Что такое усилитель?
В электрических схемах очень часто встречаются сигналы малой мощности. Например, это может быть звуковой сигнал с динамического микрофона
слабый радиосигнал, который ловит из эфира ваш китайский радиоприемник
Либо отраженный сигнал от ракеты противника, который уже потом ловит, усиливает и отслеживает радиолокационная установка. Для примера: зенитно-ракетный комплекс ТОР:
Как вы видите, в электронике абсолютно везде требуется усиление слабых сигналов. Для того, чтобы их усиливать, как раз нужны усилители сигналов. Усилители широко применяются в радиолокации, телевидении, радиовещании, телеметрии, в вычислительной технике, авторегулировании, в системах автоматики и тд.
Некоторые особенности экспериментального тракта.
В тракте использованы провода и компоненты из приемников Telefunken и Siemens 30х-40х годов.
Проходные конденсаторы самодельные: фольга медная, диэлектрик трехслойный: «бумага – тонкий упаковочный полиэтилен – бумага» т.к. прямой контакт диэлектрика (масла в том числе) и проводника отрицательно влияет на характер окраски компонента. В случае с сухим диэлектриком это можно исправить проложив между проводником и диэлектриком бумагу или хлопковую ткань. Выводы конденсаторов соединены с фольгой без пайки – рулон просто крепко скручен и сильно перетянут ХБ изолентой. И в выводах и в фольге учтены направления.
Выпрямитель – однополупериодный [12] – при использовании стандартной двухполупериодной схемы и стандартного сетевого трансформатора одна из обмоток трансформатора будет в неправильном направлении. Также пагубно влияют на качество звука параллельные пути прохождения сигнала.
Резисторы – монтажные провода соединены с графитовым покрытием напрямую с учетом направлений как проводов, так и графитового покрытия.
Ламповые панельки, аудио и сетевые разъемы – (!) Все лепестки разъемов имеют направленность. Панельки собраны с использованием лепестков с необходимыми направлениями согласно схемы рис 1. RSA разъемы, как «мамы» так и «папы» на межблочном кабеле, использованы от различных производителей тоже с необходимыми направлениями.
Источник сигнала – для достижения максимально короткого пути сигнал взят прямо с выходных ножек ЦАП.
Громкоговоритель – «Ноэма» – 75ГДШ33–16. Перемотан подходящим по диаметру проводом Telefunken и без разрывов выведен прямо на выходные контакты (на участке от диффузора до выходных контактов где обычно применяется «литц» провод свит по подобию телефонного шнура и проклеен резиновым клеем).
Музыкальный материал – мастер диски произведенные по технологии АМЛ+ и другие с удачным ремастерингом записей 40х-60х годов.
(!) Везде, где есть возможность, вместо пайки применены скрутки. (Пайка сильно ухудшает ясность – уже при общем количестве паек в тракте в 20 штук избавление от каждой из них вносит очень серьезный вклад в улучшение звучания тракта. Если в тракте больше 30-40 паек, то его ясность страдает уже настолько, что отличить на слух скрутку от пайки достаточно проблематично). Проходные конденсаторы и сигнальные провода удалены от стального шасси на не менее чем 5 мм (в противном случае уходит ясность и разборчивость окраски на ВЧ). Косвенно это подтверждает отрицательное влияние экранированных проводов на звук [13]. Использованы только одножильные провода (в многожильных очень часто жилки уложены не в одном направлении, поэтому звук многожильных проводов сильно зависит от места касания и всегда менее ясен, чем у одной отдельно взятой жилки того же кабеля).
Антон Степичев.
Санкт Петербург,
28 июня 2005 г.
Автор выражает свою признательность А. Лихницкому за помощь в написании статьи.
_________________________________________________________________
[1] – А.М. Лихницкий Размышления об окраске звучания, АМ №1(48), 2003 стр.160-163.
[2] -F.E.Toole. Listening test – Turning Option into Fakt. – JAES, V.30, №6, 1982, p.431-445.
[3] – Установлено Олегом Хавиным (заявлено ранее на форуме www.aml.nm.ru)
[4] – Установлено Анатолием Лихницким (заявлено ранее на форуме www.aml.nm.ru)
[5] – Установлено Евгением Комиcсаровым (заявлено ранее на форуме www.aml.nm.ru)
[6] – Подробно об уровнях восприятия: А.М. Лихницкий «Качество звучания – новый подход к тестированию аудиоаппаратуры». «Пик» Санкт-Петербург 1998 стр. 13-20
[7] – А.М. Лихницкий «Как рассказать о том, что мы слышим» АМ №5(10) 1996г стр. 45.
[8] – А.М. Лихницкий «О тестировании звуковых кабелей» АМ №2(3) 1995г стр. 43.
[9] – А.М. Лихницкий «О тестировании звуковых кабелей» АМ №2(3) 1995г стр. 44.
[10] – В сложных транзисторных трактах собранность ВЧ это единственный ориентир. Звук начинает «оживать» только по достижении определенного порога, который достаточно трудно достичь на транзисторной технике с многополосными акустическими системами. По достижении этого порога правильное направление можно определять даже по телефону, что подтверждают опыты Анатолия Лихницкого
[11] – «Ожившая запись» Интервью с А.М. Лихницким AM, № 1/1994
[12] – То что звучание однополупериодного выпрямителя предпочтительней стандартного двухполупериодного впервые определил Сергей Шабад.
[13] – Установлено Олегом Хавиным (заявлено ранее на форуме www.aml.nm.ru)
Что такое черный ящик в электронике
В общем виде усилитель можно рассматривать как черный ящик.
Что представляет из себя этот черный ящик? Это ящик. Он черный). А так как он черный, то абсолютно никто не знает, что находится в нем. Остается только предполагать. Но возможен и такой вариант, что мы можем предпринять какие-либо действия и ждать ответной реакции. После ответной реакции этого черного бокса, можно предположить, что находится у него внутри.
То есть по сути черный ящик должен иметь какие-либо «сенсоры» для восприятия информации извне, некий «вход», а также некий «выход» для ответной реакции. То есть подавая на вход какое-либо воздействие, мы ждем ответной реакции черного ящика на выходе.
Пусть в черном ящике будет кот или кошка, но пока никто не знает, что он(а) там есть. Что мы сделаем в первую очередь? Потрясем ящик или пнем по нему, так ведь? Если там кто-то мяукнет, значит однозначно или кошка, или кот). То есть последовала ответная реакция. Как определить дальше кошка или кот? Открываем ящик, и из него вылазит лохматое чудо. Если побежала — значит кошка. Если побежал — значит кот).
Но также в черном ящике может быть абсолютно любое тело или вещество. Для таких ситуаций мы должны провести как можно больше опытов, то есть произвести как можно больше входных воздействий для более точного определения содержимого черного ящика.
Классы G и H
Еще одна пара конструкций, разработанных для повышения эффективности. С технической точки зрения, ни усилители класса G, ни класса H официально не признаны. Вместо этого они представляют собой вариации на тему класса A/B, использующие переключение напряжения на шине и модуляцию шины соответственно. В любом случае в условиях низкого спроса система использует более низкое напряжение на шине, чем аналогичный усилитель класса A/B, что значительно снижает энергопотребление. Когда возникают условия высокой мощности, система динамически увеличивает напряжение на шине (то есть переключается на шину высокого напряжения) для обработки переходных процессов с большой амплитудой.
Недостатки есть тоже. Главный из них заключается в высокой стоимости. В оригинальных схемах коммутации сетей использовались биполярные транзисторы для управления выходными потоками, что повышает сложность и стоимость. Высококачественные ламповые усилители звуковой частоты этого типа распространены, хоть и цена начинается от 50 тысяч рублей. Блок считается профессиональной техникой для работы на сцене либо проведения звукозаписи в студии. Есть проблемы с транзисторами. При продолжительной нагрузке часть из них может выходить из строя.
Сегодня цена часто уменьшается до некоторой степени при использовании сильноточных МОП-транзисторов для выбора либо изменения направляющих. Использование полевых МОП-транзисторов не только повышает эффективность и снижает нагрев, но и требует меньше деталей (обычно одно устройство на поток). В дополнение к стоимости коммутации на шине, самой модуляции, также стоит отметить, что некоторые усилители класса G используют больше выходных устройств, чем типичная конструкция класса A/B.
Одна пара устройств будет работать в типичном режиме A/B, питаясь от низковольтных шин. Между тем другая находится в резерве, чтобы действовать как усилитель напряжения, активируемый только в зависимости от ситуации. Выдерживают высокие нагрузки только классы G и H, связанные с мощными усилителями, где повышенная эффективность оправдывает себя. Компактные конструкции могут также использовать топологии класса G/ H в отличие от A/B, учитывая, что возможность переключения в режим низкой мощности означает, что они могут обойтись с немного меньшим радиатором.
Что такое четырехполюсник
В электронике черным ящиком является четырехполюсник. Что вообще такое четырехполюсник? Четырехполюсник — это черный ящик, внутри которого имеется неизвестная электрическая цепь. Здесь мы видим две клеммы на вход, через которые подается входное воздействие и две клеммы на выход, с которых мы уже будем снимать отклик нашего «электрического черного ящика».
Пассивный четырехполюсник
Например, RC-цепь является пассивным четырехполюсником, так как она имеет четыре вывода: два на вход и два на выход, и как мы видим, она не содержит в себе какой-либо источник питания. Эта RC цепочка является пассивным фильтром низкой частоты (ФНЧ).
В пассивных четырехполюсниках напряжение или ток на выходе могут быть больше, чем на входе, но мощность при этом не увеличивается. Как же напряжение или ток на выходе могут быть больше, чем на входе? Здесь достаточно вспомнить трансформатор, а также последовательный и параллельный колебательные контура. Для них точнее было бы определение преобразователи напряжения, но никак не усилитель, так как усилитель должен иметь в своем составе обязательно источник питания, у которого он будет брать энергию для усиления слабого входного сигнала.
Также в пассивном четырехполюснике мощность на выходе никак не будет больше мощности, чем на входе. Если вы этого добьетесь, то сразу же получите вечный источник энергии и Нобелевскую премию в придачу. Но помните, что закон сохранения энергии, который впервые был еще сформулирован Лейбницем в 17 веке, никто не отменял.
Активный четырехполюсник
А вот этот четырехполюсник мы будем уже называть активным, так как он имеет в своем составе источник питания +Uпит , которое требуется для того, чтобы усиливать сигнал.
То есть мы здесь видим две клеммы на вход, на которые загоняется сигнал Uвх , а также видим две клеммы на выход, где снимается напряжение Uвых . Питается наш четырехполюсник через +Uпит , в результате чего, в данном случае, сигнал на выходе будет больше, чем сигнал на входе.
Загоняя на вход такой схемы синусоиду, на выходе мы получим ту же самую синусоиду, но ее амплитуда будет в разы больше.
Это, конечно же, верно для идеального усилителя, т.е. абсолютно линейного и без ограничения на амплитуду входного и выходного сигнала. В реальных усилителях, требуется чтобы амплитуда не превышала допустимую и усилитель был правильно спроектирован. Кроме того, любой реальный усилитель вносит искажения и характеризуется коэффициентом нелинейных искажений (КНИ) и еще многими другими параметрами, которые мы рассмотрим в следующей статье.
В активном четырехполюснике, одним из которых является усилитель мощности, мощность на выходе будет больше, чем на входе. Естественно, при этом не нарушается закон сохранения энергии, так как мощность, которая выделяется на нагрузке — это преобразованная мощность источника питания. Входной слабый сигнал просто управляет этой мощностью. Более подробно можно прочитать в статье про принцип усиления транзистора.
В электронике мы будем рассматривать усилитель, как активный четырехполюсник, на вход которого подается маломощный сигнал Uвх, а к выходу цепляется нагрузка Rн .
Класс А
По сравнению с другими классами усилителей мощности звуковой частоты, которые будут описаны ниже, модели класса A являются относительно простыми устройствами. Определяющим принципом работы является то, что все выходные блоки преобразователей должны проходить через полный 360-градусный цикл сигнала.
Класс A также можно разделить на одноконечные и двухтактные усилители. Push/pull отличается от основного объяснения выше, используя устройства вывода в парах. В то время как оба устройства проводят полный 360-градусный цикл, одно устройство будет нести большую часть нагрузки в течение положительной части цикла, а другое – больше отрицательного цикла.
Основным преимуществом этой схемы является уменьшенное искажение по сравнению с одноконечными конструкциями, поскольку четные колебания порядка исключаются. Кроме того, двухтактные конструкции класса А менее чувствительны к шуму.
Из-за положительных качеств, связанных с работой класса A, он считается золотым стандартом качества звука во многих сферах производства акустики. Однако у этих конструкций есть один важный недостаток – эффективность.
Требование, предъявляемое к усилителям звуковой частоты на транзисторах класса А, чтобы все выходные устройства работали постоянно. Такое действие приводит к значительным потерям энергии, которая в итоге преобразуется в тепло. Это еще более усугубляется тем фактом, что конструкции класса A требуют относительно высоких уровней тока покоя, который представляет собой величину тока, протекающего через выходные устройства, когда усилитель выдает нулевой выход. Показатели эффективности в реальном мире могут составлять порядка 15-35%, при этом возможно использование однозначных цифр с использованием высокодинамичного исходного материала.
Обобщенная схема усилителя
Она выглядит примерно вот так:
Как мы можем видеть на схеме, ко входу усилительного каскада через клеммы 1 и 2 подсоединяется какой-либо источник слабого сигнала с ЭДС EИ и внутренним сопротивлением RИ . Именно этот слабый сигнал с этого источника мы будем усиливать. Далее, как и полагается, каждый усилитель обладает своим каким-либо входным сопротивлением Rвх . Сила тока Iвх в цепи EИ —>RИ—>Rвх , как ни трудно догадаться, будет зависеть от входного сопротивления усилительного каскада Rвх .
Как вы уже знаете, источник питания играет главную роль в усилительном каскаде. Маломощный слабый сигнал управляет расходом энергии источника питания. В результате на выходе мы получаем умощненную копию входного слабого сигнала. Усиление произошло благодаря тому, что источник питания давал свою мощность для усиления входного сигнала. Ну как-то вот так).
В выходной цепи усилителя мы получаем усиленный сигнал с ЭДС (Что такое ЭДС) Eвых и выходным сопротивлением Rвых . Через клеммники 3 и 4 мы цепляем нагрузку Rн , которая уже будет потреблять энергию усиленного сигнала. Сила тока в цепи Eвых —> Rвых —> Rн будет зависеть от сопротивления нагрузки Rн .
Класс A/B
Ламповый усилитель звуковых частот можно встретить на многих концертных площадках. Он отличается высокой производительностью и при этом не перегревается. Кроме этого, модели стоят гораздо дешевле многих цифровых блоков. Но есть и отклонения. Такой модуль может работать не со всеми аудиоформатами. Поэтому лучше применять оборудование в составе общего комплекса обработки сигнала.
Класс A/B сочетает в себе лучшее от каждого типа устройств, чтобы создать блок без недостатков ни того, ни другого. Благодаря этой комбинации преимуществ усилители класса A/B в значительной степени доминируют на потребительском рынке.
Решение на самом деле довольно простое по своей концепции. Там, где в классе B используется двухтактное устройство с каждой половиной выходного каскада, проводящей на 180 градусов, механизмы класса A/B увеличивают его до ~181-200 градусов. Таким образом, существует гораздо меньшая вероятность возникновения «разрыва» в цикле, и, следовательно, искажение кроссовера опускается до такой степени, что оно не имеет значения.
Ламповые усилители мощности звуковой частоты могут значительно быстрее поглощать эти помехи. Благодаря такому свойству звук поступает из устройства намного чище. Модели подобных характеристик часто используются для преобразования звучания акустических и электрогитар.
Достаточно сказать, что класс A/B выполняет свои обещания, легко превзойдя эффективность чистых конструкций класса A с показателями порядка ~50-70%, достигаемыми в реальном мире. Фактические уровни, конечно же, зависят от того, насколько смещен усилитель, а также от программного материала и других факторов. Стоит также отметить, что некоторые разработки класса A/B делают еще один шаг вперед в своем стремлении устранить искажения кроссовера, работая в чистом режиме класса A до нескольких ватт мощности. Это дает некоторую эффективность при работе на низких уровнях, но при этом гарантирует, что усилитель не превратится в печь при подаче большого количества энергии.
Типы усилителей
Усилители можно разделить на три группы:
Усилитель напряжения
Усилитель напряжения (УН) усиливает входное напряжение в заданное число раз. Этот коэффициент называется коэффициентом усиления по напряжению и вычисляется по формуле:
где
KU — это коэффициент усиления по напряжению
Uвых — напряжение на выходе усилителя, В
Uвх — напряжение на входе усилителя, В
Выходное усиленное напряжение не должно меняться от тока нагрузки, а следовательно, и от сопротивления нагрузки. В идеале, выходное сопротивление Rвых должно быть равно нулю, что недостижимо на практике. Поэтому, УН стараются проектировать так, чтобы минимизировать выходное сопротивление Rвых .
В таком режиме усилитель работает, если выполняются условия, что Rвх намного больше, чем Rвых т. е. Rвх >>Rи и Rн намного больше, чем Rвых (Rн >>Rвых ). Чем больше номинал Rн , тем лучше для усилителя напряжения, так как нагрузка не будет просаживать выходное напряжение Uвых. Здесь все просто: чем меньше сопротивление нагрузки, тем бОльшая сила тока будет течь по цепи Eвых —> Rвых —> Rн , тем больше будет падение напряжения на выходном сопротивлении Rвых , исходя из формулы ЭДС: Eвых =IвыхRвых +IвыхRн . Об этом можно более подробно прочитать в статье Закон Ома для полной цепи.
Усилитель тока
Усилитель тока (УТ) усиливает входной ток в заданное число раз. Этот коэффициент называется коэффициентом усиления по току и вычисляется по формуле:
где KI — коэффициент усиления по току
Iвых — сила тока в цепи нагрузки, А
Iвх — сила тока во входной цепи Eи —>Rи —>Rвх , А
Смысл работы усилителя тока такой: при определенной силе тока во входной цепи, на выходе в цепи нагрузки мы получаем силу тока, бОльшую в KI раз, независимо от того, какое значение принимает номинал нагрузки. Здесь уже работает простой закон Ома I=U/R.
Если сила тока должна быть постоянной, а значение сопротивления у нас может быть плавающим, то для поддержания постоянной силы тока в цепи нагрузки у нас усилитель автоматически изменяет напряжение Uвых на нагрузке. В результате, ток как был постоянной величиной, так и остался. Или буквами: Rн =var, Iвых= const.
Объяснение выше вы будете рассказывать своему преподу по электронике, а теперь объяснение для полных чайников. Итак, во входной цепи Eи —>Rи —>Rвх пусть у нас течет сила тока в 10 мА. Коэффициент KI =100, следовательно, на выходе в цепи нагрузки Eвых —>Rвых —> Rн будет течь ток с силой в 1 А (10мА х 100). Но сам по себе такой ток не будет ведь гулять по этой цепи. Ему надо создать условия для протекания. Допустим, у нас нагрузка 10 Ом. Какое тогда напряжение должно быть в этой цепи для получения силы тока в этой цепи в 1 А? Вспоминаем дядюшку Ома: I=U/R. 1=Uвых /10, получаем U=10 В. Вот такое напряжение нам будет выдавать усилитель тока на выходе.
Но что, если нагрузка поменяет свое значение? Ток должен остаться таким же, не забывайте, то есть 1 А, так как это у нас усилитель тока. В этом случае, чтобы сила тока в цепи оставалась 1 А усилитель автоматически поменяет свое значение напряжения на выходе Uвых на 1=Uвых /5. Uвых =5/1=5 В. То есть на выходе у нас уже будет 5 Вольт.
Но также не забываем еще об одном параметре, который у нас находится в выходной цепи усилителя тока. Это выходное сопротивление Rвых . Поэтому, нам необходимо, чтобы выполнялось условие: Rвх << Rи и Rн << Rвых при которых обеспечивается заданный ток в нагрузке при малом значении напряжения.
Усилитель мощности
Раньше было очень круто и модно собирать усилители мощности (УН) своими руками, включить Ласковый Май и вывернуть громкость на всю катушку. Сейчас же УМ может собрать или купить каждый, благо интернет и Алиэкпресс всегда под рукой.
Чем же УМ отличается от УН и УТ?
Если в УТ мы увеличивали только силу тока, в УН — напряжение, то в УМ мы увеличиваем в кратное число раз ток и напряжение.
Формула мощности для постоянного и переменного тока при активной нагрузке выглядит вот так:
где
P — мощность, Вт
I — сила тока, А
U — напряжение, В
Следовательно, коэффициент усиления по мощности запишется как:
где
KP — коэффициент усиления по мощности
Pвых — мощность на выходе усилителя, Вт
Pвх — мощность на входе усилителя, Вт
Для усилителя мощности условия согласования входной цепи с источником входного сигнала и выходной цепи с нагрузкой для передачи максимальной мощности имеют вид: Rвх ≈ Rи и Rн ≈ Rвых .
Также не забывайте, что нагрузки могут быть как чисто активными (типа лампочки накаливания, резистора, различных нагревашек), так и иметь реактивную составляющую (катушки индуктивности, конденсаторы, двигатели и тд).
Несмотря иа многообразие схем транзисторных УМЗЧ, принципы их построения практически одни и те же. Подобно современным интегральным ОУ они, как правило, двухкаскадные (рис. 1). Основное усиление по напряжению обеспечивают первые два каскада. Выходной же каскад — чаще всего мощный повторитель напряжения, поэтому данная конфигурация УМЗЧ и получила название двухкаскадной.
Критерием качества УМЗЧ является характер и величина вносимых им искажений. Попытаемся классифицировать известные в настоящее время искажения сигнала ЗЧ.
Прежде всего обратим внимание на то, неидеальностью каких характеристик вызван тот или иной их вид. С этой целью разделим искажения на статические и динамические (см. рис. 2). Первые обусловлены нелинейностью статических передаточных характеристик каскадов УМЗЧ (например, нелинейностью входных и выходных характеристик используемых усилительных элементов), вторые — неидеальностью их переходных характеристик, под которыми понимается реакция усилители на скачок входного напряжения. Статические искажения, в свою очередь, можно подразделить на гармонические, выражающиеся в изменении формы исходного сигнала определенной частоты, и интермодуляциоиные, проявляющиеся в обогащении спектра выходного сигнала комбинационными составляющими.
Статические интермодуляцнонные искажения могут быть амплитудными и фазовыми (обусловлены соответственно взаимной амплитудной и фазовой модуляцией [1—3] входных сигналов). Динамические искажения также можно разделить на гармонические и интермодуляциониые. В первом случае речь идет об искажениях формы входного синусоидального сигнала, когда его амплитуда и частота превышают критические значения, определяемые максимальной скоростью нарастания выходного напряжения. Если же при этих условиях на входе УМЗЧ присутствуют еще и сигналы других частот, то появляются условия для возникновения и сильных интермодуляционных искажений.
Как уже было сказано, динамические искажения зависят, в частности, от такого параметра, как скорость нарастания выходного сигнала Vu, которая связана с максимальной частотой fв усиливаемого сигнала максимальной амплитуды соотношением Vu=2πfBUm, где Um — максимальная амплитуда выходного напряжения. Если учесть, что выходная синусоидальная мощность P=Um2/2RH, где RH — сопротивление нагрузки, то можно получить Vu=2πfв√2PRн.
Оценим необходимую для неискаженного звуковоспроизведения скорость нарастания выходного напряжения, если, например, все спектральные составляющие усиливаемого сигнала лежат ниже 20 кГц, а мощность усилителя на нагрузке сопротивлением 4 Ом равна 100 Вт. В этом случае в соответствии с приведенной выше формулой Vu=3,6 В/мкс. Дальнейшее увеличение скорости нарастания на динамические искажения в полосе звуковых частот Практически не влияет [4].
Приведенная классификация удобна тем, что позволяет наиболее полно охарактеризовать искажения, вносимые усилителем. Следует иметь в виду, что все виды искажений взаимосвязаны. Например, изменение коэффициента гармоник неизбежно скажется на интермодуляционных искажениях и т. д.
Человеческое ухо наиболее чувствительно к интермодуляционным искажениям. Их заметность в значительной мере зависит от вида музыкальной программы. Психоакустические исследования показали [5], что высококвалифицированные эксперты начинали замечать изменения в характере звучания фортепьяно, как только среднеквадратичное значение интермодуляциониых искажений достигало 0,003 % (!). Для сравнения укажем, что порог заметности искажения звучания хора — 0,03 %, скрипки — примерно 0,3 %.
Рассмотрим теперь пути совершенствования отдельных каскадов УМЗЧ с целью построения устройства с минимальными искажениями.
Входной каскад определяет такие важные параметры УМЗЧ, как напряжение смешения «нуля» (постоянная составляющая выходного напряжения усилителя) и его температурную стабильность. От схемотехнического решения этого каскада во многом зависят максимальная скорость нарастания выходного напряжения и отношение сигнал/шум. В подавляющем большинстве современных УМЗЧ входной каскад — дифференциальный. Требования к нему определяются видом ООС, охватывающей весь УМЗЧ. Сопоставим инвертирующий (с параллельной ООС) и неинвертирующий (с последовательной ООС) усилители. Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя (рис. 3,а) KU=1+R3/R2, инвертирующего (рис. 3,б) KU=R3/R2. Достоинство неинвертнрующего усилителя — высокое входное сопротивление, которое ограничено у него сопротивлением резисторе R1(200 кОм), в то время как у инвертирующего усилителя оно практически равно сопротивлению резистора R2 (10 кОм).
Однако при анализе линейности входных каскадов (рис. 1) преимущества оказываются на стороне инвертирующего усилителя, и вот почему. При достаточно большом коэффициенте усиления УМЗЧ с разомкнутой цепью ООС напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах практически одинаковы. Например, если на вход неинвертирующего усилителя поступает входной сигнал напряжением 1 В, то такое же напряжение будет и на его инвертирующем входе. Иными словами, на входах усилителя присутствует переменное синфазное напряжение амплитудой 1,4 В. Легко видеть (см. рис. 1), что напряжение источника тока GI1 и напряжение коллектор-эмиттер транзисторов VT1 и VT2 входного дифференциального каскада будут при этом колебаться с размахом 2,8 В. Эта паразитная модуляция приводит к нелинейному изменению параметров транзисторов в такт со входным сигналом, что создает предпосылки для возникновения дополнительных искажений, а первую очередь, ннтермодуляционных. В инвертирующем усилителе синфазная составляющая практически равна нулю и вышеописанные искажения не возникают.
Для устранения влияния синфазной составляющей и снижения искажений неиивертируюшего усилителя следует повышать выходное сопротивление источника тока и подбирать в дифференциальный каскад пару транзисторов с возможно более близкими параметрами [6]. В тех случаях, когда величина синфазной составляющей достигает нескольких вольт, вместо обычного однотранзисторного источника тока целесообразно использовать более совершенный источник тока на двух транзисторах VT5, VT6 (рис. 4) (3, 7]. В качестве дифференциальной пары VT3, VT4 использована интегральная сборка К159НТ1. транзисторы которой имеют близкие значения статического коэффициента h21Э и напряжений эмиттер-база. Для снижения рабочего напряжения транзисторов сборки (допустимое напряжение между их коллекторами и эмиттерами составляет 20 В) в коллекторные цепи введены более высоковольтные транзисторы VT1. VT2, включенные по схеме с ОБ. Резисторы R5, R9 также способствуют уменьшению динамических искажений [8].
Основным способом улучшения качественных показателей УМЗЧ остается введение глубокой ООС, что возможно при достаточно большом коэффициенте усиления исходного (без ООС) усилителя. Усиление же типового входного дифференциального каскада составляет 10 … 26 дБ. Увеличить его можно, заменив пассивную нагрузку в коллекторных цепях транзисторов VT1, VT2 (рис. 4) активной. Ее функции может выполнять так называемое «токовое зеркало» (рис. 5,а)или «токовое зеркало» со следящей ООС (рис. 5, б). Нетрудно заметить, что в последнем случае напряжение между базой и коллектором транзистора VT2′ равно напряжению на эмиттерном переходе транзистора VT3′ Благодаря этому падение напряжения на участке эмиттер-коллектор транзистора VT2′ не превышает 1,3 … 1,4 В. Напряжение же между эмиттером и коллектором транзистора VT1′ зависит от каскада усиления напряжения, но и оно, как правило, не превышает 3 В. Все это позволяет использовать в «токовом зеркале» транзисторы с малым допустимым напряжением коллектор-эмиттер, в частности, транзисторную сборку КТС3103А.
Следует заметить, что для реализации большого усиления, которое способен обеспечить дифференциальный каскад с такой нагрузкой, входное сопротивление следующего за ним каскада должно быть достаточно высоким.
Во входном каскаде по схеме на рис. 4 можно использовать транзисторы КТ312В. КТ315В. КТ315Г и КТ3102Б и транзисторные матрицы серии К198 (К198НТ1—К198НТ4). Стабилитрон VD1 можно заменить на КС139А, VD3 — на КС175А или КС168А (в последнем случае сопротивление резистора R7 необходимо уменьшить соответственно до 3,3 или 3 кОм, а резистора R3 — увеличить до 3,9 кОм). Стабистор VD2 можно заменить одним-двумя последовательно включенными кремниевыми диодами, транзистор VT3 (рис. 5, б) — транзистором КТ3107Б, КТ3108А, КТ3108В, КТ313А, КТ313Б.
Экспериментальные исследования типового усилителя (рис. 1) показали, что входной каскад и усилитель напряжения вносят примерно равный вклад в ннтермодуляционные искажения УМЗЧ. Авторами был испытан неинвертирующий УМЗЧ с коэффициентом интермодуляционных искажений 0,1 %. Введение в его входной каскад двухтранзисторного источника тока (рис. 4) позволило снизить эти искажения в 3 … 4 раза.
Усилитель напряжения вносит основной вклад в коэффициент усиления УМЗЧ с разомкнутой ООС. Он должен обеспечивать максимальную амплитуду выходного напряжения при минимальных гармонических и интермодуляционных искажениях, а для согласования с входным каскадом, работающим на активную нагрузку, иметь достаточно высокое входное сопротивление. В типовых УМЗЧ функции усилителя напряжения выполняет обычно каскад на биполярном транзисторе, включенном по схеме ОЭ (рис. 1). Источник тока GI2 играет роль динамической нагрузки и способствует увеличению максимальной амплитуды выходного сигнала. Отметим основные недостатки такого усилителя напряжения.
Начнем с того, что выходные характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ, существенно нелинейны, поскольку его коллекторный ток определяется в этом случае не только током базы, но в значительной степени и напряжением коллектор-эмиттер, которое в усилителях напряжения изменяется на величину размаха выходного сигнала. Эффект же модуляции коллекторного тока напряжением коллектор-эмиттер приводит к значительным гармоническим искажениям (до 10 % и более [9]).
Известно также, что нелинейность входных характеристик транзистора в рассматриваемом включении приводит к сильной зависимости входного сопротивления каскада от подаваемого на его вход напряжения, а поскольку это напряжение является выходным для предыдущего каскада, характер нагрузки входного каскада становится нелинейным.
И, наконец, емкость коллекторного перехода транзистора, включенного по схеме ОЭ, также изменяется в такт с колебаниями напряжения на коллекторе, в результате чего частота среза усилителя, линейно зависящая от суммарной емкости коллекторного перехода и конденсатора С1 (см. рис. 1), становится зависимой от выходного напряжения этого каскада. Модуляция же частоты среза выходным напряжением приводит к появлению фазовых интермодуляциониых искажений [1—3].
Указанные недостатки отсутствуют в более сложном усилителе напряжения с использованием местной ООС, схема которого приведена на рис. 6 [10—13]. На транзисторе VT1 собран эмиттерный повторитель с высоким входным сопротивлением, согласующий усилитель напряжения с активной нагрузкой входного каскада. Транзисторы VT2, VT3 использованы в каскодном усилителе, проходная емкость которого, как известно, невелика. При таком включении выходные характеристики транзистора VT3 практически линейны и изменение напряжения коллектор-база слабо отражается на коллекторном токе каскада. Повышению линейности усилителя способствует и местная ООС (через резистор R3). Паразитная емкость между точками включения корректирующего конденсатора С1 очень мала, что снижает вероятность возникновения фазовых интермодуляционных искажений.
Вместо транзисторов КТ3107Г (VT1, VT2) в усилителе можно использовать любые другие кремниевые транзисторы с большим коэффициентом передачи тока h21э (например, КТ3107 с индексами Л—Ж. К. Л, КТ361 с индексами Б и Е), вместо КТ313А (VT3) — любой транзистор с малым значением h21Э и большим допустимым напряжением между коллектором и эмиттером. Стабилитрон VD1 можно заменить на КС 139 А.
Недостаток рассмотренного каскада — несколько меньшая (по сравнению с традиционным) амплитуда выходного сигнала из-за падения напряжения на двух транзисторах VT2, VT3 и резисторе R3 — несуществен, так как в большинстве случаев разница не превышает 5 … 7 %.
Выходной каскад должен обеспечить в низкоомной нагрузке неискаженный сигнал требуемой мощности при высоком КПД. Рассмотрим традиционный каскад (рис. 1) на комплементарных парах транзисторов, включенных по схеме двухтактного эмиттерного повторигеля. В качестве выходных используют обычно мощные комплементарные низкочастотные транзисторы серий KT8I8, КТ819 и др. с граничной частотой 3 … 4 МГц. При включении таких транзисторов по схеме на рис. 1 в их базах Накапливаются электрические заряды, что эквивалентно наличию внутренней емкости база-эмиттер, которая зависит от граничной частоты и у современных мощных транзисторов может достигать десятых—сотых долей микрофарады.
Рассмотрим это явление подробнее. Допустим, что на вход каскада поступает положительная полуволна сигнала и работает верхнее (по схеме) плечо двухтактного каскада (VT4, VT6). Транзистор VT4 включен по схеме ОК и имеет малое выходное сопротивление. Поэтому протекающий через него ток быстро заряжает входную емкость транзистора VT6 и открывает его. Теперь, чтобы полностью закрыть транзистор VT6, необходимо разрядить эту емкость, а разряжаться она, как нетрудно видеть, может в основном через резисторы R5, R6, причем относительно медленно. При использовании транзистора с граничной частотой 3МГц и резисторов R5, R6 сопротивлением 100 Ом скорость убывания коллекторного тока транзистора VT6 составит примерно 0,15 А/мкс [13]. После смены полярности выходного напряжения включается нижнее (по схеме) плечо выходного каскада. Но поскольку ёмкость база-эмиттер транзистора VT6 к этому времени не успевает разрядиться, он не закрывается и через транзистор VT7, помимо своего, протекает коллекторный ток транзистора VT6. В результате из-за возникновения сквозного тока не только повышается рассеиваемая транзисторами на высоких частотах мощность и падает КПД усилителя, но и растут искажения сигнала. При чрезмерно высокой скорости нарастания выходного напряжения и воздействии на усилитель сигнала высокочастотной помехи возможен даже выход мощных транзисторов из строя [14].
Простейший способ устранения описанного недостатка — уменьшение сопротивления резисторов R5, R6, однако при этом возрастает мощность, рассеиваемая на транзисторах VT4, VT5. Другой путь — видоизменить схему выходного каскада (рис. 7). Здесь рассасывание избыточного заряда форсировано путем подключения резистора R3 к эмиттеру транзистора VT2, который находится под более отрицательным потенциалом, чем точка, с которой снимается выходное напряжение.
Из-за высокого выходного сопротивления предоконечного каскада избыточный заряд может накапливаться и на базах транзисторов VT1, VT2.
Чтобы этого не произошло, их базы соединены с общим проводом через резисторы Rl, R2. Экспериментальная проверка показала, что описанные меры достаточно эффективны: по сравнению с типовым скорость убывания коллекторного тока в каскаде по схеме на рис. 7 оказывается вчетверо большей (0,6 А/мкс), а вызванные рассмотренным эффектом искажения на частоте 20 кГц — примерно втрое меньшими.
Известно, что наименьшие искажения обеспечивают усилители, работающие а режиме А. Однако в подавляющем большинстве современных усилителей мощности ЗЧ (УМЗЧ) используется режим АВ. Объясняется это низким КПД первых из названных усилителей, что создает определенные трудности, связанные с отводом значительного количества тепла от выходных транзисторов, а также с проблемой обеспечения стабильности тока покой. Так, если а оконечном каскаде, работающем в режиме АВ, изменение этого тока в полтора-два раза вполне допустимо (хотя и нежелательно), то такое же изменение тока покой усилители, работающего в режиме А, может привести к самым серьезным последствиям. Современные мощные комплементарные транзисторы с рассеиваемой на коллекторе мощностью 100 и более ватт смягчают этот недостаток режима А, однако используют его все же преимущественно в УМЗЧ со сравнительно небольшой выходной мощностью. Схема одного из таких УМЗЧ показана на рис. 8. [16].
Основные технические характеристики усилителя
| Номинальное входное напряжение, В | 1 |
| Номинальная выходная мощность, Вт | 12,5 |
| Сопротивлепие нагрузки. Ом | 8 |
| Номинальный диапазон частот (по уровню — 3дБ),Гц | 5—225000 |
| Коэффициент гармоник, %, в диапазоне частот 5 … 20000 Гц при выходной мощности до 10 Bт | 0,02 |
| Скорость нарастания выходном напряжения, В/мкс | 10 |
| Относительный уровень фона, дБ | -85 |
| Относительный уровень шума, дБ | -103 |
Особенность данного УМЗЧ — использование в каждом его плече как транзистора (VT1 И VT2), так и интегрального ОУ (DA1 и DA2). Оба плеча усилителя охвачены ООС. Для снижения искажений коэффициенты усиления обоих плеч должны быть одинаковы, что выполняется при соблюдении равенства: R2/R1=R3/R4.
Ток покоя стабилизируется следящим устройством, состоящим из дифференциального усилителя DA4 и инвертирующего повторителя напряжения DA3. Работает оно так. Любое колебание тока, протекающего через выходные транзисторы, изменяет падение напряжения на резисторах R22, R23, которое усиливается ОУ DA4 И подается на вход ОУ DA2, а
через инвертор DA3 — на вход ОУ DA1. Цепи R19C3 и R20C11 образуют фильтры нижних частот, пропускающие на выход ОУ DA4 лишь самые низкочастотные колебания тока покоя. Начальное значение этого тока устанавливают резистором R26. Корректирующие цепи R14C9 и R15C10 предохраняют усилитель от самовозбуждения. Все ОУ питаются стабилизированным напряжением ± 18 В (цепи питании на схеме не показаны).При повторении усилителя транзисторы МJ1001 и MJ901 можно заменить на КТ827 с индексами А, Б и КТ825 с индексами Г, Д соответственно, микросхемы LM301 — на ОУ К153УД2 (в металлическом корпусе) или К553УД2 (в пластмассовом). Возможно также применение ОУ К157УД2 и К153УД6 (модификация ОУ К153УД2) и других ОУ с соответствующими цепями коррекции и напряжениями питания (если они ниже ±18 В, то, естественно, снизится выходная мощность усилителя).
В последнее время удалось существенно повысить КПД УМЗЧ, работающих в режиме А, и приблизить его к значению, характерному для усилителей, работающих в режиме АВ. Это стало возможным благодаря использованию режима работы выходного каскада с плавающей рабочей точкой (ее положение на рабочей характеристике изменяется в зависимости от уровня входного сигнала). На рис. 9 приведена принципиальная схема выходного каскада УМЗЧ [11], работающего в таком режиме. При увеличении напряжения не входе усилителя растет ток, протекающий через нагрузку, а значит, и через резисторы R10 (положительная полуволна), R11 (отрицательная полуволна). При увеличении падения напряжения на этих резисторах возрастает ток через резисторы R7, R6 и, как следствие этого, уменьшаются токи баз транзисторов VT3, VT2 и увеличиваются напряжения между их коллекторами и эмиттерами. Последнее обстоятельство приводит к увеличению напряжения смещения и соответствующему сдвигу рабочей точки выходных транзисторов в область больших значений тока покоя.
Во всех каскадах усилителя, кроме оконечного (VT12 — VT15), можно использовать практически любые маломощные высокочастотные транзисторы. Для реализации каскадов на транзисторах VT4 — VT7 («токовые зеркала») особенно удобны транзисторные сборки К159НТ1В и КТС3103А. В оконечном каскаде могут работать комплементарные пары транзисторов КТ814 и КТ815, КТ816 и КТ817, КТ818 и КТ819 с любыми, но одинаковыми буквенными индексами.
Частотная коррекция УМЗЧ. Снижения динамических искажений можно достичь, только уделив серьезное внимание частотной Коррекции УМЗЧ, охваченного глубокой ООС. Чтобы лучше разобраться а вопросах, связанных с реализацией оптимальной частотной коррекции, рассмотрим АЧХ типового УМЗЧ с коэффициентом передачи при разомкнутой цепи ООС, равным 60 дБ, а при замкнутой 26 дБ (рис. 10). Чтобы обеспечить такую глубокую ООС во всем диапазоне звуковых частот, полоса пропускания усилителя с разомкнутой цепью ООС должна быть не уже 20 кГц (Первый перегиб АЧХ на частоте f1). Далее начинается спад усиления с крутизной 20 дБ на декаду. Полоса пропускания усилителя с замкнутой цепью ООС (частота f2) определяется точкой пересечения АЧХ УМЗЧ с замкнутой и разомкнутой цепью ООС и в нашем случае равна 1 МГц. Для предупреждения самовозбуждения усилителя частота второго перегиба АЧХ f3, которая определяется, как правило, граничной частотой транзисторов оконечного каскада, должна быть в области, где коэффициент усиления усилителя с разомкнутой ООС менее 26 дБ.
Реальный звуковой сигнал носит импульсный характер, поэтому хорошее представление о динамических свойствах усилителя можно получить по его реакции на скачок входного напряжения. Эта реакция зависит, как известно, от переходной характеристики усилителя, которая для УМЗЧ с рассмотренной выше формой АЧХ может быть описана с помощью коэффициента затухания ξ вычисляемого по формуле: ξ=1/2√f3/f2. Переходные характеристики УМЗЧ при различных значениях этого коэффициента приведены на рис. 11. По величине первого выброса выходного напряжения Uвых=f(t) можно судить об относительной устойчивости усилителя. Как видно из приведенных на рис. 11 характеристик, наиболее велик он при малых коэффициентах затухания. Такие усилители склонны к самовозбуждению и при прочих равных условиях имеют большие динамические искажения. С точки зрения минимизации искажений наиболее хорош усилитель с апериодической переходной характеристикой (ξ>1). Однако обеспечение такого коэффициента достигается слишком дорогой ценой. Дело в том, что в этом случае усилитель должен иметь АЧХ, частота второго перегиба f3 которой лежит далеко за пределами полосы пропускания всего УМЗЧ с замкнутой цепью ООС (f3≥4f2). Реализовать такой усилитель технически очень трудно, поэтому приходится идти на компромисс, задавшись более низким коэффициентом затухания. В литературе [9] в качестве оптимального рекомендуется коэффициент затухания ξ=0,8, при котором f3≥2,6f2, а первый выброс выходного напряжения не превышает 1,4 %.
Указанные выше соотношения справедливы лишь для линейной области АЧХ УМЗЧ при условии, что скорость нарастания выходного напряжений усилителя не ограничивает длительность переходного процесса, а частота f3 достаточно превышает f2. При невыполнении этих условий переходный процесс будет затягиваться и иметь более выраженный колебательный характер. Если АЧХ УМЗЧ с разомкнутой цепью ООС такова, что коэффициент усиления Кu на частоте f2 больше 26 дБ (штрих-пунктирная линия на рис. 10), то необходимо скорректировать ее до требуемого вида. В двухкаскйдных УМЗЧ коррекцию чаще всего производят во втором каскаде, приняв меры по обеспечению требуемой скорости нарастания при максимальном выходном сигнале. При этом следует иметь в виду, что максимальная скорость нарастания не связана прямой зависимостью с малосигнальной полосой пропускания усилителя.
Для налаживания усилителя на его вход подают прямоугольные импульсы и, наблюдай переходный процесс УМЗЧ на экране осциллографа, подбором корректирующего конденсатора (С1 на рис. 1 или рис. 5) добиваются еле заметного выброса выходного напряжения.
Таким образом, УМЗЧ с малыми динамическими искажениями должен обеспечивать переходный процесс с ξ не менее 0,8 (см. рис. 11) и иметь достаточную скорость нарастания выходного напряжения. Необходимо так-же выполнение требований по линеаризации всех его каскадов.
Некоторые вопросы конструирования УМЗЧ. При проектировании высококачественных УМЗЧ особое внимание следует уделить повышению его помехозащищенности. Во избежание наводок и проникания помех по цепям питания необходимо тщательно продумать монтаж, обращая внимание на взаимное расположение проводников, соединяющих УМЗЧ с источником сигнала и источником питания, экранировать чувствительные к наводкам участки монтажа, предусмотреть хорошую фильтрацию напряжения питания и т. д. Если выходной каскад работает в режиме АВ, то все составляющие тока гармоник, за исключением основной, циркулируют по проводам питания. Паразитная индуктивная связь между проводами питания и входными цепями усилителя в плохо спроектированных УМЗЧ приводит к тому, что во входных проводниках наводится паразитная ЭДС, частотный спектр которой состойт из гармоник усиливаемого сигнала. Например, в усилителе с выходной мощностью 50 Вт на нагрузке 8 Ом, работающем от корректирующего усилителя дли электромагнитной головки звукоснимателя с выходным напряжением 1 мВ, дополнительные искажения (по второй гармонике сигнала) составили примерно 0,33 % на каждый нГн паразитной индуктивности связи [15]. Для устранении этого нежелательного эффекта необходимо разнести провода питания и сигнальные цепи УМЗЧ. Еще лучше включить в питающие цепи дополнительные фильтрующие RC-цепи (например, R5C1 и R6C2 в усилителе по схеме на рис. 12), разместив их непосредственно на монтажной плате УМЗЧ.
Конечное сопротивление «земляных» шин приводит к тому, что импульсы тока по общему проводу с выхода УМЗЧ могут попасть на его вход. Для борьбы с такими помехами обычно рекомендуют увеличивать сечение шин общего провода и соединять все идущие к ним проводники в одной точке. Но наиболее действенным способом защиты является гальваническая развязка общего провода входного каскада от мощной шины питания. Это возможно в УМЗЧ с дифференциальным входным каскадом. С общим проводом источника сигнала (левым по схеме на рис. 12) связаны лишь выводы резисторов R1 и R2. Все остальные проводники, соединенные с общим проводом, подключены к мощной шине источника питания (правой по схеме). Однако в этом случае отключение по каким-либо причинам источника сигнале может привести к выходу УМЗЧ из строй, так как левая «земляная» шина оказывается ни к чему не подсоединенной и состояние выходного каскада становится непредсказуемым. Во избежание такой ситуации обе «земляные» шины соединяют резистором R4. Его сопротивление должно быть не очень малым, чтобы помехи от мощной шины питания не могли проникнуть на вход усилителя, и в то же время не слишком большим, чтобы не влиять на глубину ООС. На практике сопротивление защитного резистора выбирают в пределах от единиц до десятков Ом.
Пути совершенствования УМЗЧ. В последние годы наметилась тенденция улучшения качественных показателей УМЗЧ путем построения полностью двухтактных (включая входные каскады) усилителей с мощными МОП-транзисторами (с изолированным затвором) в выходном каскаде. По сравнению с биполярными МОП-транзисторы выгодно отличаются лучшей линейностью проходных характеристик, высоким входным сопротивлением, хорошими частотными свойствами. У них отсутствует явление вторичного теплового пробоя, так как с увеличением температуры кристалла из-за большой рассеиваемой мощности сопротивление канала транзистора возрастает. Это позволяет в некоторых случаях обойтись без защиты УМЗЧ от тепловых перегрузок. В качестве примера на рис. 13 приведена схема полностью двухтактного усилители с комплементарными парами мощных МОП-транзисторов в выходном каскаде японской [12].
Основные технические характеристики
| Номинальная выходная мощность, Вт | 120 | |
| Сопротивление нагрузки, Ом | 8 | |
| Коэффициент усиления, дБ | 26 | |
| Коэффициент гармоник, %, при номинальной выходной мощности на частоте: | ||
| 1 000 Гц | 0,002 | |
| 10 000 Гц | 0,0065 | |
| Глубина ООС, дБ | 40 | |
| Максимальная скорость нарастания выходного напряжения (без входного фильтра), В/мкс | 60 | |
Двухтактный входной каскад (VT1, VT2; VT4, VT6) позволил обойтись простыми источниками тока на транзисторах VT3 и VT5. Усилитель напряжения построен по схеме, аналогичной приведенной на рис. 6. Для увеличения выходной мощности транзисторы оконечного каскада VT14, VT16 (2SKI34) и VT15, VT17 (2SJ49) соединены параллельно. Фильтр R1C2 защищает вход УМЗЧ от проникания высокочастотных помех. Для исключения разбалансировки усилители из-за входных токов к неинвертирующему и инвертирующему входам подключены резисторы R2 и R27 одинакового сопротивления.
В данном усилителе разделены общие провода входных и выходных каскадов (см. предыдущий раздел), на что указывает изображение резистора R23. Такое неявное указание на разделение общих шин часто встречается в схемах УМЗЧ, публикуемых в зарубежных изданиях.
Ограниченный объем журнальной статьи не позволил познакомить читателей с другими интересными схемотехническими решениями УМЗЧ, поэтому тем, кто интересуется данной тематикой, рекомендуем обратиться к указанной в прилагаемом списке литературы.
ЛИТЕРАТУРА
- Cherry Edward M. Amplitude and Phase of Intermodulation Distortion.— Journal of the Audio Engineering Society, 1983, v. 31. № 5, p. 298-303.
- Cordell Robert R. Another View on TIM. Part 1.— Audio. 1980, v. 64 №2, p. 38—49.
- Cordell Robert R. Phase Intermodulation Distortion Instrumentation and Measurements.— Journal of the Audio Engineering Society, 1983. v. 31. № 3, p. 114—123.
- Krauter M. Nf—Verstarker: Der Gesamt-eindruck zait,— Funkschau, 1983, №18, 59—61.
- Petrl—Larml M., Otala M., Lammasmieml J. Psychoacoustic Detection Threshold of Transient Intermodulation Distortion.— Journal of the Audio Engineering Society, 1980. v. 28, № 3, p. 98—104.
- Достал И. Операционные усилители. Пер. с англ.— М.: Мир, 1982.
- Scott Robert F. Power MOSFET Amplifiers.— Radio—Electronics. 1983. v. 54, № 7, p. 80—81.
- Leach Marshall W. An Amplifier Input Stage Design Criterion for the Suppression of Dynamic Distortions.— Journal of the Audio Engineering Society, 1981. v. 29, № 4. p. 249—251.
- Cherry Edward M. Transient Intermodulation Distortion.- Part I: Hard Nonlinearity.— IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, 1981. v. ASSP—29, № 2. p. 137—146.
- Cherry Edward M. Feedback. Sensitivity, and Stability of Audio Power Amplifiers.— Journal of the Audio Engineering Society, 1982, v. 30, № 5. p. 282—294.
- Kondo Hikaru. Nuevo conceplo en amplificadores de potencia para audio sistema «super A» de JVC.— Mundo eleutronico, 1980, № 102, p. 75—81.
- Borbely Erno. High Power High Quality Amplifier Using MOSFETs.—Wireless World. 1983, v. 89. № 1556. p. 69—75.
- Cordell Robert R. Another View of TIM. Part 2.— Audio. 1980, v. 64. № 3. p. 39—40.
- Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Справочное руководство. Пер. с нем.— М.: Мир, 1982, с. 240.
- Pollock N. 12 W class A power amplifier.—Wireless World. 1980. Vol. 86. № 1529, to. 74.
- Jung Walter G., Marsh Richard. Selection Capacitors for Optimum Performance. Part I.—Audio, 1980. Vol. 64. № 2. p. 52-86.
- Cherry Edward M. A New Distortion Mechanism It Class B. Amplifiers.— journal of the Audio Engineering Society. 1981. Vol. 20, № 5. p. 327—328.
- Ефремов В. С. Двухтактные усилители со стабилизацией минимальных токов плеч.—Полупроводниковая электроника в технике связи.— М.: Радио и связь, 1983. вып. 93, с. 87—94.
- Sandman A, Low cross-over distortion class B amplifier.— Wireless World. 1971. Vol. 77. № 1429, p. 341.
- Horowitz Mannle. How to Design Analog Circuits. Audio Power Amplifiers.— Radio-Etectronics, 1983, Vol. 54. № 5, p. 73-76.
- Hood Llnaley J. L. 60—100 W MOSFET Audio Amplifier.— Wireless World, 1982, Vol. 88. № 1558, p. 83-86.
Радио №№ 5,6 1985г.
Выходная мощность усилителя
Выходная мощность усилителя, отдаваемая в активную нагрузку, будет выражаться формулой:
где
Pвых — выходная мощность усилителя, Вт
Iвых — сила тока в цепи нагрузки, А
UВых — напряжение на нагрузке, В
Мощность на нагрузку с реактивной составляющей будет уже выражаться через формулу:
где
Pвых — выходная мощность усилителя, Вт
Iвых — сила тока в цепи нагрузки, А
Uвых — напряжение на нагрузке, В
cosφ — где φ — это разность фаз между осциллограммой тока и напряжения
Например, разность фаз между током и напряжением в активной нагрузке равна нулю, следовательно, cos0=1. Поэтому формула для активной нагрузки принимает вид
Более подробно про это можно прочитать в статье про активное и реактивное сопротивление.
Максимальная выходная мощность, при которой искажение сигнала на выходе не превышает качественных значений усилителя, называют номинальной мощностью усилителя.
Ну и обобщенное правило, для того, чтобы было проще запомнить все эти три вида усилителя:
В УН KU > 1, KI = 1; в УТ KI > 1, KU = 1; в УМ KU > 1 и KI > 1.
Класс D
Этот тип устройств дает возможность создавать свои модульные системы. При помощи оборудования происходит высококачественная обработка всего выходящего потока. Проектирование усилителей мощности звуковой частоты позволяет создать свою мультимедиасистему для работы или развлечений. Однако здесь есть свои нюансы. Часто ошибочно называемые цифровым усилением, преобразователи класса D представляют собой гарантию эффективности блока и при этом в реальных испытаниях достигаются коэффициенты, превышающие 90 %.
Сначала стоит разобрать вопрос, почему это относится к классу D, если «цифровое усиление» является неправильным. Это была просто следующая буква в алфавите, с классом C, используемым в аудиосистемах. Что еще более важно, как 90%+ эффективность может быть достигнута. В то время как все ранее упомянутые классы усилителей имеют одно или несколько выходных устройств, которые постоянно активны, даже когда преобразователь фактически находится в режиме ожидания, блоки класса D быстро переключают их в состояние «выключено» и «включено». Это достаточно удобно и дает возможность задействовать модуль только в нужные моменты.
Например, расчет усилителей звуковой частоты класса T, которые являются реализацией класса D, разработанного Tripath, в отличие от базового устройства, используют частоты переключения порядка 50 МГц. Выходные устройства обычно управляются широтно-импульсной модуляцией. Это когда прямоугольные волны различной ширины генерируются модулятором, который представляет аналоговый сигнал для воспроизведения. При строгом контроле устройств вывода таким способом теоретически возможна эффективность в 100% (хотя, очевидно, она недостижима в реальном мире).
Углубившись в мир усилителей звуковой частоты класса D, можно также найти упоминание об аналоговых и цифровых управляемых модулях. Эти блоки с управлением имеют аналоговый входной сигнал и аналоговую систему управления, обычно с некоторой степенью коррекции ошибок обратной связи. С другой стороны, в усилителях класса D с цифровым преобразованием используется цифровое управление, которое переключает ступень мощности без контроля ошибок. Это решение также находит одобрение, согласно отзывам многих покупателей. Однако ценовой сегмент здесь намного выше.
Исследование усилителя звуковой частоты показало, что аналогово-управляемый класс D имеет преимущество в производительности по сравнению с цифровым аналогом, так как он обычно предлагает более низкий выходной импеданс (сопротивление) и улучшенный профиль искажений. Это повышает исходные значения системы при ее максимальной нагрузке.
Параметры усилителей звуковой частоты при этом намного выше, чем у базовых моделей. Стоит понимать, что подобные расчеты требуются только для создания музыки в студии. Обычным покупателям эти характеристики можно пропускать.
Обычно это L-цепь (индуктор и конденсатор), размещенная между усилителем и громкоговорителями для уменьшения шума, связанного с работой класса D. Фильтр имеет большое значение. Плохой дизайн может поставить под угрозу эффективность, надежность и качество звука. Кроме того, обратная связь после выходного фильтра имеет свои преимущества. Хотя конструкции, которые не используют обратную связь на этом этапе, могут настраивать свой отклик на определенный импеданс, когда такие усилители имеют сложную нагрузку (то есть громкоговоритель, а не резистор), частотная характеристика может значительно варьироваться в зависимости от нагрузки на динамик. Обратная связь стабилизирует эту проблему, обеспечивая плавное реагирование на сложные нагрузки.
В конечном счете сложность усилителей электрических звуковых частот класса D имеет свои преимущества. Эффективность и, как следствие, меньший вес. Поскольку относительно мало энергии расходуется на тепло, требуется гораздо меньше затрат энергии. Таким образом, многие усилители класса D используются в сочетании с импульсными источниками питания (SMPS). Как и выходной каскад, сам источник питания можно быстро включать и выключать для регулирования напряжения, что приводит к дальнейшему повышению эффективности и способности снижать вес относительно традиционных аналоговых/линейных источников питания.
В совокупности даже мощные усилители класса D могут весить всего несколько килограммов. Недостаток источников питания SMPS по сравнению с традиционными линейными источниками заключается в том, что первые обычно не имеют большого динамического запаса.
Испытания и многочисленные тестирования усилителей звуковой частоты класса D с линейными источниками питания по сравнению с модулями SMPS показали, что это действительно так. Когда два усилителя обрабатывали номинальную мощность, но один с линейным источником питания мог создавать более высокие динамические уровни мощности. Тем не менее, дизайн SMPS становится все более распространенным явлением, и в магазинах можно ожидать увидеть более качественные блоки класса D следующего поколения, использующие подобные формы.
Виды усилителей по полосе пропускания
По ширине полосы пропускания усилители делятся на:
Усилители низкой частоты
Также их еще называют усилители звуковой частоты (УЗЧ). Они предназначенные для усиления сигналов с частотой от десятков Герц и до 20 кГц. 20 кГц — это предел частоты, которая может быть воспринята человеческим ухом. Поэтому, такой тип усилителей очень любят меломаны и радиолюбители.
Усилители высокой частоты
Они предназначены для усиления сигналов во всем диапазоне частот, используемых электроникой.
Широкополосные усилители
Они позволяют усиливать широкую полосу частот (например, от десятков герц до нескольких мегагерц). Здесь, думаю, все понятно.
Узкополосные усилители
Они усиливают узкую полосу частот. Это могут быть резонансные фильтры, а также фильтры, которые строятся на основе УВЧ и УНЧ.
Классовое деление
Если пользователи хотя бы раз смотрели в спецификацию усилителей мощности звуковой частоты, они могли заметить классы оборудования, обычно обозначаемые буквой или двумя. Наиболее распространенные типы блоков, используемые сегодня в потребительском домашнем аудио, – это значения A, A/B, D, G и H.
Эти классы представляют собой не простые системы классификации, а описания топологии усилителя, то есть как они функционируют на уровне ядра. В то время как каждый тип усилителей имеет свой набор сильных и слабых сторон, их работа (и то, как оцениваются конечные характеристики) остается неизменной.
Она заключается в том, чтобы преобразовать форму волны, посылаемую предварительным блоком без внесения помех или, по крайней мере, как можно меньшего искажения.
