Circuit Unch sur 2 transistors de conductivité différente. Amplificateur à transistor : types, circuits, simples et complexes. Amplificateur que j'ai construit

L'amplificateur à transistor, malgré sa longue histoire, reste un sujet de recherche favori aussi bien des radioamateurs débutants que chevronnés. Et cela est compréhensible. C'est un composant indispensable des amplificateurs de basse fréquence (sonore) les plus populaires. Nous verrons comment sont construits des amplificateurs à transistors simples.

Réponse en fréquence de l'amplificateur

Dans n'importe quel téléviseur ou récepteur radio, dans chaque centre musical ou amplificateur de son, vous pouvez trouver des amplificateurs de son à transistors (basse fréquence - LF). La différence entre les amplificateurs audio à transistors et les autres types réside dans leurs caractéristiques de fréquence.

Un amplificateur audio à transistor a une réponse en fréquence uniforme dans la bande de fréquences de 15 Hz à 20 kHz. Cela signifie que l'amplificateur convertit (amplifie) tous les signaux d'entrée avec une fréquence comprise dans cette plage de manière à peu près égale. 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 quasiment plate de 15 Hz à 20 kHz. Cela signifie qu'un tel amplificateur doit être utilisé spécifiquement pour les signaux d'entrée dont les fréquences sont 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 sa qualité se dégradent rapidement.

Le type de réponse en fréquence de l'amplificateur est déterminé par les éléments radio électriques (ERE) de son circuit, et principalement par les transistors eux-mêmes. Un amplificateur audio à transistors est généralement assemblé à l'aide de transistors dits basse et moyenne fréquence avec une bande passante totale du signal d'entrée allant de dizaines et centaines de Hz à 30 kHz.

Classe de fonctionnement de l'amplificateur

Comme on le sait, en fonction du degré de continuité du flux de courant pendant sa période à travers un étage amplificateur à transistor (amplificateur), on distingue les classes suivantes de son fonctionnement : « A », « B », « AB », « C », "D".

En classe de fonctionnement, le courant « A » traverse la cascade pendant 100 % de la période du signal d'entrée. Le fonctionnement de la cascade dans cette classe est illustré par la figure suivante.

Dans la classe de fonctionnement de l'étage amplificateur « 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 pendant exactement 50 % de la période du signal d'entrée, comme illustré sur la figure.

Enfin, en fonctionnement d'étage de classe C, le courant le traverse pendant moins de 50 % de la période du signal d'entrée.

Amplificateur basse fréquence à transistors : distorsion dans les principales classes de fonctionnement

Dans la zone de travail, un amplificateur à transistor de classe « A » présente un faible niveau de distorsion non linéaire. Mais si le signal présente des surtensions pulsées, conduisant à une saturation des transistors, alors des harmoniques plus élevées (jusqu'au 11ème) apparaissent autour de chaque harmonique « standard » du signal de sortie. Cela provoque le phénomène de son dit transistor, ou métallique.

Si les amplificateurs de puissance basse fréquence utilisant des transistors ont une alimentation non stabilisée, leurs signaux de sortie sont modulés en amplitude à proximité de la fréquence du secteur. Cela conduit à un son dur à l’extrémité 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 asymétrique de classe A ne dépasse pas 20 % en raison du transistor constamment ouvert et du flux continu d'un composant à courant constant. Vous pouvez réaliser un amplificateur push-pull de classe A, le rendement augmentera légèrement, mais les demi-ondes du signal deviendront plus asymétriques. Le transfert d'une cascade de la classe de fonctionnement « A » à la classe de fonctionnement « AB » quadruple les distorsions non linéaires, bien que l'efficacité de son circuit augmente.

Dans les amplificateurs de classe « AB » et « B », la distorsion augmente à mesure que le niveau du signal diminue. On a involontairement envie d'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.

Niveaux de travail intermédiaires

La classe de travail "A" a une variante - la classe "A+". Dans ce cas, les transistors d'entrée basse tension d'un 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 classe « B » ou « AB ». L'efficacité de telles cascades est meilleure que dans la classe pure « A » et les distorsions non linéaires sont moindres (jusqu'à 0,003 %). Cependant, ils ont également un son « métallique » dû à la présence d’harmoniques supérieures dans le signal de sortie.

Dans les amplificateurs d'une autre classe - "AA", le degré de distorsion non linéaire est encore plus faible - environ 0,0005 %, mais des harmoniques plus élevées sont également présentes.

Retour à l'amplificateur à transistors de classe A ?

Aujourd'hui, de nombreux experts dans le domaine de la reproduction sonore de haute qualité préconisent un retour aux amplificateurs à tubes, car le niveau de distorsions non linéaires et d'harmoniques supérieures 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 adapté entre l'étage de sortie du tube haute impédance et les haut-parleurs audio basse impédance. Cependant, un simple amplificateur à transistor peut être réalisé avec une sortie de transformateur, comme cela sera montré ci-dessous.

Il existe également un point de vue selon lequel la qualité sonore ultime ne peut être fournie que par un amplificateur hybride tube-transistor, dont tous les étages sont asymétriques, non couverts et fonctionnant en classe « A ». Autrement dit, un tel répéteur de puissance est un amplificateur avec un seul transistor. Son circuit peut avoir un rendement maximum réalisable (en classe « A ») ne dépassant pas 50 %. Mais ni la puissance ni l'efficacité de l'amplificateur ne sont des indicateurs de la qualité de la reproduction sonore. Dans ce cas, la qualité et la linéarité des caractéristiques de tous les ERE du circuit acquièrent une importance particulière.

Étant donné que les circuits asymétriques gagnent cette perspective, nous examinerons ci-dessous leurs variations possibles.

Amplificateur asymétrique avec un transistor

Son circuit, constitué d'un émetteur commun et de connexions R-C pour les signaux d'entrée et de sortie pour un fonctionnement en classe « A », est illustré dans la figure ci-dessous.

Il montre le transistor Q1 de la structure n-p-n. Son collecteur est connecté à la borne positive +Vcc via la résistance de limitation de courant R3, et l'émetteur est connecté à -Vcc. Un amplificateur basé sur un transistor à structure PNP aura le même circuit, mais les broches d'alimentation changeront de place.

C1 est un condensateur de découplage au moyen duquel la source de signal d'entrée alternative est séparée de la source de tension continue Vcc. Dans ce cas, C1 n'empêche pas le passage du courant d'entrée alternatif à travers la jonction base-émetteur du transistor Q1. Les résistances R1 et R2, ainsi que la résistance de la jonction E - B, forment Vcc pour sélectionner le point de fonctionnement du transistor Q1 en mode statique. Une valeur typique pour ce circuit est R2 = 1 kOhm et la position du point de fonctionnement est Vcc/2. R3 est une résistance de charge du circuit collecteur et sert à créer un signal de sortie de tension alternative 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 aux bornes de la jonction « E - B » est prise égale à Vbe = 0,7 V. Cette valeur correspond au transistor dit au silicium. Si l'on envisageait un amplificateur à base de transistors au germanium, alors la chute de tension aux bornes de la jonction ouverte « E - B » serait égale à Vbe = 0,3 V.

Courant de l'émetteur approximativement égal au courant du collecteur

Ie = 9 V/1 kOhm = 9 mA ≈ Ic.

Courant de base Ib = Ic/h = 9 mA/150 = 60 µA.

Chute de tension aux bornes de la résistance R1

V(R1) = Vcc - Vb = Vcc - (Vbe + Ve) = 20 V - 9,7 V = 10,3 V,

R1 = V(R1)/Ib = 10,3 V/60 µA = 172 kOhm.

C2 est nécessaire pour créer un circuit permettant de faire passer la composante alternative du courant de l'émetteur (en fait le courant du collecteur). Si ce n'était pas le cas, la résistance R2 limiterait considérablement la composante variable, de sorte que l'amplificateur à transistor bipolaire en question aurait un faible gain de 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 survient lorsqu'une tension de polarisation est appliquée à la base. Cependant, un courant de fuite provenant du collecteur Icb0 traverse toujours la base (avec ou sans polarisation). Par conséquent, le courant réel du collecteur est égal à Ic = Ib h + Icb0 h, c'est-à-dire Le courant de fuite dans un circuit avec OE est amplifié 150 fois. Si nous envisageions un amplificateur basé sur des transistors au germanium, cette circonstance devrait alors être prise en compte dans les calculs. Le fait est qu’ils ont un Icb0 significatif de l’ordre de plusieurs µA. Pour le silicium, elle est inférieure de trois ordres de grandeur (environ plusieurs nA), elle est donc généralement négligée dans les calculs.

Amplificateur asymétrique avec transistor MOS

Comme tout amplificateur basé sur des transistors à effet de champ, le circuit considéré a son analogue parmi les amplificateurs. Considérons donc un analogue du circuit précédent avec un émetteur commun. Il est constitué d'une source commune et de 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, à travers lequel la source de signal d'entrée alternative est séparée de la source de tension continue Vdd. Comme vous le savez, tout amplificateur basé sur des 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 la résistance R1, qui a généralement une résistance élevée (de 100 kOhm à 1 Mohm) afin de ne pas shunter le signal d'entrée. Il n'y a pratiquement aucun courant traversant R1, donc le potentiel de grille en l'absence de signal d'entrée est égal au potentiel de masse. Le potentiel de la source est supérieur au potentiel de la terre en raison de la chute de tension aux bornes de la résistance R2. Ainsi, le potentiel de grille est inférieur au potentiel de source, nécessaire au fonctionnement normal de Q1. Le condensateur C2 et la résistance R3 ont le même objectif que dans le circuit précédent. Puisqu'il s'agit d'un circuit source commune, les signaux d'entrée et de sortie sont déphasés de 180°.

Amplificateur avec sortie transformateur

Le troisième amplificateur à transistor simple à un étage, illustré dans la figure ci-dessous, est également réalisé selon un circuit à émetteur commun pour un fonctionnement en classe "A", mais il est connecté à un haut-parleur basse impédance via un transformateur adapté.

L'enroulement primaire du transformateur T1 charge le circuit collecteur du transistor Q1 et développe le signal de sortie. T1 transmet le signal de sortie au haut-parleur et fait correspondre l'impédance de sortie du transistor à la faible impédance (de l'ordre de quelques ohms) du haut-parleur.

Le diviseur de tension de l'alimentation du collecteur Vcc, monté sur les résistances R1 et R3, assure la sélection du 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

Un amplificateur LF push-pull doté de deux transistors divise la fréquence d'entrée en deux demi-ondes antiphase, chacune étant amplifiée par son propre étage à transistor. Après avoir effectué une telle amplification, les demi-ondes sont combinées en un signal harmonique complet, qui est transmis au système de haut-parleurs. Une telle transformation du signal basse fréquence (séparation et refusion) provoque naturellement une distorsion irréversible de celui-ci, en raison de la différence de fréquence et de propriétés dynamiques des deux transistors du circuit. Ces distorsions réduisent la qualité sonore 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 continu d'amplitude accrue circule en permanence dans leurs bras. Cela entraîne une asymétrie des demi-ondes du signal, une distorsion de phase et finalement une 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.

Un circuit push-pull d'un amplificateur de puissance utilisant des transistors est représenté sur la figure.

Il s'agit d'un amplificateur destiné à fonctionner en classe « A », mais la classe « AB » et même « B » peuvent être utilisées.

Amplificateur de puissance à transistors sans transformateur

Les transformateurs, malgré les succès de leur miniaturisation, restent les appareils électroniques les plus encombrants, les plus lourds et les plus chers. Par conséquent, un moyen a été trouvé pour éliminer le transformateur du circuit push-pull en le réalisant sur deux puissants transistors complémentaires de types différents (n-p-n et p-n-p). La plupart des amplificateurs de puissance modernes utilisent exactement 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 avec un collecteur commun (émetteur suiveur). Par conséquent, le circuit transfère la tension d’entrée vers la sortie sans amplification. S'il n'y a pas de signal d'entrée, alors les deux transistors sont à la limite de l'état passant, mais en même temps ils sont bloqués.

Lorsqu'un signal harmonique est appliqué à l'entrée, sa demi-onde positive ouvre TR1, mais met complètement le transistor pnp TR2 en mode coupure. Ainsi, seule la demi-onde positive du courant amplifié traverse la charge. La demi-onde négative du signal d'entrée ouvre uniquement TR2 et ferme TR1, de sorte que la demi-onde négative du courant amplifié soit fournie à la charge. En conséquence, un signal sinusoïdal amplifié à pleine puissance (en raison de l’amplification du courant) est libéré au niveau de la charge.

Amplificateur à transistor unique

Pour comprendre ce qui précède, assemblons de nos propres mains un amplificateur simple utilisant des transistors et découvrons comment il fonctionne.

En tant que charge pour un transistor T de faible puissance de type BC107, nous allumerons un casque avec une résistance de 2-3 kOhm, appliquerons une tension de polarisation à la base à partir d'une résistance haute résistance R* de 1 MOhm et connecterons un condensateur électrolytique de découplage C d'une capacité de 10 μF à 100 μF dans le circuit de base T. Alimenter le circuit Nous utiliserons 4,5 V/0,3 A de la batterie.

Si la résistance R* n'est pas connectée, alors il n'y a ni courant de base Ib ni courant de collecteur Ic. Si une résistance est connectée, la tension à la base monte jusqu'à 0,7 V et un courant Ib = 4 μA la traverse. Le gain en courant du transistor est de 250, ce qui donne Ic = 250Ib = 1 mA.

Après avoir assemblé de nos propres mains un simple amplificateur à transistor, nous pouvons maintenant le tester. Connectez les écouteurs et placez votre doigt sur le point 1 du schéma. Vous entendrez un bruit. Votre corps perçoit le rayonnement de l'alimentation électrique à une fréquence de 50 Hz. Le bruit que vous entendez dans vos écouteurs est ce rayonnement, uniquement amplifié par un 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 de base est maintenant égale à la somme de la tension de décalage continue (environ 0,7 V) provenant de la résistance R* et de la tension alternative des doigts. En conséquence, le courant du collecteur reçoit une composante alternative d'une fréquence de 50 Hz. Ce courant alternatif est utilisé pour déplacer la membrane du haut-parleur d'avant en arrière à la même fréquence, ce qui signifie que nous pourrons entendre une tonalité de 50 Hz à la sortie.

L'écoute d'un niveau de bruit de 50 Hz n'est pas très intéressante, vous pouvez donc connecter des sources de signaux basse fréquence (lecteur CD ou microphone) aux points 1 et 2 et entendre de la parole ou de la musique amplifiée.

Après avoir maîtrisé les bases de l'électronique, le radioamateur débutant est prêt à souder ses premières conceptions électroniques. Les amplificateurs de puissance audio sont généralement les conceptions les plus reproductibles. Il existe de nombreux schémas, chacun avec ses propres paramètres et conception. Cet article abordera plusieurs circuits amplificateurs simples et entièrement fonctionnels qui peuvent être répétés avec succès par n'importe quel radioamateur. L'article n'utilise pas de termes et de calculs complexes ; tout est simplifié autant que possible afin qu'aucune question supplémentaire ne se pose.

Commençons par un circuit plus puissant.
Ainsi, le premier circuit est réalisé sur le célèbre microcircuit TDA2003. Il s'agit d'un amplificateur mono avec une puissance de sortie allant jusqu'à 7 watts sous une charge de 4 ohms. Je tiens à dire que le circuit standard pour connecter ce microcircuit contient un petit nombre de composants, mais il y a quelques années, j'ai proposé un circuit différent sur ce microcircuit. Dans ce circuit, le nombre de composants est réduit au minimum, mais l'amplificateur n'a pas perdu ses paramètres sonores. Après avoir développé ce circuit, j'ai commencé à fabriquer tous mes amplificateurs pour enceintes basse consommation en utilisant ce circuit.

Le circuit de l'amplificateur présenté possède une large gamme de fréquences reproductibles, une plage de tension d'alimentation de 4,5 à 18 volts (typiquement 12-14 volts). Le microcircuit est installé sur un petit dissipateur thermique, puisque la puissance maximale atteint 10 watts.

Le microcircuit est capable de fonctionner sous une charge de 2 ohms, ce qui signifie que 2 têtes avec une résistance de 4 ohms peuvent être connectées à la sortie de l'amplificateur.
Le condensateur d'entrée peut être remplacé par n'importe quel autre, d'une capacité de 0,01 à 4,7 μF (de préférence de 0,1 à 0,47 μF), vous pouvez utiliser aussi bien des condensateurs à film que des condensateurs en céramique. Il est déconseillé de remplacer tous les autres composants.

Contrôle du volume de 10 à 47 kOhm.
La puissance de sortie du microcircuit lui permet d'être utilisé dans des haut-parleurs de faible puissance pour PC. Il est très pratique d'utiliser la puce pour des haut-parleurs autonomes pour un téléphone portable, etc.
L'amplificateur fonctionne immédiatement après la mise sous tension et ne nécessite aucun réglage supplémentaire. Il est recommandé de connecter en plus l'alimentation moins au dissipateur thermique. Il est conseillé d'utiliser tous les condensateurs électrolytiques à 25 Volts.

Le deuxième circuit est assemblé à l'aide de transistors de faible puissance et convient mieux comme amplificateur de casque.

C'est probablement le circuit de la plus haute qualité en son genre, le son est clair, vous pouvez ressentir tout le spectre des fréquences. Avec de bons écouteurs, vous aurez l’impression de disposer d’un caisson de basses à part entière.

L'amplificateur est assemblé avec seulement 3 transistors à conduction inverse ; comme option la moins chère, des transistors de la série KT315 ont été utilisés, mais leur choix est assez large.

L'amplificateur peut fonctionner avec une charge à faible impédance, jusqu'à 4 ohms, ce qui permet d'utiliser le circuit pour amplifier le signal d'un lecteur, d'une radio, etc. Une batterie Krona de 9 volts est utilisée comme source d'alimentation.
L'étage final utilise également des transistors KT315. Pour augmenter la puissance de sortie, vous pouvez utiliser des transistors KT815, mais vous devrez alors augmenter la tension d'alimentation à 12 volts. Dans ce cas, la puissance de l'amplificateur atteindra jusqu'à 1 Watt. Le condensateur de sortie peut avoir une capacité de 220 à 2 200 µF.
Les transistors de ce circuit ne chauffent pas, aucun refroidissement n'est donc nécessaire. Si vous utilisez des transistors de sortie plus gros, vous aurez peut-être besoin de petits dissipateurs thermiques pour chaque transistor.

Et enfin – le troisième schéma. Une version tout aussi simple mais éprouvée de la structure de l'amplificateur est présentée. L'amplificateur est capable de fonctionner à partir d'une tension réduite jusqu'à 5 volts, auquel cas la puissance de sortie PA ne dépassera pas 0,5 W et la puissance maximale avec une alimentation de 12 volts atteint jusqu'à 2 watts.

L'étage de sortie de l'amplificateur est construit sur une paire complémentaire domestique. L'amplificateur est régulé en sélectionnant la résistance R2. Pour ce faire, il est conseillé d'utiliser un trimmer de 1 kOhm. Faites tourner lentement le régulateur jusqu'à ce que le courant de repos de l'étage de sortie soit de 2 à 5 mA.

L'amplificateur n'a pas une sensibilité d'entrée élevée, il est donc conseillé d'utiliser un préamplificateur avant l'entrée.

La diode joue un rôle important dans le circuit ; elle sert ici à stabiliser le mode de l'étage de sortie.
Les transistors de l'étage de sortie peuvent être remplacés par n'importe quelle paire complémentaire de paramètres correspondants, par exemple KT816/817. L'amplificateur peut alimenter des haut-parleurs autonomes de faible puissance avec une résistance de charge de 6 à 8 ohms.

Liste des radioéléments

Un amplificateur basse fréquence (LF) fait partie intégrante de la plupart des appareils radio tels qu'un téléviseur, un lecteur, une radio et divers appareils électroménagers. Considérons deux circuits simples à deux étages ULF activé.

La première version d'ULF sur transistors

Dans la première version, l'amplificateur est construit sur des transistors en silicium n-p-n. Le signal d'entrée passe par la résistance variable R1, qui à son tour est une résistance de charge pour le circuit source du signal. connecté au circuit collecteur du transistor VT2 de l'amplificateur.

La mise en place de l'amplificateur de la première option revient à sélectionner les résistances R2 et R4. La valeur de la résistance doit être sélectionnée de telle sorte que le milliampèremètre connecté au circuit collecteur de chaque transistor indique un courant compris entre 0,5 et 0,8 mA. Selon le deuxième schéma, il est également nécessaire de régler le courant du collecteur du deuxième transistor en sélectionnant la résistance de la résistance R3.

Dans la première option, il est possible d'utiliser des transistors de la marque KT312, ou leurs analogues étrangers, cependant, il faudra régler la polarisation de tension correcte des transistors en sélectionnant les résistances R2, R4. Dans la deuxième option, il est possible d'utiliser des transistors au silicium des marques KT209, KT361 ou des analogues étrangers. Dans ce cas, vous pouvez régler les modes de fonctionnement des transistors en modifiant la résistance R3.

Au lieu d'écouteurs, il est possible de connecter un haut-parleur haute impédance au circuit collecteur du transistor VT2 (les deux amplificateurs). Si vous avez besoin d'une amplification sonore plus puissante, vous pouvez assembler un amplificateur offrant une amplification allant jusqu'à 15 W.

Un simple amplificateur à transistor peut être un bon outil pour étudier les propriétés des appareils. Les circuits et les conceptions sont assez simples ; vous pouvez fabriquer l'appareil vous-même et vérifier son fonctionnement, mesurer tous les paramètres. Grâce au moderne transistors à effet de champ Vous pouvez littéralement fabriquer un amplificateur de microphone miniature à partir de seulement trois éléments. Et connectez-le à un ordinateur personnel pour améliorer les paramètres d'enregistrement sonore. Et les interlocuteurs lors des conversations entendront votre discours bien mieux et plus clairement.

Caractéristiques de fréquence

Les amplificateurs de basse fréquence (audio) se trouvent dans presque tous les appareils électroménagers : systèmes stéréo, téléviseurs, radios, magnétophones et même ordinateurs personnels. Mais il existe également des amplificateurs RF à base de transistors, de lampes et de microcircuits. La différence entre eux est que l'ULF vous permet d'amplifier le signal uniquement à la fréquence audio perçue par l'oreille humaine. Amplificateurs de son les transistors vous permettent de reproduire des signaux avec des fréquences comprises entre 20 Hz et 20 000 Hz.

Par conséquent, même l’appareil le plus simple peut amplifier le signal dans cette plage. Et cela de la manière la plus uniforme possible. Le gain dépend directement de la fréquence du signal d'entrée. Le graphique de ces quantités est presque une ligne droite. Si un signal avec une fréquence en dehors de la plage est appliqué à l'entrée de l'amplificateur, la qualité de fonctionnement et l'efficacité de l'appareil diminueront rapidement. Les cascades ULF sont généralement assemblées à l'aide de transistors fonctionnant dans les plages de fréquences basses et moyennes.

Classes de fonctionnement des amplificateurs audio

Tous les appareils amplificateurs sont divisés en plusieurs classes, en fonction du degré de courant traversant la cascade pendant la période de fonctionnement :

1. Classe « A » - le courant circule sans arrêt pendant toute la durée de fonctionnement de l'étage amplificateur.
2. Dans la classe ouvrière « B », le courant circule pendant une demi-période.
3. La classe « AB » indique que le courant traverse l'étage amplificateur pendant une durée égale à 50-100 % de la période.
4. En mode « C », le courant électrique circule pendant moins de la moitié du temps de fonctionnement.
5. Le mode ULF «D» a été utilisé assez récemment dans la pratique des radioamateurs - un peu plus de 50 ans. Dans la plupart des cas, ces dispositifs sont réalisés sur la base d'éléments numériques et ont un rendement très élevé - supérieur à 90 %.

La présence de distorsion dans diverses classes d'amplificateurs basse fréquence

La zone de travail d'un amplificateur à transistor de classe « A » est caractérisée par des distorsions non linéaires assez faibles. Si le signal entrant émet des impulsions de tension plus élevées, les transistors deviennent saturés. Dans le signal de sortie, les plus hautes commencent à apparaître près de chaque harmonique (jusqu'à 10 ou 11). De ce fait, un son métallique apparaît, caractéristique uniquement des amplificateurs à transistors.

Si l'alimentation est instable, le signal de sortie sera modélisé en amplitude proche de la fréquence du secteur. Le son deviendra plus dur sur le côté gauche de la réponse en fréquence. Mais plus la stabilisation de l'alimentation de l'amplificateur est bonne, plus la conception de l'ensemble de l'appareil devient complexe. Les ULF fonctionnant en classe « A » ont un rendement relativement faible - inférieur à 20 %. La raison en est que le transistor est constamment ouvert et que le courant le traverse constamment.

Pour augmenter (quoique légèrement) l'efficacité, vous pouvez utiliser des circuits push-pull. Un inconvénient est que les alternances du signal de sortie deviennent asymétriques. Si vous passez de la classe « A » à « AB », les distorsions non linéaires augmenteront de 3 à 4 fois. Mais l'efficacité de l'ensemble du circuit de l'appareil augmentera encore. Les classes ULF « AB » et « B » caractérisent l'augmentation de la distorsion à mesure que le niveau du signal à l'entrée diminue. Mais même si vous augmentez le volume, cela ne contribuera pas à éliminer complètement les défauts.

Travailler en classes intermédiaires

Chaque classe a plusieurs variétés. Par exemple, il existe une classe d'amplificateurs « A+ ». Dans celui-ci, les transistors d'entrée (basse tension) fonctionnent en mode « A ». Mais ceux à haute tension installés dans les étages de sortie fonctionnent soit en « B » soit en « AB ». De tels amplificateurs sont beaucoup plus économiques que ceux fonctionnant en classe « A ». Il existe un nombre sensiblement inférieur de distorsions non linéaires - pas plus de 0,003 %. Vous pouvez obtenir de meilleurs résultats en utilisant transistors bipolaires. Le principe de fonctionnement des amplificateurs basés sur ces éléments sera discuté ci-dessous.

Mais il y a toujours un grand nombre d’harmoniques supérieures dans le signal de sortie, ce qui rend le son typiquement métallique. Il existe également des circuits amplificateurs fonctionnant en classe « AA ». En eux, les distorsions non linéaires sont encore moindres - jusqu'à 0,0005 %. Mais le principal inconvénient des amplificateurs à transistors existe toujours : le son métallique caractéristique.

Modèles « alternatifs »

Cela ne veut pas dire qu'ils sont alternatifs, mais certains spécialistes impliqués dans la conception et l'assemblage d'amplificateurs pour une reproduction sonore de haute qualité préfèrent de plus en plus les conceptions à tubes. Les amplificateurs à tubes présentent les avantages suivants :

1. Très faible niveau de distorsion non linéaire dans le signal de sortie.
2. Il y a moins d’harmoniques supérieures que dans les conceptions à transistors.

Mais il existe un énorme inconvénient qui l'emporte sur tous les avantages : vous devez absolument installer un dispositif de coordination. Le fait est que l'étage à tube a une résistance très élevée - plusieurs milliers d'Ohms. Mais la résistance de l'enroulement du haut-parleur est de 8 ou 4 Ohms. Pour les coordonner, vous devez installer un transformateur.

Bien sûr, ce n'est pas un très gros inconvénient - il existe également des dispositifs à transistors qui utilisent des transformateurs pour faire correspondre l'étage de sortie et le système de haut-parleurs. Certains experts affirment que le circuit le plus efficace est un circuit hybride, qui utilise des amplificateurs asymétriques qui ne sont pas affectés par la rétroaction négative. De plus, toutes ces cascades fonctionnent en mode ULF classe « A ». En d’autres termes, un amplificateur de puissance sur un transistor est utilisé comme répéteur.

De plus, l'efficacité de ces appareils est assez élevée - environ 50 %. Mais vous ne devez pas vous concentrer uniquement sur les indicateurs d'efficacité et de puissance - ils n'indiquent pas la haute qualité de la reproduction sonore par l'amplificateur. La linéarité des caractéristiques et leur qualité sont bien plus importantes. Par conséquent, vous devez prêter attention principalement à eux et non au pouvoir.

Circuit ULF asymétrique sur un transistor

L'amplificateur le plus simple, construit selon un circuit émetteur commun, fonctionne en classe « A ». Le circuit utilise un élément semi-conducteur avec une structure n-p-n. Une résistance R3 est installée dans le circuit collecteur, limitant la circulation du courant. Le circuit collecteur est connecté au fil d'alimentation positif et le circuit émetteur est connecté au fil négatif. Si vous utilisez des transistors semi-conducteurs avec une structure p-n-p, le circuit sera exactement le même, il vous suffit de changer la polarité.

A l'aide d'un condensateur de découplage C1, il est possible de séparer le signal d'entrée alternatif de la source DC. Dans ce cas, le condensateur ne constitue pas un obstacle à la circulation du courant alternatif le long du trajet base-émetteur. La résistance interne de la jonction émetteur-base ainsi que les résistances R1 et R2 représentent le diviseur de tension d'alimentation le plus simple. En règle générale, la résistance R2 a une résistance de 1 à 1,5 kOhm - les valeurs les plus typiques pour de tels circuits. Dans ce cas, la tension d'alimentation est divisée exactement par deux. Et si vous alimentez le circuit avec une tension de 20 Volts, vous constaterez que la valeur du gain de courant h21 sera de 150. Il est à noter que les amplificateurs HF sur transistors sont réalisés selon des circuits similaires, seulement ils fonctionnent un un peu différemment.

Dans ce cas, la tension de l'émetteur est de 9 V et la chute dans la section « E-B » du circuit est de 0,7 V (ce qui est typique des transistors sur cristaux de silicium). Si l'on considère un amplificateur basé sur des transistors au germanium, alors dans ce cas la chute de tension dans la section « E-B » sera égale à 0,3 V. Le courant dans le circuit collecteur sera égal à celui circulant dans l'émetteur. Vous pouvez le calculer en divisant la tension de l'émetteur par la résistance R2 - 9V/1 kOhm = 9 mA. Pour calculer la valeur du courant de base, il faut diviser 9 mA par le gain h21 - 9 mA/150 = 60 μA. Les conceptions ULF utilisent généralement des transistors bipolaires. Son principe de fonctionnement est différent de celui du terrain.

Sur la résistance R1, vous pouvez maintenant calculer la valeur de chute - c'est la différence entre les tensions de base et d'alimentation. Dans ce cas, la tension de base peut être trouvée à l'aide de la formule - la somme des caractéristiques de l'émetteur et de la transition « E-B ». Lorsqu'il est alimenté par une source de 20 volts : 20 - 9,7 = 10,3. À partir de là, vous pouvez calculer la valeur de résistance R1 = 10,3 V/60 μA = 172 kOhm. Le circuit contient la capacité C2, qui est nécessaire pour réaliser un circuit à travers lequel peut passer la composante alternative du courant de l'émetteur.

Si vous n'installez pas le condensateur C2, la composante variable sera très limitée. De ce fait, un tel amplificateur audio à transistor aura un gain de courant h21 très faible. Il faut faire attention au fait que dans les calculs ci-dessus, les courants de base et de collecteur ont été supposés égaux. De plus, le courant de base a été considéré comme étant celui qui entre dans le circuit depuis l’émetteur. Cela se produit uniquement si une tension de polarisation est appliquée à la sortie de base du transistor.

Mais il faut garder à l'esprit que le courant de fuite du collecteur circule absolument toujours à travers le circuit de base, quelle que soit la présence de polarisation. Dans les circuits émetteurs courants, le courant de fuite est amplifié au moins 150 fois. Mais généralement, cette valeur n'est prise en compte que lors du calcul des amplificateurs à base de transistors au germanium. Dans le cas de l'utilisation du silicium, dans laquelle le courant du circuit « K-B » est très faible, cette valeur est tout simplement négligée.

Amplificateurs basés sur des transistors MOS

L'amplificateur à transistor à effet de champ illustré dans le schéma présente de nombreux analogues. Y compris l'utilisation transistors bipolaires. On peut donc considérer, comme exemple similaire, la conception d'un amplificateur audio assemblé selon un circuit avec un émetteur commun. La photo montre un circuit réalisé selon un circuit source commun. Les connexions R-C sont assemblées sur les circuits d'entrée et de sortie afin que l'appareil fonctionne en mode amplificateur de classe « A ».

Le courant alternatif provenant de la source de signal est séparé de la tension d'alimentation continue par le condensateur C1. L'amplificateur à transistor à effet de champ doit nécessairement avoir un potentiel de grille qui sera inférieur à la même caractéristique de source. Dans le schéma présenté, la grille est connectée au fil commun via la résistance R1. Sa résistance est très élevée - des résistances de 100 à 1 000 kOhm sont généralement utilisées dans les conceptions. Une résistance aussi grande est choisie de manière à ce que le signal d'entrée ne soit pas shunté.

Cette résistance ne laisse quasiment pas passer le courant électrique, de sorte que le potentiel de grille (en l'absence de signal à l'entrée) est le même que celui de la masse. A la source, le potentiel s'avère supérieur à celui de la terre, uniquement en raison de la chute de tension aux bornes de la résistance R2. Il en ressort clairement que la grille a un potentiel inférieur à celui de la source. Et c'est exactement ce qui est nécessaire au fonctionnement normal du transistor. Il faut faire attention au fait que C2 et R3 dans ce circuit amplificateur ont le même objectif que dans la conception discutée ci-dessus. Et le signal d'entrée est décalé de 180 degrés par rapport au signal de sortie.

ULF avec transformateur en sortie

Vous pouvez fabriquer un tel amplificateur de vos propres mains pour un usage domestique. Elle est réalisée selon le schéma qui fonctionne en classe « A ». La conception est la même que celle évoquée ci-dessus - avec un émetteur commun. Une fonctionnalité est que vous devez utiliser un transformateur pour la correspondance. C'est un inconvénient d'un tel amplificateur audio à transistors.

Le circuit collecteur du transistor est chargé par l'enroulement primaire, qui développe un signal de sortie transmis via le secondaire aux haut-parleurs. Un diviseur de tension est monté sur les résistances R1 et R3, ce qui permet de sélectionner le point de fonctionnement du transistor. Ce circuit fournit une tension de polarisation à la base. Tous les autres composants ont le même objectif que les circuits évoqués ci-dessus.

Amplificateur audio push-pull

On ne peut pas dire qu'il s'agisse d'un simple amplificateur à transistor, car son fonctionnement est un peu plus compliqué que ceux évoqués précédemment. Dans les ULF push-pull, le signal d'entrée est divisé en deux demi-ondes, de phase différente. Et chacune de ces alternances est amplifiée par sa propre cascade, réalisée sur un transistor. Une fois chaque demi-onde amplifiée, les deux signaux sont connectés et envoyés aux haut-parleurs. De telles transformations complexes peuvent provoquer une distorsion du signal, car les propriétés dynamiques et fréquentielles de deux transistors, même du même type, seront différentes.

En conséquence, la qualité sonore à la sortie de l’amplificateur est considérablement réduite. Lorsqu'un amplificateur push-pull fonctionne en classe « A », il n'est pas possible de reproduire un signal complexe avec une haute qualité. La raison en est que l'augmentation du courant circule constamment à travers les épaulements de l'amplificateur, que les demi-ondes sont asymétriques et que des distorsions de phase se produisent. Le son devient moins intelligible et lorsqu'il est chauffé, la distorsion du signal augmente encore plus, notamment aux basses et ultra-basses fréquences.

ULF sans transformateur

Un amplificateur de basse à transistor réalisé à l'aide d'un transformateur, malgré le fait que sa conception puisse avoir de petites dimensions, est encore imparfait. Les transformateurs sont encore lourds et encombrants, il vaut donc mieux s'en débarrasser. Un circuit réalisé sur des éléments semi-conducteurs complémentaires avec différents types de conductivité s'avère bien plus efficace. La plupart des ULF modernes sont fabriqués exactement selon de tels schémas et fonctionnent en classe « B ».

Les deux transistors puissants utilisés dans la conception fonctionnent selon un circuit émetteur-suiveur (collecteur commun). Dans ce cas, la tension d'entrée est transmise à la sortie sans perte ni gain. S'il n'y a pas de signal à l'entrée, alors les transistors sont sur le point de s'allumer, mais sont toujours bloqués. Lorsqu'un signal harmonique est appliqué à l'entrée, le premier transistor s'ouvre avec une alternance positive et le second est à ce moment en mode coupure.

Par conséquent, seules les alternances positives peuvent traverser la charge. Mais les négatifs ouvrent le deuxième transistor et désactivent complètement le premier. Dans ce cas, seules des alternances négatives apparaissent dans la charge. De ce fait, le signal amplifié en puissance apparaît à la sortie de l'appareil. Un tel circuit amplificateur utilisant des transistors est assez efficace et peut fournir un fonctionnement stable et une reproduction sonore de haute qualité.

Circuit ULF sur un transistor

Après avoir étudié toutes les fonctionnalités décrites ci-dessus, vous pouvez assembler l'amplificateur de vos propres mains à l'aide d'une simple base d'éléments. Le transistor peut être utilisé par le KT315 national ou l'un de ses analogues étrangers - par exemple BC107. En tant que charge, vous devez utiliser des écouteurs avec une résistance de 2 000 à 3 000 Ohms. Une tension de polarisation doit être appliquée à la base du transistor via une résistance de 1 MΩ et un condensateur de découplage de 10 μF. Le circuit peut être alimenté à partir d'une source avec une tension de 4,5 à 9 volts, un courant de 0,3 à 0,5 A.

Si la résistance R1 n'est pas connectée, il n'y aura pas de courant dans la base et le collecteur. Mais une fois connectée, la tension atteint un niveau de 0,7 V et laisse passer un courant d'environ 4 μA. Dans ce cas, le gain de courant sera d'environ 250. À partir de là, vous pouvez effectuer un simple calcul de l'amplificateur à l'aide de transistors et connaître le courant du collecteur - il s'avère être égal à 1 mA. Après avoir assemblé ce circuit amplificateur à transistor, vous pouvez le tester. Connectez une charge à la sortie - casque.

Touchez l'entrée de l'amplificateur avec votre doigt - un bruit caractéristique devrait apparaître. Si ce n'est pas le cas, il est fort probable que la structure ait été mal assemblée. Vérifiez à nouveau toutes les connexions et les évaluations des éléments. Pour rendre la démonstration plus claire, connectez une source sonore à l'entrée ULF - la sortie du lecteur ou du téléphone. Écoutez de la musique et évaluez la qualité du son.