Как работает усилитель звука: принцип действия, устройство и основные характеристики

Как работает усилитель класса «А», или Истинный High End и много тепла / Stereo.ru

Принцип работы

В далеком 1916 году шведский ученый Эрнст Александерсон, работавший в американской компании General Electric, получил патент на схему усилителя, которая известна всему миру как класс А. Принцип действия усилителя класса А предельно прост, а для создания усилителя такого типа достаточно одного транзистора или одной лампы. Для того, чтобы понять, как он работает, рассмотрим более классическое решение: лампу.

Непосредственно в процессе усиления звукового сигнала в радиолампе участвуют три конструктивных элемента: анод, катод и сетка. При подаче питания в схему между катодом и анодом возникает поток электронов, а сетка, располагающаяся между ними, выполняет роль регулирующего клапана.

При наличии на сетке электрического потенциала она препятствует свободному прохождению электронов, и, чем выше электрический потенциал на сетке, тем меньше электронов проходит от катода к аноду вплоть до полного закрытия лампы. Таким образом, включив полезную нагрузку (акустическую систему) между катодом и анодом и подав сигнал на управляющую сетку, мы получаем простейшую схему усилителя мощности.

Специфика усилителя, работающего с аудиосигналом, состоит в том, что звуковая волна имеет симметричную форму с положительной и отрицательной составляющими, равными по амплитуде.

При подаче такого сигнала на вход усилителя произойдет следующее: в момент прохождения положительной полуволны лампа будет открываться и закрываться так, что сигнал на выходе будет повторять форму звуковой волны на входе. Но в тот момент, когда на вход поступит отрицательная часть полуволны, сетка уже будет полностью заперта, и вместо воспроизведения звука на выходе усилителя мы получим тишину.

Несмотря на то, что в статье мы говорим преимущественно о ламповом классе А, транзисторы так же способны работать соответствующим образом, и на картинке выше вы видите стандартную схему

Для того, чтобы дать лампе возможность воспроизводить обе половины сигнала, Эрнст Александерсон организовал смещение нулевой точки входящего сигнала относительно нулевой точки (полностью закрытого состояния) лампы примерно на середину ее рабочего диапазона. Таким образом, среднее положение звуковой волны соответствовало полуоткрытому состоянию лампы.

В момент прохождения положительной полуволны входящего сигнала лампа открывалась еще сильнее, а при воспроизведении отрицательной полуволны закрывалась, но частично, не доходя до минимальной отметки.

Плюсы

На первый взгляд, схема довольно симпатична и имеет целый ряд неоспоримых преимуществ. Во-первых, она проста, лаконична и является отличным примером предельно короткого звукового тракта. Во-вторых, лампа или транзистор, работающие в классе А, постоянно находятся в рабочем состоянии и мгновенно реагируют на изменения входящего сигнала — у них нет временных задержек, возникающих в момент выхода из полностью закрытого состояния.

В-третьих, середина рабочего диапазона электронного компонента — это та зона, в которой он работает максимально эффективно и без искажений. Значит, если не увеличивать амплитуду до предельных значений (не выкручивать особенно сильно ручку громкости и не подключать к усилителю тяжелую нагрузку), усилитель будет работать исключительно в комфортном режиме, и сигнал на выходе будет иметь практически идеальный вид.

К сожалению, все эти плюсы без побочных эффектов можно реализовать только в слаботочных цепях предварительного усилителя. А когда речь заходит о работе на мощностях, необходимых для взаимодействия с акустическими системами, класс А проявляет свои не менее очевидные минусы.

Минусы

Главные минусы класса А так же, как и плюсы, вытекают из выбранного создателем принципа работы. Нулевой уровень входного сигнала приходится на середину рабочего диапазона электронного компонента, а это значит, что, когда на входе тишина — транзистор или лампа уже открыты наполовину и работают вполовину своей мощности, расходуя вхолостую много энергии. Реальный же КПД усилителей класса А оказывается существенно ниже теоретических 50%. Из 100% энергии, потребляемой усилителем, акустика получает не более 20–25%, а вся остальная энергия преобразуется в тепло.

Повышение рабочей температуры может негативно сказываться на режиме работы усиливающего элемента, поэтому транзисторные усилители класса А, выдающие хоть сколько-нибудь существенную мощность, обладают огромными радиаторами.

Если же вы хотите получить на выходе не десятки, а сотни ватт мощности, сохранив при этом режим работы усилителя в классе А, готовьте комнату побольше и вентиляцию для отвода тепла помощнее, ведь вследствие низкого КПД сам усилитель будет огромным, а его блок питания и вовсе колоссальным.

За всем этим следует целый ряд сопутствующих проблем. Прежде чем счастливый обладатель усилителя класса А получит свой первый огромный счет за электричество, ему придется потратить немало денег на сам усилитель, ведь большие блоки питания, тяжелые выходные трансформаторы ламповых и массивные радиаторы транзисторных усилителей сами по себе стоят денег.

В ходе эксплуатации вслед за увеличившимися расходами на электроэнергию аудиофил рано или поздно столкнется с еще одной проблемой усилителей класса А — повышенным износом активных элементов схемы. Особенно эта проблема касается ламп. Работая в классе А, они постоянно находятся под большой нагрузкой, что сокращает их и без того малый ресурс работы.

Особенности

Понимая как работает усилитель в классе А, мы можем рассмотреть его и с аудиофильской точки зрения. Ситуация с искажениями на малых уровнях громкости вполне понятна: пока амплитуда сигнала не высока, усилитель работает в идеальных условиях и обеспечивает на выходе если не абсолютно совершенный сигнал, то что-то к нему максимально приближенное. Но возникает вопрос: что же происходит когда мы делаем музыку погромче?

До определенного момента — ничего страшного, но, как только пики сигнала приближаются к пороговым значениям (максимально открытому и закрытому состоянию лампы или транзистора), искажения будут расти существенно, как и у любого другого усилителя, после чего произойдет компрессия с выходом искажений за все мыслимые границы нормы.

Кто-то заметит, что любой усилитель можно перегрузить и загнать в искажения. Это справедливо. Но тонкость момента состоит в том, что усилители класса А по определению маломощны, а значит довести их до предельной нагрузки не составляет труда. Именно это происходит в те моменты, когда усилитель, только что воспроизводивший тихую камерную музыку с невероятным уровнем детализации, вдруг сваливает в неразборчивую кашу более громкое звучание симфонического оркестра.

Следующая специфическая особенность схемотехники касается блока питания. Это, кстати, один из важнейших компонентов любого усилителя, ведь энергия поступающая в акустику — это энергия блока питания, модулированная входящим сигналом. Выражаясь в более понятной автомобильной терминологии, блок питания — двигатель, а схема усилителя — руль.

Так вот, низкий КПД усилителя класса А и высокий ток покоя загоняет блок питания в довольно сложные условия: он должен иметь солидный запас мощности, чтобы, выдавая постоянно высокий ток, быть готовым мгновенно отдать в разы больше. После резкого всплеска сигнала конденсаторам блока питания необходимо зарядиться, т. е. взять дополнительную энергию от трансформатора, который и без того постоянно озадачен тем, чтобы поддерживать высокий ток покоя усилителя.

Далеко не все блоки питания способны справиться с такой задачей без побочных эффектов, поэтому, если звучание мощного усилителя, работающего в классе А, кажется вам медлительным, быстрая музыка смазывается, а бас получается неизменно гулким и размазанным во времени, — не удивляйтесь и не спешите обвинять в этом акустику или ее неудачное расположение в помещении.

Практика

Несмотря на все недостатки и технические особенности, усилители класса А по-прежнему производятся разными производителями и образуют весьма заметную нишу на рынке Hi-Fi техники, а если быть точным — в сегменте High End, где габаритами, энергопотреблением, сложностью эксплуатации и даже ценой можно пренебречь в угоду его величеству звуку.

Кроме того, с 1916 года и по настоящий момент времени на свет родилось немало талантливых инженеров, которые нашли способы существенно компенсировать вышеупомянутые проблемы.

Отличным примером вышесказанному является ламповый усилитель Octave V 16 Single Ended. Слова Single Ended в названии переводятся как «однотактный», что является техническим описанием режима работы ламп и, фактически, выступает синонимом понятия «класс А».

Для того, чтобы взбодрить классическую схемотехнику и приблизить эксплуатационные характеристики усилителя к современным реалиям, разработчики Octave воплотили в жизнь сразу несколько оригинальных решений, корректирующих режим работы. Адаптивная трехступенчатая настройка режима работы усилителя управляет величиной тока смещения сообразно максимальной амплитуде входящего сигнала, чтобы не держать схему усилителя в режиме высокого энергопотребления без необходимости.

А когда сигнал на входе отсутствует более двух минут, включается режим Ecomode, который понижает энергопотребление до 35%. Таким образом, усилитель, оставленный без присмотра, не будет без толку греть помещение.

За качество звучания разработчики боролись не меньше, чем за энергоэффективность, поэтому использовали высокотехнологичные трансформаторы с компенсацией магнитного поля, усовершенствованные каскады предварительного усиления, расширяющие диапазон воспроизводимых частот, а также самые совершенные схемы стабилизации, избавляющие от шумов и гула, которые усилители класса А с удовольствием демонстрируют даже при небольшом отклонении от рабочих параметров.

В результате, усилитель можно использовать с совершенно различной нагрузкой: от низкоимпедансной акустики до высокоимпедансных наушников, — не боясь вывести их из строя или просто выйти за пределы рабочего режима. Следящие электронные схемы перенастраивают выходные каскады автоматически.

Читая это, самое время вдохновиться и решить, что абсолютно все проблемы уже решены современными инженерами. Но не спешите, ведь нужно заглянуть в паспортные данные. А там картина вырисовывается крайне специфическая. При низких показателях шумов и искажения, имея без малого два десятка килограмм живого веса и потребляя от сети до 200 Вт, Octave V16 Single Ended выдает на акустике импедансом 4 Ом не более 8 Вт на канал при использовании самых мощных ламп. Для наушников этого вполне хватит, но где искать подходящие колонки?

Звук

Поскольку данный текст является частью большого цикла публикаций, посвященного различным типам усилителей, в процессе его подготовки было проведено одно большое сравнительное прослушивание, в котором участвовали усилители различных классов. Для придания прослушиванию достаточной степени объективности было выбрано две модели напольных колонок.

Одна из них была заведомо тяжелой нагрузкой с низкой чувствительностью — крупным тугим басовиком, и требовала высокой подводимой мощности. Вторая же была призвана стать обратной стороной медали: предельно легкой нагрузкой, способной сработаться с любым, даже маломощным усилителем. И во всех случаях эта схема тестирования была вполне рабочей до того момента пока на сцене не появился Octave V16 Single Ended с его 8 Вт на канал.

На тяжелой нагрузке искажения были столь реальны, что их, казалось, можно было потрогать, а нагрузка, ранее известная как легкая, успешно справилась с ролью тяжелой. За неимением под рукой еще одной пары колонок мощностью в несколько ватт и с чувствительностью выше 100 дБ роль легкой нагрузки выполнили наушники.

С колонками, которым по паспорту требуется не менее 25 Вт, Octave V16 Single Ended сработался на удивление неплохо. Если не злоупотреблять громкостью, можно в полной мере оценить живой, открытый и чистый звук, который на спокойных аудиофильских записях просто превосходен.

Ситуация осложняется, когда дело доходит до более динамичной музыки, а на рок-композициях усилитель с удовольствием сваливает звучание гитар в кашу, давая в качестве бонуса вполне различимую на слух компрессию. Спасает лишь тот факт, что компрессия и искажения в исполнении ламп в отличие от транзисторов придает звучанию довольно приятную окрашенность.

Если же попытаться уменьшить нагрузку на усилитель, понизить громкость, а затем подсесть поближе, чтобы не потерять в звуковом давлении — картина исправляется. И грязи нет, и деталей больше, и компрессия не ощущается. Здесь я замечу, что по габаритам этот усилитель совсем небольшой, его можно поставить не только в стойку, но даже на стол, для использования с наушниками и полочными мониторами ближнего поля.

В полной мере прочувствовать принадлежность усилителя к категории High End удалось в наушниках. Совершенно сумасшедшая детальность, открытое, объемное и тембрально богатое звучание, управляемый и четкий бас — все то, о чем можно мечтать. И, что характерно, даже на быстрой тяжелой музыке усилитель начал вести себя достойно. Никакой вальяжности, никакой каши, никакой гулкости в НЧ-диапазоне. Вот что значит — обеспечить усилителю класса А оптимальный режим работы.

Выводы

Усилитель класса А имеет немало плюсов. Проще говоря — его есть, за что любить. Но в современном мире он занимает особое место. Это тот краеугольный камень, вокруг которого придется выстраивать всю остальную систему и под который, в некотором смысле, даже придется подстраивать свой образ жизни.

В первую очередь, речь идет, конечно, о правильном подборе акустики. Тут самое время вспомнить о рупорной акустике с её высокой чувствительностью, да и о винтаже задуматься не грех. Все же в прошлом у разработчиков было больше понимания, как обеспечить много звука, имея на руках маломощные усилители. Ну и при всем вышесказанном надо понимать, что система неизбежно получится жанровой. Бороться с этим фактом бессмысленно, убеждать себя в обратном глупо. Остается просто получать от этого удовольствие.

Если же мы говорим о применении схемотехники класса А в схемах предусилителя или в усилителях для наушников — ситуация в корне меняется. Там, где от усилителя не требуется выделения высокой мощности, класс А показывает исключительно свои положительные стороны, не пытается заставить пользователя жить по своим правилам и не демонстрирует каких-либо жанровых пристрастий.

Продолжение следует…

Статья подготовлена при поддержке компании «Аудиомания», тестирование усилителей проходило в залах прослушивания салона.

Другие полезные материалы в разделе «Мир Hi-Fi» на сайте «Аудиомании» и Youtube-канале компании:

• Про мощность колонок и усилителей [видео]

• Праздник, который всегда с тобой: как выбрать портативный аудиопроигрыватель

• От критиков к алгоритмам: лейблы, корпорации и музыкальная культура XX века

Что такое усилитель мощности звука?

Усилители мощности в практике радиолюбителей уже много лет занимают одно из первых мест. Несмотря на множество готовых промышленных конструкций с иероглифами на борту, мы до сих пор строим свои аудиосистемы сами. 

Когда-то давно я занимался в школьном радиокружке и построил наверно с десяток усилителей мощности звука. Среди них был и усилитель Агеева, и усилитель Гумели. В то время я слабо понимал как они работают, книг, компьютера, а тем более интернета, у меня не было вообще . Так что собирал как мог. Было весело. Сегодня я хочу рассказать тебе как устроен усилитель мощности звука, чтобы ты понимал из каких блоков он состоит, для чего они нужны и почему он вообще усиливает.

Усилители мощности в электронике занимают особое место и используются повсеместно: и в аудиоусилителях, и в телевизорах, и в станках и т.д. Практически каждый радиолюбитель хоть раз, да собирал УМЗЧ и радовался как это весело, что плата с проводами выдаёт звук.

Давай разобираться что такое «усилитель мощности». Из названия создаётся впечатление, что это устройство магическим образом превращет 1 Вт мощности, поступивший на вход, к примеру, в 15 Вт на выходе. Что усилитель из воздуха сделала сигнал более сильным. На деле всё иначе. Ничто не берется из ниоткуда. Главная идея усилителя мощности в том, что он подаёт на выход (на АС, например) часть мощности своего источника питания. А входной сигнал просто регулирует сколько мощности следует подать на выход. 

Таким образом усилитель мощности как бы повторяет входной сигнал и подаёт на выход его копию, только большей мощности. 

Если это звучит замысловато, то представь себе водопроводный кран. Труба, к которой он подсоединён — это «источник питания» крана. Носик крана — выход. А твоя рука, которая крутит ручку крана туда-сюда — это входной сигнал. А значит ты своей рукой регулируешь мощность потока воды из носика крана.

Типичная структура усилителя мощности

В усилителях мощности звуковой частоты, т.е. обычно в музыкальных усилителях, важным качеством является не только увеличение мощности звука, но и сохранение его качества. Для этого усилители строятся таким образом, чтобы снизить искажения исходного сигнала. 

 

Поэтому вместо одного блока, который сразу бы усилил сигнал в 10-100-200 раз используется несколько последовательно включенных усилительных каскадов, которые усиливают в 5-10 раз. А так как они стоят один за другим, то итоговый коэффициент усиления буден равен произведению коэффициэнтов усиления каждого каскада. Т.е. если первый каскад усиливает в 2 раза, а второй в 10, то в итоге усиление будет в 20 раз.

Коэффициентом усиления (по напряжению) в данном случае будет результат отношения напряжения на выходе усилителя к напряжению на входе. 

На практике усиление напряжения происходит в первых каскадах, а последний каскад, который называется «выходным», служит как раз для подведения необходимой мощности в нагрузку и часто сам по себе даёт единичное усиление.

Ниже, на схеме усилителя Гумели, я показал блоки усилителя, соответсвующие диаграмме выше:

Характеристики усилителей мощности

Идеальный усилитель должен усиливать сигнал (т.е. создавать его копию), не внося никаких изменений в исходный сигнал. Хороший реальный усилитель конечно же вносит искажения, но они незаменты для человеческого уха. Плохой усилитель сразу даёт о себе знать, когда вместо чистого звука скрипки из динамиков доносится хрюканье поросёнка.

Я хочу обсудить с тобой характеристики усилителя мощности, на которые всё таки следует обращать внимание как при покупке, так и при создании усилителя своими руками.

1. Искажения сигнала
2. Шумы
3. Номинальная мощность
4. Частотные параметры

Искажения

Да, при прохождении сигнала через твой усилитель он искажается. Искажения неизбежно вносятся электронными компонентами, а также могут возникать из-за плохой работы всей схемы в целом. В хороших усилителях стремятся снизить искажения, в плохих их слышно даже невооруженным ухом: щелчки, хрипения, звук как из телефона и т.д.  При конструировании усилителей применяют разные решения дял снижения тех или иных видов искажений:

• Линейные искажения
• Нелинейные искажения

Линейные искажения влияют на амплитуду и фазу сигнала. Например, при прохождении звука через усилитель слегка меняется фаза каких-нибудь составляющих этого сигнала. Искажение амплитуды сигнала чаще всего зависит от его частоты. Например усилитель гарантированно усиливает сигналы с частотами от 20 Гц до 20 КГц. А ты подал ему на вход 100 Кгц и ожидал увидеть усиление в 10 раз, а получил только в 2, если получил вообще. Что произошло? Правильно, усилитель перестал быть усилителем. Он не был сконструирован для работы с такими частотами. 

Нелинейные искажения весьма коварны. Они портят сам сигнал, меняя его форму. В результате прохождения сигнала через такой усилитель в сигнале появляются составляющие, которых там изначально не было. И вместо, например синусоиды, что ты подал на вход, на выходе можно получить сигнал только отдаленно напоминающий синусоиду. 

Для снижения шумов и искажений сигнала требуется и правильный подход к конструированию такого усилителя мощности и соблюдение правил монтажа, которые обеспечивают снижение шумов и искажений.

Шумы

Шумом называют всякий случайный сигнал, который усиливаетс

Как работают усилители | HowStuffWorks

Когда люди называют «усилители», они обычно говорят о стерео компонентах или музыкальном оборудовании. Но это только небольшое представление спектра аудиоусилителей. На самом деле вокруг нас есть усилители. Вы найдете их в телевизорах, компьютерах, портативных проигрывателях компакт-дисков и большинстве других устройств, использующих динамики для воспроизведения звука.

Звук — захватывающее явление. Когда что-то вибрирует в атмосфере, оно перемещает частицы воздуха вокруг себя.Эти частицы воздуха, в свою очередь, перемещают частицы воздуха вокруг себя, передавая импульс вибрации через воздух. Наши уши улавливают эти колебания давления воздуха и преобразуют их в электрические сигналы, которые мозг может обрабатывать.

Электронное звуковое оборудование работает таким же основным образом. Он представляет звук как переменный электрический ток. Вообще говоря, в этом типе воспроизведения звука есть три этапа:

• Звуковые волны перемещают диафрагму микрофона вперед и назад, и микрофон преобразует это движение в электрический сигнал.Электрический сигнал колеблется, представляя сжатий и разрежений звуковой волны.
• Регистратор кодирует этот электрический сигнал в виде шаблона в некоторой среде — например, в виде магнитных импульсов на ленте или в виде канавок в записи.
• Игрок (например, магнитофон) повторно интерпретирует этот шаблон как электрический сигнал и использует это электричество для перемещения конуса динамика вперед и назад. Это воссоздает колебания давления воздуха, первоначально записанные микрофоном.

Как видите, все основные компоненты этой системы по сути являются трансляторами: они принимают сигнал в одной форме и помещают его в другую. В конце звуковой сигнал переводится обратно в исходную форму, физическую звуковую волну.

Чтобы регистрировать все незначительные колебания давления в звуковой волне, диафрагма микрофона должна быть чрезвычайно чувствительной. Это означает, что он очень тонкий и перемещается только на короткое расстояние. Следовательно, микрофон вырабатывает довольно маленький электрический ток.

Это хорошо для большинства этапов процесса — он достаточно силен для использования, например, в рекордере и легко передается по проводам. Но последний шаг в этом процессе — толкание конуса динамика вперед и назад — сложнее. Для этого вам нужно усилить аудиосигнал, чтобы он имел больший ток при сохранении той же схемы колебаний заряда.

Это работа усилителя. Это просто производит более мощную версию звукового сигнала.В этой статье мы увидим, что делают усилители и как они это делают. Усилители могут быть очень сложными устройствами с сотнями мелких деталей, но вы можете получить четкое представление о том, как работает усилитель, изучив самые основные компоненты. В следующем разделе мы рассмотрим основные элементы усилителей. ,Основы усилителя ESP

— как работают усилители звука

Основы усилителя ESP — как работают усилители звука Основы усилителя

Elliott Sound Products

— как работают усилители (введение)

© 1999 — Род Эллиотт (ESP)
Последнее обновление 6 апреля 2005 г.

---

Статьи Index
Главный индекс

---

Введение

Термин «усилитель» в настоящее время является общим и часто считается (в частности, многими пользователями), что означает усилитель мощности для управления громкоговорителями.Это не тот случай (ну, это — это , но это не только ), и в этой статье мы попытаемся объяснить некоторые основы усиления — что это значит и как это достигается. Эта статья не предназначена для дизайнера (хотя дизайнеры могут ее прочитать, если они того пожелают) и не предназначена для охвата всех возможностей. Это учебник, в котором даются довольно простые объяснения (хотя некоторые, несомненно, будут оспаривать это) каждого из основных пунктов.

Я объясню основные усилительные элементы, а именно клапаны (вакуумные трубки), биполярные транзисторы и полевые транзисторы, все из которых работать к одному и тому же концу, но делать это по-другому.Эта статья основана на принципах усиления звука — радиочастотные (РЧ) усилители сконструированы по-разному из-за особых требований при работе на высоких частотах.

Не исключено, что операционный усилитель также представлен, потому что, хотя он и не является в отдельном смысле «отдельным компонентом», он теперь считается самостоятельным строительным блоком.

Эта статья предназначена не для начинающих (хотя они тоже приветствуются), но для промежуточного уровня электроники или аудио-энтузиастов, которые смогут извлечь наибольшую пользу из приведенных объяснений.

---

Содержание

---

Основная терминология

Прежде чем мы продолжим, я должен объяснить некоторые из используемых терминов. Не зная об этом, вы не сможете следить за последующим обсуждением.

Электроблоки
Наименование	Измерение	aka	Символ
Вольт	электрическое напряжение		В, U, E (EMF)
Ампер	поток электронов	ток	А, I
Вт	Мощность		Вт, P
Ом	сопротивление току		Ом, R
Ом	импеданс, реактивное сопротивление		Ом, Z, X
Фарад	емкость		F, C
Генри	индуктивность		H, L
Гц	частота		Гц

Примечание: «aka» означает «также известен как».Хотя греческая буква омега (Ω) является символом для омов, я буду использовать слово «ом» или букву «R» для обозначения омов. Любое сопротивление, превышающее 1000 Ом, будет отображаться как (например) 1k5, что означает 1 500 Ом или 1 М для 1 000 000 Ом. Второй символ, показанный в таблице, обычно используется в формуле.

Когда речь идет о вольтах и ​​амперах (амперах), у нас есть переменный ток и постоянный ток (переменный и постоянный ток соответственно). Питание от настенной розетки — от сети переменного тока, а также от компакт-диска или магнитофона.Сеть от сетевой розетки находится под высоким напряжением и способна на большой ток, и используется для питания усилительных цепей. Сигнал от вашего аудиоисточника находится под низким напряжением и может подавать только небольшой ток, и его необходимо усилить, чтобы он мог управлять громкоговорителем.

Импеданс
Производная единица сопротивления, емкости и индуктивности в комбинации называется импедансом, хотя не требуется, чтобы все три были включены. Импеданс также измеряется в омах, но это сложная цифра, которая часто не дает никакой полезной информации.Импеданс динамика является показательным примером. Хотя в брошюре может быть указано, что сопротивление динамика составляет 8 Ом, в действительности оно будет варьироваться в зависимости от частоты, типа корпуса и даже от ближайших стен или обстановки.

Единицы
Во всех областях электроники есть много разных вещей, которые было бы очень неудобно писать полностью. Например, конденсатор может иметь значение 0,000001F, а резистор — 150000 Ом.Из-за этого существуют условные единицы, которые применяются для облегчения нашей жизни (ну, в любом случае, когда мы привыкли их использовать, в любом случае). Гораздо проще сказать 1uF или 150k (то же, что и выше, но с использованием стандартных единиц измерения). Эти единицы описаны ниже.

Обычные метрические единицы
Символ	Имя	Умножение
p	pico	1 x 10 -12
n	nano	1 x 10 -9
μ	микро	1 x 10 -6
м	милли	1 x 10 -3
к	кило	1 x 10 3
M	Mega	1 x 10 6
G	Гига	1 x 10 9
T	Tera	1 x 10 12

Хотя обычно он обозначается буквой «u», символом «micro» на самом деле является греческая буква mu (μ), как показано на рисунке.В аудио Giga и Tera обычно не встречаются (пока совсем нет — за исключением указания входного сопротивления некоторых операционных усилителей!). Есть и другие (такие как фемто — 1×10 ^-15 ), которые крайне редки и не были включены. Из стандартных электрических блоков только Фарад настолько велик, что стандартом дефакто является микрофарад (мкФ). Большинство других достаточно разумны в своей основной форме.

Важно понимать, что символом для микрофарад является мкФ (чаще всего мкФ), , а не мкФ — это миллифарад и 1000 мкФ.

---

Основы усиления

Термин «усиливать» в основном означает сделать сильнее. Сила сигнала (с точки зрения напряжения) называется амплитудой, но нет эквивалента для тока (curritude?, Нет, звучит глупо). Это само по себе сбивает с толку, потому что, хотя «амплитуда» относится к напряжению, оно содержит слово «ампер», как в ампере. Может быть, мы должны ввести «напряжение» — нет? Просто живи с этим.

Чтобы понять, как работает любой усилитель, вам необходимо понять два основных типа усиления и третий «производный» тип:

• Усилитель напряжения — усилитель, который повышает напряжение входного сигнала
• Current Amplifier — усилитель, который увеличивает ток сигнала
Усилитель мощности
• — комбинация двух вышеуказанных усилителей

В случае усилителя напряжения небольшое входное напряжение будет увеличено, например, до 10 мВ (0.01V) входной сигнал может быть усилен, так что выходной сигнал составляет 1 вольт. Это представляет собой «усиление» 100 — выходное напряжение в 100 раз больше, чем входное напряжение. Это называется усилением напряжения усилителя.

В случае усилителя тока, входной ток 10 мА (0,01 А) может быть усилен, чтобы дать выход 1 А. Опять же, это усиление 100, и это текущее усиление усилителя.

Если мы теперь скомбинируем два усилителя, затем рассчитаем входную мощность и выходную мощность, мы измерим усиление мощности:

P = V × I

(где I = текущий, обратите внимание, что символ изменяется в формуле)

Теперь можно рассчитать входную и выходную мощность:

	P в = 0.01 × 0,01	(0,01 В и 0,01 А или 10 мВ и 10 мА)
	P в = 100 мкВт
	P из = 1 × 1	(1 В и 1A)
	P из = 1 Вт

Таким образом, коэффициент усиления составляет 10 000, то есть коэффициент усиления по напряжению, умноженный на коэффициент усиления по току. Несколько удивительно, возможно, мы не заинтересованы в усилении мощности с аудио усилителями.Для этого есть веские причины, которые будут объяснены в оставшейся части этой страницы. Сказав это, в действительности все усилители являются усилителями мощности, поскольку напряжение не может существовать без мощности, если импеданс не равен бесконечности или равен нулю. Это никогда не достигается, поэтому всегда присутствует некоторая сила. Усилители удобно классифицировать как указано выше, и небольшая ошибка терминологии не причинит никакого вреда.

Обратите внимание, что усиление по напряжению или току 100 составляет 40 дБ, а усиление по мощности 10 000 также составляет 40 дБ.

Входное сопротивление Усилители
будут указаны как имеющие определенный входной импеданс. Это говорит нам только о том, какую нагрузку он будет устанавливать на предыдущее оборудование, такое как предварительный усилитель. Это не практично и не полезно согласовывать импеданс предусилителя с усилителем мощности или усилитель мощности с динамиком. Это будет обсуждаться более подробно позже в этой статье.

Нагрузка — это сопротивление или импеданс, размещенные на выходе усилителя. В случае усилителя мощности нагрузка чаще всего представляет собой громкоговоритель.Любая нагрузка потребует, чтобы источник (предшествующий усилитель) был способен обеспечить ее достаточным напряжением и током, чтобы выполнять свою задачу. В случае громкоговорителя усилитель мощности должен обеспечивать напряжение и ток, достаточные для того, чтобы конус (ы) громкоговорителя сдвигался на требуемое расстояние. Это движение преобразуется в звук динамиком.

Несмотря на то, что усилитель может обеспечить достаточно большое напряжение для возбуждения диффузора динамика, он не сможет этого сделать, если не сможет обеспечить достаточный ток.Это не имеет никакого отношения к его выходному сопротивлению. Усилитель может иметь очень низкий выходной импеданс, но может работать только на малом токе (операционный усилитель или операционный усилитель — в данном случае). Это очень важно и должно быть полностью понято, прежде чем вы сможете полностью оценить сложность процесса усиления.

Выходное сопротивление
Выходной импеданс усилителя — это мера импеданса или сопротивления, «заглядывающего» обратно в усилитель.Это не имеет никакого отношения к фактической загрузке, которая может быть размещена на выходе.

Например, усилитель имеет выходной импеданс 10 Ом. Это подтверждается размещением нагрузки 10 Ом на выходе, и видно, что напряжение уменьшается до ½, что без нагрузки. Однако, если этот усилитель не способен к значительному выходному току, нам, возможно, придется проводить это измерение при очень низком выходном напряжении, иначе усилитель не сможет управлять нагрузкой.

Другой усилитель может иметь выходное сопротивление 100 Ом, но может подавать 10 А в нагрузку.Выходной импеданс и ток полностью разделены и не должны рассматриваться как равнозначные. Обе эти возможности будут продемонстрированы позже в этой серии.

Обратная связь
Feedback — это термин, который создает больше и более кровавых битв между аудио-энтузиастами, чем почти любой другой. Без этого у нас не было бы уровней производительности, которыми мы наслаждаемся сегодня, и многие типы усилителей были бы несостоятельными без него.

Обратная связь в самом широком смысле означает, что определенное количество выходного сигнала «возвращается» на вход.Усилитель — или элемент усилительного устройства — представлен входным сигналом и сравнивает его с «мелкой копией» выходного сигнала. Если есть какая-либо разница, усилитель исправляет это и в идеале гарантирует, что выход является точной копией входа, но с большей амплитудой. Обратная связь может быть как напряжением, так и током, и в обоих случаях имеет схожий эффект.

Во многих конструкциях одна часть всей схемы усилителя (обычно входной каскад) действует как усилитель ошибки и подает точно необходимое количество сигнала на остальную часть усилителя, чтобы гарантировать отсутствие разницы между входом и выходные сигналы, кроме амплитуды.Это (конечно) идеальное состояние, и оно никогда не достигается на практике. Всегда будет какая-то разница, пусть и незначительная.

Инверсия сигнала
При использовании в качестве усилителей напряжения все стандартные активные устройства инвертируют сигнал. Это означает, что если поступает положительный сигнал, он становится более сильным, но теперь отрицательным сигналом. На самом деле это не имеет большого значения, но удобно (и обычно) пытаться сделать усилители неинвертирующими.Для этого необходимо использовать две ступени (или трансформатор), чтобы фаза усиленного сигнала совпадала с входным сигналом.

Точный механизм того, как и почему это происходит, будет объясняться по мере продвижения вперед.

Фаза проектирования
Фаза проектирования усилителя ничем не отличается, независимо от типа компонентов, используемых в самой конструкции. Существует последовательность, которая будет использоваться большую часть времени для завершения дизайна, и она будет (или должна) следовать шаблону.

• Выходная мощность против импеданса
  Выходная мощность определяется импедансом нагрузки и доступным напряжением и током усилителя. Усилитель, который способен максимум Выходной ток 1.414A не сможет обеспечить больше только потому, что вы этого хотите. Такой усилитель будет ограничен среднеквадратичным значением 16 Вт на 8 Ом, независимо от источника питания. напряжение. Аналогичным образом, усилитель с напряжением питания +/- 16 В (среднеквадратичное значение 11,32 В) не сможет обеспечить среднеквадратичное значение более 16 Вт на 8 Ом, независимо от доступных ток.Наличие большего доступного тока позволит усилителю обеспечить (например) 32 Вт на 4 Ом (пиковый ток 4 А) или 64 Вт на 2 Ом (пиковый ток 8 А), но даст не более 8 Ом, чем напряжение питания и сопротивление нагрузки.
• Текущий драйвер
  Особенно в случае биполярных транзисторов, ступень возбуждения должна обеспечивать достаточный ток для выходных транзисторов — с МОП-транзисторами, драйвером должен быть способен заряжать и разряжать емкость затвор-источник достаточно быстро, чтобы позволить вам получить необходимую мощность на самых высоких частотах, представляющих интерес.С участием клапаны, драйвер должен быть в состоянии подавать достаточный ток для питания только резисторов смещения, так как сетка клапана потребляет мало или вообще не потребляет ток (за исключением частный случай класса-AB2).

  Для простоты, если биполярные выходные транзисторы имеют коэффициент усиления 20 при максимальном токе в нагрузке, драйверы должны иметь возможность питания достаточно базового тока, чтобы позволить это. Если максимальный ток коллектора составляет 4А, драйверы должны иметь возможность подавать 200 мА базового тока на выходные устройства.

• Предыдущие этапы
  Ступени, которые предшествуют драйверам, также должны обеспечивать достаточный ток для нагрузки. Драйвер биполярного или полевого МОП-транзистора класса А должен быть в состоянии подавать достаточный ток, чтобы удовлетворить потребности базового тока биполярных драйверов или емкость затвора полевых МОП-транзисторов.

  Опять же, используя приведенный выше биполярный пример, максимальный базовый ток для выходных транзисторов составлял 200 мА. Если драйверы имеют минимальный указанный коэффициент усиления 50, то их базовый ток будет…

  200/50 = 4 мА.

  Поскольку драйвер класса A должен работать в классе A (что удивительно), он должен работать с током, в 1,5–5 раз превышающим ожидаемый максимальный уровень драйвера тока, чтобы он никогда не выключался. То же самое относится и к усилителю MOSFET, который будет ожидать (например) максимального заряда затвора (или разряда) ток 4 мА при самых высоких амплитудах и частотах.

  Обычно это не проблема с усилителями клапанов, так как на ранних стадиях усилителя нет значительного импеданса.Никаких дальнейших определений не требуется (кроме обычных эффектов нагрузки ступеней клапана в целом), хотя неискаженное колебание напряжения может стать ограничивающим фактором.

• Этапы ввода
  Входные каскады всех транзисторных усилителей должны быть в состоянии обеспечивать базовый ток драйвера класса А. На этот раз запас от 2 до 5 раз Требуется максимальный базовый ток. Если драйвер класса A должен обеспечивать ток покоя, скажем, 8 мА, максимальный ток будет 12 мА (покоя + Ток базы водителя.Предполагая усиление 50 (снова), это означает, что входной каскад должен иметь возможность питания 12/50 = 240 мкА, поэтому он должен работать как минимум ток 240 мкА × 2 = 480 мкА для сохранения линейности.
• Входной ток
  Входной ток первой ступени определяет входное сопротивление усилителя. Используя приведенные выше цифры, с током коллектора 480uA, база ток будет 4,8 мкА для входных устройств с коэффициентом усиления 100. Если максимальная мощность развивается при входном напряжении 1 В, тогда полное сопротивление составляет 208 кОм (R = V / I).

  Поскольку ступень должна быть смещена, мы применяем те же правила, что и раньше — с запасом от 2 до 5, поэтому максимальное значение резисторов смещения должно быть быть 208/2 = 104k. Предпочтительным является более низкое значение, и я полагаю, что более подходящим является коэффициент 5, что дает 208/5 = 42k (47k можно использовать без проблем).

Это только рекомендации (конечно), и есть много случаев, когда токи больше (или меньше), чем предполагалось. Конечным результатом является производительность усилителя, и подход с использованием учебников не всегда дает ожидаемый результат.Обратите внимание, что в приведенном выше описании есть некоторые существенные упрощения — это обзор, и он предназначен только для того, чтобы дать вам основную идею.

---

Типы Усилительных Устройств

Для целей этой статьи существует три различных типа усилительных устройств, и каждое из них будет обсуждаться по очереди. У каждого есть свои сильные и слабые стороны, но у всех есть один общий недостаток — они не идеальны.

Идеальный усилитель или другое устройство (обычно называемое «идеальным») будет выполнять свою задачу в определенных заданных пределах, не прибавляя и не вычитая ничего из исходного сигнала.Идеального усилительного устройства не существует, и, как следствие, идеального усилителя не существует, так как все должно быть построено с использованием реальных (неидеальных) устройств.

В настоящее время доступны усилительные устройства:

• Вакуумная Трубка (Клапан)
Биполярный транзистор
• (BJT)
• Полевой транзистор (FET)

Существуют также некоторые производные вышеперечисленного, такие как биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и полевые транзисторы на основе оксида металла и полупроводника (MOSFET).Из них MOSFET является популярным выбором среди многих дизайнеров из-за некоторых желательных характеристик, и они будут рассмотрены в их собственном разделе.

Все эти устройства зависят от других неусиливающих («поддерживающих») компонентов, обычно известных как пассивные компоненты. Пассивные устройства — это резисторы, конденсаторы и индукторы, и без них мы бы вообще не смогли создать усилители.

Все устройства, которые мы используем для усиления, имеют выход переменного тока, и только способ их использования позволяет нам создавать усилитель напряжения.Клапаны и полевые транзисторы являются устройствами, контролируемыми напряжением. Это означает, что выходной ток определяется напряжением, а ток не поступает из источника сигнала (теоретически). Биполярные транзисторы управляются током, поэтому выходной ток определяется входным током. Это означает, что от источника сигнала не требуется напряжение, только ток. Опять же, это в теории, и это не осуществимо на практике.

Только с помощью вспомогательных компонентов мы можем преобразовать токовый выход любого из этих усилительных устройств в напряжение.Наиболее часто используемый для этой цели резистор.

---

Общий предельный рейтинг

Все активные устройства имеют определенные общие параметры (хотя они будут иметь разные соглашения об именах в зависимости от устройства). По сути это …

• Максимальное напряжение — Максимальное напряжение, которое может быть приложено между основными клеммами устройства. Это может варьироваться от 25 В (иногда еще меньше) для малых сигнальных транзисторов и полевых транзисторов и до 1200 В или более для некоторых клапанов и транзисторов высокого напряжения.Напряжения MOSFET, как правило, примерно до От 600 до 800 В для коммутационных устройств для использования в источниках питания.
  
• Максимальный ток — Максимальный ток, который устройство может безопасно передать. Диапазон от нескольких мА до многих усилителей. Это никогда не будет , пока устройство также имеет максимальное напряжение на нем, так как это приведет к рассеиваемой мощности, намного превышающей …
  
• Максимальная рассеиваемая мощность — максимальная мощность, которую может рассеивать устройство (в мВт или Вт) при любых условиях напряжение и ток.(Называется пластиной диссипация для клапанов).
  
• Напряжение / ток нагревателя — (клапаны). Рабочее напряжение и / или ток для нити (с прямым нагревом катодов) или нагревателя (для косвенного с подогревом катодов). Это всегда должно быть в пределах 10% от указанного значения, иначе срок службы катода будет значительно сокращен.
  
• Максимальная температура перехода — (Полупроводники) Максимальная температура, которую полупроводниковая матрица выдержит без сбоев.В этот По температуре большинство полупроводников не смогут выполнять какую-либо работу, так как это повысит температуру выше максимально допустимой.
  
• Понижение температуры — (Полупроводники). Выше указанной температуры допустимая мощность полупроводниковых приборов должна быть снижена до оставаться ниже максимально допустимой температуры соединения. Мощность обычно снижается выше 25 ° C.
  
• Термостойкость — (Полупроводники).Тепловое сопротивление между переходом и корпусом (высокая мощность) или переходом и воздухом (низкая мощность). измеренный в градусах C / W, это позволяет определить подходящий радиатор.

Это далеко не все рейтинги, их гораздо больше, и они варьируются от устройства к устройству. Например, некоторые МОП-транзисторы будут иметь пиковые значения тока, которые во много раз превышают непрерывные, но только в течение очень ограниченного времени. Биполярные транзисторы имеют график безопасной рабочей области (SOA), который показывает, что при некоторых обстоятельствах вы не должны эксплуатировать устройство где-либо вблизи его максимального рассеивания мощности, иначе оно выйдет из строя из-за явления, называемого вторым выходом из строя (будет описано позже).

Для большинства полупроводниковых приборов во многих случаях их невозможно эксплуатировать в местах, близких к максимальному рассеиванию мощности, поскольку тепловое сопротивление таково, что тепло просто не может быть удалено из соединения и в радиатор достаточно быстро. В этих случаях может потребоваться использование нескольких устройств для достижения производительности, которую (теоретически) можно получить из одного компонента. Это очень распространено в аудиоусилителях.

---

Основные формулы электроники

Есть некоторые вещи, от которых вы просто не можете избавиться, и математика — одна из них.(Извините.) Я включу здесь только самое необходимое, но опишу любые другие, которые нам необходимы. Я не собираюсь давать урок по алгебре, но лучшая причина когда-либо заниматься этим предметом — научиться переносить формулы электроники! Перемещение зависит от вас (если я не буду вынужден сделать это для расчета здесь или там).

Закон Ома
Первым из них является закон Ома, который гласит, что напряжение 1 В на сопротивлении 1 Ом вызовет ток 1 А.Формула …

R = V / I (где R = сопротивление в омах, V = напряжение в вольтах и ​​I = ток в амперах)

Как и все такие формулы, это можно перенести (упс, я сказал, что не собираюсь этого делать, не так ли),

V = R × I (× означает умноженное на), а
I = V / R

Reactance
Затем возникает сопротивление (реактивное сопротивление) конденсатора, которое изменяется обратно пропорционально частоте (при увеличении частоты реактивное сопротивление падает и наоборот).

Xc = 1 / (2 & times π × f × C)

, где Xc — емкостное реактивное сопротивление в Омах, π (pi) — 3,14159, f — частота в Гц, а C — емкость в Фарадах.

Индуктивное сопротивление, являющееся реактивным сопротивлением индуктора. Это пропорционально частоте.

X _l = 2 × π × f × L

, где X _l — индуктивное сопротивление в Ом, а L — индуктивность в Генри (другие, как указано выше).

Частота
Существует много разных расчетов для этого, в зависимости от комбинации компонентов.Частота -3 дБ для сопротивления и емкости (наиболее распространенная в конструкции усилителя) определяется …

f _o = 1 / (2 × π × R × C), где f _o — частота -3 дБ

Когда сопротивление и индуктивность объединены, формула

f _o = R / (2 × π × L)

Мощность
Мощность — это мера работы, которая может быть либо физической работой (перемещение конуса динамика), либо тепловой работой — теплом. Мощность в любой форме, в которой присутствуют напряжение, ток и сопротивление, может быть рассчитана несколькими способами:

P = V × I
P = V² / R
P = I² × R

где P — мощность в ваттах, V — напряжение в вольтах, а I — ток в амперах.

децибел (дБ)
Давно известно, что человеческие уши не могут разрешать очень маленькие различия в звуковом давлении. Первоначально было определено, что наименьшее слышимое изменение составляет 1 дБ — 1 децибел или 1/10 от 1 бел. Кажется довольно общепринятым, что фактический предел составляет около 0,5 дБ, но нередко можно услышать, что некоторые люди могут (или искренне верят, что могут) разрешать гораздо меньшие вариации. Я не буду отвлекаться на это!

дБ = 20 × log (V1 / V2)
дБ = 20 × log (I1 / I2)
дБ = 10 × log (P1 / P2)

Как можно видеть, в расчетах дБ для напряжения и тока используется 20-кратное значение log (основание 10) большей единицы, деленное на меньшую единицу.С силой, умножение 10 используется. В любом случае, падение на 3 дБ представляет половину мощности, и наоборот.

Есть много других, но пока их будет достаточно. Я не намерен, чтобы это был полный курс по электронике, поэтому я дам вам то, что необходимо, чтобы понять оставшуюся часть статьи — в остальном, есть много отличных книг по электронике, и у них будет каждая формула, которую вы когда-либо разыскивается.

---

Далее (Часть 1 — Клапаны)

---

---

Статьи Index
Главный указатель

Уведомление об авторских правах. Эта статья, включая, но не ограничиваясь всеми текстами и диаграммами, является интеллектуальной собственностью Рода Эллиотта и защищена авторским правом © 1999, 2005. Воспроизведение или повторная публикация любыми средствами, будь то электронные, механические или электромеханические, строго запрещено международными законами об авторском праве. Автор (Род Эллиотт) предоставляет читателю право использовать эту информацию только для личного использования, а также разрешает делать одну (1) копию для справки. Коммерческое использование запрещено без письменного разрешения Rod Elliott.

,