Принципиальные схемы двух вариантов такого усилителя изображены на рисунке 2.7. Они, по существу, являются повторением схемы разобранного сейчас транзисторного усилителя. Только на них указаны данные деталей и введены три дополнительных элемента: R1, СЗ и S1. Резистор R1 - нагрузка источника колебаний звуковой частоты (детекторного приемника или звукоснимателя); СЗ - конденсатор, блокирующий головку В1 громкоговорителя по высшим звуковым частотам; S1 - выключатель питания. В усилителе на (рис. 2.7, а) работают транзисторы структуры р - n - р, в усилителе на (рис. 2.7, б) - структуры n - p - n. В связи с этим полярность включения питающих их батарей разная: на коллекторы транзисторов первого варианта усилителя подается отрицательное, а на коллекторы транзисторов второго варианта - положительное напряжение. Полярность включения электролитических конденсаторов также разная. В остальном усилители совершенно одинаковые.

Рисунок 2.7 - Двухкаскадные усилители НЧ на транзисторах структуры p - n - p (a) и на транзисторах структуры n - p - n (б).

В любом из этих вариантов усилителя могут работать транзисторы со статическим коэффициентом передачи тока h21э 20 - 30 и больше. В каскад предварительного усиления (первый) надо поставить транзистор с большим коэффициентом h21э - Роль нагрузки В1 выходного каскада могут выполнять головные телефоны, телефонный капсюль ДЭМ-4м.

Для питания усилителя используется батарею 3336Л (в народе называют - квадратная батарея) или сетевой блок питания. Предварительно усилитель соберите на макетной плате, после чего перенесете его детали на печатную плату, если возникнет такое желание. Сначала на макетной плате смонтируйте детали только первого каскада и конденсатор С2. Между правым (по схеме) выводом этого конденсатора и заземленным проводником источника питания включите головные телефоны. Если теперь вход усилителя соединить с выходными гнездами например: детекторного приемника, настроенного на какую - либо радиостанцию, или подключить к нему любой другой источник слабого сигнала, в телефонах появится звук радиопередачи или сигнал подключенного источника.

Подбирая сопротивление резистора R2 (так же, как при подгонке режима работы однотранзисторного усилителя. При этом миллиамперметр, включенный в коллекторную цепь транзистора, должен показывать ток, равный 0,4 - 0,6 мА. При напряжении источника питания 4,5 В это наивыгоднейший режим работы для данного транзистора. Затем монтируются детали второго (выходного) каскада усилителя, телефоны включается в коллекторную цепь его транзистора. Теперь телефоны должны звучать значительно громче. Еще громче, возможно, они будут звучать после того, как подбором резистора R4 будет установлен коллекторный ток транзистора 0,4 - 0,6 мА. Можно, поступить иначе: смонтировать все детали усилителя, подбором резисторов R2 и R4 установить рекомендуемые режимы транзисторов (по токам коллекторных цепей или напряжениям на коллекторах транзисторов) и только после этого проверять его работу на звуковоспроизведение. Такой путь более техничный. А для более сложного усилителя, он единственно правильный. И если коэффициенты передачи тока их транзисторов будут примерно одинаковыми, то и громкость звучания телефонов - нагрузок усилителей должна быть одинаковой. С капсюлем ДЭМ-4м, сопротивление которого 60 Ом, ток покоя транзистора каскада надо увеличить (уменьшением сопротивления резистора R4) до 4 - 6 мА.

Принципиальная схема третьего варианта двухкаскадного усилителя показана на (рис. 2.8). Особенностью этого усилителя является то, что в первом его каскаде работает транзистор структуры p - n - р, а во втором - структуры n - p - n. Причем база второго транзистора соединена с коллектором первого не через переходной конденсатор, как в усилителе первых двух вариантов, а непосредственно или, как еще говорят, гальванически. При такой связи расширяется диапазон частот усиливаемых колебаний, а режим работы второго транзистора определяется в основном режимом работы первого, который устанавливают подбором резистора R2. В таком усилителе нагрузкой транзистора первого каскада служит не резистор R3, а эмиттерный р - n переход второго транзистора. Резистор же нужен лишь как элемент смещения: создающееся на нем падение напряжения открывает второй транзистор. Если этот транзистор германиевый (МП35 - МП38), сопротивление резистора R3 может быть 680 - 750 Ом, а если кремниевый (МП111 - МП116, КТ315, КТ3102) - около 3 кОм.

К сожалению, стабильность работы такого усилителя при изменении напряжения питания или температуры невысока. В остальном все то, что сказано применительно к усилителям первых двух вариантов, относится и к этому усилителю. Можно ли усилители питать от источника постоянного тока напряжением 9 В, например от двух батарей 3336Л или "Крона", или, наоборот, от источника напряжением 1,5 - 3 В - от одного - двух элементов 332 или 316? Разумеется, можно: при более высоком напряжении источника питания нагрузка усилителя - головка громкоговорителя - должна звучать громче, при более низком - тише. Но при этом несколько иными должны быть и режимы работы транзисторов. Кроме того, при напряжении источника питания 9 В номинальные напряжения электролитических конденсаторов С2 первых двух вариантов усилителя должны быть не менее 10 В. Пока детали усилителя смонтированы на макетной панели, все это нетрудно проверить опытным путем и сделать соответствующие выводы.

Рисунок 2.8 - Усилитель на транзисторах разной структуры.

Смонтировать детали налаженного усилителя на постоянной плате - дело несложное.

При расчете усилительных каскадов на полупроводниковых элементах нужно знать много теории. Но если требуется сделать простейший УНЧ, то достаточно подобрать транзисторы по току и коэффициенту усиления. Это основное, нужно еще определиться с тем, в каком режиме должен работать усилитель. Это зависит от того, где планируется его использовать. Ведь усиливать можно не только звук, но и ток - импульс для управления каким-либо устройством.

Виды усилителей

Когда реализуются конструкции усилительных каскадов на транзисторах, нужно решить несколько важных вопросов. Сразу определитесь с тем, в каком из режимов будет работать устройство:

1. А - линейный усилитель, на выходе присутствует ток в любой момент времени работы.
2. В - ток проходит только в течение первого полупериода.
3. С - при высоком КПД нелинейные искажения становятся сильнее.
4. D и F - режимы работы усилителей в режиме «ключа» (переключателя).

Распространенные схемы транзисторных усилительных каскадов:

1. С фиксированным током в цепи базы.
2. С фиксацией напряжения в базе.
3. Стабилизация коллекторной цепи.
4. Стабилизация эмиттерной цепи.
5. УНЧ дифференциального типа.
6. Двухтактные усилители НЧ.

Чтобы понять принцип работы всех этих схем, нужно хотя бы вкратце рассмотреть их особенности.

Фиксация тока в цепи базы

Это самая простая схема усилительного каскада, которая может использоваться в практике. За счет этого ее широко используют начинающие радиолюбители - повторить конструкцию не составит труда. Цепи базы и коллектора транзистора запитаны от одного источника, что является преимуществом конструкции.

Но у нее имеются и недостатки - это сильная зависимость нелинейных и линейных параметров УНЧ от:

1. Питающего напряжения.
2. Степени разброса параметров полупроводникового элемента.
3. Температуры - при расчете усилительного каскада обязательно нужно учитывать этот параметр.

Недостатков довольно много, они не позволяют применять такие устройства в современной технике.

Стабилизация напряжения базы

В режиме А могут работать усилительные каскады на биполярных транзисторах. А вот если осуществить фиксацию напряжения на базе, то можно использовать даже полевики. Только это будет фиксация напряжения не базы, а затвора (названия выводов у таких транзисторов другие). В схему вместо биполярного элемента устанавливается полевой, ничего переделывать не придется. Нужно только подобрать сопротивления резисторов.

Стабильностью такие каскады не отличаются, основные его параметры при работе нарушаются, причем очень сильно. Ввиду крайне плохих параметров такая схема не используется, вместо нее лучше на практике применить конструкции со стабилизацией цепей коллектора или эмиттера.

Стабилизация коллекторной цепи

При использовании схем усилительных каскадов на биполярных транзисторах со стабилизацией коллекторной цепи получается сохранить на его выходе около половины от значения напряжения питания. Причем происходит это в относительно большом диапазоне питающих напряжений. Делается это за счет того, что имеется отрицательная обратная связь.

Такие каскады получили широкое распространение в усилителях высоких частот - УРЧ, УПЧ, буферных устройствах, синтезаторах. Такие схемы применяются в передатчиках (включая мобильные телефоны). Сфера применения таких схем очень большая. Конечно, в мобильных схема реализуется не на транзисторе, а на составном элементе - один маленький кристалл кремния заменяет огромную схему.

Эмиттерная стабилизация

Эти схемы можно часто встретить, так как у них имеются явные преимущества - высокая стабильность характеристик (если сравнивать со всеми теми, о которых было рассказано выше). Причина - очень большая глубина обратной связи по току (постоянному).

Усилительные каскады на биполярных транзисторах, выполненные со стабилизацией эмиттерной цепи, используются в радиоприемниках, передатчиках, микросхемах для повышения параметров устройств.

Дифференциальные усилительные устройства

Дифференциальный усилительный каскад используется довольно часто, у таких устройств очень высокая степень устойчивости к помехам. Для питания таких устройств можно применять низковольтные источники - это позволяет уменьшить габариты. Дифусилитель получается, если соединить эмиттеры двух полупроводниковых элементов на одном сопротивлении. «Классическая» схема дифференциального усилителя представлена на рисунке ниже.

Такие каскады очень часто применяются в интегральных микросхемах, операционных усилителях, УПЧ, приемниках ЧМ-сигналов, радиотрактах мобильных телефонов, смесителях частот.

Двухтактные усилители

Двухтактные усилители могут работать в практически любом режиме, но чаще всего используется В. Причина - эти каскады устанавливаются исключительно на выходах устройств, а там нужно повышать экономичность, чтобы обеспечить высокий уровень КПД. Реализовать схему двухтактного усилителя можно как на полупроводниковых транзисторах с одинаковым типом проводимости, так и с разным. «Классическая» схема двухтактного представлена на рисунке ниже.

Независимо от того, в каком режиме работы усилительный каскад находится, получается существенно уменьшить количество четных гармоник во входном сигнале. Именно это является главной причиной широкого распространения такой схемы. Двухтактные усилители часто используются в КМОП-элементах и прочих цифровых элементах.

Схема с общей базой

Такая схема включения транзистора встречается относительно часто, она является четырехполюсником - два входа и столько же выходов. Причем один вход является одновременно и выходом, соединяется с выводом «база» транзистора. К ней подключается один вывод от источника сигнала и нагрузка (например, динамик).

Чтобы запитать каскад с общей базой, можно применить:

1. Схему фиксации тока базы.
2. Стабилизацию напряжения базы.
3. Коллекторную стабилизацию.
4. Эмиттерную стабилизацию.

Особенность схем с общей базой - очень низкое значение входного сопротивления. Оно равно сопротивлению эмиттерного перехода полупроводникового элемента.

Схема с общим коллектором

Конструкции такого типа тоже используются довольно часто, это четырехполюсник, у которого два входа и столько же выводов. Очень много сходств со схемой усилительного каскада с общей базой. Только в этом случае коллектор является общей точкой подключения источника сигнала и нагрузки. Среди преимуществ такой схемы можно выделить ее высокое сопротивление по входу. Благодаря этому она часто применяется в усилителях низких частот.

Для того чтобы запитать транзистор, необходимо использовать стабилизацию по току. Для этого идеально подходит эмиттерная и коллекторная стабилизация. Нужно учесть, что такая схема не может инвертировать входящий сигнал, не усиливает напряжение, именно по этой причине ее называют «эмиттерным повторителем». Такие схемы имеют очень большую стабильность параметров, глубина ОС по постоянному току (обратной связи) почти 100%.

Общий эмиттер

Усилительные каскады с общим эмиттером имеют очень большой коэффициент усиления. Именно с использованием таких схемных решений строятся высокочастотные усилители, используемые в современной технике - системах GSM, GPS, в беспроводных сетях Wi-Fi. У четырехполюсника (каскада) имеется два входа и столько же выходов. Причем эмиттер соединен одновременно с одним выводом нагрузки и источника сигнала. Для питания каскадов с общим эмиттером желательно использовать двухполярные источники. Но если это сделать невозможно, допускается использование однополярных источников, только добиться высокой мощности вряд ли получится.

Минобрнауки России

Федеральное государственное бюджетное общеобразовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Тульский государственный Университет»

Институт высокоточных систем им. В. П. Грязева

КАФЕДРА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Расчет двухкаскадного резистивного усилителя на биполярных транзисторах

пояснительная записка

к курсовой работе по электронике

Студент гр. 130601 ___________________ П.Л. Леонов

(подпись и дата)

Руководитель - доцент каф. РЭ_________________ В. В. Давыдов

Тула – 2012

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Проверить что тут писать

Разраб.

Леонов П.Л.

Провер.

Давыдов В.В.

Т.котр.

Давыдов В.В.

Н. Контр

Утв.

Прохождение периодического сигнала через LC-фильтр с потерями.

Листов

ТулГУ гр.130601

Аннотация

Данная пояснительная записка написана к курсовой работе по дисциплине «Электроника» для варианта «03» и содержит в себе результаты расчета резистивного усилителя на биполярных транзисторах. В качестве анализируемого усилителя выступает двухкаскадный усилитель на кремниевых биполярных транзисторах, основные параметры которого рассчитываются в одной из частей данной записки.

В качестве дополнительного материала к текстовой информации данной пояснительной записки здесь приведены NN иллюстраций. Помимо этого составлена графическая часть на листе формата А1, включающая наиболее важные схемы и характеристики.

Объем пояснительной записки – NN листов.

1. Титульный лист………………………………………………………..1
2. Аннотация……………………………………………………………...2
3. Бланк задания к курсовой работе………………………………….....3
4. Содержание…………………………………………………………….5
5. Введение………………………………………………………………..6
6. Анализ технического задания на курсовую работу……………...….7
7. Обзор литературных источников……………………………………..9
8. Анализ заданной ЭДС………………………………………………..10
9. Определение ширины спектра ЭДС…………………………………11
10. Анализ схемы. Расчет параметров схемы………………………...14
11. Расчет А-параметров схемы фильтра……………………………..15
12. Входное сопротивление нагруженного четырехполюсника…….17
13. Нахождение спектра выходного напряжения…………………….18
14. Расчет коэффициентов передачи фильтра.……………………….20
15. Расчет формы сигнала на выходе………………………………….23
16. Изменение сопротивления нагрузки при неизменных параметрах схемы…………………………………………………………….………………..25
17. Заключение………………………………………….………………28
18. Список использованной литературы………….…………………..29

Введение

«Электроника» является важнейшей дисциплиной в программе подготовки специалиста направления «Радиотехника». Данный курс лекций помогает студентам приобретать навыки разработки методов анализа и синтеза радиотехнических устройств различного назначения на уровне схемотехнических решений. В соответствии с этим курс «Электроника» также является теоретической базой для изучения специальных дисциплин с одной стороны, и основой расчета и исследования разнообразных устройств и систем передачи/обработки информации с другой стороны.

Резистивные усилители являются неотъемлемой частью подавляющего большинства современных технических устройств, т.к.

дают возможность исследования и обработки слабых сигналов.

Помимо приобретения навыков анализа подобных систем в ходе выполнения курсовой работы студенты должны:

Закрепить знания о физических процессах в электрических цепях;

Закрепить и расширить знания о математических моделях, описывающих характеристики и свойства электрических цепей;

Закрепить навыки работы с прикладными программами как, например, с интегрированной средой для решения математических задач MathCAD и текстовым процессором (редактором) Word ;

В результате выполнения курсовой работы каждый студент должен будет понять физические явления в резистивных усилительных каскадах, основным назначением которых является усиление слабых сигналов в заданной полосе частот.

Анализ технического задания на курсовую работу

Вариант курсовой работы с номером «03» предполагает следующие входные данные для анализа и расчета:

Рис. 1 – Двухкаскадный резистивный усилитель.

Таблица №1 (параметры схемы):

	R н,Ом	F н,Гц

Результатом выполнения курсовой работы должен быть расчет номинальных величин резисторов и конденсаторов схемы, коэффициентов нестабильности рабочих точек каскадов, а так же АЧХ каскадов и усилителя в целом. Я бы хотел выделить несколько этапов на пути получения результата:

1) Расчет номинальных величин сопротивлений и емкостей;

2) Уравнение комплексного коэффициента передачи усилителя;

3) Нормированная АЧХ усилителя;

4) Минимальные значения входных и выходных сопротивлений каскадов по переменному току;

Обзор литературных источников

В методическом указании к курсовой работе был приведен список рекомендуемой литературы. Расчет курсовой работы я вел с использованием лекционного материала, теоретических знаний, полученных на занятиях и лабораторных, а также некоторых изданий из списка рекомендуемых. О трех используемых мною книгах стоит поговорить более подробно.

Наиболее важным считаю данное издание:

В данной книге изложены все тонкости курса Основ теории цепей, особенно подробно рассмотрены основные законы и методы расчета электрических цепей при постоянных токах и напряжениях. Авторы уделяют внимание и вопросу о синусоидальных токах – данная тема важна для меня.

Вторым используемым изданием был справочник по математике, наиболее полный и наиболее подробных из всех представленных в библиотеке:

Третье издание я решил выбрать самостоятельно, им оказался самоучитель по работе в математической среде MathCAD . Справочник Кудрявцева, предложенный к использованию руководителем курсовой работы, был не таким понятным для меня, а также был недоступен для использования. В найденном мной самоучителе не был указан автор, т. к. издание имелось лишь в электронном виде. Тем не менее, данное пособие очень пригодилось при написании расчетного файла к курсовой работе.

Выбор биполярного транзистора.

Т.к. к усилителю не предъявлено жестких требования по граничной частоте,усилению и стабильности каскадов,выберем общедоступный транзистор кт361б

Рис. 2 – зависимость U нас от температуры кт361а.

Исходя из данных принимаем U нас=0,5В для 20 градусов по Цельсию.

Рис. 3 – входная ВАХ кт361б.

Входная ВАХ относительно линейна при U бэ=0,7В.

Таблица №2 (параметры транзисторов):

	h 21э	F гр,Мгц	U кэmax, В	U бэmax, В	I кmax ,А

Расчет номинальных величин сопротивлений.

Рис. 4 – Двухкаскадный резистивный усилитель.

Для согласования выходного сопротивления усилителя с нагрузкой расчет следует вести с оконечного каскада:

R 5 примем равным R н для согласования каскада с нагрузкой.

Т.к. R н=510 Ом, то выберем R 5=510 Ом. β примем равным 200.

Напряжение на R 6 примем равным 0,1*Е=1 В;

На R 5 падает напряжение U 5=(E -U нас-U 6)/2=4.25 В;

Ток коллектора I к2=U 5/R 5=8.33 мА;

Отсюда найдем ток базы I б2= I к2/β=41.7 мкА;

R 6=0.1*E / I к2=120 Ом

Найдем ток делителя:

I дел2=(5÷10)* I б2=8* I б2=0,33 мА;

На резисторе R 4 падает напряжение U 4,следовательно

R 4=U 4/I дел2=(0.1E +U бэ)/I дел2=5.1 кОм;

R 3=(E -U 4)/(I дел2+ I б2)= 22 кОм;

Сопротивление R бэ=U бэ/I б2=16,8 кОм.

Найдем входное и выходное сопротивления 2-го каскада по переменному току:

Рис.5-эквивалентная схема замещения второго каскада.

Из рис.5 видно:

Y вх2=1/ R 4+1/ R 3+1/(R 6+ R бэ)

R вх2=1/ Y вх2=3.3 кОм.

R кэ2= U Эрли/ I к2

U Эрли примем равным 95В

R кэ2=11,5 кОм.

R вых2= (R кэ2* R 5)/(R кэ2+ R 5)=588 Ом.

Расчитаем номинальные величины сопротивлений первого каскада:

R 2≈ R вх2=3.3 кОм.

I к1=(E - U нас)/(2* R 2)=1.44 мА.

I б1= I к1/ β =7.2 мкА.

R 1=(E - U бэ)/ I б1=1,2 Мом.

Рис.6-эквивалентная схема замещения первого каскада.

R бэ1=97,2 кОм.

R кэ1=66 кОм.

R вх1=(R бэ1* R 1)/(R бэ1+ R 1)=89,9 кОм.

R вых1=(R кэ1* R 2)/(R кэ1+ R 2)=3,14 кОм.

Найдем номинальные величины емкостей:

Т.к. на R вх должно быть падение напряжения не менее 1/√2 U сигн,то

Zc на f н не должно превышать (√2-1) R вх,следовательно

С=0,312/(f н* R вх).

С1≈0,312/(f н* R вх1)=33 нФ.

С2≈0,312/(f н* R вх2)=0,75 мкФ.

С3≈0,312/(f н* R н)=5,1 мкФ.

Рис.7-Принципиальная электрическая схема усилителя.

Уравнение комплексного коэффициента передачи усилителя.

Коэффициент передачи входного напряжения равен

Кu вх(jω )=R вх*(R вх+Zc вх(jω )).

I вх(jω )=U вх* Кu вх(jω )/R бэ.

I вых(jω )=β* I вх(jω ).

U вых(jω )= I вых(jω )*R н/(R вых+R н).

При обработке данных формул с помощью ЭВМ получаем:

Имея уравнение комплексного коэффициента передачи усилителя можно найти АЧХ усилителя в заданной полосе частот.

Расчет АЧХ усилителя.

Для расчета АЧХ усилителя нам понадобится модуль коэффициента передачи. Произведя расчет получаем:

Таблица №3 (коэффициенты передачи усилителя):

F ,Гц					1000	2000	5000	10000

Коэффициент передачи усилителя зависит от частоты нелинейно,

т.к. в схеме присутствуют реактивные элементы (конденсаторы).

Построим график нормированной АЧХ от 0 Гц до 10 кГц:

Рис.8-нормированная АЧХ усилителя от 0 Гц до 10 кГц.

Коэффициент усиления выражен в дБ. Этот график не удобен, т.к. на нем плохо видно увеличение АЧХ на низких частотах. Поэтому разобьем диапазон частот на несколько отрезков.

Заключение

В данной курсовой работе были рассмотрены характеристики П-образного реактивного фильтра нижних частот и приведены все необходимые формулы вычисления его параметров с таблицами значений и рисунками. Результаты расчёта были получены с помощью интегральной среды Math CAD . Система Math CAD называется самой современной, универсальной и массовой математической системой. Она позволяет выполнить как численные, так и аналитические (символьные) вычисления, имеет удобный математическо-ориентированный интерфейс.

По итогам курсовой работы можно сделать некоторые выводы. Если говорить конкретнее, то:

1. Был произведен анализ задания на курсовую работу;
2. Исходная функция входного сигнала была разложена в ряд Фурье и полностью проанализирована;
3. Были рассчитаны параметры элементов схемы фильтра, рассчитаны его важные параметры, а также составлены амплитудно- и фазочастотные характеристики.

Также в ходе выполнения курсовой работы я нашел входное сопротивление системы и формы выходного напряжения для заданной формы сигнала. В некоторых местах пояснительной записки были приведены необходимые цветные иллюстрации, поясняющие работу и упрощающие понимании написанного.

Список использованной литературы

1. Основы теории цепей: Учебник для вузов ⁄ Г.В. Зевеке, П.А. Ионкин, А.В. Нетушил, С.В. Страхов. – 5-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 528 с.: ил.
2. Бронштейн И.Н. и Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. Изд-е 13-е, перераб. – М.: ГИТТЛ, 1986. – 504 с.
3. ГОСТ 2.004-88 ЕСКД. Общие требования к выполнению конструкторских и технологических документов на печатающих и графических устройствах вывода ЭВМ
4. Самоучитель по MathCAD – книга в электронном виде.

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 (УНЧ) используют для преобразования слабых сигналов преимущественно звукового диапазона в более мощные сигналы, приемлемые для непосредственного восприятия через электродинамические или иные излучатели звука.

Заметим, что высокочастотные усилители до частот 10... 100 МГц строят по аналогичным схемам, все отличие чаще всего сводится к тому, что значения емкостей конденсаторов таких усилителей уменьшаются во столько раз, во сколько частота высокочастотного сигнала превосходит частоту низкочастотного.

Простой усилитель на одном транзисторе

Простейший УНЧ, выполненный по схеме с общим эмиттером, показан на рис. 1. В качестве нагрузки использован телефонный капсюль. Допустимое напряжение питания для этого усилителя 3...12 В.

Величину резистора смещения R1 (десятки кОм) желательно определить экспериментально, поскольку его оптимальная величина зависит от напряжения питания усилителя, сопротивления телефонного капсюля, коэффициента передачи конкретного экземпляра транзистора.

Рис. 1. Схема простого УНЧ на одном транзисторе + конденсатор и резистор.

Для выбора начального значения резистора R1 следует учесть, что его величина примерно в сто и более раз должна превышать сопротивление, включенное в цепь нагрузки. Для подбора резистора смещения рекомендуется последовательно включить постоянный резистор сопротивлением 20...30 кОм и переменный сопротивлением 100... 1000 кОм, после чего, подав на вход усилителя звуковой сигнал небольшой амплитуды, например, от магнитофона или плеера, вращением ручки переменного резистора добиться наилучшего качества сигнала при наибольшей его громкости.

Величина емкости переходного конденсатора С1 (рис. 1) может находиться в пределах от 1 до 100 мкФ: чем больше величина этой емкости, тем более низкие частоты может усиливать УНЧ. Для освоения техники усиления низких частот рекомендуется поэкспериментировать с подбором номиналов элементов и режимов работы усилителей (рис. 1 - 4).

Улучшениые варианты однотранзисторного усилителя

Усложненные и улучшенные по сравнению со схемой на рис. 1 схемы усилителей приведены на рис. 2 и 3. В схеме на рис. 2 каскад усиления дополнительно содержит цепочку частотнозависимой отрицательной обратной связи (резистор R2 и конденсатор С2), улучшающей качество сигнала.

Рис. 2. Схема однотранзисторного УНЧ с цепочкой частотнозависимой отрицательной обратной связи.

Рис. 3. Однотранзисторный усилитель с делителем для подачи напряжения смещения на базу транзистора.

Рис. 4. Однотранзисторный усилитель с автоматической установкой смещения для базы транзистора.

В схеме на рис. 3 смещение на базу транзистора задано более «жестко» с помощью делителя, что улучшает качество работы усилителя при изменении условий его эксплуатации. «Автоматическая» установка смещения на базе усилительного транзистора применена в схеме на рис. 4.

Двухкаскадный усилитель на транзисторах

Соединив последовательно два простейших каскада усиления (рис. 1), можно получить двухкаскадный УНЧ (рис. 5). Усиление такого усилителя равно произведению коэффициентов усиления отдельно взятых каскадов. Однако получить большое устойчивое усиление при последующем наращивании числа каскадов нелегко: усилитель скорее всего самовозбудится.

Рис. 5. Схема простого двухкаскадного усилителя НЧ.

Новые разработки усилителей НЧ, схемы которых часто приводят на страницах журналов последних лет, преследуют цель достижения минимального коэффициента нелинейных искажений, повышения выходной мощности, расширения полосы усиливаемых частот и т.д.

В то же время, при наладке различных устройств и проведении экспериментов зачастую необходим несложный УНЧ, собрать который можно за несколько минут. Такой усилитель должен содержать минимальное число дефицитных элементов и работать в широком интервале изменения напряжения питания и сопротивления нагрузки.

Схема УНЧ на полевом и кремниевом транзисторах

Схема простого усилителя мощности НЧ с непосредственной связью между каскадами приведена на рис. 6 [Рл 3/00-14]. Входное сопротивление усилителя определяется номиналом потенциометра R1 и может изменяться от сотен Ом до десятков МОм. На выход усилителя можно подключать нагрузку сопротивлением от 2...4 до 64 Ом и выше.

При высокоомной нагрузке в качестве VT2 можно использовать транзистор КТ315. Усилитель работоспособен в диапазоне питающих напряжений от 3 до 15 В, хотя приемлемая работоспособность его сохраняется и при снижении напряжения питания вплоть до 0,6 В.

Емкость конденсатора С1 может быть выбрана в пределах от 1 до 100 мкФ. В последнем случае (С1 =100 мкФ) УНЧ может работать в полосе частот от 50 Гц до 200 кГц и выше.

Рис. 6. Схема простого усилителя низкой частоты на двух транзисторах.

Амплитуда входного сигнала УНЧ не должна превышать 0,5...0,7 В. Выходная мощность усилителя может изменяться от десятков мВт до единиц Вт в зависимости от сопротивления нагрузки и величины питающего напряжения.

Настройка усилителя заключается в подборе резисторов R2 и R3. С их помощью устанавливают напряжение на стоке транзистора VT1, равное 50...60% от напряжения источника питания. Транзистор VT2 должен быть установлен на теплоотводя-щей пластине (радиаторе).

Трекаскадный УНЧ с непосредственной связью

На рис. 7 показана схема другого внешне простого УНЧ с непосредственными связями между каскадами. Такого рода связь улучшает частотные характеристики усилителя в области нижних частот, схема в целом упрощается.

Рис. 7. Принципиальная схема трехкаскадного УНЧ с непосредственной связью между каскадами.

В то же время настройка усилителя осложняется тем, что каждое сопротивление усилителя приходится подбирать в индивидуальном порядке. Ориентировочно соотношение резисторов R2 и R3, R3 и R4, R4 и R BF должно быть в пределах (30...50) к 1. Резистор R1 должен быть 0,1...2 кОм. Расчет усилителя, приведенного на рис. 7, можно найти в литературе, например, [Р 9/70-60].

Схемы каскадных УНЧ на биполярных транзисторах

На рис. 8 и 9 показаны схемы каскодных УНЧ на биполярных транзисторах. Такие усилители имеют довольно высокий коэффициент усиления Ку. Усилитель на рис. 8 имеет Ку=5 в полосе частот от 30 Гц до 120 кГц [МК 2/86-15]. УНЧ по схеме на рис. 9 при коэффициенте гармоник менее 1% имеет коэффициент усиления 100 [РЛ 3/99-10].

Рис. 8. Каскадный УНЧ на двух транзисторах с коэффициентом усиления = 5.

Рис. 9. Каскадный УНЧ на двух транзисторах с коэффициентом усиления = 100.

Экономичный УНЧ на трех транзисторах

Для портативной радиоэлектронной аппаратуры важным параметром является экономичность УНЧ. Схема такого УНЧ представлена на рис. 10 [РЛ 3/00-14]. Здесь использовано каскадное включение полевого транзистора VT1 и биполярного транзистора VT3, причем транзистор VT2 включен таким образом, что стабилизирует рабочую точку VT1 и VT3.

При увеличении входного напряжения этот транзистор шунтирует переход эмиттер — база VT3 и уменьшает значение тока, протекающего через транзисторы VT1 и VT3.

Рис. 10. Схема простого экономичного усилителя НЧ на трех транзисторах.

Как и в приведенной выше схеме (см. рис. 6), входное сопротивление этого УНЧ можно задавать в пределах от десятков Ом до десятков МОм. В качестве нагрузки использован телефонный капсюль, например, ТК-67 или ТМ-2В. Телефонный капсюль, подключаемый при помощи штекера, может одновременно служить выключателем питания схемы.

Напряжение питания УНЧ составляет от 1,5 до 15 В, хотя работоспособность устройства сохраняется и при снижении питающего напряжения до 0,6 В. В диапазоне напряжения питания 2... 15 В потребляемый усилителем ток описывается выражением:

1(мкА) = 52 + 13*(Uпит)*(Uпит),

где Uпит - напряжение питания в Вольтах (В).

Если отключить транзистор VT2, потребляемый устройством ток увеличивается на порядок.

Двухкаскадные УНЧ с непосредственной связью между каскадами

Примерами УНЧ с непосредственными связями и минимальным подбором режима работы являются схемы, приведенные на рис. 11 - 14. Они имеют высокий коэффициент усиления и хорошую стабильность.

Рис. 11. Простой двухкаскадный УНЧ для микрофона (низкий уровень шумов, высокий КУ).

Рис. 12. Двухкаскадный усилитель низкой частоты на транзисторах КТ315.

Рис. 13. Двухкаскадный усилитель низкой частоты на транзисторах КТ315 - вариант 2.

Микрофонный усилитель (рис. 11) характеризуется низким уровнем собственных шумов и высоким коэффициентом усиления [МК 5/83-XIV]. В качестве микрофона ВМ1 использован микрофон электродинамического типа.

В роли микрофона может выступать и телефонный капсюль. Стабилизация рабочей точки (начального смещения на базе входного транзистора) усилителей на рис. 11 - 13 осуществляется за счет падения напряжения на эмиттерном сопротивлении второго каскада усиления.

Рис. 14. Двухкаскадный УНЧ с полевым транзистором.

Усилитель (рис. 14), имеющий высокое входное сопротивление (порядка 1 МОм), выполнен на полевом транзисторе VT1 (истоковый повторитель) и биполярном — VT2 (с общим).

Каскадный усилитель низкой частоты на полевых транзисторах, также имеющий высокое входное сопротивление, показан на рис. 15.

Рис. 15. схема простого двухкаскадного УНЧ на двух полевых транзисторах.

Схемы УНЧ для работы с низкоОмной нагрузкой

Типовые УНЧ, предназначенные для работы на низкоомную нагрузку и имеющие выходную мощность десятки мВт и выше, изображены на рис. 16, 17.

Рис. 16. Простой УНЧ для работы с включением нагрузки с низким сопротивлением.

Электродинамическая головка ВА1 может быть подключена к выходу усилителя, как показано на рис. 16, либо в диагональ моста (рис. 17). Если источник питания выполнен из двух последовательно соединенных батарей (аккумуляторов), правый по схеме вывод головки ВА1 может быть подключен к их средней точки напрямую, без конденсаторов СЗ, С4.

Рис. 17. Схема усилителя низкой частоты с включением низкоомной нагрузки в диагональ моста.

Если вам нужна схема простого лампового УНЧ то такой усилитель можно собрать даже на одной лампе, смотрите у нас на сайте по электронике в соответствующем разделе.

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год.

Исправления в публикации: на рис. 16 и 17 вместо диода Д9 установлена цепочка из диодов.