließen und verstärkte Sprache oder Musik hören.
