Усилители низкой частоты (УНЧ) используют для преобразования слабых сигналов преимущественно звукового диапазона в более мощные сигналы, приемлемые для непосредственного восприятия через электродинамические или иные излучатели звука.
Заметим, что высокочастотные усилители до частот 10… 100 МГц строят по аналогичным схемам, все отличие чаще всего сводится к тому, что значения емкостей конденсаторов таких усилителей уменьшаются во столько раз, во сколько частота высокочастотного сигнала превосходит частоту низкочастотного.
Простой усилитель на одном транзисторе
Простейший УНЧ, выполненный по схеме с общим эмиттером, показан на рис. 1. В качестве нагрузки использован телефонный капсюль. Допустимое напряжение питания для этого усилителя 3…12 В.
Величину резистора смещения R1 (десятки кОм) желательно определить экспериментально, поскольку его оптимальная величина зависит от напряжения питания усилителя, сопротивления телефонного капсюля, коэффициента передачи конкретного экземпляра транзистора.
Рис. 1. Схема простого УНЧ на одном транзисторе + конденсатор и резистор.
Для выбора начального значения резистора R1 следует учесть, что его величина примерно в сто и более раз должна превышать сопротивление, включенное в цепь нагрузки. Для подбора резистора смещения рекомендуется последовательно включить постоянный резистор сопротивлением 20…30 кОм и переменный сопротивлением 100… 1000 кОм, после чего, подав на вход усилителя звуковой сигнал небольшой амплитуды, например, от магнитофона или плеера, вращением ручки переменного резистора добиться наилучшего качества сигнала при наибольшей его громкости.
Величина емкости переходного конденсатора С1 (рис. 1) может находиться в пределах от 1 до 100 мкФ: чем больше величина этой емкости, тем более низкие частоты может усиливать УНЧ. Для освоения техники усиления низких частот рекомендуется поэкспериментировать с подбором номиналов элементов и режимов работы усилителей (рис. 1 — 4).
Часть 5
В звуковом отношении схема оказалась весьма чувствительна к качеству монтажа и количеству паек, причем настолько, что пришлось катодную цепь радикально минимизировать: катодный резистор одним выводом припаян прямо к ножке лампы, другим — к общей точке схемы. Монтаж входного каскада и цепей регулятора громкости сделан серебряной моножилой Jensen диаметром 0,8 мм. Все остальные цепи — медным проводом.
Также данная схема весьма чувствительна к типу катодного резистора. Углеродные, в том числе и БЛП, здесь оказались просто отвратительны, проволочные удовлетворительны, но не более того. ПТМН мне вообще не очень понравились, хотя набрал я их для экспериментов чудовищное количество. Как настроечный же элемент для получения желаемой окраски звука усилителя в целом катодный резистор непригоден.
Анодный резистор первого каскада — вот идеальный элемент для необходимой подкраски звука усилителя! Выбор типа этого резистора оказывает прямое влияние на звук.
Сейчас у меня это танталовый фольговый резистор, но я так и не смог сделать окончательный выбор между ним и Riken Ohm. Звук у них разный: Riken Ohm дает очень красивый окрас середины, какую-то особую динамику, смягчая верх и чуть смазывая детальность, а тантал стерилен и очень детален.
Как раз с танталовыми резисторами меня и подстерегла засада. Примерно год назад, излившись в Интернете (www.dvdworld.ru/cgi-bin/audiobbs.pl) мыслями по поводу звуковых качеств разных резисторов, я забраковал тантал. Но позднейшие мои изыскания показали, что это была ловушка, от попадания в которую я сам же и предостерегал. Дело в том, что хороший компонент может показаться «плохим», если в результате его установки в схему проявятся недостатки других узлов тракта. И резкость звука, которая мне тогда казалась свойством тантала, в действительности оказалась недостатком моего тогдашнего ЦАПа. Сейчас же справедливость восторжествовала, но звук Riken Ohm мне всё равно нравится.
В утечку первого каскада лучше что-нибудь пленочное — хорошее и прецизионное. Про прецизионные резисторы я говорю не случайно. Обычно это означает повышенное качество резистора вообще. (Во втором каскаде не так критично — можно и пленку, и углерод.) Подозреваю, что фольговые танталовые или медные будут еще лучше, но пока я не смог найти их на столь малые номиналы. Наилучшими здесь пока оказались отечественные С2-10. [12]
[12] С2-10 являются высокочастотными точными, что хорошо видно при внешнем осмотре. Основные признаки:
- Блестящие не закрашенные колпачки.
- На проводящем слое отсутствуют спиральные канавки — безындуктивность.
- Присутствуют следы подгонки — продольные пропилы, сделанные алмазным диском.
- Некоторые резисторы имеют темный синеватый металлический оттенок покрытия проводящего слоя.
Что касается выбора конденсатора С4, то моя остановка на ФТ определяется просто — это лучшее, из того, что я пробовал. По ФТ могу сказать то же, что и по танталовым резисторам: нейтральность и детальность без яда и резкости. Не буду утверждать, что они лучшие вообще. Например, очень хочу попробовать знаменитые медные конденсаторы Jensen (бумага — масло), о которых весьма положительно отзывались С. Рубцов и О. Хавин. Как у нас говорят: «Будут деньги — будет и медь с маслом!».
Прослушивались же такие конденсаторы: МБМ, К40-У9, К73, К71 — всё очень плохо! MultiCap RTX и PPFX, алюминиевый Jensen (бумага — масло) 1973 года [13], ССГ, К31 — сносно, но не более.
[13] Неудача с Jensen, вероятно, вызвана тем, что они были старые и чисто электротехнические, несмотря на то, что выдраны из какого-то Audio Note.
Если вы задумали строить усилитель, то затраты на выходные трансформаторы настоятельно рекомендую планировать следующим образом:
- Располагая энной суммой под построение усилителя и имея намерение потратить её более-менее сразу, на трансформаторы отложите половину и никак не меньше.
- Если вы планируете потратить энную сумму в течение длительного времени (постепенная доводка), то повысьте стоимость трансов до двух третей этой суммы. Постепенно тратить легче.
Выходные трансформаторы (да и любые трансформаторы вообще!) не бывают слишком хорошими, просто бывает мало денег. Если даже в хорошей и «правильной» схеме поставить дешевое железо — чуда не случится, она не заиграет так, как могла бы. Трансформатор — сердце усилителя.
К сожалению, серьезная технология изготовления качественных трансформаторов, особенно для однотактных усилителей, за 80 последних лет не придумала дешевых решений. Так что не советую вам тешить себя надеждой намотать качественный выходной трансформатор самому на кухне. К тому времени, когда они станут у вас получаться более-менее сносными, уже наступят возрастные болезни, в том числе и ухудшение слуха.
Изготовление по-настоящему хороших трансформаторов под силу слаженным коллективам, например, нашим родным «ЭРАудио» из Новосибирска либо иноземным дядькам из Tamura-Magnequest-Sowter’ов и др. При этом ещё раз хочу напомнить историю о том, что трансформаторы Tango [14] перестали выпускаться по причине преклонного возраста делавших их японских дедушек, которые так и не смогли передать накопленный опыт молодому поколению.
[14] В настоящее время трансформаторы Tango продолжают выпускаться в Японии, но уже другим «коллективом авторов». Их номенклатура поредела более чем на две трети, а дорогие и качественные однотактные модели из неё исчезли совсем. Трансформаторы Tango прежних лет в настоящее время постепенно переходят в разряд антиквариата, в том числе и по цене. — Прим. ред.
Улучшениые варианты однотранзисторного усилителя
Усложненные и улучшенные по сравнению со схемой на рис. 1 схемы усилителей приведены на рис. 2 и 3. В схеме на рис. 2 каскад усиления дополнительно содержит цепочку частотнозависимой отрицательной обратной связи (резистор R2 и конденсатор С2), улучшающей качество сигнала.
Рис. 2. Схема однотранзисторного УНЧ с цепочкой частотнозависимой отрицательной обратной связи.
Рис. 3. Однотранзисторный усилитель с делителем для подачи напряжения смещения на базу транзистора.
Рис. 4. Однотранзисторный усилитель с автоматической установкой смещения для базы транзистора.
В схеме на рис. 3 смещение на базу транзистора задано более «жестко» с помощью делителя, что улучшает качество работы усилителя при изменении условий его эксплуатации. «Автоматическая» установка смещения на базе усилительного транзистора применена в схеме на рис. 4.
История
- 1904 год — Ли де Форест на основе созданной им электронной лампы — триода — разработал устройство усиления электрических сигналов (усилитель), состоящее из нелинейного элемента (лампы) и статического сопротивления Ra, включенного в анодную цепь.
- 1932 год — Гарри Найквист определил условия устойчивости (способности работать без самовозбуждения) усилителей, охваченных отрицательной обратной связью.
- 1942 год — в США построен первый операционный усилитель — усилитель постоянного тока с симметричным (дифференциальным) входом и значительным собственным коэффициентом усиления (более 1000) как самостоятельное изделие. Основным назначением данного класса усилителей стало его использование в аналоговых вычислительных устройствах для выполнения математических операций над электрическими сигналами. Отсюда его первоначальное название — решающий.
Двухкаскадный усилитель на транзисторах
Соединив последовательно два простейших каскада усиления (рис. 1), можно получить двухкаскадный УНЧ (рис. 5). Усиление такого усилителя равно произведению коэффициентов усиления отдельно взятых каскадов. Однако получить большое устойчивое усиление при последующем наращивании числа каскадов нелегко: усилитель скорее всего самовозбудится.
Рис. 5. Схема простого двухкаскадного усилителя НЧ.
Новые разработки усилителей НЧ, схемы которых часто приводят на страницах журналов последних лет, преследуют цель достижения минимального коэффициента нелинейных искажений, повышения выходной мощности, расширения полосы усиливаемых частот и т.д.
В то же время, при наладке различных устройств и проведении экспериментов зачастую необходим несложный УНЧ, собрать который можно за несколько минут. Такой усилитель должен содержать минимальное число дефицитных элементов и работать в широком интервале изменения напряжения питания и сопротивления нагрузки.
Схема УНЧ на полевом и кремниевом транзисторах
Схема простого усилителя мощности НЧ с непосредственной связью между каскадами приведена на рис. 6 [Рл 3/00-14]. Входное сопротивление усилителя определяется номиналом потенциометра R1 и может изменяться от сотен Ом до десятков МОм. На выход усилителя можно подключать нагрузку сопротивлением от 2…4 до 64 Ом и выше.
При высокоомной нагрузке в качестве VT2 можно использовать транзистор КТ315. Усилитель работоспособен в диапазоне питающих напряжений от 3 до 15 В, хотя приемлемая работоспособность его сохраняется и при снижении напряжения питания вплоть до 0,6 В.
Емкость конденсатора С1 может быть выбрана в пределах от 1 до 100 мкФ. В последнем случае (С1 =100 мкФ) УНЧ может работать в полосе частот от 50 Гц до 200 кГц и выше.
Рис. 6. Схема простого усилителя низкой частоты на двух транзисторах.
Амплитуда входного сигнала УНЧ не должна превышать 0,5…0,7 В. Выходная мощность усилителя может изменяться от десятков мВт до единиц Вт в зависимости от сопротивления нагрузки и величины питающего напряжения.
Настройка усилителя заключается в подборе резисторов R2 и R3. С их помощью устанавливают напряжение на стоке транзистора VT1, равное 50…60% от напряжения источника питания. Транзистор VT2 должен быть установлен на теплоотводя-щей пластине (радиаторе).
Intro
Вообще-то, звук — дело вкуса. От схемы я старался добиться нейтральности, детальности [1] и ровных на слух тембрального и частотного баланса, как исходной посылки для дальнейших процедур. Что-то вроде чистого холста.
[1] Под детальностью я подразумеваю передачу тонких оттенков тембров, реверберации, естественности затухания звуков, послезвучия… Она же, детальность, проявляется в натуральности передачи и естественности динамики хорошо знакомых нам звуков, впитанных нами с детства.
Что же касается музыки, то здесь, особенно на неважно сделанных записях, иногда хочется что-нибудь подкрасить или, наоборот, замазать. Вплоть до установки переключателя «мягко — нейтрально — динамично».
В результате все решения окончательно выбирались (или отбраковывались) путем прослушивания. Это мой усилитель, и звучит он так, как я считаю должным. Без претензий на Абсолют(ность)…
В тоже время я особо не «затачивался» на том, что схема не потерпит вольного вмешательства и никак не подойдет «чайникам» с необременительным достатком. Но, несмотря на внешнюю простоту, схема усилителя вылизывалась долго — несколько лет. Её возможности раскроются только с хорошими источником и акустикой.
На мой слух усилитель вышел из-под паяльника достаточно прозрачный, чтобы получить любой желаемый тип звука путем подбора соответствующих деталей [2]. Если кто-нибудь из вас или ваших знакомых хотя бы попробует первый каскад (собственно, вся изюминка в нем!) в максимально строгом окружении — было бы совсем здорово! А то ссылки на восторженные отзывы только одного человека, к тому же автора схемы — это не совсем убедительно.
[2] В первую очередь, это анодный резистор первого каскада и межкаскадный конденсатор. Ну, и остальные компоненты тоже что-то значат…
Трекаскадный УНЧ с непосредственной связью
На рис. 7 показана схема другого внешне простого УНЧ с непосредственными связями между каскадами. Такого рода связь улучшает частотные характеристики усилителя в области нижних частот, схема в целом упрощается.
Рис. 7. Принципиальная схема трехкаскадного УНЧ с непосредственной связью между каскадами.
В то же время настройка усилителя осложняется тем, что каждое сопротивление усилителя приходится подбирать в индивидуальном порядке. Ориентировочно соотношение резисторов R2 и R3, R3 и R4, R4 и R BF должно быть в пределах (30…50) к 1. Резистор R1 должен быть 0,1…2 кОм. Расчет усилителя, приведенного на рис. 7, можно найти в литературе, например, [Р 9/70-60].
Схемы каскадных УНЧ на биполярных транзисторах
На рис. 8 и 9 показаны схемы каскодных УНЧ на биполярных транзисторах. Такие усилители имеют довольно высокий коэффициент усиления Ку. Усилитель на рис. 8 имеет Ку=5 в полосе частот от 30 Гц до 120 кГц [МК 2/86-15]. УНЧ по схеме на рис. 9 при коэффициенте гармоник менее 1% имеет коэффициент усиления 100 [РЛ 3/99-10].
Рис. 8. Каскадный УНЧ на двух транзисторах с коэффициентом усиления = 5.
Рис. 9. Каскадный УНЧ на двух транзисторах с коэффициентом усиления = 100.
Экономичный УНЧ на трех транзисторах
Для портативной радиоэлектронной аппаратуры важным параметром является экономичность УНЧ. Схема такого УНЧ представлена на рис. 10 [РЛ 3/00-14]. Здесь использовано каскадное включение полевого транзистора VT1 и биполярного транзистора VT3, причем транзистор VT2 включен таким образом, что стабилизирует рабочую точку VT1 и VT3.
При увеличении входного напряжения этот транзистор шунтирует переход эмиттер — база VT3 и уменьшает значение тока, протекающего через транзисторы VT1 и VT3.
Рис. 10. Схема простого экономичного усилителя НЧ на трех транзисторах.
Как и в приведенной выше схеме (см. рис. 6), входное сопротивление этого УНЧ можно задавать в пределах от десятков Ом до десятков МОм. В качестве нагрузки использован телефонный капсюль, например, ТК-67 или ТМ-2В. Телефонный капсюль, подключаемый при помощи штекера, может одновременно служить выключателем питания схемы.
Напряжение питания УНЧ составляет от 1,5 до 15 В, хотя работоспособность устройства сохраняется и при снижении питающего напряжения до 0,6 В. В диапазоне напряжения питания 2… 15 В потребляемый усилителем ток описывается выражением:
1(мкА) = 52 + 13*(Uпит)*(Uпит),
где Uпит — напряжение питания в Вольтах (В).
Если отключить транзистор VT2, потребляемый устройством ток увеличивается на порядок.
Двухкаскадные УНЧ с непосредственной связью между каскадами
Примерами УНЧ с непосредственными связями и минимальным подбором режима работы являются схемы, приведенные на рис. 11 — 14. Они имеют высокий коэффициент усиления и хорошую стабильность.
Рис. 11. Простой двухкаскадный УНЧ для микрофона (низкий уровень шумов, высокий КУ).
Рис. 12. Двухкаскадный усилитель низкой частоты на транзисторах КТ315.
Рис. 13. Двухкаскадный усилитель низкой частоты на транзисторах КТ315 — вариант 2.
Микрофонный усилитель (рис. 11) характеризуется низким уровнем собственных шумов и высоким коэффициентом усиления [МК 5/83-XIV]. В качестве микрофона ВМ1 использован микрофон электродинамического типа.
В роли микрофона может выступать и телефонный капсюль. Стабилизация рабочей точки (начального смещения на базе входного транзистора) усилителей на рис. 11 — 13 осуществляется за счет падения напряжения на эмиттерном сопротивлении второго каскада усиления.
Рис. 14. Двухкаскадный УНЧ с полевым транзистором.
Усилитель (рис. 14), имеющий высокое входное сопротивление (порядка 1 МОм), выполнен на полевом транзисторе VT1 (истоковый повторитель) и биполярном — VT2 (с общим).
Каскадный усилитель низкой частоты на полевых транзисторах, также имеющий высокое входное сопротивление, показан на рис. 15.
Рис. 15. схема простого двухкаскадного УНЧ на двух полевых транзисторах.
Литература
- Симонов Ю. Л. Усилители промежуточной частоты. — М.: Советское радио, 1973
- Букреев С. С. Транзисторные усилители низкой частоты с обратной связью. — М.: Советское радио, 1972
- Войшвилло Г. В. Усилительные устройства: Учебник для вузов. 2-е изд. — М.: Радио и связь. 1983
- Справочник по радиоэлектронным устройствам: Т. 1 / Под ред. Д. П. Линде — М.: Энергия, 1978
- Рамм Г. С. Электронные усилители.
- Шамшин В. Г. История технических средств коммуникации, 2003.
- Кулешов В.Н., Удалов Н.Н., Богачев В.М. и др.
Генерирование колебаний и формирование радиосигналов. — М.: МЭИ, 2008. — 416 с. — ISBN 978-5-383-00224-7.
Нормативно-техническая документация
- ГОСТ 23849-87. Аппаратура радиоэлектронная бытовая. Методы измерения электрических параметров усилителей сигналов звуковой частоты.
- ГОСТ 24388-88. Усилители сигналов звуковой частоты бытовые. Общие технические условия.
- ГОСТ 29180-91. Совместимость технических средств электромагнитная. Приборы СВЧ. Усилители малошумящие. Параметры и характеристики. Методы измерений.
- ОСТ4-203.007-84. Аппаратура для озвучивания открытых и закрытых пространств. Усилители звуковой частоты. Общие технические условия.
- ОСТ45-138-99. Усилители оконечные звуковой частоты станций проводного вещания. Основные параметры. Методы измерений.
- IEC 60527(1975). Усилители постоянного тока. Характеристики и методы испытаний.
- IEC 60581-6(1979). Акустическая аппаратура и системы высокой верности воспроизведения (Ні-Fi). Минимальные требования к параметрам. Часть 6. Усилители.
- IEC 61305-3(1995). Аудиоаппаратура и аудиосистемы с высокой верностью воспроизведения бытовые. Методы измерения и установления рабочих характеристик. Часть 3: Усилители.
- IEC 60268-3(2000). Оборудование звуковых систем. Часть 3. Усилители.
