Выходной усилитель звука | Усилитель звука на транзисторах #5

Выходной усилитель звука принципиально отличается от предварительного или входного (в том числе и микрофонного) усилителя, в которых транзистор включается по схеме с общим эмиттером, что позволяет максимально усилить мощность входного сигнала. Такие усилители относятся к классу А, которым характерен линейный режим работы. При этом транзистор все время находится в наполовину открытом состоянии, что приводит к постоянному потреблению ток с источника питания. Поэтому в целом коэффициент полезного действия усилителя класса А не превышает 30 %.

Однако такие схемы вполне оправдано использовать как в предварительных, так и во входных каскадах, поскольку ток, протекающий через транзистор (ток покоя коллектора) не превышает единиц миллиампер. Но подобные схемы крайне непригодны для выходных каскадов усилителей, где требуется выполнять усиление сигнала значительной мощности. Например, при подключении 20-ти ваттных колонок токи, протекающие через транзисторы, достигают единиц ампер. И если такие токи будут постоянно протекать через транзистор в состоянии покоя, то есть при отсутствии сигнала, то коэффициент полезного действия такого усилителя будет крайне низкий.

Вторая причина, ограничивающая применение для выходных усилителей транзисторов, включенных по схеме с общим эмиттером – это их относительно высокое выходное сопротивление.

Раньше, в большинстве транзисторных усилителей, а в ламповых – во всех, для согласования сопротивлений усилителя и громкоговорителя (динамика) применялись согласующие трансформаторы. Но этот вопрос мы рассматривать не станем, а сразу перейдем к решению задач.

Выходной усилитель класса B

Выделим эти задачи:

1. Как снизить энергопотребление, то есть повысить КПД усилителя?
2. Как согласовать сопротивления?

Первая задача решается довольно просто. Если при отсутствии сигнала транзистор будет изначально находиться в закрытом состоянии, то и энергия потребляться практически не будет. На нагрузочной прямой такое состояние транзистора соответствует точке B.

Однако при этом будет происходить усиление только одной полуволны переменного сигнала. Для усиления второй полуволны применяют транзистор противоположной полярности.

Таким образом, для усиления сигнала в выходном каскаде усилителя применяются два транзистора разной полупроводниковой структуры: p-n-p и n-p-n.

В один момент времени будет работать один транзистор, а во второй – другой, поэтому сигнал будет усиливаться полностью. В общем, первую задачу мы решили. Осталось согласовать сопротивления.

Согласование сопротивлений предварительного каскада с нагрузкой решается путем включения транзисторов по схеме с общим коллектором. Такой схеме свойственно высокое входное и низкое выходное сопротивление.

Однако следует помнить, что схема с общим коллектором усиливает только ток. Напряжение такая схема не усиливает. Поэтому такую схему еще называют эмиттерный повторитель и часто применяют в узлах стабилизации напряжения блоков питания. Отсюда следует вывод, что предварительный усилитель должен усилить сигнал по максимуму.

Также следует знать особенность рассматриваемой схемы выходного усилителя. Выходной сигнал повторяет входной, только с разницей на величину падения напряжения между базой и эмиттером двух транзисторов, которая в среднем равная 0,8…1,2 В. Это приводит к возникновению искажения на грузке, то есть на динамике. Такое искажение в среде радиолюбителей называется «ступенька»; правильное название – переходное искажение.

Для устранения данного искажения оба транзистора изначально несколько приоткрывают на величину, позволяющую скомпенсировать падение напряжения между базой и эмиттером двух транзисторов.

Выходной усилитель класса AB

На нагрузочной прямой эта точка называется AB и располагается немного выше т. B. Отсюда выходной каскады подобного типа получил название усилителя класса AB.

Как это реализуется в действительности на реальной схеме? В цепь между базами VT2 и VT3 включают либо резистор, либо три последовательно соединенные диода. Количество диодов может быть и большим, в зависимости от мощности VT2 и VT3.

Диоды применят предпочтительнее резистора по соображениям температурной стабильности каскада. Суммарное падение напряжения на диодах компенсирует падение напряжения на эмиттерных переходах обоих транзисторов, поэтому последние несколько приоткрываются.

Что касается транзисторов VT2 и VT3, то они должны иметь одинаковые (максимально близкие) коэффициенты усиления по току и обратные токи коллектора. Такие транзисторы с одинаковыми характеристиками, но разной полярности называют комплементарной парой (например, BC547 и BC557; IRF540 и IRF9540).Транзисторы комплементарной пары также изготавливают в одном общем корпусе, имеющем шесть выводов.

Для получения большего усиления (по току) применяют транзисторы Дарлингтона, которые также изготавливаются в комплементарной паре.

Конечная схема микрофонного усилителя звука вместе с выходным каскадом приведена ниже.

В более качественных усилителях для устранения помех применяют дифференциальный входной усилитель, но о нем в другой раз.