В предлагаемой книге рассматриваются особенности схемотехнических решений, применяемых при создании миниатюрных транзисторных радиопередающих устройств. В соответствующих главах приводится информация о принципах действия и особенностях функционирования отдельных узлов и каскадов, принципиальные схемы, а также другие сведения, необходимые при самостоятельном конструировании простых радиопередатчиков и радиомикрофонов. Отдельная глава посвящена рассмотрению практических конструкций транзисторных микропередатчиков для систем связи малого радиуса действия.

Книга предназначена для начинающих радиолюбителей, интересующихся особенностями схемотехнических решений узлов и каскадов миниатюрных транзисторных радиопередающих устройств.

В миниатюрных транзисторных радиопередающих устройствах нередко возникает необходимость получения большого значения коэффициента усиления низкочастотного сигнала, для чего требуется использовать два и более каскадов усиления. В этом случае применение многокаскадных микрофонных усилителей с емкостной связью, каждый из каскадов которых выполнен на основе рассмотренных схем, не всегда приводит к удовлетворительным результатам. Поэтому в миниатюрных радиопередающих устройствах широкое распространение получили схемотехнические решения микрофонных усилителей с непосредственной связью между каскадами.

Такие усилители содержат меньше деталей, имеют меньшую энергоемкость, легко настраиваются и менее критичны к изменениям величины напряжения питания. Помимо этого усилители с непосредственной связью между каскадами имеют более равномерную полосу пропускания, а нелинейные искажения в них могут быть сведены к минимуму. Одним из главных достоинств таких усилителей является сравнительно высокая температурная стабильность.

Однако высокая температурная стабильность, как и остальные перечисленные выше преимущества усилителей с непосредственной связью между каскадами, могут быть реализованы лишь при использовании глубокой отрицательной обратной связи по постоянному току, подаваемой с выхода на первый каскад усилителя. При применении соответствующего схемотехнического решения любые изменения тока, вызванные как температурными колебаниями, так и другими причинами, усиливаются последующими каскадами и подаются на вход усилителя в такой полярности. В результате усилитель возвращается в исходное состояние.

Принципиальная схема одного из вариантов двухкаскадного микрофонного усилителя с непосредственной связью между каскадами приведена на рис. 2.11. При напряжении питания от 9 до 12 В и максимальном входном напряжении 25 мВ уровень выходного напряжения в частотном диапазоне от 10 Гц до 40 кГц может достигать 5 В. При этом потребляемый ток не превышает 2 мА.

Рис. 2.11. Принципиальная схема микрофонного усилителя с непосредственной связью между каскадами (вариант 1)

Низкочастотный сигнал, сформированный микрофоном ВМ1, через разделительный конденсатор С2 поступает на вход первого усилительного каскада, выполненного на транзисторе VT1. Конденсатор С1 обеспечивает фильтрацию нежелательных высокочастотных составляющих входного сигнала. Через резистор R1 на электретный микрофон ВМ1 подается напряжение питания.

Усиленный сигнал с коллекторной нагрузки транзистора VT1 (резистор R2) подается непосредственно на базу транзистора VT2, на котором выполнен второй усилительный каскад. С коллекторной нагрузки этого транзистора сигнал поступает на выход усилителя через разделительный конденсатор С4.

Необходимо отметить, что резистор R2, используемый в качестве нагрузочного резистора в цепи коллектора транзистора VТ1, имеет сравнительно большое сопротивление. В результате напряжение на коллекторе транзистора VТ1 будет достаточно малым, что позволяет подключить базу транзистора VТ2 непосредственно к коллектору транзистора VТ1. Немалое значение в выборе режима работы транзистора VТ2 играет и величина сопротивления резистора R6.

Между эмиттером транзистора VТ2 и базой транзистора VТ1 включен резистор R4, обеспечивающий возникновение между каскадами отрицательной обратной связи по постоянному току. В результате напряжение на базе транзистора VТ1 формируется с помощью резистора R4 из напряжения, присутствующего на эмиттере транзистора VТ2, которое в свою очередь формируется при прохождении коллекторного тока этого транзистора через резистор R6. По переменному току резистор R6 шунтирован конденсатором С3.

Если по какой-либо причине ток, проходящий через транзистор VТ2, увеличится, то соответственно увеличится и напряжение на резисторах R5 и R6. В результате, благодаря резистору R4, увеличится напряжение на базе транзистора VТ1, что приведет к увеличению его коллекторного тока и соответствующему увеличению падения напряжения на резисторе R2, а это вызовет уменьшение напряжения на коллекторе транзистора VТ1, к которому непосредственно подключена база транзистора VТ2. Уменьшение значения напряжения на базе транзистора VТ2 приведет к уменьшению коллекторного тока этого транзистора и соответствующему уменьшению напряжения на резисторах R5 и R6. При этом уменьшится напряжение на базе транзистора VТ1, этот транзистор прикроется и вновь будет работать в нормальном, первоначально установленном режиме. Таким образом, токи и рабочие точки транзисторов VТ1 и VТ2 будут стабилизированы. Аналогичным образом схема стабилизации функционирует и при возможном уменьшении коллекторного тока транзистора VТ2, например, при уменьшении температуры окружающей среды.

У усилителей с непосредственной связью между каскадами для установки режима обычно бывает достаточно подобрать величину сопротивления лишь одного резистора. В рассмотренной схеме режим работы устанавливается подбором сопротивления резистора R6 или резистора R2.

В связи с тем, что резистор R3 не зашунтирован конденсатором, в данном усилителе возникает обратная связь по переменному току, обеспечивающая резкое уменьшение искажений.

Необходимо отметить, что при любом изменении номинала резистора R4 или величины питающего напряжения усилителя необходимо откорректировать и положение рабочей точки. Важную роль в этом процессе играет резистор R6, вместо которого в процессе налаживания конструкции обычно устанавливается подстроечный резистор, обеспечивающий правильный выбор рабочей точки транзисторов VТ1 и VТ2.

Принципиальная схема еще одного варианта двухкаскадного микрофонного усилителя с непосредственной связью между каскадами приведена на рис. 2.12. Отличительной особенностью данного схемотехнического решения, по сравнению с предыдущим, является то, что для стабилизации режима работы в предлагаемой схеме используются две цепи обратной связи с выхода на вход.

Рис. 2.12. Принципиальная схема микрофонного усилителя с непосредственной связью между каскадами (вариант 2)

Нетрудно заметить, что помимо передачи напряжения, снимаемого с эмиттера транзистора VT2, на базу транзистора VT1 через резистор R4, в данной конструкции также обеспечивается изменение напряжения эмиттера транзистора первого каскада в зависимости от величины тока, проходящего через коллекторную нагрузку транзистора VT2 (резистор R6). Вторая цепь обратной связи, подключенная между коллектором транзистора VT2 и эмиттером транзистора VT1, образована включенными параллельно резистором R5 и конденсатором С3. Необходимо отметить, что от величины емкости конденсатора С3 зависит значение верхней граничной частоты полосы пропускания данного микрофонного усилителя.

При напряжении питания от 9 до 15 В и максимальном входном напряжении 25 мВ уровень выходного напряжения рассмотренного двухкаскадного усилителя в частотном диапазоне от 20 Гц до 20 кГц может достигать 2,5 В. При этом потребляемый ток не превышает 2 мА.

Принципиальная схема еще одного варианта микрофонного усилителя с непосредственной связью между каскадами приведена на рис. 2.13.

Рис. 2.13. Принципиальная схема микрофонного усилителя с непосредственной связью между каскадами (вариант 3)

В данной конструкции сигнал, сформированный микрофоном ВМ1, через разделительный конденсатор С1 и резистор R2 проходит на базу транзистора VТ1, на котором собран первый каскад усиления. Усиленный сигнал с коллектора транзистора VТ1 подается непосредственно на базу транзистора VТ2 второго усилительного каскада.

Между эмиттером транзистора VТ2 и базой транзистора VТ1 включен резистор R4, обеспечивающий возникновение между каскадами отрицательной обратной связи по постоянному току. В результате напряжение на базе транзистора VТ1 формируется с помощью резистора R4 из напряжения на эмиттере транзистора VТ2, которое в свою очередь формируется при прохождении коллекторного тока этого транзистора через резистор R6. По переменному току резистор R6 шунтирован конденсатором С3.

Сформированный на коллекторе транзистора VТ2 сигнал через разделительный конденсатор С4 и потенциометр R8 подается на выход микрофонного усилителя. Для уменьшения частотных искажений в области нижних частот емкость разделительного конденсатора С4 увеличена до 20 мкФ. Потенциометр R8 выполняет функцию регулятора уровня выходного НЧ-сигнала и имеет логарифмическую характеристику (тип В).

В обычных усилительных каскадах, в которых транзистор включен по схеме с общим эмиттером, коэффициент усиления каскада определяется в первую очередь особенностями самого транзистора. В данной схеме коэффициент усиления в значительной степени зависит от параметров второй цепи обратной связи, включенной между выходом усилителя и эмиттером транзистора VТ1. В рассматриваемой схеме эта цепь обратной связи образована резистором R7. Теоретически коэффициент усиления К УС двухступенчатого усилительного каскада с непосредственной связью определяется соотношением величин сопротивлений резисторов R7 и R3, то есть вычисляется по формуле:

К УС = R7/R3.

Для рассматриваемого каскада коэффициент К УС = 10000/180 = = 55,55. Приведенная формула справедлива для значений коэффициента усиления, находящихся в пределах от 10 до 100. При иных соотношениях вступают в силу дополнительные факторы, влияющие на величину коэффициента усиления. Особые методики расчета следует применять в тех случаях, когда в цепь обратной связи включаются последовательные или параллельные RC-цепочки.

Рассматривая классические схемы микрофонных усилителей на биполярных транзисторах, нельзя не упомянуть о двухкаскадном усилителе, выполненном на двух биполярных транзисторах разной проводимости. Принципиальная схема простого микрофонного усилителя, выполненного на n-p-n и p-n-p транзисторах, приведена на рис. 2.14.

Рис. 2.14. Принципиальная схема микрофонного усилителя на биполярных транзисторах разной проводимости

Несмотря на простоту, данный усилитель, который можно использовать для усиления сигналов, снимаемых с выхода конденсаторного микрофона, имеет весьма приемлемые параметры. При напряжении питания от 6 до 12 В и максимальном входном напряжении 100 мВ уровень выходного напряжения в частотном диапазоне от 70 Гц до 45 кГц достигает 2,5 В.

Сформированный на выходе микрофона ВМ1 сигнал через разделительный конденсатор С1 подается на базу транзистора VТ1, имеющего n-p-n проводимость, на котором выполнен первый усилительный каскад. Напряжение смещения, подаваемое на базу транзистора VТ1, формируется делителем, который образован резисторами R2 и R3.

Величина спада частотной характеристики данного микрофонного усилителя в области нижних частот в значительной степени зависит от емкости разделительного конденсатора С1. Чем меньше емкость этого конденсатора, тем больше спад частотной характеристики. Поэтому при указанном на схеме номинале емкости конденсатора С1 нижняя граница диапазона воспроизводимых усилителем частот находится на частоте около 70 Гц.

С коллектора транзистора VТ1 усиленный сигнал подается непосредственно на базу транзистора VТ2, имеющего p-n-p проводимость, на котором выполнен второй усилительный каскад. В данном усилителе, как и в рассмотренных ранее конструкциях, используется схема с непосредственной связью между каскадами. В качестве нагрузочного резистора в цепи коллектора транзистора VТ1 используется резистор R4, имеющий большое сопротивление. В результате напряжение на коллекторе транзистора VТ1 будет сравнительно малым, что позволяет базу транзистора VТ2 подключить непосредственно к коллектору транзистора VТ1. Немалое значение в выборе режима работы транзистора VТ2 играет и величина сопротивления резистора R7.

Сформированный на коллекторе транзистора VТ2 сигнал через разделительный конденсатор С4 подается на выход микрофонного усилителя. Для уменьшения частотных искажений в области нижних частот емкость разделительного конденсатора С4 увеличена до 10 мкФ. Величина спада в области верхних частот воспроизводимого усилителем диапазона может быть обеспечена уменьшением сопротивления нагрузки, а также использованием транзисторов с более высоким значением предельной частоты.

Коэффициент усиления данного усилителя определяется соотношением сопротивлений резисторов R5 и R6 в цепи обратной связи. Конденсатор С3 ограничивает усиление на высших частотах, препятствуя самовозбуждению усилителя.

При применении конденсаторного микрофона в цепь его включения потребуется подавать напряжение, необходимое для его питания. С этой целью в схеме установлен резистор R1, который одновременно является нагрузочным резистором выхода микрофона. При использовании рассматриваемого микрофонного усилителя с электродинамическим микрофоном резистор R1 из схемы можно исключить.

Особого внимания заслуживают схемотехнические решения двухкаскадных микрофонных усилителей, в которых входной каскад выполнен на полевом, а выходной каскад – на биполярном транзисторе. Принципиальная схема одного из вариантов простого микрофонного усилителя, выполненного на полевом и биполярном транзисторах, приведена на рис. 2.15. Данная конструкция характеризуется не только низким уровнем шумов и сравнительно высоким входным сопротивлением, но и значительной шириной диапазона частот усиливаемого сигнала. При напряжении питания от 9 до 12 В и максимальном входном напряжении 25 мВ уровень выходного напряжения в частотном диапазоне от 10 Гц до 100 кГц может достигать 2,5 В. При этом потребляемый ток не превышает 1 мА, а входное сопротивление составляет 1 МОм.

Рис. 2.15. Принципиальная схема микрофонного усилителя на полевом и биполярном транзисторах разной проводимости

Снимаемый с выхода микрофона ВМ1 сигнал через разделительный конденсатор С1 и резистор R1 подается на затвор полевого транзистора VТ1, на котором выполнен входной усилительный каскад. Резистор R2, величина сопротивления которого определяет значение входного сопротивления всей конструкции, обеспечивает по постоянному току связь затвора транзистора VТ1 с шиной корпуса. По постоянному току положение рабочей точки транзистора VТ1 определяется величинами сопротивлений резисторов R3, R4 и R5. По переменному току резистор R5 шунтирован конденсаторами С2 и С3. Сравнительно большая емкость конденсатора С2 обеспечивает достаточное усиление в нижней части диапазона частот усиливаемого сигнала. В свою очередь, величина емкости конденсатора С3 обеспечивает достаточное усиление в верхней части диапазона частот.

Усиленный сигнал снимается с нагрузочного резистора R3 и подается непосредственно на базу транзистора VT2, имеющего p-n-p-проводимость, на котором выполнен второй каскад усиления. Резистор R6, включенный в коллекторную цепь транзистора VT2, не только является нагрузочным резистором во втором усилительном каскаде, но и входит в состав цепи обратной связи транзистора VT1. Соотношением величин резисторов R6 и R4 определяется коэффициент усиления всей конструкции. При необходимости усиление можно уменьшить, подобрав величину сопротивления резистора R4. Сформированный на коллекторе транзистора VТ2 сигнал через резистор R7 и разделительный конденсатор С4 подается на выход микрофонного усилителя.

Рис.3.1

Это простейшая конструкция, которая позволяет продемонстрировать усилительные способности транзистора. Правда, коэффициент усиления по напряжению невелик - он не превышает 6, поэтому сфера применения такого устройства ограничена. Тем не менее, его можно подключить, скажем, к детекторному радиоприемнику (он должен быть нагружен на резистор 10 кОм) и с помощью головного телефона BF1 прослушивать передачи местной радиостанции.

Усиливаемый сигнал поступает на входные гнезда Х1, Х2, а напряжение питания (как и во всех остальных конструкциях этого автора, оно составляет 6 В - четыре гальванических элемента напряжением по 1,5 В, соединенных последовательно) подается на гнезда Х3, Х4. Делитель R1 R2 задает напряжение смещения на базе транзистора, а резистор R3 обеспечивает обратную связь по току, что способствует температурной стабилизации работы усилителя.

Как происходит стабилизация? Предположим, что под воздействием температуры увеличился ток коллектора транзистора. Соответственно увеличится падение напряжения на резисторе R3. В итоге уменьшится ток эмиттера, а значит, и ток коллектора - он достигнет первоначального значения.

Нагрузка усилительного каскада - головной телефон сопротивлением 60...100 Ом.

Проверить работу усилителя несложно, нужно коснуться входного гнезда Х1, например, пинцетом - в телефоне должно прослушиваться слабое жужжание, как результат наводки переменного тока. Ток коллектора транзистора составляет около 3 мА.

Рис.3.2

Он выполнен с непосредственной связью между каскадами и глубокой отрицательной обратной связью по постоянному току, что делает его режим независящим от температуры окружающей среды. Основа температурной стабилизации - резистор R4, "работающий" аналогично резистору R3 в предыдущей конструкции.

Усилитель более "чувствительный" по сравнению с однокаскадным - коэффициент усиления по напряжению достигает 20. На входные гнезда можно подавать переменное напряжение амплитудой не более 30 мВ, иначе возникнут искажения, прослушиваемые в головном телефоне.

Проверяют усилитель, прикоснувшись пинцетом (или просто пальцем) входного гнезда Х1 - в телефоне раздастся громкий звук. Усилитель потребляет ток около 8 мА.

Эту конструкцию можно использовать для усиления слабых сигналов, например, от микрофона. И конечно, он позволит значительно усилить сигнал ЗЧ, снимаемый с нагрузки детекторного приемника.

Принципиальные схемы двух вариантов такого усилителя изображены на рис. 174. Они, по существу, являются повторением схемы разобранного сейчас транзисторного усилителя. Только на них указаны данные деталей и введены три дополнительных элемента: R1, С3 и S1. Резистор R1 - нагрузка источника колебаний звуковой частоты (детекторного приемника или звукоснимателя); С3 - конденсатор, блокирующий головку В1 громкоговорителя гю высшим звуковым частотам; S1 - выключатель питания. В усилителе на рис. 174, а работают транзисторы структуры р-n-р, в усилителе на рис. 174, б - структуры n-p-n. В связи с этим полярность включения питающих их батарей разная: на коллекторы транзисторов первого варианта усилителя подается отрицательное, а на коллекторы транзисторов второго варианта - положительное напряжение. Полярность включения электролитических конденсаторов также разная. В остальном усилители совершенно одинаковые.

В любом из этих вариантов усилителя могут работать транзисторы со статическим коэффициентом передачи тока h21Э 20-30 и больше. В каскад предварительного усиления (первый) надо поставить транзистор с большим коэффициентом h21Э. Роль нагрузки В1 выходного каскада могут выполнять головные телефоны, телефонный капсюль ДЭМ-4м или абонентский громкоговоритель. Для питания усилителя используй батарею 3336Л или сетевой блок питания (о котором я рассказал в предыдущей беседе).

Предварительно усилитель собери на макетной панели, чтобы всесторонне изучить и научиться налаживать его, после чего перенесешь его детали на постоянную плату.

Сначала на панели смонтируй детали только первого каскада и конденсатор С2. Между правым (по схеме) выводом этого конденсатора и заземленным проводником источника питания включи головные телефоны.

Рис. 174. Двухкаскадные усилители ЗЧ на транзисторах структуры р-n-р (а) и на транзисторах структуры n-р-n (б)

Если теперь вход усилителя соединить с выходными гнездами детекторного приемника, настроенного на какую-либо радиостанцию, или подключить к нему звукосниматель и проиграть грампластинку, в телефонах появится звук радиопередачи или грамзаписи. Подбирая сопротивление резистора R2 (так же, как при подгонке режима работы однотранзисторного усилителя, о чем я рассказывал в седьмой беседе), добейся наибольшей громкости. При этом миллиамперметр, включенный в коллекторную цепь транзистора, - должен показывать ток, равный 0,4-0,6 мА. При напряжении источника питания 4,5 В это наивыгоднейший режим работы транзистора.

Затем смонтируй детали второго (выходного) каскада усилителя, телефоны включи в коллекторную цепь его транзистора. Теперь телефоны должны звучать значительно громче. Еще громче, возможно, они будут звучать после того, как подбором резистора R4 будет установлен коллекторный ток транзистора 0,4-0,6 мА.

Можно, однако, поступить иначе: смонтировать все детали усилителя, подбором резисторов R2 и R4 установить рекомендуемые режимы транзисторов (по токам коллекторных цепей или напряжениям на коллекторах транзисторов) и только после этого проверять его работу на звуковоспроизведение. Такой путь более техничный. А для более сложного усилителя, а тебе придется иметь дело в основном именно с такими усилителями, он единственно правильный.

Надеюсь, ты понял, что мои советы по налаживанию двухкаскадного усилителя в равной степени относятся к обоим его вариантам. И если коэффициенты передачи тока их транзисторов будут примерно одинаковыми, то и громкость звучания телефонов - нагрузок усилителей должна быть одинаковой. Но, как я уже говорил, нагрузкой усилителя может быть телефонный капсюль ДЭМ-4м или абонентский громкоговоритель. Режим работы выходного транзистора при этом должен измениться. С капсюлем ДЭМ-4м, сопротивление которого 60 Ом, ток покоя транзистора каскада надо увеличить (уменьшением сопротивления резистора R4) до 4-6 мА, а с абонентским громкоговорителем (сопротивление первичной обмотки его согласующего трансформатора, используемого как выходной трансформатор, еще меньше)-увеличить до 8-10 мА.

Принципиальная схема третьего варианта двухкаскадного усилителя показана на рис. 175. Особенностью этого усилителя является то, что в первом его каскаде работает транзистор структуры р-n-р, а во втором - структуры n-р-n. Причем база второго транзистора соединена с коллектором первого не через связующий конденсатор, как в усилителе первых двух вариантов, а непосредственно или, как еще говорят, гальванически. При такой связи расширяется диапазон частот усиливаемых колебаний, а режим работы второго транзистора определяется в основном режимом работы первого, который устанавливают подбором резистора R2.

В таком усилителе нагрузкой транзистора первого каскада служит не резистор R3, а эмиттерный р-n переход второго транзистора. Резистор же нужен лишь как элемент смещения: создающееся на нем падение напряжения открывает второй транзистор. Если этот транзистор германиевый (МП35-МП38), сопротивление резистора R3 может быть 680-750 Ом, а если кремниевый (МП111-МП116, КТ315) - около 3 кОм. К сожалению, стабильность работы такого усилителя при изменении напряжения питания или температуры невысока. В остальном все то, что сказано применительно к усилителям первых двух вариантов, относится и к этому усилителю.

Можно ли усилители питать от источника постоянного тока напряжением 9 В, например от двух батарей 3336Л, или, наоборот, от источника напряжением 1,5-3 В - от одного-двух элементов 332 или 316?

Рис. 175. Усилитель на транзисторах разной структуры

Рис. 176. Монтажная плата двухкаскадного усилителя ЗЧ

Разумеется, можно: при более высоком напряжении источника питания нагрузка усилителя - головка громкоговорителя - должна звучать громче, при более низком - тише. Но при этом несколько иными должны быть и режимы работы транзисторов. Кроме того, при напряжении источника питания 9 В номинальные напряжения электролитических конденсаторов С2 первых двух вариантов усилителя должны быть не менее 10 В. Пока детали усилителя смонтированы на макетной панели, все это нетрудно проверить опытным путем и сделать соответствующие выводы.

Смонтировать детали налаженного усилителя на постоянной плате - дело несложное. Для примера на рис. 176 показана монтажная плата усилителя первого варианта (по схеме на рис. 174, а). Плату выпили из листового гетинакса или текстолита толщиной 1,5-2 мм. Ее размеры, указанные на рисунке, примерные и зависят от габаритов имеющихся у тебя деталей. Например, на схеме мощность разисторов обозначена 0,125 Вт, емкости электролитических конденсаторов - по 10 мкФ. Но это не значит, что только такие детали надо ставить в усилитель. Мощности рассеяния резисторов могут быть любыми. Вместо электролитических конденсаторов К50-3 или К52-1, показанных на монтажной плате, могут быть конденсаторы К50-6, к тому же на большие номинальные напряжения. В зависимости от имеющихся у тебя деталей может измениться и монтажная схема усилителя.

О самом монтаже я уже говорил в девятой беседе. Если забыл, загляни в нее еще раз.

Любой из усилителей, о которых я рассказал в этой части беседы, пригодится тебе в будущем, например для портативного транзисторного приемника. Аналогичные усилители можно использовать и для проводной телефонной связи с живущим неподалеку приятелем.

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.

При расчете усилительных каскадов на полупроводниковых элементах нужно знать много теории. Но если требуется сделать простейший УНЧ, то достаточно подобрать транзисторы по току и коэффициенту усиления. Это основное, нужно еще определиться с тем, в каком режиме должен работать усилитель. Это зависит от того, где планируется его использовать. Ведь усиливать можно не только звук, но и ток - импульс для управления каким-либо устройством.

Виды усилителей

Когда реализуются конструкции усилительных каскадов на транзисторах, нужно решить несколько важных вопросов. Сразу определитесь с тем, в каком из режимов будет работать устройство:

1. А - линейный усилитель, на выходе присутствует ток в любой момент времени работы.
2. В - ток проходит только в течение первого полупериода.
3. С - при высоком КПД нелинейные искажения становятся сильнее.
4. D и F - режимы работы усилителей в режиме «ключа» (переключателя).

Распространенные схемы транзисторных усилительных каскадов:

1. С фиксированным током в цепи базы.
2. С фиксацией напряжения в базе.
3. Стабилизация коллекторной цепи.
4. Стабилизация эмиттерной цепи.
5. УНЧ дифференциального типа.
6. Двухтактные усилители НЧ.

Чтобы понять принцип работы всех этих схем, нужно хотя бы вкратце рассмотреть их особенности.

Фиксация тока в цепи базы

Это самая простая схема усилительного каскада, которая может использоваться в практике. За счет этого ее широко используют начинающие радиолюбители - повторить конструкцию не составит труда. Цепи базы и коллектора транзистора запитаны от одного источника, что является преимуществом конструкции.

Но у нее имеются и недостатки - это сильная зависимость нелинейных и линейных параметров УНЧ от:

1. Питающего напряжения.
2. Степени разброса параметров полупроводникового элемента.
3. Температуры - при расчете усилительного каскада обязательно нужно учитывать этот параметр.

Недостатков довольно много, они не позволяют применять такие устройства в современной технике.

Стабилизация напряжения базы

В режиме А могут работать усилительные каскады на биполярных транзисторах. А вот если осуществить фиксацию напряжения на базе, то можно использовать даже полевики. Только это будет фиксация напряжения не базы, а затвора (названия выводов у таких транзисторов другие). В схему вместо биполярного элемента устанавливается полевой, ничего переделывать не придется. Нужно только подобрать сопротивления резисторов.

Стабильностью такие каскады не отличаются, основные его параметры при работе нарушаются, причем очень сильно. Ввиду крайне плохих параметров такая схема не используется, вместо нее лучше на практике применить конструкции со стабилизацией цепей коллектора или эмиттера.

Стабилизация коллекторной цепи

При использовании схем усилительных каскадов на биполярных транзисторах со стабилизацией коллекторной цепи получается сохранить на его выходе около половины от значения напряжения питания. Причем происходит это в относительно большом диапазоне питающих напряжений. Делается это за счет того, что имеется отрицательная обратная связь.

Такие каскады получили широкое распространение в усилителях высоких частот - УРЧ, УПЧ, буферных устройствах, синтезаторах. Такие схемы применяются в передатчиках (включая мобильные телефоны). Сфера применения таких схем очень большая. Конечно, в мобильных схема реализуется не на транзисторе, а на составном элементе - один маленький кристалл кремния заменяет огромную схему.

Эмиттерная стабилизация

Эти схемы можно часто встретить, так как у них имеются явные преимущества - высокая стабильность характеристик (если сравнивать со всеми теми, о которых было рассказано выше). Причина - очень большая глубина обратной связи по току (постоянному).

Усилительные каскады на биполярных транзисторах, выполненные со стабилизацией эмиттерной цепи, используются в радиоприемниках, передатчиках, микросхемах для повышения параметров устройств.

Дифференциальные усилительные устройства

Дифференциальный усилительный каскад используется довольно часто, у таких устройств очень высокая степень устойчивости к помехам. Для питания таких устройств можно применять низковольтные источники - это позволяет уменьшить габариты. Дифусилитель получается, если соединить эмиттеры двух полупроводниковых элементов на одном сопротивлении. «Классическая» схема дифференциального усилителя представлена на рисунке ниже.

Такие каскады очень часто применяются в интегральных микросхемах, операционных усилителях, УПЧ, приемниках ЧМ-сигналов, радиотрактах мобильных телефонов, смесителях частот.

Двухтактные усилители

Двухтактные усилители могут работать в практически любом режиме, но чаще всего используется В. Причина - эти каскады устанавливаются исключительно на выходах устройств, а там нужно повышать экономичность, чтобы обеспечить высокий уровень КПД. Реализовать схему двухтактного усилителя можно как на полупроводниковых транзисторах с одинаковым типом проводимости, так и с разным. «Классическая» схема двухтактного представлена на рисунке ниже.

Независимо от того, в каком режиме работы усилительный каскад находится, получается существенно уменьшить количество четных гармоник во входном сигнале. Именно это является главной причиной широкого распространения такой схемы. Двухтактные усилители часто используются в КМОП-элементах и прочих цифровых элементах.

Схема с общей базой

Такая схема включения транзистора встречается относительно часто, она является четырехполюсником - два входа и столько же выходов. Причем один вход является одновременно и выходом, соединяется с выводом «база» транзистора. К ней подключается один вывод от источника сигнала и нагрузка (например, динамик).

Чтобы запитать каскад с общей базой, можно применить:

1. Схему фиксации тока базы.
2. Стабилизацию напряжения базы.
3. Коллекторную стабилизацию.
4. Эмиттерную стабилизацию.

Особенность схем с общей базой - очень низкое значение входного сопротивления. Оно равно сопротивлению эмиттерного перехода полупроводникового элемента.

Схема с общим коллектором

Конструкции такого типа тоже используются довольно часто, это четырехполюсник, у которого два входа и столько же выводов. Очень много сходств со схемой усилительного каскада с общей базой. Только в этом случае коллектор является общей точкой подключения источника сигнала и нагрузки. Среди преимуществ такой схемы можно выделить ее высокое сопротивление по входу. Благодаря этому она часто применяется в усилителях низких частот.

Для того чтобы запитать транзистор, необходимо использовать стабилизацию по току. Для этого идеально подходит эмиттерная и коллекторная стабилизация. Нужно учесть, что такая схема не может инвертировать входящий сигнал, не усиливает напряжение, именно по этой причине ее называют «эмиттерным повторителем». Такие схемы имеют очень большую стабильность параметров, глубина ОС по постоянному току (обратной связи) почти 100%.

Общий эмиттер

Усилительные каскады с общим эмиттером имеют очень большой коэффициент усиления. Именно с использованием таких схемных решений строятся высокочастотные усилители, используемые в современной технике - системах GSM, GPS, в беспроводных сетях Wi-Fi. У четырехполюсника (каскада) имеется два входа и столько же выходов. Причем эмиттер соединен одновременно с одним выводом нагрузки и источника сигнала. Для питания каскадов с общим эмиттером желательно использовать двухполярные источники. Но если это сделать невозможно, допускается использование однополярных источников, только добиться высокой мощности вряд ли получится.