Усилители на полевых транзисторах

Усилитель на полевом транзисторе

Усилители низких частот собирают и на полевых транзисторах (далее ПТ). Схемы таких устройств ненамного отличаются от тех, что собираются на биполярных транзисторах.

В качестве примера будет рассмотрен усилитель на полевом транзисторе с изолированным затвором с n-каналом (МДП типа).

К подложке данного транзистора последовательно подключается конденсатор, параллельно – делитель напряжения. К истоку ПТ подключается резистор (можно также использовать параллельное соединение конденсатора и резистора, как описано выше). К стоку подключается ограничительный резистор и питание, а между резистором и стоком создается вывод на нагрузку.

Входной сигнал к усилителям низкой частоты на полевых транзисторах подается на затвор. Осуществляется это также через конденсатор.

Как видно из пояснения, схема простейшего усилителя на полевом транзисторе ничем не отличается от схемы усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе.

Правда, при работе с ПТ стоит учитывать следующие особенности данных элементов:

1. У ПТ высокое R_{входное} = I / U_{затвор-исток}. Полевые транзисторы управляются электрическим полем, которое образуется за счет напряжения. Следовательно, ПТ управляются напряжением, а не током.
2. ПТ почти не потребляют ток, что влечет за собой слабое искажение исходного сигнала.
3. В полевых транзисторах нет инжекции зарядов, поэтому уровень шумов данных элементов очень низкий.
4. Они устойчивы к изменению температуры.

Главный недостаток полевых транзисторов – высокая чувствительность к статическому электричеству.

Многим знакома ситуация, когда, казалось бы, нетокопроводящие вещи бьют человека током. Это и есть проявление статического электричества. Если такой импульс подать на один из контактов полевого транзистора, можно вывести элемент из строя.

Таким образом, при работе с ПТ лучше не браться руками за контакты, чтобы случайно не повредить элемент.

ООС в электронике

Первым использовать идею отрицательной обратной связи в электронике предложил Гарольд Блэк (Harold Black) для улучшения линейности усиления для межконтинентальных телекоммуникаций. Суть идеи состоит в том, чтобы пожертвовать частью коэффициента усиления ради улучшения линейности выходного сигнала. Классический электронный усилитель сигнала (электронная лампа, полевой транзистор и др.) вносит нелинейные искажения в форму сигнала. Следовательно, вычитая из входного сигнала долю выходного сигнала, делённую на коэффициент усиления, можно получить форму самих нелинейных искажений. Затем, наложив обратные искажения на входной сигнал можно добиться скомпенсированного сигнала, который, пройдя через усилитель, будет иметь сниженную нелинейность.

Показательный пример использования отрицательной обратной связи — построение усилителя со стабильным коэффициентом усиления на основе операционного усилителя (ОУ).

Пусть дан некоторый ОУ с коэффициентом усиления порядка 106. На основе этого ОУ нужно построить усилитель со входным сопротивлением не менее 5 кОм и коэффициентом усиления 3 (для неинвертирующего усилителя K=1+R2/R1).
Для этого на инвертирующий вход ОУ ставится резистор с сопротивлением чуть больше требуемого входного (допустим, 7 кОм), а в цепь обратной связи — резистор с номиналом в 2 раза больше.
Аналитическая формула показывает, что такой способ построения усилителей является приближённым, однако, в силу большой величины коэффициента усиления, погрешность от применённых допущений оказывается меньше, чем от неточности изготовления элементов.

Обычно ООС позволяет добиться хороших параметров усилителя, однако это справедливо в общем случае только для усиления постоянного тока или низких частот. Поскольку с повышением частоты задержка, вносимая усилителем, начинает давать существенный фазовый сдвиг усиливаемого сигнала, то и ООС работает уже не в соответствии с расчётом. Если и далее повышать частоту, то, когда продолжительность задержки станет порядка полупериода сигнала (то есть порядка 180 градусов по фазе), то ООС превратится в ПОС, а усилитель — в генератор. Для предотвращения этого цепь ООС должна делаться частотно-зависимой.

В СВЧ-усилителях обратная связь неприменима, поэтому стабилизировать усиление СВЧ-каскадов весьма непросто. Однако, если нужно стабилизировать не усиление, а амплитуду (мощность) выходного сигнала, это легко реализовать в виде АРУ.

ООС применяется в стабилизаторах напряжения (не во всех случаях).

5.5. Схема с коллекторной стабилизацией

В схеме с коллекторной стабилизацией в цепи эмиттера отсутствует сопротивление: R_Э = 0, рис. 5.6, а вход схемы и выход соединяются сопротивлением R_Б.

Рис. 5.6. Схема с коллекторной стабилизацией

Ток смещения в этой схеме равен:

;

и уменьшается при увеличении (изменение – в общем случае). В этом проявляется ООС; по способу снятия и введения это параллельная ООС. Глубина этой обратной связи равна:

; (5.4)

Данная схема отличается простотой, обеспечивает стабилизацию режима до 30°С, но имеет существенный недостаток – вследствие ООС по переменному току через сопротивление R_Б, малый коэффициент усиления. Для этого в цепи базы включают RC – фильтр, устраняющий ООС по переменному току.

Особый случай — высокое входное сопротивление

Теперь об особом случае. Если нам нужно высокое входное сопротивление, то полевой транзистор может оказаться лучшим решением.

Приведенная схема входного усилительного каскада обладает высоким входным сопротивлением и линейна. Эффект зависимости тока стока от напряжения исток — сток устранен за счет применения каскодной схемы включения. Биполярный транзистор стабилизирует напряжение на полевом. Источником опорного напряжения для стабилизатора напряжения на биполярном транзисторе является делитель напряжения на резисторах R2, R3. Выходной сигнал снимается с резистора R4.

Резистор R5 обеспечивает напряжение на затворе равным 0. Его нужно брать возможно большего сопротивления, так как именно сопротивление этого резистора определяет входное сопротивление каскада. Можно взять 10 МОм.

Определим рабочую точку (режим работы полевого транзистора). Выберем ее на линейном участке: напряжение затвор — исток возьмем таким, чтобы ток линейно зависел от этого напряжения. Так как затвор по постоянному току у нас заземлен, то это смещение будет формироваться за счет падения напряжения на резисторе в цепи истока. Рабочая точка выбирается таким образом, чтобы во всем диапазоне входных напряжений полевой транзистор оставался на линейном участке. Выбор рабочей точки осуществляется обычно с использованием графиков зависимости тока стока от напряжения затвор- исток и напряжения сток — исток, которые приводятся в справочнике. В результате получаются [Сила тока стока в рабочей точке], [Напряжение затвор-исток в рабочей точке], [Напряжение сток-исток в рабочей точке] В любом случае потом параметры резисторов приходится немного подбирать.

[Сопротивление резистора R1, кОм] = — [Напряжение затвор-исток в рабочей точке, В] / [Сила тока стока в рабочей точке, мА]

Знак ‘минус’ нужен потому, что напряжение затвор — исток меньше нуля.

[Сопротивление резистора R3, кОм] = [Напряжение питания, В] / [Сила тока стока в рабочей точке, мА] * [Коэффициент передачи тока биполярного транзистора] / 20

[Сопротивление резистора R2, кОм] = [Сопротивление резистора R3, кОм] / ([Напряжение питания, В] / ([Напряжение сток-исток в рабочей точке, В] + [Напряжение насыщения база-эмиттер биполярного транзистора, кОм] — [Напряжение затвор-исток в рабочей точке, В]) — 1)

[Сопротивление резистора R4, кОм] = [Напряжение питания, В] / 2 / [Сила тока стока в рабочей точке, мА]

Приведенный усилитель работает с малыми сигналами. Он не может применяться для усиления больших сигналов, так как сила тока стока должна располагаться в районе 1 мА, чтобы избежать насыщения.

(читать дальше…) :: (в начало статьи)

:: ПоискТехника безопасности :: Помощь

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!Задать вопрос. Обсуждение статьи.

Еще статьи

Транзисторный УМЗЧ высокого качества. Усилитель мощности низкой, звуко…
Высококачественный УМЗЧ на биполярных транзисторах. Схема для сборки своими рука…

Применение полевых транзисторов, МОП, FET, MOSFET. Использование. Схем…
Типичные схемы с полевыми транзисторами. Применение МОП….

Усилитель звука класса D (Д) большой мощности. Звуковой. УМЗЧ. УНЧ. Сх…
УМЗЧ большой мощности класса D. Ключевой режим….

Качественный усилитель мощности звуковой, низкой частоты, звука, нч. В…
Качество усилителей звуковой частоты. Обзор, схемы….

Акустическая система, акустика. Качество звукоусиливающей, звукоусилит…
Акустическая система и качество усилителей звука. Элементная база усилительной а…

Импульсный источник питания. Своими руками. Самодельный. Сделать. Лабо…
Схема импульсного блока питания. Расчет на разные напряжения и токи….

Транзисторный усилительный каскад. Расчет. Схема. Проектирование. Бипо…
Усилительный каскад на биполярном транзисторе. Схема. Расчет….

Расчет теплоотвода (радиатора охлаждения) силового элемента (транзисто…
Как рассчитать систему отвода тепла от силового элемента электронной схемы…

Схемы УНЧ для работы с низкоОмной нагрузкой

Типовые УНЧ, предназначенные для работы на низкоомную нагрузку и имеющие выходную мощность десятки мВт и выше, изображены на рис. 16, 17.

Рис. 16. Простой УНЧ для работы с включением нагрузки с низким сопротивлением.

Электродинамическая головка ВА1 может быть подключена к выходу усилителя, как показано на рис. 16, либо в диагональ моста (рис. 17). Если источник питания выполнен из двух последовательно соединенных батарей (аккумуляторов), правый по схеме вывод головки ВА1 может быть подключен к их средней точки напрямую, без конденсаторов C3, С4.

Рис. 17. Схема усилителя низкой частоты с включением низкоомной нагрузки в диагональ моста.

Если вам нужна схема простого лампового УНЧ то такой усилитель можно собрать даже на одной лампе, смотрите у нас на сайте по электронике в соответствующем разделе.

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год.

Исправления в публикации: на рис. 16 и 17 вместо диода Д9 установлена цепочка из диодов.

90 Вт (приведенное сопротивление первичной обмотки транформатора Ra-a = 80 Ом)

Схема (pdf)

Лут печать (pdf)

Монтаж верхней стороны (pdf)

Монтаж нижней стороны (pdf)

Вид собранной платы

Параметры трансформатора на железе ТПК-190 (для варианта 90 Вт):

На каждой катушке 232 (0,7мм) — 217 (1,0мм) — 90 (0,9мм) — 127 (0,7мм) — 232 (0,7мм). 232 — первички, все последовательно. Вторички параллельно. 217 — 4 Ом, 217+90 — 8 Ом, 217+90+127 — 16 Ом

Вид в сборе (2U рэк)

Несколько комментариев к схеме:

Потенциометром «Symmetry» выставляется равенство амплитуд полуволн.

Резисторы R4, R7 (для 40 Вт) и R5,R8 (для 90 Вт) определяют чувствительность усилителя по входу. При их уменьшении чувствительность увеличивается и наоборот.

На резисторы R25 (для 40 Вт) и R1 (для 90 Вт) можно подключить ООС с выходной обмотки трансформатора с использованием регулировки Presence. Необходимо только учесть, что сопротивление этих резисторов 1,6 кОм то есть в 3 раза меньше чем обычно в ламповых схемах (4,7 кОм). Чтобы получить ту же ачх конденсатор, включенный последовательно с регулировкой, нужно увеличить в 3 раза.

Вот схема презенса, которую я использовал:

Усилители с общим истоком

  Усилители на полевых транзисторах (ПТ) обладают большим входным сопротивлением. Обычно такие усилители используются как первые каскады предварительных усилителей, усилителей постоянного тока измерительной и другой радиоэлектронной аппаратуры.
  Применение в первых каскадах усилителей с большим входным сопротивлением позволяет согласовывать источники сигнала с большим внутренним сопротивлением с последующими более мощными усилительными каскадами, имеющими небольшое входное сопротивление. Усилительные каскады на полевых транзисторах чаще всего выполняются по схеме с общим истоком.

  Так как напряжение смещения между затвором и истоком равно нулю, то режим покоя транзистора VT характеризуется положением точки А на сток-затворной характеристике при U_ЗИ=0 (рис. 15,б).
 В этом случае при поступлении на вход усилителя переменного гармонического (то есть синусоидального) напряжения U_ЗИ с амплитудой U_mЗИ положительный и отрицательный полупериоды этого напряжения будут усиливаться неодинаково: при отрицательном полупериоде входного напряжения U_ЗИ амплитуда переменной составляющей тока стока I’_mc будет больше, чем при положительном полупериоде (I»_mc), так как крутизна сток-затворной характеристики на участке АВ больше по сравнению с крутизной на участке АС: Вследствие этого форма переменной составляющей тока стока и создаваемого им переменного напряжения на нагрузке U_ВЫХ будет отличаться от формы входного напряжения, то есть возникнут искажения усиливаемого сигнала.
Для уменьшения искажений сигнала при его усилении необходимо обеспечить работу полевого транзистора при постоянной крутизне его сток-затворной характеристики, то есть на линейном участке этой характеристики.
 С этой целью в цепь истока включают резистор Rи (рис.16,а).

Протекающий через резистор ток стока I_С0 создает на нем напряжение
U_Rи=I_С0Rи, которое прикладывается между истоком и затвором, включая ЭДП, образованный между областями затвора и истока, в обратном направлении. Это приводит к уменьшению тока стока и режим работы будет характеризоваться в этом случае точкой А’ (рис.16,б).

Чтобы не происходило уменьшения коэффициента усиления, параллельно резистору Rи подключают конденсатор Си большой емкости, который устраняет отрицательную обратную связь по переменному току, образуемую переменным напряжением на резисторе Rи. В режиме, характеризуемом точкой А’, крутизна сток-затворной характеристики при усилении переменного напряжения остается примерно одинаковой при усилении положительных и отрицательных полупериодов входного напряжения, вследствие чего искажения усиливаемых сигналов будут незначительны
(участки A’В’ и А’С’ примерно равны).
  Если в режиме покоя напряжение между затвором и истоком обозначить U_ЗИО, а протекающий через ПТ ток стока I_С0, то сопротивление резистора Rи (в омах) можно рассчитать по формуле:
Rи =1000 U_ЗИО/I_С0,   
в которую ток стока I_С0 подставляется в миллиамперах.
  В схеме усилителя, приведенной на рис.15, используется ПТ с управляющим p-n-переходом и каналом р-типа. Если в качестве ПТ применяется аналогичный транзистор, но с каналом n-типа, схема остается прежней, а изменяется лишь полярность подключения источника питания.
    Еще большее входное сопротивление имеют усилители, выполненные на полевых МДП-транзисторах с индуцированным, или встроенным каналом. При постоянном токе входное сопротивление таких усилителей может превышать 100 МОм. Так как напряжения их затвора и стока имеют одинаковую полярность, для обеспечения необходимого напряжения смещения в цепи затвора можно использовать напряжение источника питания G_C подключив его к делителю напряжения, включенному на входе транзистора таким образом, как показано на рис.17.

Оконечный усилитель на полевых транзисторах с трансформаторным выходом

В предлагаемых вариантах усилителей используются JFET-ы или латеральные мосфеты так как они имеют передаточные и выходные характеристики практически идентичные пентодным, что позволяет максимально приблизиться к ламповому звучанию. Также они имеют отрицательную зависимость тока стока от температуры, что исключает необходимость термостабилизации. Усилитель построен по классической «ламповой» схеме – фазоинвертор на дифференциальном каскаде и далее двухтактный выходной каскад, нагруженный на выходной трансформатор. Трансформатор позволяет решить две задачи – защита динамиков при выходе из строя выходных транзисторов и согласование с разным сопротивлением динамиков (используя отводы вторичной обмотки)

Также есть еще два немаловажных момента применительно именно к гитарному использованию оконечника.

Первый момент — достаточно высокое выходное сопротивление, соизмеримое с импедансом динамика, что дает возможность гитарному кабинету «дышать» на резонансах. На картинке приведены графики зависимости напряжения на выходе оконечника от частоты сигнала при нагрузке на балластное сопротивление и гитарный кабинет.

Добиться аналогичного эффекта можно на «классическом каменном» оконечнике путем введения токовой ООС. При этом оконечник должен иметь запас по выходному напряжению (мощности), чтобы не влетать в ограничение на пиковых значениях выходного напряжения на резонансах динамика.

Второй момент — подгруз оконечника

Это не очень важно для современного хайгейнового «модернового» звука, так как в нем почти не используется подгруз оконечника. Для винтажных стилей подгруз оконечника составляет чуть ли не половину звука

Например звук маршалловского суперлида невозможно получить без подгруза оконечника.

Предлагаемые варианты полевых оконечников учитывают оба этих момента и высокое выходное сопротивление и «мягкий ламповый» подгруз.

Особенности электровакуумных усилителей

Если сравнить качество одного и того же сигнала, усиленного ламповым устройством и УНЧ на транзисторах, то разница будет видна невооруженным глазом не в пользу последнего.

Любой профессиональный музыкант скажет, что ламповые усилители куда лучше своих продвинутых аналогов.

Электровакуумные приборы давно вышли из массового потребления, им на смену пришли транзисторы и микросхемы, но это неактуально для области воспроизведения звука. За счет температурной стабильности и вакуума внутри ламповые приборы лучше усиливают сигнал.

Единственный недостаток лампового УНЧ – высокая цена, что логично: дорого выпускать элементы, которые не пользуются массовым спросом.

Насыщение выхода инвертирующего усилителя

Давайте представим себе такую ситуацию. У нас входное переменное напряжение амплитудой 1 В. Коэффициент усиления 50. По нашим расчетам на выходе мы должны получить сигнал амплитудой 50 В. Но как мы получим 50 В, если питание нашего усилителя, допустим, +-15 В? Усиленный сигнал, амплитудой больше чем 15 В, мы получить не сможем. Хотя типичное падение напряжения во внутренних цепях реальных ОУ составляет около 0,5-1,5 В. То есть максимальный размах сигнала, который мы можем получить в данном случае на выходе будет 27-29 Вольт.

Хотя в настоящее время есть ОУ, которые все-так позволяют получать на выходе +-Uпит. Такое свойство некоторых ОУ называется Rail-to-Rail. В дословном переводе “от рельса до рельса” или “от шины до шины”. Есть такие параметры, как Rail-to-Rail по входу (Rail-to-Rail input). Здесь на вход мы можем подавать сигналы вплоть до Uпит ОУ. Иногда в даташите оговаривается, с отрицательной или положительной шины питания можно подходить к этому параметру. Есть также есть Rail-to-Rail output. Здесь на выходе мы можем получить напряжение +-Uпит.  Если усиленный сигнал на выходе не вписывается в такой диапазон, то он будет срезаться. Такое свойство ОУ называется насыщением выхода. То есть надо всегда помнить, что  если амплитуда сигнала будет превышать +-Uпит усилителя, то такой сигнал на выходе будет срезан по этому уровню.

Продемонстрируем это в симуляторе Proteus. Итак, давайте на вход подадим синусоидальный сигнал амплитудой в 1 В, а коэффициент усиления сделаем 20, подобрав нужные резисторы. То есть по нашим расчетам мы должны получить синус с амплитудой в 20 Вольт. Смотрим осциллограмму

Подавали на вход синусоиду, а получили на выходе синусоиду с обрезанными верхушками и амплитудой в 14 В. Одна клеточка в данном случае – это 2 В. Как вы видите,сигнал, амплитудой более чем +-Uпит мы получить не сможем. Всегда помните об этом, особенно при конструировании радиоэлектронных устройств.

Схема УНЧ с очень малыми искажениями

Предлагаемый для самостоятельной сборки усилитель ЗЧ построен по классической схеме: входной дифференциальный каскад, питаемый источником тока и нагруженный токовым зеркалом, промежуточный усилитель напряжения и, наконец, выходной усилитель тока, состоящий из двух дополнительных транзисторных сборок. Каждый из каскадов имеет свои особенности для достижения высоких характеристик всего УМЗЧ. Подробнее о его работе читайте в PDF документе

Схема усилителя, смоделированная в Multisim, изображена на рисунке. Показания виртуальных приборов определяют основные параметры процесса моделирования: выходное среднеквадратичное напряжение 14,1 В, соответствующее мощности 50 Вт при нагрузке 4 Ом, частоте сигнала 20 кГц, постоянному току 1,57 А через выходные транзисторы и, наконец, менее 100 дБ полное гармоническое искажение выходного напряжения. Другие детали режимов работы усилителя предоставляются измерительными датчиками, размещенными в разных точках схемы.

Низкое искажение на самых высоких звуковых частотах является показателем превосходной переходной характеристики усилителя, и анализ переходных процессов на выходе усилителя подтверждает это.

Во время теста на вход усилителя подается прямоугольный сигнал 20 кГц с амплитудой 0,5 В и временем нарастания / спада 1 нс. Полученная переходная характеристика изображена на рисунке, где хорошо видно скорость нарастания выходного сигнала усилителя более 20 В / мкс.

Усилитель выдерживает не только перегрузку чрезмерно громкой музыкой, он также ведет себя адекватно даже если на его вход поступают внезапные скачки напряжения. Они могут быть вызваны неправильно выполненными коммутациями и соединениями в предыдущем аудиотракте, во время работы усилителя или, например, если земля входного сигнала будет случайно отключена. Что касается выходных транзисторов, то согласование их параметров вообще не требуется, они могут быть следующих типов: MJ15024-MJ15025, 2SC5200-2SA1943, KT818GM-KT819GM и другие подобные по параметрам.

Конструктивно усилитель собран на одной печатной плате размером 190 х 80 мм, которая также содержит индикацию срабатывания защиты и перегрузки.

На фото готовый двухканальный аудиоусилитель с отдельным источником питания для каждого канала. Так что у него два трансформатора и два блока питания. Трансформаторы по 200VA, 2x 25 В. Под нагрузкой после выпрямительного моста примерно 36 В.

Силовые транзисторы по четыре на канал MJ21194 и MJ21193. Все собрано вместе на большом радиаторе, который также выступает в качестве боковой стенки самого усилителя. Соединение силовых транзисторов с платой идёт жесткими кабелями.

Также оснащён усилитель системой плавного пуска и схемой защиты динамиков.

Усилитель даже без особых настроек показывает изумительное качество сигнала. Здесь нет рокота, шумов и гула. При полном отключении звука на потенциометре достигается идеальная тишина в АС. Просто настраивается — одним потенциометром. Подключаете измеритель к выходу усилителя, а входной сигнал на землю. И вращаете переменник так, чтобы значение на выходе было как можно ближе к нулю. Здесь получилось 0,1 В. Так что практически идеальная тишина.

Затем установил ток покоя примерно 150 мА. И всё что остаётся, это разместить платы в приличном корпусе, чтоб наслаждаться не только звуком, но и приятным видом.

Схемы усилителей