L'amplificateur à transistor, malgré sa déjà longue histoire, reste un sujet d'étude privilégié pour les radioamateurs débutants et confirmés. Et cela est compréhensible. C'est un composant indispensable des appareils radioamateurs les plus populaires: récepteurs radio et amplificateurs basse fréquence (sonores). Nous verrons comment les amplificateurs à transistors basse fréquence les plus simples sont construits.
Réponse en fréquence de l'ampli
Dans n'importe quel récepteur de télévision ou de radio, dans chaque centre de musique ou amplificateur de son, vous pouvez trouver des amplificateurs de son à transistors (basse fréquence - LF). La différence entre les amplificateurs à transistors audio et les autres types réside dans leur réponse en fréquence.
L'amplificateur audio à transistor a une réponse en fréquence uniforme dans la bande de fréquence de 15 Hz à 20 kHz. Cela signifie que tous les signaux d'entrée dont la fréquence se situe dans cette plage sont convertis (amplifiés) par l'amplificateur.à peu près la même chose. La figure ci-dessous montre la courbe de réponse en fréquence idéale pour un amplificateur audio dans les coordonnées "gain de l'amplificateur Ku - fréquence du signal d'entrée".
Cette courbe est presque plate de 15 Hz à 20 kHz. Cela signifie qu'un tel amplificateur doit être utilisé spécifiquement pour les signaux d'entrée avec des fréquences comprises entre 15 Hz et 20 kHz. Pour les signaux d'entrée avec des fréquences supérieures à 20 kHz ou inférieures à 15 Hz, son efficacité et ses performances se détériorent rapidement.
Le type de réponse en fréquence de l'amplificateur est déterminé par les éléments électriques radio (ERE) de son circuit, et surtout par les transistors eux-mêmes. Un amplificateur audio à base de transistors est généralement assemblé sur les soi-disant transistors basse et moyenne fréquence avec une bande passante totale de signaux d'entrée allant de dizaines et de centaines de Hz à 30 kHz.
Classe d'amplificateur
Comme vous le savez, en fonction du degré de continuité du flux de courant tout au long de sa période à travers l'étage d'amplification à transistor (amplificateur), on distingue les classes suivantes de son fonctionnement: "A", "B", "AB", "C", "D".
Dans la classe de fonctionnement, le courant "A" traverse l'étage pendant 100 % de la période du signal d'entrée. La cascade de cette classe est illustrée dans la figure suivante.
Dans l'étage amplificateur de classe "AB", le courant le traverse pendant plus de 50 %, mais moins de 100 % de la période du signal d'entrée (voir figure ci-dessous).
Dans la classe de fonctionnement de l'étage "B", le courant le traverse exactement sur 50 % de la période du signal d'entrée, comme illustré sur la figure.
Enfin, dans la classe de fonctionnement de l'étage "C", le courant le traverse pendant moins de 50 % de la période du signal d'entrée.
Amplificateur à transistor BF: distorsion dans les principales classes de travail
Dans la zone de travail, l'amplificateur à transistor de classe "A" a un faible niveau de distorsion non linéaire. Mais si le signal présente des surtensions impulsionnelles, entraînant une saturation des transistors, des harmoniques plus élevées (jusqu'à la 11ème) apparaissent autour de chaque harmonique "standard" du signal de sortie. Cela provoque le phénomène du soi-disant son transistorisé ou métallique.
Si les amplificateurs de puissance basse fréquence sur transistors ont une alimentation non stabilisée, leurs signaux de sortie sont modulés en amplitude près de la fréquence du secteur. Cela conduit à la dureté du son sur le bord gauche de la réponse en fréquence. Diverses méthodes de stabilisation de tension rendent la conception de l'amplificateur plus complexe.
L'efficacité typique d'un amplificateur de classe A asymétrique ne dépasse pas 20 % en raison du transistor toujours activé et du flux continu de la composante CC. Vous pouvez faire un push-pull d'amplificateur de classe A, l'efficacité augmentera légèrement, mais les demi-ondes du signal deviendront plus asymétriques. Le transfert de la cascade de la classe de travail "A" à la classe de travail "AB" quadruple la distorsion non linéaire, bien que l'efficacité de son circuit augmente.
Bles amplificateurs des classes "AB" et "B" augmentent la distorsion à mesure que le niveau du signal diminue. Vous voulez involontairement augmenter le volume d'un tel amplificateur pour profiter pleinement de la puissance et de la dynamique de la musique, mais cela n'aide souvent pas beaucoup.
Classes d'emplois intermédiaires
La classe de travail "A" a une variante - la classe "A+". Dans ce cas, les transistors d'entrée basse tension de l'amplificateur de cette classe fonctionnent en classe "A", et les transistors de sortie haute tension de l'amplificateur, lorsque leurs signaux d'entrée dépassent un certain niveau, passent en classes "B" ou "UN B". L'efficacité de telles cascades est meilleure que dans la classe pure "A", et la distorsion non linéaire est moindre (jusqu'à 0,003%). Cependant, ils sonnent également "métalliques" en raison de la présence d'harmoniques plus élevées dans le signal de sortie.
Les amplificateurs d'une autre classe - "AA" ont un degré encore plus faible de distorsion non linéaire - environ 0,0005 %, mais des harmoniques plus élevées sont également présentes.
Retour à l'amplificateur à transistors de classe A ?
Aujourd'hui, de nombreux spécialistes dans le domaine de la reproduction sonore de haute qualité préconisent un retour aux amplificateurs à tubes, car le niveau de distorsion non linéaire et d'harmoniques plus élevés qu'ils introduisent dans le signal de sortie est évidemment inférieur à celui des transistors. Cependant, ces avantages sont largement compensés par la nécessité d'un transformateur d'adaptation entre l'étage de sortie du tube à haute impédance et les haut-parleurs à basse impédance. Cependant, un simple amplificateur à transistors peut être réalisé avec une sortie de transformateur comme indiqué ci-dessous.
Il existe également un point de vue selon lequel seul un amplificateur hybride tube-transistor peut fournir la qualité sonore ultime, dont tous les étages sont asymétriques, non couverts par une rétroaction négative et fonctionnent en classe "A". C'est-à-dire qu'un tel suiveur de puissance est un amplificateur sur un seul transistor. Son schéma peut avoir l'efficacité maximale réalisable (en classe "A") pas plus de 50%. Mais ni la puissance ni l'efficacité de l'amplificateur ne sont des indicateurs de la qualité de la restitution sonore. Dans le même temps, la qualité et la linéarité des caractéristiques de tous les ERE du circuit revêtent une importance particulière.
Alors que les circuits asymétriques obtiennent cette perspective, nous examinerons leurs options ci-dessous.
Amplificateur à transistor unique asymétrique
Son circuit, réalisé avec un émetteur commun et des connexions R-C pour les signaux d'entrée et de sortie pour un fonctionnement en classe "A", est illustré sur la figure ci-dessous.
Il montre un transistor n-p-n Q1. Son collecteur est relié à la borne positive +Vcc via une résistance de limitation de courant R3, et son émetteur est relié à -Vcc. L'amplificateur à transistor p-n-p aura le même circuit, mais les fils d'alimentation seront inversés.
C1 est un condensateur de découplage qui sépare la source d'entrée CA de la source de tension CC Vcc. En même temps, C1 n'empêche pas le passage d'un courant d'entrée alternatif à travers la jonction base-émetteur du transistor Q1. Résistances R1 et R2 avec résistancela transition "E - B" forme un diviseur de tension Vcc pour sélectionner le point de fonctionnement du transistor Q1 en mode statique. Typique pour ce circuit est la valeur de R2=1 kOhm, et la position du point de fonctionnement est Vcc / 2. R3 est une résistance de charge du circuit du collecteur et est utilisée pour créer un signal de sortie à tension variable sur le collecteur.
Supposons que Vcc=20 V, R2=1 kOhm et le gain de courant h=150. Nous sélectionnons la tension à l'émetteur Ve=9 V, et la chute de tension à la transition "A - B" est prise égale à Vbe=0,7 V. Cette valeur correspond au transistor dit au silicium. Si nous considérions un amplificateur basé sur des transistors au germanium, alors la chute de tension à travers la jonction ouverte "E - B" serait Vbe=0,3 V.
Courant de l'émetteur, approximativement égal au courant du collecteur
Ie=9 V/1 kΩ=9 mA ≈ Ic.
Courant de base Ib=Ic/h=9mA/150=60uA.
Chute de tension sur la résistance R1
V(R1)=Vcc - Vb=Vcc - (Vbe + Ve)=20V - 9.7V=10.3V
R1=V(R1)/Ib=10, 3 V/60 uA=172 kOhm.
C2 est nécessaire pour créer un circuit pour le passage de la composante variable du courant d'émetteur (en fait le courant de collecteur). S'il n'y en avait pas, la résistance R2 limiterait sévèrement la composante variable, de sorte que l'amplificateur à transistor bipolaire en question aurait un faible gain en courant.
Dans nos calculs, nous avons supposé que Ic=Ib h, où Ib est le courant de base qui y circule depuis l'émetteur et qui se produit lorsqu'une tension de polarisation est appliquée à la base. Cependant, à travers la base toujours (avec et sans décalage)il existe également un courant de fuite du collecteur Icb0. Par conséquent, le courant de collecteur réel est Ic=Ib h + Icb0 h, c'est-à-dire le courant de fuite dans le circuit avec OE est amplifié de 150 fois. Si nous envisagions un amplificateur basé sur des transistors au germanium, cette circonstance devrait être prise en compte dans les calculs. En effet, les transistors au germanium ont un Icb0 important de l'ordre de quelques µA. Dans le silicium, elle est inférieure de trois ordres de grandeur (environ quelques nA), elle est donc généralement négligée dans les calculs.
Amplificateur à transistor MIS asymétrique
Comme tout amplificateur à transistor à effet de champ, le circuit en question a son analogue parmi les amplificateurs à transistor bipolaire. Par conséquent, considérons un analogue du circuit précédent avec un émetteur commun. Il est réalisé avec une source commune et des connexions R-C pour les signaux d'entrée et de sortie pour un fonctionnement en classe "A" et est illustré dans la figure ci-dessous.
Ici C1 est le même condensateur de découplage, au moyen duquel la source d'entrée CA est séparée de la source de tension continue Vdd. Comme vous le savez, tout amplificateur à transistors à effet de champ doit avoir le potentiel de grille de ses transistors MOS inférieur aux potentiels de leurs sources. Dans ce circuit, la grille est mise à la terre par R1, qui est généralement à haute résistance (100 kΩ à 1 MΩ) afin de ne pas dériver le signal d'entrée. Il n'y a pratiquement pas de courant à travers R1, donc le potentiel de grille en l'absence de signal d'entrée est égal au potentiel de masse. Le potentiel de source est supérieur au potentiel de masse en raison de la chute de tension aux bornes de la résistance R2. AlorsAinsi, le potentiel de grille est inférieur au potentiel de source, ce qui est nécessaire au fonctionnement normal de Q1. Le condensateur C2 et la résistance R3 ont le même but que dans le circuit précédent. Comme il s'agit d'un circuit à source commune, les signaux d'entrée et de sortie sont déphasés de 180°.
Amplificateur de sortie de transformateur
Le troisième amplificateur à transistor simple à un étage, illustré dans la figure ci-dessous, est également fabriqué selon le circuit d'émetteur commun pour un fonctionnement en classe "A", mais il est connecté à un haut-parleur à faible impédance via un adaptateur transformateur.
L'enroulement primaire du transformateur T1 est la charge du circuit collecteur du transistor Q1 et développe un signal de sortie. T1 envoie le signal de sortie au haut-parleur et s'assure que l'impédance de sortie du transistor correspond à la faible impédance du haut-parleur (de l'ordre de quelques ohms).
Le diviseur de tension de l'alimentation collecteur Vcc, monté sur les résistances R1 et R3, permet de choisir le point de fonctionnement du transistor Q1 (fournissant une tension de polarisation à sa base). Le but des éléments restants de l'amplificateur est le même que dans les circuits précédents.
Amplificateur audio push-pull
L'amplificateur basse fréquence push-pull à deux transistors divise le signal audio d'entrée en deux demi-ondes déphasées, chacune étant amplifiée par son propre étage de transistor. Une fois cette amplification effectuée, les demi-ondes sont combinées en un signal harmonique complet, qui est transmis au système de haut-parleurs. Une telle transformation des basses fréquencessignal (séparation et refusion), bien sûr, provoque une distorsion irréversible en elle, en raison de la différence de fréquence et des propriétés dynamiques des deux transistors du circuit. Cette distorsion réduit la qualité du son à la sortie de l'amplificateur.
Les amplificateurs push-pull fonctionnant en classe "A" ne reproduisent pas assez bien les signaux audio complexes, car un courant constant accru circule constamment dans leurs bras. Cela conduit à une asymétrie des alternances du signal, des distorsions de phase et, in fine, à la perte d'intelligibilité du son. Lorsqu'ils sont chauffés, deux transistors puissants doublent la distorsion du signal dans les basses et infra-basses fréquences. Néanmoins, le principal avantage du circuit push-pull est son efficacité acceptable et sa puissance de sortie accrue.
Le circuit d'amplificateur de puissance à transistor push-pull est illustré sur la figure.
Il s'agit d'un amplificateur de classe "A", mais les classes "AB" et même "B" peuvent également être utilisées.
Amplificateur de puissance à transistor sans transformateur
Les transformateurs, malgré les progrès de leur miniaturisation, restent les ERE les plus encombrants, lourds et chers. Par conséquent, un moyen a été trouvé pour éliminer le transformateur du circuit push-pull en le faisant fonctionner sur deux puissants transistors complémentaires de types différents (n-p-n et p-n-p). La plupart des amplificateurs de puissance modernes utilisent ce principe et sont conçus pour fonctionner en classe "B". Le circuit d'un tel amplificateur de puissance est illustré dans la figure ci-dessous.
Ses deux transistors sont connectés selon un circuit de collecteur commun (émetteur suiveur). Par conséquent, le circuit transfère la tension d'entrée à la sortie sans amplification. S'il n'y a pas de signal d'entrée, les deux transistors sont à la limite de l'état activé, mais ils sont désactivés.
Lorsqu'un signal harmonique est entré, sa demi-onde positive ouvre TR1, mais met le transistor p-n-p TR2 en mode coupure complète. Ainsi, seule l' alternance positive du courant amplifié traverse la charge. La demi-onde négative du signal d'entrée n'ouvre que TR2 et désactive TR1, de sorte que la demi-onde négative du courant amplifié est fournie à la charge. En conséquence, un signal sinusoïdal amplifié à pleine puissance (en raison de l'amplification du courant) est délivré à la charge.
Amplificateur à transistor unique
Pour assimiler ce qui précède, nous allons assembler un simple amplificateur à transistor de nos propres mains et comprendre comment cela fonctionne.
En tant que charge d'un transistor de faible puissance T de type BC107, nous allumons des écouteurs avec une résistance de 2-3 kOhm, nous appliquons la tension de polarisation à la base à partir d'une résistance à haute résistance R de 1 MΩ, nous allumons le condensateur électrolytique de découplage C d'une capacité de 10 μF à 100 μF dans le circuit de base T. Nous alimenterons le circuit à partir d'une batterie de 4,5 V / 0,3 A.
Si la résistance R n'est pas connectée, alors il n'y a ni courant de base Ib ni courant de collecteur Ic. Si la résistance est connectée, la tension à la base monte à 0,7 V et un courant Ib \u003d 4 μA la traverse. Coefficientle gain en courant du transistor est de 250, ce qui donne Ic=250Ib=1 mA.
Ayant assemblé un simple amplificateur à transistor de nos propres mains, nous pouvons maintenant le tester. Branchez le casque et placez votre doigt sur le point 1 du schéma. Vous entendrez un bruit. Votre corps perçoit le rayonnement du secteur à une fréquence de 50 Hz. Le bruit que vous entendez dans les écouteurs est ce rayonnement, uniquement amplifié par le transistor. Expliquons ce processus plus en détail. Une tension alternative de 50 Hz est connectée à la base du transistor via le condensateur C. La tension à la base est maintenant égale à la somme de la tension continue de polarisation (environ 0,7 V) provenant de la résistance R et de la tension alternative du doigt. En conséquence, le courant du collecteur reçoit une composante alternative avec une fréquence de 50 Hz. Ce courant alternatif est utilisé pour déplacer la membrane des haut-parleurs d'avant en arrière à la même fréquence, ce qui signifie que nous pouvons entendre une tonalité de 50 Hz à la sortie.
Entendre le niveau de bruit de 50 Hz n'est pas très intéressant, vous pouvez donc connecter des sources basse fréquence (lecteur CD ou microphone) aux points 1 et 2 et entendre de la parole ou de la musique amplifiée.
