מגבר הטרנזיסטור, למרות ההיסטוריה הארוכה ממילא שלו, נשאר נושא לימוד מועדף על חובבי רדיו מתחילים וותיקים כאחד. וזה מובן. זהו מרכיב הכרחי במכשירי הרדיו החובבים הפופולריים ביותר: מקלטי רדיו ומגברים בתדר נמוך (קול). נבחן כיצד בנויים מגברי הטרנזיסטור בתדר נמוך הפשוטים ביותר.
תגובת תדר אמפר
בכל מקלט טלוויזיה או רדיו, בכל מרכז מוזיקה או מגבר קול, ניתן למצוא מגברי סאונד טרנזיסטורים (תדר נמוך - LF). ההבדל בין מגברי טרנזיסטור שמע לסוגים אחרים טמון בתגובת התדר שלהם.
למגבר השמע הטרנזיסטור יש תגובת תדר אחידה בפס התדרים מ-15 הרץ עד 20 קילו-הרץ. המשמעות היא שכל אותות הכניסה עם תדר בטווח זה מומרים (מוגברים) על ידי המגבר.בערך אותו דבר. האיור שלהלן מציג את עקומת תגובת התדר האידיאלית עבור מגבר שמע בקואורדינטות "מגבר רווח Ku - תדר אות כניסה".
העקומה הזו כמעט שטוחה מ-15Hz ל-20kHz. המשמעות היא שיש להשתמש במגבר כזה במיוחד עבור אותות כניסה עם תדרים בין 15 הרץ ל-20 קילו-הרץ. עבור אותות כניסה עם תדרים מעל 20 קילו-הרץ או מתחת ל-15 הרץ, היעילות והביצועים שלו מתדרדרים במהירות.
סוג תגובת התדר של המגבר נקבע על ידי רכיבי הרדיו החשמליים (ERE) של המעגל שלו, ובעיקר על ידי הטרנזיסטורים עצמם. מגבר שמע המבוסס על טרנזיסטורים מורכב בדרך כלל על מה שנקרא טרנזיסטורים בתדר נמוך ובינוני עם רוחב פס כולל של אותות כניסה מעשרות ומאות הרץ עד 30 קילו-הרץ.
מחלקת מגבר
כפי שאתה יודע, בהתאם למידת ההמשכיות של זרימת הזרם לאורך כל תקופתו דרך שלב ההגברה של הטרנזיסטור (מגבר), מובחנים המחלקות הבאות של פעולתו: "A", "B", "AB", "C", "D ".
במעמד הפעולה, זרם "A" זורם דרך הבמה במשך 100% מתקופת אות הכניסה. המפל במחלקה זו מודגם באיור הבא.
בשלב המגבר בכיתה "AB", הזרם זורם דרכו במשך יותר מ-50%, אך פחות מ-100% מתקופת אות הכניסה (ראה איור למטה).
במעמד הפעולה של שלב "B", הזרם זורם דרכו בדיוק 50% מתקופת אות הכניסה, כפי שמוצג באיור.
לבסוף, במחלקת הפעולה של שלב "C", הזרם זורם דרכו במשך פחות מ-50% מתקופת אות הקלט.
מגבר טרנזיסטור LF: עיוות בשיעורי העבודה העיקריים
באזור העבודה, למגבר הטרנזיסטור מסוג "A" יש רמה נמוכה של עיוות לא ליניארי. אבל אם לאות יש עליות דחף במתח, המובילות לרוויה של הטרנזיסטורים, אז הרמוניות גבוהות יותר (עד ה-11) מופיעות סביב כל הרמונית "סטנדרטית" של אות המוצא. זה גורם לתופעה של מה שנקרא צליל טרנזיסטורי או מתכתי.
אם למגברי הספק בתדר נמוך בטרנזיסטורים יש אספקת חשמל לא יציבה, אזי אותות המוצא שלהם מאופנים באמפליטודה ליד תדר הרשת. זה מוביל לחומרה של הצליל בקצה השמאלי של תגובת התדר. שיטות ייצוב מתח שונות הופכות את עיצוב המגבר למורכב יותר.
היעילות האופיינית של מגבר Class A חד-קצה לא עולה על 20% בגלל הטרנזיסטור התמיד-דלוק והזרימה הרציפה של רכיב ה-DC. אתה יכול לעשות מגבר מסוג A push-pull, היעילות תגדל מעט, אבל חצי הגלים של האות יהפכו לא-סימטריים יותר. העברת המפל ממחלקת העבודה "A" למחלקת העבודה "AB" מכפילה פי ארבעה את העיוות הלא ליניארי, אם כי יעילות המעגל שלו עולה.
Bהעיוות של מגברים מדרגות "AB" ו-"B" עולה ככל שרמת האות יורדת. אתה רוצה בעל כורחו להגביר מגבר כזה לתחושת העוצמה והדינמיקה המלאה של המוזיקה, אבל לעתים קרובות זה לא עוזר הרבה.
שיעורי עבודה ביניים
למחלקת עבודה "A" יש וריאציה - מחלקה "A+". במקרה זה, טרנזיסטורי הכניסה במתח נמוך של המגבר של מחלקה זו פועלים במחלקה "A", וטרנזיסטורי המוצא במתח גבוה של המגבר, כאשר אותות הכניסה שלהם עולים על רמה מסוימת, נכנסים למחלקות "B" או "AB". היעילות של אשדים כאלה טובה יותר מאשר במחלקה הטהורה "A", והעיוות הלא ליניארי קטן (עד 0.003%). עם זאת, הם גם נשמעים "מתכתיים" בשל נוכחותן של הרמוניות גבוהות יותר באות הפלט.
מגברים של מחלקה אחרת - ל-"AA" יש דרגת עיוות לא ליניארית אפילו נמוכה יותר - בערך 0.0005%, אך קיימות גם הרמוניות גבוהות יותר.
לחזור למגבר טרנזיסטור Class A?
כיום, מומחים רבים בתחום של הפקת צליל איכותית דוגלים בחזרה למגברי שפופרות, שכן רמת העיוות הלא ליניארי וההרמוניה הגבוהה יותר המוכנסת על ידם לאות המוצא נמוכה יותר מזו של טרנזיסטורים. עם זאת, יתרונות אלו מקוזזים במידה רבה על ידי הצורך בשנאי תואם בין שלב הפלט של הצינור בעל העכבה הגבוהה לרמקולים בעלי העכבה הנמוכה. עם זאת, ניתן לייצר מגבר טרנזיסטורי פשוט עם פלט שנאי כפי שמוצג להלן.
יש גם נקודת מבט שרק מגבר צינור-טרנזיסטור היברידי יכול לספק את איכות הצליל האולטימטיבית, שכל השלבים שלה הם חד-צדדיים, לא מכוסים על ידי משוב שלילי ועובדים בכיתה "A". כלומר, עוקב כוח כזה הוא מגבר על טרנזיסטור בודד. התוכנית שלו יכולה לקבל את היעילות המרבית הניתנת להשגה (בכיתה "A") לא יותר מ-50%. אבל לא הכוח ולא היעילות של המגבר הם אינדיקטורים לאיכות השחזור הקול. יחד עם זאת, לאיכות וליניאריות של המאפיינים של כל ה-EREs במעגל יש חשיבות מיוחדת.
כאשר מעגלים חד-קצה מקבלים פרספקטיבה זו, נבחן את האפשרויות שלהם למטה.
מגבר טרנזיסטור יחיד
המעגל שלו, עשוי עם פולט משותף וחיבורי R-C לאותות כניסה ויציאה לפעולה בכיתה "A", מוצג באיור שלהלן.
זה מציג טרנזיסטור n-p-n Q1. הקולט שלו מחובר למסוף החיובי +Vcc באמצעות נגד מגביל זרם R3, והפולט שלו מחובר ל-Vcc. למגבר הטרנזיסטור p-n-p יהיה אותו מעגל, אבל כבלי אספקת החשמל יהיו הפוכים.
C1 הוא קבל ניתוק המפריד בין מקור הכניסה AC ממקור מתח DC Vcc. יחד עם זאת, C1 אינו מונע מעבר של זרם קלט לסירוגין דרך צומת הבסיס-מפיץ של טרנזיסטור Q1. נגדים R1 ו-R2 יחד עם התנגדותמעבר "E - B" יוצרים מחלק מתח Vcc לבחירת נקודת הפעולה של הטרנזיסטור Q1 במצב סטטי. אופייני למעגל זה הוא הערך של R2=1 kOhm, ומיקום נקודת ההפעלה הוא Vcc / 2. R3 הוא נגד עומס של מעגל קולט ומשמש ליצירת אות פלט מתח משתנה על הקולט.
נניח ש-Vcc=20 V, R2=1 kOhm, והגבר הזרם h=150. אנו בוחרים את המתח בפולט Ve=9 V, ומפל המתח במעבר "A - B" הוא נלקח שווה ל-Vbe=0.7 V. ערך זה מתאים למה שנקרא טרנזיסטור סיליקון. אם היינו שוקלים מגבר המבוסס על טרנזיסטורי גרמניום, אזי ירידת המתח על פני הצומת הפתוח "E - B" תהיה Vbe=0.3 V.
זרם פולט, שווה בערך לזרם האספן
Ie=9 V/1 kΩ=9 mA ≈ Ic.
זרם בסיס Ib=Ic/h=9mA/150=60uA.
מפלת מתח על פני הנגד R1
V(R1)=Vcc - Vb=Vcc - (Vbe + Ve)=20V - 9.7V=10.3V
R1=V(R1)/Ib=10, 3 V/60 uA=172 kOhm.
יש צורך C2 כדי ליצור מעגל למעבר של הרכיב המשתנה של זרם הפולט (למעשה זרם האספן). אם הוא לא היה שם, אז הנגד R2 היה מגביל מאוד את הרכיב המשתנה, כך שלמגבר הטרנזיסטור הדו-קוטבי המדובר יהיה רווח זרם נמוך.
בחישובים שלנו, הנחנו ש-Ic=Ib h, כאשר Ib הוא זרם הבסיס הזורם אליו מהפולט ומתעורר כאשר מתח הטיה מופעל על הבסיס. עם זאת, דרך הבסיס תמיד (גם עם ובלי היסט)יש גם זרם דליפה מהקולטן Icb0. לכן, זרם האספן האמיתי הוא Ic=Ib h + Icb0 h, כלומר. זרם הדליפה במעגל עם OE מוגבר פי 150. אם היינו שוקלים מגבר המבוסס על טרנזיסטורי גרמניום, אז היה צריך לקחת בחשבון את הנסיבות הללו בחישובים. העובדה היא שלטרנזיסטורי גרמניום יש Icb0 משמעותי בסדר גודל של כמה μA. בסיליקון הוא קטן בשלושה סדרי גודל (בערך כמה nA), כך שבדרך כלל הוא מוזנח בחישובים.
מגבר טרנזיסטור MIS עם קצה אחד
כמו כל מגבר טרנזיסטורי אפקט שדה, למעגל המדובר יש את האנלוגי שלו בין מגברי טרנזיסטורים דו-קוטביים. לכן, שקול אנלוגי של המעגל הקודם עם פולט משותף. הוא עשוי עם מקור משותף וחיבורי R-C לאותות כניסה ויציאה לפעולה בכיתה "A" והוא מוצג באיור למטה.
כאן C1 הוא אותו קבל ניתוק, שבאמצעותו מופרד מקור הכניסה AC ממקור מתח DC Vdd. כפי שאתה יודע, כל מגבר טרנזיסטור אפקט שדה חייב להיות בעל פוטנציאל השער של טרנזיסטורי MOS שלו מתחת לפוטנציאל המקורות שלהם. במעגל זה, השער מוארק על ידי R1, שהיא בדרך כלל התנגדות גבוהה (100 kΩ עד 1 MΩ) כך שהוא לא ירחיק את אות הכניסה. אין כמעט זרם דרך R1, כך שפוטנציאל השער בהיעדר אות כניסה שווה לפוטנציאל הארקה. פוטנציאל המקור גבוה מפוטנציאל הארקה עקב נפילת המתח על הנגד R2. כךלפיכך, פוטנציאל השער נמוך מפוטנציאל המקור, הדרוש לפעולה רגילה של Q1. לקבלים C2 ולנגד R3 יש את אותה מטרה כמו במעגל הקודם. מכיוון שזהו מעגל מקור משותף, אותות הקלט והמוצא נמצאים מחוץ לפאזה ב-180°.
משנאי פלט מגבר
מגבר הטרנזיסטור הפשוט החד-שלבי השלישי, המוצג באיור למטה, עשוי גם הוא לפי מעגל הפולט המשותף לפעולה בדרגה "A", אך הוא מחובר לרמקול בעל עכבה נמוכה באמצעות התאמה שנאי.
הפיתול העיקרי של שנאי T1 הוא עומס מעגל הקולט של טרנזיסטור Q1 ומפתח אות פלט. T1 שולח את אות המוצא לרמקול ומבטיח שעכבת המוצא של הטרנזיסטור תואמת את עכבת הרמקול הנמוכה (בסדר גודל של כמה אוהם).
מחלק המתח של ספק הכוח האספן Vcc, המורכב על נגדים R1 ו-R3, מספק את הבחירה של נקודת הפעולה של הטרנזיסטור Q1 (מספק מתח הטיה לבסיסו). המטרה של שאר האלמנטים של המגבר זהה לזו של המעגלים הקודמים.
מגבר שמע בדחיפה
מגבר הדו-טרנזיסטור דחיפה-משיכה בתדר נמוך מפצל את אות האודיו המבוא לשני גלי חצי-פאזה מחוץ לפאזה, שכל אחד מהם מוגבר על ידי שלב הטרנזיסטור שלו. לאחר ביצוע הגברה כזו, משולבים חצאי הגלים לאות הרמוני שלם, אשר מועבר למערכת הרמקולים. שינוי כזה של תדר נמוךאות (פיצול והיתוך מחדש), כמובן, גורם לעיוות בלתי הפיך בו, בשל ההבדל בתדר ובמאפיינים הדינמיים של שני הטרנזיסטורים של המעגל. עיוות זה מפחית את איכות הצליל בפלט של המגבר.
מגברי Push-pull הפועלים במחלקה "A" אינם משחזרים אותות אודיו מורכבים מספיק, שכן זרם קבוע מוגבר זורם כל הזמן בזרועותיהם. זה מוביל לאסימטריה של חצי הגלים של האות, עיוותי פאזה ובסופו של דבר לאובדן מובנות הקול. בחימום, שני טרנזיסטורים חזקים מכפילים את עיוות האות בתדרים הנמוכים והתדרים הנמוכים. אבל עדיין, היתרון העיקרי של מעגל הדחיפה הוא היעילות המקובלת שלו והספק המוצא המוגבר.
מעגל מגבר כוח טרנזיסטור דחיפה-משוך מוצג באיור.
זהו מגבר מסוג "A", אבל ניתן להשתמש גם ב-class "AB" ואפילו "B".
מגבר כוח טרנזיסטור ללא שנאי
רובוטריקים, למרות ההתקדמות במזעור שלהם, הם עדיין ה-ERE המגושם, הכבד והיקר ביותר. לכן, נמצאה דרך לסלק את השנאי ממעגל הדחיפה-משיכה על ידי הפעלתו על שני טרנזיסטורים משלימים חזקים מסוגים שונים (n-p-n ו-p-n-p). רוב מגברי הכוח המודרניים משתמשים בעקרון זה ומיועדים לפעול בכיתה "B". המעגל של מגבר כוח כזה מוצג באיור למטה.
שני הטרנזיסטורים שלו מחוברים לפי מעגל קולט משותף (עוקב פולט). לכן, המעגל מעביר את מתח הכניסה ליציאה ללא הגברה. אם אין אות כניסה, אז שני הטרנזיסטורים נמצאים על הגבול של מצב מופעל, אבל הם כבויים.
כאשר נכנס אות הרמוני, חצי הגל החיובי שלו פותח את TR1, אך מכניס את הטרנזיסטור p-n-p TR2 למצב חיתוך מלא. לפיכך, רק חצי הגל החיובי של הזרם המוגבר זורם דרך העומס. חצי הגל השלילי של אות הכניסה פותח רק TR2 ומכבה את TR1, כך שחצי הגל השלילי של זרם מוגבר מסופק לעומס. כתוצאה מכך, אות סינוסואידאלי מוגבר בהספק מלא (עקב הגברה זרם) נמסר לעומס.
מגבר טרנזיסטור יחיד
כדי להטמיע את האמור לעיל, נרכיב במו ידינו מגבר טרנזיסטור פשוט ונבין איך הוא עובד.
כעומס של טרנזיסטור T בעל הספק נמוך מסוג BC107, אנו מפעילים אוזניות עם התנגדות של 2-3 קילו אוהם, אנו מפעילים את מתח ההטיה על הבסיס מנגד בעל התנגדות גבוהה R של 1 MΩ, אנו מפעילים את הקבל האלקטרוליטי C המנתק בקיבולת של 10 μF עד 100 μF במעגל הבסיס T. נפעיל את המעגל מסוללה של 4.5 V / 0.3 A.
אם הנגד R אינו מחובר, אז אין לא זרם בסיס Ib ולא זרם אספן Ic. אם הנגד מחובר, המתח בבסיס עולה ל-0.7 וולט וזרם Ib \u003d 4 μA זורם דרכו. מְקַדֵםההגברה הנוכחית של הטרנזיסטור היא 250, מה שנותן Ic=250Ib=1 mA.
לאחר שהרכבנו מגבר טרנזיסטור פשוט במו ידינו, כעת נוכל לבדוק אותו. חבר את האוזניות והנח את האצבע על נקודה 1 בתרשים. אתה תשמע רעש. הגוף שלך קולט את קרינת הרשת בתדר של 50 הרץ. הרעש ששומעים מהאוזניות הוא הקרינה הזו, המוגברת רק על ידי הטרנזיסטור. הבה נסביר את התהליך הזה ביתר פירוט. מתח AC של 50 הרץ מחובר לבסיס הטרנזיסטור דרך קבל C. המתח בבסיס שווה כעת לסכום מתח הטיית DC (כ-0.7 V) המגיע מהנגד R וממתח האצבע AC. כתוצאה מכך, זרם האספן מקבל רכיב מתחלף בתדר של 50 הרץ. זרם חילופין זה משמש להזזת הממברנה של הרמקולים קדימה ואחורה באותו תדר, מה שאומר שאנו יכולים לשמוע צליל של 50Hz ביציאה.
שמיעת רמת הרעש של 50 הרץ אינה מעניינת במיוחד, לכן ניתן לחבר מקורות בתדר נמוך (נגן CD או מיקרופון) לנקודות 1 ו-2 ולשמוע דיבור או מוזיקה מוגברים.
