Підсилювач на транзисторах, незважаючи на свою вже довгу історію, залишається улюбленим предметом дослідження як початківців, так і маститих радіоаматорів. І це зрозуміло. Він є неодмінною складовою частиною самих масових радіоаматорських пристроїв: радіоприймачів і підсилювачів низької (звукової) частоти. Ми розглянемо, як будуються найпростіші підсилювачі низької частоти на транзисторах.
Частотна характеристика підсилювача
У будь-якому теле – чи радіо, в кожному музичному центрі або підсилювачі звуку можна знайти транзисторні підсилювачі звуку (низької частоти – НЧ). Різниця між звуковими транзисторними підсилювачами та іншими видами полягає в їх частотних характеристиках.
Звуковий підсилювач на транзисторах має рівномірну частотну характеристику в смузі частот від 15 Гц до 20 кГц. Це означає, що всі вхідні сигнали з частотою всередині цього діапазону підсилювач перетворює (підсилює) приблизно однаково. На малюнку нижче в координатах «коефіцієнт посилення підсилювача Ку – частота вхідного сигналу» показана ідеальна крива частотної характеристики для звукового підсилювача.
Ця крива практично плоска з 15 Гц-20 кГц. Це означає, що застосовувати такий підсилювач слід саме для вхідних сигналів з частотами між 15 Гц-20 кГц. Для вхідних сигналів з частотами вище 20 кГц або нижче 15 Гц ефективність і якість його роботи швидко зменшуються.
Вигляд частотної характеристики підсилювача визначається электрорадиоэлементами (ЕРЕ) його схеми, і насамперед самими транзисторами. Звуковий підсилювач на транзисторах зазвичай зібраний на так званих низько – і середньочастотних транзисторах з сумарною смугою пропускання вхідних сигналів від десятків і сотень Гц до 30 кГц.
Клас роботи підсилювача
Як відомо, залежно від ступеня безперервності протікання струму протягом періоду через транзисторний підсилювальний каскад (підсилювач) розрізняють наступні класи його роботи: “А”, “B”, “AB”, “C”, “D”.
У класі роботи ток “А” через каскад протікає протягом 100 % періоду вхідного сигналу. Роботу каскаду в цьому класі ілюструє наступний малюнок.
У класі роботи підсилювального каскаду “AB” струм через нього протікає більш ніж 50 %, але менше ніж 100 % періоду вхідного сигналу (див. малюнок нижче). 
У класі роботи каскаду “В” струм через нього протікає рівно 50 % періоду вхідного сигналу, як це ілюструє малюнок.
І, нарешті, в класі роботи каскаду “C” струм через нього протікає менш ніж 50 % періоду вхідного сигналу.
НЧ-підсилювач на транзисторах: спотворення в основних класах роботи
У робочій області транзисторний підсилювач класу “А” володіє малим рівнем нелінійних спотворень. Але якщо сигнал має імпульсні викиди напруги, що призводять до насичення транзисторів, то навколо кожної штатної» гармоніки вихідного сигналу з’являються вищі гармоніки (аж до 11-ї). Це викликає феномен так званого транзисторного, або металевого, звуку.
Якщо НЧ-підсилювачі потужності на транзисторах мають нестабілізована харчування, то їх вихідні сигнали модулюються по амплітуді поблизу частоти мережі. Це веде до жорсткості звуку на лівому краю частотної характеристики. Різні ж способи стабілізації напруги роблять конструкцію підсилювача більш складною.
Типовий ККД однотактного підсилювача класу А не перевищує 20 % із-за постійно відкритого транзистора і безперервного перебігу постійної складової струму. Можна виконати підсилювач класу А двотактним, ККД дещо підвищиться, але напівхвилі сигналу стануть більш несиметричними. Переклад же каскаду з роботи класу “А” клас роботи “АВ” підвищує вчетверо нелінійні спотворення, хоча його ККД схеми при цьому підвищується.
В підсилювачах ж класів “АВ” та “В” спотворення наростають по мірі зниження рівня сигналу. Мимоволі хочеться вмикати такий підсилювач голосніше для повноти відчуттів потужності і динаміки музики, але найчастіше це мало допомагає.
Проміжні класи роботи
У роботи класу “А” є різновид – клас “А+”. При цьому низьковольтні вхідні транзистори підсилювача цього класу працюють у класі “А”, а високовольтні вихідні транзистори підсилювача при перевищенні їх вхідними сигналами певного рівня переходять в класи “В” або “АВ”. Економічність таких каскадів краще, ніж у чистому класі “А”, а нелінійні спотворення менше (до 0,003 %). Однак звук у них також “металевий” з-за наявності вищих гармонік у вихідному сигналі.
У підсилювачів ще одного класу – “АА” ступінь нелінійних спотворень ще нижче – близько 0,0005 %, але вищі гармоніки також присутні.
Повернення до транзисторному підсилювача класу “А”?
Сьогодні багато фахівців в області якісного звуковідтворення ратують за повернення до ламповим підсилювачів, оскільки рівень нелінійних спотворень і вищих гармонік, внесених ними у вихідний сигнал, завідомо нижчою, ніж у транзисторів. Однак ці переваги значною мірою нівелюються необхідністю узгоджувального трансформатора між високоомним ламповим вихідним каскадом і низькоомними звуковими колонками. Втім, з трансформаторним виходом може бути зроблений і простий підсилювач на транзисторах, що буде показано нижче.
Існує і точка зору, що граничне якість звучання може забезпечити тільки гібридний лампово-транзисторний підсилювач, всі каскади якого є однотактними, не охоплені негативними зворотними зв’язками і працюють у класі “А”. Тобто такий повторювач потужності являє собою підсилювач на одному транзисторі. Схема його може мати гранично досяжний ККД (в класі “А”) не більш 50 %. Але ні потужність, ні ККД підсилювача не є показниками якості звуковідтворення. При цьому особливого значення набувають якість і лінійність характеристик всіх ЕРЕ в схемі.
Оскільки однотактні схеми отримують таку перспективу, ми розглянемо нижче їх можливі варіанти.
Однотактний підсилювач на одному транзисторі
Схема його, виконана з загальним емітером і R-C-зв’язками з вхідного і вихідного сигналів для роботи в класі “А”, наведена на малюнку нижче.
На ній показаний транзистор Q1 структури n-p-n. Його колектор через струмообмежуючий резистор R3 приєднаний до позитивного висновку +Vcc, а емітер – до-Vcc. Підсилювач на транзисторі структури p-n-p буде мати таку ж схему, але висновки джерела живлення поміняються місцями.
C1 – розділовий конденсатор, через який джерело змінного вхідного сигналу відокремлюється від джерела постійної напруги Vcc. При цьому С1 не перешкоджає проходженню змінного вхідного струму через перехід база – емітер транзистора Q1″. Резистори R1 і R2 спільно з опором переходу «Е – Б» утворюють дільник напруги Vcc для вибору робочої точки транзистора Q1 в статичному режимі. Типовою для цієї схеми є величина R2 = 1 кОм, а положення робочої точки – Vcc/2. R3 є навантажувальним резистором колекторної ланцюга і служить для створення на колекторі змінного напруги вихідного сигналу.
Припустимо, що Vcc = 20 В, R2 = 1 кОм, а коефіцієнт підсилення по струму h = 150. Напруга на емітері вибираємо Ve = 9 В, а падіння напруги на переході «Е – Б» приймаємо рівним Vbe = 0,7 Ст. Ця величина відповідає так званому кремниевому транзистору. Якщо б ми розглядали підсилювач на германієвих транзисторах, то падіння напруги на відкритому переході «Е – Б» було б одно Vbe = 0,3 Ст.
Струм емітера, приблизно рівний току колектора
Ie = 9, B, 1 кОм = 9 мА ? Ic.
Струм бази Ib = Ic/h = 9 мА/150 = 60 мкА.
Падіння напруги на резисторі R1
V(R1) = Vcc – Vb = Vcc – (Vbe + Ve) = 20 – 9,7 = 10,3,
R1 = V(R1)/Ib = 10,3/60 мкА = 172 кОм.
С2 потрібен для створення ланцюга проходження змінної складової струму емітера (фактично струму колектора). Якщо б його не було, то резистор R2 сильно обмежував би змінну складову, так що розглянутий підсилювач на біполярному транзисторі мав би низький коефіцієнт посилення по струму.
В наших розрахунках ми приймали, що Ic = Ib h, де Ib – струм бази, впадає в неї з емітера і виникаючий при подачі на базу напруги зсуву. Однак через базу завжди (як при наявності зміщення, так і без нього) протікає ще й струм витоку з колектора Icb0. Тому реальний струм колектора дорівнює Ic = Ib h + Icb0 h, тобто струм витоку в схемі з ОЕ посилюється в 150 разів. Якщо б ми розглядали підсилювач на германієвих транзисторах, то цю обставину треба було б враховувати при розрахунках. Справа в тому, що германієві транзистори мають істотний Icb0 порядку декількох мкА. У кремнієвих ж він на три порядки менше (близько декількох), так що в розрахунках ним звичайно нехтують.
Однотактний підсилювач з МДП-транзистором
Як і будь-підсилювач на польових транзисторах, розглянута схема має свій аналог серед підсилювачів на біполярних транзисторах. Тому розглянемо аналог попередньої схеми із загальним емітером. Вона виконана з загальним витоком і R-C-зв’язками з вхідного і вихідного сигналів для роботи в класі “А” і наведена на малюнку нижче.
Тут C1 – такий же розділовий конденсатор, через який джерело змінного вхідного сигналу відокремлюється від джерела постійної напруги Vdd. Як відомо, будь-підсилювач на польових транзисторах повинен мати потенціал затвора своїх МДП-транзисторів нижче потенціалів їх витоків. В даній схемі затвор заземлений резистором R1, мають, як правило, великий опір (від 100 кОм до 1 Мом), щоб він не шунтировал вхідний сигнал. Струм через R1 практично не проходить, тому потенціал затвора при відсутності вхідного сигналу дорівнює потенціалу землі. Потенціал же витоку вище потенціалу землі за рахунок падіння напруги на резисторі R2. Таким чином, потенціал затвора виявляється нижче потенціалу витоку, що і потрібно для нормальної роботи Q1. Конденсатор C2 і резистор R3 мають таке ж призначення, як і в попередній схемі. Оскільки ця схема із загальним витоком, то вхідний і вихідний сигнали зрушені по фазі на 180°.
Підсилювач з трансформаторним виходом
Третій одноступінчатий простий підсилювач на транзисторах, показаний на малюнку нижче, також виконаний за схемою з загальним емітером для роботи в класі “А”, але з низькоомним динаміком він пов’язаний через узгоджувальний трансформатор.
Первинна обмотка трансформатора T1 є навантаженням колекторної ланцюга транзистора Q1 і розвиває вихідний сигнал. T1 передає вихідний сигнал на динамік і забезпечує узгодження повного вихідного опору транзистора з низьким (порядку декількох Ом) опором динаміка.
Дільник напруги джерела колекторного живлення Vcc, зібраний на резисторах R1 і R3, забезпечує вибір робочої точки транзистора Q1 (подачу напруги зміщення на його базу). Призначення інших елементів підсилювача таке ж, як і в попередніх схемах.
Двотактний звуковий підсилювач
Двотактний НЧ-підсилювач на двох транзисторах розщеплює вхідний сигнал звукової частоти на дві протифазні напівхвилі, кожна з яких посилюється своїм власним транзисторним каскадом. Після виконання такого посилення напівхвилі об’єднуються в цілісний гармонійний сигнал, який передається на акустичну систему. Подібне перетворення НЧ-сигналу (розщеплення і повторне злиття), природно, викликає в ньому незворотні спотворення, обумовлені розходженням частотних і динамічних властивостей двох транзисторів схеми. Ці спотворення знижують якість звуку на виході підсилювача.
Двотактні підсилювачі, які працюють у класі “А”, недостатньо добре відтворюють складні звукові сигнали, так як в їх плечах безперервно протікає постійний струм підвищеної величини. Це призводить до несиметрії півхвиль сигналу, фазових спотворень і в кінцевому підсумку до втрати чіткості звуку. Нагріваючись, два потужних транзистора збільшують вдвічі спотворення сигналу в області низьких та інфранизьких частот. Але все ж основним достоїнством двотактною схеми є її прийнятний ККД і підвищена вихідна потужність.
Двотактна схема підсилювача потужності на транзисторах показана на малюнку.
Це підсилювач для роботи в класі “А”, але може бути використаний і клас “АВ”, і навіть “В”.
Бестрансформаторный транзисторний підсилювач потужності
Трансформатори, незважаючи на успіхи в їх мініатюризації, залишаються все ж найбільш громіздкими, важкими і дорогими ЕРЕ. Тому був знайдений шлях усунення трансформатора з двотактною схеми шляхом виконання її на двох потужних комплементарних транзисторах різних типів (n-p-n і p-n-p). Більшість сучасних підсилювачів потужності використовують саме цей принцип і призначені для роботи в класі “В”. Схема такого підсилювача потужності показана на малюнку нижче.
Обидва транзистора включені за схемою з загальним колектором (емітерного повторювача). Тому схема передає вхідна напруга на вихід без посилення. Якщо вхідного сигналу немає, то обидва транзистора знаходяться на кордоні включеного стану, але при цьому вони вимкнені.
Коли гармонічний сигнал поданий на вхід, його позитивна полуволна відкриває TR1, але переводить p-n-p транзистор TR2 повністю у режим відсічки. Таким чином, тільки позитивна полуволна посиленого струму протікає через навантаження. Негативна полуволна вхідного сигналу відкриває тільки TR2 і замикає TR1, так що навантаження подається негативна полуволна посиленого струму. В результаті на навантаженні виділяється повний посилений за потужністю (за рахунок посилення по струму) синусоїдальний сигнал.
Підсилювач на одному транзисторі
Для засвоєння викладеного зберемо простий підсилювач на транзисторах своїми руками і розберемося, як він працює.
В якості навантаження малопотужного транзистора Т типу BC107 включимо навушники з опором 2-3 кОм, напругу зміщення на базу подамо з високоомного резистора R* величиною 1 МОм, розв’язують електролітичний конденсатор C ємністю від 10 мкФ до 100 мкФ включимо в базову ланцюг Т. Живити схему будемо від батареї 4,5/0,3 А. 
Якщо резистор R* не підключений, то немає струму бази Ib, ні струму колектора Ic. Якщо резистор підключений, то напруга на базі піднімається до 0,7 і через неї протікає струм Ib = 4 мкА. Коефіцієнт підсилення транзистора по струму дорівнює 250, що дає Ic = 250Ib = 1 мА.
Зібравши простий підсилювач на транзисторах своїми руками, можемо тепер його випробувати. Підключіть навушники і поставте палець на точку 1 схеми. Ви почуєте шум. Ваше тіло сприймає випромінювання на частоті живильної мережі 50 Гц. Шум, почута вами з навушників, і є цим випромінюванням, тільки посиленим транзистором. Пояснимо цей процес детальніше. Напруга змінного струму з частотою 50 Гц підключено до бази транзистора через конденсатор С. Напруга на базі тепер дорівнює сумі постійної напруги зміщення (приблизно 0,7 В), приходить з резистора R*, і напруги змінного струму “від пальця”. В результаті струм колектора отримує змінну складову з частотою 50 Гц. Цей змінний струм використовується для зсуву мембрани динаміків вперед-назад з тією ж частотою, а це означає, що ми зможемо почути тон 50 Гц на виході.
Слухати рівень шуму 50 Гц не дуже цікаво, тому можна підключити до точок 1 і 2 низькочастотні джерела сигналу (CD-плеєр мікрофон) і чути посилену мова або музику.
