O amplificador transistorizado, apesar de sua longa história, continua sendo um assunto favorito de estudo tanto para iniciantes quanto para radioamadores veteranos. E isso é compreensível. É um componente indispensável dos dispositivos de rádio amador mais populares: receptores de rádio e amplificadores de baixa frequência (som). Veremos como os amplificadores transistorizados de baixa frequência mais simples são construídos.
Resposta de frequência do amplificador
Em qualquer receptor de televisão ou rádio, em cada centro de música ou amplificador de som, você pode encontrar amplificadores de som transistorizados (baixa frequência - LF). A diferença entre amplificadores de transistor de áudio e outros tipos está na resposta de frequência.
O amplificador de áudio transistorizado tem uma resposta de frequência uniforme na faixa de frequência de 15 Hz a 20 kHz. Isso significa que todos os sinais de entrada com uma frequência dentro dessa faixa são convertidos (amplificados) pelo amplificador.aproximadamente o mesmo. A figura abaixo mostra a curva de resposta de frequência ideal para um amplificador de áudio nas coordenadas "ganho do amplificador Ku - frequência do sinal de entrada".
Esta curva é quase plana de 15Hz a 20kHz. Isso significa que tal amplificador deve ser usado especificamente para sinais de entrada com frequências entre 15 Hz e 20 kHz. Para sinais de entrada com frequências acima de 20 kHz ou abaixo de 15 Hz, sua eficiência e desempenho se deterioram rapidamente.
O tipo de resposta em frequência do amplificador é determinado pelos elementos elétricos de rádio (ERE) do seu circuito e, sobretudo, pelos próprios transistores. Um amplificador de áudio baseado em transistores geralmente é montado nos chamados transistores de baixa e média frequência com uma largura de banda total de sinais de entrada de dezenas e centenas de Hz a 30 kHz.
Classe do amplificador
Como você sabe, dependendo do grau de continuidade do fluxo de corrente ao longo de seu período através do estágio de amplificação do transistor (amplificador), as seguintes classes de operação são distinguidas: "A", "B", "AB", "C", "D ".
Na classe de operação, a corrente "A" flui pelo estágio durante 100% do período do sinal de entrada. A cascata nesta classe é ilustrada na figura a seguir.
No estágio amplificador classe "AB", a corrente flui por mais de 50%, mas menos de 100% do período do sinal de entrada (veja a figura abaixo).
Na classe de operação do estágio "B", a corrente passa por ele exatamente 50% do período do sinal de entrada, conforme ilustrado na figura.
Finalmente, na classe de operação do estágio "C", a corrente flui através dele por menos de 50% do período do sinal de entrada.
amplificador transistorizado LF: distorção nas principais classes de trabalho
Na área de trabalho, o amplificador transistorizado classe "A" tem um baixo nível de distorção não linear. Mas se o sinal tiver picos de impulso na tensão, levando à saturação dos transistores, harmônicos mais altos (até o 11º) aparecerão em torno de cada harmônico “padrão” do sinal de saída. Isso causa o fenômeno do chamado som transistorizado ou metálico.
Se amplificadores de potência de baixa frequência em transistores têm uma fonte de alimentação não estabilizada, então seus sinais de saída são modulados em amplitude perto da frequência da rede. Isso leva à aspereza do som na borda esquerda da resposta de frequência. Vários métodos de estabilização de tensão tornam o projeto do amplificador mais complexo.
A eficiência típica do amplificador Classe A de terminação simples não excede 20% devido ao transistor sempre ligado e ao fluxo contínuo do componente CC. Você pode fazer um amplificador push-pull classe A, a eficiência aumentará um pouco, mas as meias ondas do sinal se tornarão mais assimétricas. A transferência da cascata da classe de trabalho "A" para a classe de trabalho "AB" quadruplica a distorção não linear, embora a eficiência de seu circuito aumente.
Bamplificadores das classes "AB" e "B" aumentam a distorção à medida que o nível do sinal diminui. Você involuntariamente quer aumentar o volume desse amplificador para a sensação completa do poder e da dinâmica da música, mas muitas vezes isso não ajuda muito.
Aulas de trabalho intermediário
A classe de trabalho "A" tem uma variação - classe "A+". Neste caso, os transistores de entrada de baixa tensão do amplificador desta classe operam na classe "A", e os transistores de saída de alta tensão do amplificador, quando seus sinais de entrada ultrapassam um determinado nível, entram nas classes "B" ou "AB". A eficiência de tais cascatas é melhor do que na classe pura "A", e a distorção não linear é menor (até 0,003%). No entanto, eles também soam "metálicos" devido à presença de harmônicos mais altos no sinal de saída.
Amplificadores de outra classe - "AA" têm grau ainda menor de distorção não linear - cerca de 0,0005%, mas harmônicos mais altos também estão presentes.
Retornar ao amplificador transistorizado Classe A?
Hoje, muitos especialistas na área de reprodução de som de alta qualidade defendem o retorno aos amplificadores valvulados, pois o nível de distorção não linear e harmônicos mais altos introduzidos por eles no sinal de saída é obviamente menor que o dos transistores. No entanto, essas vantagens são amplamente compensadas pela necessidade de um transformador correspondente entre o estágio de saída do tubo de alta impedância e os alto-falantes de baixa impedância. No entanto, um amplificador transistorizado simples pode ser feito com uma saída de transformador conforme mostrado abaixo.
Há também um ponto de vista de que apenas um amplificador híbrido valvulado-transistor pode fornecer a melhor qualidade de som, todos os estágios dos quais são single-ended, não cobertos por feedback negativo e funcionam na classe "A". Ou seja, tal seguidor de potência é um amplificador em um único transistor. Seu esquema pode ter a máxima eficiência alcançável (na classe "A") não superior a 50%. Mas nem a potência nem a eficiência do amplificador são indicadores da qualidade da reprodução do som. Ao mesmo tempo, a qualidade e linearidade das características de todos os EREs no circuito são de particular importância.
Como os circuitos de terminação única obtêm essa perspectiva, veremos suas opções abaixo.
Amplificador de transistor único de terminação simples
Seu circuito, feito com emissor comum e conexões R-C para sinais de entrada e saída para operação na classe "A", é mostrado na figura abaixo.
Mostra um transistor n-p-n Q1. Seu coletor é conectado ao terminal positivo +Vcc por meio de um resistor limitador de corrente R3, e seu emissor é conectado a -Vcc. O amplificador transistorizado p-n-p terá o mesmo circuito, mas os fios da fonte de alimentação serão invertidos.
C1 é um capacitor de desacoplamento que separa a fonte de entrada CA da fonte de tensão CC Vcc. Ao mesmo tempo, C1 não impede a passagem de uma corrente de entrada alternada através da junção base-emissor do transistor Q1. Resistores R1 e R2 juntamente com resistênciaa transição "E - B" forma um divisor de tensão Vcc para selecionar o ponto de operação do transistor Q1 em modo estático. Típico para este circuito é o valor de R2=1 kOhm, e a posição do ponto de operação é Vcc/2. R3 é um resistor de carga do circuito coletor e é usado para criar um sinal de saída de tensão variável no coletor.
Assuma que Vcc=20 V, R2=1 kOhm, e o ganho de corrente h=150. Selecionamos a tensão no emissor Ve=9 V, e a queda de tensão na transição "A - B" é tomado igual a Vbe=0,7 V. Este valor corresponde ao chamado transistor de silício. Se estivéssemos considerando um amplificador baseado em transistores de germânio, então a queda de tensão na junção aberta "E - B" seria Vbe=0,3 V.
Corrente do emissor, aproximadamente igual à corrente do coletor
Ie=9 V/1 kΩ=9 mA ≈ Ic.
Corrente de base Ib=Ic/h=9mA/150=60uA.
Queda de tensão no 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 é necessário para criar um circuito para a passagem da componente variável da corrente do emissor (na verdade a corrente do coletor). Se não estivesse lá, então o resistor R2 limitaria severamente o componente variável, de modo que o amplificador de transistor bipolar em questão teria um baixo ganho de corrente.
Em nossos cálculos, assumimos que Ic=Ib h, onde Ib é a corrente de base que flui para ele do emissor e surge quando uma tensão de polarização é aplicada à base. No entanto, através da base sempre (com e sem deslocamento)há também uma corrente de fuga do coletor Icb0. Portanto, a corrente de coletor real é Ic=Ib h + Icb0 h, ou seja, a corrente de fuga no circuito com OE é amplificada em 150 vezes. Se estivéssemos considerando um amplificador baseado em transistores de germânio, essa circunstância teria que ser levada em consideração nos cálculos. O fato é que os transistores de germânio têm um Icb0 significativo da ordem de vários μA. No silício, é três ordens de grandeza menor (cerca de alguns nA), então geralmente é negligenciado nos cálculos.
Amplificador transistorizado MIS de terminação simples
Como qualquer amplificador transistorizado de efeito de campo, o circuito em questão tem seu análogo entre os amplificadores transistorizados bipolares. Portanto, considere um análogo do circuito anterior com um emissor comum. É feito com uma fonte comum e conexões R-C para sinais de entrada e saída para operação na classe "A" e é mostrado na figura abaixo.
Aqui C1 é o mesmo capacitor de desacoplamento, por meio do qual a fonte de entrada CA é separada da fonte de tensão CC Vdd. Como você sabe, qualquer amplificador de transistor de efeito de campo deve ter o potencial de porta de seus transistores MOS abaixo dos potenciais de suas fontes. Neste circuito, a porta é aterrada por R1, que é tipicamente de alta resistência (100 kΩ a 1 MΩ) para que não desvie o sinal de entrada. Praticamente não há corrente através de R1, então o potencial da porta na ausência de um sinal de entrada é igual ao potencial do terra. O potencial da fonte é maior que o potencial do terra devido à queda de tensão no resistor R2. EntãoAssim, o potencial da porta é menor que o potencial da fonte, o que é necessário para a operação normal de Q1. O capacitor C2 e o resistor R3 têm a mesma finalidade do circuito anterior. Como este é um circuito de fonte comum, os sinais de entrada e saída estão fora de fase em 180°.
Amplificador de saída do transformador
O terceiro amplificador transistorizado simples de estágio único, mostrado na figura abaixo, também é feito de acordo com o circuito emissor comum para operação na classe "A", mas é conectado a um alto-falante de baixa impedância através de um transformador.
O enrolamento primário do transformador T1 é a carga do circuito coletor do transistor Q1 e desenvolve um sinal de saída. T1 envia o sinal de saída para o alto-falante e garante que a impedância de saída do transistor corresponda à impedância baixa (na ordem de alguns ohms).
O divisor de tensão da fonte de alimentação do coletor Vcc, montado nos resistores R1 e R3, permite a escolha do ponto de operação do transistor Q1 (fornecendo uma tensão de polarização à sua base). A finalidade dos demais elementos do amplificador é a mesma dos circuitos anteriores.
Amplificador de áudio push-pull
O amplificador de baixa frequência push-pull de dois transistores divide o sinal de áudio de entrada em duas meias ondas fora de fase, cada uma das quais é amplificada por seu próprio estágio de transistor. Depois que essa amplificação é realizada, as meias-ondas são combinadas em um sinal harmônico completo, que é transmitido ao sistema de alto-falantes. Essa transformação de baixa frequênciasinal (divisão e refusão), é claro, causa distorção irreversível nele, devido à diferença de frequência e propriedades dinâmicas dos dois transistores do circuito. Esta distorção reduz a qualidade do som na saída do amplificador.
Os amplificadores push-pull operando na classe "A" não reproduzem suficientemente bem sinais de áudio complexos, pois uma corrente constante aumentada flui constantemente em seus braços. Isso leva à assimetria das meias ondas do sinal, distorções de fase e, em última análise, à perda da inteligibilidade do som. Quando aquecidos, dois transistores potentes dobram a distorção do sinal nas frequências baixas e infra-baixas. Mas ainda assim, a principal vantagem do circuito push-pull é sua eficiência aceitável e maior potência de saída.
O circuito amplificador de potência de transistor push-pull é mostrado na figura.
Este é um amplificador classe "A", mas classe "AB" e até mesmo "B" também podem ser usados.
Amplificador de potência a transistor sem transformador
Transformers, apesar do progresso em sua miniaturização, ainda são os ERE mais volumosos, pesados e caros. Portanto, foi encontrada uma maneira de eliminar o transformador do circuito push-pull, executando-o em dois poderosos transistores complementares de diferentes tipos (n-p-n e p-n-p). A maioria dos amplificadores de potência modernos usam este princípio e são projetados para operar na classe "B". O circuito de tal amplificador de potência é mostrado na figura abaixo.
Ambos seus transistores são conectados de acordo com um circuito coletor comum (seguidor de emissor). Portanto, o circuito transfere a tensão de entrada para a saída sem amplificação. Se não houver sinal de entrada, ambos os transistores estão na fronteira do estado ligado, mas estão desligados.
Quando um sinal harmônico é recebido, sua meia onda positiva abre TR1, mas coloca o transistor p-n-p TR2 em modo de corte total. Assim, apenas a meia onda positiva da corrente amplificada flui através da carga. A meia onda negativa do sinal de entrada abre apenas TR2 e desliga TR1, de modo que a meia onda negativa da corrente amplificada é fornecida à carga. Como resultado, um sinal senoidal amplificado de potência total (devido à amplificação de corrente) é entregue à carga.
Amplificador de transistor único
Para assimilar o acima, vamos montar um amplificador transistorizado simples com nossas próprias mãos e descobrir como ele funciona.
Como carga de um transistor de baixa potência T do tipo BC107, ligamos fones de ouvido com uma resistência de 2-3 kOhm, aplicamos a tensão de polarização à base de um resistor de alta resistência Rde 1 MΩ, ligamos o capacitor eletrolítico de desacoplamento C com capacidade de 10 μF a 100 μF no circuito base T. Alimentaremos o circuito a partir de uma bateria de 4,5 V / 0,3 A.
Se o resistor R não estiver conectado, então não há corrente de base Ib nem corrente de coletor Ic. Se o resistor estiver conectado, a tensão na base aumentará para 0,7 V e uma corrente Ib \u003d 4 μA fluirá através dele. Coeficienteo ganho de corrente do transistor é 250, o que dá Ic=250Ib=1 mA.
Tendo montado um amplificador transistorizado simples com nossas próprias mãos, agora podemos testá-lo. Conecte os fones de ouvido e coloque o dedo no ponto 1 do diagrama. Você vai ouvir um barulho. Seu corpo percebe a radiação da rede elétrica a uma frequência de 50 Hz. O ruído que você ouve dos fones de ouvido é essa radiação, apenas amplificada pelo transistor. Vamos explicar esse processo com mais detalhes. Uma tensão CA de 50 Hz é conectada à base do transistor através do capacitor C. A tensão na base é agora igual à soma da tensão de polarização CC (aproximadamente 0,7 V) proveniente do resistor R e a tensão do dedo CA. Como resultado, a corrente do coletor recebe um componente alternado com uma frequência de 50 Hz. Essa corrente alternada é usada para mover a membrana dos alto-falantes para frente e para trás na mesma frequência, o que significa que podemos ouvir um tom de 50Hz na saída.
Ouvir o nível de ruído de 50 Hz não é muito interessante, então você pode conectar fontes de baixa frequência (CD player ou microfone) aos pontos 1 e 2 e ouvir fala ou música amplificada.
