L'amplificatore a transistor, nonostante la sua già lunga storia, rimane una delle materie di studio preferite sia dai principianti che dai radioamatori veterani. E questo è comprensibile. È un componente indispensabile dei più diffusi dispositivi radioamatoriali: ricevitori radio e amplificatori a bassa frequenza (suona). Vedremo come sono costruiti i più semplici amplificatori a transistor a bassa frequenza.
Risposta in frequenza dell'amplificatore
In qualsiasi televisore o ricevitore radio, in ogni centro musicale o amplificatore del suono, puoi trovare amplificatori del suono a transistor (bassa frequenza - LF). La differenza tra amplificatori a transistor audio e altri tipi sta nella loro risposta in frequenza.
L'amplificatore audio a transistor ha una risposta in frequenza uniforme nella banda di frequenza da 15 Hz a 20 kHz. Ciò significa che tutti i segnali di ingresso con una frequenza all'interno di questo intervallo vengono convertiti (amplificati) dall'amplificatore.piu 'o meno lo stesso. La figura seguente mostra la curva di risposta in frequenza ideale per un amplificatore audio nelle coordinate "guadagno dell'amplificatore Ku - frequenza del segnale di ingresso".
Questa curva è quasi piatta da 15Hz a 20kHz. Ciò significa che un tale amplificatore dovrebbe essere utilizzato specificamente per segnali di ingresso con frequenze comprese tra 15 Hz e 20 kHz. Per i segnali di ingresso con frequenze superiori a 20 kHz o inferiori a 15 Hz, l'efficienza e le prestazioni si deteriorano rapidamente.
Il tipo di risposta in frequenza dell'amplificatore è determinato dagli elementi radio elettrici (ERE) del suo circuito, e soprattutto dai transistor stessi. Un amplificatore audio basato su transistor è solitamente assemblato sui cosiddetti transistor a bassa e media frequenza con una larghezza di banda totale dei segnali di ingresso da decine e centinaia di Hz a 30 kHz.
Classe amplificatore
Come sai, a seconda del grado di continuità del flusso di corrente per tutto il suo periodo attraverso lo stadio di amplificazione del transistor (amplificatore), si distinguono le seguenti classi di funzionamento: "A", "B", "AB", "C", "RE ".
Nella classe di funzionamento, la corrente "A" scorre attraverso lo stadio per il 100% del periodo del segnale di ingresso. La cascata in questa classe è illustrata nella figura seguente.
Nello stadio dell'amplificatore in classe "AB", la corrente lo attraversa per più del 50%, ma per meno del 100% del periodo del segnale di ingresso (vedi figura sotto).
Nella classe di funzionamento dello stadio "B", la corrente lo attraversa esattamente per il 50% del periodo del segnale di ingresso, come illustrato in figura.
Infine, nella classe di funzionamento dello stadio "C", la corrente lo attraversa per meno del 50% del periodo del segnale di ingresso.
Amplificatore a transistor LF: distorsione nelle principali classi di lavoro
Nell'area di lavoro, l'amplificatore a transistor di classe "A" ha un basso livello di distorsione non lineare. Ma se il segnale ha sbalzi di tensione che portano alla saturazione dei transistor, attorno a ciascuna armonica "standard" del segnale di uscita compaiono armoniche più elevate (fino all'undicesima). Ciò provoca il fenomeno del cosiddetto suono transistorizzato o metallico.
Se gli amplificatori di potenza a bassa frequenza su transistor hanno un'alimentazione non stabilizzata, i loro segnali di uscita sono modulati in ampiezza vicino alla frequenza di rete. Questo porta all'asprezza del suono sul bordo sinistro della risposta in frequenza. Vari metodi di stabilizzazione della tensione rendono più complesso il design dell'amplificatore.
L'efficienza tipica di un amplificatore single-ended in Classe A non supera il 20% a causa del transistor sempre acceso e del flusso continuo della componente CC. Puoi realizzare un amplificatore in classe A push-pull, l'efficienza aumenterà leggermente, ma le semionde del segnale diventeranno più asimmetriche. Il trasferimento della cascata dalla classe di lavoro "A" alla classe di lavoro "AB" quadruplica la distorsione non lineare, sebbene l'efficienza del suo circuito aumenti.
Bamplificatori delle classi "AB" e "B" la distorsione aumenta al diminuire del livello del segnale. Involontariamente vuoi alzare il volume di un tale amplificatore per la piena sensazione della potenza e della dinamica della musica, ma spesso questo non aiuta molto.
Corsi di lavoro intermedi
La classe di lavoro "A" ha una variante: la classe "A+". In questo caso, i transistor di ingresso a bassa tensione dell'amplificatore di questa classe funzionano in classe "A" e i transistor di uscita ad alta tensione dell'amplificatore, quando i loro segnali di ingresso superano un certo livello, entrano nelle classi "B" o "AB". L'efficienza di tali cascate è migliore rispetto alla pura classe "A" e la distorsione non lineare è inferiore (fino allo 0,003%). Tuttavia, suonano anche "metallici" a causa della presenza di armoniche più alte nel segnale di uscita.
Amplificatori di un' altra classe - "AA" hanno un grado di distorsione non lineare ancora più basso - circa 0,0005%, ma sono presenti anche armoniche più alte.
Ritornare all'amplificatore a transistor di classe A?
Oggi, molti specialisti nel campo della riproduzione del suono di alta qualità sostengono un ritorno agli amplificatori a valvole, poiché il livello di distorsione non lineare e armoniche più elevate da essi introdotte nel segnale di uscita è ovviamente inferiore a quello dei transistor. Tuttavia, questi vantaggi sono ampiamente compensati dalla necessità di un trasformatore di adattamento tra lo stadio di uscita a valvole ad alta impedenza e gli altoparlanti a bassa impedenza. Tuttavia, un semplice amplificatore transistorizzato può essere realizzato con un'uscita trasformatore come mostrato di seguito.
C'è anche un punto di vista secondo cui solo un amplificatore ibrido tubo-transistor può fornire la massima qualità del suono, tutti gli stadi dei quali sono single-ended, non coperti da feedback negativo e funzionano in classe "A". Cioè, un tale inseguitore di potenza è un amplificatore su un singolo transistor. Il suo schema può avere l'efficienza massima raggiungibile (in classe "A") non superiore al 50%. Ma né la potenza né l'efficienza dell'amplificatore sono indicatori della qualità della riproduzione del suono. Allo stesso tempo, la qualità e la linearità delle caratteristiche di tutti gli ERE del circuito sono di particolare importanza.
Poiché i circuiti single-ended ottengono questa prospettiva, esamineremo le loro opzioni di seguito.
Amplificatore single-ended a transistor singolo
Il suo circuito, realizzato con un emettitore comune e connessioni R-C per i segnali di ingresso e di uscita per il funzionamento in classe "A", è mostrato nella figura seguente.
Mostra un transistor n-p-n Q1. Il suo collettore è collegato al terminale positivo +Vcc tramite un resistore limitatore di corrente R3 e il suo emettitore è collegato a -Vcc. L'amplificatore a transistor p-n-p avrà lo stesso circuito, ma i cavi di alimentazione saranno invertiti.
C1 è un condensatore di disaccoppiamento che separa la sorgente di ingresso CA dalla sorgente di tensione CC Vcc. Allo stesso tempo, C1 non impedisce il passaggio di una corrente alternata in ingresso attraverso la giunzione base-emettitore del transistor Q1. Resistori R1 e R2 insieme a resistenzala transizione "E - B" forma un partitore di tensione Vcc per selezionare il punto di lavoro del transistor Q1 in modalità statica. Tipico per questo circuito è il valore di R2=1 kOhm e la posizione del punto di lavoro è Vcc / 2. R3 è un resistore di carico del circuito del collettore e viene utilizzato per creare un segnale di uscita a tensione variabile sul collettore.
Assumiamo che Vcc=20 V, R2=1 kOhm e il guadagno di corrente h=150. Selezioniamo la tensione all'emettitore Ve=9 V e la caduta di tensione alla transizione "A - B" sia preso pari a Vbe=0,7 V. Questo valore corrisponde al cosiddetto transistor al silicio. Se dovessimo considerare un amplificatore basato su transistor al germanio, la caduta di tensione attraverso la giunzione aperta "E - B" sarebbe Vbe=0,3 V.
Corrente dell'emettitore, approssimativamente uguale alla corrente del collettore
Ie=9 V/1 kΩ=9 mA ≈ Ic.
Corrente base Ib=Ic/h=9mA/150=60uA.
Caduta di tensione sul resistore R1
V(R1)=Vcc - Vb=Vcc - (Vbe + Ve)=20V - 9.7V=10.3V
R1=V(R1)/Ib=10, 3 V/60 uA=172 kOhm.
C2 serve per creare un circuito per il passaggio della componente variabile della corrente di emettitore (in re altà la corrente di collettore). Se non ci fosse, il resistore R2 limiterebbe fortemente la componente variabile, così che l'amplificatore a transistor bipolare in questione avrebbe un basso guadagno di corrente.
Nei nostri calcoli, abbiamo assunto che Ic=Ib h, dove Ib è la corrente di base che scorre in esso dall'emettitore e che si genera quando viene applicata una tensione di polarizzazione alla base. Tuttavia, tramite la base sempre (sia con che senza offset)c'è anche una corrente di dispersione dal collettore Icb0. Pertanto, la corrente di collettore reale è Ic=Ib h + Icb0 h, cioè la corrente di dispersione nel circuito con OE viene amplificata di 150 volte. Se stessimo considerando un amplificatore basato su transistor al germanio, questa circostanza dovrebbe essere presa in considerazione nei calcoli. Il fatto è che i transistor al germanio hanno una Icb0 significativa dell'ordine di diversi μA. Nel silicio, è di tre ordini di grandezza più piccolo (circa pochi nA), quindi di solito viene trascurato nei calcoli.
Amplificatore a transistor MIS single-ended
Come ogni amplificatore a transistor ad effetto di campo, il circuito in questione ha il suo analogo tra gli amplificatori a transistor bipolari. Pertanto, considera un analogo del circuito precedente con un emettitore comune. È realizzato con una sorgente comune e connessioni R-C per i segnali di ingresso e uscita per il funzionamento in classe "A" ed è mostrato nella figura seguente.
Qui C1 è lo stesso condensatore di disaccoppiamento, per mezzo del quale la sorgente di ingresso AC viene separata dalla sorgente di tensione DC Vdd. Come sapete, qualsiasi amplificatore a transistor ad effetto di campo deve avere il potenziale di gate dei suoi transistor MOS al di sotto dei potenziali delle loro sorgenti. In questo circuito, il gate è messo a terra da R1, che è tipicamente ad alta resistenza (da 100 kΩ a 1 MΩ) in modo da non deviare il segnale di ingresso. Non c'è praticamente corrente attraverso R1, quindi il potenziale di gate in assenza di un segnale di ingresso è uguale al potenziale di terra. Il potenziale della sorgente è maggiore del potenziale di terra a causa della caduta di tensione attraverso il resistore R2. CosìPertanto, il potenziale di gate è inferiore al potenziale di source, necessario per il normale funzionamento di Q1. Il condensatore C2 e il resistore R3 hanno lo stesso scopo del circuito precedente. Poiché si tratta di un circuito a sorgente comune, i segnali di ingresso e di uscita sono sfasati di 180°.
Amplificatore di uscita trasformatore
Anche il terzo amplificatore a transistor semplice monostadio, mostrato nella figura sotto, è realizzato secondo il circuito emettitore comune per il funzionamento in classe "A", ma è collegato ad un altoparlante a bassa impedenza tramite un abbinamento trasformatore.
L'avvolgimento primario del trasformatore T1 è il carico del circuito del collettore del transistor Q1 e sviluppa un segnale di uscita. T1 invia il segnale di uscita all' altoparlante e assicura che l'impedenza di uscita del transistor corrisponda all'impedenza dell' altoparlante bassa (dell'ordine di pochi ohm).
Il partitore di tensione dell'alimentatore del collettore Vcc, montato sui resistori R1 e R3, prevede la scelta del punto di lavoro del transistor Q1 (che fornisce una tensione di polarizzazione alla sua base). Lo scopo dei restanti elementi dell'amplificatore è lo stesso dei circuiti precedenti.
Amplificatore audio push-pull
L'amplificatore push-pull a bassa frequenza a due transistor divide il segnale audio in ingresso in due semionde sfasate, ciascuna delle quali è amplificata dal proprio stadio a transistor. Dopo aver eseguito tale amplificazione, le semionde vengono combinate in un segnale armonico completo, che viene trasmesso al sistema di altoparlanti. Una tale trasformazione di bassa frequenzail segnale (scissione e rifusione), ovviamente, provoca una distorsione irreversibile in esso, a causa della differenza di frequenza e delle proprietà dinamiche dei due transistor del circuito. Questa distorsione riduce la qualità del suono all'uscita dell'amplificatore.
Gli amplificatori push-pull operanti in classe "A" non riproducono abbastanza bene segnali audio complessi, poiché una corrente costante aumentata scorre costantemente nelle loro braccia. Ciò porta all'asimmetria delle semionde del segnale, alle distorsioni di fase e, in definitiva, alla perdita di intelligibilità del suono. Quando riscaldati, due potenti transistor raddoppiano la distorsione del segnale nelle frequenze basse e infra-basse. Tuttavia, il principale vantaggio del circuito push-pull è la sua efficienza accettabile e la maggiore potenza di uscita.
Il circuito dell'amplificatore di potenza a transistor push-pull è mostrato nella figura.
Questo è un amplificatore di classe "A", ma è possibile utilizzare anche la classe "AB" e persino "B".
Amplificatore di potenza a transistor senza trasformatore
I trasformatori, nonostante i progressi nella loro miniaturizzazione, sono ancora gli ERE più ingombranti, pesanti e costosi. Pertanto, è stato trovato un modo per eliminare il trasformatore dal circuito push-pull facendolo funzionare su due potenti transistor complementari di diverso tipo (n-p-n e p-n-p). La maggior parte degli amplificatori di potenza moderni utilizza questo principio e sono progettati per funzionare in classe "B". Il circuito di un tale amplificatore di potenza è mostrato nella figura seguente.
Entrambi i suoi transistor sono collegati secondo un circuito di collettore comune (emettitore follower). Pertanto, il circuito trasferisce la tensione di ingresso all'uscita senza amplificazione. Se non c'è segnale di ingresso, allora entrambi i transistor sono al confine dello stato acceso, ma sono spenti.
Quando viene immesso un segnale armonico, la sua semionda positiva apre TR1, ma mette il transistor p-n-p TR2 in modalità di taglio completo. Pertanto, solo la semionda positiva della corrente amplificata scorre attraverso il carico. La semionda negativa del segnale di ingresso apre solo TR2 e spegne TR1, in modo che la semionda negativa della corrente amplificata venga fornita al carico. Di conseguenza, viene inviato al carico un segnale sinusoidale amplificato a piena potenza (dovuto all'amplificazione di corrente).
Amplificatore a transistor singolo
Per assimilare quanto sopra, assembleremo un semplice amplificatore a transistor con le nostre mani e scopriremo come funziona.
Come carico di un transistor a bassa potenza T di tipo BC107, accendiamo le cuffie con una resistenza di 2-3 kOhm, applichiamo la tensione di polarizzazione alla base da un resistore ad alta resistenza R di 1 MΩ, accendiamo il condensatore elettrolitico di disaccoppiamento C con una capacità da 10 μF a 100 μF nel circuito di base T. Alimentare il circuito da una batteria da 4,5 V / 0,3 A.
Se il resistore R non è collegato, non c'è né corrente di base Ib né corrente di collettore Ic. Se il resistore è collegato, la tensione alla base sale a 0,7 V e una corrente Ib \u003d 4 μA scorre attraverso di essa. Coefficienteil guadagno di corrente del transistor è 250, che dà Ic=250Ib=1 mA.
Dopo aver assemblato un semplice amplificatore a transistor con le nostre mani, ora possiamo testarlo. Collega le cuffie e posiziona il dito sul punto 1 dello schema. Sentirai un rumore. Il tuo corpo percepisce la radiazione della rete a una frequenza di 50 Hz. Il rumore che senti dalle cuffie è questa radiazione, amplificata solo dal transistor. Spieghiamo questo processo in modo più dettagliato. Una tensione CA di 50 Hz è collegata alla base del transistor attraverso il condensatore C. La tensione alla base è ora uguale alla somma della tensione di polarizzazione CC (circa 0,7 V) proveniente dal resistore R e la tensione del dito CA. Di conseguenza, la corrente del collettore riceve una componente alternata con una frequenza di 50 Hz. Questa corrente alternata viene utilizzata per muovere la membrana degli altoparlanti avanti e indietro alla stessa frequenza, il che significa che possiamo sentire un tono di 50 Hz in uscita.
Ascoltare il livello di rumore a 50 Hz non è molto interessante, quindi puoi collegare sorgenti a bassa frequenza (lettore CD o microfono) ai punti 1 e 2 e ascoltare discorsi o musica amplificati.
