Мощный умзч на полевых транзисторах. Простой усилитель мощности на полевых транзисторах

Введем термин «показатель качества» :

(20)

Значение М можно уяснить из рис. 12, на котором представлена типичная характеристика передачи полевого транзистора с каналом p-типа.

Наклон кривой при U з.и =0 равен S макс. Если касательную в точке U з.и =0 продолжить до пересечения с осью абсцисс, то она отсечёт на этой оси отрезок U отс /M. Это легко показать, исходя из (20):

(21)

Следовательно, М есть мера нелинейности проходной характеристики полевого транзистора. В показано, что при изготовлении полевых транзисторов диффузионным методом М = 2.

Найдём значение тока I c0 по выражению (21):

Подставив его значение в (19), получим:

Если в формуле (1) положить R i >>R н, то коэффициент усиления по напряжению для схемы с общим истоком

(23)

Подставив значение коэффициента усиления (23) в выражение (22), получим:

(24)

Из соотношения (24) можно сделать следующий вывод: при заданном напряжении питания коэффициент усиления каскада обратно пропорционален напряжению отсечки полевого транзистора. Так, для полевых транзисторов, изготовленных методом диффузии, М = 2 и при U отс1 = 1,5 В (КП103Е), U отс2 =7 В (КП103М), напряжении питания 12,6 В и U c = 7 В коэффициенты усиления каскадов равны соответственно 7,5 и 1,6. Коэффициент усиления каскада с ПТ1 возрастает ещё больше, если за счёт увеличения сопротивления нагрузки R н уменьшить U с до 1,6 В. Следует отметить, что в этом случае при неизменном напряжении питания Е п транзистор с малой крутизной может обеспечить больший коэффициент усиления по напряжению, чем транзистор с большей крутизной (за счёт большего сопротивления нагрузки).

В случае малого сопротивления нагрузки Rн желательно использовать полевые транзисторы с большим напряжением отсечки для получения большего коэффициента усиления (за счёт увеличения S).

У транзисторов с низким напряжением отсечки изменение тока стока от температуры много меньше, чем у транзисторов с большим напряжением отсечки, и поэтому требования к стабилизации рабочей точки ниже. При смещениях на затворе, задающих нулевой температурный коэффициент изменения тока стока, у транзисторов с меньшим напряжением отсечки ток стока выше, чем у транзистора с более высоким напряжением отсечки. Кроме того, поскольку напряжение смещения на затворе (при нулевом температурном коэффициенте) у второго транзистора больше, то транзистор будет работать в режиме, при котором сильнее сказывается нелинейность его характеристик .

При заданном напряжении питания полевые транзисторы с низким напряжением отсечки позволяют получить больший динамический диапазон. Например, из двух транзисторов, имеющих напряжение отсечки 0,8 и 5 В при напряжении питания 15 В и максимальном сопротивлении нагрузки, рассчитываемом из соотношения (18), на выходе первого можно получить удвоенную амплитуду выходного сигнала (определяемую как разницу между Е п и U отс), равную 14,2 В, в то время как во втором - лишь 10 В. Различие в усилении будет еще более наглядным, если Е п уменьшить. Так, если напряжение питания снизить до 5 В, то удвоенная амплитуда выходного напряжения первого транзистора будет составлять 4,2 В, второй же транзистор использовать для этих целей практически невозможно .

НЕЛИНЕЙНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ В УСИЛИТЕЛЯХ

Величина нелинейных искажений, возникающих в усилителях на ПТ, определяется многими параметрами схемы: смещением, рабочим напряжением, сопротивлением нагрузки, уровнем входного сигнала, характеристиками полевых транзисторов.

При подаче на вход усилителя с общим истоком синусоидального напряжения U 1 sinωt мгновенное значение полного напряжения в цепи затвор - исток можно записать

U з.и = E см + U 1 sinωt

где E см - напряжение внешнего смещения, поданного на затвор.

Учитывая квадратичную зависимость тока стока от напряжения на затворе (1), мгновенное значение i c будет равно:

(24а)

Раскрыв скобки в уравнении (24а), получим развернутое выражение для тока стока:

Из выражения (24б) видно, что в выходном сигнале наряду с постоянной составляющей и первой гармоникой содержится вторая гармоника частоты входного сигнала.

Нелинейные искажения определяются отношением среднеквадратичного значения всех гармоник к среднеквадратичному значению основной гармоники в выходном сигнале. Используя это определение, из выражения (24б) найдем коэффициент гармоник, выразив (E см -U отс) через I с0 :

(24в)

Выражение (24в) даёт лишь приблизительный результат, поскольку реальные проходные характеристики ПТ отличаются от описываемых выражением (1).

Для достижения минимальных нелинейных искажений необходимо :

Поддерживать значение U с.и достаточно большим для того, чтобы при максимальном перепаде выходного сигнала соблюдалось условие

U с.и ≥(1.5...3)U отс

Не работать при напряжениях затвор - сток, близких к пробою;
- сопротивление нагрузки выбирать достаточно большим.

На рис. 16, в приведена схема, в которой полевой транзистор работает с большим R н, чем обеспечиваются малые искажения и высокое усиление. В качестве сопротивления нагрузки здесь используется второй полевой транзистор Т2. Эта схема обеспечивает коэффициент усиления по напряжению порядка 40 дБ при Е пит =9 В.

Выбор типа ПТ, обеспечивающего наименьшие искажения, зависит от уровня входного сигнала, напряжения питания и требуемой полосы пропускания. При большом уровне выходного сигнала и значительной полосе пропускания желательны ПТ с большим U отс. При малом уровне входного сигнала или низком напряжении питания предпочтительны ПТ с малым U отс.

СТАБИЛИЗАЦИЯ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ

Коэффициент усиления УНЧ на ПТ, как и на других активных элементах, подвержен влиянию различных дестабилизирующих факторов, под действием которых он изменяет свое значение. Один из таких факторов - изменение окружающей температуры. Для борьбы с этими явлениями в основном применяются те же методы, что и в схемах на биполярных транзисторах: используют отрицательную обратную связь как по току, так и по напряжению, охватывающую один или несколько каскадов, вводят в схему температурно-зависимые элементы.

В полевом транзисторе с p-n-переходом под действием температуры изменяется по экспоненциальному закону ток обратносмещенного затвора, изменяются ток стока и крутизна.

Воздействие изменения тока затвора I з на коэффициент усиления можно ослабить, уменьшая сопротивление резистора R з в цепи затвора. Для уменьшения влияния изменений тока стока, как и в случае применения биполярных транзисторов, может использоваться отрицательная обратная связь по постоянному току (рис. 13,а).

Рассмотрим более подробно некоторые способы уменьшения влияния на коэффициент усиления изменений крутизны S.

В режиме усиления слабых сигналов коэффициент усиления некомпенсированного каскада на полевом транзисторе падает при повышении температуры. Например, коэффициент усиления схемы на рис. 13, а, равный 13,5 при 20° С, уменьшается до 12 при +60° С. Это уменьшение обусловлено в первую очередь температурным изменением крутизны полевого транзистора. Параметры смещения, такие как ток стока I с, напряжение между затвором и истоком U з.и и напряжение между истоком и стоком U c.и изменяются незначительно благодаря существующей обратной связи по постоянному току.

Рис. 13. Схемы усилителей со стабилизацией коэффициента усиления.

а - некомпенсированный каскад; б - компенсированный каскад усиления; в - компенсированный каскад усиления с ООС; г -переходная характеристика.

Включив несколько обычных диодов в цепь отрицательной обратной связи между затвором и истоком (рис. 13, б), можно стабилизировать коэффициент усиления усилителя без введения дополнительных каскадов. При увеличении температуры снижается прямое напряжение каждого диода, что в свою очередь приводит к уменьшению напряжения U з.и.

Экспериментально показано , что результирующее изменение напряжения перемещает рабочую точку таким образом, что крутизна S относительно стабильна в определенных пределах изменения температуры (рис. 13, г). Например, коэффициент усиления усилителя по схеме рис. 13, б, равный 11, практически сохраняет своё значение в пределах изменения температуры 20-60° С (К и изменяется всего на 1%).

Введение отрицательной обратной связи между затвором и истоком (рис. 13, в) уменьшает коэффициент усиления, но обеспечивает лучшую стабильность. Коэффициент усиления усилителя по схеме рис. 13, в, равный 9, практически не изменяется при изменении температуры от 20 до 60°.

Путём тщательного выбора рабочей точки и количества диодов можно стабилизировать коэффициент усиления с точностью 1% в диапазоне до 100° С .

УМЕНЬШЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ВХОДНОЙ ЁМКОСТИ ПТ НА ЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА УСИЛИТЕЛЕЙ

Для истокового повторителя, изображенного на рис. 11, а, по его эквивалентной схеме (рис. 11, б) постоянную времени входной цепи можно определить с достаточной для практических расчётов точностью следующим образом:

τ вх = R г [С г + С з.с + С з.и (1 - К и)], (25)

где R г и С г - параметры источника сигнала.

Из выражения (25) видно, что постоянная времени входной цепи находится в прямой зависимости от ёмкостей С з.с и С з.и, причём ёмкость Сз.и за счет влияния ООС уменьшена в (1-К и) раз.

Однако получение коэффициента усиления по напряжению, близкого к единице (с целью устранения влияния ёмкости С з.и), в схеме обычного истокового повторителя сопряжено с трудностями, связанными с малым пробивным напряжением полевого транзистора. Так, чтобы на полевом транзисторе КП102Е с максимальным током стока I с0 =0,5 мА, максимальной крутизной 0,7 мА/В получить коэффициент усиления по напряжению 0,98, необходимо использовать сопротивление R н =65 кОм. При I с0 = 0,5 мА падение напряжения на сопротивление R н составит около 32,5 В, а напряжение питания должно быть, как минимум, больше этого напряжения на величину U отс, т. е. E п =35 В.

Чтобы избежать необходимости использования высокого напряжения питания для получения коэффициента усиления, близкого к единице, на практике часто применяют схемы комбинированных повторителей на полевых и биполярных транзисторах.

На рис. 14, а изображена комбинированная схема как по типу применяемых в ней транзисторов, так и по схеме их соединения, носящая название истокового повторителя со следящей связью . Сток полевого транзистора Т1 подсоединён к базе биполярного транзистора Т2, с коллектора которого сигнал подаётся на истоковый вывод полевого транзистора в противофазе с входным сигналом. Подбором резисторов R5 и R6 можно напряжение сигнала на истоке получить равным входному напряжению, тем самым устраняя влияние ёмкости С з.и.

Резистор R1 установленный в цепи смещения затвора, присоединён к истоку транзистора Т1 через конденсатор С2 большой ёмкости. Эффективное сопротивление в цепи смещения определяется сопротивлением резистора R 1 и коэффициентом обратной связи , так что

(35)

где U и - амплитуда сигнала на истоке транзистора Т1.

Рис. 14. Схемы усилителей с уменьшенной входной ёмкостью.

а - истоковый повторитель со следящей связью; б - с уменьшенной ёмкостью С з.с; в - истоковый повторитель с динамической нагрузкой.

При больших значениях β биполярного транзистора Т2 коэффициент усиления схемы приблизительно можно оценить следующим выражением:

(36)

Если усилитель предназначен для работы на низких частотах, то резистор R6 можно зашунтировать конденсатором С3 (на рис. 14, а показан пунктиром); при этом верхний частотный предел определяется выражением

(37)

Выше был рассмотрен метод уменьшения влияния ёмкости затвор - исток С з.и на частотную характеристику усилителя путем получения у истокового повторителя коэффициента усиления, близкого к единице. Влияние ёмкости С з.с при этом оставалось неизменным.

Дальнейшее улучшение частотных характеристик усилителей может быть достигнуто за счет ослабления статической ёмкости затвор - сток во входной цепи схемы.

Чтобы уменьшить влияние ёмкости между затвором и стоком, можно применить способ, аналогичный описанному выше для снижения влияния ёмкости С з.и, т. е. уменьшить напряжение сигнала на ёмкости. В схеме, показанной на рис. 14, б , влияние ёмкости С з.с снижено настолько, что входная ёмкость каскада почти полностью определяется расположением деталей в схеме и ёмкостью монтажа.

Первый каскад на транзисторе T1 имеет малую нагрузку в цепи стока и для сигнала, снимаемого с истока, является истоковым повторителем. Выходной сигнал подается на каскад с общим коллектором, в котором используется биполярный транзистор.

Для снижения влияния ёмкости С з.с сигнал с выходного каскада (эмиттерного повторителя) подается через конденсатор С2 на сток транзистора T1 в фазе с входным сигналом. Для повышения эффекта компенсации необходимо принять меры для увеличения коэффициента передачи первого каскада. Это достигается подачей на резистор смещения R3 сигнала с эмиттерного повторителя. В итоге подаваемое на сток напряжение становится больше, а отрицательная обратная связь - действеннее. Кроме того, повышение коэффициента передачи первого каскада дополнительно уменьшает влияние ёмкости С з.и.

Если не использовать перечисленные методы снижения ёмкости затвора, то входная ёмкость, как правило, довольно значительна (у транзистора КП103 составляет 20-25 пФ). В результате удается снизить входную ёмкость до 0,4-1 пФ.

Истоковый повторитель с динамической нагрузкой (По материалам Ю. И. Глушкова и В. Н. Семенова), охваченный следящей обратной связью на сток, изображен на рис. 14, в. С помощью такой схемы удается исключить влияние статического коэффициента усиления полевого транзистора μ на коэффициент передачи истокового повторителя, а также уменьшить ёмкость С з.с. Транзистор Т2 выполняет роль генератора стабильного тока, задавая ток в цепи истока полевого транзистора Т1. Транзистор Т3 является динамической нагрузкой в цепи стока полевого транзистора но переменному току. Параметры истокового повторителя:

ЭКОНОМИЧНЫЕ УНЧ

Перед разработчиком иногда встает задача создания экономичных усилителей низкой частоты, работающих от низковольтного источника питания. В таких усилителях могут быть использованы полевые транзисторы с малыми напряжением отсечки U отс и током насыщения I с0 ; эти схемы имеют несомненные преимущества перед ламповыми и схемами на биполярных транзисторах.

Выбор рабочей точки в экономичных усилителях на полевых транзисторах определяется исходя из условия получения минимальной рассеиваемой мощности. Для этого напряжение смещения U з.и выбирается почти равным напряжению отсечки, при этом ток стока стремится к нулю. Такой режим обеспечивает минимальный нагрев транзистора, что приводит к малым токам утечки затвора и высокому входному сопротивлению. Необходимый коэффициент усиления при малых токах стока достигается увеличением сопротивления нагрузки.

В экономичных усилителях низкой частоты широко применяется схема каскада, изображенного на рис. 10, б. В этой схеме напряжение смещения образуется на сопротивлении в цепи истока, что создает отрицательную обратную связь по току, стабилизирующую режим от влияния колебаний температуры и разброса параметров.

Можно предложить следующий порядок расчета экономичных каскадов УНЧ, выполненных по рис. 10, б.

1. Исходя из условия получения минимальной рассеиваемой мощности, выбираем полевой транзистор с малыми напряжением отсечки U отс и током насыщения I с0 .
2. Выбираем рабочую точку полевого транзистора по току I c (единицы - десятки микроампер).
3. Учитывая, что при напряжении смещения, близком к напряжению отсечки, ток стока можно приблизительно определить по выражению

Rc ≈ U отс /R и (38)

сопротивление в цепи истока

Rи ≈ U отс /I и (39)

4. Исходя из необходимого коэффициента усиления, находим R н. Так как коэффициент усиления

(40)

то, пренебрегая шунтирующим действием дифференциального сопротивления сток-исток R i и подставляя вместо S её значение, полученное путем дифференцирования выражения для тока стока в (40), получаем:

(41)

Из последнего выражения находим необходимое сопротивление нагрузки:

(42)

На этом расчет усилителя заканчивается и в процессе регулировки лишь уточняются номиналы резисторов R н и R и.

На рис. 15 приведена практическая схема экономичного усилителя низкой частоты , работающего от ёмкостного датчика (например, от пьезокерамического гидрофона).

Благодаря малому току смещения выходного усилителя, состоящего из двух транзисторов Т2 и Т3, мощность рассеяния всего предварительного усилителя составляет 13 мкВт. Предварительный усилитель потребляет ток 10 мкА при напряжении питания 1,35 В.

Рис. 15. Принципиальная схема экономичного усилителя.

Входное сопротивление предварительного усилителя определяется сопротивлением резистора R1. Собственно входным сопротивлением полевого транзистора можно пренебречь, поскольку оно на порядок больше сопротивления резистора R1.

В режиме малых сигналов входной каскад предварительного усилителя эквивалентен схеме с общим истоком, в то время как цепи смещения выполнены как в схеме истокового повторителя.

Используемый в данной схеме полевой транзистор должен иметь небольшое напряжение отсечки Uотс и малый ток стока I с0 при напряжении на затворе U з.и =0.

Проводимость канала полевого транзистора T1 зависит от тока стока, и так как последний незначителен, то и проводимость мала. Поэтому выходное сопротивление схемы с общим истоком определяется сопротивлением резистора R2. По данным выходное сопротивление усилителя 4 кОм, коэффициент усиления по напряжению равен 5 (14 дБ).

КАСКАДЫ УНЧ С ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЗКОЙ

Полевые транзисторы позволяют легко реализовать схемы усилителей низкой частоты с динамической нагрузкой. По сравнению с реостатным каскадом усиления, у которого сопротивление нагрузки постоянно, усилитель с динамической нагрузкой имеет больший коэффициент усиления по напряжению.

Принципиальная схема усилителя с динамической нагрузкой приведена на рис. 16, а.

В качестве динамического сопротивления стоковой нагрузки полевого транзистора Т1 используется активный элемент - полевой транзистор Т2, внутреннее сопротивление которого зависит от амплитуды сигнала на стоке транзистора Т1. Транзистор Т1 включён по схеме с общим истоком, а Т2 - по схеме с общим стоком. По постоянному току оба транзистора включены последовательно.

Рис. 16. Принципиальные схемы усилителей с динамической нагрузкой.

а - на двух ПТ; б - на ПТ и биполярном транзисторе; в - с минимальным количеством деталей.

Входной сигнал U вх подается на затвор полевого транзистора Т1, а снимается с истока транзистора Т2.

Каскад усиления (рис. 16, а) может служить в качестве типового при построении многокаскадных усилителей. При использовании полевых транзисторов типа КП103Ж каскад имеет следующие параметры:

Следует отметить, что при использовании полевых транзисторов с малым напряжением отсечки можно получить больший коэффициент усиления по напряжению, чем при использовании полевых транзисторов с большим напряжением отсечки. Это объясняется тем, что у ПТ с малым напряжением отсечки внутреннее (динамическое) сопротивление больше, чем у ПТ с большим напряжением отсечки.

В качестве динамического сопротивления можно использовать и обычный биполярный транзистор. При этом коэффициент усиления по напряжению получается даже несколько выше, чем при использовании в динамической нагрузке полевого транзистора (за счёт большего R i). Но в этом случае увеличивается количество деталей, необходимых для построения каскада усиления с динамической нагрузкой. Принципиальная схема такого каскада изображена на рис. 16, б, причем параметры его близки к параметрам предыдущего усилителя, изображенного на рис. 16, а.

Усилители с динамической нагрузкой следует использовать для получения большого коэффициента усиления в малошумящих УНЧ с низким напряжением питания.

На рис. 16, в изображен усилительный каскад с динамической нагрузкой, в котором число деталей сведено к минимуму, причем эта схема обеспечивает коэффициент усиления до 40 дБ при малом уровне шума. Усиление по напряжению для этой схемы можно выразить формулой

(43)

где S макс1 - крутизна транзистора Т1; R i1 , R i2 - динамические сопротивления транзисторов Т1 и Т2 соответственно.

УНЧ НА МИКРОСХЕМАХ

Микросхема типа К2УЭ841 - одна из первых линейных микросхем, освоенных нашей промышленностью. Она представляет собой двухкаскадный усилитель с глубокой отрицательной обратной связью (повторитель), собранный на полевых транзисторах . Микросхемы этого типа нашли широкое применение в качестве входных каскадов чувствительных широкополосных усилителей, в качестве выносных каскадов при передаче сигналов через кабель, в схемах активных фильтров и других схемах, требующих высокое входное и малое выходное сопротивления и стабильный коэффициент передачи.

Принципиальная электрическая схема такого усилителя изображена на рис. 17, а; способы включения микросхемы - на рис. 17, б, в, г.

Резистор R3 введён в схему для защиты выходного транзистора от перегрузок при коротких замыканиях на выходе. Небольшим уменьшением обратной связи (на рис. 17, в R oс показано пунктиром) можно получать коэффициент передачи, равный единице или несколько больше.

Входное сопротивление повторителей можно значительно увеличить (в 10-100 раз), если осуществить посредством конденсатора С обратную связь в цепь затвора (показано пунктиром на рис. 17, в). При этом входное сопротивление повторителя приблизительно равно:

R вх =R з /(1-К и),

где К и - коэффициент передачи повторителя.

Основные электрические, параметры повторителя следующие:

Промышленностью освоен выпуск гибридных пленочных микросхем серии К226, представляющих собой малошумщцие усилители низкой частоты с полевым транзистором на входе. Их основное назначение - усиление слабых сигналов переменного тока от датчиков с высоким внутренним сопротивлением.

Рис. 17. Микросхема К24Э841.

а - принципиальная схема; б - схема с одним источником питания напряжением 12,6 В; в - схема с двумя источниками питания напряжением +-6,3 В; г - схема с одним источником питания напряжением -6,3 В.

Микросхемы выполнены на ситалловой подложке по гибриднопленочной технологии с применением полевых и биполярных бескорпусных транзисторов.

Микросхемы усилителей низкой частоты разделяются на группы по коэффициенту усиления и уровню шумов (табл. 1). Внешний вид и габаритные размеры представлены на рис. 18.

Принципиальные электрические схемы усилителей приведены на рис. 19, а, б и 20, а, б, а их схемы включения - на рис. 21, а, г. При включении микросхем по схемам рис. 21, а и в входное сопротивление усилителей равно сопротивлению внешнего резистора R i . Для повышения входного сопротивления (до 30 МОм и более) необходимо использовать схемы рис. 21,6, г.

Таблица 1

Рис. 18. Внешний вид и габаритные размеры микросхем К2УС261-К2УС265.

Основные электрические параметры микросхем К2УС261 и К2УС262:

Рис. 19. Принципиальные схемы усилителей.

а - К2УС261; б - К2УС262.

Рис. 20. Принципиальные схемы усилителей.

а - К2УС263; б - К2УС264 (все диоды типа КД910Б).

Основные электрические параметры микросхем К2УС263 и К2УС264:

Рис. 21. Схемы включения усилителей.

Рекомендации по применению микросхем. Частотная зависимость и граничная частота по уровню 0,7 В в области нижних частот при достаточно большой постоянной времени входной цепи определяется внешним конденсатором фильтра отрицательной обратной связи С2 и сопротивлением резистора цепи обратной связи R о.с в соответствии с соотношениями:

Пиковые напряжения на входе микросхем К2УС261, К2УС262 не должны превышать 1 В для положительной полярности и 3 В для отрицательной; на входе микросхем К2УС263, К.2УС264 - не более 2 В для положительной полярности и не более 1 В - для отрицательной.

Сопротивление утечки R1 для входного тока в диапазоне рабочих температур -60 до +70° С не должно превышать 3 МОм. В диапазоне более низких максимальных температур или при снижении требований к значению выходного напряжения сопротивление резистора R1 может быть увеличено с целью повышения входного сопротивления каскада.

Ток утечки входного разделительного конденсатора С1 не должен превышать 0,06 мкА.

Для сохранения максимального выходного напряжения ток утечки конденсатора С2 в диапазоне рабочих температур не должен превышать 20 мкА. Этому требованию удовлетворяет конденсатор типа К52-1А ёмкостью 470 мкФ, ток утечки которого не превышает при данных напряжениях 10 мкА.

ПРАКТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЕЙ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Обычно полевые транзисторы используются в усилителях совместно с биполярными транзисторами, но их можно также применять и в качестве активных приборов в многокаскадных усилителях звуковой частоты с резистивно-ёмкостной связью. На рис. 22 приведён пример использования полевых транзисторов в схеме RC-усилителя. Схема этого усилителя использовалась для записи звуковых сигналов моря. Сигнал на вход усилителя снимался с пьезокерамического гидрофона Г, а нагрузкой усилителя служил кабель типа КВД4x1.5 длиной 500 м.

Входной каскад усилителя выполнен на полевом транзисторе типа КП103Ж с минимальным коэффициентом шума. Для этой же цели (уменьшения шумов) два первых каскада питаются пониженным напряжением, получаемым с помощью параметрического стабилизатора Д1R8. Благодаря этим мерам уровень шумов, приведённых ко входу, в полосе частот 4 Гц-20 кГц составлял 1,5-2 мкВ.

Для корректировки частотной характеристики усилителя в области высших частот параллельно резисторам R6 и R10 можно подключить соответствующие корректирующие конденсаторы.

Для согласования высокого выходного сопротивления усилителя с низкоомной нагрузкой (кабелем) служит повторитель напряжения на транзисторах Т4, Т5, представляющий собой двухкаскадный усилитель с непосредственной связью. Для устранения шунтирующего действия резисторов смещения R11, R12 вводится положительная обратная связь по переменному току через цепочку R13, С6. Расчётное значение выходного сопротивления такого повторителя 10 Ом.

Для проверки работоспособности и коэффициента усиления усилителя служит генератор калибровки, собранный по схеме симметричного мультивибратора. Генератор калибровки выдает прямоугольные стабилизированные по амплитуде с помощью стабилитронов Д2-Д5 типа Д808 импульсы частотой 85 Гц, которые в момент включения калибратора подаются через гидрофон на вход усилителя. С помощью делителя напряжения на резисторах R16, R17 амплитуда импульсов устанавливалась равной 1 мВ.

Несмотря на простоту схемы усилителя коэффициент усиления изменяется незначительно (около 2%) при изменении окружающей температуры в диапазоне 0-40° С, причём коэффициент усиления при комнатной температуре 20° С был равен 150.

Рис. 22. Принципиальная схема гидроакустического усилителя.

Если же выходное сопротивление первого каскада на полевом транзисторе удается понизить настолько, что становится возможным применение в последующих каскадах обычных биполярнымх транзисторов, то использовать для дальнейшего усиления полевые транзисторы не экономично. В этих случаях применяются усилители, использующие полевые и биполярные транзисторы.

На рис. 23 изображена принципиальная схема усилителя низкой частоты на полевом и биполярном транзисторах, обладающего близкими по отношению к трёхкаскадному RС-усилителю на полевых транзисторах (рис. 22) параметрами. Так, при коэффициенте усиления, равном 150, частотной характеристике по уровню 0,7 от 20 Гц до 100 кГц значение максимального выходного неискаженного сигнала на R н = 3 кОм равно 2 В.

Полевой транзистор Т1 (рис. 23) включён по схеме с общим истоком, а биполярный - по схеме с общим эмиттером. Для стабилизации рабочих характеристик усилитель охвачен отрицательной обратной связью по постоянному току.

На рис. 24 изображена схема усилителя низкой частоты с непосредственными связями, разработанная В. Н. Семеновым и В. Г. Федориным, предназначенного для усиления слабых сигналов от источников с высоким входным сопротивлением. Усилитель не содержит разделительных конденсаторов, поэтому габариты его могут быть малыми.

Параметры усилителя следующие:

Схема представляет собой УПТ со 100%-ной обратной связью по постоянному току; за счёт этого достигается минимум дрейфа и стабильность режимов. Обратная связь по постоянному току вводится через фильтр нижних частот, поэтому нижняя граничная частота усилителя определяется параметрами этого фильтра.

Для стабилизации коэффициента усиления используется отрицательная обратная связь на частоте сигнала глубиной около 20 дБ. Усиление зависит от глубины обратной связи.

Рис. 23. Принципиальная схема УНЧ на полевом и биполярном транзисторах.

Рис. 24. Принципиальная схема УНЧ с непосредственными связями.

Применение обратных связей делает усилитель некритичным к изменению напряжения питания и разбросу параметров транзисторов и всех деталей, кроме R10 и R11. К особенностям схемы можно отнести то, что транзисторы Т3 и Т4 работают с напряжениями U б.э, равными U к.э.

Высокое входное сопротивление усилителя достигается благодаря применению полевых транзисторов. На нижних частотах оно будет определяться сопротивлением резистора R1, на верхних - входной ёмкостью схемы.

А.Г. Милехин

Литература:

1. Полевые транзисторы. Физика, технология и применение. Пер. с англ. под ред. А. Майорова. М., "Советское радио", 1971.
2. Севин Л. Полевые транзисторы. М., «Советское радио», 1968.
3. Малин В. В.‚ Сонин М. С. Параметры и свойства полевых транзисторов. М., «Энергия», 1967.
4. Шервин В. Причины искажений в усилителях на полевых транзнсторах. - "Электроника"‚ 1966, №25.
5. Даунс Р. Экономичный предварительный усилитель. "Электроника", 1972, №5.
6. Холзман Н. Устранение выбросов посредством операционного усилителя. "Электроника", 1971, №3.
7. Гозлинг В. Применение полевых транзисторов. М., «Энергия». 1970.
8. Де Колд. Использование диодов для температурной стабилизации коэффициента усиления полевого транзистора - «Электроника», 1971, №12.
9. Гальперин М. В.‚ Злобин Ю. В.‚ Павлеико В. А. Транзнсторные усилители постоянного тока. М., «Энергия», 1972.
10. Технический каталог. «Новые приборы. Полевые транзисторы. гибридные интегральные схемы». Изд. ЦНИИ «Электроника», 74.
11. Топчилов Н. А. Гибридные линейные микросхемы с высокоомным входом - «Электронная промышленность», 1973, №9.

На рисунке показана схема 50 Вт усилителя с выходными полевыми MOSFET транзисторами.
Первый каскад усилителя представляет собой дифференциальный усилитель на транзисторах VT1 VT2.
Второй каскад усилителя состоит из транзисторов VT3 VT4. Оконечный каскад усилителя состоит из МОП-транзисторов IRF530 и IRF9530. Выход усилителя через катушку L1 соединен с нагрузкой 8 Ом.
Цепь состоящий из R15 и C5 предназначена для снижения уровня шума. Конденсаторы С6 и С7 фильтры питания. Сопротивление R6 предназначено для регулировки тока покоя.

Примечание:
Используйте двухполярный источник питания +/-35В
L1 состоит из 12 витков медного изолированного провода диаметром 1мм.
С6 и С7 должен быть рассчитан 50В, остальные электролитические конденсаторы на 16В.
Необходим радиатор для МОП-транзисторов. Размером 20x10x10 см из алюминия.
Источник — http://www.circuitstoday.com/mosfet-amplifier-circuits

• Похожие статьи

Войти с помощью:

Случайные статьи

• 19.03.2019

  За основу регуляруемого стабилизатора свята схема со траницы https://сайт/?p=57426 , схема достаточно простая и содержит минимальный набор элементов. Выходное напряжение регулируемого стабилизатора можно регулировать от 0 до 25 В при максимальном токе 3 А. Используя Arduino можно заметно расширить функционал стабилизатора, сделать индикацию и защиту по току и КЗ, добавив …

• 22.11.2014

  Описанный в статье микшер рассчитан на 3 линейных входа и 3 микрофонных входа. Микшер выполнен из общедоступных радиоэлементах. Микшер может работать с динамическими микрофонами с сопротивлением 200-1000 Ом, так же возможно применение конденсаторного микрофона, линейные входы имеют чувствительность 200 мВ. У микшере возможно приминение следующих ОУ: LM741, LF351, TL071 и NE5534. …

• Простейший усилитель на транзисторах может быть хорошим пособием для изучения свойств приборов. Схемы и конструкции достаточно простые, можно самостоятельно изготовить устройство и проверить его работу, произвести замеры всех параметров. Благодаря современным полевым транзисторам можно изготовить буквально из трех элементов миниатюрный микрофонный усилитель. И подключить его к персональному компьютеру для улучшения параметров звукозаписи. Да и собеседники при разговорах будут намного лучше и четче слышать вашу речь.

  Частотные характеристики

  Усилители низкой (звуковой) частоты имеются практически во всех бытовых приборах - музыкальных центрах, телевизорах, радиоприемниках, магнитолах и даже в персональных компьютерах. Но существуют еще усилители ВЧ на транзисторах, лампах и микросхемах. Отличие их в том, что УНЧ позволяет усилить сигнал только звуковой частоты, которая воспринимается человеческим ухом. Усилители звука на транзисторах позволяют воспроизводить сигналы с частотами в диапазоне от 20 Гц до 20000 Гц.

  Следовательно, даже простейшее устройство способно усилить сигнал в этом диапазоне. Причем делает оно это максимально равномерно. Коэффициент усиления зависит прямо от частоты входного сигнала. График зависимости этих величин - практически прямая линия. Если же на вход усилителя подать сигнал с частотой вне диапазона, качество работы и эффективность устройства быстро уменьшатся. Каскады УНЧ собираются, как правило, на транзисторах, работающих в низко- и среднечастотном диапазонах.

  Классы работы звуковых усилителей

  

  Все усилительные устройства разделяются на несколько классов, в зависимости от того, какая степень протекания в течение периода работы тока через каскад:

  1. Класс «А» - ток протекает безостановочно в течение всего периода работы усилительного каскада.
  2. В классе работы «В» протекает ток в течение половины периода.
  3. Класс «АВ» говорит о том, что ток протекает через усилительный каскад в течение времени, равного 50-100 % от периода.
  4. В режиме «С» электрический ток протекает менее чем половину периода времени работы.
  5. Режим «D» УНЧ применяется в радиолюбительской практике совсем недавно - чуть больше 50 лет. В большинстве случаев эти устройства реализуются на основе цифровых элементов и имеют очень высокий КПД - свыше 90 %.

  Наличие искажений в различных классах НЧ-усилителей

  Рабочая область транзисторного усилителя класса «А» характеризуется достаточно небольшими нелинейными искажениями. Если входящий сигнал выбрасывает импульсы с более высоким напряжением, это приводит к тому, что транзисторы насыщаются. В выходном сигнале возле каждой гармоники начинают появляться более высокие (до 10 или 11). Из-за этого появляется металлический звук, характерный только для транзисторных усилителей.

  При нестабильном питании выходной сигнал будет по амплитуде моделироваться возле частоты сети. Звук станет в левой части частотной характеристики более жестким. Но чем лучше стабилизация питания усилителя, тем сложнее становится конструкция всего устройства. УНЧ, работающие в классе «А», имеют относительно небольшой КПД - менее 20 %. Причина заключается в том, что транзистор постоянно открыт и ток через него протекает постоянно.

  

  Для повышения (правда, незначительного) КПД можно воспользоваться двухтактными схемами. Один недостаток - полуволны у выходного сигнала становятся несимметричными. Если же перевести из класса «А» в «АВ», увеличатся нелинейные искажения в 3-4 раза. Но коэффициент полезного действия всей схемы устройства все же увеличится. УНЧ классов «АВ» и «В» характеризует нарастание искажений при уменьшении уровня сигнала на входе. Но даже если прибавить громкость, это не поможет полностью избавиться от недостатков.

  Работа в промежуточных классах

  У каждого класса имеется несколько разновидностей. Например, существует класс работы усилителей «А+». В нем транзисторы на входе (низковольтные) работают в режиме «А». Но высоковольтные, устанавливаемые в выходных каскадах, работают либо в «В», либо в «АВ». Такие усилители намного экономичнее, нежели работающие в классе «А». Заметно меньшее число нелинейных искажений - не выше 0,003 %. Можно добиться и более высоких результатов, используя биполярные транзисторы. Принцип работы усилителей на этих элементах будет рассмотрен ниже.

  Но все равно имеется большое количество высших гармоник в выходном сигнале, отчего звук становится характерным металлическим. Существуют еще схемы усилителей, работающие в классе «АА». В них нелинейные искажения еще меньше - до 0,0005 %. Но главный недостаток транзисторных усилителей все равно имеется - характерный металлический звук.

  «Альтернативные» конструкции

  

  Нельзя сказать, что они альтернативные, просто некоторые специалисты, занимающиеся проектировкой и сборкой усилителей для качественного воспроизведения звука, все чаще отдают предпочтение ламповым конструкциям. У ламповых усилителей такие преимущества:

  1. Очень низкое значение уровня нелинейных искажений в выходном сигнале.
  2. Высших гармоник меньше, чем в транзисторных конструкциях.

  Но есть один огромный минус, который перевешивает все достоинства, - обязательно нужно ставить устройство для согласования. Дело в том, что у лампового каскада очень большое сопротивление - несколько тысяч Ом. Но сопротивление обмотки динамиков - 8 или 4 Ома. Чтобы их согласовать, нужно устанавливать трансформатор.

  Конечно, это не очень большой недостаток - существуют и транзисторные устройства, в которых используются трансформаторы для согласования выходного каскада и акустической системы. Некоторые специалисты утверждают, что наиболее эффективной схемой оказывается гибридная - в которой применяются однотактные усилители, не охваченные отрицательной обратной связью. Причем все эти каскады функционируют в режиме УНЧ класса «А». Другими словами, применяется в качестве повторителя усилитель мощности на транзисторе.

  

  Причем КПД у таких устройств достаточно высокий - порядка 50 %. Но не стоит ориентироваться только на показатели КПД и мощности - они не говорят о высоком качестве воспроизведения звука усилителем. Намного большее значение имеют линейность характеристик и их качество. Поэтому нужно обращать внимание в первую очередь на них, а не на мощность.

  Схема однотактного УНЧ на транзисторе

  Самый простой усилитель, построенный по схеме с общим эмиттером, работает в классе «А». В схеме используется полупроводниковый элемент со структурой n-p-n. В коллекторной цепи установлено сопротивление R3, ограничивающее протекающий ток. Коллекторная цепь соединяется с положительным проводом питания, а эмиттерная - с отрицательным. В случае использования полупроводниковых транзисторов со структурой p-n-p схема будет точно такой же, вот только потребуется поменять полярность.

  С помощью разделительного конденсатора С1 удается отделить переменный входной сигнал от источника постоянного тока. При этом конденсатор не является преградой для протекания переменного тока по пути база-эмиттер. Внутреннее сопротивление перехода эмиттер-база вместе с резисторами R1 и R2 представляют собой простейший делитель напряжения питания. Обычно резистор R2 имеет сопротивление 1-1,5 кОм - наиболее типичные значения для таких схем. При этом напряжение питания делится ровно пополам. И если запитать схему напряжением 20 Вольт, то можно увидеть, что значение коэффициента усиления по току h21 составит 150. Нужно отметить, что усилители КВ на транзисторах выполняются по аналогичным схемам, только работают немного иначе.

  

  При этом напряжение эмиттера равно 9 В и падение на участке цепи «Э-Б» 0,7 В (что характерно для транзисторов на кристаллах кремния). Если рассмотреть усилитель на германиевых транзисторах, то в этом случае падение напряжения на участке «Э-Б» будет равно 0,3 В. Ток в цепи коллектора будет равен тому, который протекает в эмиттере. Вычислить можно, разделив напряжение эмиттера на сопротивление R2 - 9В/1 кОм=9 мА. Для вычисления значения тока базы необходимо 9 мА разделить на коэффициент усиления h21 - 9мА/150=60 мкА. В конструкциях УНЧ обычно используются биполярные транзисторы. Принцип работы у него отличается от полевых.

  На резисторе R1 теперь можно вычислить значение падения - это разница между напряжениями базы и питания. При этом напряжение базы можно узнать по формуле - сумма характеристик эмиттера и перехода «Э-Б». При питании от источника 20 Вольт: 20 - 9,7 = 10,3. Отсюда можно вычислить и значение сопротивления R1=10,3В/60 мкА=172 кОм. В схеме присутствует емкость С2, необходимая для реализации цепи, по которой сможет проходить переменная составляющая эмиттерного тока.

  Если не устанавливать конденсатор С2, переменная составляющая будет очень сильно ограничиваться. Из-за этого такой усилитель звука на транзисторах будет обладать очень низким коэффициентом усиления по току h21. Нужно обратить внимание на то, что в вышеизложенных расчетах принимались равными токи базы и коллектора. Причем за ток базы брался тот, который втекает в цепь от эмиттера. Возникает он только при условии подачи на вывод базы транзистора напряжения смещения.

  

  Но нужно учитывать, что по цепи базы абсолютно всегда, независимо от наличия смещения, обязательно протекает ток утечки коллектора. В схемах с общим эмиттером ток утечки усиливается не менее чем в 150 раз. Но обычно это значение учитывается только при расчете усилителей на германиевых транзисторах. В случае использования кремниевых, у которых ток цепи «К-Б» очень мал, этим значением просто пренебрегают.

  Усилители на МДП-транзисторах

  Усилитель на полевых транзисторах, представленный на схеме, имеет множество аналогов. В том числе и с использованием биполярных транзисторов. Поэтому можно рассмотреть в качестве аналогичного примера конструкцию усилителя звука, собранную по схеме с общим эмиттером. На фото представлена схема, выполненная по схеме с общим истоком. На входных и выходных цепях собраны R-C-связи, чтобы устройство работало в режиме усилителя класса «А».

  Переменный ток от источника сигнала отделяется от постоянного напряжения питания конденсатором С1. Обязательно усилитель на полевых транзисторах должен обладать потенциалом затвора, который будет ниже аналогичной характеристики истока. На представленной схеме затвор соединен с общим проводом посредством резистора R1. Его сопротивление очень большое - обычно применяют в конструкциях резисторы 100-1000 кОм. Такое большое сопротивление выбирается для того, чтобы не шунтировался сигнал на входе.

  

  Это сопротивление почти не пропускает электрический ток, вследствие чего у затвора потенциал (в случае отсутствия сигнала на входе) такой же, как у земли. На истоке же потенциал оказывается выше, чем у земли, только благодаря падению напряжения на сопротивлении R2. Отсюда ясно, что у затвора потенциал ниже, чем у истока. А именно это и требуется для нормального функционирования транзистора. Нужно обратить внимание на то, что С2 и R3 в этой схеме усилителя имеют такое же предназначение, как и в рассмотренной выше конструкции. А входной сигнал сдвинут относительно выходного на 180 градусов.

  УНЧ с трансформатором на выходе

  

  Можно изготовить такой усилитель своими руками для домашнего использования. Выполняется он по схеме, работающей в классе «А». Конструкция такая же, как и рассмотренные выше, - с общим эмиттером. Одна особенность - необходимо использовать трансформатор для согласования. Это является недостатком подобного усилителя звука на транзисторах.

  

  Коллекторная цепь транзистора нагружается первичной обмоткой, которая развивает выходной сигнал, передаваемый через вторичную на динамики. На резисторах R1 и R3 собран делитель напряжения, который позволяет выбрать рабочую точку транзистора. С помощью этой цепочки обеспечивается подача напряжения смещения в базу. Все остальные компоненты имеют такое же назначение, как и у рассмотренных выше схем.

  Двухтактный усилитель звука

  Нельзя сказать, что это простой усилитель на транзисторах, так как его работа немного сложнее, чем у рассмотренных ранее. В двухтактных УНЧ входной сигнал расщепляется на две полуволны, различные по фазе. И каждая из этих полуволн усиливается своим каскадом, выполненном на транзисторе. После того, как произошло усиление каждой полуволны, оба сигнала соединяются и поступают на динамики. Такие сложные преобразования способны вызвать искажения сигнала, так как динамические и частотные свойства двух, даже одинаковых по типу, транзисторов будут отличны.

  

  В результате на выходе усилителя существенно снижается качество звучания. При работе двухтактного усилителя в классе «А» не получается качественно воспроизвести сложный сигнал. Причина - повышенный ток протекает по плечам усилителя постоянно, полуволны несимметричные, возникают фазовые искажения. Звук становится менее разборчивым, а при нагреве искажения сигнала еще больше усиливаются, особенно на низких и сверхнизких частотах.

  Бестрансформаторные УНЧ

  Усилитель НЧ на транзисторе, выполненный с использованием трансформатора, невзирая на то, что конструкция может иметь малые габариты, все равно несовершенен. Трансформаторы все равно тяжелые и громоздкие, поэтому лучше от них избавиться. Намного эффективнее оказывается схема, выполненная на комплементарных полупроводниковых элементах с различными типами проводимости. Большая часть современных УНЧ выполняется именно по таким схемам и работают в классе «В».

  Два мощных транзистора, используемых в конструкции, работают по схеме эмиттерного повторителя (общий коллектор). При этом напряжение входа передается на выход без потерь и усиления. Если на входе нет сигнала, то транзисторы на грани включения, но все равно еще отключены. При подаче гармонического сигнала на вход происходит открывание положительной полуволной первого транзистора, а второй в это время находится в режиме отсечки.

  

  Следовательно, через нагрузку способны пройти только положительные полуволны. Но отрицательные открывают второй транзистор и полностью запирают первый. При этом в нагрузке оказываются только отрицательные полуволны. В результате усиленный по мощности сигнал оказывается на выходе устройства. Подобная схема усилителя на транзисторах достаточно эффективная и способна обеспечить стабильную работу, качественное воспроизведение звука.

  Схема УНЧ на одном транзисторе

  Изучив все вышеописанные особенности, можно собрать усилитель своими руками на простой элементной базе. Транзистор можно использовать отечественный КТ315 или любой его зарубежный аналог - например ВС107. В качестве нагрузки нужно использовать наушники, сопротивление которых 2000-3000 Ом. На базу транзистора необходимо подать напряжение смещения через резистор сопротивлением 1 Мом и конденсатор развязки 10 мкФ. Питание схемы можно осуществить от источника напряжением 4,5-9 Вольт, ток - 0,3-0,5 А.

  

  Если сопротивление R1 не подключить, то в базе и коллекторе не будет тока. Но при подключении напряжение достигает уровня в 0,7 В и позволяет протекать току около 4 мкА. При этом по току коэффициент усиления окажется около 250. Отсюда можно сделать простой расчет усилителя на транзисторах и узнать ток коллектора - он оказывается равен 1 мА. Собрав эту схему усилителя на транзисторе, можно провести ее проверку. К выходу подключите нагрузку - наушники.

  Коснитесь входа усилителя пальцем - должен появиться характерный шум. Если его нет, то, скорее всего, конструкция собрана неправильно. Перепроверьте все соединения и номиналы элементов. Чтобы нагляднее была демонстрация, подключите к входу УНЧ источник звука - выход от плеера или телефона. Прослушайте музыку и оцените качество звучания.

  
  
  Предыдущая статья: Mitsubishi Lancer Evolution, обзор всех поколений Стоимость и комплектации Следующая статья: Ford Crown Victoria − презентабельный американский автомобиль Полицейская машина форд краун виктория