آمپلی فایر با ترانزیستور (آموزش تقویت کننده های ترانزیستوری)

تقویت کننده مداری است که سیگنال الکترونیکی را در ورودی خود گرفته و نسخه بزرگتری را در خروجی تولید می کند. تقویت کننده به طور کلی از نوع ولتاژ است اما همچنین می تواند ازنوع جریان، صوتی یا توان باشد. در این مقاله به بررسی رایج ترین و مفیدترین تقویت کننده های ولتاژ خواهیم پرداخت. این ها معمولاً به عنوان تقویت کننده های صوتی (AF) یا تقویت کننده های رادیویی (RF) طبقه بندی می شوند. دامنه فرکانس ها آن ها را تعریف می کند و این به نوبه خود نوع اجزای مورد استفاده را تعیین می کند.

تقویت کننده های صوتی تقویت کننده هایی هستند که بین 10 هرتز تا 30 کیلو هرتز کار می کنند. تقویت کننده های رادیویی تا چندین گیگاهرتز کار می کنند.

برای پروژه نمونه، از یک تقویت کننده صوتی در محدوده 0-20 کیلوهرتز، با تأکید بر نویز کم و اعوجاج کم استفاده خواهیم کرد. ما همچنین از یک تقویت کننده رادیویی، معمولاً از 500 کیلوهرتز تا ده گیگاهرتز، با یک منطقه خاکستری در این بین برای فرا صوتی و فیلم استفاده خواهیم کرد، که می تواند از هر دو روش استفاده کند. تقویت کننده های سیگنال رادیویی یا RF نوعی تقویت کننده کاملاً متفاوت هستند و در مقاله جداگانه ای به آن ها پرداخته خواهد شد.

بهره Gain

بهره به میزان تقویت و نسبت بین سیگنال های خروجی و ورودی اشاره دارد. بهره ولتاژ معمولاً به تقویت کننده های سیگنال کوچک (به عنوان مثال، op-amp) اشاره دارد. بهره توان برای تقویت کننده های توان (به عنوان مثال، تقویت کننده های Hi-Fi یا تقویت کننده های فرستنده) استفاده می شود. ما میتوانیم به بهره به عنوان “بار” یا “X”، یعنی 10X اشاره کنیم، به این معنی که ولتاژ در خروجی ده برابر بزرگتر از ولتاژ ورودی است. لازم به ذکر است که آن ها ممکن است مقاومت های مختلفی داشته باشند که بر توان مفید موجود می تواند تأثیر بگذارند. بهره نیز اغلب در دسی بل (dB) مشخص می شود.

و بهره توان نیز به این صورت است:

این به این معنی است که بهره ولتاژ 10 برابر، 20log10 یا 20dB است و بهره ولتاژ 100x برابر 40dB است.

اما چرا این کار را انجام می دهید؟ ممکن است بهره های متفاوتی در یک سیستم با چندین طبقه و حتی در سیستم های RF وجود داشته باشد. از این رو، شما فقط آن ها را جمع می کنید تا بهره کل سیستم را بدست آورید.

در تقویت کننده توان، بهره اهمیت بیشتری پیدا می کند. فرض کنید یک تقویت کننده با مقاومت ورودی 50kΩ و مقاومت خروجی 8Ω دارید و ولتاژ ورودی و خروجی را 10 ولت اندازه گیری کرده اید. ممکن است فکر کنید که این بهره 1 است. توان در ورودی برابر V^2 / R = 10^2 / 50k = 2mW است و توان در خروجی 12.5W است. بهره توان به این صورت بدست می آید:

10log (12.5 / 2 * 10-3) = 38dB

در حالی که بهره ولتاژ 0dB است.

تقویت کننده امیتر مشترک با میکروفون الکتریکی

طراحی تقویت کننده ترانزیستوری چندان سخت نیست. فقط برخی از فرضیات مورد نیاز شما و برخی داده ها در مورد ترانزیستور مورد استفاده شما وجود دارد. انتخاب ترانزیستور به دامنه فرکانس و سطح توان بستگی دارد. در اینجا، ما یک تقویت کننده AF سیگنال کوچک می سازیم و می توانیم از انواع ترانزیستور استفاده کنیم. از BC337 معروف استفاده می کنیم.

نحوه عملکرد مدار

طراحی ما با نگاهی به داخل خود ترانزیستور شروع می شود.

در امیتر، یک مقاومت Re ‘مخفی’ وجود دارد. نمی توانید آن را با یک مولتی متر اندازه گیری کنید، اما آنجاست. Re یک مقدار وابسته به جریان کلتور (Ic) دارد به طوری که Re = 25 / Ic،  که Ic بر حسب mA است.

بنابراین اگر Ic=10mA باشد، Re = 2.5Ω بدست می آید. نکته مهم دیگری که باید بدانید این است که بهره جریان ترانزیستور می تواند به صورت Ic / Ib تقریب زده شود و hfe نامیده می شود. معمولاً،  50 تا 1000 برای ترانزیستور های کوچک بدست می آید. انتخاب ترانزیستور در این طرح مسئله ای نیست. تقریباً هر نوع سیگنال کوچکی از نوع NPN خوب خواهد بود.

هر ترانزیستور برای کار باید بایاس شود. این به این معنی است که ولتاژ بیس 0.6 ولت بالاتر از امیتر بوده یا بایاس مستقیم است. علاوه بر این، ما همچنین باید در مورد سیگنال و امپدانس ورودی فکر کنیم. هر ولتاژی که روی ورودی تنظیم می کنیم روی ولتاژ خروجی تأثیر می گذارد. ولتاژ در خروجی یک آفست DC است و ما می خواهیم این کار را به نفع خود انجام دهیم. انتخاب مقاومت در کلکتور و جریان عبوری از آن بر این امر حاکم خواهد بود.

اولین فرض این است که این مدار چه چیزی را هدایت می کند و مقدار مقاومت خروجی باید چقدر باشد. مقاومت خروجی باید حداقل 2x (2 برابر) تا 5x (5 برابر) کمتر از مرحله بعد باشد. بنابراین فرض کنید مقاومت ورودی مرحله بعدی 47k باشد و مقاومت خروجی ما 10k باشد. ما این کار را به سادگی و با ایجاد R1=10k انجام می دهیم.

فرض بعدی این است که ما نمی خواهیم یک خروجی نامطلوب داشته باشیم که یکی از نیم سیکل ها شکل درستی نداشته باشد. ما می خواهیم ولتاژ کلکتور Q1 را برای نصف مسیر تنظیم کنیم. بنابراین اگر R1=10k باشد و ولتاژ روی آن 12/2 باشد، یعنی 6V ، جریان از طریق R1 برابر V / R = 6/10000 = 0.6mA است. این جریان کلکتور ما است و اکنون می توانیم مقاومت در پایه امیتر re = 25 / Ic = 42Ω را بدست آوریم. بعداً از این استفاده خواهیم کرد.

برای پایداری و بایاس خوب، ما می خواهیم که ولتاژ امیتر Q1 در حدود 1 ولت باشد. این اجازه می دهد تا یک سیگنال منطقی در بیس Q1 تغییر کند. بنابراین برای رسیدن به 1 ولت در R2، می دانیم که جریان عبوری از آن برابر 0.6mA است، R2 = V / I = 1 / 0.6 = 1.6k، بگذارید آن را 1.5k کنیم. این ولتاژ را بر روی امیتر کمی تغییر می دهد بنابراین V = IR = 0.6 * 1500 = 0.9V.

اکنون ولتاژ روی بیس همیشه 0.6 بیشتر از امیتر خواهد بود و جریان وارد شده به امیتر Ic / hfe خواهد بود. دیتاشیت برای BC337 مقدار hfe را 600 نشان می دهد. بیایید فرض کنیم که این مقدار برابر 200 است. بنابراین Ibase (جریان بیس) 0.6 / 200 = 0.003mA است. برای پایداری، جریان جاری در حلقه تقسیم کننده R3 ،R4 را ده برابر بزرگتر خواهیم کرد، یعنی 0.03 میلی آمپر. بنابراین ولتاژ R4 برابر 0.9 + 0.6 = 1.5 و جریان عبوری از آن 0.03 است ، ولتاژ R4 نیز بصورت زیر بدست می آید.

R4 = V / I = 1.5 /0.03 = 50k

ما آن را به مقدار استاندارد 47k تبدیل می کنیم. این مقدار کمی جریان را به 1.5 / 47k = 0.032mA تغییر می دهد. R3 از یک طرف 12 ولت و از طرف دیگر 1.5 ولت دارد. ولتاژ روی آن 12-1.5 = 10.5 ولت می شود و بنابراین :

R3 = V / I = 10.5 / 0.032 = 328k

آن را به یک مقدار استاندارد 330k تبدیل کنید. R5 هیچ ارتباطی با طراحی ترانزیستور ندارد. این مقاومت، یک ولتاژ برای میکروفن برقی را فراهم می کند (دارای یک خازن الکترواستاتیک به همراه یک FET کوچک داخلی است)، و مقدار آن 10k در نظر گرفته می شود.

حالا چقدر بهره می توان انتظار داشت؟ بهره برابر با مقدار زیر خواهد بود

R1 / R2 + re = 10k / 1k5 + 42 = 6.48

این زیاد مفید نیست، اما ما میتوانیم بهره را با بای پس AC مقاومت R2 (با استفاده از خازن C) افزایش دهیم. شرایط DC ثابت باقی مانده است، اما اکنون بهره 1500/42 = 35 است. ما باید C3 را مقداری درنظر بگیریم که راکتانس آن برابر با R2 در کم ترین فرکانس (40Hz) باشد، بنابراین C3 = 1 / 2πfXc = 2.6uF بدست می آید. از این رو، آن را 10uF کنید.

طراحی باقیمانده برای خازن های ورودی و خروجی است. C1 آسان است. مقاومت ورودی ترکیبی از R3 به موازات R4 به موازات R2 + re * hfe است (1.5k + 42) * 200 = 300k

کمی کمتر از R4، تقریباً 40k بدست می آید، اما باید یک راکتانس خازنی برابر با R4 داشته باشد که در کمترین فرکانس آن را تقویت کنیم. اگر فرکانس 40Hz را انتخاب کنیم، از آنجایی که Xc = 1 / (2πfC)  است، C1 به صورت زیر بدست می آید:

C = 1 / 2πfXc = 0.39uF

 به همین ترتیب، C2 = 1 / 2π40 * 10k = 0.4uF. از این رو، آن را 1uF درنظر بگیرید.

گام بعدی در طراحی ما اضافه کردن یک ترانزیستور بافر برای افزایش ظرفیت درایو خروجی برای فعال کردن یک بلندگوی کوچک (با امپدانس بالا) است. این یک دنبال کننده امیتر نامیده می شود. بهره ولتاژ ندارد اما امپدانس خروجی بسیار کمی دارد. همچنین فیدبک منفی DC برای ولتاژ بایاس Q1 ارائه خواهیم داد.

تنها مولفه هایی که قرار است تغییر کنند R3 و C4 هستند. C2 جایگزین C4 شده است. بدون C4، یک آفست DC در بلندگو وجود دارد. ما باید بدانیم که امپدانس بار چیست. این مدار ساده نمی تواند یک اسپیکر 8Ω را راه اندازی کند. برای این منظور به تقویت کننده توان نیاز دارید. با این فرض که ما از یک تلفن همراه در حدود 100Ω استفاده می کنیم.

برای یک 12 ولت pp نوسانی که حدود 1 وات توان دارد و برای راه اندازی این مدار ساده استفاده می شود، توان ثابت DC دنبال کننده امیتر باید با آن برابر باشد تا در ترانزیستور 100 میلی آمپر ایجاد کند، که فراتر از حد توان آن است. ما می توانیم حداکثر 10 میلی آمپر را در Q2 داشته باشیم. در پایه امیتر ترانزیستور Q2 ولتاژ برابر 6-0.6V = 5.4V است و سپس R6 برابر با R6 = 5.4 / 0.01 = 540 می شود که آن را 560Ω در نظر بگیرید. مقاومت R3 اکنون دیگر به 12 ولت متصل نیست، اما برای 6 ولت، مقدار آن (6-1.5)/0.03 = 150K  می شود. C4 اکنون برابر 1 / 2π40 * 100 = 25uF است.

مقدار های نهایی

این طرح روی برد بورد پیاده سازی شده تا ببینید نتایج چگونه با طراحی ما مطابقت دارد.

شرایط DC (بدون سیگنال):

ولتاژ کلکتور ترانزیستور Q1 برابر 6.8 ولت، بیس 1.36 ولت، امیتر 0.98 ولت می باشد، همه مقادیر بسیار نزدیک است.

ولتاژ امیتر ترانزیستور Q2 برابر6.1V، که عالی است!

نتایج AC با ورودی ژنراتور سیگنال و بدون بار در خروجی:

بدون C3، ولتاژ نوسانی بدون اعوجاج 9.6Vpp برای ورودی 1.68Vpp است، بهره برابر با 5.7 می شود.

بهره محاسبه شده برابر R1 / R2 = 10 / 1.5 = 6.6 بود.

با C3، ولتاژ نوسانی بدون اعوجاج 6.7Vpp برای ورودی 50 میلی ولت است یعنی بهره برابر 6.8 / 0.05 = 136 می باشد.

بهره محاسبه شده برابر 10k / 42 = 238 بود که این اختلاف زیاد به دلیل صفر نبودن مقاومت سری C3 است.

این تقویت کننده کوچک برای درایو یک بلندگو با امپدانس متوسط مناسب نیست. من یک هدفون 300Ω را متصل کردم و با افزایش قابل توجه جریان در کلکتور ترانزیستور Q2 با ایجاد R6 = 390Ω مواجه شدم. من توانستم یک نوسان خروجی بدون اعوجاج 4Vpp بدست آورم.

بنابراین ما یک طراحی دقیق تقویت کننده صوتی دو طبقه ای را انجام داده ایم. اگر از این قوانین طراحی پیروی کنید، باید بتوانید یکی از آن ها را خودتان طراحی کنید.