Транзисторный усилитель 50w своими руками

Микрофонный предварительный усилитель на 2-х транзисторах

Структура построения любого предусилителя очень сильно влияет на его шумовые характеристики

Если брать во внимание тот факт, что используемые в схеме предусилителя качественные радиодетали все равно в той или иной мере приводят к искажениям (шумам), то очевидно, что единственный выход получить более-менее качественный микрофонный усилитель — это сократить число радиокомпонентов схемы. Примером может послужить следующая схема двухкаскадного предварительного усилителя на транзисторах

С данном варианте количество разделительных конденсаторов сведено к минимуму, поскольку транзисторы включены по схеме с общим эмиттером. Так же между каскадами существует непосредственная связь. Для стабилизации режима работы схемы, при изменении внешней температуры и напряжения питания, в схему добавлена ООС по постоянному току.

5.6. Особенности цепей питания и смещения в каскадах на полевых транзисторах

В режимах усиления ПТ могут работать без входных токов и поэтому рассматриваются как приборы, управляемые напряжением: R_УПР = R_З затвора. Это является основным их отличаем от БТ. Такие условия работы обеспечиваются при подаче на входной электрод определённого по знаку напряжения смещения. Рабочая точка выбирается на наиболее крутом и линейном участке характеристики подачей противоположного (по сравнению E_П и U) по знаку напряжения смещения. Обычная схема резистивных каскадов на ПТ аналогична схеме каскада на БТ, рис. 5.7.

Рис. 5.7. Схема резистивного каскада на ПТ

Элементом связи является резистор R_С. Для получения нужного по знаку и величине смещения при использование ПТ с p-n переходом в цепь истока включается резистор R_И, на котором постоянная составляющая выходного тока i_С создаёт напряжение, равное необходимому смещению:

U_З0 = i_C0·R_И

При этом резистор R_З соединяет управляющий электрод (затвор) с общей для входа и выхода заземленной точкой. Небольшие токи утечки на этом резисторе не должны создавать заметного напряжения:

i_УТ·R_З ≈ 0;

т.е. величина R_З должна быть ограничена и указывается в справочнике для используемого ПТ. Током утечки i_УТ для ПТ является обратный ток запертого p-n перехода затвор-канал. Резистор в цепи истока шунтируют большей ёмкостью С_И.

В рассматриваемой схеме можно увеличить стабильность, если ввести ООС по постоянному току путём включения делителя в цепь затвора (пунктир, рис. 5.7) Для ПТ с изолированным затвором и встроенным каналом, работающих в режиме обеднения, схема цепей питания имеет вид, показанный на рис.5.7 (без R′_З). При работе ПТ в режиме обогащения, а также для ПТ с индуцированным каналом могут быть использованы схемы, аналогичные БТ, рассмотренных выше.

Экономичный УНЧ на трех транзисторах

Для портативной радиоэлектронной аппаратуры важным параметром является экономичность УНЧ. Схема такого УНЧ представлена на рис. 10 [РЛ 3/00-14]. Здесь использовано каскадное включение полевого транзистора VT1 и биполярного транзистора VT3, причем транзистор VT2 включен таким образом, что стабилизирует рабочую точку VT1 и VT3.

При увеличении входного напряжения этот транзистор шунтирует переход эмиттер — база VT3 и уменьшает значение тока, протекающего через транзисторы VT1 и VT3.

Рис. 10. Схема простого экономичного усилителя НЧ на трех транзисторах.

Как и в приведенной выше схеме (см. рис. 6), входное сопротивление этого УНЧ можно задавать в пределах от десятков Ом до десятков МОм. В качестве нагрузки использован телефонный капсюль, например, ТК-67 или ТМ-2В. Телефонный капсюль, подключаемый при помощи штекера, может одновременно служить выключателем питания схемы.

Напряжение питания УНЧ составляет от 1,5 до 15 В, хотя работоспособность устройства сохраняется и при снижении питающего напряжения до 0,6 В. В диапазоне напряжения питания 2… 15 В потребляемый усилителем ток описывается выражением:

1(мкА) = 52 + 13*(Uпит)*(Uпит),

где Uпит — напряжение питания в Вольтах (В).

Если отключить транзистор VT2, потребляемый устройством ток увеличивается на порядок.

Схемы УНЧ для работы с низкоОмной нагрузкой

Типовые УНЧ, предназначенные для работы на низкоомную нагрузку и имеющие выходную мощность десятки мВт и выше, изображены на рис. 16, 17.

Рис. 16. Простой УНЧ для работы с включением нагрузки с низким сопротивлением.

Электродинамическая головка ВА1 может быть подключена к выходу усилителя, как показано на рис. 16, либо в диагональ моста (рис. 17). Если источник питания выполнен из двух последовательно соединенных батарей (аккумуляторов), правый по схеме вывод головки ВА1 может быть подключен к их средней точки напрямую, без конденсаторов C3, С4.

Рис. 17. Схема усилителя низкой частоты с включением низкоомной нагрузки в диагональ моста.

Если вам нужна схема простого лампового УНЧ то такой усилитель можно собрать даже на одной лампе, смотрите у нас на сайте по электронике в соответствующем разделе.

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год.

Исправления в публикации: на рис. 16 и 17 вместо диода Д9 установлена цепочка из диодов.

Трекаскадный УНЧ с непосредственной связью

На рис. 7 показана схема другого внешне простого УНЧ с непосредственными связями между каскадами. Такого рода связь улучшает частотные характеристики усилителя в области нижних частот, схема в целом упрощается.

Рис. 7. Принципиальная схема трехкаскадного УНЧ с непосредственной связью между каскадами.

В то же время настройка усилителя осложняется тем, что каждое сопротивление усилителя приходится подбирать в индивидуальном порядке. Ориентировочно соотношение резисторов R2 и R3, R3 и R4, R4 и R BF должно быть в пределах (30…50) к 1. Резистор R1 должен быть 0,1…2 кОм. Расчет усилителя, приведенного на рис. 7, можно найти в литературе, например, [Р 9/70-60].

Часть 3

Усиливаемый сигнал снимается с резистора анодной нагрузки R2, лампы Л1 и идет на регулятор громкости, выполненный на переменном резисторе R4.

Предварительно мною были рассмотрены три варианта включения регулятора громкости:

Параллельно анодному резистору R2. Недостатки очевидны: при регулировке происходит кратковременное изменение режима усилителя по постоянному току, и практически наверняка в звуковой сигнал будут пролезать шорохи от движка. К тому же меня повергло в беспокойство мнение Серёжи Рубцова о недопустимости подачи на этот тип резистора сколько-нибудь существенного постоянного смещения.
Резистор заземляется через развязывающий конденсатор. Так и сделано в моей схеме. В качестве развязывающего применяются Black Gate (С2), шунтированные фторопластом (С3). Наблюдается некоторое снижение максимального размаха напряжения, что нетрудно компенсировать повышением напряжения питания. Вот почему оно на первом каскаде выше, чем на втором.
Резистор заземляется напрямую. Недостатки аналогичны п. 1. При этом за счет образования делителя R2/R4 резко снижается максимальный размах напряжения первого каскада. Не пойдет, хотя отсутствие конденсатора теоретически могло бы улучшить звук.

Вынос регулятора из входных цепей в середину схемы объясняется просто: слишком сильно его негативное влияние на звук, несмотря на дороговизну и попытки включить его по схеме Г-регулятора. Бескомпромиссное построение первого каскада как бы вытеснило регулятор громкости в сильноточные участки схемы. Сразу скажу, что такое построение возможно только при гарантии отсутствия перегрузок по напряжению первого каскада. Это не составляет проблем при цифровом источнике (выше 0 дБ не прыгнешь), но, например, с магнитофоном аккуратность потребуется. С винилом же или произвольным источником придется возвращать регулятор на стандартное место в начало схемы либо предусмотреть для таких источников регулируемый (или нерегулируемый) аттенюатор на соответствующем входе.

Если для конденсатора анодного питания первого каскада С1 шунтирование не требуется, то для C2 оно желательно. Я объясняю это так: малое внутреннее сопротивление лампы Л1 (несколько кОм) с большим сопротивлением анодной нагрузки R2 образуют делитель, который эффективно отсекает от усиливаемого сигнала возможные пакости со стороны конденсатора С1. То есть сигнал в основном определяется лампой.

В случае положения регулятора в начале сектора влияние С2 может оказаться существенным. Практика показала, что так оно и есть. Даже Black Gate не идеальны! Влияние проявляется в первую очередь в слабой, но заметной резковатости верха, а также в некотором их завале. По мере разогрева (не «эзотерического» , а самого что ни на есть температурного) примерно в течение часа эти эффекты существенно слабеют, и звучание улучшается и заметно «натурализуется».

Выбор типа шунтирующего конденсатора — вопрос ещё до конца мною не решенный, но он не велик: либо фторопласт, либо бумага — масло. Может быть, ещё и слюда. И всё. Никакие прочие пленки «не катят» — это я уже понял. Вопрос с «маслом» не решен по причине отсутствия нужных конденсаторов у меня. Эксперименты не закончены, процесс идет…

Двухкаскадный усилитель на транзисторах

Соединив последовательно два простейших каскада усиления (рис. 1), можно получить двухкаскадный УНЧ (рис. 5). Усиление такого усилителя равно произведению коэффициентов усиления отдельно взятых каскадов. Однако получить большое устойчивое усиление при последующем наращивании числа каскадов нелегко: усилитель скорее всего самовозбудится.

Рис. 5. Схема простого двухкаскадного усилителя НЧ.

Новые разработки усилителей НЧ, схемы которых часто приводят на страницах журналов последних лет, преследуют цель достижения минимального коэффициента нелинейных искажений, повышения выходной мощности, расширения полосы усиливаемых частот и т.д.

В то же время, при наладке различных устройств и проведении экспериментов зачастую необходим несложный УНЧ, собрать который можно за несколько минут. Такой усилитель должен содержать минимальное число дефицитных элементов и работать в широком интервале изменения напряжения питания и сопротивления нагрузки.

5 технических нюансов работы биполярных транзисторов, которые важно учитывать при проектировании и эксплуатации электронных ключей или регуляторов

Особенность №1

Электрические характеристики БТ описываются сложными формулами. Ими очень неудобно пользоваться на практике. Поэтому электронщики работают с графиками, выражающими связи между входными и выходными параметрами.

Их разделяют на два вида:

статические, определяющие возможности полупроводниковых переходов по токам и напряжениям на входе и выходе при отсутствии нагрузки (режим холостого хода);
выходные — зависимость тока через коллектор от приложенного выходного напряжения при конкретном токе через базу.

Каждому БТ присущи свои индивидуальные характеристики. Однако сейчас подобных полупроводников выпущено так много, что практически любому из них не сложно подобрать аналогичную замену даже от другого производителя.

Для работы транзисторов может быть использован один из следующих режимов:

активный (нормальный или инверсный);
насыщения;
отсечки;
барьерный.

Особенность №2

Любой БТ, созданный с корпусом p-n-p или n-p-n работает практически по одним и тем же алгоритмам, которые отличаются только направлением протекания положительного тока через полупроводниковые переходы.

Поэтому для прямых и обратных транзисторов создаются индивидуальные схемы управления и подключения нагрузки к выходным цепям.

В качестве примера приведу еще одну схему простого зарядного устройства, собранную на транзисторном модуле с p-n-p переходами. Можете ее сравнить с предыдущим вариантом. Увидите практически одинаковую конструкцию, но с обратным направлением тока.

Здесь деталей еще меньше, а регулирование выходных величин осуществляется за счет изменения значения напряжения, подаваемого на вход электронного модуля. Используется обыкновенный потенциометр.

Особенность №3

При открытом состоянии входной полупроводниковый переход в режим отсечки БТ имеет небольшое падение напряжения. В частном случае он составляет порядка 0,7 вольта

Чтобы зафиксировать ваше внимание на этом вопросе специально нарисовал картинку — считается, что так лучше работает человеческая память

Другими словами: потенциал на базе на 0,7 вольта меньше, чем на эмиттере. Для кремниевых изделий он всегда составляет 0,6-0,7 В.

Особенность №4

Ток коллектора БТ определяется как ток базы, умноженный на определенно большое число постоянной величины.

Это свойство используется для классификации транзисторов по коэффициенту передачи тока при коротком замыкании на выходе.

С этой целью введен коэффициент h21. Его суть демонстрирует следующая картинка.

Если выдержать показанные номиналы у приведенной схемы проверки (10 вольт у источника ЭДС и 100 килоом у сопротивления), то показания амперметра в миллиамперах просто умножаем на число 10. Получим значение коэффициента h21.

Подобные алгоритмы заложены в цифровые мультиметры и аналоговые тестеры, которые позволяют измерять коэффициент h21 при проверках БТ.

Особенность №5

При открытом состоянии потенциал внутреннего полупроводникового перехода БТ коллектора выше, чем у эмиттера. В моем частном случае он составляет 0,3 вольта.

Здесь открытый транзистор работает как обычный ключ, но он не идеален. На его внутренней схеме присутствует падение напряжения в 0,3 вольта. Однако в большинстве случаев это не критично.

Допустим, что в коллекторной цепи появилось дополнительное сопротивление. Изменение тока через этот резистор повлечет падение напряжения на нем.

Однако более высокий потенциал коллектора совместно с увеличенным током через базу могут стабилизировать выходные характеристики. В этом случае силовые токи сохраняют свое значение.

Двухкаскадные УНЧ с непосредственной связью между каскадами

Примерами УНЧ с непосредственными связями и минимальным подбором режима работы являются схемы, приведенные на рис. 11 — 14. Они имеют высокий коэффициент усиления и хорошую стабильность.

Рис. 11. Простой двухкаскадный УНЧ для микрофона (низкий уровень шумов, высокий КУ).

Рис. 12. Двухкаскадный усилитель низкой частоты на транзисторах КТ315.

Рис. 13. Двухкаскадный усилитель низкой частоты на транзисторах КТ315 — вариант 2.

Микрофонный усилитель (рис. 11) характеризуется низким уровнем собственных шумов и высоким коэффициентом усиления [МК 5/83-XIV]. В качестве микрофона ВМ1 использован микрофон электродинамического типа.

В роли микрофона может выступать и телефонный капсюль. Стабилизация рабочей точки (начального смещения на базе входного транзистора) усилителей на рис. 11 — 13 осуществляется за счет падения напряжения на эмиттерном сопротивлении второго каскада усиления.

Рис. 14. Двухкаскадный УНЧ с полевым транзистором.

Усилитель (рис. 14), имеющий высокое входное сопротивление (порядка 1 МОм), выполнен на полевом транзисторе VT1 (истоковый повторитель) и биполярном — VT2 (с общим).

Каскадный усилитель низкой частоты на полевых транзисторах, также имеющий высокое входное сопротивление, показан на рис. 15.

Рис. 15. схема простого двухкаскадного УНЧ на двух полевых транзисторах.

Двухкаскадные УНЧ с непосредственной связью между каскадами

Рис. 11. Простой двухкаскадный УНЧ для микрофона (низкий уровень шумов, высокий КУ).

Рис. 12. Двухкаскадный усилитель низкой частоты на транзисторах КТ315.

Рис. 13. Двухкаскадный усилитель низкой частоты на транзисторах КТ315 — вариант 2.

Рис. 14. Двухкаскадный УНЧ с полевым транзистором.

Рис. 15. схема простого двухкаскадного УНЧ на двух полевых транзисторах.

Сумматоры компании Anaren

Компания Anaren выпускает линейку сумматоров для усилителей Догерти. Эти компоненты призваны найти широкое применение при построении усилителей Догерти для оборудования сетей сотовой связи и широкополосного радиодоступа стандартов W-CDMA, CDMA2000, LTE и WiMax.

Основные параметры предлагаемой линейки сумматоров Догерти представлены в табл. 7 . Сумматоры этой серии предназначены для поверхностного монтажа. Они разработаны, в частности, для приложений, в которых как для максимального, так и для низкого энергопотребления требуется жестко контролировать разбаланс фаз и амплитуд. К особенностям данных сумматоров следует также отнести малые вносимые потери, хорошую согласованность и высокую надежность. Эти устройства могут использоваться в приложениях, в которых необходимая мощность составляет от 40 до 200 Вт.

Таблица 7. Сравнительные характеристики линейки сумматоров Догерти компании Anaren
Наименование	Диапазон частот, ГГц	Мощность, Вт	Вносимые потери, дБ	Потери на отражение, дБ	Разбаланс фаз, градус	Разбаланс амплитуд, дБ
X3DC07E2S	0,728–0,768	200	0,15	20	90 ± 3	±0,12
X3DC07P1S	0,72–0,76	42	0,25	22	90 ± 3,5	±0,2
X3DC08E2S	0,869–0,894	200	0,15	20	90 ± 3	±0,12
X3DC09E2S	0,925–0,96	200	0,15	20	90 ± 3	±0,12
X3DC18E2S	1,805–1,88	200	0,15	20	90 ± 3	±0,12
X3DC18P1S	1,8–1,92	80	0,25	22	90 ± 3,5	±0,2
X3DC19E2S	1,93–1,99	200	0,15	20	90 ± 3	±0,12
X3DC19P1S	1,93–1,99	85	0,2	22	90 ± 3	±0,2
X3DC21E2S	2,11–2,17	200	0,15	20	90 ± 3	±0,2
X3DC21P1S	2,1–2,2	70	0,2	22	90 ± 3	±0,2
X3DC23P1S	2,3–2,4	100	0,2	22	90 ± 3	±0,2
X3DC25P1S	2,58–2,73	90	0,2	22	90 ± 3	±0,2
X3DC35P1S	3,5–3,6	40	0,2	22	90 ± 3	±0,2

Сумматоры подвергаются строгим квалификационным испытаниям, они изготовлены с использованием материалов с коэффициентами теплового расширения, совместимыми с обычными подложками, такими как FR4, G-10, RF-35, RO4350.

Устройства выпускаются в корпусах двух видов: размером 6,35 × 5,08 мм или 14,2 × 5,1 мм (рис. 11) . Конфигурация сумматоров Догерти компании Anaren приведена на рис. 12 .

Рисунок 11 – Сумматоры компании AnarenРисунок 12 – Структурная схема включения сумматора компании Anaren

Для оценки возможности управления мощностью сумматоры анализируются при трех возможных состояниях в условиях изменения пик-фактора.

При симметричном включении и средней мощности в усилителе Догерти подключен только основной усилитель на половине его полной мощности. В таком режиме сумматор, например X3DC23P1S с номинальной выходной мощностью 100 Вт, может надежно работать с мощностью до 50 Вт в основном усилителе и 0 Вт – в пиковом.
Режим усиления в основном усилителе до 65% от его полной мощности и в пиковом усилителе до 30% полной мощности, выходная мощность примерно на 3 дБ выше средней. Считается, что сумматор работает при таком уровне мощности на протяжении всего срока службы компонента. В таком режиме сумматор, например X3DC23P1S, может работать с мощностью до 65 Вт в основном усилителе и 35 Вт в пиковом усилителе.
Сигналы с мощностью на 3 дБ и более выше средней возникают кратковременно с низкой вероятностью, они не несут термического риска для сумматоров. Имея высокое напряжение пробоя, компоненты могут безопасно выдерживать пики не менее 12 дБ по отношению к средней номинальной мощности. Например, сумматор X3DC23P1S может работать с мощностью до 100 Вт в основном усилителе и до 100 Вт в пиковом при условии очень короткой продолжительности пиковых импульсов.

Таким образом, сумматоры могут использоваться в усилителях Догерти с номинальной средней выходной мощностью. Не требуется дополнительного снижения мощности для сигналов с высоким пик-фактором.

Усилители фирмы Ampleon

Компания Ampleon выпускает транзисторы, предназначенные для реализации усилителей Догерти, и интегральные СВЧ-микросхемы усилителей Догерти. Широкий ассортимент продукции охватывает диапазоны частот от 450 МГц до 3,8 ГГц и средние уровни мощности от 2 до 80 Вт. Эти устройства применимы для большинства приложений сотовой связи: от пикосот до макросот. В них используется технология цифровых предыскажений. Для достижения максимального КПД Ampleon предлагает сочетание последнего поколения технологий LDMOS с концепцией Догерти.

Компания Ampleon предлагает также решения на LDMOS-транзисторах, так называемые интегрированные архитектуры Догерти (iDPA). Первая подобная конструкция представляла собой демонстрационную плату усилителя Догерти для систем цифрового телерадиовещания и была выполнена на транзисторах серии BLF888A. Ее КПД составлял приблизительно 40% в диапазоне частот 470–800 МГц.

Еще один вариант демонстрационной платы (рис. состоит из двух частей: одна печатная плата содержит широкополосные основной и пиковый усилители, а вторая – сумматор (схема сложения выходных мощностей). В каждом из усилителей используется LDMOS-транзистор BLF888A вместе с соответствующими компонентами. Усилитель Догерти, реализованный на данной демонстрационной плате, охватывает весь диапазон УВЧ. Полоса пропускания этого усилителя зависит от конструкции сумматора. Для получения необходимой ширины полосы частот компания предлагает различные варианты демонстрационных версий.

Рисунок 8 – Демонстрационная плата Ampleon для УВЧ-диапазона

Усилитель имеет минимальную выходную мощность в среднем 200 Вт и полосу пропускания приблизительно 50 МГц (в зависимости от центральной частоты).

Предлагается также решение на основе архитектуры Догерти на двух мощных транзисторах шестого поколения компании Ampleon BLF6G15L-250PBRN, в которых применяется усовершенствованная технология LDMOS (рис. 9) .

Рисунок 9 – Фотография усилителя мощности на основе транзисторов BLF6G15L-250PBRN

Разработка оптимизирована для использования в приложениях для базовых станций 3GPP E-UTRA LTE, работающих на частоте 1,5 ГГц. Конструкция обеспечивает высокие КПД и максимальную мощность, подобно двум параллельным усилителям класса AB.

Устройство реализовано в виде классического усилителя Догерти, то есть на основной усилительный прибор подается смещение для работы в классе AB, а вспомогательный усилительный прибор работает в классе C. Входная и выходная секции внутренне согласованы, что обеспечивает высокий коэффициент усиления с хорошей равномерностью и фазовой линейностью в широком диапазоне частот (рис. 10) .

Рисунок 10 – Коэффициент усиления и входные обратные потери в зависимости от частоты решения на базе транзисторов BLF6G15L-250PBRN

Помимо рассмотренных конструкций усилителей, компания Ampleon предлагает еще два варианта усилителей для различных диапазонов частот: для диапазона 2 000 МГц на основе LDMOS-транзистора BLF7G22LS-130, а также для диапазона 1800 МГц на основе LDMOS-транзисторов BLF7G20LS-90P и BLF7G21LS-160P. Сравнительные характеристики разработок приведены в табл. 6 .

Таблица 6. Характеристики усилителей компании Ampleon
Используемые транзисторы	Диапазон частот, МГц	Выходная мощность, дБм	Напряжение питания стока, В	КПД, %
BLF888A	470-860	53	49	40
BLF6G15L-250PBRN	1476-1511	49	32	36
BLF7G20LS-90P, BLF7G21LS-160P	1805-1880	46	28	47
BLF7G22LS-130	2110-2170	47	28	43

Intro

Вообще-то, звук — дело вкуса. От схемы я старался добиться нейтральности, детальности и ровных на слух тембрального и частотного баланса, как исходной посылки для дальнейших процедур. Что-то вроде чистого холста.

Что же касается музыки, то здесь, особенно на неважно сделанных записях, иногда хочется что-нибудь подкрасить или, наоборот, замазать. Вплоть до установки переключателя «мягко — нейтрально — динамично»

В результате все решения окончательно выбирались (или отбраковывались) путем прослушивания. Это мой усилитель, и звучит он так, как я считаю должным. Без претензий на Абсолют(ность)…

В тоже время я особо не «затачивался» на том, что схема не потерпит вольного вмешательства и никак не подойдет «чайникам» с необременительным достатком. Но, несмотря на внешнюю простоту, схема усилителя вылизывалась долго — несколько лет. Её возможности раскроются только с хорошими источником и акустикой.

На мой слух усилитель вышел из-под паяльника достаточно прозрачный, чтобы получить любой желаемый тип звука путем подбора соответствующих деталей . Если кто-нибудь из вас или ваших знакомых хотя бы попробует первый каскад (собственно, вся изюминка в нем!) в максимально строгом окружении — было бы совсем здорово! А то ссылки на восторженные отзывы только одного человека, к тому же автора схемы — это не совсем убедительно.