مضخم الترانزستور ، على الرغم من تاريخه الطويل بالفعل ، يظل موضوع الدراسة المفضل لكل من هواة الراديو المبتدئين والمحترفين. وهذا أمر مفهوم. إنه عنصر لا غنى عنه في أجهزة راديو الهواة الأكثر شيوعًا: مستقبلات الراديو ومضخمات التردد المنخفض (الصوت). سننظر في كيفية صنع أبسط مكبرات الصوت الترانزستور منخفضة التردد.
استجابة تردد الأمبير
في أي جهاز استقبال تلفزيون أو راديو ، في كل مركز موسيقى أو مضخم صوت ، يمكنك العثور على مضخمات صوت الترانزستور (التردد المنخفض - LF). يكمن الاختلاف بين مكبرات الصوت الترانزستور والأنواع الأخرى في استجابتها للتردد.
يحتوي مضخم صوت الترانزستور على استجابة تردد موحدة في نطاق التردد من 15 هرتز إلى 20 كيلو هرتز. هذا يعني أن جميع إشارات الإدخال ذات التردد داخل هذا النطاق يتم تحويلها (تضخيمها) بواسطة مكبر الصوت.عن المشابه. يوضح الشكل أدناه منحنى استجابة التردد المثالي لمكبر صوت في الإحداثيات "كسب مكبر الصوت Ku - تردد إشارة الدخل".
هذا المنحنى مسطح تقريبًا من 15 هرتز إلى 20 كيلو هرتز. هذا يعني أنه يجب استخدام مكبر الصوت هذا خصيصًا لإشارات الإدخال ذات الترددات بين 15 هرتز و 20 كيلو هرتز. بالنسبة لإشارات الإدخال ذات الترددات التي تزيد عن 20 كيلو هرتز أو أقل من 15 هرتز ، فإن كفاءتها وأدائها تتدهور بسرعة.
يتم تحديد نوع استجابة التردد للمضخم بواسطة عناصر الراديو الكهربائية (ERE) في دائرته ، وقبل كل شيء بواسطة الترانزستورات نفسها. عادةً ما يتم تجميع مضخم صوت يعتمد على الترانزستورات على ما يسمى الترانزستورات منخفضة ومتوسطة التردد مع عرض نطاق ترددي إجمالي لإشارات الإدخال من عشرات ومئات هرتز إلى 30 كيلو هرتز.
فئة مكبر للصوت
كما تعلم ، اعتمادًا على درجة استمرارية تدفق التيار طوال فترته عبر مرحلة تضخيم الترانزستور (مكبر الصوت) ، يتم تمييز الفئات التالية من تشغيله: "A" ، "B" ، "AB" ، "ج" ، "د".
في فئة العملية ، يتدفق "A" الحالي عبر المرحلة بنسبة 100٪ من فترة إشارة الإدخال. السلسلة في هذه الفئة موضحة في الشكل التالي.
في مرحلة مكبر الصوت من الفئة "AB" ، يتدفق التيار خلالها لأكثر من 50٪ ، ولكن أقل من 100٪ من فترة إشارة الإدخال (انظر الشكل أدناه).
في فئة تشغيل المرحلة "ب" ، يتدفق التيار خلالها بالضبط 50٪ من فترة إشارة الدخل ، كما هو موضح في الشكل
أخيرًا ، في فئة عملية المرحلة "C" ، يتدفق التيار خلالها لأقل من 50٪ من فترة إشارة الإدخال.
مضخم الترانزستور LF: تشويه في فئات العمل الرئيسية
في منطقة العمل ، يحتوي مضخم الترانزستور من الفئة "A" على مستوى منخفض من التشويه غير الخطي. ولكن إذا كانت الإشارة تحتوي على اندفاعات اندفاعية في الجهد ، مما يؤدي إلى تشبع الترانزستورات ، فإن التوافقيات الأعلى (حتى 11) تظهر حول كل توافقي "قياسي" لإشارة الخرج. هذا يسبب ظاهرة ما يسمى الصوت الترانزستور أو المعدني.
إذا كانت مضخمات القدرة منخفضة التردد على الترانزستورات بها مصدر طاقة غير مستقر ، فإن إشارات الخرج الخاصة بها يتم تعديلها في السعة بالقرب من تردد التيار الكهربائي. هذا يؤدي إلى خشونة الصوت عند الحافة اليسرى لاستجابة التردد. تجعل طرق تثبيت الجهد المختلفة تصميم مكبر الصوت أكثر تعقيدًا.
لا تتجاوز الكفاءة النموذجية لمكبر الصوت أحادي الطرف من الفئة A 20٪ بسبب الترانزستور الذي يعمل دائمًا والتدفق المستمر لمكون التيار المستمر. يمكنك عمل مضخم دفع وسحب من الفئة أ ، وستزيد الكفاءة بشكل طفيف ، لكن نصف موجات الإشارة ستصبح غير متماثلة أكثر. إن نقل الشلال من فئة العمل "A" إلى فئة العمل "AB" يضاعف التشوه اللاخطي أربع مرات ، على الرغم من زيادة كفاءة دائرتها.
بتزداد مكبرات الصوت من الفئتين "AB" و "B" مع انخفاض مستوى الإشارة. إنك تريد بشكل لا إرادي رفع صوت مكبر الصوت هذا للحصول على الإحساس الكامل بقوة وديناميكيات الموسيقى ، لكن هذا لا يساعد كثيرًا في كثير من الأحيان.
فئات الوظائف المتوسطة
فئة العمل "أ" لها اختلاف - فئة "أ +". في هذه الحالة ، تعمل ترانزستورات الإدخال ذات الجهد المنخفض لمكبر الصوت من هذه الفئة في الفئة "A" ، وترانزستورات الخرج عالية الجهد لمكبر الصوت ، عندما تتجاوز إشارات الإدخال مستوى معينًا ، تنتقل إلى الفئات "B" أو "AB". كفاءة هذه السلاسل أفضل مما كانت عليه في الفئة النقية "أ" ، والتشويه غير الخطي أقل (حتى 0.003٪). ومع ذلك ، فإنها تبدو أيضًا "معدنية" نظرًا لوجود توافقيات أعلى في إشارة الخرج.
مكبرات الصوت من فئة أخرى - "AA" لديها درجة أقل من التشويه غير الخطي - حوالي 0.0005٪ ، ولكن توجد أيضًا توافقات أعلى.
العودة إلى مضخم الترانزستور من الفئة أ؟
اليوم ، يدعو العديد من المتخصصين في مجال إعادة إنتاج الصوت عالي الجودة إلى العودة إلى مكبرات الصوت الأنبوبية ، نظرًا لأن مستوى التشويه غير الخطي والتوافقيات الأعلى التي أدخلوها في إشارة الخرج أقل بوضوح من مستوى الترانزستورات. ومع ذلك ، يتم تعويض هذه المزايا إلى حد كبير بالحاجة إلى محول مطابق بين مرحلة إخراج الأنبوب عالي المقاومة ومكبرات الصوت منخفضة المقاومة. ومع ذلك ، يمكن صنع مكبر ترانزستور بسيط بإخراج محول كما هو موضح أدناه.
هناك أيضًا وجهة نظر مفادها أن مضخم الترانزستور الأنبوبي الهجين فقط هو الذي يمكنه توفير جودة صوت مطلقة ، وجميع مراحلها أحادية الطرف ، ولا تغطيها ردود فعل سلبية وتعمل في الفئة "أ". أي أن متابع الطاقة هذا هو مكبر للصوت على ترانزستور واحد. يمكن أن يكون لمخططها أقصى كفاءة يمكن تحقيقها (في الفئة "أ") لا تزيد عن 50٪. لكن لا قوة ولا كفاءة مكبر الصوت مؤشرات على جودة إعادة إنتاج الصوت. في الوقت نفسه ، تعتبر جودة وخطية خصائص جميع EREs في الدائرة ذات أهمية خاصة.
نظرًا لأن الدوائر أحادية النهاية تحصل على هذا المنظور ، فسننظر في خياراتها أدناه.
مكبر صوت أحادي الترانزستور
دائرتها ، المصنوعة من باعث مشترك واتصالات R-C لإشارات الإدخال والإخراج للتشغيل في الفئة "A" ، موضحة في الشكل أدناه.
يظهر الترانزستور n-p-n Q1. جامعه متصل بالطرف الموجب Vcc عبر المقاوم الحالي R3 ، وباعثه متصل بـ -Vcc. سيحتوي مضخم الترانزستور p-n-p على نفس الدائرة ، ولكن سيتم عكس أسلاك التيار الكهربائي.
C1 هو مكثف فصل يفصل مصدر دخل التيار المتردد عن مصدر جهد التيار المستمر Vcc. في الوقت نفسه ، لا يمنع C1 مرور تيار إدخال متناوب عبر تقاطع قاعدة باعث الترانزستور Q1. المقاومات R1 و R2 مع المقاومةيشكل الانتقال "E - B" مقسم جهد Vcc لتحديد نقطة تشغيل الترانزستور Q1 في الوضع الثابت. نموذجي لهذه الدائرة هو قيمة R2=1 kOhm ، وموضع نقطة التشغيل هو Vcc / 2. R3 هو المقاوم تحميل دائرة المجمع ويستخدم لإنشاء إشارة خرج الجهد المتغير على المجمع.
افترض أن Vcc=20 V ، R2=1 kOhm ، والكسب الحالي h=150. نختار الجهد عند الباعث Ve=9 V ، وانخفاض الجهد عند الانتقال "A - B" هو تؤخذ مساوية لـ Vbe=0.7 V. هذه القيمة تقابل ما يسمى بالترانزستور السيليكوني. إذا كنا نفكر في مكبر يعتمد على ترانزستورات الجرمانيوم ، فإن انخفاض الجهد عبر التقاطع المفتوح "E - B" سيكون Vbe=0.3 V.
باعث التيار ، يساوي تقريبًا تيار المجمع
أي=9 فولت / 1 كيلوΩ=9 مللي أمبير ≈ Ic.
القاعدة الحالية Ib=Ic / h=9mA / 150=60uA.
انخفاض الجهد عبر المقاوم R1
V (R1)=Vcc - Vb=Vcc - (Vbe + Ve)=20V - 9.7V=10.3V
R1=V (R1) / Ib=10، 3 V / 60 uA=172 كيلو أوم.
C2 مطلوب لإنشاء دائرة لمرور المكون المتغير لتيار المرسل (في الواقع تيار المجمع). إذا لم يكن موجودًا ، فإن المقاوم R2 سيحد بشدة من المكون المتغير ، بحيث يكون لمضخم الترانزستور ثنائي القطب المعني ربح تيار منخفض.
في حساباتنا ، افترضنا أن Ic=Ib h ، حيث Ib هو التيار الأساسي المتدفق إليه من الباعث وينشأ عند تطبيق جهد انحياز على القاعدة. ومع ذلك ، من خلال القاعدة دائمًا (سواء مع أو بدون الإزاحة)يوجد أيضًا تيار تسرب من المجمع Icb0. لذلك ، فإن تيار المجمع الحقيقي هو Ic=Ib h + Icb0 h ، أي يتم تضخيم تيار التسرب في الدائرة مع OE بمقدار 150 مرة. إذا كنا نفكر في مكبر للصوت يعتمد على ترانزستورات الجرمانيوم ، فيجب أن يؤخذ هذا الظرف في الاعتبار في الحسابات. الحقيقة هي أن ترانزستورات الجرمانيوم تحتوي على Icb0 كبير من عدة μA. في السيليكون ، يكون الحجم أصغر بثلاث مرات (حوالي بضعة nA) ، لذلك عادة ما يتم إهماله في الحسابات.
مكبر ترانزستور MIS أحادي النهاية
مثل أي مضخم ترانزستور ذو تأثير ميداني ، فإن الدائرة المعنية لها نظيرتها بين مضخمات الترانزستور ثنائية القطب. لذلك ، ضع في اعتبارك نظيرًا للدائرة السابقة مع باعث مشترك. إنه مصنوع من مصدر مشترك وتوصيلات R-C لإشارات الإدخال والإخراج للتشغيل في الفئة "A" ويظهر في الشكل أدناه.
هنا C1 هو نفس مكثف الفصل ، والذي بواسطته يتم فصل مصدر دخل التيار المتردد عن مصدر جهد التيار المستمر Vdd. كما تعلم ، يجب أن يتمتع أي مضخم ترانزستور ذو تأثير ميداني بإمكانية البوابة لترانزستورات MOS الخاصة به أسفل إمكانات مصادرها. في هذه الدائرة ، يتم تأريض البوابة بواسطة R1 ، وهي مقاومة عالية عادةً (100 kΩ إلى 1 MΩ) بحيث لا تقوم بتحويل إشارة الإدخال. لا يوجد عمليًا أي تيار خلال R1 ، وبالتالي فإن احتمال البوابة في حالة عدم وجود إشارة دخل يساوي إمكانات الأرض. إمكانات المصدر أعلى من إمكانات الأرض بسبب انخفاض الجهد عبر المقاوم R2. لذاوبالتالي ، فإن إمكانات البوابة أقل من إمكانات المصدر ، وهو أمر ضروري للتشغيل العادي لـ Q1. المكثف C2 والمقاوم R3 لهما نفس الغرض كما في الدائرة السابقة. نظرًا لأن هذه دائرة ذات مصدر مشترك ، فإن إشارات الإدخال والإخراج خارج الطور بمقدار 180 درجة.
مضخم خرج المحولات
مكبر الترانزستور البسيط الثالث أحادي المرحلة ، الموضح في الشكل أدناه ، مصنوع أيضًا وفقًا لدائرة الباعث الشائعة للتشغيل في الفئة "A" ، ولكنه متصل بمكبر صوت منخفض المقاومة من خلال مطابقة محول
اللف الأساسي للمحول T1 هو حمل دائرة المجمع للترانزستور Q1 ويطور إشارة خرج. يرسل T1 إشارة الخرج إلى السماعة ويضمن أن مقاومة خرج الترانزستور تتطابق مع مقاومة السماعة المنخفضة (بترتيب بضعة أوم).
مقسم الجهد لمصدر طاقة المجمع Vcc ، المُجمَّع على مقاومات R1 و R3 ، يوفر اختيار نقطة تشغيل الترانزستور Q1 (تزويد قاعدته بجهد انحياز). الغرض من العناصر المتبقية من مكبر الصوت هو نفسه كما في الدوائر السابقة.
مضخم صوت دفع وسحب
يقسم مضخم التردد المنخفض ثنائي الترانزستور الدفع والسحب إشارة الإدخال الصوتية إلى موجتين نصف خارج الطور ، يتم تضخيم كل منهما بمرحلة الترانزستور الخاصة به. بعد إجراء هذا التضخيم ، يتم دمج الموجات النصفية في إشارة توافقية كاملة ، والتي يتم إرسالها إلى نظام السماعات. مثل هذا التحول من التردد المنخفضتتسبب الإشارة (الانقسام وإعادة الاندماج) ، بالطبع ، في حدوث تشويه لا رجوع فيه ، بسبب الاختلاف في التردد والخصائص الديناميكية بين ترانزستورات الدائرة. هذا التشويه يقلل من جودة الصوت عند خرج مكبر الصوت.
مضخمات الدفع والسحب التي تعمل في الفئة "أ" لا تعيد إنتاج إشارات صوتية معقدة بشكل جيد بما فيه الكفاية ، حيث يتدفق التيار المستمر المتزايد باستمرار في أذرعها. يؤدي هذا إلى عدم تناسق نصف موجات الإشارة ، وتشوهات الطور ، وفي النهاية فقدان وضوح الصوت. عند تسخينهما ، يضاعف ترانزستوران قويتان تشوه الإشارة في الترددات المنخفضة والأشعة دون المنخفضة. ولكن مع ذلك ، فإن الميزة الرئيسية لدائرة الدفع والسحب هي كفاءتها المقبولة وزيادة طاقة الخرج.
تظهر دائرة مضخم طاقة الترانزستور بالدفع والسحب في الشكل
هذا مكبر للصوت من الفئة "A" ، ولكن يمكن أيضًا استخدام الفئة "AB" وحتى "B".
مضخم طاقة الترانزستور غير المحول
المحولات ، على الرغم من التقدم المحرز في تصغيرها ، لا تزال هي الأكثر ضخامة وثقيلة وتكلفة. لذلك ، تم العثور على طريقة لإزالة المحول من دائرة الدفع والسحب عن طريق تشغيله على ترانزستورين تكميليين قويين من أنواع مختلفة (n-p-n و p-n-p). تستخدم معظم مضخمات الطاقة الحديثة هذا المبدأ وهي مصممة للعمل في الفئة "B". تظهر دائرة مضخم الطاقة هذا في الشكل أدناه.
كلا الترانزستورات الخاصة بها متصلة وفقًا لدائرة جامع مشترك (باعث تابع). لذلك ، تنقل الدائرة جهد الدخل إلى الخرج بدون تضخيم. إذا لم تكن هناك إشارة دخل ، فسيكون كلا الترانزستورين على حدود حالة التشغيل ، لكنهما متوقفان.
عند إدخال إشارة توافقية ، يفتح نصف الموجة الموجبة TR1 ، لكنه يضع الترانزستور p-n-p TR2 في وضع القطع الكامل. وهكذا ، يتدفق فقط نصف الموجة الموجبة للتيار المتضخم عبر الحمل. تفتح الموجة النصفية السلبية لإشارة الإدخال TR2 فقط وتغلق TR1 ، بحيث يتم توفير نصف الموجة السالبة للتيار المتضخم للحمل. نتيجة لذلك ، يتم توصيل إشارة جيبية مكبرة بقوة كاملة (بسبب التضخيم الحالي) للحمل.
مكبر ترانزستور مفرد
لاستيعاب ما سبق ، سنقوم بتجميع مضخم ترانزستور بسيط بأيدينا ومعرفة كيفية عمله.
كحمولة من ترانزستور T منخفض الطاقة من النوع BC107 ، نقوم بتشغيل سماعات الرأس بمقاومة 2-3 kOhm ، نطبق جهد التحيز على القاعدة من المقاوم عالي المقاومة Rمن 1 MΩ ، نقوم بتشغيل مكثف التحليل الكهربائي C بسعة 10 μF إلى 100 μF في الدائرة الأساسية T. سنقوم بتشغيل الدائرة من بطارية 4.5 فولت / 0.3 أ.
إذا كان المقاوم Rغير متصل ، فلا يوجد تيار أساسي Ib ولا تيار جامع Ic. إذا كان المقاوم متصلاً ، فإن الجهد عند القاعدة يرتفع إلى 0.7 فولت ويتدفق تيار Ib \u003d 4 μA خلاله. معامل في الرياضيات او درجةالكسب الحالي للترانزستور هو 250 ، مما يعطي Ic=250Ib=1 mA.
بعد أن قمنا بتجميع مضخم ترانزستور بسيط بأيدينا ، يمكننا الآن اختباره. قم بتوصيل سماعات الرأس وضع إصبعك على النقطة 1 من الرسم التخطيطي. سوف تسمع ضوضاء. يتعرف جسمك على إشعاع التيار الكهربائي بتردد 50 هرتز. الضجيج الذي تسمعه من سماعات الرأس هو هذا الإشعاع ، الذي يتم تضخيمه فقط بواسطة الترانزستور. دعونا نشرح هذه العملية بمزيد من التفصيل. يتم توصيل جهد تيار متردد قدره 50 هرتز بقاعدة الترانزستور من خلال مكثف ج. الجهد عند القاعدة يساوي الآن مجموع جهد تحيز التيار المستمر (حوالي 0.7 فولت) القادم من المقاوم Rوالجهد المتردد للإصبع. نتيجة لذلك ، يتلقى تيار المجمع مكونًا متناوبًا بتردد 50 هرتز. يستخدم هذا التيار المتردد لتحريك غشاء السماعات للخلف وللأمام على نفس التردد ، مما يعني أنه يمكننا سماع نغمة 50 هرتز عند الخرج.
سماع مستوى الضوضاء 50 هرتز ليس ممتعًا للغاية ، لذا يمكنك توصيل مصادر التردد المنخفض (مشغل الأقراص المضغوطة أو الميكروفون) بالنقطتين 1 و 2 وسماع كلام أو موسيقى مكبرة.
