Усилительные каскады — это основные блоки, из которых состоят предусилители, усилители мощности, фонокаскады и CD-проигрыватели. Если мы поймем, что происходит в простейшем однотранзисторном усилителе, то будет понятна и работа любого другого подобного устройства.

Транзистор — это полупроводниковый прибор, во внутренней структуре которого можно выделить три элемента: базу, эмиттер и коллектор. Условно его устройство можно представить себе в виде трехслойного сэндвича. Условное графическое изображение транзистора показано на рис. Б-20а и Б-206. Транзистор преобразует слабый сигнал базы в сильный сигнал на коллекторе. Если провести аналогию с садовым поливочным шлангом, то источник воды — это эмиттер, а база — вентиль, открывая или закрывая который, мы можем усиливать или ослаблять поток воды.

Рассмотрим принцип действия транзистора на примере однокаскадного транзисторного усилителя, представленного на рис. Б-21. Источник постоянного тока подключен к коллектору (верхняя часть условного графического обозначения). Потенциал эмиттера отрицателен по отношению к потенциалу коллектора. Вследствие разницы потенциалов, действующей между коллектором и эмиттером, через транзистор должен протекать электрический ток, однако в зависимости от напряжения на базе ток может идти или нет. База выполняет роль своего рода клапана или вентиля, который открывает или закрывает движение носителей заряда. Когда npn-транзистор открыт при помощи небольшого тока базы, через транзистор протекает большой поток носителей отрицательного заряда (электронов) по направлению от эмиттера через базу к коллектору. Когда

транзистор закрывается из-за уменьшения тока базы, ток по цепи эмиттер-коллектор не течет.

Если подать на базу звуковой сигнал, то он будет управлять током, идущим от эмиттера к коллектору. Чем больше амплитуда входного аудиосигнала, тем сильнее транзистор будет открыт, и тем больше сила тока, протекающего по цепи эмиттер-коллектор. Соответственно, звуковой сигнал меньшей амплитуды создаст в этой цепи более слабый ток. Таким образом, сравнительно небольшой ток базы управляет большим током, текущим по цепи эмиттер-коллектор. Иначе говоря, транзистор усиливает звуковой сигнал.

Величина усиления, обеспечиваемого транзисторным каскадом, называется коэффициентом усиления и выражается отношением выходного напряжения к входному или в децибелах (дБ). Коэффициент усиления, равный 10, означает, что напряжение выходного сигнала в десять раз выше напряжения входного сигнала. Например, подаваемый на базу синусоидальный сигнал с частотой 1 кГц и амплитудным значением напряжения 10 мкВ даст на коллекторе синусоиду частотой также 1 кГц, но с амплитудным значением напряжения уже 100 мкВ.

Практически транзистор всегда частично открыт. Через базу протекает небольшой ток, называемый током смещения. Он очень важен для работы транзистора. Благодаря смещению через цепь эмиттер-коллектор транзистора протекает ток покоя даже в отсутствие входного звукового сигнала. Величина тока покоя обычно выбирается таким образом, чтобы транзистор работал в линейном режиме (рис. Б-22). Смещение позволяет транзистору усиливать как положительную, так и отрицательную полуволну звукового сигнала. Поскольку напряжение

питания усилительного каскада имеет положительную полярность и эмиттер заземлен, транзистор не может создать на коллекторе отрицательное напряжение. Благодаря наличию смещения при усилении переменного выходного сигнала транзистор все время проводит ток. Нулю входного напряжения соответствует некоторый потенциал, величина которого находится в промежутке между "землей" и напряжением питания. Его значение зависит от коллекторного токаи сопротивлений резисторов в цепях эмиттера и коллектора. Когда входной сигнал отрицателен, выходное напряжение увеличивается по сравнению со значе нием, соответствующим точке покоя. При подаче на вход положительной полуволны сигнала выходное напряжение становится меньше напряжения покоя.

Как уже объяснялось в этом разделе на примере последовательных цепей, падения напряжения на двух последовательно включенных резисторах пропорциональны их сопротивлениям. Так же происходит и в схеме транзистора: под влиянием тока, протекающего через коллекторный и эмиттерный резисторы, возникают падения напряжений, от которых зависит значение напряжения

коллектора. Если одновременно с постоянным смещением на транзистор подается звуковой сигнал, то коллекторный ток транзистора начинает изменяться относительно тока покоя по закону звукового сигнала. На коллекторе возникает постоянное напряжение с наложенным на него напряжением звукового сигнала. Если усилительный каскад работает линейно, то переменная составляющая выходного напряжения является усиленной копией поданного на базу входного сигнала. В описываемом здесь усилительном каскаде с общим эмиттером выходной сигнал сдвинут по фазе относительно входного сигнала на 180°.

Следует отметить, что мощный сигнал на выходе усилительного каскада фактически представляет собой не что иное, как постоянный ток от блока питания, на который при помощи транзистора накладывается аудиосигнал переменного тока. Это очень важный момент для всей аудиоаппаратуры: блок питания включен в общую цепь прохождения аудиосигнала. Казалось бы, блок питания надо рассматривать как источник неизменного постоянного напряжения, находящийся вне тракта звукового сигнала. Но поскольку аудиосигнал появляется на коллекторе, а блок питания также соединен с коллектором, то все, что происходит на блоке питания — помехи, высокое выходное сопротивление, колебания напряжения — так или иначе сказывается на аудиосигнале. Вот почему в High-end-усилителях так много внимания уделяется разработке блока питания.

На рис. Б-21 R_}
- нагрузочный резистор, R₂
— эмиттерный резистор, стабилизирующий режим покоя транзистора, R₃
и R₄
образуют делитель напряжения, создающий на базе нужное напряжение смещения, С₃ — шунтирующий конденсатор. С_}
и С₂ — конденсаторы связи, которые пропускают звуковой сигнал и задерживают сигнал постоянного тока, из-за чего их иногда называют разделительными конденсаторами. Конденсатор С разделяет по постоянному току вход транзистора и выход источника входного сигнала. Конденсатор С₂
разделяет по постоянному току цепь коллектора транзистора и вход следующего усилительного каскада. Присутствие конденсаторов в цепи сигнала, как правило, дает не слишком хорошие результаты, поэтому некоторые разработчики предпочитают не использовать их. Усилительный каскад без конденсаторов связи называется усилителем с непосредственными связями. Если в схеме не используются разделительные конденсаторы, то предотвратить попадание постоянного тока на выход усилителя можно при помощи отрицательной обратной связи по постоянному току.

Отрицательная обратная связь, называемая часто для краткости просто обратной связью, также используется в усилителях для уменьшения нелинейных искажений сигнала. Для этого часть выходного сигнала усилителя подается обратно на вход. Если контур обратной связи охватывает один или часть каскадов усиления, такую связь называют местной. Если же контур обратной связи соединяет выход многокаскадного усилителя со входом, такая обратная связь называется общей. Глубокая обратная связь позволяет получить небольшие значения нелинейных искажений, но звучание усилителя при этом часто ухудшается. Поэтому разработчики High-end-усилителей, как правило, используют минимально возможную глубину обратной связи.

Возвращаясь к рис. Б-21, мы видим, что транзистор усиливает обе полуволны аудиосигнала, следовательно, он всегда проводит ток. Говорят, что такой усилительный каскад работает в режиме класса А. Это означает всего лишь то, что транзистор усиливает обе полуволны сигнала.

Хотя интуитивно этот режим кажется вполне подходящим для работы транзисторов, практически во всех выходных каскадах усилителей мощности используется более эффективный режим класса АВ. При работе в этом режиме уменьшается мощность потерь, идущая на тепловыделение, в итоге усилители класса АВ оказываются гораздо более экономичными, чем аппараты класса А. Поэтому режим АВ часто используют в схемах, работающих с большими токами.

В усилителях класса АВ транзисторы объединены в комплементарные пары, каждая из которых состоит из прп- и pnp-транзисторов. Обозначение npn/pnp относится к внутренней структуре транзистора, которая определяет полярность напряжений, подаваемых на транзистор. В комплементарной паре прп-транзи-стор соединен с pnp-транзистором (рис. Б-23). "Верхний" транзистор типа прп усиливает положительную полуволну звукового сигнала, а "нижний", типа рпр — отрицательную. Когда верхний транзистор проводит ток, нижний закрыт, и наоборот. В этой схеме при усилении синусоидального сигнала половину времени каждый из транзисторов закрыт, благодаря чему выделяется меньше тепла и облегчается работа транзистора.

DC-

Звуковые усилители класса АВ строят по двухтактной схеме. В короткий промежуток времени, когда ток протекает через оба транзистора, он вытекает из одного транзистора и втекает в другой. Направление тока на схеме рис Б-23 обозначено стрелками. При усилении полуволны определенной полярности большую часть времени работает только один из транзисторов комплементарной пары. Благодаря тому, что транзисторов два, усиленными оказываются обе полуволны.

Фактически, все усилители мощности класса АВ работают в режиме класса А до значений выходной мощности в несколько ватт, а затем переходят в режим класса В. При малых значениях сигнала обе половины комплементарной пары проводят ток; это означает, что выходной каскад работает в режиме класса А. Уровень выходной мощности, при котором происходит переход в режим класса В, определяется током смещения, протекающим по базам выходных транзисторов. Больший ток смещения сильнее открывает транзисторы, позволяя им усиливать обе полуволны звукового сигнала до более высоких значений выходной мощности. Но существует ограничение на выходную мощность усилителя в режиме класса А. Она определяется величиной тока, с которой могут работать транзисторы, и тем, насколько хорошо отводится от них тепло, а также мощностью блока питания. Усилители чистого класса А — это громоздкие, очень тяжелые (из-за массивных сетевых трансформаторов) аппараты, они выделяют большое количество тепла и весьма дороги в пересчете "доллар на ватт".

Работа усилителя в режиме класса А позволяет добиться меньших нелинейных искажений, чем в режиме класса АВ, да и общее качество звучания у них лучше. Для усилителей класса В характерны нелинейные искажения, называе мые центральной отсечкой. Они проявляются в уменьшении или исчезновении сигнала при переходе через ноль в тот момент, когда один транзистор закрывается, а другой — открывается. Две половинки комплементарной пары на

практике не полностью идентичны, что и приводит к искажениям центральной отсечки. Такого не может произойти в усилителях класса А. Выходные каскады класса А обладают еще одним преимуществом: транзисторы всегда имеют одну и ту же температуру, независимо от мощности усиливаемого сигнала, в результате чего выходной каскад работает в более линейном и стабильном режиме (в главе б можно найти подробное описание выходных каскадов усилителя и их влияние на качество звучания).

Описанные выше транзисторы типов прп и рпр называются биполярными, так как ток течет через слои полупроводника обоих типов проводимости, р и п, и создается носителями зарядов разных знаков. Существуют также транзисторы другого типа, так называемые полевые транзисторы с управляющим рп-перехо-дом (ПТ), часто используемые для усиления малых сигналов. Их называют также униполярными транзисторами, поскольку ток обусловлен носителями зарядов одного знака. Условное графическое обозначение ПТ показано на рис. Б-24. Их внешние электроды, называемые затвором, истоком и стоком, соответствуют базе, эмиттеру и коллектору прп- и рпр-транзисторов. ПТ часто используют во входных каскадах усилителей, так как они имеют высокое входное сопротивление. В качестве смещения для ПТ транзисторов используется напряжение, а не ток, как в биполярных транзисторах. ПТ используются в усилительных каскадах с низким уровнем сигнала, а также в качестве электронных ключей.

Другой тип полевого транзистора — это МОП-транзисторы. Они иногда используются в выходных каскадах усилителей мощности.