Penguat transistor, meskipun sejarahnya sudah lama, tetap menjadi subjek studi favorit bagi pemula dan amatir radio veteran. Dan ini bisa dimengerti. Ini adalah komponen tak terpisahkan dari perangkat radio amatir paling populer: penerima radio dan amplifier frekuensi rendah (suara). Kita akan melihat bagaimana amplifier transistor frekuensi rendah paling sederhana dibuat.
Respon frekuensi amp
Di setiap penerima televisi atau radio, di setiap pusat musik atau penguat suara, Anda dapat menemukan penguat suara transistor (frekuensi rendah - LF). Perbedaan antara penguat transistor audio dan jenis lainnya terletak pada respon frekuensinya.
Penguat audio transistor memiliki respons frekuensi yang seragam pada pita frekuensi dari 15 Hz hingga 20 kHz. Ini berarti bahwa semua sinyal input dengan frekuensi dalam rentang ini diubah (diperkuat) oleh amplifier.hampir sama. Gambar di bawah menunjukkan kurva respons frekuensi yang ideal untuk penguat audio di koordinat "penguat gain Ku - frekuensi sinyal input".
Kurva ini hampir datar dari 15Hz hingga 20kHz. Ini berarti bahwa penguat semacam itu harus digunakan secara khusus untuk sinyal input dengan frekuensi antara 15 Hz dan 20 kHz. Untuk sinyal input dengan frekuensi di atas 20 kHz atau di bawah 15 Hz, efisiensi dan kinerjanya menurun dengan cepat.
Jenis respons frekuensi penguat ditentukan oleh elemen radio listrik (ERE) dari rangkaiannya, dan terutama oleh transistor itu sendiri. Penguat audio berdasarkan transistor biasanya dipasang pada apa yang disebut transistor frekuensi rendah dan menengah dengan bandwidth total sinyal input dari puluhan dan ratusan Hz hingga 30 kHz.
Kelas penguat
Seperti yang Anda ketahui, tergantung pada tingkat kontinuitas aliran arus sepanjang periodenya melalui tahap penguat transistor (penguat), kelas operasi berikut dibedakan: "A", "B", "AB", "C", "D ".
Dalam kelas operasi, arus "A" mengalir melalui panggung selama 100% dari periode sinyal input. Kaskade di kelas ini diilustrasikan pada gambar berikut.
Pada tahap penguat kelas "AB", arus mengalir melaluinya lebih dari 50%, tetapi kurang dari 100% periode sinyal input (lihat gambar di bawah).
Dalam kelas operasi tahap "B", arus mengalir melaluinya tepat 50% dari periode sinyal input, seperti yang diilustrasikan pada gambar.
Akhirnya, di kelas operasi tahap "C", arus mengalir melaluinya selama kurang dari 50% periode sinyal input.
Penguat transistor LF: distorsi di kelas utama kerja
Di wilayah kerja, penguat transistor kelas "A" memiliki tingkat distorsi non-linier yang rendah. Tetapi jika sinyal memiliki lonjakan tegangan impuls, yang mengarah ke saturasi transistor, maka harmonik yang lebih tinggi (hingga ke-11) muncul di sekitar setiap harmonik "standar" dari sinyal keluaran. Hal ini menyebabkan fenomena yang disebut transistorized atau suara metalik.
Jika penguat daya frekuensi rendah pada transistor memiliki catu daya yang tidak stabil, maka sinyal keluarannya dimodulasi dalam amplitudo di dekat frekuensi utama. Hal ini menyebabkan kekerasan suara di tepi kiri respons frekuensi. Berbagai metode stabilisasi tegangan membuat desain amplifier lebih kompleks.
Efisiensi tipikal penguat Kelas A ujung tunggal tidak melebihi 20% karena transistor yang selalu aktif dan aliran kontinu komponen DC. Anda dapat membuat push-pull penguat kelas A, efisiensinya akan sedikit meningkat, tetapi setengah gelombang sinyal akan menjadi lebih asimetris. Pemindahan kaskade dari kelas pekerja "A" ke kelas pekerja "AB" melipatgandakan distorsi nonlinier, meskipun efisiensi sirkuitnya meningkat.
Bamplifier kelas "AB" dan "B" distorsi meningkat saat level sinyal menurun. Anda tanpa sadar ingin menyalakan amplifier seperti itu lebih keras untuk sensasi penuh kekuatan dan dinamika musik, tetapi seringkali ini tidak banyak membantu.
Kelas kerja menengah
Kelas kerja "A" memiliki variasi - kelas "A+". Dalam hal ini, transistor input tegangan rendah dari penguat kelas ini beroperasi di kelas "A", dan transistor keluaran tegangan tinggi dari penguat, ketika sinyal inputnya melebihi tingkat tertentu, masuk ke kelas "B" atau "AB". Efisiensi kaskade semacam itu lebih baik daripada di kelas murni "A", dan distorsi non-linier lebih kecil (hingga 0,003%). Namun, mereka juga terdengar "metalik" karena adanya harmonik yang lebih tinggi dalam sinyal keluaran.
Amplifier dari kelas lain - "AA" memiliki tingkat distorsi non-linier yang lebih rendah - sekitar 0,0005%, tetapi harmonik yang lebih tinggi juga ada.
Kembali ke penguat transistor Kelas A?
Saat ini, banyak spesialis di bidang reproduksi suara berkualitas tinggi menganjurkan kembalinya amplifier tabung, karena tingkat distorsi non-linier dan harmonik yang lebih tinggi yang dimasukkan oleh mereka ke dalam sinyal keluaran jelas lebih rendah daripada transistor. Namun, keuntungan ini sebagian besar diimbangi oleh kebutuhan akan transformator yang cocok antara tahap keluaran tabung impedansi tinggi dan speaker impedansi rendah. Namun, penguat transistorized sederhana dapat dibuat dengan output transformator seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
Ada juga sudut pandang bahwa hanya amplifier transistor tabung hibrida yang dapat memberikan kualitas suara terbaik, semua tahapannya berujung tunggal, tidak tercakup oleh umpan balik negatif dan bekerja di kelas "A". Artinya, pengikut daya seperti itu adalah penguat pada transistor tunggal. Skemanya dapat memiliki efisiensi maksimum yang dapat dicapai (di kelas "A") tidak lebih dari 50%. Tetapi baik daya maupun efisiensi amplifier bukanlah indikator kualitas reproduksi suara. Pada saat yang sama, kualitas dan linieritas karakteristik semua ERE di sirkuit sangat penting.
Saat sirkuit ujung tunggal mendapatkan perspektif ini, kita akan melihat opsinya di bawah ini.
Penguat transistor tunggal ujung tunggal
Rangkaiannya, dibuat dengan emitor umum dan koneksi R-C untuk sinyal input dan output untuk operasi di kelas "A", ditunjukkan pada gambar di bawah ini.
Ini menunjukkan transistor n-p-n Q1. Kolektornya terhubung ke terminal positif +Vcc melalui resistor pembatas arus R3, dan emitornya terhubung ke -Vcc. Penguat transistor p-n-p akan memiliki rangkaian yang sama, tetapi kabel catu daya akan terbalik.
C1 adalah kapasitor decoupling yang memisahkan sumber input AC dari sumber tegangan DC Vcc. Pada saat yang sama, C1 tidak mencegah lewatnya arus input bolak-balik melalui persimpangan basis-emitor transistor Q1. Resistor R1 dan R2 bersama dengan resistansitransisi "E - B" membentuk pembagi tegangan Vcc untuk memilih titik operasi transistor Q1 dalam mode statis. Khas untuk rangkaian ini adalah nilai R2=1 kOhm, dan posisi titik operasinya adalah Vcc / 2. R3 adalah resistor beban rangkaian kolektor dan digunakan untuk membuat sinyal keluaran tegangan variabel pada kolektor.
Asumsikan bahwa Vcc=20 V, R2=1 kOhm, dan penguatan arus h=150. Kita pilih tegangan pada emitor Ve=9 V, dan jatuh tegangan pada transisi "A - B" adalah diambil sama dengan Vbe=0,7 V. Nilai ini sesuai dengan apa yang disebut transistor silikon. Jika kita mempertimbangkan penguat berdasarkan transistor germanium, maka penurunan tegangan pada sambungan terbuka "E - B" akan menjadi Vbe=0,3 V.
Arus emitor, kira-kira sama dengan arus kolektor
Ie=9 V/1 kΩ=9 mA Ic.
Arus basis Ib=Ic/h=9mA/150=60uA.
Tegangan jatuh pada resistor R1
V(R1)=Vcc - Vb=Vcc - (Vbe + Ve)=20V - 9.7V=10.3V
R1=V(R1)/Ib=10, 3 V/60 uA=172 kOhm.
C2 diperlukan untuk membuat rangkaian untuk melewati komponen variabel dari arus emitor (sebenarnya arus kolektor). Jika tidak ada, maka resistor R2 akan sangat membatasi komponen variabel, sehingga penguat transistor bipolar yang bersangkutan akan memiliki penguatan arus yang rendah.
Dalam perhitungan kami, kami mengasumsikan bahwa Ic=Ib h, di mana Ib adalah arus basis yang mengalir ke dalamnya dari emitor dan timbul ketika tegangan bias diterapkan ke basis. Namun, melalui pangkalan selalu (baik dengan dan tanpa offset)ada juga arus bocor dari kolektor Icb0. Oleh karena itu, arus kolektor sebenarnya adalah Ic=Ib h + Icb0 h, mis. arus bocor di sirkuit dengan OE diperkuat 150 kali. Jika kita mempertimbangkan penguat berdasarkan transistor germanium, maka keadaan ini harus diperhitungkan dalam perhitungan. Faktanya adalah transistor germanium memiliki Icb0 yang signifikan dengan orde beberapa A. Dalam silikon, ini tiga kali lipat lebih kecil (sekitar beberapa nA), jadi biasanya diabaikan dalam perhitungan.
Penguat transistor MIS ujung tunggal
Seperti penguat transistor efek medan lainnya, rangkaian tersebut memiliki analog di antara penguat transistor bipolar. Oleh karena itu, pertimbangkan analog dari rangkaian sebelumnya dengan emitor bersama. Itu dibuat dengan sumber umum dan koneksi R-C untuk sinyal input dan output untuk operasi di kelas "A" dan ditunjukkan pada gambar di bawah.
Di sini C1 adalah kapasitor decoupling yang sama, dimana sumber input AC dipisahkan dari sumber tegangan DC Vdd. Seperti yang Anda ketahui, penguat transistor efek medan apa pun harus memiliki potensi gerbang transistor MOS di bawah potensi sumbernya. Di sirkuit ini, gerbang di-ground-kan oleh R1, yang biasanya memiliki resistansi tinggi (100 kΩ hingga 1 MΩ) sehingga tidak melangsir sinyal input. Praktis tidak ada arus melalui R1, sehingga potensial gerbang tanpa adanya sinyal input sama dengan potensial ground. Potensi sumber lebih tinggi dari potensial tanah karena jatuh tegangan pada resistor R2. JadiDengan demikian, potensi gerbang lebih rendah dari potensi sumber, yang diperlukan untuk operasi normal Q1. Kapasitor C2 dan resistor R3 memiliki tujuan yang sama seperti pada rangkaian sebelumnya. Karena ini adalah rangkaian sumber umum, sinyal input dan output keluar dari fase sebesar 180°.
Penguat Keluaran Transformator
Penguat transistor sederhana satu tahap ketiga, yang ditunjukkan pada gambar di bawah, juga dibuat sesuai dengan rangkaian emitor umum untuk operasi di kelas "A", tetapi terhubung ke speaker impedansi rendah melalui pencocokan transformator.
Gulungan utama transformator T1 adalah beban rangkaian kolektor transistor Q1 dan mengembangkan sinyal keluaran. T1 mengirimkan sinyal output ke speaker dan memastikan bahwa impedansi output dari transistor sesuai dengan impedansi speaker rendah (dalam urutan beberapa ohm).
Pembagi tegangan catu daya kolektor Vcc, yang dipasang pada resistor R1 dan R3, memberikan pilihan titik operasi transistor Q1 (memasok tegangan bias ke basisnya). Tujuan dari elemen penguat yang tersisa sama seperti pada rangkaian sebelumnya.
Penguat audio tekan-tarik
Penguat frekuensi rendah push-pull dua transistor membagi sinyal audio input menjadi dua setengah gelombang di luar fase, yang masing-masing diperkuat oleh tahap transistornya sendiri. Setelah amplifikasi tersebut dilakukan, setengah gelombang digabungkan menjadi sinyal harmonik lengkap, yang ditransmisikan ke sistem speaker. Transformasi frekuensi rendah seperti itusinyal (pemisahan dan re-fusi), tentu saja, menyebabkan distorsi yang tidak dapat diubah di dalamnya, karena perbedaan frekuensi dan sifat dinamis dari dua transistor dari rangkaian. Distorsi ini mengurangi kualitas suara pada output amplifier.
Amplifier push-pull yang beroperasi di kelas "A" tidak mereproduksi sinyal audio kompleks dengan cukup baik, karena arus konstan yang meningkat terus mengalir di lengannya. Hal ini menyebabkan asimetri setengah gelombang sinyal, distorsi fase dan, pada akhirnya, hilangnya kejelasan suara. Saat dipanaskan, dua transistor kuat menggandakan distorsi sinyal pada frekuensi rendah dan infra-rendah. Tapi tetap saja, keuntungan utama dari rangkaian push-pull adalah efisiensi yang dapat diterima dan peningkatan daya keluaran.
Rangkaian penguat daya transistor push-pull ditunjukkan pada gambar.
Ini adalah penguat kelas "A", tetapi kelas "AB" dan bahkan "B" juga dapat digunakan.
Penguat Daya Transistor Tanpa Transformator
Transformer, terlepas dari kemajuan dalam miniaturisasinya, masih merupakan ERE yang paling besar, berat, dan mahal. Oleh karena itu, ditemukan cara untuk menghilangkan transformator dari rangkaian push-pull dengan menjalankannya pada dua transistor komplementer yang kuat dari jenis yang berbeda (n-p-n dan p-n-p). Kebanyakan power amplifier modern menggunakan prinsip ini dan dirancang untuk beroperasi di kelas "B". Rangkaian penguat daya tersebut ditunjukkan pada gambar di bawah ini.
Kedua transistornya terhubung menurut rangkaian kolektor (pengikut emitor) yang sama. Oleh karena itu, rangkaian mentransfer tegangan input ke output tanpa amplifikasi. Jika tidak ada sinyal input, maka kedua transistor berada di perbatasan status on, tetapi dimatikan.
Ketika sinyal harmonik dimasukkan, setengah gelombang positifnya membuka TR1, tetapi menempatkan transistor p-n-p TR2 dalam mode cutoff penuh. Dengan demikian, hanya setengah gelombang positif dari arus yang diperkuat yang mengalir melalui beban. Setengah gelombang negatif dari sinyal input hanya membuka TR2 dan mematikan TR1, sehingga setengah gelombang negatif dari arus yang diperkuat disuplai ke beban. Akibatnya, sinyal sinusoidal yang diperkuat daya penuh (karena penguatan arus) dikirimkan ke beban.
Penguat transistor tunggal
Untuk mengasimilasi hal di atas, kita akan merakit penguat transistor sederhana dengan tangan kita sendiri dan mencari tahu cara kerjanya.
Sebagai beban transistor daya rendah T tipe BC107, kami menyalakan headphone dengan resistansi 2-3 kOhm, kami menerapkan tegangan bias ke basis dari resistor resistansi tinggi R 1 MΩ, kami menyalakan decoupling kapasitor elektrolitik C dengan kapasitas 10 F hingga 100 F di sirkuit dasar T. Kami akan memberi daya pada sirkuit dari baterai 4,5 V / 0,3 A.
Jika resistor R tidak terhubung, maka tidak ada arus basis Ib maupun arus kolektor Ic. Jika resistor terhubung, maka tegangan di pangkalan naik menjadi 0,7 V dan arus Ib \u003d 4 A mengalir melaluinya. Koefisienpenguatan arus transistor adalah 250, yang memberikan Ic=250Ib=1 mA.
Setelah merakit amplifier transistor sederhana dengan tangan kita sendiri, sekarang kita dapat mengujinya. Hubungkan headphone dan letakkan jari Anda di titik 1 diagram. Anda akan mendengar suara. Tubuh Anda merasakan radiasi listrik pada frekuensi 50 Hz. Kebisingan yang Anda dengar dari headphone adalah radiasi ini, hanya diperkuat oleh transistor. Mari kita jelaskan proses ini secara lebih rinci. Tegangan AC 50 Hz dihubungkan ke basis transistor melalui kapasitor C. Tegangan di basis sekarang sama dengan jumlah tegangan bias DC (sekitar 0,7 V) yang berasal dari resistor R dan tegangan jari AC. Akibatnya, arus kolektor menerima komponen bolak-balik dengan frekuensi 50 Hz. Arus bolak-balik ini digunakan untuk menggerakkan membran speaker bolak-balik pada frekuensi yang sama, yang berarti kita dapat mendengar nada 50Hz pada output.
Mendengar tingkat kebisingan 50 Hz tidak terlalu menarik, jadi Anda dapat menghubungkan sumber frekuensi rendah (pemutar CD atau mikrofon) ke poin 1 dan 2 dan mendengar suara atau musik yang diperkuat.
