El amplificador de transistores, a pesar de su larga historia, sigue siendo un tema de estudio favorito tanto para principiantes como para radioaficionados veteranos. Y esto es comprensible. Es un componente indispensable de los dispositivos de radioaficionados más populares: receptores de radio y amplificadores de baja frecuencia (sonido). Veremos cómo se construyen los amplificadores de transistores de baja frecuencia más simples.
Respuesta de frecuencia del amplificador
En cualquier receptor de televisión o radio, en todo centro de música o amplificador de sonido, se pueden encontrar amplificadores de sonido a transistores (baja frecuencia - LF). La diferencia entre los amplificadores de transistores de audio y otros tipos radica en su respuesta de frecuencia.
El amplificador de audio de transistor tiene una respuesta de frecuencia uniforme en la banda de frecuencia de 15 Hz a 20 kHz. Esto significa que todas las señales de entrada con una frecuencia dentro de este rango son convertidas (amplificadas) por el amplificador.sobre lo mismo. La siguiente figura muestra la curva de respuesta de frecuencia ideal para un amplificador de audio en las coordenadas "ganancia del amplificador Ku - frecuencia de la señal de entrada".
Esta curva es casi plana de 15 Hz a 20 kHz. Esto significa que dicho amplificador debe usarse específicamente para señales de entrada con frecuencias entre 15 Hz y 20 kHz. Para señales de entrada con frecuencias superiores a 20 kHz o inferiores a 15 Hz, su eficiencia y rendimiento se deterioran rápidamente.
El tipo de respuesta en frecuencia del amplificador viene determinado por los elementos eléctricos de radio (ERE) de su circuito, y sobre todo por los propios transistores. Un amplificador de audio basado en transistores generalmente se ensambla en los llamados transistores de baja y media frecuencia con un ancho de banda total de señales de entrada de decenas y cientos de Hz a 30 kHz.
Clase de amplificador
Como saben, dependiendo del grado de continuidad del flujo de corriente a lo largo de su período a través de la etapa amplificadora del transistor (amplificador), se distinguen las siguientes clases de su funcionamiento: "A", "B", "AB", "C", "D".
En la clase de operación, la corriente "A" fluye a través de la etapa durante el 100 % del período de la señal de entrada. La cascada en esta clase se ilustra en la siguiente figura.
En la etapa de amplificación de clase "AB", la corriente fluye a través de ella durante más del 50 %, pero menos del 100 % del período de la señal de entrada (consulte la figura a continuación).
En la clase de operación de la etapa "B", la corriente fluye a través de ella exactamente el 50% del período de la señal de entrada, como se ilustra en la figura.
Finalmente, en la clase de operación de etapa "C", la corriente fluye a través de ella durante menos del 50 % del período de la señal de entrada.
Amplificador de transistor LF: distorsión en las principales clases de trabajo
En el área de trabajo, el amplificador de transistor de clase "A" tiene un bajo nivel de distorsión no lineal. Pero si la señal tiene impulsos de voltaje que conducen a la saturación de los transistores, entonces aparecen armónicos más altos (hasta el 11) alrededor de cada armónico "estándar" de la señal de salida. Esto provoca el fenómeno del llamado sonido transistorizado o metálico.
Si los amplificadores de potencia de baja frecuencia en transistores tienen una fuente de alimentación no estabilizada, sus señales de salida se modulan en amplitud cerca de la frecuencia de la red. Esto conduce a la aspereza del sonido en el borde izquierdo de la respuesta de frecuencia. Varios métodos de estabilización de voltaje hacen que el diseño del amplificador sea más complejo.
La eficiencia típica del amplificador Clase A de un solo extremo no supera el 20 % debido al transistor siempre activo y al flujo continuo del componente de CC. Puede hacer un amplificador de clase A push-pull, la eficiencia aumentará ligeramente, pero las medias ondas de la señal se volverán más asimétricas. El traslado de la cascada de la clase de trabajo "A" a la clase de trabajo "AB" cuadruplica la distorsión no lineal, aunque aumenta la eficiencia de su circuito.
Bamplificadores de clases "AB" y "B" la distorsión aumenta a medida que disminuye el nivel de la señal. Involuntariamente, desea aumentar el volumen de un amplificador de este tipo para sentir la potencia y la dinámica de la música, pero a menudo esto no ayuda mucho.
Clases de trabajo intermedias
La clase de trabajo "A" tiene una variación: la clase "A+". En este caso, los transistores de entrada de bajo voltaje del amplificador de esta clase operan en la clase "A", y los transistores de salida de alto voltaje del amplificador, cuando sus señales de entrada superan un cierto nivel, pasan a las clases "B" o "AB". La eficiencia de tales cascadas es mejor que en la clase "A" pura, y la distorsión no lineal es menor (hasta 0.003%). Sin embargo, también suenan "metálicos" debido a la presencia de armónicos más altos en la señal de salida.
Los amplificadores de otra clase - "AA" tienen un grado aún más bajo de distorsión no lineal - aproximadamente 0.0005%, pero también están presentes armónicos más altos.
¿Regresar al amplificador de transistor Clase A?
Hoy en día, muchos especialistas en el campo de la reproducción de sonido de alta calidad abogan por volver a los amplificadores de válvulas, ya que el nivel de distorsión no lineal y armónicos más altos que introducen en la señal de salida es obviamente más bajo que el de los transistores.. Sin embargo, estas ventajas se compensan en gran medida por la necesidad de un transformador de adaptación entre la etapa de salida del tubo de alta impedancia y los altavoces de baja impedancia. Sin embargo, se puede hacer un amplificador transistorizado simple con una salida de transformador como se muestra a continuación.
También existe el punto de vista de que solo un amplificador híbrido de válvulas y transistores puede proporcionar la máxima calidad de sonido, cuyas etapas son de un solo extremo, no están cubiertas por retroalimentación negativa y funcionan en clase "A". Es decir, tal seguidor de potencia es un amplificador en un solo transistor. Su esquema puede tener la máxima eficiencia alcanzable (en clase "A") no más del 50%. Pero ni la potencia ni la eficiencia del amplificador son indicadores de la calidad de reproducción del sonido. Al mismo tiempo, la calidad y la linealidad de las características de todos los ERE del circuito son de particular importancia.
A medida que los circuitos de un solo extremo obtienen esta perspectiva, veremos sus opciones a continuación.
Amplificador de un solo transistor de un solo extremo
Su circuito, realizado con un emisor común y conexiones R-C para señales de entrada y salida para operación en clase "A", se muestra en la siguiente figura.
Muestra un transistor n-p-n Q1. Su colector está conectado a la terminal positiva +Vcc a través de una resistencia limitadora de corriente R3 y su emisor está conectado a -Vcc. El amplificador de transistor p-n-p tendrá el mismo circuito, pero los cables de alimentación estarán invertidos.
C1 es un capacitor de desacoplamiento que separa la fuente de entrada de CA de la fuente de voltaje de CC Vcc. Al mismo tiempo, C1 no impide el paso de una corriente de entrada alterna a través de la unión base-emisor del transistor Q1. Resistencias R1 y R2 junto con resistenciatransición "E - B" forman un divisor de voltaje Vcc para seleccionar el punto de operación del transistor Q1 en modo estático. Típico para este circuito es el valor de R2=1 kOhm, y la posición del punto de operación es Vcc / 2. R3 es una resistencia de carga del circuito del colector y se usa para crear una señal de salida de voltaje variable en el colector.
Suponga que Vcc=20 V, R2=1 kOhm y la ganancia de corriente h=150. Seleccionamos el voltaje en el emisor Ve=9 V, y la caída de voltaje en la transición "A - B" es tomado igual a Vbe=0,7 V. Este valor corresponde al llamado transistor de silicio. Si estuviéramos considerando un amplificador basado en transistores de germanio, la caída de tensión en la unión abierta "E - B" sería Vbe=0,3 V.
Corriente del emisor, aproximadamente igual a la corriente del colector
Ie=9 V/1 kΩ=9 mA ≈ Ic.
Corriente base Ib=Ic/h=9mA/150=60uA.
Caída de tensión en la resistencia R1
V(R1)=Vcc - Vb=Vcc - (Vbe + Ve)=20V - 9,7V=10,3V
R1=V(R1)/Ib=10, 3 V/60 uA=172 kOhm.
Se necesita C2 para crear un circuito para el paso del componente variable de la corriente del emisor (en realidad, la corriente del colector). Si no estuviera allí, entonces la resistencia R2 limitaría severamente el componente variable, de modo que el amplificador de transistor bipolar en cuestión tendría una baja ganancia de corriente.
En nuestros cálculos, asumimos que Ic=Ib h, donde Ib es la corriente de base que fluye hacia él desde el emisor y surge cuando se aplica un voltaje de polarización a la base. Sin embargo, a través de la base siempre (tanto con como sin compensación)también hay una corriente de fuga del colector Icb0. Por lo tanto, la corriente de colector real es Ic=Ib h + Icb0 h, es decir la corriente de fuga en el circuito con OE se amplifica 150 veces. Si estuviéramos considerando un amplificador basado en transistores de germanio, entonces habría que tener en cuenta esta circunstancia en los cálculos. El hecho es que los transistores de germanio tienen un Icb0 significativo del orden de varios μA. En el silicio, es tres órdenes de magnitud más pequeño (alrededor de unos pocos nA), por lo que generalmente se desprecia en los cálculos.
Amplificador de transistor MIS de un solo extremo
Como cualquier amplificador de transistores de efecto de campo, el circuito en cuestión tiene su análogo entre los amplificadores de transistores bipolares. Por lo tanto, considere un análogo del circuito anterior con un emisor común. Está hecho con una fuente común y conexiones R-C para señales de entrada y salida para operación en clase "A" y se muestra en la siguiente figura.
Aquí C1 es el mismo condensador de desacoplamiento, mediante el cual la fuente de entrada de CA se separa de la fuente de tensión de CC Vdd. Como sabe, cualquier amplificador de transistores de efecto de campo debe tener el potencial de puerta de sus transistores MOS por debajo de los potenciales de sus fuentes. En este circuito, la puerta está conectada a tierra por R1, que normalmente es de alta resistencia (100 kΩ a 1 MΩ) para que no desvíe la señal de entrada. Prácticamente no hay corriente a través de R1, por lo que el potencial de puerta en ausencia de una señal de entrada es igual al potencial de tierra. El potencial de la fuente es más alto que el potencial de tierra debido a la caída de voltaje en la resistencia R2. Asi quePor lo tanto, el potencial de la puerta es más bajo que el potencial de la fuente, lo cual es necesario para el funcionamiento normal de Q1. El condensador C2 y la resistencia R3 tienen el mismo propósito que en el circuito anterior. Como se trata de un circuito de fuente común, las señales de entrada y salida están desfasadas 180°.
Amplificador de salida del transformador
El tercer amplificador de transistor simple de una sola etapa, que se muestra en la figura a continuación, también está hecho de acuerdo con el circuito de emisor común para operar en clase "A", pero está conectado a un altavoz de baja impedancia a través de un conector correspondiente. transformador.
El devanado primario del transformador T1 es la carga del circuito colector del transistor Q1 y desarrolla una señal de salida. T1 envía la señal de salida al altavoz y garantiza que la impedancia de salida del transistor coincida con la impedancia baja (del orden de unos pocos ohmios) del altavoz.
El divisor de voltaje de la fuente de alimentación del colector Vcc, ensamblado en las resistencias R1 y R3, proporciona la elección del punto de operación del transistor Q1 (suministrando un voltaje de polarización a su base). El propósito del resto de elementos del amplificador es el mismo que en los circuitos anteriores.
Amplificador de audio push-pull
El amplificador de baja frecuencia push-pull de dos transistores divide la señal de audio de entrada en dos medias ondas desfasadas, cada una de las cuales es amplificada por su propia etapa de transistor. Después de realizar dicha amplificación, las medias ondas se combinan en una señal armónica completa, que se transmite al sistema de altavoces. Tal transformación de baja frecuenciaLa señal (división y refusión), por supuesto, provoca una distorsión irreversible en ella, debido a la diferencia de frecuencia y propiedades dinámicas de los dos transistores del circuito. Esta distorsión reduce la calidad del sonido a la salida del amplificador.
Los amplificadores push-pull que funcionan en la clase "A" no reproducen señales de audio complejas lo suficientemente bien, ya que una corriente constante aumentada fluye constantemente en sus brazos. Esto conduce a la asimetría de las medias ondas de la señal, distorsiones de fase y, en última instancia, a la pérdida de la inteligibilidad del sonido. Cuando se calientan, dos potentes transistores duplican la distorsión de la señal en las frecuencias bajas e infra-bajas. Pero aún así, la principal ventaja del circuito push-pull es su eficiencia aceptable y su mayor potencia de salida.
El circuito del amplificador de potencia del transistor push-pull se muestra en la figura.
Este es un amplificador de clase "A", pero también se puede usar la clase "AB" e incluso "B".
Amplificador de potencia de transistores sin transformador
Los transformers, a pesar de los avances en su miniaturización, siguen siendo los ERE más voluminosos, pesados y caros. Por lo tanto, se encontró una manera de eliminar el transformador del circuito push-pull haciéndolo funcionar en dos potentes transistores complementarios de diferentes tipos (n-p-n y p-n-p). La mayoría de los amplificadores de potencia modernos utilizan este principio y están diseñados para operar en clase "B". El circuito de dicho amplificador de potencia se muestra en la siguiente figura.
Ambos transistores están conectados de acuerdo con un circuito de colector común (seguidor de emisor). Por lo tanto, el circuito transfiere el voltaje de entrada a la salida sin amplificación. Si no hay señal de entrada, ambos transistores están en el límite del estado activado, pero están desactivados.
Cuando se introduce una señal armónica, su media onda positiva abre TR1, pero pone el transistor p-n-p TR2 en modo de corte completo. Por lo tanto, solo la media onda positiva de la corriente amplificada fluye a través de la carga. La media onda negativa de la señal de entrada abre solo TR2 y apaga TR1, de modo que la media onda negativa de corriente amplificada se suministra a la carga. Como resultado, se entrega a la carga una señal sinusoidal amplificada a máxima potencia (debido a la amplificación de corriente).
Amplificador de un solo transistor
Para asimilar lo anterior, ensamblaremos un amplificador de transistor simple con nuestras propias manos y descubriremos cómo funciona.
Como carga de un transistor T de baja potencia de tipo BC107, encendemos auriculares con una resistencia de 2-3 kOhm, aplicamos el voltaje de polarización a la base desde una resistencia de alta resistencia R de 1 MΩ, encendemos el capacitor electrolítico de desacoplamiento C con una capacidad de 10 μF a 100 μF en el circuito base T. Alimentaremos el circuito con una batería de 4.5 V / 0.3 A.
Si la resistencia R no está conectada, entonces no hay corriente de base Ib ni corriente de colector Ic. Si la resistencia está conectada, entonces el voltaje en la base aumenta a 0.7 V y fluye una corriente Ib \u003d 4 μA. Coeficientela ganancia de corriente del transistor es 250, lo que da Ic=250Ib=1 mA.
Habiendo ensamblado un amplificador de transistor simple con nuestras propias manos, ahora podemos probarlo. Conecte los auriculares y coloque el dedo en el punto 1 del diagrama. Oirás un ruido. Tu cuerpo percibe la radiación de la red eléctrica a una frecuencia de 50 Hz. El ruido que escuchas de los auriculares es esta radiación, solo amplificada por el transistor. Expliquemos este proceso con más detalle. Se conecta un voltaje de CA de 50 Hz a la base del transistor a través del capacitor C. El voltaje en la base ahora es igual a la suma del voltaje de polarización de CC (aproximadamente 0,7 V) proveniente de la resistencia R y el voltaje de dedo de CA. Como resultado, la corriente del colector recibe una componente alterna con una frecuencia de 50 Hz. Esta corriente alterna se usa para mover la membrana de los parlantes hacia adelante y hacia atrás a la misma frecuencia, lo que significa que podemos escuchar un tono de 50 Hz en la salida.
Escuchar el nivel de ruido de 50 Hz no es muy interesante, por lo que puede conectar fuentes de baja frecuencia (reproductor de CD o micrófono) a los puntos 1 y 2 y escuchar voz o música amplificada.
