Особенности проектирования транзисторных усилителей. Разработка усилительных устройств. Биполярные транзисторы. Схемотехника. Секреты. УЗЧ. УНЧ.

Особенности проектирования транзисторных усилителей. Проблемы схемотехники биполярных транзисторов. (10+)

Особенности проектирования усилителей на биполярных транзисторах

Оглавление :: ПоискТехника безопасности :: Помощь

Речь пойдет об усилителях высокой верности, то есть усилительных устройствах, которые мало искажают сигнал. Проектируя такой усилитель, мы хотим получить от него:

• Низкие искажения (особенно это относится к искажениям, влияющим на восприятие сигнала)
• Температурную стабильность
• Заданный коэффициент усиления
• Заданное выходное сопротивление
• Отсутствие на выходе постоянной составляющей

Низкие искажения, высокая верность транзисторного усилителя

Применение биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, не позволяет получить низкие искажения. Зависимость выходного тока от входного напряжения для такой схемы включения носит экспоненциальный характер. Так что о линейности не может быть и речи.

Самой первой идеей, которая приходит в голову по этому поводу, является применение отрицательной обратной связи, охватывающей весь усилитель. Такая обратная связь позволяет сделать усилитель линейным, а также по пути решить еще целый ряд проблем. Однако, любая реальная обратная связь действует не моментально. Сигнал, подаваемый с выхода на вход, немного запаздывает по отношению к входному. Это хотя и не очень заметно по приборам, но отчетливо слышно ухом. Подробнее о влиянии обратной связи на качество усилителя можно прочитать в статье 'Качество усилителей звуковой частоты'. Негативное влияние обратной связи тем сильнее, чем больше запаздывание, то есть чем длиннее усилительный тракт, охваченный обратной связью, и чем больше в нем разных цепочек, сдвигающих фазу сигнала (например, разделительных конденсаторов).

Совсем не использовать обратную связь в УЗЧ на биполярных транзисторах и получить приемлемое качество невозможно. Так что решение лежит в области применения обратной связи, охватывающей один каскад усилителя, состоящий из одного или двух биполярных транзисторов, не содержащий разделительных емкостей. Типичным решением можно считать применение резистора в цепи эмиттера. При достаточно большом токе покоя дифференциальное сопротивление перехода база - эмиттер транзистора очень мало, так что напряжение на этом резисторе поддерживается равным напряжению на базе минус напряжение насыщения перехода база - эмиттер. А сила тока через такой каскад пропорциональна входному напряжению. Подробно о таком каскаде в статье Транзисторный усилительный каскад с эмиттерным резистором. Расчет онлайн.

Такая обратная связь тоже не способствует стабильности усилителя на высоких частотах, но вносит минимальные искажения, частота которых намного выше предела слышимости.

Заданные коэффициент усиления и выходное сопротивление

Оптимальной с точки зрения нелинейных искажений и выходного сопротивления является схема с общим коллектором. Но эта схема имеет коэффициент усиления по напряжению меньше 1. В большинстве случаев это нам не подходит. Так что применяется схема, в которой выходное напряжение снимается с коллекторного резистора. Тут, правильно подобрав соотношение коллекторного и эмиттерного резисторов, можно получить нужный коэффициент усиления.

Но выходное сопротивление такой схемы равно сопротивлению коллекторного резистора, так как схема на транзисторе по отношению к этому резистору является источником тока с практически бесконечным дифференциальным сопротивлением. Так что выходное сопротивление получается довольно высоким. Иногда это нас устраивает, иногда нет. Все зависит от входного сопротивления следующего каскада или нагрузки. Выходное сопротивление должно быть в разы меньше входного сопротивления, чтобы следующий каскад или нагрузка не влияли на работу предыдущего каскада.

Если мы хотим получить низкое входное сопротивление, сохранив все остальные преимущества схемы с эмиттерным резистором, то применяем Транзисторный усилительный каскад с низким выходным сопротивлением

Температурная стабильность, отсутствие постоянной составляющей на выходе (балансировка)

Мы отказались от отрицательной обратной связи, охватывающей весь усилитель. Приходится констатировать, что без нее обеспечить температурную стабильность и балансировку усилителя постоянного тока невозможно. Судите сами. Пусть наш усилитель имеет коэффициент усиления по напряжению 100. Именно такой коэффициент усиления должен иметь усилитель мощностью 30 Вт, работающий на колонки 8 Ом от входного напряжения амплитудой 0.33 В.

Это означает, что изменение напряжения смещения или напряжения насыщения перехода база - эмиттер (в результате изменения температуры) на 0.1 В приведет к изменению напряжения на выходе на 10 В. Допустить этого никак нельзя.

Таким образом наш усилитель должен иметь коэффициент усиления по постоянному току в десятки раз меньше, чем коэффициент усиления на рабочей частоте. Пути два: разделительные конденсаторы между каскадами (они сделают коэффициент усиления по постоянному току равным нулю) или частотнозависимые цепочки в контурах обратной связи каждого каскада. Оба решения имеют свои недостатки и преимущества. С одной стороны, разделительные конденсаторы при отсутствии обратной связи, охватывающей весь усилитель, практически не ухудшают качество звучания. Просадка коэффициента усиления на низких звуковых частотах при достаточной емкости этих конденсаторов и высоком входном сопротивлении каскадов незначительная, а нелинейных искажений они не вносят. Только нужно обязательно шунтировать электролитические разделительные конденсаторы керамическими. Иначе внутренняя индуктивность электролитов испортит усиление на высоких частотах. С другой стороны, остается проблема балансировки каждого отдельного каскада. Его коэффициент усиления по постоянному току может составлять 30, что тоже очень осложняет балансировку. Но введение цепей обратной связи, зависимых от частоты, даже в рамках одного усилительного каскада негативно влияет на качество. Так что обычно применяется комбинированный подход.

Схема каскада с различными коэффициентами усиления по постоянному и переменному токам:

Сопротивления резисторов R6 и R7 равны между собой. Конденсатор C3 - возможно большей емкости, зашунтированный керамическим. Номиналы остальных деталей не отличаются от схемы без частотнозависимых цепей. Коэффициент усиления напряжения постоянного тока этой схемы равен двум, что делает ее балансировку занятием простым и приятным. Расчет этой схемы несколько отличается от расчета схемы без частотнозависимых цепей. Если есть интерес, напишите в обсуждение, мы его выложим.

На основе всех соображений, приведенных выше, мы спроектировали усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ)

(читать дальше...) :: (в начало статьи)

Оглавление :: ПоискТехника безопасности :: Помощь

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи.