Bộ khuếch đại bóng bán dẫn, mặc dù đã có lịch sử lâu đời, vẫn là chủ đề nghiên cứu yêu thích của cả người mới bắt đầu và nghiệp dư radio kỳ cựu. Và điều này có thể hiểu được. Nó là một thành phần không thể thiếu của các thiết bị vô tuyến nghiệp dư phổ biến nhất: máy thu thanh và bộ khuếch đại tần số thấp (âm thanh). Chúng ta sẽ xem xét cách chế tạo bộ khuếch đại bóng bán dẫn tần số thấp đơn giản nhất.
Đáp ứng tần số khuếch đại
Trong bất kỳ tivi hoặc máy thu thanh, trong mọi trung tâm âm nhạc hoặc bộ khuếch đại âm thanh, bạn có thể tìm thấy bộ khuếch đại âm thanh bóng bán dẫn (tần số thấp - LF). Sự khác biệt giữa bộ khuếch đại bóng bán dẫn âm thanh và các loại khác nằm ở đáp tuyến tần số của chúng.
Bộ khuếch đại âm thanh bóng bán dẫn có đáp ứng tần số đồng nhất trong dải tần từ 15 Hz đến 20 kHz. Điều này có nghĩa là tất cả các tín hiệu đầu vào có tần số nằm trong phạm vi này đều được bộ khuếch đại chuyển đổi (khuếch đại).về giống nhau. Hình dưới đây cho thấy đường cong đáp ứng tần số lý tưởng cho bộ khuếch đại âm thanh trong tọa độ "độ lợi bộ khuếch đại Ku - tần số tín hiệu đầu vào".
Đường cong này gần như phẳng từ 15Hz đến 20kHz. Điều này có nghĩa là một bộ khuếch đại như vậy nên được sử dụng đặc biệt cho các tín hiệu đầu vào có tần số từ 15 Hz đến 20 kHz. Đối với các tín hiệu đầu vào có tần số trên 20 kHz hoặc dưới 15 Hz, hiệu suất và hiệu suất của nó sẽ giảm nhanh chóng.
Loại đáp ứng tần số của bộ khuếch đại được xác định bởi các phần tử vô tuyến điện (ERE) của mạch của nó, và trên hết là bởi chính các bóng bán dẫn. Bộ khuếch đại âm thanh dựa trên bóng bán dẫn thường được lắp ráp trên cái gọi là bóng bán dẫn tần số thấp và trung tần với tổng băng thông tín hiệu đầu vào từ hàng chục và hàng trăm Hz đến 30 kHz.
Lớp khuếch đại
Như bạn đã biết, tùy thuộc vào mức độ liên tục của dòng điện trong suốt chu kỳ của nó qua tầng khuếch đại bóng bán dẫn (bộ khuếch đại), các lớp hoạt động sau của nó được phân biệt: "A", "B", "AB", "C", "D".
Trong loại hoạt động, dòng điện "A" chạy qua thiết bị trong 100% chu kỳ tín hiệu đầu vào. Dòng thác trong lớp này được minh họa trong hình sau.
Trong tầng khuếch đại lớp "AB", dòng điện chạy qua nó hơn 50%, nhưng ít hơn 100% chu kỳ của tín hiệu đầu vào (xem hình bên dưới).
Trong loại hoạt động của giai đoạn "B", dòng điện chạy qua nó chính xác bằng 50% chu kỳ của tín hiệu đầu vào, như được minh họa trong hình.
Cuối cùng, trong lớp hoạt động của giai đoạn "C", dòng điện chạy qua nó trong khoảng thời gian dưới 50% của tín hiệu đầu vào.
Bộ khuếch đại bóng bán dẫn LF: sự biến dạng trong các lớp chính của công việc
Trong khu vực làm việc, bộ khuếch đại bóng bán dẫn lớp "A" có mức độ méo phi tuyến tính thấp. Nhưng nếu tín hiệu có xung tăng điện áp, dẫn đến sự bão hòa của các bóng bán dẫn, thì các sóng hài cao hơn (lên đến 11) sẽ xuất hiện xung quanh mỗi sóng hài “tiêu chuẩn” của tín hiệu đầu ra. Điều này gây ra hiện tượng gọi là bóng bán dẫn hoặc âm thanh kim loại.
Nếu bộ khuếch đại công suất tần số thấp trên bóng bán dẫn có nguồn điện không ổn định, thì tín hiệu đầu ra của chúng được điều chế theo biên độ gần tần số nguồn. Điều này dẫn đến độ chói của âm thanh ở rìa bên trái của đáp tuyến tần số. Các phương pháp ổn định điện áp khác nhau làm cho thiết kế của bộ khuếch đại phức tạp hơn.
Hiệu suất điển hình của bộ khuếch đại Class A một đầu không vượt quá 20% do bóng bán dẫn luôn bật và dòng liên tục của thành phần DC. Bạn có thể tạo một bộ khuếch đại đẩy kéo hạng A, hiệu suất sẽ tăng lên một chút, nhưng các nửa sóng của tín hiệu sẽ trở nên không đối xứng hơn. Việc chuyển tầng từ lớp công việc "A" sang lớp công việc "AB" làm tăng gấp bốn lần biến dạng phi tuyến, mặc dù hiệu suất của mạch của nó tăng lên.
Bbộ khuếch đại của các lớp "AB" và "B" độ méo tăng lên khi mức tín hiệu giảm. Bạn vô tình muốn bật một bộ khuếch đại to hơn để có cảm giác đầy đủ về sức mạnh và độ động của âm nhạc, nhưng thường thì điều này không giúp ích được gì nhiều.
Lớp học việc làm trung cấp
Lớp công việc "A" có một biến thể - lớp "A +". Trong trường hợp này, các bóng bán dẫn đầu vào điện áp thấp của bộ khuếch đại thuộc lớp này hoạt động ở lớp "A" và các bóng bán dẫn đầu ra điện áp cao của bộ khuếch đại, khi tín hiệu đầu vào của chúng vượt quá một mức nhất định, đi vào lớp "B" hoặc "AB". Hiệu quả của các tầng như vậy tốt hơn so với loại thuần túy "A", và độ méo phi tuyến tính ít hơn (lên đến 0,003%). Tuy nhiên, chúng cũng có âm thanh "kim loại" do sự hiện diện của sóng hài cao hơn trong tín hiệu đầu ra.
Các bộ khuếch đại thuộc loại khác - "AA" có mức độ méo phi tuyến tính thậm chí còn thấp hơn - khoảng 0,0005%, nhưng cũng có các sóng hài cao hơn.
Trở lại bộ khuếch đại bóng bán dẫn Class A?
Ngày nay, nhiều chuyên gia trong lĩnh vực tái tạo âm thanh chất lượng cao ủng hộ việc quay trở lại với bộ khuếch đại ống, vì mức độ méo phi tuyến tính và sóng hài cao hơn do chúng đưa vào tín hiệu đầu ra rõ ràng là thấp hơn so với bóng bán dẫn. Tuy nhiên, những ưu điểm này phần lớn được bù đắp bởi sự cần thiết của một biến áp phù hợp giữa tầng đầu ra của ống trở kháng cao và loa có trở kháng thấp. Tuy nhiên, một bộ khuếch đại transistorized đơn giản có thể được tạo ra với đầu ra biến áp như hình dưới đây.
Cũng có quan điểm cho rằng chỉ có bộ khuếch đại bóng bán dẫn lai ống mới có thể cung cấp chất lượng âm thanh đỉnh cao, tất cả các giai đoạn đều là đầu đơn, không bị phản hồi tiêu cực che phủ và hoạt động ở lớp "A". Đó là, một bộ theo công suất như vậy là một bộ khuếch đại trên một bóng bán dẫn duy nhất. Đề án của nó có thể có hiệu suất tối đa có thể đạt được (trong loại "A") không quá 50%. Nhưng cả công suất và hiệu quả của bộ khuếch đại đều không phải là chỉ số đánh giá chất lượng tái tạo âm thanh. Đồng thời, chất lượng và độ tuyến tính của các đặc tính của tất cả các ERE trong mạch có tầm quan trọng đặc biệt.
Vì các mạch một đầu có góc nhìn này, chúng ta sẽ xem xét các tùy chọn của chúng bên dưới.
Bộ khuếch đại bóng bán dẫn đơn một đầu
Mạch của nó, được làm bằng một bộ phát chung và kết nối R-C cho tín hiệu đầu vào và đầu ra cho hoạt động ở lớp "A", được hiển thị trong hình bên dưới.
Nó hiển thị một bóng bán dẫn n-p-n Q1. Bộ thu của nó được kết nối với cực dương + Vcc thông qua điện trở hạn chế dòng điện R3 và bộ phát của nó được kết nối với -Vcc. Bộ khuếch đại bóng bán dẫn p-n-p sẽ có cùng một mạch, nhưng các dây dẫn của nguồn điện sẽ bị đảo ngược.
C1 là tụ tách tách nguồn đầu vào AC khỏi nguồn điện áp DC Vcc. Đồng thời, C1 không ngăn cản dòng điện đầu vào xoay chiều đi qua điểm nối cực phát của bóng bán dẫn Q1. Điện trở R1 và R2 cùng với điện trởchuyển tiếp "E - B" tạo thành một bộ phân áp Vcc để chọn điểm hoạt động của transistor Q1 ở chế độ tĩnh. Điển hình cho mạch này là giá trị của R2=1 kOhm, và vị trí của điểm hoạt động là Vcc / 2. R3 là một điện trở tải mạch cực thu và được sử dụng để tạo tín hiệu đầu ra điện áp thay đổi trên bộ thu.
Giả sử rằng Vcc=20 V, R2=1 kOhm, và độ lợi dòng điện h=150. Chúng tôi chọn điện áp tại bộ phát Ve=9 V, và điện áp giảm ở quá trình chuyển đổi "A - B" là lấy bằng Vbe=0,7 V. Giá trị này tương ứng với cái gọi là bóng bán dẫn silicon. Nếu chúng ta đang xem xét một bộ khuếch đại dựa trên bóng bán dẫn germani, thì điện áp rơi trên đường giao nhau mở "E - B" sẽ là Vbe=0,3 V.
Dòng phát, xấp xỉ bằng dòng thu
Tức là=9 V / 1 kΩ=9 mA ≈ Ic.
Dòng cơ sở Ib=Ic / h=9mA / 150=60uA.
Giảm điện áp trên điện trở R1
V (R1)=Vcc - Vb=Vcc - (Vbe + Ve)=20V - 9,7V=10,3V
R1=V (R1) / Ib=10, 3 V / 60 uA=172 kOhm.
C2 là cần thiết để tạo mạch cho thành phần biến đổi của dòng phát (thực chất là dòng góp) đi qua. Nếu nó không có ở đó, thì điện trở R2 sẽ hạn chế nghiêm trọng thành phần biến đổi, do đó bộ khuếch đại bóng bán dẫn lưỡng cực được đề cập sẽ có mức tăng dòng thấp.
Trong tính toán của chúng tôi, chúng tôi giả định rằng Ic=Ib h, trong đó Ib là dòng điện cơ bản chạy vào nó từ bộ phát và phát sinh khi điện áp phân cực được đặt vào đế. Tuy nhiên, thông qua cơ sở luôn luôn (cả có và không có bù đắp)cũng có một dòng điện rò rỉ từ cực thu Icb0. Do đó, dòng điện thu thực là Ic=Ib h + Icb0 h, tức là dòng điện rò trong mạch có OE được khuếch đại 150 lần. Nếu chúng ta đang xem xét một bộ khuếch đại dựa trên bóng bán dẫn germani, thì trường hợp này sẽ phải được tính đến trong các tính toán. Thực tế là các bóng bán dẫn germani có Icb0 đáng kể theo thứ tự vài μA. Trong silicon, nó nhỏ hơn ba bậc độ lớn (khoảng vài nA), vì vậy nó thường bị bỏ qua trong tính toán.
Bộ khuếch đại bóng bán dẫn MIS một đầu
Giống như bất kỳ bộ khuếch đại bóng bán dẫn hiệu ứng trường nào, mạch được đề cập có điểm tương tự giữa các bộ khuếch đại bóng bán dẫn lưỡng cực. Do đó, hãy xem xét một tương tự của mạch trước đó với một bộ phát chung. Nó được thực hiện với một nguồn chung và kết nối R-C cho tín hiệu đầu vào và đầu ra cho hoạt động trong lớp "A" và được hiển thị trong hình bên dưới.
Ở đây C1 là cùng một tụ điện tách rời, bằng cách nguồn đầu vào AC được tách ra khỏi nguồn điện áp DC Vdd. Như bạn đã biết, bất kỳ bộ khuếch đại bóng bán dẫn hiệu ứng trường nào đều phải có điện thế cổng của các bóng bán dẫn MOS của nó thấp hơn điện thế của các nguồn của chúng. Trong mạch này, cổng được nối đất bởi R1, thường có điện trở cao (100 kΩ đến 1 MΩ) để nó không ngắt tín hiệu đầu vào. Thực tế không có dòng điện qua R1, vì vậy điện thế cổng trong trường hợp không có tín hiệu đầu vào bằng điện thế mặt đất. Hiệu điện thế nguồn cao hơn điện thế mặt đất do điện áp trên biến trở R2 giảm. Vì thếDo đó, tiềm năng cổng thấp hơn tiềm năng nguồn, cần thiết cho hoạt động bình thường của Q1. Tụ điện C2 và biến trở R3 có cùng mục đích như trong đoạn mạch trước. Vì đây là mạch nguồn chung nên tín hiệu đầu vào và đầu ra lệch pha nhau 180 °.
Bộ khuếch đại đầu ra biến áp
Bộ khuếch đại bóng bán dẫn đơn tầng thứ ba, được hiển thị trong hình bên dưới, cũng được chế tạo theo mạch phát chung để hoạt động ở lớp "A", nhưng nó được kết nối với loa trở kháng thấp thông qua một kết hợp máy biến áp.
Cuộn sơ cấp của máy biến áp T1 là tải mạch góp của tranzito Q1 và phát tín hiệu đầu ra. T1 gửi tín hiệu đầu ra đến loa và đảm bảo rằng trở kháng đầu ra của bóng bán dẫn khớp với trở kháng loa thấp (theo thứ tự vài ôm).
Bộ chia điện áp của bộ nguồn thu Vcc, được lắp ráp trên điện trở R1 và R3, cung cấp sự lựa chọn về điểm hoạt động của bóng bán dẫn Q1 (cung cấp điện áp phân cực cho cơ sở của nó). Mục đích của các phần tử còn lại của bộ khuếch đại giống như trong các mạch trước.
Bộ khuếch đại âm thanh đẩy kéo
Bộ khuếch đại tần số thấp đẩy kéo hai bóng bán dẫn chia tín hiệu âm thanh đầu vào thành hai nửa sóng lệch pha, mỗi sóng được khuếch đại bởi tầng bán dẫn riêng của nó. Sau khi quá trình khuếch đại như vậy được thực hiện, các nửa sóng được kết hợp thành một tín hiệu hài hoàn chỉnh, được truyền đến hệ thống loa. Như một sự biến đổi của tần số thấpTất nhiên, tín hiệu (tách và hợp nhất lại) gây ra biến dạng không thể đảo ngược trong đó, do sự khác biệt về tần số và đặc tính động lực học của hai bóng bán dẫn của mạch. Sự biến dạng này làm giảm chất lượng âm thanh ở đầu ra của bộ khuếch đại.
Bộ khuếch đại đẩy-kéo hoạt động ở lớp "A" không tái tạo đủ tốt các tín hiệu âm thanh phức tạp, vì dòng điện không đổi tăng lên liên tục chạy trong cánh tay của chúng. Điều này dẫn đến sự không đối xứng của nửa sóng của tín hiệu, làm sai lệch pha và cuối cùng là mất khả năng rõ ràng của âm thanh. Khi được làm nóng, hai bóng bán dẫn mạnh sẽ tăng gấp đôi độ méo tín hiệu ở tần số thấp và tần số thấp. Tuy nhiên, ưu điểm chính của mạch đẩy kéo là hiệu suất chấp nhận được và công suất đầu ra tăng lên.
Mạch khuếch đại công suất bóng bán dẫn đẩy-kéo được hiển thị trong hình.
Đây là bộ khuếch đại lớp "A", nhưng lớp "AB" và thậm chí "B" cũng có thể được sử dụng.
Khuếch đại công suất bán dẫn không biến áp
Transformers, mặc dù đã có nhiều tiến bộ trong việc thu nhỏ, nhưng vẫn là ERE cồng kềnh, nặng và đắt tiền nhất. Do đó, người ta đã tìm ra cách loại bỏ máy biến áp khỏi mạch đẩy kéo bằng cách cho nó chạy trên hai bóng bán dẫn bổ sung mạnh thuộc các loại khác nhau (n-p-n và p-n-p). Hầu hết các bộ khuếch đại công suất hiện đại sử dụng nguyên tắc này và được thiết kế để hoạt động ở lớp "B". Mạch của bộ khuếch đại công suất như vậy được hiển thị trong hình bên dưới.
Cả hai bóng bán dẫn của nó đều được kết nối theo một mạch thu chung (người theo emitter). Do đó, mạch chuyển điện áp đầu vào đến đầu ra mà không cần khuếch đại. Nếu không có tín hiệu đầu vào, thì cả hai bóng bán dẫn đều ở trên biên giới của trạng thái bật, nhưng chúng đã bị tắt.
Khi một tín hiệu hài được đưa vào, nửa sóng dương của nó sẽ mở TR1, nhưng đặt transistor p-n-p TR2 ở chế độ cắt hoàn toàn. Do đó, chỉ có nửa sóng dương của dòng điện khuếch đại chạy qua tải. Nửa sóng âm của tín hiệu đầu vào chỉ mở TR2 và tắt TR1, do đó nửa sóng âm của dòng điện khuếch đại được cung cấp cho tải. Kết quả là, tín hiệu hình sin được khuếch đại đầy đủ (do khuếch đại dòng điện) được chuyển đến tải.
Bộ khuếch đại bóng bán dẫn đơn
Để tương đồng với những điều trên, chúng tôi sẽ tự tay lắp ráp một bộ khuếch đại bóng bán dẫn đơn giản và tìm ra cách hoạt động của nó.
Khi tải một bóng bán dẫn công suất thấp T loại BC107, chúng tôi bật tai nghe có điện trở 2-3 kOhm, chúng tôi đặt điện áp phân cực vào đế từ một điện trở có điện trở cao Rlà 1 MΩ, ta bật tụ điện phân tách C có công suất từ 10 μF đến 100 μF ở mạch cơ sở T. Chúng ta sẽ cấp nguồn cho mạch từ pin 4,5 V / 0,3 A.
Nếu điện trở Rkhông được kết nối, thì không có dòng điện cơ bản Ib và dòng điện cực góp Ic. Nếu điện trở được kết nối, thì điện áp ở đế tăng lên 0,7 V và dòng điện Ib \u003d 4 μA chạy qua nó. Hệ sốmức tăng hiện tại của bóng bán dẫn là 250, mang lại Ic=250Ib=1 mA.
Sau khi tự tay mình lắp ráp một bộ khuếch đại bóng bán dẫn đơn giản, chúng ta có thể kiểm tra nó. Kết nối tai nghe và đặt ngón tay của bạn vào điểm 1 của sơ đồ. Bạn sẽ nghe thấy một tiếng ồn. Cơ thể bạn nhận biết bức xạ của nguồn điện lưới ở tần số 50 Hz. Tiếng ồn bạn nghe thấy từ tai nghe là bức xạ này, chỉ được khuếch đại bởi bóng bán dẫn. Hãy để chúng tôi giải thích quá trình này chi tiết hơn. Một điện áp xoay chiều có tần số 50 Hz được nối với đế của bóng bán dẫn thông qua tụ điện C. Điện áp ở đế bây giờ bằng tổng của điện áp phân cực DC (xấp xỉ 0,7 V) đến từ điện trở Rvà điện áp xoay chiều. Kết quả là dòng điện góp thu được thành phần xoay chiều có tần số 50 Hz. Dòng điện xoay chiều này được sử dụng để di chuyển màng loa qua lại ở cùng một tần số, có nghĩa là chúng ta có thể nghe thấy âm 50Hz ở đầu ra.
Nghe mức độ ồn 50 Hz không thú vị lắm, vì vậy bạn có thể kết nối các nguồn tần số thấp (đầu đĩa CD hoặc micrô) với điểm 1 và 2 và nghe giọng nói hoặc âm nhạc được khuếch đại.
