Усилитель на транзисторах: схемы для увеличения мощности

Содержание
  1. Схема усилителя низкой частоты. Классификация и принцип работы УНЧ
  2. Параметры
  3. Принцип работы усилителя
  4. Разбор
  5. Что такое каскад
  6. Как питается
  7. Вход усилителя
  8. Фильтрация входного сигнала
  9. Рабочая точка и смещение базы
  10. Как определяется класс усилителя
  11. Стабилизация работы
  12. Выход усилителя
  13. Как протекает электроток
  14. От чего зависит мощность
  15. Основные технические показатели усилителей
  16. Входные и выходные данные
  17. Частотные характеристики
  18. Переходная характеристика
  19. Амплитудная характеристика и динамический диапазон
  20. Нелинейные искажения
  21. Усилитель
  22. Усилители на лампах
  23. Усилитель на триоде
  24. Усилитель на клистроне
  25. Особенности электровакуумных усилителей
  26. Усилитель на биполярном транзисторе
  27. Усилитель на двух биполярных
  28. Усилитель на полевом
  29. Устройство на операционном усилителе
  30. Усилитель на микросхеме
  31. Простой усилитель
  32. Улучшенные варианты однотранзисторного усилителя
  33. Двухкаскадный усилитель
  34. УНЧ на полевом и кремниевом транзисторах
  35. Трехкаскадный усилитель НЧ с непосредственной связью
  36. Схемы каскадных УНЧ на БТ
  37. Экономичный усилитель НЧ на трех транзисторах
  38. Двухкаскадные усилители НЧ с непосредственной связью между каскадами
  39. УНЧ для работы с низкоомной нагрузкой
  40. Как проверить работу
  41. Частотные характеристики
  42. Классы работы звуковых усилителей
  43. Наличие искажений в различных классах НЧ-усилителей
  44. Работа в промежуточных классах
  45. «Альтернативные» конструкции
  46. Таблица классов усилителей по углу проводимости
  47. Сфера применения

Схема усилителя низкой частоты. Классификация и принцип работы УНЧ

Усилитель низких частот (далее УНЧ) представляет из себя электронное устройство, которое предназначено для усиления колебаний низкой частоты до частоты, необходимой потребителю. Они могут выполняться на различных электронных элементах вроде транзисторов разных типов, ламп или операционных усилителей. Применение УНЧ - фотография 2

Параметры

  • КУ по току = выходной/входной;
  • КУ по напряжению = выходное напряжение / входное напряжение;
  • КУ по мощности = выходная мощность / входная мощность.

Для некоторых устройств вроде операционных усилителей значение этого коэффициента очень большое, но работать с такими числами (как и со слишком малыми) при вычислениях неудобно, поэтому нередко КУ выражают в логарифмических единицах.

Для этого используются следующие формулы:

  • КУ по мощности в логарифмических единицах = 10 * десятичный логарифм искомого КУ по мощности;
  • КУ по току в логарифмических единицах = 20 * десятичный логарифм искомого КУ;
  • КУ по напряжению в логарифмических единицах = 20 * десятичный логарифм искомого КУ по напряжению;
  • КУ сигнала.

Рассчитанные таким образом коэффициенты измеряются в децибелах (дБ).

Виды мощности:

  1. Номинальная.
  2. Паспортная шумовая.
  3. Максимальная кратковременная.
  4. Максимальная долговременная.

Принцип работы усилителя

Схема УНЧ на одном транзисторе - изображение 30

Разбор

Представлен моно-усилитель мощности звуковой частоты.

VT1 — главный элемент, поэтому она называется «транзисторный УНЧ».

В этом случае используется n-p-n транзистор. Он включен по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Она позволяет выжать максимум. Она усиливает и напряжение, и электроток одновременно. Итого максимальная мощность.

Каким образом определяется схема включения? Входящий сигнал подается на базу и эмиттер, а выходящий — снимается с коллектора и эмиттера. То есть, по сути, эмиттер является общим контактом. Поэтому она так и называется. Эмиттер — это силовая часть транзистора, благодаря которой можно максимально увеличить сигнал.

ВАЖНО! Такая имеет один каскад усиления.

Что такое каскад

Каскад — это такой этап усиления, который не зависит от другого этапа. Бывают и двухкаскадные усилители. То есть, допустим,  есть два транзистора. Один работает как предусилитель и передает усиленный сигнал на вход второго. Поэтому будет двухкаскадной. Они не зависят друг от друга, но первый каскад передает сигнал на второй, благодаря чему увеличивается мощность сигнала.

Как питается

Качество усиления также зависит от качества питания. Какие бы выдающиеся характеристики ни имел транзистор, если питание плохо отфильтровано или его недостаточно, то усиление будет советующего качества.

На клеммы Х3 и Х4 подключается питание 6 В.

Она может работать и от аккумулятора. Однако, несмотря на то, что аккумулятор — это источник с минимальным шумом, он тоже имеет свое сопротивление.

И чтобы оно не мешало и не воздействовало на работу усилителя, необходим сглаживающий и накопительный конденсатор.

Электролитический конденсатор С3 накапливает энергию источника питания, благодаря чему улучшается качество усиления. Чем выше емкость — тем лучше. Конечно, у такого правила есть ограничения. Если поставить слишком большую емкость, то будет высокая нагрузка на источник питания.

Кроме того, электролитические конденсаторы должны разряжаться после выключения. Тем более, есть лимит увеличения емкости. Если в нее подключить конденсатор емкостью 1 фарад (1 000 000 мкФ), то уровень шума на выходе усилителя будет такой же, как и при 1000 мкФ, поскольку у транзистора также есть и свои «шумы», отсутствие экранировки на входе, динамические искажения и др. характеристики.

Во время проектирования рассчитываются все эти параметры. В этой у конденсатора С3 емкость 47 микрофарад — этого хватает, т.к. у него не большая мощность, которую он может выдать. Можно поставить и большую емкость, например, 1000 микрофарад. Главное не ставить конденсатор с меньшим пределом по напряжению. Если поставить конденсатор менее 6 В (питание), то конденсатор будет нагреваться и даже может взорваться.

Вход усилителя

Вход усилителя — это клеммы Х1 и Х2.

Х2 — это минус входа, а Х1 — плюс. Поскольку схема на один канал, УНЧ называется моно.

ВАЖНО! Можно подключить левый канал, правый канал или оба сразу.

Фильтрация входного сигнала

Электролитический конденсатор С1 позволяет разграничить постоянную составляющую входящего сигнала и переменную.

Говоря простым языком, он пропускает только переменный сигнал. Если вход усилителя замкнут или нет сигнала, то без этого конденсатора транзистор может перейти в режим насыщения (максимальное усиление) и на выходе появится неприятный хрип.

Не стоит путать этот эффект со свистом. Свист — это влияние положительной обратной связи, а в данном случае у нас будет режим насыщения из-за короткого замыкания на входе. И на выходе усилителя будет звучать именно хрип, а не свист или звук.

Емкость конденсатора подобрана под частоту звукового сигнала. Звук начинается от 20 Гц и до 16 кГц.

Рабочая точка и смещение базы

Для того, чтобы транзистор не искажал входной сигнал, нужно его сначала немного приоткрыть.

Это можно сделать с помощью делителя напряжения из двух резисторов R1 и R2. Этот делитель позволяет приоткрыть VT1 для того, чтобы входной сигнал не тратил свою электроэнергию на его открытие.

Ток, протекающий через R1 и R2, поступает на базу VT1, который потом уходит через эмиттер, таким образом открывая его. Это называется базовым смещением, т.е. его открытием. Напряжение смещения определяет рабочую точку. В этом случае усилитель А класса.

Как определяется класс усилителя

Класс усилителя определяется его рабочей точкой, которая выбирается с помощью вольтамперной характеристики. Чем выше напряжение подается на вход, тем больше электроток и выше рабочая точка.

Например, точка по центру — это А класс.


А класс — самый качественный из усилителей. Он усиливает как положительные, так и отрицательные полуволны входного сигнала. При этом у этого класса есть большой минус — ограничение мощности и снижение энергоэффективности. Дело в том, что пока на вход УНЧ не поступает входной сигнал, он работает все время, пока он включен.

В итоге расходуется лишняя электроэнергия. Поэтому еще рабочая точка называется точкой покоя, когда усилитель не усиливает входной сигнал.

ВАЖНО! Также от рабочей точки зависит чувствительность усилителя.

Еще есть B класс, AB и D. Они отличаются друг от друга по наличию искажений и эффективности усиления.

Например, D класс вообще не открывает транзистор, однако, с точки зрения энергоэффективности, это лучший выбор. Транзистор в состоянии покоя не потребляет ничего, он включается только при подаче входного сигнала. И при этом, если на вход подается аналоговый звуковой сигнал, то он искажается. Такой класс не подойдет для схемы, о которой идет речь в этой статье.

Поэтому схемотехники и инженеры создали цифровые усилители, где аналоговый сигнал преобразовывается в цифровой и затем подается на вход усилителя. Транзистор не искажает входной цифрой сигнал. После усиления сигнал опять трансформируется в аналоговый с наименьшими потерями и искажениями.

А режим АВ используется в схемах, где есть несколько транзисторов, работающих на свои полуволны. Есть схемы, где один усиливает только положительные полуволны, а второй — только отрицательные. Такие усилители называются двухтактными.

Стабилизация работы

При нагревании полупроводника его сопротивление уменьшается. Транзистор сделан из полупроводника и его p-n переходы, соответственно, тоже.

При работе усилителя НЧ электроток течет через транзистор, который вследствие этого нагревается. Обычно вся мощность рассеивается на коллекторе. И тем не менее характеристики резко меняются, т.к. сопротивление его p-n переходом резко снижается из-за повышения температуры.

Чтобы наладить работу, нужно сбалансировать его сопротивление другим источником. Это можно сделать при помощи дополнительного резистора.

Когда сопротивление VT1 уменьшается, резистор R3 забирает часть напряжения на себя и не допускает увеличения тока в цепи.

Благодаря этому он:

  • не искажает сигнал;
  • не закрывается;
  • не переходит в режим насыщения;
  • не перегревается.

Это называется термостабилизацией работы усилителя.

А чтобы в штатном режиме работы, когда VT1 не нагревается, резистор R3 не уменьшал мощность, в цепь включен шунтирующий электролитический конденсатор C2. Через него переменная составляющая входного сигнала проходит без потерь.

Выход усилителя

На выход к усилителю можно подключить как другой усилитель, который усилит сигнал еще больше, так и динамическую головку, т.е. обычный динамик. Он воспроизведёт звук с выхода VT1.

Однако и тут есть много загвоздок.

Самое главное касается согласования сопротивления нагрузки и сопротивления усилителя.

Если сопротивление выхода намного больше, чем у динамической головки, то он не сможет передать всю мощность. Большая часть напряжения останется на его контактах.

Для этой нужен динамик с сопротивлением около 1 кОм.

Если поставить меньше, например, на 4 Ома, то и 50% мощности не воспроизведется, а коллектор VT1 начнет еще сильнее нагреваться.

ВАЖНО! Согласование сопротивлений входа, выхода и нагрузки усилителя рассчитывается во время проектирования, поэтому не следует их нарушать.

Как протекает электроток

При подключении питания электролитический конденсатор С3 заряжается и начинает питать коллектор и эмиттер VT1. Кроме того, он проходит через делитель напряжения.

Делитель напряжения R1, R2 смещает базу VT1. Начинает течь ток смещения база-эмиттер (Б-Э), в результате устанавливается рабочая точка усилителя НЧ.

Когда входной сигнал поступает на клемму Х1, он проходит С1 и через делитель поступает на базу VT1 и частично уходит через эмиттер.

Входной сигнал притягивается коллектором VT1 и в результате усиливается.

Та часть переменного сигнала, которая перешла на эмиттер, усиливается эмиттерными током. Он легко проходит через С2, который в тандеме с R3 стабилизирует режим работы усилителя от перегрева и искажений.

В результате входной сигнал, усиленный коллекторно-эмиттерным (К-Э) током VT1, поступает на выход, то есть на динамическую головку BF1.

От чего зависит мощность

Она имеет ограничения. Можно поменять VT1 КТ315 на более мощный, у которого КУ будет выше, но этот лимит усиления не бесконечный.

В первую очередь, все зависит от используемого транзистора. Если поменять его на более мощный, то и усиление будет выше. Но нужно помнить, что, чем мощнее транзистор, тем мощнее нужен входной сигнал. Кроме того, придется перерассчитать все компоненты, подключить предусилитель, собрать схему блока питания, а это уже будет совсем другая схема.

У них есть несколько параметров, влияющих на схему. Это КУ по току (h21э), напряжению, мощности. А также важным параметром является рассеиваемая мощность на коллекторе. С повышением мощности потребуется радиатор для отвода тепла.

Основные технические показатели усилителей

· частотные характеристики (амплитудно-частотная и фазо-частотная);

· КУ;

· амплитудная характеристика и динамический диапазон;

· коэффициент полезного действия (КПД);

· входные и выходные данные;

· переходная характеристика;

· нелинейные искажения.

Входные и выходные данные

Входными данными усилителя являются: его входное напряжение (UВХ), входной (IВХ) и входная мощность сигнала (PВХ), при которых усилитель отдаёт в нагрузку заданную мощность, ток или напряжение, а также входное сопротивление усилителя (ZВх). Последнее является комплексной величиной, но входные данные обычно определяют в условиях, при которых входное сопротивление можно считать чисто активным и равным RВХ.

КУ:

1. По напряжению: КU = UВЫХ / UВХ. Обычно КУ по напряжению называют просто коэффициентом усиления усилителя (К) и обозначают без индекса.

2. По току: КI = IВЫХ / IВХ.

3. По мощности: КР = РВЫХ / РВХ.

КУ по напряжению и по току являются комплексными величинами, поскольку выходное напряжение и ток из-за наличия в нагрузке и цепях усилителя реактивных составляющих сопротивления сдвинуты по фазе относительно входных значений напряжения.

Для многокаскадного усилителя, содержащего n каскадов, общий КУ определяется выражением

КS = К1 × К2 × К3 × ……. × Кn ……………….. (1.3)

Более удобно представлять КУ в логарифмических единицах (децибелах), для чего применяют соотношения:

К(дб) = 20lgK; КI(дб) = 20lgKI ; KP(дб) = 10lgKР …… (1.4)

При этом КУ многокаскадного усилителя в логарифмических единицах будет иметь выражение:

КS(дб) = К1 + К2 + К3 + ……. + Кn …….. (1.5)

 

Коэффициент полезного действия:

Чтобы оценить экономичность работы мощных усилителей, используют понятие коэффициента полезного действия (h), который равен отношению отдаваемой усилителем в нагрузку мощности сигнала РНАГР к суммарной мощности РS, потребляемой им от всех источников питания:

h = РНАГР / РS …………………. (1,6)

Частотные характеристики

Т.к. КУ усилителя при изменении частоты изменяется как по модулю, так и по фазе, отдельные гармонические составляющие сложного электрического сигнала, который подается на вход усилителя, усиливаются по-разному и сдвигаются на различное время; из-за этого изменяется форма выходного сигнала.

Изменения формы сигнала, вызываемые разным усилением различных частот, называют частотными искажениями; искажения формы, вызываемые сдвигом фазы, вносимым усилителем, называют фазовыми искажениями.

Как частотные, так и фазовые искажения обусловлены линейными элементами усилителя, т.е. элементами, которые подчиняются закону Ома; из-за этого их называют линейными искажениями.

Допустимая величина частотных искажений зависит от функции усилителя и может регулироваться в широких пределах. Например, для усилителей звуковых частот радиоаппаратуры среднего качества допускают частотные искажения ± (2 ¸ 4) дБ, почти незаметные на слух; для высококачественных усилителей, используемых в измерительной аппаратуре, допустимые искажения определяются необходимой точностью аппаратуры и могут составлять доли децибела.

Оценку фазовых искажений, которые вносятся усилителем, производят по фазо-частотной (фазовой) характеристике последнего, представляющей зависимость угла сдвига фазы j между выходным и входным напряжениями от частоты, построенной в линейном масштабе по обеим осям. Чтобы было удобно оценивать фазовые искажения, фазовую характеристику усилителя строят независимо для нижних и верхних частот (рисунок 1.2 а,б).

Переходная характеристика

В импульсных усилителях (видеоусилителях) линейные искажения усиливаемых сигналов обусловлены переходными процессами установления токов и напряжений в цепях, содержащих реактивные сопротивления.

Для оценки линейных искажений, называемых в импульсных усилителях переходными искажениями, используют переходную характеристику, представляющую из себя зависимость мгновенного значения выходного напряжения (тока) сигнала от времени при мгновенном (скачкообразном) изменении напряжения (тока) во входной цепи усилителя.

Амплитудная характеристика и динамический диапазон

Это зависимость амплитуды (или актуального значения) напряжения сигнала на выходе от амплитуды (или актуального значения) напряжения сигнала на входе.

Нелинейные искажения

Это изменения его формы, вызываемые нелинейными элементами, входящими в схему усилителя.

Главные причины появления в усилителе нелинейных искажений:

1. Нелинейность характеристик УЭ (транзисторов, электронных ламп и др.)

2. Нелинейность характеристики намагничивания магнитных материалов сердечников трансформаторов и дросселей усилителя (если они есть).

Так как выходной ток транзистора (ток коллектора) в первом приближении пропорционален входному (току базы), нелинейные искажения последнего передаются в выходную цепь.

Усилитель

Операционный усилитель для чайников - фото 32

Обычный усилитель может быть хорошим пособием для изучения свойств приборов. Конструкции довольно простые, можно самостоятельно изготовить устройство и проверить его работу, замерить все параметры.

Усилители на лампах

Самые первые усилители создавались на электронных лампах, которые относятся к классу электровакуумных приборов.

В зависимости от расположенных внутри герметичной колбы лампы электродов различают:

  • диоды;
  • триоды;
  • тетроды;
  • пентоды.

Максимально возможное количество электродов — восемь. Существуют также такие электровакуумные приборы, как клистроны.

Один из вариантов выполнения клистрона

Усилитель на триоде

Сначала нужно разобраться с включением. Описание усилителя низкой частоты на триоде приведено ниже.

На нить накала, которая нагревает катод, подается напряжение. Также напряжение подается на анод. С катода под действием температуры выбиваются электроны, которые устремляются к аноду, на который подан положительный потенциал (у электронов потенциал отрицательный).

Часть электронов перехватывается третьим электродом — сеткой, к которой также подведено напряжение, но уже переменное. С помощью сетки регулируется анодный ток . Если на сетку подать большой отрицательный потенциал, все электроны с катода осядут на ней, а через лампу не будет протекать ток, поскольку это направленное движение электронов, а сетка перекрывает это движение.

КУ лампы регулирует резистор, подключенный между источником питания и анодом. Он задает нужное положение рабочей точки на вольт-амперной характеристике, от которого и зависят параметры усиления.

Почему положение рабочей точки имеет такое значение? Потому что от него зависит, насколько будет усилен ток и напряжение (следовательно, и мощность) в схеме усилителя низкой частоты.

Выходной сигнал на триодном усилителе снимается с участка между анодом и резистором, включенным перед ним.

УНЧ на триоде

Усилитель на клистроне

Принцип работы УНЧ на клистроне основан на модуляции сигнала сначала по скорости, а затем по плотности.

Клистрон устроен следующим образом: в колбе есть катод, нагреваемый нитью накала, и коллектор (аналог анода). Между ними находятся входной и выходной резонаторы. Электроны, испускаемые с катода, ускоряются напряжением, подведенным к катоду, и устремляются к коллектору.

Одни электроны будут двигаться быстрее, другие — медленнее; так выглядит модуляция по скорости. Из-за разницы в скорости движения электроны объединяются в пучки — так проявляется модуляция по плотности. Модулированный по плотности сигнал попадает на выходной резонатор, где создает сигнал той же частоты, но большей мощности, чем у входного резонатора.

В итоге кинетическая энергия электронов преобразуется в энергию СВЧ-колебаний электромагнитного поля выходного резонатора. Так усиливается сигнал в клистроне.

Особенности электровакуумных усилителей

Если сравнить качество одного и того же сигнала, усиленного ламповым устройством и усилитель НЧ на транзисторах, то разница будет очевидна и она будет не в пользу последнего.

Любой профессиональный музыкант скажет, что ламповые усилители намного лучше своих продвинутых аналогов.

Электровакуумные приборы давно вышли из массового пользования, их заменили на транзисторы и микросхемы, но это не касается области воспроизведения звука. За счет фиксированной температуры и вакуума внутри ламповые приборы лучше усиливают сигнал.

Единственный минус лампового усилителя НЧ — дороговизна, что логично: выпускать элементы, которые не пользуются массовым спросом, достаточно дорого.

Усилитель на биполярном транзисторе

Часто усилительные каскады собираются с применением транзисторов. Простой усилитель низкой частоты можно собрать всего из трех основных элементов: конденсатора, резистора и n-p-n.

Для сборки такого усилителя нужно заземлить эмиттер, подсоединить конденсатор последовательно к его базе, а резистор — параллельно. Нагрузку нужно располагать перед коллектором. К коллектору в данной схеме логичнее всего подключить ограничительный резистор.

Допустимое напряжение питания  колеблется от 3 до 12 вольт. Номинал резистора следует выбирать экспериментально с учетом того, что его величина должна быть минимум в 100 раз больше сопротивления нагрузки. Номинал конденсатора может составлять от 1 до 100 мкФ. Его емкость влияет на величину частоты, с которой может работать усилитель. Чем больше емкость, тем ниже номинал частоты, которую может усиливать транзистор.

Входной сигнал усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе подается на конденсатор. Положительный полюс питания нужно соединить с точкой соединения нагрузки и резистора, параллельно соединенного с базой и конденсатором.

Чтобы улучшить качество такого сигнала, можно подключить к эмиттеру параллельно соединенные конденсатор и резистор, представляющие отрицательную обратную связь.

УНЧ на биполярном транзисторе

Усилитель на двух биполярных

Чтобы увеличить КУ, можно соединить два одиночных усилителя НЧ на транзисторах в один. Тогда  КУ этих устройств можно будет умножить.

Хотя если продолжать наращивать число усилительных каскадов, то будет возрастать шанс самовозбуждения усилителей.

Усилитель на полевом

Усилители низких частот собирают и на полевых транзисторах (далее ПТ). Схемы таких устройств не особо отличаются от тех, которые собираются на БТ.

В качестве примера будет рассмотрен усилитель на ПТ с изолированным затвором с n-каналом (МДП типа).

К подложке этого транзистора последовательно подключается конденсатор, параллельно — делитель напряжения. К истоку ПТ подключается резистор (можно также использовать параллельное соединение конденсатора и резистора, как описано выше). К стоку подключается ограничительный резистор и питание, а между резистором и стоком создается вывод на нагрузку.

Входной сигнал к усилителям низкой частоты на ПТ подается на затвор. Осуществляется это также через конденсатор.

Как мы видим из пояснения, схема простейшего усилителя на ПТ ничем не отличается от усилителя низкой частоты на БТ.

Правда, при работе с ПТ стоит учитывать следующие характеристики данных элементов:

  1. У ПТ высокое Rвходное = I / Uзатвор-исток.ПТ управляются электрическим полем, которое образуется за счет напряжения. Получается, ПТ управляются напряжением, а не током.
  2. ПТ почти не потребляют ток, что вызывает слабое искажение исходного сигнала.
  3. В ПТ нет инжекции зарядов, поэтому уровень шумов этих элементов очень низкий.
  4. Они устойчивы к перепадам температур.

Главный минус ПТ — высокая чувствительность к статическому электричеству.

Многие встречались с ситуацией, когда, казалось бы, нетокопроводящие вещи бьют человека током. Это и есть проявление статического электричества. Если такой импульс подать на один из контактов ПТ, можно вывести элемент из строя.

Таким образом, при работе с ПТ лучше не трогать руками контакты, чтобы случайно не повредить элемент.

УНЧ на полевом транзисторе

Устройство на операционном усилителе

Операционный усилитель (далее ОУ) — это устройство с дифференцированными входами, обладающее очень высоким КУ.

Усиление сигнала — не единственное предназначение данного элемента. Он может работать и в качестве генератора сигналов. Однако для работы с низкими частотами интересны именно его усилительные свойства.

Чтобы из ОУ сделать усилитель сигналов, нужно правильно подключить к нему цепь обратной связи, которая представляет из себя обычный резистор. Как понять, куда подключать данную цепь? Для этого нужно обратиться к передаточной характеристике ОУ. Она имеет один линейный участок и два горизонтальных. Если рабочая точка устройства находится на одном из горизонтальных участков, то ОУ работает в режиме генератора (импульсный режим), если она находится на линейном участке, то ОУ усиливает сигнал.

Чтобы перевести ОУ в линейный режим, нужно подключить резистор обратной связи одним контактом к выходу устройства, а другим — к инвертирующему входу. Такое включение называется отрицательной обратной связью (ООС).

Если нужно, чтобы сигнал низкой частоты усиливался и не менялся по фазе, то инвертирующий вход с ООС следует заземлить, а на неинвертирующий вход подать усиливаемый сигнал. Если же необходимо усилить сигнал и изменить его фазу на 180 градусов, то неинвертирующий вход нужно заземлить, а на инвертирующий подать входной сигнал.

При этом нельзя забывать, что на ОУ необходимо подавать питание противоположных полярностей. Для этого у него есть специальные контактные выводы.

Важно отметить, что работе с такими устройствами бывает сложно подобрать элементы для схемы усилителя низкой частоты. Требуется их тщательное согласование не только по номинальным значениям, но и по материалам, из которых они изготовлены, для достижения нужных параметров усиления.

Инвертирующий усилитель на ОУ

Усилитель на микросхеме

УНЧ можно собирать и на электровакуумных элементах, и на транзисторах, и на операционных усилителях, только электронные лампы уже устарели, а остальные не идеальны и имеют минусы, исправление которых неминуемо приводит к усложнению конструкции усилителя. Это неудобно.

Инженеры давно нашли более удобный вариант создания усилителя НЧ: выпускаются готовые микросхемы, выполняющие роль усилителей.

Каждая из них — набор ОУ, транзисторов и других элементов, соединенных определенным образом.

Примеры некоторых серий усилителя НЧ в виде интегральных микросхем:

  • TDA7057Q;
  • К174УН7;
  • TDA1518BQ;
  • TDA2050.

Все перечисленные выше серии применяются в аудиоаппаратуре. Каждая из моделей имеет разные характеристики: напряжение питания, выходную мощность,КУ.

Они изготавливаются в виде небольших элементов с множеством выводов, которые удобно располагать на плате и монтировать.

Для работы с усилителем низкой частоты на микросхеме хорошо будет знать азы алгебры, логики, а также принципы работы логических элементов И-НЕ, ИЛИ-НЕ.

На логических элементах можно собрать почти любые электронные устройства, но в этом случае многие будут получаться громоздкими и неудобными для сборки.

Поэтому использование готовых интегральных микросхем, выполняющих функцию усилителя НЧ, представляется наиболее удобным практическим вариантом.

Интегральная микросхема

Простой усилитель

Простейший УНЧ с общим эмиттером, изображен на рисунке 1. В качестве нагрузки использован телефонный капсюль. Допустимое напряжение питания для этого усилителя 3…12 В.

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

Простейшие усилители низкой частоты

Рисунок 1. Схема простого усилителя НЧ на одном транзисторе + конденсатор и резистор.

Для выбора начального значения резистора R1 стоит учесть, что его величина должна быть примерно в сто раз больше сопротивления, включенного в цепь нагрузки. Для подбора резистора смещения советуем 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 его максимальной громкости.

Величина емкости переходного конденсатора С1 (рисунок 1) может располагаться в пределах от 1 до 100 мкФ: чем она больше, тем более низкие частоты может усиливать усилитель НЧ. Для освоения техники усиления низких частот стоит поэкспериментировать с подбором номиналов элементов и режимов работы усилителей (рис. 1 — 4).

Улучшенные варианты однотранзисторного усилителя

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

Простейшие усилители низкой частоты

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

Простейшие усилители низкой частоты

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

Простейшие усилители низкой частоты

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

На рис. 3 смещение на базу транзистора задано более «жестко» с помощью делителя, благодаря чему улучшается качество работы усилителя при изменении условий его использования. «Автоматическая» установка смещения на базе усилительного транзистора применена  на рисунке 4.

Двухкаскадный усилитель

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

Простейшие усилители низкой частоты

Рисунок 5. Схема простого двухкаскадного усилителя НЧ.

Новые разработки усилителей НЧ, схемы которых в последнее время часто приводятся на страницах журналов, 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 часто необходим несложный УНЧ, собрать который можно за пару минут. Такой усилитель должен иметь минимальное количество дефицитных элементов и работать в широком интервале изменения напряжения питания и сопротивления нагрузки.

УНЧ на полевом и кремниевом транзисторах

усилитель НЧ с непосредственной связью между каскадами приведена на рисунок 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 КТ315. Усилитель работает в диапазоне питающих напряжений от 3 до 15 В, хотя его приемлемая работоспособность 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) усилитель НЧ может работать в полосе частот от 50 Гц до 200 кГц и выше.

Простейшие усилители низкой частоты

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

Амплитуда входного сигнала УНЧ не должна быть больше 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.

Для настройки усилителя подбираются резисторы R2 и R3. С их помощью устанавливают напряжение на стоке VT1, равное 50…60% от напряжения источника питания. VT2 должен быть установлен на теплоотводящей пластине (радиаторе).

Трехкаскадный усилитель НЧ с непосредственной связью

На рисунке 7 показана схема другого внешне простого усилителя НЧ с прямыми связями между каскадами. Такая связь улучшает частотные характеристики усилителя в области нижних частот, все в целом упрощается.

Простейшие усилители низкой частоты

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

При этом настройка усилителя осложняется тем, что каждое сопротивление усилителя приходится подбирать индивидуально. 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 рисунке 7, можно найти в литературе.

Схемы каскадных УНЧ на БТ

На рисунке 8 и 9 показаны схемы каскадных усилителей НЧ на БТ. У таких усилителей достаточно высокий коэффициент усиления Ку. Усилитель на рисунке 8 имеет Ку=5 в полосе частот от 30 Гц до 120 кГц [МК 2/86-15]. УНЧ по  рисунке 9 при коэффициенте гармоник менее 1% имеет КУ 100 [РЛ 3/99-10].

Простейшие усилители низкой частоты

Рисунок 8. Каскадный усилитель НЧ на двух транзисторах с КУ = 5.

Простейшие усилители низкой частоты

Рисунок 9. Каскадный усилитель НЧ на двух транзисторах с КУ = 100.

Экономичный усилитель НЧ на трех транзисторах

Для портативных раций важным параметром является экономичность УНЧ.  УНЧ изображена на рисунке 10 [РЛ 3/00-14]. Здесь использовано каскадное включение ПТ VT1 и БТ VT3, причем VT2 включен так, что он стабилизирует рабочую точку VT1 и VT3.

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

Простейшие усилители низкой частоты

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

Как выше (см. рис. 6), входное сопротивление этого усилителя НЧ 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 работать как выключатель питания.

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 ток, потребляемый усилителем, описывается выражением:

1(мкА) = 52 + 13*(Uпит)*(Uпит),

где Uпит — напряжение питания в Вольтах (В).

Если отключить VT2, потребляемый устройством ток увеличивается на порядок.

Двухкаскадные усилители НЧ с непосредственной связью между каскадами

Примерами УНЧ с непосредственными связями и минимальным подбором режима работы являются схемы, приведенные на рисунках 11 — 14. Они имеют высокий КУ и хорошую стабильность.

Простейшие усилители низкой частоты

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

Простейшие усилители низкой частоты

Рисунок 12. Двухкаскадный усилитель низкой частоты на КТ315.

Простейшие усилители низкой частоты

Рисунок 13. Двухкаскадный усилитель НЧ на КТ315 — вар. 2.

Микрофонный усилитель (рисунок 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 использоваться и телефонный капсюль. Стабилизация рабочей точки (начального смещения на базе входного транзистора) усилителей на рисунках 11 — 13 осуществляется за счет падения напряжения на эмиттерном сопротивлении второго каскада усиления.

Простейшие усилители низкой частоты

Рисунок 14. Двухкаскадный усилитель НЧ с ПТ.

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

Каскадный усилитель низкой частоты на ПТ, также имеющий высокое входное сопротивление, изображен на рисунке 15.

Простейшие усилители низкой частоты

Рисунок 15. схема простого двухкаскадного усилителя НЧ на двух ПТ.

УНЧ для работы с низкоомной нагрузкой

Типовые усилители НЧ, рассчитанные на работу с низкоомной нагрузкой и имеющие выходную мощность, равную десяткам мВт и выше, изображены на рисунках 16, 17.

Простейшие усилители низкой частоты

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

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

Простейшие усилители низкой частоты

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

Как проверить работу

Достаточно дотронуться до входа УНЧ отверткой, и на выходе прозвучит треск. Это переменная наводка, которая усилится схемой.

Частотные характеристики

Усилители низкой (звуковой) частоты имеются практически во всех бытовых приборах — музыкальных центрах, телевизорах, радиоприемниках, магнитолах и даже в ПК. Но существуют еще усилители ВЧ на транзисторах, лампах и микросхемах. Отличие их в том, что УНЧ позволяет увеличить сигнал только звуковой частоты, которая воспринимается человеческим ухом. Усилители звука на транзисторах позволяют воспроизводить сигналы с частотами в диапазоне от 20 Гц до 20000 Гц.

Что такое операционный усилитель ? - фото 33

Получается, даже простейшее устройство способно усилить сигнал в этом диапазоне. Коэффициент усиления зависит непосредственно от частоты входного сигнала. График зависимости этих величин представляет собой практически прямую линию. Если на вход усилителя подать сигнал с частотой вне диапазона, качество работы и эффективность устройства быстро уменьшатся. Каскады УНЧ собираются на транзисторах, работающих в низко- и среднечастотном диапазонах.

Классы работы звуковых усилителей

Правильное питание ОУ - изображение 34

Все усилительные устройства делятся на несколько классов, в зависимости от того, какая степень протекания в течение периода работы электротока через каскад:

  1. Класс «А» — электроток протекает беспрерывно в течение всего периода работы усилительного каскада.
  2. В классе работы «В» протекает в течение половины периода.
  3. Класс «АВ» говорит о том, что протекает через усилительный каскад в течение времени, составляющего 50-100 % от периода.
  4. В режиме «С» электрический ток протекает менее чем половину периода времени работы.
  5. Режим «D» УНЧ используется в радиолюбительской практике немногим более 50 лет. В большинстве случаев эти устройства реализуются на основе цифровых элементов и имеют очень высокий КПД — свыше 90 %.

Наличие искажений в различных классах НЧ-усилителей

Рабочая область транзисторного усилителя класса «А» характеризуется достаточно небольшими нелинейными искажениями. Если входящий сигнал выбрасывает импульсы с более высоким напряжением, это приводит к тому, что транзисторы насыщаются. В выходном сигнале возле каждой гармоники появляются более высокие (до 10 или 11). Из-за этого возникает металлический звук, характерный только для транзисторных усилителей.

При нестабильном питании выходной сигнал будет моделироваться возле частоты сети по амплитуде. Звук станет в левой части частотной характеристики более жестким. Но чем лучше стабилизация питания усилителя, тем больше усложняется конструкция всего устройства. Усилители низких частот, работающие в классе «А», имеют относительно небольшой КПД — менее 20 %. Причина заключается в том, что транзистор все время открыт и электроток через него протекает постоянно.

Обратная связь ОУ - фотография 35

Для незначительного увеличения КПД можно воспользоваться двухтактными схемами. Один минус — полуволны у выходного сигнала становятся несимметричными. Если же перевести из класса «А» в «АВ», нелинейные искажения увеличатся в 3-4 раза. Но коэффициент полезного действия всей схемы устройства все-таки увеличится. УНЧ классов «АВ» и «В» характеризует нарастание искажений при уменьшении уровня сигнала на входе. Но даже если увеличить громкость, это не поможет на 100%  избавиться от недостатков.

Работа в промежуточных классах

У каждого класса имеется несколько разновидностей. Например, существует класс работы усилителей «А+». В нем транзисторы на входе (низковольтные) работают в режиме «А». Но высоковольтные, устанавливаемые в выходных каскадах, работают либо в «В», либо в «АВ». Такие усилители намного экономичнее работающих в классе «А». Значительно меньше число нелинейных искажений — не выше 0,003 %. Можно добиться и более высоких результатов, используя биполярные транзисторы. Принцип работы усилителей на этих элементах будет рассмотрен далее.

Но все равно есть большое количество высших гармоник в выходном сигнале, из-за чего звук становится характерным металлическим. Существуют также схемы усилителей, работающие в классе «АА». В них нелинейные искажения еще меньше — до 0,0005 %. Но главный недостаток транзисторных усилителей, характерный металлический звук, все равно есть.

«Альтернативные» конструкции

Схемы включения операционных усилителей - фотография 36

Нельзя сказать, что они альтернативные, просто некоторые специалисты, проектирующие и собирающие усилители для качественного воспроизведения звука, все чаще отдают предпочтение ламповым конструкциям. У ламповых усилителей если следующие плюсы:

  1. Очень низкое значение уровня нелинейных искажений в выходном сигнале.
  2. Высших гармоник меньше, чем в транзисторных конструкциях.

Но есть один недостаток, который сводит на нет все достоинства, — обязательно нужно ставить устройство для согласования. Дело в том, что у лампового каскада очень большое сопротивление, — несколько тысяч Ом. Но сопротивление обмотки динамиков — 8 или 4 Ома. Чтобы их согласовать, нужно устанавливать трансформатор.

Конечно, это не очень большой недостаток — есть и транзисторные устройства, в которых используются трансформаторы для согласования выходного каскада и акустической системы. Некоторые специалисты считают, что наиболее эффективной оказывается гибридная — в ней применяются однотактные усилители, не охваченные отрицательной обратной связью. Причем все эти каскады функционируют в режиме УНЧ класса «А». Если говорить проще, то применяется в качестве повторителя усилитель мощности на транзисторе.

Классы усилителей сигнала и мощности - фотография 37

Причем КПД у таких устройств достаточно высокий — примерно 50 %. Но не стоит полагаться только на показатели КПД и мощности — они не говорят о высоком качестве воспроизведения звука усилителем. Намного большее значение имеют линейность характеристик и их качество. Поэтому нужно обращать внимание в первую очередь на них, а не на мощность.

Таблица классов усилителей по углу проводимости

Усилители класса АВ, В и С могут быть определены в терминах угла проводимости θ следующим образом:

Классы усилителей Описание Угол проводимости
Класс А Полный цикл 360 o проводимости θ = 2π
Класс В Половина цикла 180 o проводимости θ = π
Класс AB Чуть более 180 o проводимости π <θ>
Класс С Чуть менее 180 o проводимости θ <>
От класса D до T ВКЛ-ВЫКЛ нелинейное переключение θ = 0

Сфера применения

  1. Предусилители.
  2. Усилители звуковых и видеочастотных сигналов.
  3. Компараторы U.
  4. Дифусилители.
  5. Дифференциаторы.
  6. Интеграторы.
  7. Фильтрующие элементы.
  8. Выпрямители (повышенная точность выходных параметров).
  9. Стабилизаторы U и I.
  10. Вычислители аналогового типа.
  11. АЦП (аналого-цифровые преобразователи).
  12. ЦАП (цифро-аналоговые преобразователи).
  13. Устройства для генерации различных сигналов.
  14. Компьютерная техника.
Оцените статью
Блог о рациях