Базовые основы усиления

Базовые основы усиления - Как работают усилители

Введение

Термин «усилитель» является собирательным, хотя часто считают (в частности, многие пользователи), что он обозначает усилитель мощности для громкоговорителей. Данная статья попытается объяснить некоторые основы усиления — что это значит и как это достигается. Она не предназначена для разработчиков (хотя и разработчикам не вредно было бы её прочитать, если они того пожелают) и не охватывает всех возможностей. Это «букварь», дающий довольно простые объяснения (хотя некоторые, без сомнения, поспорят об этом) каждого из основных принципиальных моментов усиления.

Я объясню основные усилительные элементы, а именно вакуумные лампы, биполярные транзисторы и полевые транзисторы, которые работают в конечном итоге одинаково, но делают это по-разному. Эта статья основана на принципах усиления звука. Радиочастотные (RF) усилители разрабатываются по-другому вследствие особых требований при работе с высокими частотами.

Описаны также операционные усилители, потому что, хотя в строгом смысле они и не является ни одним из «компонентов», но теперь приняты, как «строительный блок» в своем собственном праве.

Эта статья предназначена не для полного новичка (хотя они тоже более чем приветствуются), а для среднеквалифицированных электроников или энтузиастов аудио (радиолюбителей), которые будут иметь наибольшую выгоду от объяснений.

Базовая терминология

Прежде, чем мы продолжим, следует объяснить некоторые из используемых терминов. Не зная об этом, вы не сможете следить за последующим обсуждением.

Электрические единицы:

Название	Измеряет	Вариант	Символ
Вольт	Электрическое «давление» (напряжение)	вольтаж	V, U, E (EMF)
Ампер	Поток электронов	ток	A, I
Ватт	Мощность		W, P
Ом	Сопротивление потоку электронов		Ω, R
Ом	Импеданс, сопротивление		Ω, Z, X
Фарада	Ёмкость		F, C
Генри	Индуктивность		H, L
Герц	Частота		Hz

Примечание: «вариант» означает «также известен, как». Хотя символом для омов является греческая буква омега (Ω), для их обозначения я буду использовать слово «Ом» или букву «R». Любое сопротивление, превышающее 1000 Ом, будет отображаться, как (например) 1k5, что означает 1500 Ом или 1 М для 1 000 000 Ом. Второй символ, показанный в таблице, обычно используется в формулах.

Когда дело доходит до вольт и ампер, у нас есть переменный ток и постоянный ток. Питание от настенной розетки представляет собой переменный ток, которым является также выходной сигнал компакт-диска или магнитофона. Питание от сетевой розетки, находящейся под высоким напряжением, способно выдавать большой ток и используется для питания усилительных устройств. Сигнал от аудиоисточника находится под низким напряжением и может выдавать только небольшой ток, который нужно усилить, чтобы он мог управлять громкоговорителем.

Полное сопротивление (импеданс)

Производная единица комбинации сопротивления, емкости и индуктивности называется импедансом, хотя требование, чтобы были включены все три параметра, не является обязательным. Импеданс также измеряется в омах, но это сложная величина, часто не дающая никакой полезной информации. Показательным примером является импеданс динамика. Хотя может быть указано, что сопротивление динамика составляет 8 Ом, в действительности оно будет варьировать в зависимости от частоты, типа корпуса и даже от ближайших стен или обстановки помещения.

Единицы

Во всех областях электроники имеется меньше и больше значений, которые было бы очень неудобно писать полностью. Например, конденсатор может иметь значение 0,000001 фарад, а резистор — 150 000 Ом. Из-за этого существуют условные единицы, применяемые для облегчения нашей жизни (ну, в любом случае, когда мы привыкли их использовать). Гораздо проще сказать 1 мкФ или 150 кОм (то же, что и выше, но с использованием стандартных единиц измерения). Эти единицы описаны ниже.

Обычные метрические единицы:

Символ		Наименование	Множитель
p	п	пико	1 x 10-12
n	н	нано	1 x 10-9
μ	мк	микро	1 x 10-6
m	м	милли	1 x 10-3
k	к	кило	1 x 103
M	М	мега	1 x 106
G	Г	гига	1 x 109
T	Т	тера	1 x 1012

Хотя символ «микро» обычно пишется, как буква «u», на самом деле им является греческая буква mu (μ). В аудио Гига и Тера обычно не встречаются (за исключением указания входного сопротивления некоторых операционных усилителей). Есть и другие величины (такие, как фемто — 1x10^-15), которые крайне редки и поэтому не были включены в таблицу. Из стандартных электрических величин только фарада настолько велика, что стандартом де-факто является микрофарада (мкФ). Большинство других в своей основной форме достаточно разумны.

Важно понимать, что символом для микрофарад является «мкФ», а не «мФ» — это миллифарада, равная 1000 мкФ.

Основы усиления

Термин «усиливать» по сути означает «сделать сильнее». Сила сигнала (с точки зрения напряжения) называется амплитудой, но для тока эквивалента нет (для current — карритуда? Нет, звучит глупо). Это само по себе сбивает с толку, ибо хотя термин «амплитуда» относится к напряжению, он содержит слово «амп», как в ампере. Может быть, следует ввести «вольтитуда» — нет? Просто живите с этим.

Чтобы понять, как работает любой усилитель, следует понять два основных типа усиления и третий «производный» тип:

1. Усилитель напряжения — усилитель, повышающий напряжение входного сигнала.
2. Усилитель тока — усилитель, повышающий ток сигнала.
3. Усилитель мощности — комбинация двух указанных выше усилителей.

В случае усилителя напряжения небольшое входное напряжение будет увеличено так, что, например, входной сигнал 10 мВ (0,01 В) может быть усилен до достижения выходным сигналом 1 вольта, что представляет собой «усиление» в 100 раз — выходное напряжение в 100 раз больше, чем входное. Это называется усилением по напряжению.

В случае усилителя тока входной ток силой 10 мА (0,01 А) может быть усилен до 1 ампера. Опять же, это усиление в 100 раз и это усиление по току.

Если мы теперь объединим два усилителя, затем рассчитаем входную и выходную мощность, то измерим усиление по мощности:

где: I — ток (обратите внимание на изменение символа в формуле)

Теперь можно рассчитать входную и выходную мощность:

Таким образом, коэффициент усиления составляет 10 000, т.е., коэффициент усиления по напряжению, умноженный на коэффициент усиления по току. Возможно, несколько удивительно, что для аудиоусилителей мы не будем заинтересованы в усилении по мощности. Для этого есть веские причины, которые будут объяснены в оставшейся части этого подраздела. В действительности же все усилители являются усилителями мощности, поскольку напряжение не может существовать без мощности, если импеданс не равен бесконечности или нулю. Такое никогда не достигается, поэтому всегда присутствует некоторая мощность. Усилители удобно классифицировать, как указано выше и небольшая ошибка в терминологии не причинит никакого вреда.

Обратите внимание, что коэффициент усиления по напряжению или току в 100 раз составляет 40 дБ, а коэффициент усиления по мощности в 10 000 раз также равен 40 дБ.

Входное сопротивление

Усилители имеют определенный входной импеданс. Он говорит лишь о том, какую нагрузку усилитель будет создавать для предыдущего каскада, такого, как предварительный усилитель. Согласовывать импеданс предусилителя с усилителем мощности или усилитель мощности с динамиком не практично и не полезно. Более подробно это будет обсуждаться далее.

Нагрузка — это сопротивление или импеданс, приложенные к выходу усилителя. В случае усилителя мощности нагрузка чаще всего представляет собой громкоговоритель. Любая нагрузка требует, чтобы источник сигнала (предшествующий усилитель) был способен обеспечить ее достаточным напряжением и током для выполнения своей функции. В случае громкоговорителя усилитель мощности должен обеспечивать напряжение и ток, достаточные для того, чтобы диффузор громкоговорителя сдвигался на требуемое расстояние. Это движение преобразуется динамиком в звук.

Даже если усилитель в состоянии обеспечить напряжение, достаточное для возбуждения диффузора динамика, он не сможет этого сделать, если не обеспечит достаточного тока. Это не имеет никакого отношения к его выходному сопротивлению. Усилитель может иметь очень низкий выходной импеданс, но может работать только на малом токе (в данном случае операционный усилитель). Этот момент очень важен и должен быть полностью понят, прежде чем вы сможете полностью оценить сложность процесса усиления.

Усилители имеют определенный входной импеданс. Он говорит лишь о том, какую нагрузку усилитель будет создавать для предыдущего каскада, такого, как предварительный усилитель. Согласовывать импеданс предусилителя с усилителем мощности или усилитель мощности с динамиком не практично и не полезно. Более подробно это будет обсуждаться далее.

Нагрузка — это сопротивление или импеданс, приложенные к выходу усилителя. В случае усилителя мощности нагрузка чаще всего представляет собой громкоговоритель. Любая нагрузка требует, чтобы источник сигнала (предшествующий усилитель) был способен обеспечить ее достаточным напряжением и током для выполнения своей функции. В случае громкоговорителя усилитель мощности должен обеспечивать напряжение и ток, достаточные для того, чтобы диффузор громкоговорителя сдвигался на требуемое расстояние. Это движение преобразуется динамиком в звук.

Даже если усилитель в состоянии обеспечить напряжение, достаточное для возбуждения диффузора динамика, он не сможет этого сделать, если не обеспечит достаточного тока. Это не имеет никакого отношения к его выходному сопротивлению. Усилитель может иметь очень низкий выходной импеданс, но может работать только на малом токе (в данном случае операционный усилитель). Этот момент очень важен и должен быть полностью понят, прежде чем вы сможете полностью оценить сложность процесса усиления.

Выходное сопротивление

Выходной импеданс (Z_out) усилителя — это мера импеданса или сопротивления, «глядящего» обратно в усилитель. Он не имеет никакого отношения к фактической нагрузке, которая может быть подключена к выходу.

Например, выходной импеданс усилителя составляет 10 Ом. Это подтверждается подключением к выходу нагрузки в 10 Ом, при чем напряжение уменьшается до ½ по сравнению с таковым без нагрузки. Однако, если этот усилитель не способен к значительному выходному току, нам, возможно, придется проводить это измерение при очень низком выходном напряжении, иначе усилитель не сможет управлять нагрузкой.

Другой усилитель может иметь выходное сопротивление 100 Ом, но может выдавать в нагрузку ток 10 А. Выходной импеданс и ток полностью раздельны и не должны рассматриваться как равнозначные. Обе эти возможности будут продемонстрированы далее.

Когда-либо прямо измерить выходной импеданс вам удастся очень редко. Операционный усилитель, настроенный на коэффициент усиления 10 (20 дБ), обычно имеет такой низкий Z_out, что его практически невозможно измерить напрямую, кроме как со входным сигналом в несколько микровольт. Большинство усилителей мощности будут подвергаться сильным нагрузкам, пытаясь приблизиться к режиму короткого замыкания и выразят свое недовольство, взорвавшись или путем срабатывания их схемы защиты (если она имеется).

Выходное сопротивление также не зависит от сопротивления источника питания. Оно ведет к падению максимальной неискаженной мощности при нагрузках с более низким импедансом, поэтому усилитель может выдавать 50 Вт на 8 Ом, но только 80 Вт на 4 Ом (непрерывная мощность, тогда, как пиковая для коротких переходных процессов может быть выше). Непонимание того, что все эти факторы не зависят друг от друга, ведет к ложным выводам. Легко попасть в ловушку и некоторые производители усугубляют ситуацию, заявляя, что их 50-ваттный усилитель XyZ-5000 может выдавать 100 ампер в нагрузку, но не сообщают покупателям, что никакая разумная (или даже неразумная) нагрузка не в состоянии это обеспечить, потребляя когда-либо столько тока.

Выходное сопротивление (примерно) равно выходному сопротивлению без обратной связи, деленному на коэффициент обратной связи. Усилитель может иметь Z_out без обратной связи 5 Ом с глубиной обратной связи 46 дБ (коэффициент 200). Замкнутый контур Z_out составляет тогда 5/200, или 25 мОм. Однако, коэффициент обратной связи почти всегда зависит от частоты, поэтому, если частота не указана, показатель Z_out может не иметь смысла.

Обратная связь

Обратная связь — это термин, вызывающий больше «кровавых» сражений между аудио-энтузиастами, чем почти любой другой. Без него у нас не было бы уровней качества, которыми мы сегодня наслаждаемся и многие типы усилителей были бы несостоятельными.

Обратная связь в широком смысле слова означает, что определенная часть выходного сигнала «возвращается» на вход. Усилитель, или элемент усилительного устройства, сравнивает входной сигнал с его «уменьшенной копией» выходного сигнала. Если есть какая-либо разница, усилитель исправляет её и в идеале гарантирует, что выходной сигнал является точной копией входного, но с большей амплитудой. Обратная связь может быть как по напряжению, так и по току и в обоих случаях имеет схожий эффект.

Во многих конструкциях часть полной схемы усилителя (обычно входной каскад) действует, как усилитель ошибки и подает точно дозированное количество сигнала на остальную часть усилителя, чтобы гарантировать отсутствие различий между входным и выходным сигналами, кроме амплитуды. Это (конечно) идеальное состояние и на практике оно никогда не достижимо. Всегда останется какая-то разница, пусть и незначительная.

Инверсия сигнала

Все стандартные активные компоненты, используемые в качестве усилителей напряжения, инвертируют сигнал. Это означает, что если на них поступает положительный сигнал, он становится более сильным, но теперь отрицательным. На самом деле это не имеет большого значения, но удобно (и обычно) пытаться сделать усилители неинвертирующими. Для того, чтобы фаза усиленного сигнала совпадала с фазой входного, необходимо использовать два каскада (или трансформатор).

Точный механизм того, как и почему это происходит, будет объяснен по мере продвижения вперед.

Этап проектирования

Этап проектирования усилителя, несколько различается а зависимости от типа компонентов, используемых в самой конструкции. Существует определенная последовательность, которую следует использовать большую часть времени для завершения разработки и она будет (или должна) быть шаблонной.

1. Выходная мощность в сравнении с импедансом — выходная мощность определяется импедансом нагрузки и доступным напряжением и током усилителя. Усилитель с максимальным выходным током 1,414 А не сможет обеспечить большую мощность только потому, что вы этого захотите. Такой усилитель будет ограничен среднеквадратичным значением 16 Вт на нагрузке 8 Ом, независимо от напряжения его питания. Аналогично, усилитель с напряжением питания ±16 В (среднеквадратичное значение 11,32 В) не сможет обеспечить среднеквадратичную мощность более 16 Вт на 8 Ом, независимо от его максимально возможного тока. Наличие большего максимально возможного тока позволит усилителю выдать (например) 32 Вт на 4 Ом (пиковый ток 4 А) или 64 Вт на 2 Ом (пиковый ток 8 А), но не позволит выдать на 8 Ом мощность большую, чем это позволено напряжением питания и импедансом нагрузки.
2. Ток драйвера — драйверный каскад должен быть способен выдать достаточный ток на выходные транзисторы особенно в случае применения биполярных транзисторов. В случае применения полевых МОП-транзисторов драйвер должен быть способен достаточно быстро заряжать и разряжать емкость затвор-исток, чтобы обеспечить необходимую мощность на самых высоких частотах. При использовании ламп драйвер должен быть в состоянии выдать ток, достаточный для питания только резисторов смещения, поскольку сетка лампы потребляет мало или вообще не потребляет тока (за исключением особого случая класса AB2). Для простоты, если биполярные выходные транзисторы при максимальном токе в нагрузке имеют коэффициент усиления 20, то драйвер должен иметь возможность выдать достаточный ток в их базы. Если максимальный ток коллектора составляет 4 А, то в базы выходных транзисторов драйверы должны иметь возможность выдать 200 мА.
3. Преддрайверный каскад — каскад, предшествующий драйверам, также должен обеспечивать достаточный ток для нагрузки. Драйвер класса A биполярного усилителя или усилителя на МОП-транзисторах должен обеспечить достаточный ток для удовлетворения потребностей базового тока биполярных драйверов или емкости затвора МОП-транзисторов.

Опять же, используя приведенный выше биполярный пример, максимальный базовый ток для выходных транзисторов составлял 200 мА. Если драйверы имеют минимальный указанный коэффициент усиления 50, то их базовый ток будет составлять 200 мА / 50 = 4 мА.

Поскольку драйвер класса A должен работать в классе A (что удивительно?), он, чтобы никогда не выключался, должен выдавать ток в 1,5…5 раз превышающий ожидаемый максимальный ток драйвера. То же самое относится к усилителю на МОП-транзисторах, который будет требовать (например) максимального тока заряда (или разряда) затвора 4 мА при самых высоких амплитудах и частотах.

С ламповыми усилителями это обычно не проблема, т.к. его предварительные каскады усиления не нагружены каким-либо значительным импедансом. Никаких дальнейших определений не требуется (кроме обычных эффектов нагрузки ламповых каскадов в целом), хотя ограничивающим фактором может стать неискаженное колебание напряжения питания.

1. Входные каскады — входные каскады всех транзисторных усилителей должны обеспечивать базовый ток драйвера класса А. На этот раз необходим запас в 2…5 раз больше ожидаемого максимального базового тока. Если драйвер класса А должен обеспечивать ток покоя, скажем, 8 мА, то максимальный ток будет равен 12 мА (ток покоя + базовый ток драйвера. Предполагая усиление в 50 (снова), это означает, что входной каскад должен быть в состоянии выдать 12 мА / 50 = 240 мкА, поэтому, чтобы сохранить линейность, он должен работать при минимальном токе 240 мкА × 2 = 480 мкА.
2. Входной ток — входной ток первого каскада определяет входное сопротивление усилителя. Используя приведенные выше расчеты, для входного каскада с коэффициентом усиления 100 и токе коллектора 480 мкА, базовый ток будет составлять 4,8 мкА. Если максимальная мощность развивается при входном напряжении 1 В, тогда полное сопротивление составляет 208 кОм (R = U / I).

Поскольку каскад должен иметь смещение, мы применяем те же правила, что и раньше — с запасом от 2 до 5, поэтому максимальное значение резисторов смещения должно быть 208 кОм / 2 = 104 кОм. Предпочтительным является более низкое значение, и я полагаю, что более подходящим является коэффициент 5, что дает 208 / 5 = 42 кОм (без проблем можно использовать 47 кОм).

Конечно же, это только рекомендации и есть много случаев, когда токи больше (или меньше), чем предполагалось. Конечным результатом является эффективность усилителя и подход с использованием учебников не всегда дает ожидаемый результат. Обратите внимание, что в приведенном выше описании есть некоторые существенные упрощения — это обзор, предназначенный лишь для того, чтобы дать базовое понимание.

Типы усилительных устройств

В этой статье описаны три различных базовых типа усилительных компонентов и каждый из них будет обсуждаться по очереди. У каждого есть свои сильные и слабые стороны, но у всех есть один общий недостаток — они не идеальны.

Идеальный усилитель или другое устройство (обычно называемый «идеальным») будет выполнять свою задачу в определенных заданных пределах, ничего не прибавляя к исходному сигналу и ничего не убавляя из него. Идеального усилительного компонента не существует и, как следствие, не существует идеального усилителя, так как все должно быть построено с использованием реальных (неидеальных) компонентов.

В настоящее время доступны усилительные компоненты таких классов:

1. Вакуумная лампа.
2. Биполярный переходной транзистор (BJT — Bipolar Junction Transistor).
3. Полевой транзистор (FET — Field Effect Transistor).

Существуют также некоторые производные указанных выше классов, такие, как биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и полевые транзисторы на основе оксида металла и полупроводника (МОП). Из них МОП-транзисторы являются популярным выбором многих разработчиков из-за некоторых полезных характеристик и они будут рассмотрены в их собственном разделе.

Все эти компоненты зависят от других, не усиливающих («поддерживающих») компонентов, обычно известных, как «пассивные компоненты». Пассивные компоненты — это резисторы, конденсаторы и индуктивности, без которых мы бы вообще не смогли создавать усилители.

Все компоненты, используемые для усиления, изменяют силу выходного тока и только способ их использования позволяет создавать усилитель напряжения. Лампы и полевые транзисторы являются устройствами, управляемыми напряжением. Это означает, что выходной ток определяется напряжением, а ток из источника сигнала не поступает (теоретически). Биполярные транзисторы управляются током, поэтому выходной ток определяется входным током. Это означает, что от источника сигнала не требуется напряжение, только ток. Опять же, это в теории, а на практике такое не осуществимо.

Токовый выход любого из этих усилительных устройств мы можем преобразовать в напряжение, только используя вспомогательные компоненты. Наиболее часто для этой цели применяется резистор.

Общие ограничения параметров

Все активные компоненты имеют определенные общие параметры (хотя они будут иметь разные названия в зависимости от компонента). По сути, это:

1. Максимальное напряжение — максимальное напряжение, которое может быть приложено между основными клеммами компонента. Оно может варьировать от, возможно, всего 25 В (иногда даже и меньше) для малосигнальных биполярных транзисторов и полевых транзисторов с P-N переходом (переходных полевых транзисторов) и до 1200 В или даже более для некоторых ламп и высоковольтных транзисторов. Напряжения МОП-транзисторов для коммутационных устройств, применяемых в источниках питания, обычно составляют примерно от 600 до 800 В.
2. Максимальный ток — максимальный ток, который компонент может безопасно пропустить через себя. Диапазон составляет от нескольких мА до многих ампер. Пока на компоненте имеется также максимальное напряжение, такое никогда не допустимо, потому что это приведет к рассеиванию мощности, намного превышающему допустимое значение.
3. Максимальная рассеиваемая мощность — максимальная мощность, которую компонент может рассеивать (в мВт или Вт) при любых условиях напряжения и тока (для ламп называется плато рассеяния).
4. Напряжение/ток нагревателя (для ламп) — рабочее напряжение и/или ток для нити накала (для катодов с прямым накалом) или нагревателя (для катодов с косвенным накалом). Они всегда должны быть в пределах 10% от указанного значения, иначе срок службы катода значительно сократится.
5. Максимальная температура перехода (для полупроводников) — максимальная температура, которую полупроводниковый кристалл будет выдерживать без разрушения. При такой температуре большинство полупроводников не смогут выполнять какую-либо полезную работу, так как это еще больше повысит температуру выше максимально допустимой.
6. Снижение номинальных характеристик (для полупроводников) —допустимая мощность полупроводниковых компонентов при превышении указанной температуры должна быть уменьшена, чтобы оставаться ниже максимально допустимой температуры перехода. Мощность обычно начинает снижаться при нагреве более 25°C.
7. Термостойкость (для полупроводников) — тепловое сопротивление между переходом и корпусом (для мощных устройств) или P-N переходом и воздухом (для маломощных устройств). Измеряется в °C / Вт. Этот параметр позволяет определить подходящий радиатор.

Это далеко не все параметры, их гораздо больше и они варьируют от устройства к устройству. Например, некоторые МОП-транзисторы будут иметь пиковые значения тока, во много раз превышающие постоянные, но только в течение очень ограниченного времени. Биполярные транзисторы имеют график безопасной рабочей зоны (ОБР — область безопасной работы), который показывает, что при некоторых обстоятельствах компонент не следует эксплуатировать вблизи его максимальной рассеиваемой мощности, иначе он выйдет из строя из-за явления, называемого вторичным тепловым пробоем (будет описан позже).

Большинство полупроводников во многих случаях невозможно эксплуатировать в режимах, близких к максимальной рассеиваемой мощности, поскольку тепловое сопротивление таково, что тепло просто не может быть достаточно быстро удалено из зоны P-N перехода в радиатор. В этих случаях для достижения эффективности, которую (теоретически) можно получить от одного компонента, может потребоваться применение нескольких компонентов. Такое очень распространено в аудиоусилителях.

Основные формулы электроники

Есть некоторые вещи, от которых просто невозможно избавиться и математика — одна из них. Я включу здесь только самые необходимые формулы, но опишу и другие полезные. Не собираюсь давать урок алгебры, но лучшая причина когда-либо заниматься этим предметом — изучить преобразование формул электроники! Преобразование зависит от вас (если не буду вынужден сделать это где-нибудь для расчета).

Закон Ома

Первой из них является закон Ома, который гласит, что напряжение 1 В на сопротивлении 1 Ом вызывает ток в 1 А. Формула:

,

где: R — сопротивление в омах,

U — напряжение в вольтах,

​​I — ток в амперах.

Как и все такие формулы, её можно транспонировать (упс, я сказал, что не собираюсь этого делать, не так ли?):

и

.

Реактивность

Существует сопротивление (реактивное сопротивление) конденсатора, изменяющееся обратно пропорционально частоте (с увеличением частоты реактивное сопротивление падает и наоборот).

где:  X_С — емкостное реактивное сопротивление в Омах,

π (pi) — 3,14159,

f — частота в Гц,

C — емкость в фарадах.

Индуктивное сопротивление, являющееся реактивным сопротивлением индуктивности. Пропорционально частоте:

где: X_I — индуктивное сопротивление в Омах,

L — индуктивность в Генри (другие величины — как указано выше).

Частота

Для неё существует много различных расчетов, в зависимости от комбинации компонентов. Частота по уровню -3 дБ для сопротивления и емкости (наиболее распространенные в конструкции усилителя) определяется:

,

где: f_О — частота по уровню -3 дБ.

Когда сопротивление и индуктивность объединены, формула приобретает вид:

.

Мощность

Мощность — это мера работы, которая может быть либо физической (перемещение диффузора динамика), либо тепловой. Мощность в любой форме, в которой присутствуют напряжение, ток и сопротивление, может быть рассчитана несколькими способами:

;    ;    ,

где: P — мощность в ваттах,

U — напряжение в вольтах,

I — ток в амперах.

Децибел (дБ)

В течение очень долгого времени было известно, что человеческие уши не могут различить очень маленькие отличия звукового давления. Первоначально было определено, что наименьшее слышимое изменение составляет 1 дБ — 1 децибел или 1/10 от 1 бел. Кажется довольно общепринятым, что фактический предел составляет около 0,5 дБ, но нередко можно услышать, что некоторые люди могут (или искренне верят, что могут) различать гораздо меньшие градации. Я не буду отвлекаться на это!

;    ;    

Как можно видеть, в расчетах дБ для напряжения и тока используется 20-кратное значение десятичного логарифма (по основанию 10) большей единицы, деленное на меньшую единицу. С мощностью используется умножение на 10. В любом случае, падение на 3 дБ отражает половину мощности и наоборот.

Есть много других формул, но пока будет достаточно этих. Я не намерен преподать полный курс по электронике, поэтому дам вам то, что необходимо, чтобы понять оставшуюся часть статьи — для остального есть много отличных книг по электронике и в них будет любая когда-либо разыскиваемая формула.

Часть 1 — Лампы (вакуумные или термоэлектронные трубки)

Вначале вакуумные трубки были единственными компонентами для усиления и лампы (или «трубки») сохранились до наших дней, вместе с их преданными последователями «верующими», убежденными, что разработка транзистора (или любого полупроводника) была принципиально плохой идеей. Это не та дискуссия, которой я намерен следовать — я хочу просто указать, как эти устройства усиливают сигнал и факторы, определяющие усиление напряжения и тока. Для получения дополнительной информации о ламповых схемах см. материалы, показанные на страницах ESP, посвященных лампам.

Основная усилительная лампа (есть много различных типов с более высокой сложностью) имеет три элемента. Это:

1. Анод — собирает электроны, выпущенные катодом.
2. Катод (с косвенным или прямым накалом) — источник потока электронов.
3. Сетка — контролирует поток электронов.

Когда к аноду относительно катода приложено положительное напряжение, электроны, испускаемые с катода, потекут к аноду, замыкая цепь. Сетка представляет собой тонкую проволочную спираль, подвешенную между двумя этими элементами. Отрицательное напряжение на сетке (по отношению к катоду) будет отталкивать часть потока электронов, вызывая уменьшение тока. Если напряжение на сетке будет изменяться, то ток от катода к аноду также должен меняться и… рождается усилитель. На рис. 1.1 показана принципиальная схема лампового усилителя напряжения.

Рисунок 1.1  Базовая схема лампового усилителя напряжения

Эта конфигурация известна, как «схема с общим катодом», поскольку опорная точка катода (земля) является общей для входа и выхода. На резисторе «R_k», размещенном в катодной цепи, создается падение напряжение из-за протекания через него тока. Если сетка привязана к земле, то на ней формируется отрицательный потенциал по отношению к катоду. Напряжения, показанные на схеме, являются типичными для одного элемента двойного триода 12AX7. Обратите внимание, что два не подключенных вывода лампы предназначены для нагревателя. Они используются для нагрева катода, чтобы он более охотно излучал электроны.

Наличие катодного резистора ведет к тому, что ток в его цепи стабилизируется, при этом любая попытка увеличить ток катода вызывает увеличение падения напряжения на резисторе, что приводит к более отрицательному потенциалу на сетке и уменьшит ток. Когда цепь работает стабильно, быстро достигается точка равновесия. Это явление известно, как катодное смещение и наиболее часто встречается при малых уровнях сигнала в маломощных усилителях.

При подаче переменного напряжения (сигнала) на сетку, ток между катодом и анодом тоже будет меняться. Поскольку нагрузка анода является сопротивлением, на нем будет развиваться переменное напряжение, которое (будем надеяться) будет больше, чем напряжение, приложенное к сетке. Таким образом, входное напряжение оказывается усиленным.

Поскольку напряжение сигнала на сетке «борется» с попыткой катодного резистора поддерживать стабильный ток через лампу, это явление является формой обратной связи. Оно также известно, как катодная дегенерация. Название не имеет значения, потому что, как местная обратная связь, это улучшает линейность каскада, но уменьшает его усиление. В действительности, улучшение линейности незначительно и отсутствие конденсатора может увеличить шум в чувствительных цепях, особенно шум, индуцируемый в катод от нагревателя, который в прошлом почти всегда работал от переменного тока, но сейчас распространены нагреватели, питаемые от постоянного тока.

Если катод нагревают непосредственно (на нить наносят непосредственно оксидные покрытия), работа на постоянном токе является обязательной, иначе может возникнуть гул. Катоды прямого накала всегда будут излучать электроны неравномерно из-за градиента напряжения на нити накала. Единственные распространенные в наши дни лампы с прямым накалом, используемые в любом количестве, являются выпрямителями.

Обратите внимание, что для катодов с косвенным накалом нагревательный элемент называется нагревателем, но для катодов непосредственного накала он чаще упоминается, как нить накала (как в нагретой нити накала лампочки).

Поскольку лампы имеют относительно низкий коэффициент усиления по напряжению, катодный резистор обычно шунтируют конденсатором, чтобы подавить местную обратную связь и достигнуть как можно большего коэффициента усиления, как показано на рис. 1.1. Усиление (или, точнее, передаточная характеристика) лампы иногда измеряется в мА/В, что говорит о том, на сколько миллиампер анодный ток изменится при изменении напряжения на сетке на 1 В. Другим распространенным способом описания этого параметра является «мю» (µ) или коэффициент усиления. Еще одно значение является общим для ламп — «проводимость» (она же взаимная проводимость или транскондуктивность), которая противоположна сопротивлению и выражается в «Мо» (Ом задом наперед — серьезно!) или «Siemens».

Одна проблема с лампами всегда заключалась в количестве различных методов, используемых для описания того, что, по сути, одно и то же. В зависимости от того, какую книгу вы читаете, вы увидите эффективное усиление, указанное как мА/В, взаимную проводимость («g_m», в «Mо» или чаще «мкМо») или столь же неясный термин «коэффициент усиления», ни один из которых не имеет прямого отношения к результату, который можно ожидать без дальнейших расчетов.

Выходной импеданс цепи, показанной на рис. 1.1, составляет около 44 кОм — это значение анодного резистора, параллельное внутреннему сопротивлению анода. Rg2 является сеточным резистором («гридликом») для последующего каскада и на 1 MОм нагружает выход и уменьшает усиление.

1.1  Характеристики ламп

Есть четыре основных характеристики, указанные для любой конкретной лампы, а именно:

1. Коэффициент усиления (мю или µ) — этот параметр сравнивает эффективность влияния напряжения управляющей сетки на анодное напряжением при изменении анодного тока.
2. Сопротивление анода — эквивалентное сопротивление внутренней цепи катода к аноду, поскольку на лампу подается анодное напряжение и через неё течет ток.
3. Взаимная проводимость (также известная как транскондуктивность) в мкМо — показывает, насколько эффективно сетка контролирует анодный ток.
4. Сопротивление анода — значение внутреннего сопротивления между анодом и катодом при условии нормального смещения. Его нельзя игнорировать!

В лампах важно понимать, что все меняется. Характеристики сильно различаются в зависимости от напряжения на аноде, сопротивления нагрузки, тока смещения и всего остального, о чем только можно подумать. Несмотря на это, все еще возможно спроектировать схемы с использованием ламп, которые будут повторяемы от одного экземпляра к другому, при условии, что разработчик знает, что он делает.

Типичная малосигнальная лампа (такая, как двойной триод 12AX7 high mu) имеет сопротивление анода 80 кОм, коэффициент усиления (мю) 100 и транскондуктивность (при использовании схемы по рис. 1.1) около 1250 мкМо, что может быть (простая математика) преобразовано в цифру 1,25 мА/В. Это означает, что изменение на 1 В на сетке приведет к изменению анодного тока на 1,6 мА. На самом деле это не соответствует сказанному, поскольку лампа может быть не способна выдерживать анодный ток 1,25 мА при любых режимах. Однако изменение на 0,1 В на сетке может вызвать изменение анодного тока на 0,125 мА — измерения обычно «нормализуются», чтобы упростить сравнение.

Давайте теперь посмотрим, как лампа усиливает сигнал. Передаточная кривая на рис. 1.2 показывает форму входного сигнала, приложенного к сетке, на любой удобной частоте. По мере того, как сигнал становится более положительным, лампа потребляет больше тока, пока на пике сигнала напряжение на сетке не станет на 0,1 В более положительным, чем было раньше. Следовательно, ток анода на 0,125 мА больше, чем был раньше. Используя закон Ома, ток 0,125 мА на сопротивлении 100 кОм вызывает падение напряжения на аноде на 12,5 В ниже, чем в состоянии покоя.

Казалось бы, это означает, что лампа имеет усиление 12,5/0,1 = 125 — не случайно! Схема на рис. 1.1 будет иметь типичное усиление напряжения (A_U) гораздо меньше, чем это. Зачем? Потому что не учитывалось внутреннее сопротивление анода лампы. Оно параллельно нагрузочному анодному резистору и внешней нагрузке (сеточному резистору последующего каскада). Если их принять во внимание, то усиление может быть рассчитано на уровне около 55, что несколько более скромно по сравнению с показателем, полученным до рассмотрения всей схемы.

Единственный способ быть уверенным в том, что на самом деле будет делать лампа — обратиться к данным производителя и передаточным кривым для режима работы и катодного тока, который вы хотите использовать. На работу любой лампы глубокое влияние оказывают характеристики лампы, напряжение питания, анодный ток, анодное напряжение и импеданс последующего каскада.

Рисунок 1.2  Типичная передаточная характеристика лампы

Как видно из рис. 1.2, передаточная кривая не является линейной. Это означает, что по мере приближения лампы к отсечке (полностью выключенному состоянию) или насыщению (полностью включенному) характеристики изменяются и возникают искажения. (Очень) грубая оценка максимального среднеквадратичного выходного напряжения для поддержания искажения ниже 1% составляет около 0,1 от анодного напряжения в покое, но часто ещё меньше. Таким образом, при анодном напряжении 125 В на холостом ходу максимальное выходное напряжение будет 12,5 В RMS. В первую очередь это предполагает, что лампа была смещена правильно. Из графика видно, что при высоких значениях отрицательного напряжения сетки лампа отключается, а при низком (или положительном) напряжении сетки лампа включается настолько сильно, насколько это возможно.

Лампа может рассматриваться, как имеющая бесконечный входной импеданс (хотя это никогда не реализуется на практике). Входной импеданс для звуковых частот приблизительно равен значению сеточного резистора. Следовательно, выходной ток контролируется сеточным напряжением, поэтому лампа может рассматриваться как источник тока, управляемый напряжением (или ИТУН).

1.2 Ламповый усилитель тока

На рис. 1.3 показан ламповый усилитель тока, обычно известный, как катодный повторитель, или «схема с общим анодом» (поскольку анод является общим для входа и выхода — только для сигналов переменного тока). Хотя эта схема может обеспечить полезное увеличение тока и такое же полезное уменьшение выходного импеданса, её коэффициент усиления по напряжению меньше единицы. Как правило, это будет от 0,8 до 0,9, поэтому на каждый вольт сигнала, подаваемого на вход, мы получаем только около 850 мВ на выходе.

Рисунок 1.3  Катодный повторитель, как усилитель тока

Катодный повторитель обычно используется там, где требуется выход с низким импедансом, поскольку выходной импеданс большинства ламповых схем достаточно высок (равен значению анодного нагрузочного резистора, параллельно внутреннему сопротивлению анода). Простое подключение низкоимпедансной нагрузки к каскаду усилителя напряжения приведет к значительному снижению уровня выходного сигнала, поэтому в данном случае полезным является каскад усилителя тока (катодного повторителя). Можно ожидать, что выходное сопротивление цепи на рис. 1.3 будет составлять примерно 1/10 величины катодного сопротивления R_k2, но это сильно зависит от самой лампы и её рабочего тока. Доступный ток очень мал, поэтому схема не сможет управлять нагрузкой намного меньше, чем R_k2 или 47 кОм. Помните, что выходное сопротивление и возможность управления нагрузкой между собой не связаны.

Обратите внимание, что сетка все еще должна быть смещена к соответствующему отрицательному напряжению относительно катода. Как и раньше, используется катодный резистор смещения, но сетка подключена к нижней части этого резистора, а не к земле. Если бы она была подключена к земле, схема до появления искажений была бы способна только на очень малые уровни сигнала.

1.3 Ламповый усилитель мощности

Наконец, мы можем объединить схему усилителя напряжения и схему усилителя тока и получить усилитель мощности. В ламповом усилителе катодные повторители очень необычны и для согласования высокого напряжения и относительно высокого импеданса выходных ламп с низким импедансом динамика более распространенным является использование двухтактного выходного каскада, обычно с применением трансформатора.

Рисунок 1.4  Базовая схема лампового усилителя мощности

На рис. 1.4 показана базовая схема лампового усилителя мощности, использующая триод в «однотактном» режиме. Выходной трансформатор преобразует высокое анодное напряжение и сопротивление анода лампы в сигнал низкого напряжения низкого сопротивления для громкоговорителя. Поскольку через первичную обмотку выходного трансформатора должен протекать полный постоянный ток лампы (которая будет мощной, сильнотоковой), ему требуется очень большой сердечник из стальных пластин с воздушным зазором, чтобы минимизировать эффекты насыщения и искажений.

Интересно, что в последние годы вернулись эти неэффективные усилители с высоким уровнем искажений. Однако, в период расцвета ламп неэффективность и высокий уровень искажений в этих цепях были таковы, что почти во всех установках они были заменены более эффективными схемами с меньшим уровнем искажений, как показано на рис. 1.5.

Рисунок 1.5  Двухтактный ламповый усилитель мощности

Выходные лампы, показанные на схеме, называются пентодами (от лат. penta —пять), имеющие пять электродов вместо трех у триода. Вторая сетка (называемая экранной или просто экраном) значительно увеличивает коэффициент усиления лампы, в то время, как третья сетка, подавитель, предотвращает так называемое «вторичное излучение» из анода. Экран настолько ускоряет поток электронов, что электроны отскакивают от анода или выбивают другие электроны. Добавление экрана дает лампе некоторые приятные характеристики, такие как гораздо более высокое усиление, но также и некоторые неприятные (более низкая линейность, большие искажения), которым в некоторой степени противодействует подавитель. Сетка подавителя почти всегда соединена внутри с катодом. Для разработчиков весьма обычным приёмом является включать пентоды, как триоды, соединяя вместе экран и анод.

Интересен первый каскад схемы, называемый фазовращателем. Это комбинация усилителя напряжения и усилителя тока, имеющих равные значения сопротивления в каждой цепи (т.е. R_p = R_k2). Поскольку все лампы имеют одну  «полярность», они не могут работать, как биполярные или полевые транзисторы, а должны приводиться в действие собственным сигналом правильной полярности.

Поэтому входной сигнал отправляется «как есть» на одну лампу (из катодной цепи) и инвертируется для другой — отсюда и термин «двухтактный». Когда одна лампа «тянет» анодный ток в сторону его снижения, другая одновременно «толкает» в сторону его повышения. В правильно спроектированной схеме две выходных лампы будут передавать сигнал между ними с небольшими помехами. Любое нарушение в этой области называется перекрёстным (кроссоверным) искажением, потому что оно возникает, когда сигнал переходит от одной лампы к другой.

Обратите внимание на кое-что другое. Катоды выходных ламп подключены непосредственно к земле, а сетки снабжены отрицательным смещением от отдельного отрицательного источника питания. Это наиболее распространенный метод смещения выходных ламп в схемах большой мощности, имеющий гораздо большую эффективность, чем катодное смещение.

Для многих мощных выходных ламп использовать катодное смещение даже не считается хорошей идеей, потому что требуемое отрицательное напряжение на сетке слишком высоко. При использовании пентодов высокой мощности или другого распространенного типа, лучевых тетродов (я не буду описывать их более подробно, т.к. в Интернете можно найти много информации), редкостью не являются напряжения до минус 60 В. Использование катодного смещения для напряжения и тока такой величины неэффективно и резко снижает выходную мощность.

Лампы — резюме

Сказанное выше — всего лишь небольшой экскурс в мир ламп. Как я уже говорил во введении, этот курс не предназначен для полного обучения электронике. Представленные схемы являются только базовыми, то есть все они будут работать, но никак не оптимизированы.

Для дальнейшего чтения наиболее рекомендуемой работой является довольно старое (но все еще считающееся справочным) «Руководство разработчика Radiotron», написанное Ф. Лэнгфордом-Смитом и первоначально опубликованное компанией Amalgamated Wireless Valve Co. Pty. Ltd. в Австралии. Моя копия датирована 1957 годом, но недавно была переиздана (хотя, к сожалению, я думаю, что она довольно дорогая).

В целом, лампы все еще почти мистическая вещь, но, честно говоря, современные усилители, использующие транзисторы или полевые транзисторы, настолько превосходны с точки зрения точности, эффективности и надежности, что я действительно не понимаю, к чему суета. Сказав это, в своей системе я до недавнего времени использовал ламповый предусилитель.

Нет сомнений в том, что у ламп есть очень хорошие характеристики и мало гитаристов, которые могли бы возразить против ламповых гитарных усилителей. «Мягкое» поведение при перегрузке означает, что при перегрузке ламповый усилитель не звучит так резко, как транзисторный — это здорово для гитары, но hi-fi никогда не следует перегружать, так что вопрос спорный.

Проблем с лампами много и они следующие:

1. Хрупкие — стеклянные баллоны очень тонкие и легко разбиваются.
2. Ограниченный срок службы — даже если лампа работает хорошо в пределах своих номинальных значений, она все еще имеет ограниченный срок службы. Основными причинами неисправности ламп являются ухудшение эмиссии катода (происходящее постоянно) и газ, когда небольшое количество воздуха «пробивает» полный вакуум.
3. Микрофонный эффект — все лампы имеют тенденцию быть слегка микрофонными, т.е., они действуют, как микрофон. Это может вызвать дополнительную окраску сигнала, если звук из динамиков своей вибрацией воздействует на усилитель.
4. Высокое напряжение — постоянной головной болью является необходимость гарантировать, что постоянное напряжение 600 В (или до 1200 В в пике), характерное для усилителя высокой мощности, не «мигает» над цоколями ламп и обязательно нужно обеспечить удаление этих напряжений от мелких пальцев. Кроме того, высоковольтные конденсаторы дороже низковольтных.
5. Нагреватели — катоды ламп должны работать при правильной температуре, чтобы правильно излучали электроны и «испаряли» загрязняющие вещества. Если напряжение нагревателя слишком низкое, катод отравится и лампа выйдет из строя. Вся используемая мощность нагревателя тратится впустую, потому что ничего из этого не превращается в звук.
6. Выходные трансформаторы — выходной трансформатор для лампового усилителя дорогой, громоздкий и тяжелый. Он вносит свои собственные искажения, которые трудно (или невозможно) полностью устранить.
7. Нагрев — все ламповые усилители при работе греются. Лампа не будет работать, если она не горячая, а тепло вызывает проблемы для других компонентов, сокращая срок их службы. Тепло — это пустая трата энергии.
8. Демпфирование — почти все ламповые усилители имеют низкий коэффициент демпфирования, вызванный относительно высоким выходным сопротивлением. Динамики должны быть очень хорошо демпфированы, чтобы хорошо работали с любыми ламповыми усилителями, иначе низкие частоты станут плохо различимыми, а кроссоверные цепи (основанные на очень низком сопротивлении усилителя) могут работать не так, как предполагалось.

С положительной стороны ламповые усилители имеют «теплый» звук, частично из-за наличия гармонических искажений малого порядка. Хороший ламповый усилитель также будет иметь очень широкую полосу пропускания и легко справляться с нагрузками, которые могут вызвать большие проблемы для полупроводникового оборудования (или просто выход его из строя).

На низких уровнях ламповая аппаратура имеет исчезающе малые уровни искажений и, в конце концов, есть что-то приятное в маленьких стеклянных трубках с небольшим количеством света внутри, создающих вашу музыку.

Однако, в целом лампы в наши дни — дорогой, хрупкий и ненадежный способ что-либо усилить. Хорошо спроектированное современное «твердотельное» оборудование легко превзойдет лучшие ламповые аппараты любой эпохи и даже довольно прозаические схемы могут легко превзойти лучшие ламповые конструкции по шуму и искажениям.

Часть 2 — Биполярные транзисторы

Транзистор (от «резистор-передатчик») с момента своего изобретения прошел большой путь. Ранние транзисторы были сделаны из германия, «легированного» другими материалами, чтобы обеспечить желаемые свойства, необходимые для полупроводника. В начале эры транзисторов почти все устройства были P-N-P структуры (положительный-отрицательный-положительный) и было очень сложно сделать противоположную (N-P-N) полярность. Транзисторы N-P-N, доступные в то время, имели малую мощность и не работали так же, как их P-N-P аналоги.

Когда впервые был применен кремний, произошло обратное и в течение достаточно долгого времени единственными действительно мощными устройствами были кремниевые N-P-N структуры. Совсем недавно стало возможным изготавливать транзисторы N-P-N и P-N-P, практически идентичные по параметрам. Германий используется редко, хотя все еще доступны некоторые образцы.

Все транзисторы имеют три «элемента»:

Эмиттер — аналог катода лампы. Эмиттер испускает электроны только в устройстве N-P-N, но это не имеет принципиального значения.

База — управляющий вывод. Ток базы контролирует ток через транзистор.

Коллектор — в основном, собирает испускаемые электроны. Несколько аналогичен аноду лампы.

Транзистор может быть представлен в виде двух диодов, встречно соединенных вместе, как показано для обеих полярностей на рис. 2.1. Это всего лишь аналогия и соединение двух дискретных диодов таким образом не приведет к образованию транзистора, потому что точка, в которой они встречаются, должна быть общим переходом на одном и том же кристалле кремния (или германия) — отсюда (частично) и термин биполярный транзистор. Термин «биполярный» означает, что транзисторы используют «носители заряда» обеих полярностей, положительной и отрицательной.

Рисунок 2.1  Схематичное изображение транзисторов

Поскольку при нормальной работе соединение база-коллектор смещено в обратном направлении, тока через транзистор не будет. Именно подача тока в базу вызывает ток в цепи коллектора. Я не собираюсь объяснять точный механизм этого явления, поскольку он выходит за рамки данной статьи.

Это схематичное изображение очень удобно, потому что обеспечивает простой способ проверить, будет ли транзистор хорошим или плохим, просто измеряя «диоды». Ранние германиевые транзисторы P-N-P действительно работали бы одинаково хорошо, если бы эмиттер и коллектор были поменяны местами, но теперь транзисторы оптимизированы для достижения максимальной производительности, поэтому этот прием не столь успешен (он всё же работает, но при инверсной работе выводов усиление устройства намного ниже).

Чтобы транзистор действительно делал что-то полезное, его необходимо правильно сместить. Это делается (выбрав подходящее сопротивление коллекторного резистора) просто путем подачи достаточного базового тока для обеспечения 1/2 напряжения питания на коллекторе. Таким же образом, как анодный нагрузочный резистор определяет выходное сопротивление лампового усилителя, коллекторный резистор определяет выходное сопротивление транзисторного усилителя. В отличие от лампы, транзистор не имеет «сопротивления коллектора», как в эквивалентном сопротивлении между эмиттером и коллектором, потому что это не имеет отношения к работе транзистора.

На рис. 2.2 показаны три метода смещения транзистора, включенного в конфигурации «общий эмиттер». Из них рисунок 2.2.А является наименее пригодным для использования, поскольку отсутствует механизм, обеспечивающий повторяемость схемы в различных устройствах или с изменением температуры. Изменения, вызванные температурой, являются (и всегда были) реальной проблемой и всегда необходимо убедиться, что схема, для обеспечения стабильности, имеет какой-то механизм обратной связи для рабочих условий постоянного тока. Разные транзисторы (одного типа и даже одного и того же производственного цикла) имеют разные коэффициенты усиления, что тоже должно быть компенсировано.

Рисунок 2.2  Три метода смещение транзисторного усилителя напряжения

Существует три конфигурации подключения транзисторов, которые называются «общий эмиттер», «общий коллектор» и «общая база». «Общая» часть просто означает, что с точки зрения сигнала (переменного тока) она является общей для входа и выхода. Для переменного тока шина питания и заземление эквивалентны благодаря применению шунтирующих конденсаторов. Те же самые конфигурации применялись и для ламп, давая эквиваленты «общего катода», «общего анода» и «общей сетки» (соответственно).

Для трех приведенных схем предположим, что усиление транзистора равно 100 (точно). Это означает, что при 1 мА базового тока ток коллектора будет составлять 100 мА. Ток эмиттера представляет собой сумму токов базы и коллектора. Для смещения транзистора нам нужно только соответствовать этому критерию (в теории) и все будет хорошо. При напряжении питания (V_CC) 20 В, для обеспечения максимального колебания напряжения мы хотим, чтобы на коллекторе было 10 В. Это позволит изменять напряжение между +20 В и 0 В, однако к тому времени сигнал будет сильно искажен.

Рис. 2.2A на практике непригоден, хотя, похоже, он удовлетворяет критериям правильной работы. Рисунок 2.2.B — это простой способ достижения (приемлемо) стабильного смещения, но он имеет некоторые недостатки. Поскольку резистор смещения (R_b) питается от цепи коллектора, через него будет протекать часть коллекторного тока. Это создаст отрицательную обратную связь по току, которая на постоянном токе стабилизирует схему, но для сигнала переменного тока входной импеданс делает очень низким, а также снижает коэффициент усиления для любого конечного значения импеданса источника. Однако, это не обязательно является недостатком, т.к. обратная связь также уменьшает составляющие искажений.

Эта проблема решается схемой на рис. 2.2.С за счет делителя, обеспечивающего фиксацию напряжения и эмиттерного резистора (R_e), обеспечивающего стабилизацию обратной связи, как мы видели в ламповом усилителе напряжения. Как и в случае с лампой, это также обеспечивает обратную связь, увеличивая линейность и уменьшая усиление. С транзистором мы получаем еще один дополнительный эффект — увеличение входного импеданса (подробнее об этом позже). Опять же, для достижения максимального усиления параллельно R_e обычно включают конденсатор, чтобы отключить обратную связь для сигналов переменного тока, что позволяет получить максимальное усиление.

Для смещения P-N-P транзистора используется точно такая ​​же схема, но полярность питания меняется на противоположную. Поэтому на коллекторе (и базе) относительно эмиттера будет отрицательное напряжение.

Одно из основных отличий между лампами и транзисторами заключается в том, что после того, как мы определились с подходящей схемой смещения (или установили усиление), можно производить замены транзисторов практически без изменений характеристик при условии, что они имеют схожие основные параметры. Часто одна и та же схема будет работать так же хорошо, возможно, с 10 или 20 различными транзисторами, все от разных производителей.

2.1 Характеристики транзисторов

Я буду обсуждать только основные характеристики транзисторов (как с лампами). На самом деле есть только один переменный и два фиксированных параметра (одинаковые для каждого кремниевого транзистора). В транзисторах параметры не такие интерактивные, как с лампами, а коэффициент усиления схемы не зависит от коэффициента усиления транзистора, как с лампами. Как и с лампами, существуют как малосигнальные транзисторы (малой мощности), так и силовые, которые могут иметь номинальный ток коллектора от 50 до более 100 А для некоторых очень мощных транзисторов.

1. Усиление (также известное как DC Current Gain, h_FE, β, beta) — значение базового тока относительно тока коллектора. Эта цифра слабо зависит от коллекторного напряжения, но может значительно зависеть от тока коллектора.
2. r_e — внутреннее сопротивление эмиттера. В кремниевых транзисторах это 26/I_e (в миллиамперах). Т.е., это ток эмиттера.
3. Тепловой коэффициент — падение напряжения на P-N переходе кремниевого транзистора номинально составляет 0,65 В и падает на 2,0 мВ/°C (в равной мере относится как к диодам, так и к транзисторам).

Как указывалось ранее, коэффициент усиления транзистора зависит от тока коллектора, но, как правило, будет изменяться в достаточно широких пределах. Коэффициент усиления обычно падает при очень малых токах (по сравнению с максимальным для данного транзистора) и снова снижается при высоком токе (при приближении к максимальному номинальному току коллектора для данного транзистора).

Рисунок 2.3  Передаточная характеристика транзистора

Передаточная кривая сигнала аналогична таковой для ламп и показана на рис. 2.3. Обычно в линейной части кривой меньше искажений, но из-за более низкого рабочего напряжения транзисторный усилитель должен работать ближе к напряжению питания и заземлению, поэтому при использовании простых цепей, как на рисунке 2.2, искажения могут быть выше, чем при использовании эквивалентного лампового усилителя.

Основной причиной искажений в малосигнальных транзисторных усилителях является изменение внутреннего сопротивления эмиттера (r_e). Поскольку транзисторы могут выдерживать более широкий диапазон напряжений питания и рабочего тока, чем лампы, часто (когда транзисторы были новыми и ужасно дорогими) пытались получить как можно большее усиления напряжения для каждого из них. Сейчас это больше не проблема, но сама по себе проблема искажений всё ещё существует и для их предотвращения следует предпринимать меры. Обычно, чтобы минимизировать искажения, транзисторы работают с постоянным током. В настоящее время для транзисторных схем наиболее распространены схемы с очень высоким коэффициентом усиления и общей обратной связью, что делает схему защищенной практически от любого изменения параметров транзисторов, будь они внутренние (внутренние фиксированные) или зависимые от производителя.

Коэффициент усиления транзисторного каскада примерно равен сопротивлению коллекторного резистора, деленному на сопротивление эмиттерного резистора (включая внутреннее сопротивление r_e). Таким образом, для схемы, показанной на рис. 2.2.С, коэффициент усиления будет равен 9,75 без конденсатора, шунтирующего эмиттерный резистор или около 384 с ним. Искажения будут намного выше при подключенном шунте эмиттера и такие схемы можно увидеть уже редко.

Входной импеданс транзисторного усилителя напряжения низкий, а выходной импеданс определяется коллекторным сопротивлением (в случае отсутствия любой обратной связи, которая может быть приложена от коллектора к базе).

Входной импеданс, в основном, определяется коэффициентом усиления транзистора, а значение эмиттерного сопротивления (включая внутреннее сопротивление), в теории (опять же, это слово!) приблизительно равно эмиттерному сопротивлению, умноженному на коэффициент усиления. Поэтому схема по рис. 2.2.А будет иметь входной импеданс порядка 2600 Ом, по рис. 2.2.В он будет очень низким из-за обратной связи, а по 2.2.С (без шунтирующего конденсатора) входной импеданс будет 100 кОм, но так как он шунтируется резисторами смещения, импеданс на самом деле будет только около 12 кОм.

Транзистор можно рассматривать как источник тока, управляемый током (ИТУТ).

2.2 Транзисторный усилитель тока

Усилитель тока в транзисторных цепях встречается гораздо чаще, чем в ламповых и называется эмиттерным повторителем (или иногда «схемой с общим коллектором»). Эмиттерный повторитель (как и катодный повторитель) имеет коэффициент усиления по напряжению менее 1 (единицы), но разница «повторения» сигнала намного меньше. Как правило, коэффициент усиления схемы эмиттерного повторителя составляет от 0,95 до 0,99 — в зависимости от рабочего тока. Для ее снижения очень распространено применение обратной связи и вполне возможно выходное сопротивление менее 1 Ом.

На рис. 2.4 показана стандартная конфигурация каскада эмиттерного усилителя тока. Обычно смещение базы составляет ровно половину напряжения питания с применением резисторов равного значения. Я говорю «стандарт», потому что есть много различных конфигураций, которые могут быть (и используются), включая прямую связь, которая очень распространена в транзисторных схемах.

Рисунок 2.4  Транзисторный усилитель тока

Одним из главных достоинств транзисторов является их гибкость, которая значительно улучшена благодаря наличию транзисторов двух противоположных структур. Из-за этого схемы, подобные показанным на рис. 2.5, являются базовыми (или они были таковыми до появления операционных усилителей). Действительно, сами усилители в полной мере используют гибкость транзисторов, что можно увидеть, если взглянуть на «упрощенную эквивалентную схему», часто публикуемую как часть спецификации для многих операционных усилителей.

2.3 Транзисторный усилитель с общей базой

Усилитель с общей базой в наши дни вы увидите редко. Он также использовался в ламповых схемах и иногда назывался усилителем с «заземленной сеткой». Входной импеданс очень низкий и показанная схема имеет входной импеданс около 50 Ом. Он имеет высокий коэффициент усиления и может использоваться на радиочастотах, потому что почти отсутствует обратная связь между базой и коллектором (или обратная связь между анодом и сеткой) вследствие наличия паразитной (или внутренней) ёмкости. В ранних разработках каскады с общей базой иногда использовались для низкоимпедансных микрофонных предусилителей или для других применений с низким импедансом. Входной конденсатор (C_in) должен иметь большую ёмкость для пропускания звуковых частот из-за очень низкого входного сопротивления. Базовый конденсатор (C_b) соединяет базу с землей для всех сигналов переменного тока.

Рисунок 2.5  Транзисторный усилитель напряжения с общей базой

Схема будет иметь усиление примерно в 70 раз (35 дБ), но это зависит от полного сопротивления источника сигнала (предполагается 50 Ом). В целом это интересная схема, но она не может конкурировать с «виртуальной землёй» операционного усилителя, у которого входной импеданс близок к нулю. Каскад с общей базой также использовался в каскодных усилителях, как и схемы с общей сеткой — действительно, отсюда и возникла такая схема. Каскодные схемы, в основном, использовались там, где было необходимо высокое усиление на радиочастотах, но в ламповом аудиооборудовании они появились вновь, потому что они (предположительно) звучат «лучше», чем другие схемы.

2.4 Комбинированный транзисторный усилитель напряжения + усилитель тока

Подавляющее большинство используемых сегодня схемных решений, представляют собой комбинации каскадов. Очень распространены комбинированные усилители напряжения и тока и их можно найти в схемах, эквивалентных микросхемам, а также во многих старых конструкциях, которые обычно использовались до того, как для большинства схем завоевали место операционные усилители.

Рисунок 2.6  Типичный транзисторный усилитель с прямой связью

Как можно видеть, в этом усилителе с прямыми связями между каскадами, используются транзисторы как N-P-N, так и P-N-P структуры, в выходном каскаде применяется эмиттерный повторитель, и он имеет обратную связь для установки усиления, зависящую только от соотношения двух резисторов R_fb1 и R_fb2. Именно от такого рода схем и возникли вначале операционные усилители и до сих пор существуют микросхемы (и небольшие усилители мощности), использующие внутри подобные схемы. Читатели ESP могут даже узнать основную схему на страницах проектов — по сути, это дискретный операционный усилитель, имеющий очень высокий коэффициент усиления, который возвращается к чему-то разумному благодаря обратной связи.

Фактическое усиление почти полностью зависит от значений резисторов (для коэффициентов усиления менее 50 или около того) и может быть рассчитано, как:

,

где: A_U — усиление по напряжению.

Таким образом, чтобы получить усиление 20, R_fb1 будет равен 22 кОм, а R_fb2 — 1,2 кОм. Это фактически равно усилению 19,33, что составляет ошибку 0,3 дБ. Это усиление настолько стабильно, что для характеристик усиления не будет иметь никакого значения совершенно другой набор транзисторов от другого производителя. Другие факторы, такие как шум или искажения, должны варьироваться в зависимости от качества активных компонентов, но изменения, как правило, будут очень незначительными и, в зависимости от схожести транзисторов, могут вообще не быть заметными.

2.5 Транзисторные усилители мощности

Транзисторный усилитель мощности использует (как правило) другую конфигурацию для входного каскада. Он называется дифференциальным каскадом («длиннохвостой парой», LTP) и действует, как входной каскад и усилитель ошибки (Q1 и Q2). Эта схема работает в токовом режиме, поэтому её выходное напряжение невелико.

Второй каскад (Q3) представляет собой усилитель класса A и отвечает за преимущественную долю общего усиления схемы. Обратите внимание на источники тока, которые обычно используются для дифференциального каскада и каскада класса A. Они обычно выполняются на транзисторах и поддерживают постоянный ток независимо от напряжения на коллекторе. Если ток действительно стабилен, то это означает, что импеданс бесконечен (т.о., усиление транзисторного каскада также бесконечно!), И, хотя в действительности это не так, он все равно будет удивительно высоким.

Для получения дополнительной информации о том, как сконструированы источники тока, см. Раздел 5.1.

Рисунок 2.7  Транзисторный усилитель мощности

Выходной каскад (Q4 и Q5) обычно представляет собой пару комплементарных эмиттерных повторителей, которые должны быть правильно смещены, чтобы гарантировать, что при прохождении сигнала от одного транзистора к другому отсутствует разрыв. Эта форма их работы известна, как Класс AB, поскольку усилитель работает в Класс A для сигналов очень низкого уровня, а затем на более высоких уровнях переключается в Класс B. Любой разрыв при передаче сигнала от одного транзистора к другому является причиной переключательных (кроссоверных) искажений из-за чего в мире звука транзисторные усилители в течение многих лет пользовались дурной славой. При правильном смещении и правильно примененной обратной связи переключательные искажения могут исчезнуть, хотя и не полностью, но распространены усилители с уровнями искажений значительно ниже 0,01 %.

Резисторы в эмиттерах выходных транзисторов помогают поддерживать стабильное смещение, а также создают некоторую местную обратную связь для линеаризации выходного каскада. Это упрощенная схема и в действительности выходной каскад обычно состоит из нескольких транзисторов: обычно драйверного транзистора, за которым следует сам выходной транзистор. Это не меняет принцип работы схемы, а просто усиливает выходной каскад, поэтому не слишком сильно загружает драйвер класса A (что ведет к значительному увеличению искажений).

Как и в предыдущем примере, усиление полностью зависит от соотношения R_fb1 и R_fb2. Вход усилителя по рис. 2.6 подключен по постоянному току. Это означает, что он будет усиливать любое напряжение от постоянного тока до его максимальной полосы пропускания. На этой схеме не показаны различные компоненты, необходимые для стабилизации схемы, чтобы предотвратить самовозбуждение на высоких частотах — часто в диапазоне МГц. Такое самовозбуждение является катастрофой для звука и быстро перегреет и разрушит выходные транзисторы.

Существуют также транзисторные усилители, работающие в классе А. Это означает, что выходные транзисторы работают постоянно и никогда не выключаются. Благодаря этому возможны уровни искажений, которые практически невозможно измерить, но за счет КПД. Усилители класса A сильно нагреваются, даже ничего не воспроизводя. В отличие от более распространенных усилителей класса AB, они действительно становятся немного холоднее, когда воспроизводят сигнал, поскольку часть выходной мощности направляется на громкоговоритель.

Транзисторы — Резюме

Так же, как с ламповыми усилителями, я только коснулся этой темы. По этому предмету написаны целые книги, начиная от базовых текстов, используемых в техникумах и заканчивая очень сложными, предназначенными для студентов университетов. Поскольку с транзисторами легко работать (и они безопасны), эксперименты могут многому научить и вы будете удовлетворены тем, что спроектировали и построили работающий усилитель.

У транзисторов тоже есть свои проблемы и есть некоторые вещи, в которых они не очень хороши. Некоторые из основных недостатков включают в себя:

1. Низкий импеданс — биполярные транзисторы по своей природе имеют низкий импеданс и для их удовлетворительной работы в цепях с высоким импедансом необходимы дополнительные схемы. При использовании источников с высоким импедансом проблемой также является шум.
2. Тепло — транзисторы не любят тепло и если оно не будет отводиться, то они самоуничтожатся. Большинство транзисторов могут терпеть температуру перехода до 125 °C, но при такой температуре вообще не могут выполнять полезную работу. При работе при высоких температурах срок службы транзистора сильно сокращается.
3. Термическая нестабильность — Характеристики транзисторных схем подвержены значительным изменениям в зависимости от их температуры. Это может усложнить конструкцию высококачественных усилителей, поскольку транзистор имеет тенденцию к «тепловому дрейфу». Это означает, что когда устройство нагревается, оно потребляет больше тока, что делает его еще более горячим. Так продолжается до тех пор, пока не будет превышена максимальная рабочая температура и транзистор (транзисторы) выйдет из строя.
4. Вторичный пробой — это версия теплового пробоя, но на молекулярном уровне. Некоторые участки внутренней структуры становятся более горячими, чем другие, в результате чего самая горячая часть выполняет большую часть работы. Это делает его еще горячее, пока транзистор не выйдет из строя. Вторичный пробой является наиболее частой причиной отказа выходного транзистора в усилителях мощности. Это происходит очень быстро и без предупреждения — транзисторы могут выйти из строя из-за вторичного отказа даже при температуре окружающей среды.
5. Кратковременная перегрузка — в основном из-за вторичных эффектов пробоя транзисторы не допускают кратковременных перегрузок и во многих случаях даже кратковременное короткое замыкание вызывает мгновенный отказ. По сравнению с лампами транзисторные схемы гораздо менее способны работать со сложными нагрузками и, как правило, чтобы предотвратить отказы, иногда должны быть перегружены до экстремальных уровней.
6. Жесткая перегрузка — когда транзисторный усилитель перегружается, он делает это с поразительной четкостью. Звук становится совершенно неприятным.

Опять же, есть много и преимуществ. Транзисторные усилители очень надежны и можно рассчитывать, что они будут «жить» много лет, не требуя даже базового обслуживания (в большинстве случаев).

Они также очень тихие (как правило, намного тише, чем ламповые усилители) и не страдают микрофонным эффектом, поэтому вибрации корпуса не возвращаются в музыку. Эффективность намного выше с более низким напряжением и без нагревателей (хотя, жаль, что они выглядят не очень хорошо).

Достижимы выходные сопротивления 0,01 Ом, поэтому демпфирование динамика может быть очень высоким. Поскольку транзисторные усилители механически очень прочны, их можно устанавливать в корпуса динамиков, за счет чего длина проводов до динамика может быть очень короткой.

Типичные транзисторные усилители имеют гораздо более широкую полосу пропускания, чем ламповые, поскольку не имеют выходного согласующего трансформатора, что особенно заметно на самых низких частотах — транзисторный усилитель может воспроизводить 5 Гц с такой же легкостью, как и 500 Гц.

Часть 3. Полевые транзисторы и МОП-транзисторы

Теперь о переходных полевых транзисторах и МОП-транзисторах. FET обозначает «Полевой транзистор» (Field Effect Transistor), а MOSFET означает «Полевой транзистор с оксидом металла и полупроводником». Эта тема является чем-то вроде банки червей не из-за некоторого недостатка в транзисторах, а из-за огромного множества различных их типов. Основные типы полевых транзисторов:

N-канальные переходные полевые транзисторы;

P-канальные переходные полевые транзисторы;

МОП-транзисторы с обогащенным N-каналом;

МОП-транзисторы с обогащенным P -каналом;

МОП-транзисторы с обедненным N-каналом;

МОП-транзисторы с обедненным P-каналом.

Есть несколько основных подклассов МОП-транзисторов: боковой и вертикальный. Боковые МОП-транзисторы особенно подходят для аудиоприменений, поскольку гораздо более линейны, чем их вертикальные собратья, хотя их коэффициент усиления обычно ниже. Вертикальные полевые МОП-транзисторы идеально подходят для коммутационных применений, включая усилители с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

Примечание. В дополнение к изложенному здесь материалу я предлагаю также прочитать статью «Проектирование с помощью JFET». Она намного новее, чем данная статья и в ней более подробно описывается использование переходных полевых транзисторов. Она также предоставляет некоторую информацию, которая пригодится, когда вы обнаружите, что ваш любимый переходный полевой транзистор больше не производится, что является удручающе распространенным явлением и становится чем дальше, тем хуже.

Термины «боковой» и «вертикальный» относятся к внутренним методам изготовления, поэтому многие другие, с которыми вы можете столкнуться (например, HEXFET®), по сути, являются вариациями вертикального процесса. Это еще не все возможности, потому что есть и дополнительные подклассы, особенно для переключательных МОП-транзисторов. Однако, в целях общей статьи об их характеристиках и о том, как они работают, я сосредоточусь на наиболее часто используемых версиях. Это сужает поле и остаются обе полярности как переходных полевых транзисторов, так и обе полярности полевых МОП-транзисторов. С их помощью мы покрываем основную долю современных конструкций, поэтому даже несмотря на то, что я буду много пропускать, но вопросы, которые оставляю, не так уж часто встречаются.

Полевые транзисторы являются «униполярными» устройствами, поскольку в них используются носители только одной полярности, в отличие от биполярных, которые используют как основные, так и неосновные носители заряда (электроны или «дырки», в зависимости от полярности). Полевые транзисторы гораздо более устойчивы к воздействию температуры, рентгеновского и космического излучения — любое из них в биполярных транзисторах может вызвать образование неосновных носителей.

Я сосредоточусь только на трехвыводных полевых транзисторах с такими выводами:

1. Исток — это «источник» электронов (для N-канальных транзисторов), который является эквивалентом катода лампы или эмиттера биполярного транзистора.
2. Затвор — это управляющий вывод, более или менее эквивалентный сетке лампы или базе биполярного транзистора.
3. Сток — это вывод, с которого ток «сливается» — эквивалент анода лампы или коллектора биполярного транзистора.

Для полевых транзисторов не существует простой эквивалентной схемы (как для биполярных транзисторов), но это не имеет значения. Затвор является управляющим элементом и влияет на поток электронов не путем усиления тока (как в биполярном транзисторе), а путем приложения напряжения. Входной импеданс переходных полевых транзисторов очень высок на всех используемых частотах, но полевые МОП-транзисторы от них отличаются. Они имеют почти бесконечное входное сопротивление, но заметную емкость между затвором и остальной частью устройства. Это может затруднить управление МОП-транзисторами, поскольку емкостная нагрузка делает большинство схем усилителей неудачными.

Переходный полевой транзистор является обычным элементом на входе высокоэффективных операционных усилителей, обеспечивая чрезвычайно высокий входной импеданс. Реально это же относится и к дискретным полевым транзисторам. Простой усилитель напряжения, использующий переходный полевой транзистор и мощный полевой транзистор показаны на рис. 3.1. Оба устройства являются N-канальными. Обратите внимание, что стрелка для каждого их них направлена в разные стороны. Для P-канальных транзисторов стрелки будут направлены в противоположные стороны, а все полярности меняются местами.

Рисунок 3.1  Переходный полевой транзистор и МОП-транзистор, как усилители напряжения

Переходные полевые транзисторы являются обедненными устройствами и (как и все обедненные полевые транзисторы) могут быть смещены точно так же, как лампы. Режим обеднения означает, что между стоком (эквивалентным аноду или коллектору) и истоком (эквивалентным катоду или эмиттеру) будет протекать ток в отсутствие сигнала смещения отрицательной полярности на управляющем элементе (затворе).

Транзистор обогащенного типа остается выключенным до тех пор, пока не будет достигнуто пороговое напряжение, после чего устройство переходит в проводящее состояние, пропуская всё больше тока по мере увеличения напряжения на затворе. Хотя есть полевые МОП-транзисторы, предназначенные для работы с низким энергопотреблением, большинство (в любом случае в аудио) — это силовые устройства. Они почти исключительно выполнены с режимом обогащения и могут быть очень мощными.

На рис. 3.1 силовой полевой МОП-транзистор представляет собой устройство в обогащенном режиме, а переходный полевой транзистор — в режиме обеднения. Это транзисторы, наиболее часто используемые в аудио. МОП-транзисторы с режимом обогащения также используются в импульсных источниках питания и в этой роли они намного лучше биполярных транзисторов. Они быстрее, поэтому потери на переключение не так велики, более прочные и способны противостоять влияниям, почти мгновенно убивающим биполярный транзистор.

Эта прочность (в сочетании с отсутствием вторичных эффектов пробоя) означает, что МОП-транзисторы очень популярны в качестве оконечных для профессиональных усилителей высокой мощности. В этой области МОП-транзисторы не имеет себе равных, и они уверенно закрепились в качестве устройств выбора для высокой мощности.

Это не значит, что это единственное место, где используются МОП-транзисторы. Есть много хороших аудиофильских усилителей мощности (и даже предусилителей), использующих мощные МОП-транзисторы и есть много утверждений, что по звуковым характеристикам они превосходят биполярные транзисторы (вопрос, опять же, дискутабельный, который я не буду здесь обсуждать).

Как и лампы, полевые транзисторы сильно зависят от внутренней структуры и обычно невозможно просто заменить транзистор одного типа другим типом. Как и в случае с лампами, усиление, которое можно ожидать от схемы усилителя напряжения, зависит от транзистора и единственный способ получить усиление, требуемое в данной схеме — это спецификация изготовителя (или тестирование).

3.1 Характеристики полевых транзисторов

Характеристики полевых транзисторов следует разделить на две части, поскольку мы имеем дело с двумя совершенно разными их типами. Первым будет переходный полевой транзистор и, как и в случае с биполярными транзисторами, я опишу только N-канальный вариант, но доступны практически идентичные P-канальные полевые транзисторы (хотя и не так широко используемые).

Рисунок 3.2  Передаточные кривые для переходного полевого и МОП-транзистора

Первоначально, чтобы передаточные характеристики двух транзисторов можно было для сравнения увидеть рядом, на рис. 3.2 показаны довольно типичные транзисторы из каждого «семейства». Данные для переходного транзистора взяты с 2N5457, а для МОП-транзистора — с IRFP240 (вертикальный МОП-транзистор, более подходящий для коммутационных применений).

Вместо того, чтобы показывать входные и выходные сигналы, наложенные на график, на этот раз я показываю только сам график. Это выдержки из данных производителей, но с небольшой уловкой: на рис. 3.2.В ток стока показан в логарифмическом масштабе, поэтому линейность устройства не может быть видна должным образом. Если этот график перерисовать, как линейный, он продемонстрирует, что наилучшая линейность наблюдается при более высоких токах (на представленном графике это выглядит наоборот) и устройство становится почти идеально линейным с токами стока более примерно 3 А.

Обратите внимание, что поскольку переходный полевой транзистор является обедненного типа, то ток стока является наибольшим при нулевом напряжении на затворе. С другой стороны, МОП-транзистор  является  обогащенного типа (наиболее распространенный), поэтому при нулевом напряжении на затворе ток отсутствует. Проводимость начинается при 4 В, а при 6 В ток стока достигает 10 А (например). Эти значения зависят от типа МОП-транзистора, которые доступны как с низким порогом (подходит для управления от логики 5 В), так и с «нормальным» порогом, требующим для обеспечения полной проводимости управляющего напряжения до 10 В или около того.

В большинстве литературных источников термин Siemens (S), как единица измерения проводимости, теперь заменяется на Mо: 1S = Mo (1 мкС = 1 мкМо). Для приведенных выше графиков может быть определено, что полевой переходный транзистор имеет 1500 мкСм, а для полевого МОП-транзистора он составляет приблизительно 9000 мкСм (9000 мкМо).

3.1.2 Переходные полевые транзисторы

Как и лампы, технические данные полевых транзисторов предоставляют информацию об усилении в gm (взаимная проводимость — в мкМо). Показанный переходный полевой транзистор имеет gm (типично) 1500 мкМо (на приведенном графике он фактически ближе к 1425 мкМо в линейном отображении), что соответствует примерно 1,5 мА/В.

Наиболее распространенными из указанных параметров для полевых транзисторов являются:

1. Прямая передача (в схеме с общим истоком —Transconductance) — по сути, усиление транзистора.
2. Входная емкость — эффективная ёмкость затвора по отношению к остальным выводам полевого транзистора.
3. Напряжение отсечки затвор-исток — напряжение на затворе, при котором полевой транзистор выключен.

Процесс усиления почти идентичен такому же процессу в лампах, за исключением того, что напряжения ниже. Смещение производится таким же образом (хотя можно также использовать и фиксированное смещение). Это означает, что затвор должен иметь обратное смещение относительно истока, при этом затвор имеет противоположную полярность напряжения по отношению к напряжению исток-сток.

Полевые транзисторы имеют низкий уровень шума, особенно в случае источников сигналов с высоким импедансом и в этом отношении являются противоположностью биполярным транзисторам, которые обычно лучше всего работают с низким импедансом источника.

Переходные полевые транзисторы являются преимущественно маломощными, хотя существуют и некоторые мощные транзисторы. В аудио приложениях они применяются нечасто.

Примечательно (и прискорбно), что многие производители «рационализировали» свой ассортимент переходных полевых транзисторов. Многие из них, которые мы привыкли использовать (например) в схемах с очень низким уровнем шума, исчезли и можно увидеть, как переходные полевые транзисторы исчезают из каталогов поставщиков при их просмотре. Хотя я никогда не верил, что у переходных полевых транзисторов есть какое-то «волшебное» свойство, которое заставляет их звучать лучше, чем что-либо еще, было бы неплохо, если бы производители просто не решали, что нам больше не нужны эти специализированные транзисторы. У меня есть только несколько проектов, в которых используются полевые транзисторы и сейчас сложно найти подходящие для них транзисторы.

3.1.3 МОП-транзисторы

Опять же, даташиты МОП-транзисторов также предоставляют информацию, аналогичную переходным полевым транзисторам, но есть и другие важные для конструктора элементы. Наиболее полезными из них являются:

1. Крутизна прямой передачи — характеристика усиления транзистора.
2. Минимальное сопротивление исток-сток — минимальное сопротивление, когда МОП-транзистор полностью включен.
3. Пороговое напряжение на затворе — напряжение на затворе, при котором МОП-транзистор начинает проводить.
4. Напряжение между затвором и истоком — максимальное напряжение (любой полярности), которое может быть приложено между истоком и затвором (обычно оно составляет порядка ± 20 В).
5. Входная емкость — ёмкость, на которую нагружен драйвер.

Обогащенные МОП-транзисторы практически не пропускают ток в отсутствие напряжения на затворе. Чтобы они начинали проводить, между истоком и затвором должно быть приложено напряжение (той же полярности, что и напряжение на стоке). Как только будет достигнут порог, транзистор начнет проводить ток между истоком и стоком.

При увеличении напряжения на затворе ток стока увеличивается до тех пор, пока:

1. либо не будет достигнут максимально допустимый ток стока или предел полного рассеивания тепла,
2. либо напряжение стока не упадет до минимально возможного значения. В этом случае, поскольку канал исток-сток теперь полностью в проводящем состоянии, напряжение определяет значение  R_DS(on) (сопротивление исток-сток).

Обычные мощные МОП-транзисторы обладают чрезвычайно низким сопротивлением во включенном состоянии, при этом довольно типичными являются значения менее 0,2 Ом. Существует много транзисторов с гораздо более низкими значениями (< 50 мОм), но это важно только в коммутационных схемах. В аудиоусилителе МОП-транзисторы никогда не следует включать полностью, поскольку усилитель входит в режим ограничения выходного сигнала.

Другое ограничение в работе полевых МОП-транзисторов — напряжение между затвором и истоком. Поскольку затвор изолирован от канала (очень) тонким слоем оксида металла, он подвержен повреждению статическим разрядом или другим чрезмерным напряжением. Обычно между истоком и затвором имеется стабилитрон, гарантирующий, что максимальное напряжение не может быть превышено. Пики напряжения, превышающие напряжение пробоя изолирующего слоя, вызовут мгновенный выход транзистора из строя.

3.2 Усилитель тока на переходном / МОП транзисторе

На рис. 3.3 я показал, как переходный полевой транзистор, так и МОП-транзистор, а также схемы с общим стоком (истоковый повторитель). Как можно видеть, смещение полевого переходного транзистора почти идентично лампе, но все напряжения намного ниже. Для МОП-транзистора требуется положительное напряжение и оно должно быть больше напряжения истока на величину, учитывающую характеристики МОП-транзистора. Для характеристик устройства, показанных на рис. 3.2, это означает, что при токе 100 мА напряжение на затворе должно быть на 4 В выше, чем на истоке.

Рисунок 3.3  Усилители тока на полевых транзисторах

Для истокового повторителя на переходном полевом транзисторе шунтирующий конденсатор (C_b) используется не всегда и в этом случае выходной сигнал обычно берется с истока. Если C_b подключен, выходной уровень одинаков с обеих сторон R_s1, а входной импеданс намного больше, потому что R_g стоит в цепи обратной связи. Увеличение входного сопротивления зависит от коэффициента пропускания полевого транзистора. Для показанной схемы на переходном полевом транзисторе (с R_g, равным 1 МОм), если R_s1 не зашунтирован конденсатором, входной импеданс составляет около 5 МОм, повышаясь до около 18 МОм с установленным C_b.

C_b должен быть достаточно большим, чтобы гарантировать, что переменное напряжение на нем остается небольшим при самой низкой интересующей нас частоте. Например, если R_s1 равен 1 кОм, то C_b должен быть не менее 10 мкФ (частота -3 дБ при 16 Гц). Для минимизации низкочастотных искажений рекомендуется более высокое значение. Для нормальной работы со звуком я бы использовал не менее 33 мкФ (при условии, что R_s1 составляет тот же 1 кОм).

В версию схемы на МОП-транзисторе входит стабилитрон для защиты изоляции затвора. Используется стабилитрон на 10 В, т.к. он обеспечивает хорошую защиту и всё еще способен обеспечивать максимально возможный ток между истоком и стоком. Можно было бы использовать стабилитрон на 6 В, что всё равно допускал бы ток до 10 А, что намного больше, чем можно достичь с помощью этой простой схемы.

3.3 Усилители мощности на переходном / МОП транзисторе

МОП-транзисторы могут использоваться в однотактном классе A точно так же, как и силовые лампы. На рис. 3.4 показана простая схема, обеспечивающая около 10 Вт звука. Использование источника постоянного тока в качестве нагрузки (как показано) более эффективно, чем резистор и улучшает линейность. Искажения в показанной схеме будут примерно такими же, как и в однотактной схеме на ламповом триоде. Общий КПД будет выше, так как не требуется катодного резистора смещения и накала, как с лампой. Однако, качество не соответствует ожиданиям Hi-Fi!

Рисунок 3.4  Однотактный усилитель класса A на МОП-транзистореВсе усилители мощности на МОП-транзисторах необычны, хотя их и немного. В большинстве из них используется комбинация биполярных транзисторов (для входных и управляющих каскадов) и полевых МОП-транзисторов для выходного каскада. Это, кажется, самая популярная схема, поэтому я сосредоточусь на ней. На рис. 3.5 показана довольно типичная схема (в упрощенном виде) и ее работа практически идентична работе усилителя, использующего выходные биполярные транзисторы. Обратите внимание, что для обеспечения низкого импеданса, необходимого для управления полевыми МОП-транзисторами необходимы эмиттерные повторители, хотя в некоторых схемах они не применяются. Вместо этого каскад возбуждения класса A (Q3) работает с током, превышающим нормальный, что позволяет ей правильно управлять МОП-транзисторами.

Рисунок 3.5  Усилитель мощности с выходными МОП-транзисторами

Одна из проблем с этими транзисторами заключается в повышенном падении напряжения между затворами и истоками, из-за чего напряжение источника питания должно быть обычно на ± 6 В выше, чем требуемое пиковое выходное напряжение нагрузки, чтобы полностью открыть МОП-транзисторы. Хотя это и не является серьезной проблемой, но увеличивает рассеивание тепла на выходном каскаде, причем потери увеличиваются с более низкоимпедансными нагрузками.

Некоторые усилители (особенно очень высокой мощности) справляются с этим, используя слаботочный (но более высоковольтный) вторичный источник питания для цепей управления и основной сильноточный источник для полевых МОП-транзисторов. В усилителе, использующем ± 50 В для основного источника питания на 20 А, вторичный источник может быть на ± 60 В, но, возможно, максимум на 1 А.

Как и в случае с усилителем на биполярных транзисторах (вы заметили, насколько они похожи?), я не включил компоненты для стабилизации тока покоя. Они, как правило, такие же, как и для стандартного биполярного транзисторного усилителя, но обычно включают последовательные «затворные» резисторы к затворам полевых МОП-транзисторов, а иногда и дополнительную емкость для предотвращения паразитных колебаний — необходимость в них варьирует от одного типа устройства к другому.

Полевые транзисторы — Резюме

Переходные полевые транзисторы

Опять же, данная тема только «царапается». Переходные полевые транзисторы (они же JFET) идеально подходят для цепей, где ожидаются высокие сопротивления и будут обеспечивать самый низкий уровень шума. Они являются бесценным электронным строительным блоком, если используются там, где они превосходны, обеспечивая чрезвычайно высокий входной импеданс.

Как и у всех других транзисторов, у переходных полевых транзисторов есть свои ограничения:

1. Усиление — переходные полевые транзисторы не имеют такого же большого усиления, как биполярные транзисторы.
2. Высокочастотный отклик — как правило, переходные полевые транзисторы имеют высокочастотную характеристику, которая не так хороша, как у биполярных транзисторов.
3. Линейность — линейность переходных полевых транзисторов не так хороша, как у биполярных (поэтому искажения больше), но ее можно улучшить, используя в качестве нагрузки источник тока или обратную связь.

Как правило, для каждого применения существует идеальный (или близкий к идеальному) усилительный компонент и при правильном использовании переходные полевые транзисторы чрезвычайно универсальны и являются лучшим выбором при необходимости обеспечения высокого импеданса. Если усилитель нужно отправить в космос, тогда предпочтительнее использовать переходные полевые транзисторы из-за их большей «радиационной стойкости». Однако, разброс их параметров довольно высок, поэтому нельзя предполагать, что два переходных полевых транзистора будут одинаковыми даже из одной и той же партии. Там, где работа является критичной, они должны быть согласованы или иметь регулируемое истоковое сопротивление, чтобы можно было установить рабочую точку.

Переходные полевые транзисторы (фактически все FET) более чувствительны к нагреванию, чем биполярные и с ними проблемы теплового разгона обычно не возникают.

С рынка исчезло большинство «лучших» переходных полевых транзисторов для аудиоприменений. В некоторых странах почитался 2SK170, который использовался для обеспечения очень низкого уровня шума во множестве разнообразных схем. Оригинал и любые замены, которые были предложены впоследствии, теперь устарели. Возможно, вы сможете купить полевой транзистор с надписью «2SK170», но о том, что находится внутри, остается только догадываться. В одном вы можете быть абсолютно уверены — он почти наверняка не будет подлинным 2SK170.

Даже многие «распространенные» переходные полевые транзисторы практически исчезли из перечней поставщиков, оставив ограниченный выбор. Некоторые доступны, если вы можете применить SOT (небольшой транзистор для поверхностного монтажа, SMD), но даже там диапазон наименований совсем не такой, как раньше.

МОП-транзисторы

МОП-транзисторы являются одними из самых мощных изо всех имеющихся в настоящее время усилительных компонентов с исключительными возможностями управления током. Идеально подходящие для усилителей очень высокой мощности, импульсных источников питания и усилителей класса D, где регулярно встречаются экстремальные условия работы, МОП-транзисторы не имеет себе равных. Возможным исключением является биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), который, как следует из названия, является гибридным устройством. В данной статье IGBT не рассматриваются.

И, как всегда, есть ограничения:

1. Усиление — как и у переходных полевых транзисторов, МОП-транзисторы имеют более низкий коэффициент усиления, чем биполярные. Обычно это означает, что предварительный управляющий каскад должен иметь дополнительное усиление, дабы гарантировать достаточность общей обратной связи для поддержания малых искажений при низких уровнях сигнала.
2. Емкость затвора — ёмкость между затвором и истоком может достигать 2 нФ (хотя чаще всего около 1,2 нФ). На низких частотах это не так много, но на высоких частотах сильно нагружает управляющий каскад.
3. Статическое повреждение — пока МОП-транзистор не установлен в полностью защищенную цепь, он подвержен повреждению от статического разряда. Напряжение и ток, необходимые для разрушения устройства, обычно ниже порога ощущений человека. Некоторые транзисторы имеют встроенную (ограниченную) защиту.
4. Линейность — большинство полевых МОП-транзисторов не очень линейны при малых токах, поэтому для обеспечения малых искажений необходим более высокий ток покоя, чтобы минимизировать переключательные искажения.

Всё перечисленное выше можно в некоторой степени простить, если действительно нужны возможности МОП-транзисторов. Свобода от вторичного пробоя и огромные возможности МОП-транзисторов не имеют аналогов ни у одного другого активного компонента. При правильно спроектированной схеме управления МОП-транзисторы также очень быстры и способны работать с характеристиками, обычно превосходящими характеристики биполярных транзисторов. В аудио это не очень критично, но важно для переключательных схем. Обратите внимание, что «свобода от вторичного пробоя» часто упоминается (или упоминалась) производителями, но существует почти идентичный механизм отказа, срабатывающий, если переключательный МОП-транзистор используется в линейном режиме. Большинство производителей заявляют, что их МОП-транзисторы не предназначены для линейного режима работы. Если вы решили так поступить, то будьте готовы к необъяснимым неудачам.

В сочетании с положительным температурным коэффициентом, который может остановить тепловой разгон в линейной схеме (при соблюдении надлежащих мер предосторожности), МОП-транзистор практически не разрушается, при условии, что напряжение на затворе поддерживается ниже напряжения пробоя. Также важно поддерживать напряжение стока ниже максимально допустимого.

Положительный температурный коэффициент может быть очень полезен в звуковых цепях, хотя это может быть проблемой для импульсных источников питания, т.к. их сопротивление для открытого состояния с температурой также увеличивается, а в импульсном источнике питания это может привести к тепловому пробою (прямо обратно поведению биполярных транзисторов в аналогичном включении).

В настоящее время наиболее распространенными являются переключательные МОП-транзисторы, при этом многие из более ранних «боковых» («латеральных») МОП-транзисторов сейчас недоступны. Проект № 101 был разработан под использование боковых МОП-транзисторов и просто не будет работать с переключательными МОП-транзисторами (не только потому, что выводы затвора и истока поменяны местами). Переключательные МОП-транзисторы не предназначены для линейной работы и чтобы предотвратить их выход из строя, их характеристики должны быть существенно занижены.

Часть 4. Операционные усилители (ОУ)

Ни одно обсуждение усилительных устройств не будет полным без обсуждения операционных усилителей. Несмотря на то, что операционный усилитель не является единым элементом, он считается строительным блоком, как лампа или любой транзистор.

Формат, который я использовал для других обсуждений, для этой темы не подходит, поэтому он будет изменен соответственно этому наиболее универсальному компоненту. Я не буду охватывать эзотерические или специальные типы схем, а только основные разновидности, поскольку существует слишком много вариантов, чтобы их возможно было охватить.

Операционный усилитель первоначально использовался для аналоговых компьютеров, хотя в то время они были построены из дискретных компонентов. Современные (хорошие) операционные усилители настолько хороши, что трудно или невозможно достичь даже близких результатов с использованием дискретных биполярных или полевых транзисторов. Однако, все еще остаются некоторые случаи, когда операционные усилители просто не подходят, например, когда для больших скачков напряжения необходимы высокие напряжения питания.

Большинство усилителей мощности (биполярных или полевых МОП-транзисторов) на самом деле представляют собой дискретные операционные усилители с неинвертирующим (+ve) и инвертирующим (-ve) входами. Вы, как правило, этого не видите, но снова гляньте на рис. 3.5. Сигнал подается со входа +ve на базу Q1. База Q2 является входом -ve и используется для сигнала обратной связи, точно так же, как показано на рис. 4.1.А ниже.

В отличие от других компонентов, операционные усилители предназначены, в основном, в роли усилителей напряжения, а их универсальность проистекает из их входной схемы. Операционные усилители имеют два входа, обозначенные как неинвертирующие и инвертирующие (или просто + и -).

При подключении к обычной схеме усилителя операционный усилитель имеет одну главную цель в своей маленькой жизни:

1. Сделать напряжения одинаковыми на обоих входах

Если из-за того, что какой-то тупой разработчик сделал это невозможным (очень часто встречается в большом количестве схем), операционный усилитель использует другой подход:

1. Сделать полярность напряжения на выходе такой же, как и на самом положительном входе

Последнее условие требует небольшого объяснения. Если вход +ve является наиболее положительным, то выход будет отклоняться к положительной шине питания (или настолько близко, насколько это возможно). Если вход -ve будет более положительным, то выходной сигнал переместится на отрицательную шину питания. Разница между двумя входами может быть менее 1 мВ! Очень просто.

Я называю их «Первый и Второй Законы ОУ». Эти два утверждения описывают всю работу операционного усилителя и, просто зная это, упрощают анализ выяснения того, что делают наиболее распространенные схемы. В операционных усилителях на самом деле нет ничего особенно сложного, если только вы не основываетесь на «упрощенной» принципиальной схеме, часто включаемой в даташиты. Не делайте этого, поскольку это слишком удручает. Кстати, первое утверждение не совсем верно для реальных устройств, которые всегда будут иметь некоторую ошибку, однако без очень специализированного оборудования вы не сможете её измерить.

Современные операционные усилители (во всяком случае, хорошие) так же близки к идеальному усилителю, как что-либо когда-либо. Частотная полоса действительно очень широка, с очень низким уровнем искажений (0,00003 % для одного из устройств Burr Brown) и низким уровнем шума. Хотя вполне возможно получить выходное сопротивление намного меньше, чем 10 Ом, выходной ток обычно ограничен до ± 20 мА или около того. Напряжение питания большинства операционных усилителей ограничено максимум ± 18 В, хотя есть и работающие при большем, а другие — при меньшем напряжении питания.В зависимости от используемого операционного усилителя легко достигаются коэффициенты усиления 100 с частотной характеристикой до 100 кГц, причем, уровни шума лишь незначительно хуже, чем в специализированной дискретной конструкции, использующей все известные приемы снижения шума. Схемы, показанные ниже, имеют частотную характеристику вплоть до постоянного тока, причем, верхний предел частоты определяется типом устройства и коэффициентом усиления.

Рисунок 4.1   Стандартные конфигурации операционных усилителей

На рис. 4.1 показаны две наиболее распространенные схемы включения операционных усилителей. Первый (4.1.А) неинвертирующий и это его наилучшее включение для минимального шума. Напряжение, подаваемое с выхода обратно на инвертирующий вход через R_fb1, приведет к появлению напряжения на R_fb2. Выход будет корректироваться до тех пор, пока эти два напряжения не уравняются в любой момент времени. Неважно, является ли сигнал синусоидальной, прямоугольной формы или музыкальным, ОУ будет продолжать работать (при условии, что остается в пределах его возможностей). Выходной сигнал начнет искажаться, если скорость операционного усилителя незначительно выше скорости изменения входного сигнала (обычно достаточно коэффициента 10, т.е. ОУ должен быть в 10 раз быстрее, чем сигнал наивысшей частоты, который предполагается усилить). При усилении 10 или менее, почти любой операционный усилитель сможет воспроизводить типичные аудиосигналы, но (и имейте в виду), это не гарантирует, что они будут звучать хорошо.

Входной импеданс равен R_in, а коэффициент усиления по напряжению (A_V) рассчитывается по формуле

Вторая схема (4.1.В) является инвертирующим усилителем и обычно используется в качестве «суммирующего» усилителя — выход является отрицательной суммой трех (или более) входов. Он также называется микшером «виртуальной земли», потому что вход -ve является виртуальной землей (вспомните мой «Первый закон об усилителях»). Если вход +ve заземлен (занулен), то операционный усилитель должен попытаться сохранить потенциал входа -ve при таком же напряжении, а именно 0 В.

Это осуществляется путем регулировки его выхода до тех пор, пока ток, протекающий через R_fb, не станет точно таким же (но противоположной полярности), как ток, протекающий на входы каждого R_in. Все они должны составлять 0 В, поскольку они равны и противоположны. Это происходит с удивительной скоростью и хорошие операционные усилители будут продолжать успешно выполнять Первый Закон до 100 кГц или более (в зависимости от усиления). Худшие по качеству устройства начнут иметь проблемы и появление измеримого напряжения на входе -ve является признаком того, что операционный усилитель больше не может не отставать от сигнала.

Входной импеданс равен R_inX (где X — номер входа), а коэффициент усиления по напряжению рассчитывается по формуле

Несколько входов могут иметь различное усиление (и входное сопротивление). В этой схеме есть два нюанса. Во-первых, если источник не имеет выходного сопротивления, значительно меньшего, чем R_in, коэффициент усиления будет ниже ожидаемого. Другой, не всегда понимаемый, заключается в том, что если схема настроена на усиление 1 (фактически технически правильно обозначать это как -1), R_in1, R_in2 и т.д. будут равны R_fb. Если схема имеет 10 входов, то с точки зрения операционного усилителя она имеет коэффициент усиления 10 и ее частотная характеристика и шум будут отражать именно такое усиление.

Есть буквально сотни различных конфигураций схем на операционных усилителях. Цепи обратной связи с частотно-зависимыми компонентами (конденсаторами или катушками индуктивности) превращают операционный усилитель в фильтр, или фоно-эквалайзер, или во что-либо ещё.

Мощные ОУ

Операционные усилители поставляются даже в мощных версиях, использующих корпус TO-220 (или другой специализированный) и, как правило, способны выдавать в нагрузку от 25 до 50 Вт или более на динамик сопротивлением 8 Ом. Эти устройства, хотя и не совсем соответствуют аудиофильным стандартам, по-прежнему очень эффективны и используются многими производителями бытовой техники в таких областях, как высококачественные телевизоры и стандартное оборудование hi-fi. Некоторые из более продвинутых устройств способны выдавать мощность до 80 Вт. Весьма сомнительно, что в двойном слепом тесте даже самый «золотой ушастый» рецензент определит, что усилитель использует монолитный усилитель мощности (power opamp).

Они обычно имеют показатели искажений значительно ниже 0,1% и могут использоваться везде, где требуется небольшой, удобный и дешевый усилитель мощности. Схема выглядит почти так же, как и для малосигнального операционного усилителя, за исключением того, что на выходе для предотвращения самовозбуждения применяется стабилизируюшая цепь Цобеля. Среди проектов ESP есть несколько подобных схем и для самых популярных конструкций доступны печатные платы.

Часть 5  Некоторые основные блоки линейных схем

В мире электроники есть некоторые крайне полезные схемы. Если некоторые были применимы в течение многих лет, то другие появились в практике только с появлением транзисторов. Описанные ниже схемы представляют собой смесь, некоторые очень старые, а другие гораздо новее.

Я не буду вдаваться в историю (это учебник по электронике, а не урок истории), но покажу различные схемы в их основной форме для каждого типа.

Об источниках тока, приемниках и зеркалах имеется более полная статья, описывающая, их наиболее частое использование в аудио (и почему).

5.1 Источники и приёмники тока

Источник (или приемник) постоянного тока является одной из наиболее универсальных и широко используемых схем, представленных в этом разделе. Идеальный источник тока обеспечивает ток в нагрузке, не зависящий от сопротивления (или импеданса) нагрузки от нулевой до бесконечной. Как всегда, идеала не существует, но в пределах возможностей источника питания сделать это довольно просто и с удивительной точностью.

Нет никакой реальной разницы между двумя схемами: одна — источник тока (или поглотитель электронов), вторая — наоборот. Иногда может помочь рассматривание схемы «вверх ногами», чтобы увидеть отсутствие реальной разницы, а различия заключаются только в терминологии.

В качестве примера: если мы хотим выдать стабильный ток силой 1 А, на любое сопротивление нагрузки, то могли бы использовать схему, аналогичную схеме на рис. 5.1 — базовый транзисторный источник тока. Он выдаёт 1 А на любое сопротивление, от нуля до 50 Ом. Ограничивающим фактором является источник питания — чтобы иметь возможность выдавать тот же ток на сопротивление 1 МОм, потребуется источник питания на 1 000 000 В, что является нереальным ожиданием.

Источник или приемник тока можно представить, как устройство с бесконечным импедансом — так должно быть в случае, если ток остается неизменным, даже если сопротивление нагрузки изменяется в широком диапазоне. Естественно, полное сопротивление реальных источников тока не является бесконечным, но может легко достигать значений многих мегом даже в такой простой схеме.

Рисунок 5.1  Базовый источник/приёмник тока на биполярном транзисторе

Работа схемы проста. Если напряжение на эмиттерном резисторе R2 пытается превысить 0,65 В (базовое напряжение открывания кремниевого транзистора), тогда откроется Q1 и закоротит весь базовый ток Q2, за исключением точно той же величины, которая требуется для поддержания указанного тока силой 10 мА (при силе тока 10 мА на сопротивлении 65 Ом падает напряжение 0,65 В). Если ток коллектора Q2 снижается, то напряжение на эмиттерном резисторе R2также снижается, что закрывает Q1, пока ток снова не станет стабильным при заданном значении. (Это лишь один из способов создать источник тока, есть много других.)

Термостабильность этой схемы не очень хорошая. Потенциал база-эмиттер снижается на 2 мВ/°C, поэтому при повышении температуры ток будет снижаться от номинального значения 1 А. При низких температурах будет происходить обратное. Можно применить прецизионный источник опорного напряжения, или контролировать напряжение на резисторе с помощью операционного усилителя, что обеспечивает гораздо более стабильный ток. К счастью, в большинстве схем это не так критично, поэтому схема на рис. 5.1 очень распространена.

Рисунок 5.2  Источник/приемник тока на переходном полевом транзисторе

Переходные полевые транзисторы обедненного типа могут очень легко применяться в качестве источника тока, как показано на рис. 5.2. Поскольку переходные полевые транзисторы являются преимущественно слаботочными, полезный диапазон составляет от 0,1 до 10 мА или около того. Это значение идеально подходит для многих схем, нуждающихся в источнике тока. Фактический ток зависит от характеристик полевого транзистора, но достаточно стабилен для многих некритичных применений. На основании кривой полевого транзистора, показанной на рис. 3.2.А, этот источник тока будет выдавать ток около 0,4 мА в нагрузку сопротивлением от нуля до 72 кОм. Напряжение источника питания также будет ниже из-за более низкого номинального напряжения для большинства переходных полевых транзисторов.

5.2 Токовое зеркало

Токовое зеркало является одной из «новых» схем и хорошо работает с биполярными транзисторами. Необычно было бы видеть, что эта схема реализована с помощью ламп или полевых транзисторов и я не буду этого делать (т.е. покажу только биполярную схему). На рис. 5.3 показано простое токовое зеркало (эта версия не очень точна, но все ещё чрезвычайно эффективна и широко применяется).

Рисунок 5.3  Простое токовое зеркало

Любой ток, подаваемый в цепь коллектора/базы Q1 (через R_i), будет «зеркально отражен» от Q2, который будет пропускать такой же по силе ток через нагрузочный резистор (в пределах возможностей транзистора и источника питания). Токовые зеркала иногда используются в качестве источников тока (на один резистор меньше) и они не зависят от температуры, поскольку в идеале оба транзистора будут иметь одинаковую температуру. Нередко для обеспечения стабильности используются сдвоенные транзисторы (или тепловые соединения корпусов).

5.3 Дифференциальный каскад («длиннохвостая пара»)

Дифференциальная (или «длиннохвостая») пара является старой схемой и используется с лампами, полевыми и биполярными транзисторами. Первоначально она была разработана в эпоху ламп и предоставляет собой средство для сравнения двух напряжений. Дифференциальный каскад (ДК) применяется в качестве входного каскада большинства операционных усилителей и многих (если не большинства) современных усилителей мощности.

Рисунок 5.4  Дифференциальная пара — все распространённые компоненты

Как видно на рис. 5.4, ДК может быть выполнен с использованием ламп (A), полевых (B) или биполярных транзисторов (C). Лампы и полевые транзисторы могут быть смещены, как показано, но схема на биполярных транзисторах должна иметь внешние резисторы смещения. Можно использовать пару МОП-транзисторов, но при типичных используемых токах (менее 5 мА) усиление и линейность будут очень плохими. Хотя каждая схема показана с резистором (R_TAIL) в качестве «хвоста», в полевых и биполярных схемах это чаще всего источник тока (или приемник, если вы предпочитаете).

Использование источника тока стабилизирует общий ток, поэтому на входной ток не влияют изменения напряжения питания или изменения входных напряжений смещения.

В каждом случае схема имеет инвертирующий и неинвертирующий входы и инвертированный и неинвертированный выходы. Приложение одинакового по величине и полярности напряжения к обоим входам одновременно приводит к (теоретически) нулевому выходному сигналу — это называется синфазным сигналом и обычно указывается для операционных усилителей, как коэффициент подавления синфазного сигнала.

Версии ламп и полевых транзисторов требуют только емкостного соединения, так как они смещаются, как показано на рисунке. Биполярная схема не может быть самосмещенной и для каждого входа требуются резисторы смещения R_b1 и R_b2.

Выходной сигнал каждой версии может быть взят с одного или обоих выходов и может быть как с ёмкостным, так и непосредственным соединением. В цепях ДК, особенно в операционных усилителях и звуковых усилителях мощности, очень распространена прямая связь, где это не исключение, а правило.

При использовании ДК в качестве входного каскада усилителя один вход использует для входного сигнала, а второй — для обратной связи, так же, как в операционном усилителе.

Стоит отметить, что эффективность ДК зависит от усиления активного компонента. Биполярные транзисторы гораздо более выигрышны, чем лампы или полевые транзисторы и эффективность версии на биполярных транзисторах, как правило, значительно превосходит схемы на лампах или полевых транзисторах. Из трех показанных схем только биполярные транзисторы смогут обеспечить почти идентичные выходные сигналы (но один, конечно, инвертированный). Две других схемы, безусловно, работают, но разница уровней между выходами может составлять 20% и более.

5.4  Схемы с заземленными сеткой, затвором или базой

Иногда желательно иметь чрезвычайно низкий входной импеданс, например, если очень низок выходной импеданс источника сигнала. Одним из способов достижения этого является использование в качестве референтного управляющего вывода (сетки, затвора или базы) и подача сигнала на катод, исток или эмиттер (в зависимости от ситуации). На рис. 5.5 показан пример заземленной (или общей) сетки (A), затвора (B) и базы (C).

Рисунок 5.5  Усилители с общей сеткой, затвором и базой

Помимо чрезвычайно низкого входного сопротивления этот класс усилителей имеет дополнительное преимущество. Нормальная емкость от выхода ко входу шунтируется на землю и больше не действует, как канал обратной связи. Таким образом, такие схемы обладают намного более высокой высокочастотной характеристикой, чем при использовании «обычного» способа и являются обычными в радиочастотных цепях. Путь шунтирования для лампы или полевого транзистора является непосредственным, а для биполярного — через емкость.

Все входы и выходы должны иметь ёмкостную развязку, за исключением случаев, когда предыдущий каскад должен быть подключен напрямую (что необычно), или выход напрямую связан с повторителем (довольно часто).

Поскольку входной импеданс столь низок, в аудио есть несколько применений, за исключением случаев, когда эта схема применяется в сочетании с «нормальной» ступенью усилителя, совместно образуя новую схему, называемую «каскод».

5.5 Каскод

Эта схема была разработана в эпоху вакуумных ламп, прежде всего для получения лучшего отклика на высоких радиочастотах. Лампы имеют емкость между анодом и сеткой, которая на высоких частотах действует, как канал обратной связи, вызывая падение усиления по мере увеличения частоты (т.н. эффект Миллера). Работа в каскоде позволяет схеме иметь высокий входной импеданс (через нормальный вход на сетку), а усилитель заземленной сетки (сигнал подается на катод) означает, что обратной связи от анода к сетке нет и сетка действует, как щит для предотвращения обратной связи с катодом. Нижняя половина каскода вносит относительно малое усиление и не подвержена эффекту обратной связи, поскольку работает, как усилитель тока (на аноде очень малые колебания напряжения, поэтому сигнал на аноде мал или обратная связь отсутствует).

Рисунок 5.6  Каскодный усилитель на лампах

Как можно видеть, сетка V2 заземлена через конденсатор для всех частот сигнала, что позволяет V2 работать с общей сеткой. Шунтирующий конденсатор используется, чтобы гарантировать отсутствие потери усиления из-за катодной дегенерации (местная обратная связь). Во многих случаях также будет обойден катод V1, особенно там, где основной целью является низкий уровень шума.

Те же самые принципы могут быть применены к полевым или биполярным транзисторам и имеют аналогичные преимущества. Емкость между стоком и затвором (или коллектором и базой) изолирована так же, как и в ламповой схеме, при этом сигнал подается на исток или эмиттер первого транзистора. На рис. 5.7 показана комбинированная схема каскодного усилителя на переходном полевом и биполярном транзисторах, которая будет иметь лучшую линейность, чем обычный усилитель, и намного лучшую высокочастотную характеристику.

Рисунок 5.7  Комбинированный усилитель каскодного типа на полевом и биполярном транзисторах

Этот тип схем не редкость в высококачественных операционных усилителях, где требуется очень широкая полоса пропускания и хорошая линейность до замыкания обратной связи. Каскодные схемы также иногда встречаются в полупроводниковых усилителях мощности, где разработчик пытается получить от усилителя максимально возможную полосу пропускания.

База Q2 заземлена для всех частот сигнала, поэтому этот каскад работает, как цепь с общей базой. Использование переходного полевого транзистора в качестве входного означает, что схема имеет высокий входной импеданс, а биполярный транзистор обеспечивает максимальное усиление. Чтобы получить еще большее усиление, R_C может быть заменен источником тока и в этом случае усиление от такого одиночного каскада может превышать 1000, с широкой полосой пропускания и превосходной линейностью.

Выводы

Раздел 5 является последней из технических страниц этой серии завершает тему на этом уровне. По крайней мере, до тех пор, пока я не найду (или кто-то не укажет) ошибку или серьезное упущение, которое мне затем придется исправить, дальнейших обновлений не будет.

В статьях этой серии описываются основные «строительные блоки» практически всех современных схем. Есть и другие (конечно же), но они чаще всего являются комбинациями перечисленного выше — например, дифференциальный каскад («длиннохвостая пара») может быть построен с использованием двух схем каскодного типа, источника тока и токового зеркала. Результирующая схема выглядит сложной, но представляет собой просто комбинацию обычных схем, таких как показанные здесь.

Другие схемы являются модификациями базовых, позволяя использовать их свойства, которые в противном случае могли бы рассматриваться, как недостаток — например, схемы, намеренно использующие температурную зависимость полевых транзисторов, могут использоваться в качестве тепловых датчиков с высоким коэффициентом усиления или для стабилизации тока покоя в усилителе мощности.

Существуют также несколько странных комбинаций. Были бы интересны и, несомненно, имели бы некоторые желательные характеристики вакуумная лампа и полевой транзистор, работающие в каскодном включении (и я видел эту конкретную комбинацию, используемую в усилителе мощности). Аналогично, вакуумная лампа с транзисторным источником тока вместо нагрузочного резистора имеет гораздо лучшую линейность и больший коэффициент усиления, чем версия с простой резистивной нагрузкой.

Во многих случаях для выполнения многих описанных функций имеются микросхемы. Очевидны операционные усилители, но есть также микросхемы источников тока, транзисторные матрицы (идеальные для применения в современных токовых зеркалах из-за отличного теплового согласования), а также немало других.

Существует бесчисленное множество различных усилителей мощности на микросхемах, многие из которых имеют очень высокие характеристики. Есть несколько проектов ESP, в которых используются «силовые операционные усилители» (моя терминология, потому что большинство из них используются так же, как и любые другие операционные усилители, но с более высоким напряжением и способностью управлять нагрузкой в виде громкоговорителей). Полные микросхемы доступны даже для усилителей класса D, которые сочетают в себе практически все методы, описанные в этой статье, но с еще большим количеством концепций схем. Как и следовало ожидать, они также рассматриваются в отдельных статьях.

Ни один из описанных здесь методов не предназначен только для аудио. Такая же (или очень похожая) схема используется в промышленных системах управления, усилителях радиочастоты и во многих других областях. Хотя вас можно простить за мнение, что теперь все стало «цифровым», но это не так. Аналоговые схемы будут существовать еще очень долго и, вероятно, никогда не исчезнут. Даже самый сложный цифровой контроллер все еще должен взаимодействовать с «реальным миром», который является на 100 % аналоговым!

Я надеюсь, что пролил некоторый свет на эту тему и вы получили какую-то пользу от представленной информации. Пожалуйста, имейте в виду, что эта серия предназначена только как очень базовое введение, и (почти) каждая конфигурация, обсуждаемая здесь, полностью объясняется в другом месте на сайте ESP. Есть целые статьи по проектированию с использованием операционных усилителей, источников тока и токовых зеркал и даже есть раздел, посвященный вакуумным лампам.

Ссылки:

1. Philips 'Miniwatt' Technical Data, 7th Edition, 1972
2. RCA Receiving Tube Manual, 1968
3. Basic Electronics - Grob, McGraw Hill, 1971
4. Radiotron Designer's Handbook - Langford-Smith, AWV Pty. Ltd, 1957
5. Analysis and Design of Electronic Circuits - P.M. Chirlean, McGraw Hill, 1965
6. Data Sheets, various

Оригинал статьи

Теги:

• Перевод
• УНЧ