Меню
ГлавнаяФигура

Усилительный каскад на транзисторах. Простые, двухкаскадные усилители Каскады унч

Оконечные каскады усилителей НЧ

Однотактные усилители

Однотактные усилители в ламповых приемниках применяются при выходной мощности не более 4...5 Вт. При больших выходных мощностях, как правило, используются двухтактные усилители.
Наиболее простая схема оконечного каскада - схема с непосредственным включением нагрузки - приведена на рис.1 .

Рис.1

Для того чтобы головные телефоны не находились под высоким напряжением, их часто включают так, как это показано на рис.1 пунктиром, а в анодную цепь ставят сопротивление 4,7...10 кОм.
Наиболее распостраненной нагрузкой оконечных каскадов радиовещательных приемников является электродинамический громкоговоритель с сопротивлением звуковой катушки 3...10 Ом. Такие громкоговорители включают в анодные цепи оконечных каскадов через выходной трансформатор. В настоящее время разработаны электродинамические громкоговорители с сопротивленим 200...800 Ом, которые могут подключаться к усилителю без выходных трансформаторов.

Трансформатор позволяет преобразовывать не только переменное напряжение или ток, но и величину сопротивления между выводами его обмоток. Именно этим объясняется такое широкое применение трансформаторов в усилителях низкой частоты.

Предположим, для простоты рассуждений, что коэффициент полезного действия трансформатора равен 100%. Подключим обмотку w1 понижающего трансформатора Тр к генератору переменного тока, а к обмотке w2 подключим сопротивление нагрузки равное 100 Ом (рис.2) .

Рис.2

Если напряжение генератора равно 100 В, а коэффициент трансформации n, равный отношению числа витков обмоток n = w1/w2 = 2, то ток I2 через сопротивление нагрузки R2 и мощность P2 в нагрузке будут равны:

I2 = U2/R2 = 50 В/100 Ом = 0,5 А
P2 = U2 I2 = 50 В х 0,5 А = 25 Вт.

Поскольку коэффициент полезного действия трансформатора равен 100%, то мощность в нагрузке равна мощности, которую трансформатор потребляет от генератора, то есть P1 = 25 Вт. Ток же в цепи генератора и обмотки w1 равен:

I1 = P1/U1 = 25 Вт/100 В = 0,25 А.

Сопротивление обмотки w1 для генераторов равно:

R1 = U1/I1 = 100 В/ 0,25 А = 400 Ом.

Следовательно, сопротивление R1 получилось в 4 раза больше, чем R2. Если мы повторим расчет для n = 3, то получим, что R1 будет в 9 раз больше R2 и т.д. Поэтому можно написать:

(1)

Таким образом, если к одной из обмоток трансформатора подключено сопротивление R2, то сопротивление другой обмотки для генератора переменного тока оказывается в n в квадрате раз больше.

Если трансформатор понижающий, то n больше единицы и сопротивление R1 получается больше сопротивления R2. Для повышающего трансформатора n меньше единицы и как видно из формулы (1) сопротивление R1 получается меньше сопротивления R2. Так как сопротивление R1 зависит только от величины сопротивления R2, то принято говорить, что R1 это - сопротивление, приведенное или пересчитанное к первичной обмотке.

Используя трансформаторы с различными коэффициентами трансформации можно получить приведенное сопротивление как больше, так и меньше R2.

На рис.3 показана наиболее распостраненная схема однотактного оконечного каскада на лучевом тетроде (или пентоде).

Рис.3

Нагрузкой лампы является сопротивление громкоговорителя Гр, пересчитанное в первичную обмотку w1 (но не сопротивление обмотки w1!). Как мы уже указывали, сопротивление звуковой катушки электродинамических громкоговорителей не превышает 5...10 Ом. Большинство электронных ламп, предназначенных для работы в оконечных каскадах усилителей низкой частоты, отдает максимальную мощность при величинах нагрузочного сопротивления Ra 2,5...10 кОм.

Преобразование низкоомного сопротивления громкоговорителя R2p в высокоомное сопротивление нагрузки Ra и осуществляется с помощью выходного трансформатора.

Нетрудно убедиться в том, что трансформатор должен быть понижающим, а коэффициент трансформации его может быть найден из формулы (1). Для реальных трансформаторов коэффициент полезного действия меньше 100%.

(2)

Необходимое число витков вторичной обмотки w2 в зависимости от сопротивления звуковой катушки громкоговорителя находим по формуле:

где w1 - число витков первичной обмотки, указанное в табл.1.

Таблица 1

Тип ламп

6П1П

6П6С

6П14П

6П18П

6Ф1П*

6Ф3П*

Режимы

Напряжение источника, В

Выходная мощность, Вт **

Приведенное сопр. нагрузки, кОм

Сопротивление автом.смещения, Ом

Анодный ток в режиме покоя, мА

Сечение сердечника вых. транс., см2

Число витков первичной обмотки

Диаметр провода I обмотки, мм

Диаметр провода II обмотки, мм

* Пентодная часть лампы.
** Величина выходной мощности указана с учетом потерь в выходном трансформаторе.

В большинстве схем оконечных каскадов на лучевых тетродах или пентодах параллельно первичной обмотке включают конденсатор Сш. Иногда конденсатор Сш включают между анодом лампы и землей. Как известно, сопротивление звуковой катушки электродинамического громкоговорителя в значительной степени зависит от частоты и изменяется с частотой так, как это показано на рис.4.

Рис.4

Примерно по такому же закону изменяется с частотой и приведенное к первичной обмотке сопротивление, то есть сопротивление нагрузки оконечной лампы. Изменение сопротивления нагрузки лампы, приводит к увеличению коэффициента нелинейных искажений.

Сопротивление конденсатора, как известно, уменьшается с увеличением частоты. Поэтому параллельно первичной обмотке выходного трансформатора включают конденсатор Сш для того, чтобы сопротивление нагрузки лампы в пределах усиливаемой полосы частот оставалось постоянным. Емкость конденсатора Сш выбирают в пределах от 3000 пФ до 10000 пФ. Рабочее напряжение конденсатора Сш должно быть в 2...3 раза больше напряжения источника анодного питания.

Типовые значения сопротивлений в цепи катодов для оконечных ламп и рекомендуемые режимы оконечных ламп приведены в табл. 1 . Для ламп 6П1П, 6П6С номинальная мощность этого сопротивления должна быть не менее 1 Вт, а для ламп 6П14П и 6П18П - не менее 0,5 Вт. Желательно применять сопротивления с допуском +/- 5%. Конденсатор Ск, блокирующий сопротивление автоматического смещения, должен иметь емкость не менее 10 мкФ для лампы 6П14П и не менее 5 мкФ для остальных ламп.

Для устойчивой работы оконечных ламп сопротивление Rc в цепи управляющей сетки не должно превышать 1 МОм.

Ультралинейный усилитель

Основное отличие ультралинейного усилителя (рис.5 ) от обычного состоит в том, что экранирующая сетка лампы присоединяется не к плюсу источника питания, а к части витков первичной обмотки выходного трансформатора.

Рис.5

Постоянное напряжение на экранирующих сетках для схем рис.3 и рис.5 примерно одинаково. Однако в схеме ультралинейного усилителя на экранирующую сетку лампы поступает и переменное выходное напряжение, снимаемое с части первичной обмотки между выводами 1-2. При правильном выборе режима лампы нелинейные искажения в оконечном каскаде резко снижаются, а выходная мощность и усиление уменьшаются незначительно.

Частотная характеристика усилителя с трансформатором определяется в основном индуктивностью первичной обмотки L1 и индуктивностью рассеяния между первичной и вторичной обмотками трансформатора.
Индуктивность первичной обмотки выходного трансформатора выбирают такой, чтобы индуктивное сопротивление этой обмотки было больше пересчитанного в первичную обмотку сопротивления громкоговорителя. Это легко выполняется на средних звуковых частотах, на которых частотная характеристика каскада получается равномерной (рис.6 ).

Рис.6

Как известно, с понижением частоты индуктивное сопротивление обмотки уменьшается, и поэтому оно будет шунтировать сопротивление нагрузки. А уменьшение сопротивления нагрузки снижает усиление на низших частотах. Чем меньше индуктивность первичной обмотки L1 выходного трансформатора, тем на более высоких частотах начинается завал частотной характеристики усилителя (пунктирная кривая на рис.6 ).

У реальных выходных трансформаторов вследствие рассеяния часть магнитных силовых линий, создаваемых переменным током, проходящим через первичную обмотку, замыкается, минуя витки вторичной обмотки. Это так называемый поток рассеяния, который не создает переменного напряжения на вторичной обмотке. На низших и средних частотах это уменьшение незначительно, но на самых высших частотах напряжение на нагрузке резко уменьшается.

Условно действие потока рассеяния можно представить себе как некоторую небольшую индуктивность, так называемую индуктивность рассеяния Ls, включенную последовательно с первичной обмоткой выходного трансформатора. На низших и средних частотах величина сопротивления индуктивности рассеяния много меньше значения пересчитанного сопротивления нагрузки. На самых высших частотах это сопротивление возрастает и уменьшает переменное напряжение на первичной, а следовательно и на вторичной обмотке. Чем больше поток рассеяния, тем больше индуктивность рассеяния и тем хуже частотная характеристика усилителя на высших частотах (пунктирная линия на рис.6 ).

Уменьшение индуктивности рассеяния достигается тщательным изготовлением выходного трансформатора и специальным выполнением обмоток. В простейшем случае сначала наматывается половина витков первичной обмотки, затем вторичная и поверх нее остальные витки первичной обмотки. Части первичной обмотки соединяются последовательно, то есть конец первой половины с началом второй.

В однотактных выходных каскадах на лампах через первичную обмотку выходного трансформатора всегда протекает постоянный ток, который намагничивает сердечник трансформатора. Это приводит к двум неприятным явлениям.

    Во-первых, уменьшается выходная неискаженная мощность усилителя. Поэтому при одной и той же неискаженной мощности трансформатор, работающий с постоянным подмагничиванием, должен иметь большие размеры, чем трансформатор без подмагничивания.

    Во-вторых, намагничивание сердечника постоянным током вызывает уменьшение магнитной проницаемости материала сердечника. Это снижает индуктивность первичной обмотки выходного трансформатора, что в свою очередь приводит к уменьшению усиления каскада на самых низших частотах, то есть к появлению частотных искажений.

Для ослабления влияния постоянного подмагничивания сердечник следует собирать с зазором 0,1...0,2 мм между Ш-образными пластинами и перемычками. В этот зазор укладывается бумажная прокладка толщиной 0,1...0,15 мм.

Двухтактные усилители

Принципиальная схема двухтактного усилителя на триодах приведена на рис.7 .

Рис.7

Из схемы видно, что постоянная составляющая анодного тока каждой лампы протекает через половину первичной обмотки выходного трансформатора. Направление тока в половинах обмоток противоположно и поэтому результирующее магнитное поле в сердечнике оказывается равным разности полей, создаваемых током каждой лампы. При равенстве числа витков половин обмотки и анодных токов ламп магнитные поля компенсируют друг друга и результирующее магнитное поле в сердечнике оказывается равным нулю. Это является одним из важных преимуществ двухтактной схемы.

Отсутствие намагничивания сердечника постоянным током - постоянного подмагничивания - позволяет выбирать сердечник меньших размеров, чем для однотактной в усилителях с одинаковой выходной мощностью. Кроме того, отпадает необходимость в зазоре в сердечнике.

На сетки ламп Л1 и Л2 подаются (обычно с фазоинвертора) два одинаковых по амплитуде, но противоположных по фазе напряжения. Поэтому анодные токи ламп также изменяются в противофазе, то есть когда анодный ток одной лампы увеличивается, анодный ток второй лампы уменьшается (рис.8 ).

Рис.8

Но поскольку половины первичной обмотки выходного трансформатора включены встречно, то переменное магнитное поле в сердечнике оказывается пропорциональным арифметической сумме анодных токов (рис.8 в ). Поэтому напряжение на вторичной обмотке выходного трансформатора будет вдвое больше напряжения, которое было бы при работе одной лампы.

Если каждая из ламп двухтактной схемы развивает выходную мощность Рвых, то общая выходная мощность двухтактной схемы будет равна 2Рвых. Такую же мощность мы могли бы получить, если бы включили две лампы параллельно в однотактной схеме, однако двухтактная схема имеет целый ряд достоинств, важнейшими из которых являются отсутствие постоянного подмагничивания сердечника выходного трансформатора; меньшие нелинейные искажения за счет отсутствия четных гармоник.

Усилительные каскады могут работать в нескольких режимах, из которых в усилителях НЧ используются режимы класса А, В, АВ, АВ1, АВ2.

Режим класса А. Напряжение смещения на управляющих сетках ламп - рабочая точка - усилителя класса А выбирается так, чтобы переменное напряжение сигнала на сетках ламп не выходило за пределы прямолинейного участка сеточной характеристики лампы (рис.9а ).

Рис.9а

Показатели усилителей в режиме класса А: малые нелинейные искажения; анодный ток покоя лампы больше переменной составляющей анодного тока, в силу чего коэффициент полезного действия невелик и составляет 30...40%.

Режим класса В. В режиме класса В рабочая точка выбирается на нижнем сгибе сеточной характеристики ламп (рис.9б ). При этом анодный ток покоя лампы близок к нулю, поэтому через лампу протекает анодный ток только при положительных полуволнах входного напряжения. Режим класса В применим лишь в двухтактных схемах. В этих схемах лампы в плечах работают поочередно: во время одного полупериода входного напряжения анодный ток проходит через одну лампу, а во время другого полупериода - через другую лампу.
Достоинством режима класса В является его высокий к.п.д. - до 60...75%. Следует иметь ввиду, что для усилителей режима В нельзя создавать смещение на сетки ламп с помощью сопротивлений в цепи катода.

Рис.9б

Режим класса АВ. Режим класса АВ занимает промежуточное положение между режимами А и В. Напряжение смещения на управляющей сетке выбирают меньше, чем в усилителе класса В, но больше, чем в усилителе класса А (рис.9в ). Вследствие этого усиление слабых сигналов в этом режиме происходит в классе А, а сильных - в классе В. Нелинейные искажения в усилителе режима АВ незначительно выше искажений в режиме А, а к.п.д. значительно больше, особенно при больших амплитудах усиливаемого сигнала. Режим АВ используется только в двухтактных усилителях.

Рис.9в

Усилители режима АВ подразделяются на две группы: АВ1, при котором сеточные токи отсутствуют, и АВ2, в котором работа происходит с сеточными токами. Выше мы говорили о различных режимах для усилителей на электронных лампах, однако все сказанное целиком относится и к транзисторным усилителям.

Большинство современных транзисторных усилителей звуковой частоты построены по традиционной схеме: за входным дифференциальным каскадом следует усилитель напряжения и выходной двухтактный бестрансформаторный каскад с последовательным питанием транзисторов по постоянному току, двуполярным источником питания и непосредственным, без переходного конденсатора, подключением нагрузки (рис. 1).

На первый взгляд, все это традиционно и хорошо известно. Однако каждый усилитель звучит по-своему. В чем же дело? А дело все в схемотехнических решениях отдельных каскадов, качестве применяемой элементарной базы, выборе режимов активных элементов, конструктивных решениях аппаратов. Но все по порядку.

Входной каскад

Хорошо известный дифференциальный каскад на самом деле не так прост, как кажется на первый взгляд. От его качества во многом зависят такие параметры усилителя, как отношение сигнал/шум и скорость нарастания выходного напряжения, а также напряжение смещения “нуля” и температурная стабильность усилителя.

Отсюда первый вывод: переход от неинвертирующего включения к инвертирующему существенно повышает качество звучания усилителя. Осуществить такой переход на практике в готовом устройстве довольно легко. Для этого достаточно подать сигнал с входных разъемов на конденсатор С2, предварительно отсоединив его от шины нулевого потенциала усилителя, и удалить конденсатор С1.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя практически равно сопротивлению резистора R2. Это намного меньше, чем входное сопротивление неинвертирующего усилителя, которое определяется резистором R1. Поэтому чтобы сохранить неизменной АЧХ в области низких частот, в ряде случаев требуется увеличить емкость конденсатора С2, которая должна быть во столько раз больше емкости конденсатора С1, во сколько сопротивление резистора R1 больше сопротивления резистора R2. Кроме того, для сохранения неизменным коэффициента усиления всего устройства придется подобрать резистор R3 в цепи ООС, т.к. коэффициент усиления инвертирующего усилителя К = R3/R2, а неинвертирующего К = 1 + R3/R2. При этом для минимизации напряжения смещения нуля на выходе резистор R1 необходимо подобрать с тем же сопротивлением, что у вновь установленного резистора R3.

Если все же необходимо сохранить неинвертирующее включение первого каскада, но при этом устранить влияние синфазных искажений, следует повысить выходное сопротивление источника тока, заменив резистор R7 в эмиттерных цепях дифференциального каскада на транзисторный источник стабильного тока (рис. 4). Если такой источник в усилителе уже имеется, повысить его выходное сопротивление можно, увеличив номинал резистора R14 в эмиттере транзистора VT8. При этом для сохранения неизменной величины тока через этот транзистор следует увеличить опорное напряжение на его базе, например, заменив стабилитрон VD1 на другой, с более высоким напряжением стабилизации.

Весьма эффективным путем снижения искажений усилителя является использование в дифференциальном каскаде однотипных транзисторов, предварительно подобранных по статическому коэффициенту усиления и напряжению база – эмиттер.

Такой способ неприемлем при серийном производстве усилителей, но вполне подходит при модернизации единичных экземпляров готовых устройств. Отличные результаты дает установка в дифференциальном каскаде транзисторной сборки из двух транзисторов, выполненных в едином технологическом процессе на одном кристалле и поэтому имеющих близкие значения вышеуказанных параметров.

Снижению искажений способствует также введение в первый каскад усилителя местной отрицательной обратной связи по току посредством установки в цепях эмиттеров транзисторов VT1, VT2 резисторов с сопротивлением до 100 Ом (R9, R10). При этом может потребоваться некоторая корректировка сопротивления резистора R3 в цепи ООС.

Разумеется, этим не исчерпываются все способы модернизации входного дифференциального каскада. Возможна также установка вместо однотранзисторного двухтранзисторного источника тока с рекордными показателями выходного сопротивления, введение так называемого токового зеркала в усилителях с несимметричным съемом сигнала с первого каскада на каскад усиления напряжения, включение каждого из транзисторов по каскодной схеме и т.д. Однако такие переделки трудоемки и не всегда конструкция усилителя позволяет их выполнить.

Выходной каскад

Выходной каскад является основным источником искажений в любом усилителе мощности. Его задачей является формирование неискаженного сигнала требуемой амплитуды в рабочем диапазоне частот на низкоомной нагрузке.

Рассмотрим традиционный каскад на комплементарных парах биполярных транзисторов, включенных по схеме двухтактного эмиттерного повторителя. У биполярных транзисторов существует емкость p-n-перехода эмиттер– база, которая может достигать величины десятых и сотых долей микрофарады. Величина этой емкости влияет на граничную частоту транзисторов. При подаче на вход каскада положительной полуволны сигнала работает верхнее плечо двухтактного каскада (VT4, VT6). Транзистор VТ4 включен по схеме с общим коллектором и имеет малое выходное сопротивление, поэтому протекающий через него ток быстро заряжает входную емкость транзистора VT6 и открывает его. После изменения полярности входного напряжения включается нижнее плечо выходного каскада, а верхнее выключается. Транзистор VТ6 закрывается. Но чтобы полностью закрыть транзистор, необходимо разрядить его входную емкость. Разряжается она, в основном, через резисторы R5 и R6, причем относительно медленно. К моменту включения нижнего плеча выходного каскада полностью разрядиться эта емкость не успевает, поэтому транзистор VТ6 полностью не закрывается, и через транзистор VТ7, помимо своего, протекает коллекторный ток транзистора VТ6. В результате из-за возникновения сквозного тока на высоких частотах при большой скорости переключения не только повышается рассеиваемая транзисторами мощность и падает КПД, но и растут искажения сигнала. Простейший способ устранения описанного недостатка – уменьшение сопротивления резисторов R5 и R6. Однако при этом возрастает мощность, рассеиваемая на транзисторах VТ4 и VТ5. Более рациональный способ уменьшить искажения – изменить схему выходного каскада усилителя таким образом, чтобы форсировать рассасывание избыточного заряда (рис. 5). Этого можно добиться с помощью подключения резистора R5 к эмиттеру транзистора VТ5.

В случае высокого выходного сопротивления предоконечного каскада избыточный заряд может накапливаться и на базах транзисторов VT4 и VT5. Для устранения этого явления необходимо соединить базы этих транзисторов с точкой нулевого потенциала усилителя через резисторы R11 и R12 с номиналами 10…24 кОм.

Описанные меры достаточно эффективны. По сравнению с типовым включением, скорость убывания коллекторного тока в выходном каскаде после описанных переделок оказывается приблизительно в четыре раза больше, а искажение на частоте 20 кГц – примерно втрое меньше.

Очень важное значение с точки зрения вносимых искажений имеет предельная граничная частота используемых транзисторов, а также зависимость их статического коэффициента усиления по току и граничной частоты от тока эмиттера. Поэтому дальнейшего улучшения качественных показателей усилителей с выходным каскадом на биполярных транзисторах можно достичь путем замены выходных транзисторов на более высокочастотные с меньшей зависимостью коэффициента усиления от тока эмиттера. В качестве таких транзисторов можно порекомендовать комплементарные пары 2SA1302 и 2SC3281; 2SA1215 и 2SC2921; 2SA1216 и 2SC2922. Все транзисторы производства фирмы Toshiba в корпусах ТО-247.

В значительной степени на качество звучания усилителя влияет его способность работать на низкоомную нагрузку, т.е. отдавать в нагрузку максимальный ток сигнала без искажений.

Известно, что любая акустическая система (сокращенно АС) характеризуется модулем выходного комплексного сопротивления Z. Обычно величина этого сопротивления указывается в паспортах серийных АС бытового назначения и составляет 4 или 8 Ом. Однако это верно только на какой-то одной частоте, обычно на 1 кГц. В диапазоне же рабочих частот модуль комплексного сопротивления изменяется в несколько раз и может уменьшаться до 1…2 Ом. Другими словами, для непериодических импульсных сигналов с широким спектром, к которым относится музыкальный сигнал, АС представляет для усилителя низкоомную нагрузку, с которой многие из серийных усилителей просто не справляются.

Поэтому наиболее эффективным способом улучшения качественных показателей выходного каскада при работе на реальную комплексную нагрузку является увеличение количества транзисторов в плечах двухтактного усилителя. Это позволяет не только повысить надежность усилителя, так как расширяется область безопасной работы каждого транзистора, но, самое главное, снизить искажения за счет перераспределения коллекторных токов между транзисторами. В этом случае сужается диапазон изменения тока коллектора и, соответственно, коэффициента усиления, что приводит к уменьшению искажений на низкоомной нагрузке, разумеется, при соблюдении определенных требований к источнику питания.

Совсем радикальным способом, позволяющим коренным образом улучшить звучание усилителя, является замена биполярных транзисторов в выходном каскаде на полевые с изолированным затвором (MOSFET).

По сравнению с биполярными MOSFET выгодно отличаются лучшей линейностью проходных характеристик и существенно более высоким быстродействием, т.е. лучшими частотными свойствами. Эти особенности полевых транзисторов в случае их применения позволяют относительно простыми средствами доводить параметры и качество звучания модернизируемого усилителя до самого высокого уровня, что неоднократно подтверждено на практике. Улучшению линейности выходного каскада способствует и такая особенность полевых транзисторов, как высокое входное сопротивление, что позволяет обойтись без предоконечного каскада, выполняемого обычно по схеме Дарлингтона, и дополнительно снизить искажения, сократив путь сигнала.

Отсутствие явления вторичного теплового пробоя у полевых транзисторов расширяет область безопасной работы выходного каскада и тем самым позволяет повысить надежность работы усилителя в целом, а также в некоторых случаях упростить цепи температурной стабилизации тока покоя.

И последнее. Для повышения надежности усилителя не лишним будет установка защитных стабилитронов VD3, VD4 с напряжением стабилизации 10…15 В в цепи затворов транзисторов. Эти стабилитроны будут защищать от пробоя затвор, величина обратного пробивного напряжения которого обычно не превышает 20 В.

При анализе цепей установки начального смещения выходного каскада любого усилителя следует обратить внимание на два момента.

Первый момент связан с тем, какой начальный ток покоя установлен. Многие зарубежные производители устанавливают его в пределах 20…30 мА, что явно недостаточно с точки зрения высококачественного звучания на малых уровнях громкости. Хотя видимые искажения типа “ступенька” в выходном сигнале отсутствуют, недостаточная величина тока покоя приводит к ухудшению частотных свойств транзисторов, и как следствие, к неразборчивому, “грязному” звучанию на малых уровнях громкости, “замазыванию” мелких деталей. Оптимальной величиной тока покоя следует считать 50…100 мA. Если в усилителе установлено несколько транзисторов в плече, то эта величина относится к каждому транзистору. В подавляющем большинстве случаев площадь радиаторов усилителя позволяет долговременно отводить от выходных транзисторов тепло при рекомендованной величине тока покоя.

Второй, очень важный момент состоит в том, что нередко применяемый в классической схеме установки и термостабилизации тока покоя высокочастотный транзистор возбуждается на высоких частотах, причем его возбуждение очень сложно обнаружить. Поэтому желательно использовать вместо него низкочастотный транзистор с f т В любом случае замена этого транзистора на низкочастотный гарантирует от неприятностей. Устранить динамическое изменение напряжения помогает и включение между коллектором и базой конденсатора С4 емкостью до 0,1 мкФ.

Частотная коррекция усилителей мощности

Важнейшим условием обеспечения высококачественного звуковоспроизведения является снижение до возможного минимума динамических искажений транзисторного усилителя. В усилителях с глубокой ООС этого можно достичь, уделив серьезное внимание частотной коррекции. Как известно, реальный звуковой сигнал имеет импульсный характер, поэтому достаточное для практических целей представление о динамических свойствах усилителя можно получить по его реакции на скачок входного напряжения, которое, в свою очередь, зависит от переходной характеристики. Последняя может быть описана с помощью коэффициента затухания. Переходные характеристики усилителей при различных значениях этого коэффициента приведены на рис. 7.

По величине первого выброса выходного напряжения U вых = f(t) можно сделать однозначный вывод об относительной устойчивости усилителя. Как видно из приведенных на рис. 7 характеристик, этот выброс максимален при малых коэффициентах затухания. Такой усилитель обладает малым запасом устойчивости и при прочих равных условиях имеет большие динамические искажения, которые проявляют себя в виде «грязного», «непрозрачного» звучания, особенно на высоких частотах слышимого звукового диапазона.

С точки зрения минимизации динамических искажений, наиболее удачен усилитель с апериодической переходной характеристикой (коэффициент затухания менее 1). Однако реализовать на практике такой усилитель технически очень сложно. Поэтому большинство фирм-производителей идут на компромисс, обеспечивая более низкий коэффициент затухания.

На практике оптимизация частотной коррекции осуществляется следующим образом. Подав с генератора импульсов на вход усилителя сигнал типа «меандр» частотой 1 кГц и наблюдая переходный процесс на выходе с помощью осциллографа, подбором емкости корректирующего конденсатора добиваются формы выходного сигнала, наиболее приближенной к прямоугольной.

Влияние конструкции усилителя на качество звука

В хорошо спроектированных усилителях, с тщательно проработанной схемотехникой и режимами работы активных элементов, к сожалению, далеко не всегда продуманы вопросы конструктивного исполнения. Это приводит к тому, что искажения сигнала, вызванные монтажными наводками от токов выходного каскада на входные цепи усилителя, вносят заметный вклад в общий уровень искажений всего устройства. Опасность таких наводок состоит в том, что формы токов, проходящих по цепям питания плеч двухтактного выходного каскада, работающего в режиме класса АВ, сильно отличаются от форм токов в нагрузке.

Второй конструктивной причиной повышенных искажений усилителя является неудачная разводка «земляных» шин на печатной плате. Из-за недостаточного сечения на шинах происходит заметное падение напряжения, создаваемое токами в цепях питания выходного каскада. В результате потенциалы «земли» входного каскада и «земли» выходного каскада становятся различными. Происходит так называемое искажение «опорного потенциала» усилителя. Эта постоянно изменяющаяся разность потенциалов добавляется на входе к напряжению полезного сигнала и усиливается последующими каскадами усилителя, что равноценно наличию помехи и приводит к росту гармонических и интермодуляционных искажений.

Для борьбы с такой помехой в готовом усилителе необходимо проводами достаточно большого сечения соединить в одной точке (звездой) шины нулевого потенциала входного каскада, нулевого потенциала нагрузки и нулевого потенциала источника питания. Но наиболее радикальным способом устранения искажения опорного потенциала является гальваническая развязка общего провода входного каскада усилителя от мощной шины питания. Такое решение возможно в усилителе с дифференциальным входным каскадом. С общим проводом источника сигнала (левым на схеме на рис. соединены лишь выводы резисторов R1 и R2. Все остальные проводники, соединенные с общим проводом, подключены к мощной шине источника питания, правой на схеме. Однако в этом случае отключение по каким-либо причинам источника сигнала может привести к выходу усилителя из строя, так как левая «земляная» шина оказывается ни к чему не подключенной и состояние выходного каскада становится непредсказуемым. Во избежание аварийной ситуации обе «земляные» шины соединяют между собой резистором R4. Его сопротивление должно бить не очень маленьким, чтобы помехи от мощной шины питания не могли попасть на вход усилителя, и в то же время не слишком большим, чтобы не влиять на глубину ООС. На практике сопротивление резистора R4 составляет около 10 Ом.

Энергоемкость источника питания

В подавляющем большинстве промышленных усилителей емкость накопительных (фильтрующих) конденсаторов блока питания явно недостаточна, что объясняется исключительно экономическими причинами, т.к. электрические конденсаторы больших номиналов (от 10 000 мкФ и более) – явно не самые дешевые компоненты. Недостаточная емкость фильтрующих конденсаторов приводит к «зажатости» динамики усилителя и повышению уровня фона, т.е. к ухудшению качества звучания. Практический опыт автора в области модернизации большого числа различных усилителей свидетельствует о том, что «настоящий звук» начинается при энергоемкости источника питания не менее 75 Дж на канал. Для обеспечения такой энергоемкости требуется суммарная емкость фильтрующих конденсаторов не менее 45 000 мкФ при напряжении питания 40 В на одно плечо (Е = CU 2 /2).

Качество элементной базы

Далеко не последнюю роль в обеспечении высокого качества звучания усилителей играет качество элементной базы, причем главным образом пассивных компонентов, т.е. резисторов и конденсаторов, а также монтажных проводов.

И если большинство производителей применяет в своих изделиях постоянные углеродистые и металлопленочные резисторы достаточно высокого качества, то этого нельзя сказать в отношении постоянных конденсаторов. Стремление сэкономить на себестоимости продукции часто приводит к плачевным результатам. В тех цепях, где необходимо использовать высококачественные пленочные полистироловые или полипропиленовые конденсаторы с малыми диэлектрическими потерями и низким коэффициентом диэлектрической абсорбции, зачастую установлены грошовые оксидные конденсаторы или, что несколько лучше, конденсаторы с диэлектриком из лавсановой (полиэтилентерафталат) пленки. Из-за этого даже грамотно спроектированные усилители звучат «неразборчиво», «мутно». При воспроизведении музыкальных фрагментов отсутствуют детали звучания, нарушен тональный баланс, явно не хватает скорости, что проявляется в вялой атаке звучания музыкальных инструментов. При этом страдают и другие аспекты звука. В целом звучание оставляет желать лучшего.

Поэтому при модернизации действительно высококачественных усилительных устройств необходимо заменить все низкокачественные конденсаторы. Хорошие результаты дает применение конденсаторов фирм Siemens, Philips, Wima. При доводке дорогих аппаратов высокого класса лучше всего использовать конденсаторы американской компании Reelcup типов PPFX, PPFX-S, RTX (типы указаны в порядке возрастания стоимости).

И в последнюю очередь следует обратить внимание на качество диодов выпрямителя и монтажных проводов.

Повсеместно применяемые в блоках питания усилителей мощные выпрямительные диоды и выпрямительные мосты обладают низким быстродействием из-за наличия эффекта рассасывания неосновных носителей заряда в p-n-переходе. В результате при смене полярности подводимого к выпрямителю переменного напряжения промышленной частоты находящиеся в открытом состоянии диоды закрываются с некоторой задержкой, что в свою очередь приводит к появлению мощной импульсной помехи. Помеха проникает по цепям питания в звуковой тракт и ухудшает качество звучания. Для борьбы с этим явлением необходимо применять быстродействующие импульсные диоды, а еще лучше диоды Шоттки, в которых эффект рассасывания неосновных носителей заряда отсутствует. Из доступных можно рекомендовать диоды фирмы International Rectifier. Что касается монтажных проводов, то лучше всего заменить, имеющиеся обычные монтажные провода на кабели большого сечения из бескислородной меди. Прежде всего следует заменить провода, передающие усиленный сигнал к выходным клеммам усилителя, провода в цепях питания, а также по мере необходимости проводку от входных гнезд до входа первого усилительного каскада.

Конкретные рекомендации по маркам кабелей дать затруднительно. Все зависит от вкуса и финансовых возможностей владельца усилителя. Из известных и доступных на нашем рынке можно рекомендовать кабели фирм Kimber Kable, XLO, Audioquest.


В брошюре обобщен и проанализирован опыт создания входных каскадов высококачественных усилителей низкой частоты. Приводится оригинальная методика инженерного расчета входного каскада на полевом транзисторе. Значительное место уделено описанию предусилителей-корректоров для звукоснимателей электропроигрывающих устройств.

Одним из самых популярных направлений деятельности радиолюбителей-конструкторов является создание высококачественной аппаратуры звуковоспроизведения и, в частности, одного из звеньев этой аппаратуры - усилителя низкой частоты (УНЧ).
Анализ популярной литературы по этой теме показал, что основное внимание уделяют, как правило, одной части УНЧ - оконечному усилителю или усилителю мощности. Однако такое положение зачастую приводит к тому, что недостаточная отработка схем входных каскадов усилителей сводит на нет полученные высокие параметры оконечных усилителей. Действительно, ряд параметров современных УНЧ формируются именно во входных каскадах усилителей, например отношение сигнал/шум, затухание между каналами, уровень фона, соответствие частотной коррекции требуемой и т. д.

Предлагаемая брошюра познакомит радиолюбителей с наиболее популярными схемотехническими решениями в этой области. Критически оценивая ту или иную схему входного каскада, читатель может осуществить правильный ее выбор для конструируемого УНЧ.

К входным каскадам отнесены те, на вход которых подается электрический сигнал звуковой программы. Источниками высококачественной звуковой программы обычно являются: микрофон, магнитная или пьезоэлектрическая головка звукоснимателя, линейные выходы радиоприемника и магнитофона.

Опыт показал, что УНЧ на транзисторах могут по большинству параметров (не говоря уже о технологичности) превосходить ламповые УНЧ, однако их звучание менее естественно. Кроме того, в усилительном каскаде на транзисторе присутствуют гармоники вплоть до 8-й и 9-й, в то время как в ламповых усилителях их нет, начиная с 4-й. При одинаковом увеличении уровня сигнала искажения в транзисторных усилителях растут также более круто, чем в ламповых. Следовательно, пока преждевременно отказываться от использования в УНЧ электронных ламп.

В брошюре рассмотрены входные каскады как на транзисторах, так и на электронных лампах.

Схемы входных каскадов на электронных лампах
Схемы микрофонных усилителей
Схемы предусилителей-корректоров для электромагнитной головки звукоснимателя
Схемы входных каскадов для радиоприемников и линейных выходов магнитофонов
Монтаж и наладка ламповых схем

Схемы входных каскадов на биполярных транзисторах
Предусилитель для микрофона
Схемы предусилителей-корректоров для электромагнитных звукоснимателей
Схемы предусилителей для пьезоэлектрической головки
Входные каскады универсальных усилителей
Монтаж и наладка входных каскадов на транзисторах


Особенности полевых транзисторов и их применения
Схемы входных каскадов на полевых транзисторах
Инженерный расчет каскада на полевом транзисторе


Рассчитана на радиолюбителей, имеющих опыт разработки радиоаппаратуры.

Язык: Русский
Страниц: 33
Формат: PDF
Размер: 15,5 Mb (3% восст.)
Скачать: Красов Ю.С. Входные каскады высококачественных усилителей низкой частоты

Рис. 1 Двухкаскадный усилитель на транзисторах.

Действие усилителя в целом заключается в следующем. Электрический сигнал, поданный через конденсатор С1 на вход первого каскада и усиленный транзистором V1, с нагрузочного резистора R2 через разделительный конденсатор С2 поступает на вход второго каскада. Здесь он усиливается транзистором V2 и телефонами В1, включенными в коллекторную цепь транзистора, преобразуется в звук. Какова роль конденсатора С1 на входе усилителя? Он выполняет две задачи: свободно пропускает к транзистору переменное напряжение сигнала и предупреждает замыкание базы на эмиттер через источник сигнала. Представьте себе, что этого конденсатора во входной цепи нет, а источником усиливаемого сигнала служит электродинамический микрофон с малым внутренним сопротивлением. Что получится? Через малое сопротивление микрофона база транзистора окажется соединенной с эмиттером. Транзистор закроется, так как будет работать без начального напряжения смещения. Он будет открываться только при отрицательных полупериодах напряжения сигнала. А положительные полупериоды, еще больше закрывающие транзистор, будут им «срезаны». В результате транзистор станет искажать усиливаемый сигнал. Конденсатор С2 связывает каскады усилителя по переменному току. Он должен хорошо пропускать переменную составляющую усиливаемого сигнала и задерживать постоянную составляющую коллекторной цепи транзистора первого каскада. Если вместе с переменной составляющей конденсатор будет проводить и постоянный ток, режим работы транзистора выходного каскада нарушится и звук станет искаженным или совсем пропадет. Конденсаторы, выполняющие такие функции, называют конденсаторами связи, переходными или разделительными . Входные и переходные конденсаторы должны хорошо пропускать всю полосу частот усиливаемого сигнала - от самых низких до самых высоких. Этому требованию отвечают конденсаторы емкостью не менее 5 мкФ. Использование в транзисторных усилителях конденсаторов связи больших емкостей объясняется относительно малыми входными сопротивлениями транзисторов. Конденсатор связи оказывает переменному току емкостное сопротивление, которое будет тем меньшим, чем больше его емкость. И если оно окажется больше входного сопротивления транзистора, на нем будет падать часть напряжения переменного тока, большая, чем на входном сопротивлении транзистора, отчего будет проигрыш в усилении. Емкостное сопротивление конденсатора связи должно быть по крайней мере в 3 - 5 раз меньше входного сопротивления транзистора. Поэтому - то на входе, а также для связи между транзисторными каскадами ставят конденсаторы больших емкостей. Здесь используют обычно малогабаритные электролитические конденсаторы с обязательным соблюдением полярности их включения. Таковы наиболее характерные особенности элементов двухкаскадного транзисторного усилителя НЧ. Для закрепления в памяти принципа работы транзисторного двухкаскадного усилителя НЧ предлагаю собрать, наладить и проверить в действии нижеприведенные простейшие варианты схем усилителей. (В конце статьи будут предложенны варианты практической работы, сейчас нужно собрать макет простейшего двухкаскадного усилителя для того чтобы оперативно можно было отслеживать на практике теоритические утверждения).


Простые, двухкаскадные усилители

Принципиальные схемы двух вариантов такого усилителя изображены на (рис. 2). 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, а) работают транзисторы структуры р - n - р, в усилителе на (рис. 2, 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.

Рис. 2 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 используте батарею 3336Л (в народе называют - квадратная батарея) илисетевой блок питания (который предлагалось изготовить в 9 - ом уроке). Предварительно усилитель соберите намакетной 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, о чем я рассказывал в 8 - ом уроке ), добейтесь наибольшей громкости. 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 смонтируйте детали второго (выходного) каскада усилителя, телефоны включите 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, а вам придется иметь дело в основном именно с такими усилителями, он единственно правильный. Надеюсь, вы поняли, что мои советы по налаживанию двухкаскадного усилителя в равной степени относятся к обоим его вариантам. 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. 3). 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.

Рис. 3 Усилитель на транзисторах разной структуры.

Смонтировать детали налаженного усилителя на постоянной плате - дело несложное. Для примера на (рис. 4) показана монтажная плата усилителя первого варианта (по схеме на рис. 2, а). Плату выпилите из листового гетинакса или стеклотекстолита толщиной 1,5 - 2 мм. Ее размеры, указанные на рисунке, примерные и зависят от габаритов имеющихся у вас деталей. Например, на схеме мощность резисторов обозначена 0,125 Вт, емкости электролитических конденсаторов - по 10 мкФ. Но это не значит, что только такие детали надо ставить в усилитель. Мощности рассеяния резисторов могут быть любыми. Вместо электролитических конденсаторов К5О - 3 или К52 - 1, показанных на монтажной плате, могут быть конденсаторы К50 - 6 или импортные аналоги, к тому же на большие номинальные напряжения. В зависимости от имеющихся у вас деталей может измениться и печатная плата усилителя. О приемах монтажа радиоэлеметов, в том числе и печатном монтаже можно прочитать в разделе"радиолюбительские технологии" .

Рис. 4 Монтажная плата двухкаскадного усилителя НЧ.

Любой из усилителей, о которых я рассказал в этой статье, пригодится вам в будущем, например для портативного транзисторного приемника. Аналогичные усилители можно использовать и для проводной телефонной связи с живущим неподалеку приятелем.

1. Обзор усилителей.

Большинство усилителей состоит из нескольких ступеней, осуществляющих последовательное усиление и обычно называемых каскадами. Число устанавливаемых каскадов зависит от требуемых значений коэффициентов усиления и от единичных (собственных) коэффициентов усиления дискретных элементов, составляющих каскад.

Каскадную схему усилителя можно представить в виде функционально отличных каскадов усиления: предварительного усиления, промежуточного усиления и выходного усилителя (мощности).

Предварительный усилитель обеспечивает непосредственную связь источника сигнала и усилительного устройства. Поэтому важнейшее требование, которому он должен соответствовать, - минимальное ослабление входного сигнала. Для этого предварительный усилитель должен обладать большим входным сопротивлением, при условии, что это сопротивление должно быть, существенно, сопротивления источника сигнала. В этом случае изменения входного напряжения усилителя будут стремиться к изменению э.д.с. источника в его входной цепи. Основное требование, предъявляемое предварительному каскаду (усилителю), - обеспечение наибольшего усиления входного сигнала при его минимальных искажениях. Предварительный усилитель как дискретный элемент также называют входным каскадом.

Промежуточный усилитель выполняет роль буферного каскада между предварительным и выходным усилителями. Основная его задача – согласование выхода входного каскада с входом выходного усилителя (мощности).

Выходной каскад предназначен для получения на выходе усилительного устройства, мощности, обеспечивающей работоспособность нагрузочного устройства, выполняющего определенные функции. Поэтому в отличие от предварительного и промежуточного каскадов, выходная мощность которых сравнительно не велика, основным параметром выходного каскада является КПД.

Применяемые на практике транзисторные усилители мощности классифицируются на одно- и двухтактные. Однотактные усилители мощности используют для работы с нагрузочными устройствами, мощность которых составляет единицы ватт. При больших значениях мощности нагрузочных устройств применяют двухтактные усилители.

Следует отметить, что наличие трех разнотипных функциональных каскадов – предварительного, промежуточного и выходного – не являются обязательным. Существуют усилители, в которых нет ярко выраженных разграничительных признаков для предварительного и промежуточного каскадов, они могут быть совмещены в одном каскаде. То же самое относится к промежуточному и выходному каскадам, которые также можно объединять.

Схемы усилительных каскадов могут быть выполнены в разнообразных вариантах. Они могут отличаться числом и режимом работы используемых усилительных элементов при усилении переменного сигнала. Возможно несколько принципиально различных режимов работы усилителя, называемых классами усиления:

а) класс А – ток в выходной цепи усилителя (транзистора) протекает в течении всего периода изменения напряжения входного сигнала; точка покоя находится в средней части нагрузочной характеристики; режим характеризуется низким КПД (не боле 0,5) и низким значением коэффициента нелинейных искажений kf;

б) класс В – ток в выходной цепи транзистора протекает только в течение половины периода изменения напряжения входного сигнала, при этом точка покоя фактически находится в режиме отсечки транзистора в режиме; этот класс является предпочтительным для использования в усилителях средней и большой мощности; КПД каскада может достигать в этом классе значения 0,7 и более, однако он имеет очень высокий из всех классов коэффициент нелинейных искажений, за счет ступеньки на выходе каскада;

в) класс АВ – ток в выходной цепи транзистора протекает больше половины периода изменения напряжения входного сигнала; точка покоя находится ниже средней точки нагрузочной характеристики; класс получил широкое распространение, так как при высоком КПД он обеспечивает получение небольших нелинейных искажений выходного сигнала;

г) класс С – ток в выходной цепи транзистора протекает на интервале, меньшем половины периода изменения напряжения входного сигнала; распространен в мощных резонансных усилителях, но параметрам близок к классу В;

д) класс D – режим, при котором транзистор каскада может находиться только в состоянии включено (режим насыщения) или выключено (режим отсечки); КПД такого усилителя близок к единице; наиболее распространен – в цифровых схемах, транзисторных ключах.

Выбор того и иного режима работы усилительного каскада определяется исходя из требуемых значений коэффициента нелинейных искажений kf и КПД.

Основным направлением в разработке современных дискретных усилительных элементов является изучение их основных характеристик, таких как качество усиления, КПД, массогабаритные показатели и др. В интегральных исполнениях важнейшими показателями являются размеры элементов и их надежность. Типичные размеры логического транзисторного элемента современных процессоров 25-13 мкм. Особые перспективы в этом направлении молекулярная и атомная наносборка, то есть фактический предел в единицы нанометров.


2. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА УСИЛИТЕЛЯ

Структурная схема усилителя строится на основании общих принципов построения УНЧ (усилителя низкой частоты). В соответствии с чем усилитель имеет входной каскад, несколько каскадов предварительного усиления и выходной каскад. Для обеспечения термостабилизации режима покоя усилителя и требуемого коэффициента усиления, усилитель охвачен отрицательной обратной связью, при этом тип ООС зависит от схемы входного каскада.

Структурная схема усилителя изображена на рисунке 1.


Рисунок 1. Структурная схема усилителя.

где ВхК – входной каскад;

КПУ – каскад предварительного усиления;

ВК – выходной каскад;

ООС – отрицательная обратная связь.

Усилитель работает следующим образом. Входной сигнал поступает на вход входного каскада ВхК, усиливается по напряжению. С выхода входного каскада сигнал поступает на вход каскадов предварительного усиления КПУ. С выхода последнего предварительного каскада сигнал с амплитудой напряжения близкой к Uнmax поступает на вход выходного каскада ВК, усиливается п току и мощности и передается в нагрузку.


3. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСИЛТЕЛЯ.

3.1Выбор режима работы и схемы выходного каскада.

Согласно техническому заданию коэффициент нелинейных искажений должен быть не более 0,12 %, а КПД не должен быть ниже 45%. Этим условиям соответствует режим работы выходного каскада в классе АВ с введением отрицательной обратной связи.

Так как мощность, которую необходимо передавать в нагрузку с выходного каскада не велика (мощность в нагрузке 50 Вт), выходной каскад согласно классу работы АВ должен быть построен по двухтактной схеме.

Принципиальная схема выходного каскада приведена на рисунке 2.

Выходной каскад собран на транзисторах VT6…VT11. Транзисторы VT6 и VT10, а также VT7 и VT11 собраны, соответственно, по схеме составного транзистора. Данное схемное решение обусловлено техническим заданием, согласно которому КПД схемы должен быть не менее 45%. Без необходимого коэффициента передачи выходных транзисторов данное условие не выполняется. Соответствующие расчеты будут приведены ниже.