はじめに
親愛なるhabrayuzerさん、こんにちは。音響周波数増幅器の構築の基本についてお話したいと思います。 この記事は、無線電子機器に一度も関わったことがない人にとっては興味深いものであり、もちろん、はんだごてを手放さない人にとっては面白いものになると思います。 そして、私はこのトピックについてできるだけ簡単に話し、残念ながらニュアンスのいくつかを省略しようとします。
オーディオ周波数増幅器または低周波増幅器、それがすべて同じように機能する方法、およびなぜ非常に多くのトランジスタ、抵抗器、コンデンサがあるのかを理解するには、各要素がどのように機能するかを理解し、これらの要素がどのように配置されているかを調べる必要があります。 プリミティブアンプを組み立てるには、抵抗、コンデンサ、そしてもちろんトランジスタの3種類の電子素子が必要です。
抵抗器
したがって、私たちが持っている抵抗器は電流に対する抵抗によって特徴付けられ、この抵抗はオームで測定されます。 各導電性金属または金属合金には固有の抵抗があります。 大きな抵抗率を持つ特定の長さのワイヤを使用すると、実際のワイヤ抵抗器が得られます。 抵抗器をコンパクトにするために、ワイヤをフレームに巻き付けることができます。 したがって、ワイヤー抵抗器を入手しますが、いくつかの欠点があります。そのため、抵抗器は通常サーメット材料で作られています。 これは、電気回路上で抵抗がどのように表示されるかです：
米国で採用された指定の上位バージョン、ロシアおよびヨーロッパで下位のバージョン。
コンデンサ
コンデンサは、 誘電体で分離された2つの金属板です。 これらのプレートに定電圧を印加すると、電界が発生します。これは、電源をオフにした後、それぞれプレートの正電荷と負電荷をサポートします。
コンデンサ設計の基本は、2つの導電性プレートで、その間に誘電体があります
したがって、コンデンサは電荷を蓄積することができます。 電荷を蓄積するこの能力は、 電気容量と呼ばれ、コンデンサの主なパラメータです。 電気容量はファラッドで測定されます。 まだ特徴的なのは、コンデンサを充電または放電すると、電流が流れることです。 しかし、コンデンサーが充電されるとすぐに電流が流れなくなります。これは、コンデンサーが電源を充電したためです。つまり、コンデンサーと電源の電位は同じであり、電位差（電圧）がなければ電流はありません。 したがって、充電されたコンデンサは一定の電流を流さず、交流電流を流します。これは、交流電流に接続されると、常に充電および放電されるためです。 電気回路では、次のように指定されます。
トランジスタ
アンプでは、最も単純なバイポーラトランジスタを使用します。 トランジスタは半導体材料でできています。 この材料に必要な特性は、正電荷と負電荷の両方の自由キャリアの存在です。 どの電荷が大きいかに応じて、半導体はn型とp型（nマイナス、pプラス）の2種類の導電性に区別されます。 負の電荷は結晶格子の原子の外殻から放出される電子であり、正の電荷はいわゆるホールです。 正孔は、電子が電子を離れた後、電子の殻に残っている空いている場所です。 外側の軌道にマイナス記号の付いた青い円のある電子を持つ原子と、空の場所がある空の円のある原子を任意に指定します。
各バイポーラトランジスタは、このような半導体の3つのゾーンで構成され、これらのゾーンはベース、エミッタ、コレクタと呼ばれます。
トランジスタの例を考えてみましょう。 これを行うには、2つの1.5ボルトと5ボルトのバッテリをトランジスタに、プラスエミッタに、マイナスをベースとコレクタにそれぞれ接続します（図を参照）。
ベースとエミッタの接点に電磁場が現れ、文字通りベース原子の外側軌道から電子を引き出してエミッタに転送します。 自由電子はそれらの後ろにホールを残し、すでにエミッターの空いている位置を占有します。 同じ電磁界はコレクターの原子に同じ効果をもたらします。また、トランジスターのベースはエミッターとコレクターに比べて非常に薄いため、コレクターの電子はエミッターに非常に簡単に通過し、ベースからよりもはるかに多くの量で通過します。
ベースから電圧を切断すると、電磁場がなくなり、ベースが誘電体として機能し、トランジスタが閉じます。 したがって、十分に低い電圧がベースに印加されると、エミッタとコレクタへのより大きな印加電圧を制御できます。
2つのpゾーンと1つのnゾーンがあるため、 pnp-型トランジスタを検討しました。 npnトランジスタもあり、それらの動作原理は同じですが、電流は、調べたトランジスタとは反対方向に流れます。 これは、電気回路上でバイポーラトランジスタがどのように表示されるか、矢印は電流の方向を示します。
ULF
さて、これから低周波増幅器を設計してみましょう。 まず、増幅する信号が必要です。これは、コンピューターのサウンドカードまたは線形出力を備えた他のサウンドデバイスです。 0.2 Aの電流で約0.5ボルトの最大振幅を持つ信号を次のように考えてみましょう。
そして、最も単純な4Ω10ワットのスピーカーを機能させるには、電流強度をI = U / R = 6/4 = 1.5 Aにして、信号振幅を6ボルトに増やす必要があります。
それでは、信号をトランジスタに接続してみましょう。 トランジスタと2つのバッテリーを使用した回路を思い出してください。1.5ボルトのバッテリーの代わりに、ライン出力信号があります。 抵抗R1は負荷として機能するため、短絡は発生せず、トランジスタは焼損しません。
しかし、ここで2つの問題がすぐに発生します。まず、 npn型トランジスタで、半波が正の場合にのみ開き、負の場合に閉じます。
第二に、トランジスタは、他の半導体デバイスと同様に、電圧と電流に対して非線形特性を持ち、電流と電圧が小さいほど、これらの歪みが強くなります。
信号から半波だけが残っていただけでなく、歪んでもいます：
これは、いわゆるステップ型の歪みです。
これらの問題を取り除くには、信号の正弦波全体が適合し、非線形歪みが無視できるトランジスタの動作領域に信号をシフトする必要があります。 これを行うには、2つの抵抗R2とR3で構成される分圧器を使用して、バイアス電圧、たとえば1ボルトをベースに印加します。
そして、トランジスタに入る信号は次のようになります。
ここで、トランジスタのコレクタから有用な信号を削除する必要があります。 これを行うには、コンデンサC1を取り付けます。
思い出すように、コンデンサは交流電流を伝送し、一定の電流を通過させないため、有用な信号である正弦波のみを通過させるフィルタとして機能します。 そして、コンデンサを通過しなかった定数成分は、抵抗器R1によって散乱されます。 有用な信号である交流電流はコンデンサを通過する傾向があるため、コンデンサの抵抗は抵抗R1に比べて無視できます。
それで、アンプの最初のトランジスタ段を得ました。 しかし、さらに2つの小さなニュアンスがあります。
どの信号がアンプに入るか、100％を知りません。突然信号源が故障し、何かが起こる可能性があります。再び静電気または定電圧が有用な信号とともに通過します。 これにより、トランジスタが正常に動作しなくなったり、誤動作する可能性があります。 これを行うには、コンデンサーC1のようなコンデンサーC2を取り付けます。これは、定電流をブロックし、コンデンサーの制限された静電容量は、トランジスタを台無しにする可能性のある大きな振幅のピークを通過しません。 このような電力サージは、通常、デバイスのオン/オフ時に発生します。
そして2番目のニュアンスである信号源には、特定の特定の負荷（抵抗）が必要です。 したがって、カスケードの入力インピーダンスは重要です。 入力抵抗を調整するには、エミッタ回路に抵抗R4を追加します。
これで、トランジスタ段の各抵抗とコンデンサの目的がわかりました。 ここで、使用する必要のある要素の種類を計算してみましょう。
ソースデータ：
- U = 12 V-電源電圧;
- U BE〜1 V-トランジスタの動作点のエミッターベース電圧;
トランジスタを選択してください、 npnトランジスタ2N2712は私たちに適しています
- P max = 200 mW-最大消費電力;
- I max = 100 mA-最大定コレクタ電流;
- U max = 18 V-コレクターベース/コレクターエミッターの最大許容電圧（供給電圧は12 Vであるため、余裕を持って十分です）;
- U eb = 5 V-最大許容エミッターベース電圧（当社の電圧は1ボルト±0.5ボルト）;
- h21 = 75-225-ベース電流ゲイン、最小値が受け入れられます-75;
- トランジスタの最大静的電力を計算します。最大消費電力より20％少ないため、トランジスタはその能力の限界まで動作しません。
P st.max = 0.8 * P max = 0.8 * 200mW = 160 mW;
- ベースがトランジスタを介して電圧を受け取らないという事実にもかかわらず、静的モード（信号なし）でコレクタ電流を決定しますが、電流はわずかに流れます。
I k0 = P st.max / U ke 、ここで、 U keはコレクタ-エミッタ接合電圧です。 電源電圧の半分はトランジスタで消費され、残りの半分は抵抗で消費されます。
U ke = U / 2;
I k0 = P st.max /（ U / 2）= 160 mW /（12V / 2）= 26.7 mA;
- 負荷抵抗を計算します。最初は抵抗R1が1つあり、この役割を果たしましたが、カスケードの入力抵抗を増やすために抵抗R4を追加したので、負荷抵抗はR1とR4で構成されます。
R n = R1 + R4 、ここでR nは総負荷抵抗です。
R1とR4の比率は、通常1〜10になります。
R1 = R4 * 10;
負荷抵抗を計算します。
R1 + R4 =（ U / 2）/ I k0 =（12V / 2）/ 26.7 mA =（12V / 2）/ 0.0267 A = 224.7オーム;
最も近い抵抗は200オームと27オームです。 R1 = 200オーム、 R4 = 27オーム。
- ここで、信号のないトランジスタのコレクタの電圧を見つけます。
U k0 =（ U ke0 + I k0 * R4 ）=（ U - I k0 * R1 ）=（12V -0.0267 A * 200 Ohm）= 6.7 V;
- トランジスタ制御ベース電流：
I b = I k / h21 、ここでI kはコレクタ電流です。
I k =（ U / R n ）;
I b =（ U / R n ）/ h21 =（12V /（200 Ohm + 27 Ohm））/ 75 = 0.0007 A = 0.07 mA;
- 合計ベース電流は、分圧器R2およびR3によって設定されるベースのバイアス電圧によって決まります。 分圧器によって設定される電流は、ベース制御電流（ I b ）の5〜10倍にする必要があります。これにより、ベース制御電流自体がバイアス電圧に影響を与えません。 したがって、分圧器電流（ I div ）の値については、0.7 mAを使用してR2とR3を計算します。
R2 + R3 = U / I div = 12V / 0.007 = 1714.3オーム
- ここで、トランジスタのアイドル状態でのエミッターの電圧（ U e ）を計算します。
U e = I k0 * R4 = 0.0267 A * 27オーム= 0.72 V
はい、 I k0はコレクタ静止電流ですが、同じ電流がエミッタを通過するため、 I k0はトランジスタ全体の静止電流と見なされます。
- バイアス電圧（ U cm = 1V）を考慮して、ベースの合計電圧（ U b ）を計算します。
U b = U e + U cm = 0.72 + 1 = 1.72 V
ここで、分圧器の式を使用して、抵抗器R2とR3の値を見つけます。
R3 =（ R2 + R3 ）* U b / U = 1714.3オーム* 1.72 V / 12 V = 245.7オーム;
最も近い抵抗定格は250オームです。
R2 =（ R2 + R3 ）-R3 = 1714.3オーム-250オーム= 1464.3オーム;
抵抗値は減少方向に選択され、最も近いR2 = 1.3 kOhmです。
- コンデンサC1およびC2は通常、少なくとも5マイクロファラッドを設定します。 コンデンサが再充電する時間がないように容量が選択されます。
おわりに
カスケードの出力では、電流と電圧、つまり電力の両方で比例的に増幅された信号を取得します。 しかし、必要なゲインを得るには1つのカスケードでは不十分であるため、次を追加する必要があります...など。
考慮される計算は非常に表面的なものであり、そのようなゲイン方式はアンプの構造には使用されません。送信される周波数、歪みなどの範囲を忘れてはなりません。