Как работает усилитель звуковой частоты

Введение

Добрый день уважаемый хабраюзер, я хочу рассказать тебе о основах построения усилителей звуковой частоты. Я думаю эта статья будет интересна тебе если ты никогда не занимался радиоэлектроникой, и конечно же она будет смешна тем кто не расстаётся с паяльником. И поэтому я попытаюсь расказать о данной теме как можно проще и к сожалению опуская некоторые нюансы.Усилитель звуковой частоты или усилитель низкой частоты, что бы разобраться как он всё таки работает и зачем там так много всяких транзисторов, резисторов и конденсаторов, нужно понять как работает каждый элемент и попробовать узнать как эти элементы устроены. Для того что бы собрать примитивный усилитель нам понадобятся три вида электронных элементов: резисторы, конденсаторы и конечно транзисторы.

Резистор

Итак, резисторы у нас характеризуются сопротивлением электрическому току и это сопротивление измеряется в Омах. Каждый электропроводящий металл или сплав металлов имеют своё удельное сопротивление. Если мы возьмём проволоку определённой длинны с большим удельным сопротивлением, то у нас получится самый настоящий проволочный резистор. Для того что бы резистор был компактным, проволоку можно намотать на каркас. Таким образом у нас получится проволочный резистор, но он имеет ряд недостатков, поэтому резисторы обычно изготавливаются из металлокерамического материала. Вот так обозначаются резисторы на электрических схемах:Верхний вариант обозначения принят в США, нижний в России и в Европе.

Конденсатор

Конденсатор представляет из себя две металлических пластины разделённые диэлектриком. Если мы подадим на эти пластины постоянное напряжение, то появится электрическое поле, которое после отключения питания будет поддерживать на пластинах положительный и отрицательный заряды соответственно. Таким образом конденсатор способен накапливать электрический заряд. Эта способность накапливать электрический заряд называется электрическая ёмкость, что есть главный параметр конденсатора. Электрическая ёмкость измеряется в Фарадах. Что ещё характерно, это то что когда мы заряжаем или разряжаем конденсатор, через него идёт электрический ток. Но как только конденсатор зарядился, он перестаёт пропускать электрический ток, а это потому что конденсатор принял заряд источника питания, то есть потенциал конденсатора и источника питания одинаковые, а если нет разности потенциалов (напряжения), нет электрического тока. Таким образом, заряженный конденсатор не пропускает постоянный электрический ток, но пропускает переменный ток, так как при подключении его к переменному электрическому току, он будет постоянно заряжаться и разряжаться. На электрических схемах его обозначают так:

Транзистор

В нашем усилителе мы будем использовать самые простые биполярные транзисторы. Транзистор изготавливают из полупроводникового материала. Нужное для нас свойство это материала, — наличие в них свободных носителей как положительных, так и отрицательных зарядов. В зависимости от того каких зарядов больше, полупроводники различают на два типа по проводимости: n-тип и p-тип (n-negative, p-positive). Отрицательные заряды — это электроны, освободившиеся с внешних оболочек атомов кристаллической решетки, а положительные — так называемые дырки. Дырки — это вакантные места, остающиеся в электронных оболочках после ухода из них электронов. Условно обозначим атомы с электроном на на внешней орбите синим кружком со знаком минус, а атомы с вакантным местом — пустым кружком: Каждый биполярный транзистор состоит из трёх зон таких полупроводников, эти зоны называют база, эмиттер и коллектор. Рассмотрим пример работы транзистора. Для этого подключим к транзистору две батарейки на 1,5 и на 5 вольт, плюсом к эмиттеру, а минусом к базе и коллектору соответственно (смотрим рисунок): На контакте базы и эмиттера появится электромагнитное поле, которое буквально вырывает электроны с внешней орбиты атомов базы и переносит их в эмиттер. Свободные электроны оставляют за собой дырки, и занимают вакантные места уже в эмиттере. Это же электромагнитное поле оказывает такое же воздействие на атомы коллектора, а так как база в транзисторе достаточно тонкая относительно эмиттера и коллектора, электроны коллектора достаточно легко проходят сквозь неё в эмиттер, причём в гораздо большем количестве чем из базы. Если же мы отключим напряжение от базы, то никакого электромагнитного поля не будет, а база будет выполнять роль диэлектрика, и транзистор будет закрыт. Таким образом при подаче на базу достаточно малого напряжения, мы можем контролировать большее поданное напряжение на эмиттер и коллектор. Рассмотренный нами транзистор pnp-типа, так как у него две p-зоны и одна n-зона. Так же существуют npn-транзисторы, принцип действия в них такой же, но электрический ток течёт в них в противоположную сторону, чем в рассмотренном нами транзисторе. Вот так биполярные транзисторы обозначаются на электрических схемах, стрелка указывает направление тока:

УНЧ

Ну что ж, попробуем спроектировать из этого всего усилитель низкой частоты. Для начала нам нужен сигнал который мы будем усиливать, это может быть звуковая карта компьютера или любое другое звуковое устройство с линейным выходом. Допустим наш сигнал с максимальной амплитудой примерно 0,5 вольта при токе 0,2 А, примерно такой: А что бы заработал самый простой 4-х омный 10 ваттный динамик, нам нужно увеличить амплитуду сигнала до 6 вольт, при силе тока I = U / R = 6 / 4 = 1,5 A. Итак, попробуем подключить наш сигнал к транзистору. Вспомните нашу схему с транзистором и двумя батарейками, теперь вместо 1,5 вольтовой батарейки у нас у нас сигнал линейного выхода. Резистор R1 выполняет роль нагрузки, дабы не было короткого замыкания и наш транзистор не сгорел. Но тут возникают сразу две проблемы, во-первых наш транзистор npn-типа, и открывается только при положительном значении полуволны, а при отрицательном закрывается. Во-вторых транзистор, как и любой полупроводниковый прибор имеет нелинейные характеристики в отношении напряжения и тока и чем меньше значения тока и напряжения тем сильнее эти искажения: Мало того что от нашего сигнала осталась только полуволна, так она ещё и будет искажена:Это есть так называемое искажение типа ступенька. Чтобы избавиться от этих проблем, нам нужно сместить наш сигнал в рабочую зону транзистора, где поместится вся синусоида сигнала и нелинейные искажения будут незначительны. Для этого подают на базу напряжение смещения, допустим в 1 вольт, с помощью составленного из двух резисторов R2 и R3 делителя напряжения. А наш сигнал входящий в транзистор будет выглядеть вот так: Теперь нам нужно изъять наш полезный сигнал с коллектора транзистора. Для этого установим конденсатор C1: Как мы помним конденсатор пропускает переменный ток и не пропускает постоянный, поэтому он нам будет служить фильтром пропускающим только наш полезный сигнал — нашу синусоиду. А постоянная составляющая не прошедшая через конденсатор будет рассеиваться на резисторе R1. Переменный же ток, наш полезный сигнал, будет стремиться пройти через конденсатор, так сопротивление конденсатора для него ничтожно мало по сравнению с резистором R1. Вот и получился первый транзисторный каскад нашего усилителя. Но существуют ещё два маленьких нюанса: Мы не знаем на 100% какой сигнал входит в усилитель, вдруг всё таки источник сигнала неисправен, всякое бывает, опять же статическое электричество или вместе с полезным сигналом проходит постоянное напряжение. Это может стать причиной не правильной работы транзистора или даже спровоцировать его поломку. Для этого установим конденсатор С2, он подобно конденсатору С1 будет блокировать постоянный электрический ток, а так же ограниченная ёмкость конденсатора не будет пропускать пики большой амплитуды, которые могут испортить транзистор. Такие скачки напряжения обычно происходят при включении или отключении устройства. И второй нюанс, любому источнику сигнала требуется определённая конкретная нагрузка (сопротивление). По этому для нас важно входное сопротивление каскада. Для регулировки входного сопротивления добавим в цепь эмиттера резистор R4: Теперь мы знаем назначение каждого резистора и конденсатора в транзисторном каскаде. Давайте теперь попробуем рассчитать какие номиналы элементов нужно использовать для него. Исходные данные:

• U = 12 В — напряжение питания;
• U бэ ~ 1 В — Напряжение эмиттер-база рабочей точки транзистора;

Выбираем транзистор, для нас подойдёт npn-транзистор 2N2712

• P max = 200 мВт — максимальная рассеиваемая мощность;
• I max = 100 мА — максимальный постоянный ток коллектора;
• U max = 18 В — макcимально допустимое напряжение коллектор-база / коллектор-эмиттер (У нас напряжение питания 12 В, так что хватает с запасом);
• U эб = 5 В — макcимально допустимое напряжение эмиттер-база (наше напряжение 1 вольт ± 0,5 вольта);
• h21 = 75-225 — коэффициент усиления тока базы, принимается минимальное значение — 75;

1. Рассчитываем максимальную статическую мощность транзистора, её берут на 20% меньше максимальной рассеиваемой мощности, дабы наш транзистор не работал на пределе своих возможностей:P ст.max = 0,8*P max = 0,8 * 200мВт = 160 мВт;
2. Определим ток коллектора в статическом режиме (без сигнала), не смотря на что на базу не подаётся напряжение через транзистор всё равно в малой степени протекает электрический ток.I к0 = P ст.max / U кэ, где U кэ — напряжение перехода коллектор-эмиттер. На транзисторе рассеивается половина напряжения питания, вторая половина будет рассеиваться на резисторах:U кэ = U / 2;I к0 = P ст.max / (U / 2) = 160 мВт / (12В / 2) = 26,7 mA;
3. Теперь рассчитаем сопротивление нагрузки, изначально у нас был один резистор R1, который выполнял эту роль, но так как мы добавили резистор R4 для увеличения входного сопротивления каскада, теперь сопротивление нагрузки будет складываться из R1 и R4:R н = R1 + R4, где R н — общее сопротивление нагрузки; Отношение между R1 и R4 обычно принимается 1 к 10:R1 = R4*10; Рассчитаем сопротивление нагрузки:R1 + R4 = (U / 2) / I к0 = (12В / 2) / 26,7 mA = (12В / 2) / 0,0267 А = 224,7 Ом; Ближайшие номиналы резисторов это 200 и 27 Ом. R1 = 200 Ом, а R4 = 27 Ом.
4. Теперь найдем напряжение на коллекторе транзистора без сигнала:U к0 = (U кэ0 + I к0 * R4) = (U — I к0 * R1) = (12В -0,0267 А * 200 Ом) = 6,7 В;
5. Ток базы управления транзистором:I б = I к / h21, где I к — ток коллектора;I к = (U / R н);I б = (U / R н) / h21 = (12В / (200 Ом + 27 Ом)) / 75 = 0,0007 А = 0,07 mA;
6. Полный ток базы определяется напряжением смещения на базе, которое устанавливается делителем R2 и R3. Ток задаваемый делителем должен быть в 5-10 раз больше тока управления базы (I б), что бы собственно ток управления базы не влиял на напряжение смещения. Таким образом для значения тока делителя (I дел) принимаем 0,7 mA и рассчитываем R2 и R3:R2 + R3 = U / I дел = 12В / 0,007 = 1714,3 Ом
7. Теперь рассчитаем напряжение на эмиттере в состоянии покоя транзистора (U э):U э = I к0 * R4 = 0,0267 А * 27 Ом = 0,72 В Да, I к0 ток покоя коллектора, но этот же ток проходит и через эмиттер, так что I к0 считают током покоя всего транзистора.
8. Рассчитываем полное напряжение на базе (U б) с учётом напряжения смещения (U см = 1В):U б = U э + U см = 0,72 + 1 = 1,72 В Теперь с помощью формулы делителя напряжения находим значения резисторов R2 и R3:R3 = (R2 + R3) * U б / U = 1714,3 Ом * 1,72 В / 12 В = 245,7 Ом; Ближайший номинал резистора 250 Ом;R2 = (R2 + R3) — R3 = 1714,3 Ом — 250 Ом = 1464,3 Ом; Номинал резистора выбираем в сторону уменьшения, ближайший R2 = 1,3 кОм.
9. Конденсаторы С1 и С2 обычно устанавливают не менее 5 мкФ. Ёмкость выбирается такой что бы конденсатор не успевал перезаряжаться.

Заключение

На выходе каскада мы получаем пропорционально усиленный сигнал и по току и по напряжению, то есть по мощности. Но одного каскада нам не хватит для требуемого усиления, так что придётся добавлять следующий и следующий… И так далее. Рассмотренный расчёт довольно поверхностный и такая схема усиления конечно же не используется в строении усилителей, мы не должны забывать о диапазоне пропускаемых частот, искажениях и многом другом.

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).

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.

В 

Рис. 3. Однотранзисторный усилитель с делителем для подачи напряжения смещения на базу транзистора.

В 

Рис. 4. Однотранзисторный усилитель с автоматической установкой смещения для базы транзистора.

В схеме на рис. 3 смещение на базу транзистора задано более В«жесткоВ» с помощью делителя, что улучшает качество работы усилителя при изменении условий его эксплуатации. В«АвтоматическаяВ» установка смещения на базе усилительного транзистора применена в схеме на рис. 4.

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).

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.

В 

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.

В 

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.

В 

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.

Схемы УНЧ для работы с низкоОмной нагрузкой

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

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

В 

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

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

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

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

Усилитель звуковых частот – это общий термин, используемый для описания схемы, которая производит и увеличивает версию своего входного сигнала. Однако не все технологии преобразователей одинаковы, поскольку они классифицируются в соответствии с их конфигурациями и режимами работы.

В электронике обычно используются небольшие усилители, поскольку они способны увеличивать относительно небольшой входной сигнал, например от датчика, такого как плеер, в выходной гораздо большего размера для управления реле, лампой или громкоговорителем и т. п.

Существует много форм электронных схем, классифицированных как усилители, от операционных и датчиков малого сигнала до больших преобразователей импульса и мощности. Классификация устройства зависит от размера сигнала, большого или малого, его физической конфигурации и способа обработки входного потока, то есть отношения между входным уровнем и током, протекающим в нагрузке.

Анатомия устройства

Усилители звуковых частот можно рассматривать как простую коробку или блок, содержащий устройство, такое как биполярный, полевой транзистор или операционный датчик, который имеет две входных и две выходных клеммы (заземление является общим). Причем выходной сигнал намного больше из-за преобразования его на устройстве.

Идеальный усилитель сигнала будет иметь три основных свойства:

1. Входное сопротивление, или (R IN).
2. Выходное сопротивление, или (R OUT).
3. Усиление, или (A).

Независимо от того, насколько сложна схема усилителя, общая модель блока может быть использована для демонстрации взаимосвязи этих трех свойств.

Общие понятия

Высококачественные усилители звуковой частоты могут отличаться по своим характеристикам. Каждый тип имеет цифровое либо аналоговое преобразование. Для их разделения устанавливаются кодовые обозначения.

Увеличенная разница между входным и выходным сигналами называется преобразованием. Усиление – это мера того, насколько усилитель «преобразует» входной сигнал. Например, если есть входной уровень на 1 вольт и выходной на 50 вольт, то преобразование будет равно 50. Другими словами, входной сигнал был развит в 50 раз. Усилитель звуковых частот как раз выполняет эту задачу.

Расчет преобразования – это просто отношение выхода, деленное на вход. Эта система не имеет единиц измерения в качестве своего отношения, но в электронике для усиления обычно используется символ A. Затем преобразование просто рассчитывается как «выходной, деленный на входной сигнал».

Преобразователи мощности

Увеличитель малого сигнала обычно называют усилителем «напряжения», потому что он, как правило, преобразовывает небольшое входное в гораздо большее выходное напряжение. Иногда для управления двигателем или питанием громкоговорителя требуется схема устройства, а для приложений такого типа, где задействуются высокие токи переключения, нужны преобразователи мощности.

Как следует из названия, основная задача усилителя мощности (также известного как большой усилитель сигнала) состоит в том, чтобы подавать мощность на нагрузку. Это произведение напряжения и тока, приложенного к нагрузке с мощностью выходного, превышающей уровень входного сигнала. Другими словами, преобразователь увеличивает мощность динамика, поэтому схемы блоков такого типа используются на внешних каскадах аудиопреобразователей для управления громкоговорителями.

Принцип действия

Усилитель звуковых частот работает по принципу преобразования силы постоянного тока, потребляемой от источника питания, в сигнал напряжения переменного тока, подаваемый на нагрузку. Хотя преобразование является высоким, эффективность его от источника питания постоянного тока к выходному сигналу напряжения переменного обычно является низкой.

Идеальный блок дает устройству коэффициент полезного действия в 100% или, по крайней мере, мощность IN будет равна мощности OUT.

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.

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.

Класс B

В то время как все механизмы вывода в усилителе звуковой частоты на транзисторах класса A при работе занимают 100% времени, в блоках класса B используется двухтактная схема таким образом, что только половина устройств вывода проводит ток в любое время.

Одна половина покрывает +180-градусную часть формы волны, в то время как другая покрывает сечение -180 градусов. Как следствие, усилители класса B значительно более эффективны, чем их аналоги класса A, с теоретическим максимумом 78,5%. Учитывая относительно высокую эффективность, класс B использовался в некоторых профессиональных преобразователях звукоусиления, а также в некоторых домашних ламповых усилителях. Несмотря на их очевидную силу, шансы приобрести для дома блок класса В практически равны нулю. Исследование усилителя звуковой частоты показало причину этого, известную как искажение кроссовера.

Проблема с задержкой в ​​передаче обслуживания между устройствами, обрабатывающими положительные и отрицательные части формы сигнала, считается значительной. Само собой разумеется, что такое искажение в достаточных количествах слышно, и хотя некоторые конструкции класса B были лучше, чем другие в этом отношении, класс B не получил особого признания от любителей чистого звучания.

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.

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.

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.

Сравнение эффективности классов AB и D

Хотя эффективность усилителя мощности звуковой частоты на транзисторах класса A/B повышается по мере приближения к максимальной выходной мощности, конструкции класса D поддерживают высокий коэффициент полезного действия в большинстве рабочих диапазонов. В результате эффективность и качество звучания все больше склоняется в пользу последнего блока.

Использование одного преобразователя

При правильной реализации любой из вышеперечисленных блоков за пределами класса B может сформировать основу усилителя высокой точности. Помимо потенциальных ошибок производительности (которые в первую очередь являются следствием проектных решений, а не присущим классу), выбор типа блока в значительной степени является вопросом стоимости в сравнении с эффективностью.

На сегодняшнем рынке простой усилитель звуковой частоты класса A/B доминирует, и на то есть веская причина. Он очень хорошо работает, относительно дешевый, а его эффективность вполне адекватна для приложений с низким энергопотреблением (>200 Вт). Конечно, поскольку производители преобразователей пытаются расширить границы поставки, к примеру, при помощи моноблока Emotiva XPR-1 мощностью 1000 Вт, они обращаются к конструкциям класса G/H и D, чтобы избежать двойного использования их усилителей в качестве систем, способных быстро нагреть технику. Между тем в другой стороне рынка есть поклонники класса А, которые могут простить недостаток эффективности устройства в надежде на более чистый звук.

Итог

В конце концов, классы преобразователей необязательно так важны. Конечно, есть актуальные различия, особенно когда речь идет о стоимости, эффективности усилителя и, следовательно, в весе. Безусловно, техника класса А мощностью 500 Вт – плохая идея, если, конечно, пользователь не имеет мощную систему охлаждения. С другой стороны, различия между классами не определяют качество звука. В конце концов, это сводится к разработке и реализации собственных проектов. Важно понимать, что преобразователи – это только одно устройство, которое входит в состав аудиосистемы.

Используемые источники:

• https://habr.com/post/142012/
• http://radiostorage.net/1141-prostejshie-usiliteli-nizkoj-chastoty-na-tranzistorah.html
• https://fb.ru/article/462501/usilitel-zvukovyih-chastot-tipyi-klassyi-i-klassifikatsiya-po-kategoriyam