И что в нем собственно говоря "феншуйного". В одной из прошлых статей я рассказывал как собрать усилитель для наушников на трех транзисторах:
Чтобы разобраться как она работает, мы самостоятельно спроектируем эту схему. Детали, которые при сборке окончательного варианта не потребуются - будут помечены значком '
В схеме используются разные транзисторы структуры NPN и PNP. Если вы только начали изучать электронику - напомню, что на схемах транзисторы обозначаются и выводы называются:
Направление тока в электронике и электротехнике принято считать от + к -
Транзистор NPN открывается когда база транзистора более положительна чем эмиттер (ток втекает в базу и вытекает из эмиттера):
Транзистор PNP открывается когда база транзистора более отрицательна чем эмиттер (ток втекает в эмиттер и вытекает из базы):
Ну и понимать как работает делитель напряжения:
Считать самим делители не придется, номиналы всех деталей уже есть, поэтому достаточно понимания того, что при уменьшении сопротивления снизу выход делителя мы как бы подтаскиваем к земле - напряжение падает и наоборот.
Собираем первую схему: 2 свежие батареи ААх1.5V, транзистор NPN β400, наушник с омическим сопротивлением (резистор 36Om "УХО"), амперметр, конденсатор 1uF и источник синусоидальной ЭДС с частотой 1000Гц и амплитудным (пиковым) значением 0.1V (дальше просто «амплитуда»).
Будет ли такая схема что-либо усиливать? На входе у нас переменный ток от -0.1V до +0.1V который без проблем проскочит через конденсатор С'
а на выходе какая-то фигня в пиковольтах на синусоиду не похожая.
Почему так получилось? Для открытия кремневого транзистора напряжение между базой и эмиттером должно быть не менее 0.6V. У нас амплитуда входного сигнала всего 0.1V, а на отрицательной полуволне транзистор и вовсе откроется. ЧО делать? - приоткрыть транзистор! Не полностью открыть, как это было на первых анимациях с лампочками (мы обрежем положительную полуволну), а именно приоткрыть. Добавим в схему еще один резистор r' и приоткроем транзистор (установим на базе напряжение смещения) таким образом,
чтобы на резисторе "УХО" падал 1V, а остальное напряжение падало на транзисторе. В цепи начинает течь ток 28mA, который при отсутствии входного сигнала называется током покоя. Подаем входной сигнал.
Источник входного сигнала (-0.1V....+0.1V), дергает базу транзистора от (+1.6...+1.8), Напряжение на эмиттере (к которому подключено "УХО") изменяется от +0.9V до 1.1V - выходной сигнал при этом повторяет входной и по амплитуде и по фазе. Из графика видно, что никакого усиления по напряжению данная схема не производит.
Двойная амплитуда (Max-Min):
- на входе 0.1 - -0.1 = 0.2V
- на выходе 1.1-0.9 = 0.2V
все те же самые 0.2V. Разница между входным и выходными напряжениями всегда -0.6V (которые падают на переходе база-эмиттер) и тогда какой вообще смысл в такой схеме?
Переключим виртуальный "ослик" в режим измерения тока и посмотрим какой ток схема потребляет от источника сигнала и какой ток протекает через резистор "УХО".
Амплитуда на входе 12.3µA, а на выходе 31.4-28.7 = 2.7mA. Что нам это дает? Наш наушник стал как бы более высокоомным. Если его подключить к источнику звукового сигнала - по громкости играть он будет так-же как и наушник без этой схемы, НО потреблять тока (а значит и просаживать выходное напряжение сигнала) он будет гораздо меньше.
Всю остальную информацию вы сможете найти самостоятельно в Интернет по запросу "Схема включения с общим коллектором", мы же попробуем сделать наш наушник еще более высокоомным. Добавляем второй транзистор структуры PNP и подкручиваем резистор r', чтобы на входе в "УХО" снова стало +1V.
Резистор r' приоткрывает транзистор VT2, а тот в свою очередь приоткрывает транзистор VT3. Такое соединение транзисторов называется "Пара Шиклаи" или комплементарный транзистор Дарлингтона. С точки зрения схемотехники такую пару можно рассматривать как один транзистор NPN. Поэтому усиления по напряжению мы снова не получим:
За то потребляемый схемой ток теперь уже измеряется в наноамперах.
В конечном итоге, схема с таким огромным входным сопротивлением, позволит избавиться от разделительного конденсатора и построить усилитель с непосредственной связью между каскадами (ни какого влияния на предыдущий каскад она оказывать уже не будет). Саму схему несмотря на то, что там 2 транзистора можно рассматривать как один выходной каскад усиления.
Пришло время протестировать входной каскад собранный по схеме с общим эмиттером который умеет делать то, чего не умеет делать схема с общим коллектором - усиливать напряжение. Копипасты Материала по расчетам таких схем в Интернет пруд пруди - поэтому просто соберем каскад предварительного усиления из номиналов тех деталей которые рекомендовал разработчик схемы и погоняем его в симуляторе. Ток покоя установим с помощью делителя напряжения на резисторах r' и r''
Ну.... тут то с усилением напряжения все в порядке.
На входе всё тоже переменное напряжение с амплитудой 0.1V (синий график). Амплитуда на выходе (2.4-0.6)/2 = 0.9V (зеленый график). На графиках также прекрасно видно, что в отличии от схемы с общим коллектором выходной сигнал инвертируется.
А что кстати будет, если к этой схеме подключить низкоомную нагрузку ("УХО") напрямую? Ну.... через разделительный конденсатор разумеется.
Запускаем симуляцию и.... все усиление куда-то исчезло.
Сигнал на выходе получился даже меньше чем на входе, потому что низкоомная нагрузка просадила его, так же как сварочный аппарат подключенный в подвале вызывает моргание лампочек во всех квартирах. Данная схема обладает высоким выходным сопротивлением - поэтому для согласования нагрузок и требуется выходной каскад (который не умеет усиливать напряжение, но умеет усиливать ток).
Как нам их объединить? Во всех опытах, напряжение смещения я подавал с помощью всяческих r со штрихами - но в реальных схемах так стараются не делать, так как такие схемы будут зависить от напряжения источника питания, температуры и даже положения звезд на небе. Напомню, что транзистор может усиливать сигнал без искажений только когда он будет приоткрыт и желательно всегда где-то наполовину, поэтому за напряжениями смещения подаваемых на базы нужно тщательно следить.
Перенесем результаты наших опытов на простенькую схему:
Раз мы собрались клепать схему с непосредственным соединением каскадов, то смещение для второго каскада (VT2, VT3) можно будет взять прямо с выхода первого (помним что у второго каскада огромное входное сопротивление), а хде взять +0.6V для напряжения смещения первого транзистора?
Слушай, а пусть эта носатая покопает
Напряжение смещения мы будем брать с выхода последнего каскада. Первый каскад у нас инвертирует входной сигнал, поэтому мы получаем отрицательную обратную связь (вычитаем часть входного сигнала), повышая тем самым общую устойчивость работы схемы.
Собираем и наблюдаем за током покоя:
А что там с усилением после всех наших вычитаний?
- на входе амплитуда (0.1 - - 0.1)/2 = 0.1V
- на выходе амплитуда (1.5 - 0.8)/2 = 0.7V
Но! в исходной схеме был еще конденсатор емкостью в 100мF, ставим его на место.
- на входе амплитуда (0.1 - - 0.1)/2 = 0.1V
- на выходе амплитуда (1.8 - 0.5)/2 = 1.3V
Откуда аттракцион столь невиданной щедрости? - смотрим на картинки:
Сейчас сигнала на входе усилителя нет, конденсатор заряжен до 2.6V.
А вот на самом пике синуса на выходе, напряжение на конденсаторе складывается с напряжением на "УХО", и даже чуть превышает напряжение источника питания.
По умному эта цепочка называется "следящая связь в коллекторной нагрузке". Она существенно увеличивает коэффициент усиления каскада по напряжению, что мы собственно говоря видели на выходных графиках (амплитуда выходного сигнала 0.7V превратилась в 1.3V).
В итоге получилась устойчивая схема с отрицательной обратной связью по постоянному току, и при этом в усилении переменного тока мы ничего не потеряли. А зачем вообще нужна какая-то обратная связь?
Термостабилизация:
Транзистор прозванивается омметром как два встречно-включенных диода:
и хотя по факту ими конечно не является - у любого диода есть обратный ток. (показан красным пунктиром)
Сам по себе этот ток не опасен, но попадая на базу транзистора он как бы усиливает сам себя и что самое противное зависит от температуры. (увеличивается при нагреве). Поэтому собрав схему усилителя по принципу как на картинке сверху в прохладном помещении, все смещение которое мы установим с помощью резистора R может поехать, если эта схема окажется в жару на улице. Но, это не про ту схему которую мы разбирали.
Увеличение тока через коллектор-эмиттер VT1 приведет к падению напряжения на коллекторе. Эмиттерный повторитель это повторит, потом это повторит делитель на R5/R4. Уменьшившееся напряжение на базе VT1 прикроет транзистор и охладит его "жаркий пыл".
Возможность работы в широком диапазоне питающего напряжения:
Схема была задумана под питание от батарей на 1.5V, но 1.5V выдает только свежая батарея - по мере разрядки напряжение будет падать.
При снижении напряжения до 2.2V ничего никуда за пределы невозможности усиливать входной сигнал не уезжает.
На максимальной громкости естественно появятся искажения
но если чуть снизить входное напряжение от источника сигнала - на выходе снова сигнал правильной формы.
Возможность подключения наушников с разным омическим сопротивлением обмотки:
Наушники в отличии от динамиков бывают.... ну очень разные.... Гарнитура для ПК из прошлой статьи была сопротивлением 32Om. Советские ТОН-2М предназначенные для прослушивания радиотрансляционной сети и любимый элемент для сборки детекторного приемника 1.5kOm. Давайте вкрутим их в эту схему - и посмотрим придется ли что-то переделывать.
Со смещением у нас опять все хорошо, причем ток покоя упал до 1mA. :-)
На выходе синус правильной формы
Возможность прикрутить регулятор громкости который сможет экономить батарейки.
Эта возможность вытекает из предыдущей, и была проверена на практике еще в позапрошлой статье, так как саму эту схему я собрал не только в симуляторе и но и в реальном "железе" и послушал реальными ушами. Инструкция по сборке здесь:
Схема действительно интересная. Правда некоторые читатели в комментариях к прошлой статье предъявили "прИтензии", сразу назвали её "овном", и что собирать её сейчас ваапче не стоит....
А вы как думаете стоит или не стоит собирать (а может даже и проектировать), что-то на отдельных дискретных элементах или проще купить микросхему (а то и готовый модуль от дядюшки Али) и чувствовать себя крутым радиолюбителем?
Всем удачи!
