Рис. 1 Двухкаскадный усилитель на транзисторах.

Действие усилителя в целом заключается в следующем. Электрический сигнал, поданный через конденсатор С1 на вход первого каскада и усиленный транзистором V1, с нагрузочного резистора R2 через разделительный конденсатор С2 поступает на вход второго каскада. Здесь он усиливается транзистором V2 и телефонами В1, включенными в коллекторную цепь транзистора, преобразуется в звук. Какова роль конденсатора С1 на входе усилителя? Он выполняет две задачи: свободно пропускает к транзистору переменное напряжение сигнала и предупреждает замыкание базы на эмиттер через источник сигнала. Представьте себе, что этого конденсатора во входной цепи нет, а источником усиливаемого сигнала служит электродинамический микрофон с малым внутренним сопротивлением. Что получится? Через малое сопротивление микрофона база транзистора окажется соединенной с эмиттером. Транзистор закроется, так как будет работать без начального напряжения смещения. Он будет открываться только при отрицательных полупериодах напряжения сигнала. А положительные полупериоды, еще больше закрывающие транзистор, будут им «срезаны». В результате транзистор станет искажать усиливаемый сигнал. Конденсатор С2 связывает каскады усилителя по переменному току. Он должен хорошо пропускать переменную составляющую усиливаемого сигнала и задерживать постоянную составляющую коллекторной цепи транзистора первого каскада. Если вместе с переменной составляющей конденсатор будет проводить и постоянный ток, режим работы транзистора выходного каскада нарушится и звук станет искаженным или совсем пропадет. Конденсаторы, выполняющие такие функции, называют конденсаторами связи, переходными или разделительными . Входные и переходные конденсаторы должны хорошо пропускать всю полосу частот усиливаемого сигнала - от самых низких до самых высоких. Этому требованию отвечают конденсаторы емкостью не менее 5 мкФ. Использование в транзисторных усилителях конденсаторов связи больших емкостей объясняется относительно малыми входными сопротивлениями транзисторов. Конденсатор связи оказывает переменному току емкостное сопротивление, которое будет тем меньшим, чем больше его емкость. И если оно окажется больше входного сопротивления транзистора, на нем будет падать часть напряжения переменного тока, большая, чем на входном сопротивлении транзистора, отчего будет проигрыш в усилении. Емкостное сопротивление конденсатора связи должно быть по крайней мере в 3 - 5 раз меньше входного сопротивления транзистора. Поэтому - то на входе, а также для связи между транзисторными каскадами ставят конденсаторы больших емкостей. Здесь используют обычно малогабаритные электролитические конденсаторы с обязательным соблюдением полярности их включения. Таковы наиболее характерные особенности элементов двухкаскадного транзисторного усилителя НЧ. Для закрепления в памяти принципа работы транзисторного двухкаскадного усилителя НЧ предлагаю собрать, наладить и проверить в действии нижеприведенные простейшие варианты схем усилителей. (В конце статьи будут предложенны варианты практической работы, сейчас нужно собрать макет простейшего двухкаскадного усилителя для того чтобы оперативно можно было отслеживать на практике теоритические утверждения).

Простые, двухкаскадные усилители

Принципиальные схемы двух вариантов такого усилителя изображены на (рис. 2). Они, по существу, являются повторением схемы разобранного сейчас транзисторного усилителя. Только на них указаны данные деталей и введены три дополнительных элемента: R1, СЗ и S1. Резистор R1 - нагрузка источника колебаний звуковой частоты (детекторного приемника или звукоснимателя); СЗ - конденсатор, блокирующий головку В1 громкоговорителя по высшим звуковым частотам; S1 - выключатель питания. В усилителе на (рис. 2, а) работают транзисторы структуры р - n - р, в усилителе на (рис. 2, 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.

Рис. 2 Двухкаскадные усилители НЧ на транзисторах структуры p - n - p (a) и на транзисторах структуры n - p - n (б).

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. Для питания усилителя используте батарею 3336Л (в народе называют - квадратная батарея) илисетевой блок питания (который предлагалось изготовить в 9 - ом уроке). Предварительно усилитель соберите намакетной плате , после чего перенесете его детали на печатную плату, если возникнет такое желание. Сначала на макетной плате смонтируйте детали только первого каскада и конденсатор С2. Между правым (по схеме) выводом этого конденсатора и заземленным проводником источника питания включите головные телефоны. Если теперь вход усилителя соединить с выходными гнездами например: детекторного приемника, настроенного на какую - либо радиостанцию, или подключить к нему любой другой источник слабого сигнала, в телефонах появится звук радиопередачи или сигнал подключенного источника. Подбирая сопротивление резистора R2 (так же, как при подгонке режима работы однотранзисторного усилителя, о чем я рассказывал в 8 - ом уроке ), добейтесь 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 для данного транзистора. Затем смонтируйте детали второго (выходного) каскада усилителя, телефоны включите 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, 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 вам придется иметь дело в основном именно с такими усилителями, он единственно правильный. Надеюсь, вы поняли, 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. С капсюлем ДЭМ-4м, сопротивление которого 60 Ом, ток покоя транзистора каскада надо увеличить (уменьшением сопротивления резистора R4) до 4 - 6 мА. Принципиальная схема третьего варианта двухкаскадного усилителя показана на (рис. 3). Особенностью этого усилителя является то, что в первом его каскаде работает транзистор структуры p - n - р, а во втором - структуры n - p - n. Причем база второго транзистора соединена с коллектором первого не через переходной 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, КТ3102) - 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 "Крона", или, наоборот, от источника напряжением 1,5 - 3 В - от одного - двух элементов 332 или 316? 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.

Рис. 3 Усилитель на транзисторах разной структуры.

Смонтировать детали налаженного усилителя на постоянной плате - дело несложное. Для примера на (рис. 4) показана монтажная плата усилителя первого варианта (по схеме на рис. 2, а). Плату выпилите из листового гетинакса или стеклотекстолита толщиной 1,5 - 2 мм. Ее размеры, указанные на рисунке, примерные и зависят от габаритов имеющихся у вас деталей. Например, на схеме мощность резисторов 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 К5О - 3 или К52 - 1, показанных на монтажной плате, могут быть конденсаторы К50 - 6 или импортные аналоги, к тому же на большие номинальные напряжения. В зависимости от имеющихся у вас деталей может измениться и печатная плата усилителя. О приемах монтажа радиоэлеметов, в том числе и печатном монтаже можно прочитать в разделе"радиолюбительские технологии" .

Рис. 4 Монтажная плата двухкаскадного усилителя НЧ.

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

Чем проще конструкция, тем больше в ней простора для творчества. Схема двухкаскадного усилителя вылизана до блеска, но вы можете «приправить» звучание по собственному вкусу.

СВЯТАЯ ПРОСТОТА

Этот материал, в отличие от большинства других, редакцией не заказывался, а пришел «самотеком» по e-mail. Поэтому традиционного представления автора - с портретом и комплиментами - не будет. Уверены, что по прочтении оного в вашем воображении портрет нарисуется сам собой, а уж насчет комплиментов решайте сами.

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.

Под детальностью я подразумеваю передачу тонких оттенков тембров, реверберации, естественности затухания звуков, послезвучия… Она же, детальность, проявляется в натуральности передачи и естественности динамики хорошо знакомых нам звуков, впитанных нами с детства.

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.

В первую очередь, это анодный резистор первого каскада и межкаскадный конденсатор. Ну, и остальные компоненты тоже что-то значат…

Часть 1

Вот и начали! Входной сигнал поступает на сетку лампы Л1 через антизвонный дроссель Др1. Выбор дросселя вместо традиционного резистора объясняется, прежде всего, его лучшими звуковыми свойствами в сравнении с обычным резистором. Также следует отметить, что лампа 6С17К проявляет неустойчивость на ВЧ. Дроссель устраняет автогенерацию, не внося заметных искажений. Конечно, применение обычного резистора 1 кОм эту проблему тоже снимает, но слегка портит звук.

Первый каскад построен по схеме с фиксированным смещением. Построение схемы определялось следующим «техзаданием»:

Отказ от шунтирующего конденсатора в цепи катода;

Отказ от нежелательной ООС в той же цепи через «классический» резистор;

Отказ от первого переходного конденсатора;

Работа от источника музыкального сигнала с нулевой постоянной составляющей на выходе.

Таким образом, нельзя было возложить задачу организации сеточного смещения на источник сигнала. Была разработана и опробована схема с катодным резистором очень маленького номинала (от долей до единиц Ом), необходимое падение напряжения на котором получалось не за счет тока катода лампы, как в классической схеме, а за счет подачи на этот резистор большого тока от отдельного источника. На практике таким источником явился стабилизатор накала +6,5 В.

Первоначально нужный ток задавался внешним резистором, номинал которого определялся из необходимого напряжения смещения на катоде. В конкретной же схеме оказалось возможным воспользоваться током накала самой лампы 6С17К-В (300 мА), тем более что один из выводов нити накала соединяется с катодом внутри лампы. Было много сомнений по поводу качества работы схемы, были опасения по поводу пролезания помех из стабилизатора накала в усиливаемый сигнал, но всё оказалось хорошо.

Стабилизатор накала не представляет собой ничего особенного: мостовой выпрямитель на диодах с малым падением напряжения, электролитический конденсатор 10000 мкФ/16 В и стабилизатор 7806 с кремниевым диодом, соединенный последовательно с общим выводом для повышения напряжения с 6 до 6,5 В.

Звучание оказалось однозначно лучше, чем в схемах с сеточным входным и/или шунтирующим катодным конденсатором независимо от качества этих конденсаторов. В течение года я два раза возвращался к «классическим» схемам с конденсаторами в указанных местах и всегда убеждался в их ущербности.

Нежелательная ООС на катодном резисторе также практически отсутствует благодаря малости его номинала.

Не стану настаивать на абсолютной новизне этого решения, но пусть кинет в меня камень тот, кто найдет другую схему усилителя с таким вот выкрутасом!

Часть 2

Лампы на входе в принципе при «обычных» условиях можно использовать любые с небольшим напряжением смещения. Ток смещения в этом случае лучше задавать отдельным резистором, а не прогонять его через накал, как это сделано у меня. Но на звучании это не скажется - проверено. Я перепробовал всевозможные лампы, начиная от 6С2П, 6С3П и кончая экзотикой типа нувисторов 6С53Н или сверхминиатюрных триодов, но усиления всё равно остро не хватало. Попутно я выяснил, что разрекламированная лампа 6С45П в самом деле не так уж и хороша - звук мутный и смазанный. А вот 6С3(4)П замечательна, а нувисторы просто великолепны! По опыту друзей и знакомых могу также сказать, что для 2С4С с традиционным входом можно остановиться на 6Ж4 (зарубежные аналоги - 6АС7, 6F10, 6AJ7) в триодном включении и межкаскадном трансформаторе.

Можно и с большим смещением, типа 6H8C, но напряжение вспомогательного источника придется поднять вольт до 30, что неудобно.

Мой же окончательный выбор лампы для входного каскада был обусловлен несколькими требованиями. Во-первых, хотелось ограничиться простой двухкаскадной схемой усилителя. Во-вторых, получить при этом чувствительность не хуже 0,15 - 0,2 В, поскольку предполагалась работа входного каскада усилителя непосредственно с сигналом, пришедшим с токового выхода ЦАПа.

ЦАП очень простой: преобразователь AD1860, токовый выход которого идет на резистор 619 Ом. Именно этот резистор обозначен на схеме как R1. Без фильтров. Коробка ДАКа (бывший DAC-in-BOX Audio Alchemy) размещена прямо в корпусе усилителя, провода из коробки выведены к входной лампе, и тут же распаян резистор R1. Идея была такая: как можно дальше уйти от ЦАПа током, чтобы быть нечувствительным к нелинейностям контактов и паек, и распаять резистор преобразователя I-U прямо у входной лампы. Кстати, резистор безвыводной типа С6-9 размерами примерно 1 х 1 х 1,5 мм.

И тут в справочнике обнаружилась ранее мне неведомая лампа 6С17К-В. Сначала я пролистнул её не глядя, решив, что это очередное генераторное изделие с «правой» характеристикой. К тому же соединение накала и катода внутри баллона делало её непригодной практически для всех стандартных включений, чем и объясняется, видимо, её полное отсутствие в звукоусилительных схемах. Невозможность установки этой лампы в панельку, видимо, также отпугивала от неё усилителестроителей. И последний гвоздь в крышку был забит смехотворной цифрой наработки 200 часов, если верить справочнику.

Но потом разум возобладал, и выяснились следующие вещи:

1. Лампа идеально подходит к моей схеме организации смещения.
2. Коэффициент усиления порядка 150 - 180 позволяет добиться вожделенной чувствительности при двух каскадах.
3. Долговечность по вкладышу к этой лампе в действительности составляет 2000 часов, а с учетом недогрузки её по мощности (1,2 Вт при максимальных 2-х) и пониженного напряжения накала (5,7 В, как нетрудно вычислить, глядя на схему), можно ожидать, что её ресурс окажется не хуже, чем у электролитических конденсаторов.
4. Прямой монтаж благотворно сказывается на звуке из-за отсутствия лишних контактов, проводов и паек.
5. В реальной схеме лампа весьма линейна, и конкретно в моей схеме имеется запас в 6 - 8 дБ по перегрузке до появления слышимых искажений. Тем более об этом можно судить при таком, как у меня, включении регулятора громкости, но это некоторое забегание вперед.
6. Имеется ложечка дегтя: у ламп большой разброс по параметрам…
7. …но ещё ведро мёда: лампа не страдает микрофонным эффектом, несмотря на большую крутизну (10 мА/В) и коэффициент усиления под две сотни.

Да, с винилом она не потянет, да и с хорошим магнитофоном тоже - нет запаса по входу. Даже, в общем-то, впритык, и для ЦАПа и усиление бешеное. А есть еще входные трансы… Но, несмотря на кажущуюся хилость 6С17К-В в качестве драйвера, все обстоит гораздо лучше, чем можно было предположить. Неустойчивости режима 2С4С мною не замечено. Выходное сопротивление регулятора громкости - максимум 25 кОм в среднем положении, достаточно малая величина. Да и никто не мешает уменьшить резистор утечки хоть в десять раз с соответствующим увеличением межкаскадной емкости. В конце концов, речь идет о конкретной и рабочей схеме.

Так что моя попытка создать «шведскую семью» между 6С17К-В, ЦАПом и 2С4С оказалась вполне успешной! И вот сейчас, пока вы читаете эти строки, все работает себе замечательно. Причем без слышимых искажений, несмотря на полный размах на входе. Каждый вечер слушаю. Вероятно, справочные данные и реальность, как и в Одессе, это две большие разницы.

Впрочем, ещё раз повторю, что, если не требуется такое усиление, вполне можно поставить что-нибудь более традиционное, почти не меняя схему. Если кто-то из вас соберется ею воспользоваться, он, разумеется, внесет в неё изменения в соответствии со своим видением и запросами. В таком случае лучше перенести регулятор громкости на привычное место - на вход. И все дела - пойдет с любым источником!

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:

1. 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.
2. 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.
3. 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.

Фирма «ЭРАудио» (бывш.«НЭМ»), г. Новосибирск. - Прим. ред.

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».

Возможно, следовало бы применить серию «K/FK» конденсаторов Black Gate, специально предназначенную для использования в аудиоцепях и отличающуюся низкими шумами менее 150 дБ. - Прим. ред.

«Эзотерический» разогрев конденсатора связан, прежде всего, с процессом формовки, который происходит каждый раз в той или иной степени после подачи напряжения на электроды. - Прим. ред.

Почему это так, можно посмотреть у Клауса (www.klausmobile. narod.ru). У него есть ссылка на исследования нелинейностей и потерь конденсаторов, где очень наглядно показано, насколько (во сколько раз!) улучшаются характеристики электролитических конденсаторов при нагреве.

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…

Часть 4

С регулятора громкости через разделительный конденсатор С4 сигнал поступает на сетку 2С4С. Антизвонный резистор отсутствует, поскольку мои эксперименты показали его полную ненужность. Построение второго каскада не имеет особенностей, разве что вместо мощного переменного резистора для организации искусственной средней точки в катоде для минимизации фона применены два постоянных резистора. Опыт показал, что вполне достаточно использовать постоянные резисторы с допуском не хуже 1%. Высокое качество такого решения очевидно, и проблем с фоном, по крайней мере, с 2С4С, не наблюдается.

Тип резисторов здесь не очень критичен. Они могут быть проволочными, металлопленочными прецизионных типов. Надо избегать лишь углерода и всяких МЛТ. Малый номинал при малом же коэффициенте усиления и крутизне 2С4С не создают существенной ООС на этих резисторах, что, в свою очередь, не требует применения специальных мер для удавления этой ООС.

Можно заметить, что лампы в моей схеме используются с некоторой перегрузкой по мощности на аноде. Это от жадности, не обращайте внимания, тем более что за год с лишним лампам ничего не сделалось.

Резисторы R8, R9 и R10 предназначены для отсечения от усилителя возможных нелинейностей выходных конденсаторов блока питания. Опять же это объясняется образованием делителя, состоящего из внутреннего сопротивления Black Gate в усилителе (не более десятков мОм) и собственно вышеуказанных резисторов. Кроме того, эти резисторы существенно ослабляют индуктивные помехи, которые могут появляться при образовании внешних замкнутых петель соединительных проводов. Специальных экспериментов по выявлению влияния этих резисторов на звучание я пока не проводил.

В конце малоутомительного пути сигнал с анода 2С4С попадает на первичку выходного трансформатора, из особенностей которого можно отметить лишь исключительно высокое качество и очень «плохую» цену. Качество его я оцениваю очень просто: он совершенно «прозрачен» для звука, его присутствие в тракте незаметно. Любые, даже самые незначительные изменения в схеме, включая лишние пайки и даже перемещение монтажного провода, сразу становятся слышны в моих АС.

Если внимательно посмотреть на схему, то можно заметить, что общий провод накала первого каскада и общий вывод конденсаторов С6 + С7 не присоединяются непосредственно к общей точке. Это не случайно, но о причинах пока умолчу. Должны же остаться какие-то тайны…

О вкусной и здоровой пище

Блок питания я сделал выносной с раздельным питанием накала, предварительных цепей и оконечного каскада. Он присоединяется к усилителю через громадный армейский разъём с посеребрёнными пластинчатыми контактами. Все основные напряжения блока, кроме накальных, регулируются, для чего применены простейшие стабилизаторы на полевых высоковольтных транзисторах. Да не ругайтесь вы, что БП диодный! Зато с принятыми мерами по помехоподавлению вообще и снижению помех от диодов в частности.

«…Если у тебя раздельные источники питания для первого и второго каскада, то можно довольно просто обойтись и без разделительного конденсатора. Цепляешь сетку выходной лампы прямо на анод входной (там постоянный потенциал +200 вольт), а от слаботочного источника питания - от которого питается первый каскад, - с помощью высокоомного резистивного делителя получаешь потенциал +245 вольт, и к этой точке цепляешь катод первой лампы. Мощное же питание, благо оно изолировано, цепляешь минусом на катод выходной лампы, а плюсом - на «холодный» конец трансформатора. В результате избавляешься от переходного конденсатора и всей цепи фиксированного смещения. Добавляется два резистора и высоковольтный (к сожалению) конденсатор, шунтирующий «земляное» плечо резистивного делителя. Примененный тобой способ регулирования громкости уместен и в данной конфигурации». - Прим. сочувствующего Андрея из Интернета.

На выходе БП стоят «мягкие» стабилизаторы по простейшей схеме: полевик в режиме повторителя, в цепи затвора - полупроводниковый стабилитрон. Выход стабилитрона через последовательный резистор подцеплен на большую емкость, присоединенную вторым концом к общему проводу - она дает плавный старт и добивает возможные пульсации-помехи-шумы. Параллельно конденсатору стоит переменный резистор, движок которого и подключен к затвору. Всё!

Диоды выпрямителя импульсные высоковольтные. Сюда подойдут любые, предназначенные для импульсных блоков питания с допустимым обратным напряжением не меньше утроенного выпрямленного. Сейчас на любом радиорынке всё это легко найти. Конкретно К20-39 просто были под рукой.

Последовательно с диодами стоят резисторы 10 Ом, параллельно диодам (параллельно каждому) керамическая емкость 0,1мкФ. На входе выпрямителя расположена емкость 0,1 мФ, на выходе - 1,0 мкФ.

Накальный трансформатор - ТПП 304, анодный слабосильный (для питания предварительного каскада) - ТА 84-220-50, анодный сильносильный - ТС180. Анодные трансформаторы включены в сеть через помехоподавляющий фильтр. В результате усилитель получился совершенно нечувствительным к помехам от сети, даже к щелчкам старого холодильника.

Выковырян из монитора, представляет собой C-L-C фильтр.

В планах у меня заказ либо покупка фирменных забугорных трансформаторов, а то отечественные изделия не вызывают доверия - гудят.

Можно и заказные «Электрон-Комплекс» попробовать. - Прим. ред.

Конечно же, мною был изготовлен макет блока питания на кенотронах 5Ц3С и 6Ц4П. Ну куда же я без этого! Как это ни крамольно, но в моей схеме он не показал заметных преимуществ перед полупроводниковым БП. Возможно, дело в том, что в обоих БП использовались большие выходные емкости по 470мкФ, а от помех диодного моста мне удалось эффективно избавиться. К тому же стабилизатор, будучи просто истоковым повторителем, совершенно равнодушен к переменчивости нагрузки. Так что пришлось засунуть кенотронный БП подальше и забыть про него, поскольку напряжение в розетке у меня свободно разгуливает от 170 до 220 В. В любом случае благодаря нашей военной промышленности смена блоков занимает минуту.

Часть 5

В звуковом отношении схема оказалась весьма чувствительна к качеству монтажа и количеству паек, причем настолько, что пришлось катодную цепь радикально минимизировать: катодный резистор одним выводом припаян прямо к ножке лампы, другим - к общей точке схемы. Монтаж входного каскада и цепей регулятора громкости сделан серебряной моножилой Jensen диаметром 0,8 мм. Все остальные цепи - медным проводом.

Также данная схема весьма чувствительна к типу катодного резистора. Углеродные, в том числе и БЛП, здесь оказались просто отвратительны, проволочные удовлетворительны, но не более того. ПТМН мне вообще не очень понравились, хотя набрал я их для экспериментов чудовищное количество. Как настроечный же элемент для получения желаемой окраски звука усилителя в целом катодный резистор непригоден.

Анодный резистор первого каскада - вот идеальный элемент для необходимой подкраски звука усилителя! Выбор типа этого резистора оказывает прямое влияние на звук.

Сейчас у меня это танталовый фольговый резистор, но я так и не смог сделать окончательный выбор между ним и Riken Ohm. Звук у них разный: Riken Ohm дает очень красивый окрас середины, какую-то особую динамику, смягчая верх и чуть смазывая детальность, а тантал стерилен и очень детален.

Как раз с танталовыми резисторами меня и подстерегла засада. Примерно год назад, излившись в Интернете (www.dvdworld.ru/cgi-bin/audiobbs.pl) мыслями по поводу звуковых качеств разных резисторов, я забраковал тантал. Но позднейшие мои изыскания показали, что это была ловушка, от попадания в которую я сам же и предостерегал. Дело в том, что хороший компонент может показаться «плохим», если в результате его установки в схему проявятся недостатки других узлов тракта. И резкость звука, которая мне тогда казалась свойством тантала, в действительности оказалась недостатком моего тогдашнего ЦАПа. Сейчас же справедливость восторжествовала, но звук Riken Ohm мне всё равно нравится.

В утечку первого каскада лучше что-нибудь пленочное - хорошее и прецизионное. Про прецизионные резисторы я говорю не случайно. Обычно это означает повышенное качество резистора вообще. (Во втором каскаде не так критично - можно и пленку, и углерод.) Подозреваю, что фольговые танталовые или медные будут еще лучше, но пока я не смог найти их на столь малые номиналы. Наилучшими здесь пока оказались отечественные С2-10.

С2-10 являются высокочастотными точными, что хорошо видно при внешнем осмотре. Основные признаки:

• Блестящие не закрашенные колпачки.
• На проводящем слое отсутствуют спиральные канавки - безындуктивность.
• Присутствуют следы подгонки - продольные пропилы, сделанные алмазным диском.
• Некоторые резисторы имеют темный синеватый металлический оттенок покрытия проводящего слоя.

Что касается выбора конденсатора С4, то моя остановка на ФТ определяется просто - это лучшее, из того, что я пробовал. По ФТ могу сказать то же, что и по танталовым резисторам: нейтральность и детальность без яда и резкости. Не буду утверждать, что они лучшие вообще. Например, очень хочу попробовать знаменитые медные конденсаторы Jensen (бумага - масло), о которых весьма положительно отзывались С. Рубцов и О. Хавин. Как у нас говорят: «Будут деньги - будет и медь с маслом!».

Прослушивались же такие конденсаторы: МБМ, К40-У9, К73, К71 - всё очень плохо! MultiCap RTX и PPFX, алюминиевый Jensen (бумага - масло) 1973 года , ССГ, К31 - сносно, но не более.

Неудача с Jensen, вероятно, вызвана тем, что они были старые и чисто электротехнические, несмотря на то, что выдраны из какого-то Audio Note.

Если вы задумали строить усилитель, то затраты на выходные трансформаторы настоятельно рекомендую планировать следующим образом:

1. Располагая энной суммой под построение усилителя и имея намерение потратить её более-менее сразу, на трансформаторы отложите половину и никак не меньше.
2. Если вы планируете потратить энную сумму в течение длительного времени (постепенная доводка), то повысьте стоимость трансов до двух третей этой суммы. Постепенно тратить легче.

Выходные трансформаторы (да и любые трансформаторы вообще!) не бывают слишком хорошими, просто бывает мало денег. Если даже в хорошей и «правильной» схеме поставить дешевое железо - чуда не случится, она не заиграет так, как могла бы. Трансформатор - сердце усилителя.

К сожалению, серьезная технология изготовления качественных трансформаторов, особенно для однотактных усилителей, за 80 последних лет не придумала дешевых решений. Так что не советую вам тешить себя надеждой намотать качественный выходной трансформатор самому на кухне. К тому времени, когда они станут у вас получаться более-менее сносными, уже наступят возрастные болезни, в том числе и ухудшение слуха.

Изготовление по-настоящему хороших трансформаторов под силу слаженным коллективам, например, нашим родным «ЭРАудио» из Новосибирска либо иноземным дядькам из Tamura-Magnequest-Sowter’ов и др. При этом ещё раз хочу напомнить историю о том, что трансформаторы Tango перестали выпускаться по причине преклонного возраста делавших их японских дедушек, которые так и не смогли передать накопленный опыт молодому поколению.

В настоящее время трансформаторы Tango продолжают выпускаться в Японии, но уже другим «коллективом авторов». Их номенклатура поредела более чем на две трети, а дорогие и качественные однотактные модели из неё исчезли совсем. Трансформаторы Tango прежних лет в настоящее время постепенно переходят в разряд антиквариата, в том числе и по цене. - Прим. ред.

Final

Если редакция сочтет возможным , то продолжение последует! В этом случае я планирую рассказать предысторию и дать несколько пройденных вариантов схем, схему фиксированного смещения выходного каскада. Подумаю также над оптимальной комплектацией усилителя, исходя из разных бюджетов.

Уже сочла. - Прим. ред.

Таблица 1

Детали усилителя
R1	100 k	1/4 w	С2-10
R2	33 k	2 w	Audio Note tantal, Riken Ohm, Kiwame, Allen Bradley
R3	2,7 Ohm 2 w	С2-10
R4	100 k		ALPS RK40112 «Black Beauty»
R5	1 m	1/4 w	С-2-10, Holco, Audio Note tantal, Riken Ohm
R6, R7	5 Ohm	5 w	С2-10
R8, R9	15 Ohm	2 w
R10	10 Ohm	1 w	Audio Note tantal, Riken Ohm, Allen Bradley
Конденсаторы
С1,С2	100 + 100 мкФ х 500 В		Black Gate WKZ
С3, С4	0,22 мкФ х 600 В		ФТ-2 фторопласт
С5	0,47 мкФ х 200В		MultiCap RTX
С6,С7	100 + 100 мкФ х 500 В		Black Gate WKZ
Лампы
VL1	6C17К-В		металлокерамический триод
VL2	2C4C		прямонакальный триод
Моточные узлы
Др1 - 10 витков провода Jensen 0,8 мм (серебро, моножила), диаметр намотки 5 мм
Т1 - Tango X5-S

Выходные каскады на базе " двоек "

В качестве источника сигнала будем использовать генератор переменного тока с перестраиваемым выходным сопротивлением (от 100 Ом до 10,1 кОм) с шагом 2 кОм (рис. 3). Таким образом, при испытаниях ВК при максимальном выходном сопротивлении генератора (10,1 кОм) мы в какой - то степени приблизим режим работы испытуемых ВК к схеме с разомкнутой ООС, а в другом (100 Ом) - к схеме с замкнутой ООС.

Основные типы составных биполярных транзисторов (БТ) показаны на рис. 4. Наиболее часто в ВК используется со ставной транзистор Дарлингтона (рис. 4 а) на базе двух транзисторов одной проводимости (" двойка " Дарлингтона), реже - составной транзистор Шиклаи (рис. 4б) из двух транзисторов разной проводимости с токовой отрицательной ОС, и еще реже - составной транзистор Брайстона (Bryston , рис. 4 в).
" Алмазный " транзистор - разновидность составного транзистора Шиклаи - показан на рис. 4 г. В отличие от транзистора Шиклаи, в этом транзисторе благодаря " токовому зеркалу " ток коллекторов обоих транзисторов VT 2 и VT 3 практически одинаков. Иногда транзистор Шиклаи используют с коэффициентом передачи больше 1 (рис. 4 д). В этом случае K П =1+ R 2/ R 1. Аналогичные схемы можно получить и на полевых транзисторах (ПТ).

1.1. Выходные каскады на базе " двоек ". " Двойка " - это двухтактный выходной каскад с транзисторами, включенными по схеме Дарлингтона, Шиклаи или их комбинации (квазикомлементарный каскад, Bryston и др.). Типовой двухтактный выходной каскад на " двойке " Дарлингтона показан на рис. 5. Если эмиттерные резисторы R3, R4 (рис. 10) входных транзисторов VT 1, VT 2 подключить к противоположным шинам питания, то эти транзисторы будут работать без отсечки тока, т. е. в режиме класса А.

Посмотрим, что даст спаривание выходных транзисторов для двойки " Дарлингт она (рис. 13).

На рис. 15 приведена схема ВК, использованная в одном из професс и ональных усилителей.

Менее популярна в ВК схема Шиклаи (рис. 18) . На первых порах развития схемотехники транзисторных УМЗЧ были популярны квазикомплементарные выходные каскады, когда верхнее плечо выполнялось по схеме Дарлингтона, а нижнее - по схеме Шиклаи. Однако в первоначальной версии входное сопротивление плеч ВК несимметрично, что приводит к дополнительным искажениям. Модифицированный вариант такого ВК с диодом Баксандалла, в качестве которого использован базо - эмиттерный переход транзистора VT 3, показан на рис. 20.

Кроме рассмотренных " двоек ", есть модификация ВК Bryston , в которой входные транзисторы эмиттерным током управляют транзисторами одной проводимости, а коллекторным током - транзисторами другой проводимости (рис. 22). Аналогичный каскад может быть реализован и на полевых транзисторах, например, Lateral MOSFET (рис. 24) .

Гибридный выходной каскад по схеме Шиклаи с полевыми транзисторами в качестве выходных показан на рис. 28 . Рассмотрим схему параллельного усилителя на полевых транзисторах (рис. 30).

В качестве эффективного способа повышения и стабилизации входного сопротивления " двойки " предлагается использовать на ее входе буфер, например, эмиттерный повторитель с генератором тока в цепи эмиттера (рис. 32).

Из рассмотренных " двоек " наихудшим по девиации фазы и полосе пропускания оказался ВК Шиклаи. Посмотрим, что может дать для такого каскада применение буфера. Если вместо одного буфера использовать два на транзисторах разной проводимости, включенных параллельно (рис. 35) , то можно ожидать дальнейшего улучшения пара метров и повышения входного сопротивления. Из всех рассмотренных двухкаскадных схем наилучшим образом по нелинейным искажениям показала себя схема Шиклаи с полевыми транзисторами. Посмотрим, что даст установка параллельного буфера на ее входе (рис. 37).

Параметры исследованных вы ходных каскадов сведены в табл. 1 .

Анализ таблицы позволяет сделать следующие выводы:
- любой ВК из " двоек " на БТ как нагрузка УН плохо подходит для работы в УМЗЧ высокой верности;
- характеристики ВК с ПТ на вы ходе мало зависят от сопротивления источника сигнала;
- буферный каскад на входе любой из " двоек " на БТ повышает входное сопротивление, снижает индуктивную составляющую выхода, расширяет полосу пропускания и делает параметры независимыми от выходного сопротивления источника сигнала;
- ВК Шиклаи с ПТ на выходе и параллельным буфером на входе (рис. 37) имеет самые высокие характеристики (минимальные искажения, максимальную полосу пропускания, нулевую девиацию фазы в звуковом диапазоне).

Выходные каскады на базе " троек "

В высококачественных УМЗЧ чаще используются трехкаскадные структуры: " тройки " Дарлингтона, Шиклаи с выходными транзисторами Дарлинг тона, Шиклаи с выходными транзис торами Bryston и другие комбинации. Одним из самых популярных вы ходных каскадов в настоящее вре мя является ВК на базе составно го транзис тора Дарлингтона из трех транзисторов (рис. 39). На рис. 41 показан ВК с разветвлением каскадов: входные повторители одновременно работают на два каскада, которые, в свою очередь, также работают на два каскада каждый, а третья ступень включена на общий выход. В результате, на выходе такого ВК работают счетверенные транзисторы.

Схема ВК, в которой в качестве выходных транзисторов использованы составные транзисторы Дарлингтона, изображена на рис. 43. Параметры ВК на рис.43 можно существенно улучшить, если включить на его входе хорошо зарекомендовавший себя с " двойками " параллельный буферный каскад (рис. 44).

Вариант ВК Шиклаи по схеме на рис. 4 г с применением составных транзисторов Bryston показан на рис. 46 . На рис. 48 показан вариан т ВК на транзисторах Шиклаи (рис.4 д) с коэффициентом передачи около 5, в котором входные транзисторы работают в классе А (цепи термоста билизации не показаны).

На рис. 51 показан ВК по структуре предыдущей схемы только с единичным коэффициентом передачи. Обзор будет неполным, если не остановиться на схеме выходного каскада с коррекцией нелинейности Хауксфорда (Hawksford), приведенной на рис. 53 . Транзисторы VT 5 и VT 6 - составные транзисторы Дарлингтона.

Заменим выходные транзисторы на полевые транзисторы типа Lateral (рис. 57

По вышению надежности усилите лей за счет исключения сквозных то ков, которые особенно опасны при кли пировании высокочастотных сиг налов, способствуют схемы антинасыщения выходных транзисторов. Варианты таких решений показаны на рис. 58. Через верхние диоды происходит сброс лишнего тока базы в коллектор транзистора при прибли жении к напряжению насы щен ия. На пряжение насыщения мощных транзисторов обычно находится в пределах 0,5...1,5 В, что примерно совпадает с падением напряжения на базо-эмиттерном переходе. В первом варианте (рис. 58 а) за счет дополнительного диода в цепи базы напряжение эмитте р - коллектор не доходит до напряжения насыщения пример но на 0,6 В (падение напряжения на диоде). Вторая схема (рис. 58б) требует подбора резисторов R 1 и R 2. Нижние диоды в схемах предназначены для быстрого выключения транзисторов при импульсных сигналах. Аналогичные решения применяются и в силовых ключах.

Часто для повышения качества в УМЗЧ делают раздельное питание, повышенное, на 10...15 В для входного каскада и усилителя на пряжения и пониженное для вы ходного каскада. В этом случае во избежание выхода из строя выходных транзисторов и снижения перегрузки предвыходных необходимо использовать защитные диоды. Рассмотрим этот вариант на примере модификации схемы на рис. 39. В случае повышения входного напряжения выше на пряжения питания выходных транзисторов открываются дополнительные диоды VD 1, VD 2 (рис. 59), и лишний ток базы транзисторов VT 1, VT 2 сбрасывается на шины питания оконечных транзисторов. При этом не допускается повышения входного на пряжения выше уровней питания для выходной ступени ВК и снижается ток коллектора транзисторов VT 1, VT 2.

Схемы смещения

Ранее, с целью упрощения, вместо схемы смещения в УМЗЧ использовался отдельный источник напряжения. Многие из рассмотренных схем, в частности, выходные каскады с параллельным повторителем на входе, не нуждаются в схемах смещения, что является их дополнительным достоинством. Теперь рассмотрим типовые схе мы смещения, которые представлены на рис. 60 , 61 .

Генераторы стабильного тока. В современных УМЗЧ широко используется ряд типовых схем: диф ференциальный каскад (ДК), отражатель тока (" токовое зеркало "), схема сдвига уровня, каскод (с последова тельным и параллельным питанием, последний также называют " лома ным каскодом "), генератор стабильного тока (ГСТ) и др. Их правильное применение позволяет значительно повысить технические характеристики УМЗЧ. Оценку параметров основных схем ГСТ (рис. 62 - 6 6) сделаем с помощью моделирования. Будем исходить из того, что ГСТ является нагрузкой УН и включенпараллельно ВК. Исследуем его свойства с помощью методики, аналогичной исследованиям ВК.

Отражатели тока

Рассмотренные схемы ГСТ - , это вариант динамической нагрузки для однотактного УН. В УМЗЧ с одним дифференциальным каскадом (ДК) для организации встречной динамической нагрузки в УН используют структуру " токового зеркала " или, как его еще называют, " отражателя тока " (ОТ). Эта структура УМЗЧ была характерна для усилителей Холтона, Хафлера и др. Основные схемы отражателей тока приведены на рис. 67 . Они могут быть как с единичным коэффициентом передачи (точнее, близким к 1), так и с большим или меньшим единицы (масштабные отражатели тока). В усилителе напряжения ток ОТ находится в пределах 3...20 мА: Поэтому испытаем все ОТ при токе, например, около 10 мА по схеме рис. 68.

Результаты испытаний приве дены в табл. 3 .

В качестве примера реального усилителя предлагается схема усилителя мощности S. BOCK , опубликованная в журнале Радиомир, 201 1 , № 1, с. 5 - 7; № 2, с. 5 - 7 Radiotechnika №№ 11, 12/06

Целью автора было построение усилителя мощности, пригодного как для озвучивания " пространства " во время прадничных мероприятий, так и для дискотек. Конечно, хотелось, чтобы он умещался в корпусе сравнительно небольших габаритов и легко транспортировался. Еще одно требование к нему - легкодоступность комплектующих. Стремясь достичь качества Hi - Fi , я выбрал комплементарно - симметричную схему выходного каскада. Максимальная выходная мощность усилителя была задана на уровне 300 Вт (на нагрузке 4 Ом). При таком мощности выходное напряжение составляет примерно 35 В. Следовательно для УМЗЧ необходимо двухполярное питающее напряжение в пределах 2x60 В. Схема усилителя приведена на рис. 1 . УМЗЧ имеет асимметричный вход. Входной каскад образуют два дифференциальных усилителя.

А. ПЕТРОВ, Радиомир, 201 1 , №№ 4 - 12

Двухкаскадный усилитель с RC-связью между каскадами представлен на рис.11. Резисторно-ёмкостная связь является наиболее широко распространённой в усилителях переменного напряжения. Ее недостаток – ограничение нижних частот. Если усилитель должен усиливать низкие частоты, емкость разделительных конденсаторов получается большой. Схема двухкаскадного усилителя с RC- связью между каскадами. Транзисторы Q1 и Q2 работают в режиме класса А, задаваемом цепями смещения R1-R9 и R2-R7 соответственно. Эти два каскада изолированы друг от друга с помощью разделительного конденсатора

Рис. 11. Двухкаскадный усилитель

Общий коэффициент передачи усилителя приблизительно равен произведению коэффициентов усиления каждого каскада, умноженному на коэффициент соседнего каскада. В нашем случае устройство содержит два каскада, собранных по схеме с общим эмиттером (ОЭ) и каждый из них дает усиление по мощности, напряжению и току.

На осциллограмме (рис. 10), снятой при работе усилителя в электронной лаборатории на IBM PC в автоматизированной среде N1.Multisim 10.1.1. можно видеть, что переменные входной и выходной импульсы напряжения совпадают по фазе. Это объясняется просто, второй каскад поворачивает импульс напряжения первого каскада по фазе на 180 градусов.

Таким образом, в двухкаскадном усилителе мы получили совпадение по фазе входного и выходного импульсов напряжений. Моделирование усилителя, выполненное в автоматизированной программе Multisim 10.1.1, представлено на осциллограмме рис. 12. Результаты эксперимента полностью совпадают с теоретическими посылами, здесь мы наблюдаем усиление входного сигнала по напряжению и совпадение фаз после работы второго каскада усилителя.

Рис. 12. Осциллограмма напряжений

Двухкаскадный усилитель на полевых транзисторах

Рис. 13. Двухкаскадный усилитель на полевых транзисторах

Общий коэффициент передачи усилителя, представленного на рис.13, так же как и в предыдущем случае равен произведению коэффициентов усиления каждого каскада, умноженному на коэффициент соседнего каскада. В нашем случае устройство так же содержит два каскада. Моделирование усилителя, выполненное в автоматизированной программе Multisim 10.1.1, представлено на осциллограмме рис.14. Замечено, что коэффициент усиления несколько ниже, чем в усилителе на биполярных транзисторах, но при всем этом применение полевого транзистора имеет свои достоинства, такие как значительно более высокое входное сопротивление, что является важным условием при каскадировании электронных устройств.

.

Рис. 14. Осциллограмма напряжений

Усилитель на полевом транзисторе с общим истоком

Рис. 15. Усилитель на полевом транзисторе с общим истоком

Каскад усилителя, собранного на полевом транзисторе по схеме с общим истоком (ОИ). Работа схемы аналогична работе усилителя с ОЭ может обеспечить высокий коэффициент усиления по мощности, но в отличие от нее полевой транзистор имеет значительно более высокое входное сопротивление по сравнению с биполярным. Особенности схемы таковы: через резистор утечки R2 отводится на шасси очень малый ток утечки затвора. Резистор R3 обеспечивает необходимое обратное смещение, поднимая потенциал истока выше потенциала затвора. Кроме того, этот резистор обеспечивает также стабильность режима усилителя по постоянному току. Нагрузочным резистором является R3. Он может иметь очень большое сопротивление (более 1,5МОм). Разделительный конденсатор С2 цепи истока устраняет отрицательную обратную связь по переменному току через резистор R1. При подаче сигнала на вход усилителя изменяется ток стока, вызывая в свою очередь изменение выходного напряжения на стоке транзистора. Во время положительного полупериода входного сигнала напряжение на затворе увеличивается в положительном направлении, обратное напряжение смещения перехода затвор-исток уменьшается и, следовательно, увеличивается ток I-стока полевого транзистора. Увеличение I-стока приводит к уменьшению выходного (стокового) напряжения, и на выходе воспроизводится отрицательный полупериод усиленного сигнала. И наоборот, отрицательному полупериоду входного сигнала соответствует положительный полупериод выходного сигнала.

Минобрнауки России

Федеральное государственное бюджетное общеобразовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Тульский государственный Университет»

Институт высокоточных систем им. В. П. Грязева

КАФЕДРА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Расчет двухкаскадного резистивного усилителя на биполярных транзисторах

пояснительная записка

к курсовой работе по электронике

Студент гр. 130601 ___________________ П.Л. Леонов

(подпись и дата)

Руководитель - доцент каф. РЭ_________________ В. В. Давыдов

Тула – 2012

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Проверить что тут писать

Разраб.

Леонов П.Л.

Провер.

Давыдов В.В.

Т.котр.

Давыдов В.В.

Н. Контр

Утв.

Прохождение периодического сигнала через LC-фильтр с потерями.

Листов

ТулГУ гр.130601

Аннотация

Данная пояснительная записка написана к курсовой работе по дисциплине «Электроника» для варианта «03» и содержит в себе результаты расчета резистивного усилителя на биполярных транзисторах. В качестве анализируемого усилителя выступает двухкаскадный усилитель на кремниевых биполярных транзисторах, основные параметры которого рассчитываются в одной из частей данной записки.

В качестве дополнительного материала к текстовой информации данной пояснительной записки здесь приведены NN иллюстраций. Помимо этого составлена графическая часть на листе формата А1, включающая наиболее важные схемы и характеристики.

Объем пояснительной записки – NN листов.

1. Титульный лист………………………………………………………..1
2. Аннотация……………………………………………………………...2
3. Бланк задания к курсовой работе………………………………….....3
4. Содержание…………………………………………………………….5
5. Введение………………………………………………………………..6
6. Анализ технического задания на курсовую работу……………...….7
7. Обзор литературных источников……………………………………..9
8. Анализ заданной ЭДС………………………………………………..10
9. Определение ширины спектра ЭДС…………………………………11
10. Анализ схемы. Расчет параметров схемы………………………...14
11. Расчет А-параметров схемы фильтра……………………………..15
12. Входное сопротивление нагруженного четырехполюсника…….17
13. Нахождение спектра выходного напряжения…………………….18
14. Расчет коэффициентов передачи фильтра.……………………….20
15. Расчет формы сигнала на выходе………………………………….23
16. Изменение сопротивления нагрузки при неизменных параметрах схемы…………………………………………………………….………………..25
17. Заключение………………………………………….………………28
18. Список использованной литературы………….…………………..29

Введение

«Электроника» является важнейшей дисциплиной в программе подготовки специалиста направления «Радиотехника». Данный курс лекций помогает студентам приобретать навыки разработки методов анализа и синтеза радиотехнических устройств различного назначения на уровне схемотехнических решений. В соответствии с этим курс «Электроника» также является теоретической базой для изучения специальных дисциплин с одной стороны, и основой расчета и исследования разнообразных устройств и систем передачи/обработки информации с другой стороны.

Резистивные усилители являются неотъемлемой частью подавляющего большинства современных технических устройств, т.к.

дают возможность исследования и обработки слабых сигналов.

Помимо приобретения навыков анализа подобных систем в ходе выполнения курсовой работы студенты должны:

Закрепить знания о физических процессах в электрических цепях;

Закрепить и расширить знания о математических моделях, описывающих характеристики и свойства электрических цепей;

Закрепить навыки работы с прикладными программами как, например, с интегрированной средой для решения математических задач MathCAD и текстовым процессором (редактором) Word ;

В результате выполнения курсовой работы каждый студент должен будет понять физические явления в резистивных усилительных каскадах, основным назначением которых является усиление слабых сигналов в заданной полосе частот.

Анализ технического задания на курсовую работу

Вариант курсовой работы с номером «03» предполагает следующие входные данные для анализа и расчета:

Рис. 1 – Двухкаскадный резистивный усилитель.

Таблица №1 (параметры схемы):

	R н,Ом	F н,Гц

Результатом выполнения курсовой работы должен быть расчет номинальных величин резисторов и конденсаторов схемы, коэффициентов нестабильности рабочих точек каскадов, а так же АЧХ каскадов и усилителя в целом. Я бы хотел выделить несколько этапов на пути получения результата:

1) Расчет номинальных величин сопротивлений и емкостей;

2) Уравнение комплексного коэффициента передачи усилителя;

3) Нормированная АЧХ усилителя;

4) Минимальные значения входных и выходных сопротивлений каскадов по переменному току;

Обзор литературных источников

В методическом указании к курсовой работе был приведен список рекомендуемой литературы. Расчет курсовой работы я вел с использованием лекционного материала, теоретических знаний, полученных на занятиях и лабораторных, а также некоторых изданий из списка рекомендуемых. О трех используемых мною книгах стоит поговорить более подробно.

Наиболее важным считаю данное издание:

В данной книге изложены все тонкости курса Основ теории цепей, особенно подробно рассмотрены основные законы и методы расчета электрических цепей при постоянных токах и напряжениях. Авторы уделяют внимание и вопросу о синусоидальных токах – данная тема важна для меня.

Вторым используемым изданием был справочник по математике, наиболее полный и наиболее подробных из всех представленных в библиотеке:

Третье издание я решил выбрать самостоятельно, им оказался самоучитель по работе в математической среде MathCAD . Справочник Кудрявцева, предложенный к использованию руководителем курсовой работы, был не таким понятным для меня, а также был недоступен для использования. В найденном мной самоучителе не был указан автор, т. к. издание имелось лишь в электронном виде. Тем не менее, данное пособие очень пригодилось при написании расчетного файла к курсовой работе.

Выбор биполярного транзистора.

Т.к. к усилителю не предъявлено жестких требования по граничной частоте,усилению и стабильности каскадов,выберем общедоступный транзистор кт361б

Рис. 2 – зависимость U нас от температуры кт361а.

Исходя из данных принимаем U нас=0,5В для 20 градусов по Цельсию.

Рис. 3 – входная ВАХ кт361б.

Входная ВАХ относительно линейна при U бэ=0,7В.

Таблица №2 (параметры транзисторов):

	h 21э	F гр,Мгц	U кэmax, В	U бэmax, В	I кmax ,А

Расчет номинальных величин сопротивлений.

Рис. 4 – Двухкаскадный резистивный усилитель.

Для согласования выходного сопротивления усилителя с нагрузкой расчет следует вести с оконечного каскада:

R 5 примем равным R н для согласования каскада с нагрузкой.

Т.к. R н=510 Ом, то выберем R 5=510 Ом. β примем равным 200.

Напряжение на R 6 примем равным 0,1*Е=1 В;

На R 5 падает напряжение U 5=(E -U нас-U 6)/2=4.25 В;

Ток коллектора I к2=U 5/R 5=8.33 мА;

Отсюда найдем ток базы I б2= I к2/β=41.7 мкА;

R 6=0.1*E / I к2=120 Ом

Найдем ток делителя:

I дел2=(5÷10)* I б2=8* I б2=0,33 мА;

На резисторе R 4 падает напряжение U 4,следовательно

R 4=U 4/I дел2=(0.1E +U бэ)/I дел2=5.1 кОм;

R 3=(E -U 4)/(I дел2+ I б2)= 22 кОм;

Сопротивление R бэ=U бэ/I б2=16,8 кОм.

Найдем входное и выходное сопротивления 2-го каскада по переменному току:

Рис.5-эквивалентная схема замещения второго каскада.

Из рис.5 видно:

Y вх2=1/ R 4+1/ R 3+1/(R 6+ R бэ)

R вх2=1/ Y вх2=3.3 кОм.

R кэ2= U Эрли/ I к2

U Эрли примем равным 95В

R кэ2=11,5 кОм.

R вых2= (R кэ2* R 5)/(R кэ2+ R 5)=588 Ом.

Расчитаем номинальные величины сопротивлений первого каскада:

R 2≈ R вх2=3.3 кОм.

I к1=(E - U нас)/(2* R 2)=1.44 мА.

I б1= I к1/ β =7.2 мкА.

R 1=(E - U бэ)/ I б1=1,2 Мом.

Рис.6-эквивалентная схема замещения первого каскада.

R бэ1=97,2 кОм.

R кэ1=66 кОм.

R вх1=(R бэ1* R 1)/(R бэ1+ R 1)=89,9 кОм.

R вых1=(R кэ1* R 2)/(R кэ1+ R 2)=3,14 кОм.

Найдем номинальные величины емкостей:

Т.к. на R вх должно быть падение напряжения не менее 1/√2 U сигн,то

Zc на f н не должно превышать (√2-1) R вх,следовательно

С=0,312/(f н* R вх).

С1≈0,312/(f н* R вх1)=33 нФ.

С2≈0,312/(f н* R вх2)=0,75 мкФ.

С3≈0,312/(f н* R н)=5,1 мкФ.

Рис.7-Принципиальная электрическая схема усилителя.

Уравнение комплексного коэффициента передачи усилителя.

Коэффициент передачи входного напряжения равен

Кu вх(jω )=R вх*(R вх+Zc вх(jω )).

I вх(jω )=U вх* Кu вх(jω )/R бэ.

I вых(jω )=β* I вх(jω ).

U вых(jω )= I вых(jω )*R н/(R вых+R н).

При обработке данных формул с помощью ЭВМ получаем:

Имея уравнение комплексного коэффициента передачи усилителя можно найти АЧХ усилителя в заданной полосе частот.

Расчет АЧХ усилителя.

Для расчета АЧХ усилителя нам понадобится модуль коэффициента передачи. Произведя расчет получаем:

Таблица №3 (коэффициенты передачи усилителя):

F ,Гц					1000	2000	5000	10000

Коэффициент передачи усилителя зависит от частоты нелинейно,

т.к. в схеме присутствуют реактивные элементы (конденсаторы).

Построим график нормированной АЧХ от 0 Гц до 10 кГц:

Рис.8-нормированная АЧХ усилителя от 0 Гц до 10 кГц.

Коэффициент усиления выражен в дБ. Этот график не удобен, т.к. на нем плохо видно увеличение АЧХ на низких частотах. Поэтому разобьем диапазон частот на несколько отрезков.

Заключение

В данной курсовой работе были рассмотрены характеристики П-образного реактивного фильтра нижних частот и приведены все необходимые формулы вычисления его параметров с таблицами значений и рисунками. Результаты расчёта были получены с помощью интегральной среды Math CAD . Система Math CAD называется самой современной, универсальной и массовой математической системой. Она позволяет выполнить как численные, так и аналитические (символьные) вычисления, имеет удобный математическо-ориентированный интерфейс.

По итогам курсовой работы можно сделать некоторые выводы. Если говорить конкретнее, то:

1. Был произведен анализ задания на курсовую работу;
2. Исходная функция входного сигнала была разложена в ряд Фурье и полностью проанализирована;
3. Были рассчитаны параметры элементов схемы фильтра, рассчитаны его важные параметры, а также составлены амплитудно- и фазочастотные характеристики.

Также в ходе выполнения курсовой работы я нашел входное сопротивление системы и формы выходного напряжения для заданной формы сигнала. В некоторых местах пояснительной записки были приведены необходимые цветные иллюстрации, поясняющие работу и упрощающие понимании написанного.

Список использованной литературы

1. Основы теории цепей: Учебник для вузов ⁄ Г.В. Зевеке, П.А. Ионкин, А.В. Нетушил, С.В. Страхов. – 5-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 528 с.: ил.
2. Бронштейн И.Н. и Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. Изд-е 13-е, перераб. – М.: ГИТТЛ, 1986. – 504 с.
3. ГОСТ 2.004-88 ЕСКД. Общие требования к выполнению конструкторских и технологических документов на печатающих и графических устройствах вывода ЭВМ
4. Самоучитель по MathCAD – книга в электронном виде.