Tahap keluaran daya transistor. Kaskade amplifikasi daya (PA). Klasifikasi tahapan keluaran

Tahap keluaran dirancang untuk menyalurkan daya tertentu ke suatu beban, yang resistansinya juga diberikan. Karena daya berasal dari catu daya amplifier melalui tahap keluaran, efisiensinya harus tinggi, jika tidak, perangkat akan menjadi tidak ekonomis, dan dimensi keseluruhan (permukaan pendingin) akan meningkat untuk menghilangkan panas yang dihasilkan dalam tahap tersebut. Jika pada tahap masukan ketidaklinieran transistor tidak berpengaruh karena kecilnya sinyal yang diperkuat, maka pada tahap keluaran rentang perubahan sinyalnya besar, dan ketidaklinieran transistor harus diperhitungkan. Untuk tujuan ini, karakteristik transfer disebut dibangun. Karakteristik perpindahan – Ini adalah ketergantungan arus keluaran kaskade (arus kolektor atau emitor) pada tegangan masukan. Ini memperhitungkan nonlinier karakteristik input dan output transistor dan perubahan tegangan yang turun pada transistor itu sendiri tergantung pada arus keluaran.

Pada keluarga karakteristik keluaran statis transistor (Gbr. 2.9, A) berdasarkan poin E ke dan E Ke /R n, diplot pada sumbu koordinat, tarik garis lurus beban. Titik potong garis lurus ini dengan karakteristik yang sesuai dengan arus basis yang berbeda SAYA B1, ..., SAYA sBi, ..., SAYA Bn, akan menentukan sejumlah nilai arus kolektor SAYA K1, ..., SAYA K1, ..., SAYA buku. Pada karakteristik masukan transistor (Gbr. 2.9, o) ditemukan rangkaian nilai tegangan UBE1,..., UBEi, ..., UBEn yang harus diterapkan untuk mendapatkan arus basis yang sesuai. Terakhir, untuk pasangan nilai SAYA Ki dan UBEi membangun karakteristik transfer kaskade, yang menghubungkan parameter keluaran - arus pada keluaran kaskade - dengan masukan - tegangan sinyal pada masukan.

Beras. 2.9. Konstruksi karakteristik transfer(V) pada akhir pekan(A) dan masukan(B) karakteristik

Mungkin berbagai pilihan pemilihan area kerja dengan karakteristik ini. Mari kita lihat lebih dekat.

Modus A – ini adalah mode di mana titik operasi awal R (bila sinyal masukannya nol) terletak kira-kira di tengah bagian linier karakteristik (Gbr. 2.10). Dalam mode ini, arus searah yang relatif besar mengalir melalui transistor dalam keadaan diam. SAYA Kp, dan amplitudo komponen arus bolak-balik SAYA Kmax kurang dari atau sama dengan arus ini. Dalam hal ini, bentuk sinyal keluaran mengulangi bentuk sinyal masukan dan distorsi nonlinier minimal. Efisiensi kaskade hanya 20–30%, karena daya berguna hanya ditentukan oleh komponen variabel arus keluaran, dan daya yang dikonsumsi kaskade ditentukan oleh jumlah variabel SAYA Kmax dan konstan SAYA Komponen Kp arus keluaran.

Beras. 2.10. ModeA pengoperasian tahap penguat

Beras. 2.11.

A - mode DI DALAM; B - mode AB

Modus B – Ini adalah mode di mana titik operasi awal bertepatan dengan titik asal koordinat, yaitu. saat diam, arus keluaran adalah nol (Gbr. 2.11, A).

Ketika sinyal sinusoidal diterapkan ke masukan, arus pada rangkaian keluaran hanya mengalir setengah periode dan berbentuk pulsa. Efisiensi kaskade dalam mode ini mencapai 60–70%, karena komponennya konstan SAYA k arus kolektor (ditentukan oleh area yang diarsir sebagai nilai rata-rata arus selama periode tersebut) secara signifikan lebih kecil daripada dalam mode A. Namun, bentuk sinyal yang diperkuat terlalu terdistorsi.

Modus AB (Gbr. 2.11, b) menempati posisi perantara. Mode ini memungkinkan Anda mengurangi distorsi nonlinier saat menggunakan tahap keluaran tekan-tarik.

Tahap keluaran berujung tunggal dan dorong-tarik

Tahapan keluarannya berujung tunggal dan dorong-tarik. DI DALAM siklus tunggal kaskade hanya memiliki satu transistor penguat yang kuat, yang beroperasi pada setengah siklus positif gelombang sinus dan negatif. DI DALAM dua tak cascades - dua transistor kuat yang beroperasi secara bergantian.

Kaskade berujung tunggal

Rangkaian tahap keluaran ujung tunggal mirip dengan rangkaian yang ditunjukkan pada Gambar. 2.4. Beban dihidupkan sebagai pengganti resistor R K, dan kapasitor kopling DENGAN p2 hilang. Kaskade berujung tunggal beroperasi di A, memberikan distorsi nonlinier paling sedikit, tetapi memiliki sejumlah kelemahan: efisiensi rendah; ketidakmungkinan penerapan dalam mode DI DALAM Dan AB karena distorsi nonlinier yang besar dalam mode ini. Karena kelemahan ini, kaskade satu siklus hanya digunakan pada daya beban yang relatif rendah.

Kaskade dorong-tarik

Hal ini memungkinkan Anda untuk menghilangkan kelemahan yang melekat pada kaskade siklus tunggal. Tahap seperti itu dilakukan pada transistor yang dihubungkan sesuai dengan sirkuit dengan emitor bersama atau kolektor bersama.

Beras. 2.12.

Biasanya, pada tahap awal penguat, penguatan tegangan yang diperlukan dari sinyal masukan disediakan, dan pada tahap keluaran, arus dan daya diperkuat dan impedansi keluaran rendah disediakan. Dalam hal ini, pengikut emitor dorong-tarik sering digunakan sebagai tahap keluaran (Gbr. 2.12). Sinyal input melewati kapasitor isolasi dan tiba di basis transistor VT1 dan VT2. Transistor ini memiliki jenis konduktivitas yang berbeda, yaitu. VT1 – ketik r-p-r, sebuah VT2 – ketik hal-hal. Transistor VT1 dikendalikan oleh tegangan positif, a VT2 – negatif. Setengah siklus positif dari gelombang sinus dari sinyal masukan diperkuat oleh transistor VT1. Pada saat ini, transistor VT2 ditutup dan arus mengalir ke beban melalui “case - R N – emitor VT1 – kolektor VT1-- E Ke ". Selama setengah siklus negatif, transistor berganti peran dan transistor beroperasi VT2, VT1 ditutup. Arus beban mengalir melalui rangkaian "+E K – kolektor VT2 – emitor VT2 – R H – bingkai".

Untuk memastikan posisi titik operasi transistor, perlu diatur tegangan bias pada basis transistor dalam keadaan diam. Untuk melakukan ini, gunakan rantai “resistor RB1 – dioda VD1" untuk transistor VT1 dan "resistor R M – dioda VD2" untuk transistor VT2. Arus yang mengalir di dalamnya memberikan tegangan bias yang diperlukan pada sambungan basis-emitor transistor.

Seperti yang Anda lihat, rangkaian pengikut emitor dorong-tarik dapat dibagi menjadi dua bagian simetris - atas dan bawah, yang disebut bahu kaskade. Transistor pada tahap ini beroperasi dalam mode AB. Meskipun setiap lengan menghasilkan distorsi sinyal sinusoidal yang besar (hanya dalam satu setengah siklus), bersama-sama mereka membentuk arus yang dihasilkan berbentuk sinusoidal. Mode AB dalam pengikut emitor dorong-tarik memberikan distorsi nonlinier rendah dan efisiensi tinggi - sekitar 70%. Kerugian dari tahap dorong-tarik adalah bahwa parameter transistor kuat yang digunakan pada lengan berbeda harus memiliki karakteristik yang serupa.

Memilih diagram blok penguat daya. Disajikan pada Gambar 2. Tahap input terbuat dari transistor VT1, terhubung dengan emitor bersama. Penghambat R4 adalah beban tahap amplifikasi pertama. Dari situ sinyal yang diperkuat menuju ke basis transistor VT2, yang merupakan tahap amplifikasi menengah. Tahap keluaran dirakit menggunakan transistor bipolar VT7…VT10 menurut skema Darlington. Jadi, penguat daya adalah tiga tahap. Mari kita buat diagram perkiraan penguat daya masa depan:

Gambar 2 - Diagram perkiraan UMZCH

Tegangan keluaran maksimum dan arus keluaran maksimum dihitung dari daya keluaran hal.= 5W. dan ketahanan beban R.L.= 4 Ohm.

Tahap keluaran

Secara tradisional, pengoperasian dan perhitungan penguat daya mulai dipertimbangkan dari tahap keluaran, karena banyak parameter UMZCH, seperti kinerja energi, distorsi nonlinier, keandalan, dll., sangat bergantung pada rangkaian tahap keluaran. Tahap keluaran adalah pengikut emitor berdasarkan transistor komplementer yang dihubungkan menurut rangkaian Darlington. Pada tahap ini, beban dihubungkan ke kolektor transistor keluaran. Tahap keluaran UMZCH ditunjukkan pada Gambar 3.

Gambar 3 - Tahap keluaran UMZCH

Tegangan suplai yang diperlukan EP Kita akan mencari penguat daya berdasarkan rumus daya:

Dari proporsi yang dihasilkan kita menemukan:

Ketika kita menemukan EP;

Mari kita pilih tegangan suplai yang sedikit lebih tinggi, dengan mempertimbangkan kesalahan perhitungan dan kehilangan daya pada tahap input dan perantara. Mari kita terima

Tahap keluaran berfungsi sebagai penguat arus dan pandangan umum dapat dianggap sebagai konverter impedansi yang mencocokkan keluaran impedansi rendah dari tahapan dengan resistansi beban.

Kekuatan tahap keluaran biasanya berkisar antara 50 mW. hingga 100W. Oleh karena itu, ketika menghitung amplifier, Anda harus selalu memperhitungkan daya yang dihamburkan oleh transistor.

Tegangan tembus transistor keluaran VT 8 dan VT 10 seharusnya:

Disipasi daya maksimum transistor VT 8 dan VT 10 dengan beban aktif dan sinyal harmonik pada input sama dengan:

Arus hubung singkat transistor keluaran adalah:

Jadi, kapan nilai-nilai yang diketahui parameter, menggunakan data referensi, pilih sepasang transistor keluaran yang saling melengkapi: VT 8 - KT 816V, VT 10 - KT 817V.

Dengan arus keluaran maksimum maksimal dan penguatan arus minimum B0 = 25, jenis transistor yang dipilih VT 8 dan VT 10, hitung arus kolektor transistor VT 7 dan VT 9:

Arus kolektor ini sesuai dengan struktur transistor silikon berdaya rendah KT 3102B n-p-n dan transistor silikon daya rendah KT 3107B - struktur p-n-p.

Sebagai transistor VT 2 (transistor tahap menengah), Anda dapat menggunakan hampir semua transistor frekuensi rendah berdaya rendah. Anda hanya perlu memperhatikan tegangan kolektor-emitor maksimum yang tidak boleh kurang dari. Tegangan ini sesuai dengan transistor tipe KT 3107B, dimana tegangan kolektor-emitor maksimum adalah 45V.

Mari kita beralih ke pertimbangan dan perhitungan proteksi terhadap arus lebih dan hubung singkat keluaran. Karena resistansi keluaran yang rendah, penguat daya dapat dengan mudah kelebihan beban dengan arus beban dan rusak karena terlalu panasnya transistor keluaran. Langkah-langkah desain untuk meningkatkan keandalan, seperti memilih transistor dengan margin disipasi daya yang besar, meningkatkan luas permukaan pembuangan panas, menyebabkan peningkatan biaya struktur dan penurunan karakteristik berat dan ukurannya. Oleh karena itu, disarankan untuk menggunakan metode sirkuit untuk meningkatkan keandalan dengan memasukkan sirkuit perlindungan terhadap kelebihan arus dan hubung singkat keluaran ke penguat daya.

Mari kita pertimbangkan prinsip operasi untuk melindungi tahap keluaran UMZCH dari kelebihan arus dan korsleting keluaran. Rangkaian proteksi terdiri dari transistor VT 5 dan VT 6 dan resistor R 10…R 13. Rangkaian proteksi ditunjukkan pada Gambar 4. Rangkaian proteksi bekerja sebagai berikut.

Pada arus beban yang cukup rendah, transistor VT 5 terkunci karena tegangan turun pada resistor R 11 tidak cukup untuk membukanya, dan rangkaian proteksi hampir tidak berpengaruh pada pengoperasian penguat daya. Ketika arus beban meningkat, penurunan tegangan pada resistor meningkat R 11 (untuk setengah gelombang positif; untuk setengah gelombang negatif dari tegangan keluaran, penurunan tegangan pada resistor akan meningkat R 12). Ketika penurunan tegangan pada resistor mencapai R 11, ambang batas UBE POR membuka transistor VT 5 terbuka, mengambil sebagian dari arus sumber, sehingga menstabilkan arus beban maksimum. Nilai resistor R11 dan R12 dihitung menggunakan rumus:

Resistor R 11 dan R 13 memiliki resistansi rendah (100...150 Ohm) dan berfungsi untuk membatasi arus basis transistor VT 11 VT 13. Resistor R 11 dan R 13 sebenarnya tidak berpengaruh pada pengoperasian sirkuit proteksi.

Gambar 4 - Skema untuk melindungi tahap keluaran UMZCH dari kelebihan arus dan korsleting keluaran.

Selanjutnya, mari kita beralih ke diagram stabilitas suhu arus diam tahap keluaran UMZCH. Ada cukup banyak teknik rangkaian berbeda untuk memastikan stabilitas suhu arus diam transistor keluaran. Semuanya pada akhirnya memerlukan terciptanya kontak termal antara elemen rangkaian penstabil baik dengan badan transistor atau dengan permukaan pembuangan panas. Contoh lain membangun tahap keluaran penguat daya dengan stabilisasi suhu arus diam transistor keluaran ditunjukkan pada Gambar 4. Keuntungan dari metode ini adalah hanya satu elemen peka suhu yang ditempatkan pada permukaan heat-sink - sebuah transistor VT 4. Kondisi dari mana nilai resistor dipilih R 6 dan R 8:

Secara umum, rasionya harus lebih kecil satu dari kuantitasnya hal transisi di sirkuit. Penghambat R 8 dilakukan variabel untuk memastikan pemasangan arus diam yang diperlukan dari transistor tahap keluaran penguat daya. Mari kita pilih nilai resistansi R 6 dan R 8, dengan mempertimbangkan bahwa rasionya kira-kira sama dengan tiga, jadi ada empat transistor pada tahap keluaran (yaitu ada empat hal transisi). Mari kita ambil perlawanan R 6 sama dengan 1000 Ohm, kalau begitu R 8 akan sama dengan:

Untuk menghitung resistor R7, kami menggunakan ekspresi:

mari kita hitung R 7.

Bab 3 membahas prinsip-prinsip membangun rangkaian penguat daya yang beroperasi dalam mode A, B atau AB. Telah ditunjukkan bahwa mode yang paling disukai untuk tahap amplifikasi daya keluaran adalah mode kelas AB. Diagram skematik penguat daya dorong-tarik berdasarkan jenis transistor bipolar yang sama, yang beroperasi dalam mode kelas AB, ditunjukkan pada Gambar. 4.26. Offset tegangan kecil diterapkan ke basis transistor menggunakan resistor.

Alih-alih resistor, Anda dapat menggunakan dioda bias maju, yang menciptakan tegangan bias berdasarkan transistor untuk memastikan mode kelas AB.

Dioda juga melakukan kompensasi termal pada titik istirahat operasi, karena ketika suhu berubah, tegangan pada persimpangan emitor transistor dan penurunan tegangan pada dioda terbuka berubah dalam arah yang sama. Untuk mendapatkan efek stabilisasi termal yang lebih besar, dioda dan transistor harus dipilih.

Perhitungan daya keluaran, efisiensi dan distorsi nonlinier pada tahap amplifikasi daya kelas AB dapat dilakukan dengan tingkat akurasi yang cukup menggunakan rumus (3.14), (3.16), (3.19) yang diturunkan untuk mode kelas B di § 3.2.

Transformator yang digunakan dalam rangkaian yang dipertimbangkan tidak memungkinkan pengurangan ukuran dan berat penguat daya dan memperburuk karakteristik frekuensi amplitudonya. Pembuatan trafo memerlukan banyak tenaga kerja manual, bahan yang langka, dan sebagai elemen rangkaian, trafo memiliki keandalan yang rendah. Oleh karena itu, penguat daya dorong-tarik tanpa transformator, yang dibangun di atas sepasang transistor dengan jenis konduktivitas listrik yang berbeda, kini tersebar luas (Gbr. 4.27, a).

Rangkaian ini terdiri dari dua pengikut emitor (lengan) berujung tunggal yang beroperasi secara bergantian selama satu setengah siklus sinyal masukan. Lengannya diberi daya secara terpisah, dari dua sumber tegangan DC kutub berlawanan, disatukan oleh bus umum, yang biasanya dibumikan. Karena perbedaan jenis konduktivitas listrik transistor, kaskade tidak memerlukan tegangan masukan parafase.

Umpan balik negatif mengurangi distorsi nonlinier, serta pengaruh asimetri bahu. Namun, pada rangkaian yang menggunakan pengikut emitor, tegangan keluaran tidak boleh melebihi tegangan masukan, yaitu pada dasarnya hanya terjadi penguatan arus. Kaskade (Gbr. 4.27, a) bekerja sebagai berikut.

Jika tidak ada sinyal masukan, titik tersebut mempunyai potensial nol. Di dasar setiap transistor, karena pembagi, tegangan bias konstan dibuat sama dengan penurunan tegangan pada dioda yang sesuai dan memastikan pengoperasian kaskade dalam mode kelas AB.

Jika kita mengabaikan arus bias basis transistor dan berasumsi bahwa arus mengalir melalui setiap dioda

Dengan setengah gelombang positif dari amplitudo tegangan input, dioda tetap terbuka. Tegangan disuplai ke basis transistor. Dalam hal ini, transistor dimatikan, dan arus basis transistor meningkat sebesar besarnya

Arus yang melalui dioda menjadi sama

dimana adalah arus yang melalui resistor R pada tegangan positif.

Arus akan menjadi sama dengan nol, yaitu dioda akan menutup pada nilai maksimum, yang dapat ditentukan dari rumus (4.84), dengan memasukkannya. Setelah transformasi kita dapatkan

Jadi, untuk memperluas rentang dinamis sinyal input, perlu untuk mengurangi resistansi resistor R pada rangkaian bias. Namun, ketika R berkurang, ia dihambat impedansi masukan pengikut emitor yang membentuk lengan kaskade.

Ketika tegangan input setengah gelombang negatif, transistor mati dan arus transistor meningkat.

Proses konversi sinyal input pada tahap amplifikasi daya menjadi setengah gelombang positif dan negatif pada prinsipnya berlangsung dengan cara yang sama. Oleh karena itu, rumus (4.83) dan (4.84) Untuk kedua setengah gelombang sinyal input adalah identik dan hanya berbeda dalam indeks yang sesuai dengan transistor terbuka.

Perhitungan grafis dari kaskade tanpa transformator dilakukan dengan menggunakan karakteristik keluaran transistor dan tidak berbeda dengan perhitungan grafis dari kaskade yang menggunakan. Dalam hal ini, peran resistansi dalam kaskade tanpa transformator dimainkan oleh resistansi.

Untuk menentukan resistansi masukan, daya masukan, dan distorsi nonlinier dari tahap tanpa transformator, Anda harus menggunakan dinamis karakteristik masukan, ketika membangun sumbu absis yang mana, bukan tegangan yang harus diplot, tetapi tegangan.

Kehadiran dua catu daya di sirkuit ditunjukkan pada Gambar. 4.27, namun dapat menyebabkan ketidaknyamanan tertentu saat menggunakan sirkuit. Untuk mengganti dua sumber daya dengan satu, kapasitor pemisah berkapasitas cukup besar dihubungkan secara seri dengan beban (Gbr.). Untuk arus searah, transistor rangkaian dihubungkan secara seri. Oleh karena itu, dengan parameter transistor yang identik, tegangan konstan pada kapasitor terpisah merupakan “sumber daya” untuk transistor.

Tegangan kolektor-emitor transistor sama dengan .

Untuk menghilangkan distorsi sinyal keluaran akibat kapasitor, tegangan harus tetap konstan selama setengah siklus negatif (transistor terbuka) dari sinyal sinusoidal masukan dengan frekuensi yang sesuai dengan frekuensi terendah dari pita sandi. Kemudian perubahan tegangan pada beban akan ditentukan oleh perubahan tegangan pada emitor transistor terbuka.

Kapasitansi kapasitor dipilih menggunakan relasi

dimana adalah resistansi keluaran pengikut emitor dari salah satu lengan penguat.

Metode penghitungan kaskade tidak berbeda dengan metode penghitungan tahapan amplifikasi daya yang dipertimbangkan, yaitu dilakukan dengan menggunakan karakteristik statis transistor satu lengan. Perlu diingat bahwa titik operasi istirahat sesuai dengan level tegangan suplai transistor pada satu lengan.

Kerugian dari kaskade tanpa transformator ditunjukkan pada Gambar. 4.27, adalah perbedaan besar dalam parameter untuk berbagai jenis konduktivitas listrik. Untuk menghilangkan kelemahan ini, industri memproduksi “pasangan” transistor dengan parameter yang sama, namun jenis yang berbeda konduktivitas listrik, yang disebut transistor komplementer, yang kisarannya sesuai dengan tingkat daya keluaran penguat yang berbeda, misalnya.

Untuk meningkatkan daya beban penguat daya berdasarkan pengikut emitor digunakan transistor komposit. Diagram skema penguat daya tersebut ditunjukkan pada Gambar. 4.28. Dalam rangkaian (Gbr. 4.28), alih-alih resistor R, yang menentukan arus dioda bias, digunakan sumber DC I, memungkinkan Anda untuk memperluas jangkauan dinamis sinyal input.

Memang, mengganti rumus dengan dan menyamakan , kita dapatkan

Selain itu, sumber arus searah, yang memiliki resistansi internal yang tinggi, tidak melewati resistansi masukan yang tinggi dari pengikut emitor pada transistor komposit, yang juga merupakan keunggulan signifikan sumber arus dibandingkan resistor konvensional.

Sebagai sumber arus searah, Anda dapat menggunakan transistor yang dihubungkan menurut rangkaian basis bersama, rangkaian masukan yang menjamin arus emitor konstan, yaitu. Kemudian, dengan berbagai perubahan tegangan kolektor, titik operasi hanya akan bergerak sepanjang satu cabang dari kelompok karakteristik keluaran (Gbr. 4.29) dan arus kolektor akan tetap hampir konstan.

Lebih tepatnya, perubahan arus kolektor dengan perubahan tegangan kolektor transistor dan arus emitor konstan ditentukan oleh nilai resistansi diferensial sambungan kolektor.

yang pada skema OB besar dan berjumlah beberapa (bandingkan dengan pada skema OE).

Dalam diagram Gambar. 4.30 Sumber DC dibuat dengan menggunakan transistor. Arus mengalir melalui setiap transistor

di mana adalah penurunan tegangan pada resistor atau tegangan stabilisasi dioda zener, yang tentunya harus melebihi tegangan pada sambungan emitor transistor.

Selain dioda zener, pada rangkaian bias transistor dapat menggunakan LED berwarna merah yang tegangan jatuhnya dalam keadaan terbuka adalah 1,8 V, atau dua buah dioda penyearah yang dihubungkan secara seri.

Arus emitor transistor dipilih dari kondisi

dimana adalah amplitudo arus basis transistor.

Arus dalam pembagi dipilih sama dengan arus kolektor transistor. Kemudian hambatannya dicari dari rumusnya

Tugas tahap keluaran adalah memberikan daya yang ditentukan ke beban. Penguatan tegangan adalah parameter sekunder untuk tahap keluaran;

- bagi mereka, yang paling penting adalah efisiensi dan koefisien distorsi nonlinier ketika daya tertentu diberikan.

Tahap keluaran biasanya menghabiskan sebagian besar daya amplifier, sehingga efisiensi yang tinggi sangat penting. Hal ini sangat penting terutama untuk sirkuit terpadu di mana daya yang dihamburkan oleh chip terbatas. Sedangkan untuk faktor distorsi nonlinier, hal ini tidak kalah pentingnya untuk tahapan keluaran, karena pada tahapan tersebut sinyal yang diperkuat adalah maksimum.

Efisiensi didefinisikan sebagai rasio daya keluaran kaskade dengan daya yang diambil dari sumber daya Ucc: Efisiensi = u„1„,/2u„1,р, dengan U„, !„ adalah amplitudo keluaran arus dan tegangan; Icp adalah nilai rata-rata arus yang dikonsumsi oleh kaskade.

Koefisien distorsi nonlinier mencirikan perbedaan antara bentuk sinyal keluaran dan bentuk sinyal masukan, yang disebabkan oleh nonlinier karakteristik transmisi kaskade.

Distorsi nonlinier ditandai dengan munculnya harmonik baru pada sinyal keluaran yang tidak ada pada sinyal masukan. Ciri-ciri distorsi nonlinier adalah perbandingan daya total harmonik yang lebih tinggi, mulai dari harmonik kedua, hingga kekuatan harmonik pertama (pada frekuensi sinyal masukan).

Nilai koefisien distorsi nonlinier yang diizinkan ditentukan oleh persyaratan khusus untuk peralatan tertentu. Misalnya, ketika mereproduksi suara pada peralatan dengan kualitas rata-rata, distorsi sebesar 2...3% diperbolehkan; pada alat ukur dan amplifier kelas atas, nilainya jauh lebih kecil. Seperti disebutkan di atas, ada beberapa jenis mode operasi tahap keluaran. harmonik Analisis menunjukkan bahwa koefisien distorsi nonlinier di kelas B, terlepas dari amplitudo sinyal, adalah sekitar 70%, yang dalam banyak kasus tidak dapat diterima. Mode Kelas B diimplementasikan dalam apa yang disebut rangkaian dorong-tarik, yang pada dasarnya terdiri dari dua amplifier, salah satunya memperkuat setengah gelombang positif dari sinyal, dan yang lainnya - negatif. Di bawah beban, setengah gelombang ini bertambah dan membentuk gelombang sinus penuh.

Pada Gambar. 7.13, a menunjukkan rangkaian dorong-tarik paling sederhana kelas B, dibuat pada transistor komplementer (transistor dengan konduktivitas berbeda). Beban Rn termasuk dalam rangkaian emitor transistor yang beroperasi dalam mode pengikut tegangan. Dalam mode istirahat, kedua transistor terkunci, karena tegangan pada sambungan emitor adalah nol. Selama setengah gelombang positif dari sinyal masukan Ui, transistor VT1 terbuka, dan selama setengah gelombang negatif, transistor VT2 terbuka. Penguatan daya mendekati rasio arus emitor dan basis, yaitu. sama dengan B+1.

Terlepas dari kesederhanaan yang jelas dari rangkaian pada Gambar. 7.13, dan dicirikan oleh distorsi nonlinier yang relatif besar, yang dikaitkan dengan adanya apa yang disebut "tumit" pada karakteristik tegangan arus masukan transistor bipolar. Jelasnya, distorsi seperti itu akan sangat signifikan untuk sinyal masukan kecil dengan amplitudo yang sebanding dengan tegangan basis-emitor pada titik operasi. Untuk menghilangkan kelemahan ini, sirkuit terpisah digunakan untuk menyuplai bias ke basis transistor (Gbr. 7.13, b), yang memastikan mode kelas AB.

Saat membangun tahap keluaran menggunakan transistor dengan jenis yang sama, rangkaian pada Gambar digunakan. 7.13, c. Di dalamnya, transistor VT2 terbuka selama kedua setengah siklus.

Agar dioda VD (dengan setengah gelombang positif) atau transistor VT1 (dengan setengah gelombang negatif) terbuka, potensial kolektor VT2 harus berubah sebesar ±E (tegangan basis-emitor dalam mode statis) dibandingkan dengan potensial istirahat . Oleh karena itu, amplitudo minimum sinyal input yang bereaksi dengan kaskade tersebut adalah E/K, di mana K adalah penguatan kaskade pada transistor VT2. Untuk mempelajari kaskade pada Gambar. 7.13, dalam diagram pada Gambar digunakan. 7.14.

Beras. 7.14. Sirkuit untuk mempelajari tahap keluaran

Beras. 7.15. Tahap keluaran dorong-tarik pasokan tunggal

Skema lain untuk menerapkan tahap keluaran juga dimungkinkan, termasuk skema dengan catu daya polar tunggal. Salah satunya ditunjukkan pada Gambar. 7.15. Keunikannya adalah kapasitor Ck, dihubungkan secara seri dengan beban Rn, setelah diisi ke tegangan E sama dengan tegangan pada emitor transistor dalam mode statis, beroperasi selama salah satu setengah siklus sebagai sumber daya.

Dalam tahap keluaran yang kuat berdasarkan pengikut emitor, korsleting pada keluaran, biasanya, menyebabkan kegagalan transistor karena arus kolektor melebihi nilai yang diizinkan. Untuk melindungi dari korsleting, resistansi pembatas arus kecil (beberapa ohm) dimasukkan ke dalam rangkaian emitor dari transistor keluaran yang kuat atau transistor tambahan diperkenalkan yang terbuka hanya pada arus beban tinggi dan, dengan melangsir rangkaian masukan, membatasi arus keluaran menjadi tingkat yang aman. Salah satu skema proteksi yang mungkin menggunakan transistor tambahan ditunjukkan pada Gambar. 7.16.

Beras. 7.16. Tahap keluaran dengan perlindungan hubung singkat

Rangkaian proteksi bekerja sebagai berikut. Pada hubungan pendek dalam beban, arus yang melalui resistansi Ro meningkat dan menciptakan penurunan tegangan, yang membuka transistor VT5, VT6 selama setengah siklus yang sesuai. Menemukan diri mereka dalam mode saturasi, mereka melewati sirkuit input dari tahap penguat yang kuat. Akibatnya, tegangan input dibatasi oleh resistansi Ri dan arus transistor VT3, VT4 tidak melebihi nilai di mana mereka beroperasi dalam mode nominal. Perlindungan seperti itu cepat dan memberikan operasi yang andal tahap penguat yang kuat. Saat memperkenalkannya, perlu memiliki resistor tambahan Ri, yang resistansinya dipilih berdasarkan nilai minimum yang diizinkan dari resistansi beban pra-penguat yang terhubung dengan tahap keluaran.

Tugas tes

1. Dengan memilih resistansi RI pada rangkaian pada Gambar. 7.14 mengatur mode statis yang direkam oleh perangkat pada R2=Rn=100 Ohm. Tentukan penguatan tahap dan sinyal input maksimum yang ditransmisikan ke output tanpa distorsi (ditentukan secara visual).

2. Buatlah diagram untuk mempelajari tahap keluaran (Gbr. 7.15) dan lakukan simulasinya.

Apa itu transistor keluaran? Output, atau terminal, transistor adalah transistor yang termasuk dalam desain tahap keluaran (terakhir) dalam penguat bertingkat (memiliki setidaknya dua atau tiga tahap) frekuensi. Selain di akhir pekan, ada juga tahap penyisihan, itu saja, ada pula yang berlokasi sebelum akhir pekan.

Kaskade adalah transistor yang dilengkapi dengan resistor, kapasitor, dan elemen lain yang memastikan pengoperasiannya sebagai penguat. Seluruh jumlah tahap awal yang tersedia pada penguat harus memberikan peningkatan tegangan frekuensi sehingga nilai yang dihasilkan sesuai untuk pengoperasian transistor keluaran. Pada gilirannya, dia transistor keluaran meningkatkan kekuatan osilasi frekuensi ke nilai yang menjamin pengoperasian kepala dinamis.

Saat merakit amplifier transistor paling sederhana, transistor keluaran diambil dengan daya rendah yang sama seperti pada tahap awal. Banyak orang menganggap ini sangat tepat dari sudut pandang ergonomis perangkat. Pembacaan daya keluaran penguat semacam itu kecil: dari 10-20 mW hingga satu setengah ratus.

Dalam situasi di mana masalah penghematan tidak begitu akut, transistor dengan pembacaan daya lebih tinggi digunakan dalam desain tahap keluaran.

Kualitas pengoperasian amplifier ditentukan oleh beberapa parameter, namun representasi paling akurat dapat diperoleh dari: data daya keluaran (P out), sensitivitas dan respon frekuensi.

Ukur arus diam transistor keluaran

Arus diam adalah arus kolektor yang melewati transistor tahap keluaran, asalkan tidak ada sinyal. Dalam kondisi ideal bersyarat (yang pada kenyataannya tidak mungkin), nilai arus tersebut harus nol. Faktanya, hal ini tidak sepenuhnya benar; perbedaan suhu dan karakteristik berbagai jenis transistor mempengaruhi indikator ini. Dalam kasus terburuk, panas berlebih mungkin terjadi, yang akan menyebabkan kerusakan termal pada transistor.

Selain itu, ada indikator lain - ketegangan istirahat. Ini menunjukkan nilai tegangan dari titik penghubung transistor. Jika catu daya kaskade adalah bipolar, maka tegangannya akan menjadi nol, dan jika unipolar, maka tegangannya adalah 1/2 dari tegangan suplai.

Kedua indikator ini harus distabilkan dan untuk itu, pengendalian suhu harus dilakukan sebagai tindakan prioritas.

Transistor tambahan biasanya diambil sebagai penstabil, yang dihubungkan ke sirkuit dasar sebagai pemberat (paling sering berakhir langsung di radiator, sedekat mungkin dengan transistor keluaran).

Untuk mengungkapkan apa arus diam transistor keluaran atau kaskade, Anda perlu menggunakan multimeter untuk mengukur data penurunan tegangan untuk resistor emitornya (nilai biasanya dinyatakan dalam milivolt), dan kemudian, berdasarkan hukum Ohm dan data resistansi nyata, Anda dapat menghitung indikator yang diinginkan: bagi nilai penurunan tegangan dengan nilai sebenarnya resistansi - nilai arus diam untuk transistor keluaran tertentu.

Semua pengukuran harus dilakukan dengan sangat hati-hati, jika tidak transistor harus diganti.

Ada cara lain, apalagi yang traumatis. Alih-alih sekering, Anda perlu menyetel resistansi 100 Ohm dan daya minimum 0,5 Watt untuk setiap saluran. Jika tidak ada sekering, resistor dihubungkan ke catu daya. Setelah daya disuplai ke amplifier, pembacaan dilakukan berdasarkan penurunan tegangan pada level resistansi di atas. Matematika lebih lanjut sangat sederhana: penurunan tegangan 1 V sama dengan arus diam sebesar 10 mA. Demikian pula, pada 3,5 V Anda mendapatkan 35 mA dan seterusnya.

Klasifikasi tahapan keluaran

Ada beberapa metode untuk merakit tahap keluaran:

Dari transistor yang memiliki konduktivitas berbeda. Untuk tujuan ini, transistor "pelengkap" (parameter serupa) paling sering digunakan.
Dari transistor yang mempunyai konduktifitas yang sama.
Dari transistor tipe komposit.
Dari transistor efek medan.

Pengoperasian penguat yang dirancang menggunakan transistor komplementer sederhana saja: setengah gelombang sinyal positif memicu pengoperasian satu transistor, dan setengah gelombang negatif memicu pengoperasian transistor lainnya. Lengan (transistor) harus beroperasi dalam mode yang sama, dan untuk mengimplementasikannya, bias basis digunakan.

Jika penguat menggunakan transistor yang sama dalam pengoperasiannya, maka ini tidak memiliki perbedaan mendasar dari opsi pertama. Kecuali fakta bahwa untuk transistor seperti itu sinyalnya tidak boleh berbeda.

Saat bekerja dengan amplifier jenis lain, Anda harus ingat bahwa tegangan negatif untuk transistor pnp, dan positif - untuk transistor n-p-n.

Biasanya yang disebut power amplifier termasuk tahap akhir, karena beroperasi dengan nilai terbesar, meskipun dari segi teknis tahap pendahuluan juga bisa disebut demikian. Indikator utama penguat meliputi: daya berguna yang disalurkan ke beban, efisiensi, pita frekuensi yang diperkuat, dan faktor distorsi nonlinier. Indikator-indikator ini sangat dipengaruhi karakteristik keluaran transistor. Saat membuat penguat tegangan, rangkaian ujung tunggal dan dorong-tarik dapat digunakan. Dalam kasus pertama, mode operasi penguat adalah linier (kelas A). Situasi ini ditandai dengan fakta bahwa aliran arus melalui transistor terus berlanjut hingga periode sinyal input berakhir.

Penguat ujung tunggal memiliki linearitas yang tinggi. Namun, kualitas ini dapat terdistorsi ketika inti dimagnetisasi. Untuk mencegah keadaan seperti itu, perlu diperhatikan keberadaan rangkaian transformator dengan induktansi tingkat tinggi untuk rangkaian primer. Hal ini akan mempengaruhi ukuran trafo. Selain itu, karena prinsip pengoperasiannya, ia memiliki efisiensi yang cukup rendah.

Sebagai perbandingan, data untuk penguat push-pull (kelas B) jauh lebih tinggi. Mode ini memungkinkan Anda untuk mendistorsi bentuk arus transistor pada output. Hal ini meningkatkan hasil rasio arus bolak-balik dan searah, sekaligus mengurangi tingkat konsumsi daya; ini dianggap sebagai keuntungan terpenting menggunakan amplifier push-pull. Pengoperasiannya dipastikan dengan suplai dua tegangan yang nilainya sama, tetapi berlawanan fasa. Jika tidak ada transformator dengan titik tengah, maka Anda dapat menggunakan kaskade terbalik fasa, yang akan menghilangkan tegangan yang berlawanan fasa dari resistor yang sesuai pada rangkaian kolektor dan emitor.

Ada rangkaian dorong-tarik yang tidak menyertakan trafo keluaran. Ini memerlukan berbagai jenis transistor yang berfungsi sebagai pengikut emitor. Jika sinyal input bipolar diterapkan, maka transistor akan terbuka secara bergantian dan arus akan menyimpang ke arah yang berlawanan.

Mengganti transistor

Karena ULF (penguat frekuensi rendah) menjadi semakin populer, ada baiknya Anda mengetahui apa yang harus dilakukan jika perangkat tersebut gagal.

Jika transistor keluaran menjadi panas, maka kemungkinan besar rusak atau terbakar. Dalam situasi seperti ini, perlu:

Pastikan semua dioda dan transistor lain yang disertakan dalam amplifier masih utuh;
Saat perbaikan dilakukan, sangat disarankan untuk menghubungkan amplifier ke jaringan melalui bola lampu 40-100 V, ini akan membantu menjaga transistor yang tersisa tetap utuh dalam keadaan apa pun;
Pertama-tama, bagian basis emitor dan transistor dijembatani, kemudian diagnosis utama ULF dilakukan (setiap perubahan dan reaksi mudah dicatat menggunakan pancaran lampu);
Indikator utama dari kondisi pengoperasian dan pengaturan transistor yang memadai dapat dianggap sebagai data tegangan untuk bagian basis-emitor.
Identifikasi data tegangan antara rumahan dan bagian yang terpisah Diagram adalah tugas yang praktis tidak berguna; diagram tidak memberikan informasi apa pun tentang kemungkinan kerusakan.

Bahkan yang paling banyak versi yang disederhanakan pemeriksaan (sebelum dan sesudah mengganti transistor keluaran diproduksi) harus mencakup beberapa poin:

Berikan tegangan minimum ke basis dan emitor dari transistor keluaran sehingga arus diam terbentuk;
Periksa keefektifan tindakan Anda dengan suara atau menggunakan osiloskop (“langkah” dan distorsi sinyal pada daya minimum tidak boleh ada);
Dengan menggunakan osiloskop, identifikasi simetri pada batasan resistor pada daya maksimum penguat.
Pastikan “nilai” dan kekuatan sebenarnya dari amplifier cocok.
Sangat penting untuk memeriksa kondisi pengoperasian sirkuit pembatas arus, jika ada, pada tahap akhir. Di sini Anda tidak dapat melakukannya tanpa resistor beban yang dapat disesuaikan.

Mulai pertama setelahnya pekerjaan renovasi diproduksi:

Tidak disarankan untuk segera memasang transistor keluaran; pertama-tama, perangkat hanya digunakan dengan tahap awal (cascade), dan baru setelah itu menghubungkan tahap terakhir. Dalam situasi di mana secara teknis tidak mungkin untuk menyala tanpa transistor keluaran, resistor harus diganti dengan resistor dengan nilai nominal 5-10 ohm. Ini akan menghilangkan kemungkinan transistor terbakar.
Sebelum setiap amplifier dinyalakan kembali, kapasitor elektrolitik dari catu daya ULF harus dikosongkan.
Periksa data arus diam dalam kondisi suhu radiator rendah dan tinggi. Perbedaan rasionya tidak boleh lebih dari dua kali lipat. Jika tidak, Anda harus berurusan dengan penstabil termal ULF.