Усилители звуковой частоты: типы, классы и классификация по категориям

А, B, AB, D, G, H / Хабр

Здравствуй, Хабр!

В данной статье мы рассмотрим звуковые усилители классов: А, B, AB, D, G, H
Сначала рассмотрим классы по положению рабочей точки. Каждый транзистор имеет выходную характеристику, которую можно найти в DataSheet.

Пример характеристики на рисунке ниже.

Выходная характеристика транзистора.

Именно с помощью данной характеристики мы сможем выбрать класс усилителя по положению точки покоя.

Выходная характеристика показывает какой ток нам нужно задать базе транзистора, для того чтобы получить определённый класс усилителя, также мы узнаем Iк.

Класс А

Класс А — это такой режим работы усилительного элемента, при котором входные значения, проходя через усилительный элемент не прерывается. То есть точно повторяет входной сигнал.
Усилительный элемент приоткрыт всегда и точно повторяет отрицательную и положительную волну.

Класс B

Элемент, работающий в данном классе способен усиливать только одну полуволну, положительную либо отрицательную.
Такой класс используют в двухтактных усилителях, где положительную полуволну усиливает один транзистор, а отрицательную другой.
Двухтактный усилительный каскад класса В. Но на выходе усилителя работающего в данном классе мы имеем искажение. Данное искажение называется «Ступенькой».

Для устранения данного искажения нужно перейти к классу АВ. На рисунке ниже показаны два класса усилителя В и АВ и их выходные сигналы относительно входным.

Класс D

Принцип действия данного класа. В данном режиме работы, транзистор либо открыт либо полностью заперт. Это достигается с помошью модулятора ШИМ сигнала. Именно это дает такому каскаду кпд свыше 90% (практически на любых мощностях).
Минусом данного каскада являются искажения. Они вознакают из-за способа модуляции так-как существует «мертвый» период который необходим для предотвращения сквозных утечек.
Также сильными источниками искажений являются L и C элементы в фильтре (НЧ).

Усилители класса G и H

Сначала поговорим о питании усилителей. Для получения большой мощности, необходимо иметь большое напряжение питания.

Но сигнал входной и соответственно выходной не всегда обладают большой амплитудой и на маленькой мощности большое напряжение питания не является необходимым, более того КПД данного усилителя на маленькой мощности падает.

Отсюда и вытекают классы усилителей G и H.

Отличие данных усилителей заключается в питании, напряжение которого меняется при необходимости, а в зависимости какой класс G или H оно меняется либо ступенчато, либо плавно.

В усилителе класса H напряжение питания меняется плавно то есть транзисторы находятся в усилительном режиме, а в классе G оно меняется ступенчато, транзисторы в данном классе находятся в ключевом режиме (полностью открыты или полностью заперты).

Усилитель класса H
Усилитель класса G

Вывод: Усилители для комфортного прослушивания звукового тракта в домашних условиях должны работать в классе А, АB или D.

Спасибо за внимание.

Усилитель | Описание, предназначение, виды усилителей.

Электронный усилитель – это усилитель, задача которого состоит в том, чтобы увеличить сигнал по мощности, при этом сохраняя форму усиливаемого сигнала. Более подробно это определение можно прочесть в Википедии. В этой статье мы поверхностно пробежимся по основам теории усилителей.

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.

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.

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 +U_пит , которое требуется для того, чтобы усиливать сигнал.

То есть мы здесь видим две клеммы на вход, на которые загоняется сигнал U_вх , а также видим две клеммы на выход, где снимается напряжение U_вых . Питается наш четырехполюсник через +U_пит , 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 U_вх, а к выходу цепляется нагрузка

R_{н .}

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  E_И   и внутренним сопротивлением R_И . Именно этот слабый сигнал с этого источника мы будем усиливать. Далее, как и полагается, каждый усилитель обладает своим каким-либо входным сопротивлением R_вх . Сила тока I_вх в цепи  E_И —>R_И—>R_вх , как ни трудно догадаться, будет зависеть от  входного сопротивления усилительного каскада R_вх .

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 E_вых и выходным сопротивлением R_вых . Через клеммники 3 и 4 мы цепляем нагрузку R_н , которая уже будет потреблять энергию усиленного сигнала. Сила тока в цепи E_вых —> R_вых —> R_н  будет зависеть от сопротивления нагрузки R_н .

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

K_U – это коэффициент усиления по напряжению

U_вых – напряжение на выходе усилителя, В

U_вх – напряжение на входе усилителя, В

Выходное усиленное напряжение не должно меняться от тока нагрузки, а следовательно, и от сопротивления нагрузки. В идеале, выходное сопротивление R_вых должно быть равно нулю, что недостижимо на практике. Поэтому, УН стараются проектировать так, чтобы минимизировать выходное сопротивление R_вых .

В таком режиме усилитель работает, если выполняются условия, что R_вх намного больше, чем R_вых т. е.  R_вх >>R_и  и R_н намного больше, чем R_вых    (R_н >>R_вых ). Чем больше номинал R_н , тем лучше для усилителя напряжения, так как нагрузка не будет просаживать выходное напряжение U_вых.  Здесь все просто: чем меньше сопротивление нагрузки, тем бОльшая сила тока будет течь по цепи E_вых —> R_вых —> R_н , тем больше будет падение напряжения на выходном сопротивлении R_вых , исходя из формулы ЭДС: E_вых =I_выхR_вых +I_выхR_н . 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 K_I   – коэффициент усиления по току

I_вых  – сила тока в цепи нагрузки, А

I_вх  – сила тока во входной цепи E_и —>R_и —>R_вх , А

Смысл работы усилителя тока такой:  при определенной силе тока во входной цепи, на выходе в цепи нагрузки мы получаем силу тока, бОльшую в K_I 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 U_вых на нагрузке. В результате, ток как был постоянной величиной, так и остался. Или буквами: R_н =var, Iвых= const.

Объяснение выше вы будете рассказывать своему преподу по электронике, а теперь объяснение для полных чайников. Итак, во входной цепи E_и —>R_и —>R_вх  пусть у нас течет сила тока в 10 мА. Коэффициент K_I =100, следовательно, на выходе в цепи нагрузки E_вых —>R_вых —> R_н 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=U_вых /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 U_вых на 1=U_вых /5. U_вых =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 R_вых . Поэтому, нам необходимо, чтобы выполнялось условие: R_вх << R_и и R_н << R_вых  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

K_P – коэффициент усиления по мощности

P_вых  – мощность на выходе усилителя, Вт

P_вх  – 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: R_вх ≈ R_и и R_н ≈ R_{вых .}

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).

Выходная мощность усилителя

Выходная мощность усилителя, отдаваемая в активную нагрузку, будет выражаться формулой:

где

P_вых – выходная мощность усилителя, Вт

I_вых – сила тока в цепи нагрузки, А

U_Вых  – напряжение на нагрузке, В

Мощность на нагрузку с реактивной составляющей будет уже выражаться через формулу:

где

P_вых – выходная мощность усилителя, Вт

I_вых – сила тока в цепи нагрузки, А

U_вых  – 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 K_U > 1, K_I = 1;       в УТ K_I > 1, K_U = 1;          в УМ K_U > 1 и K_I > 1.

 

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.

Усилители постоянного тока

Усиливают сколь угодно медленные электрические колебания, начиная с частоты, равной нулю герц (постоянный ток).

Если вы желаете больше знать об усилителях, то читайте статью основные параметры усилителя.

Схема усилителя низкой частоты. Классификация и принцип работы УНЧ

Усилитель низких частот (далее УНЧ) – электронное устройство, предназначенное для усиления колебаний низкой частоты до той, которая необходима потребителю. Они могут выполняться на различных электронных элементах вроде транзисторов разных типов, ламп или операционных усилителей. Все УНЧ обладают рядом параметров, которые характеризуют эффективность их работы.

В данной статье будет рассказано о применении такого устройства, его параметрах, способах построения с помощью различных электронных компонентов. Также будет рассмотрена схемотехника усилителей низкой частоты.

Применение УНЧ

Чаще всего УНЧ используется в аппаратуре для воспроизведения звука, потому что в данной области техники часто необходимо усиливать частоту сигнала до той, которую может воспринимать человеческий организм (от 20 Гц до 20 кГц).

Другие области применения УНЧ:

• измерительная техника;
• дефектоскопия;
• аналоговая вычислительная техника.

В целом усилители низких частот встречаются в качестве составных компонентов различных электронных схем, например, радиоприемников, акустических устройств, телевизоров или радиопередатчиков.

Параметры

Важнейший параметр для усилителя – коэффициент усиления. Он рассчитывается, как отношение выходного сигнала к входному. В зависимости от рассматриваемой величины, различают:

• коэффициент усиления по току = выходной ток / входной ток;
• коэффициент усиления по напряжению = выходное напряжение / входное напряжение;
• коэффициент усиления по мощности = выходная мощность / входная мощность.

Для некоторых устройств вроде операционных усилителей значение этого коэффициента очень велико, но работать со слишком большими (равно как и со слишком малыми) числами при вычислениях неудобно, поэтому часто коэффициенты усиления выражают в логарифмических единицах. Для этого применяются следующие формулы:

• коэффициент усиления по мощности в логарифмических единицах = 10 * десятичный логарифм искомого коэффициента усиления по мощности;
• коэффициент усиления по току в логарифмических единицах = 20 * десятичный логарифм искомого коэффициента усиления по току;
• коэффициент усиления по напряжению в логарифмических единицах = 20 * десятичный логарифм искомого коэффициента усиления по напряжению.

Рассчитанные подобным образом коэффициенты измеряются в децибелах. Сокращенное наименование – дБ.

Следующий важный параметр усилителя – коэффициент искажения сигнала. Важно понимать, что усиление сигнала происходит в результате его преобразований и изменений. Не факт, что всегда эти преобразования будут происходить корректно. По этой причине выходной сигнал может отличаться от входного, например, по форме.

Идеальных усилителей не существует, поэтому искажения всегда имеют место. Правда, в одних случаях они не выходят за допустимые границы, а в других – выходят. Если гармоники сигналов на выходе усилителя совпадают с гармониками входных сигналов, то искажения линейные и сводятся лишь к изменению амплитуды и фазы. Если же на выходе появляются новые гармоники, то искажения нелинейные, потому что приводят к изменению формы сигнала.

Проще говоря, если искажения линейные и на входе усилителя был сигнал «а», то на выходе будет сигнал «А», а если нелинейные, то на выходе будет сигнал «Б».

Заключительный важный параметр, характеризующий работу усилителя, это выходная мощность. Разновидности мощности:

1. Номинальная.
2. Паспортная шумовая.
3. Максимальная кратковременная.
4. Максимальная долговременная.

Все четыре типа нормируются различными ГОСТами и стандартами.

Усилители на лампах

Исторически первые усилители создавались на электронных лампах, которые относятся к классу электровакуумных приборов.

В зависимости от расположенных внутри герметичной колбы лампы электродов различают:

• диоды;
• триоды;
• тетроды;
• пентоды.

Максимальное количество электродов – восемь. Существуют также такие электровакуумные приборы, как клистроны.

Усилитель на триоде

Для начала стоит разобраться со схемой включения. Описание схемы усилителя низкой частоты на триоде приведено далее.

На нить накала, которая нагревает катод, подается напряжение. Также напряжение подается на анод. С катода под действием температуры выбиваются электроны, которые устремляются к аноду, на который подан положительный потенциал (у электронов потенциал отрицательный).

Часть электронов перехватывается третьим электродом – сеткой, к которой также подведено напряжение, только переменное. С помощью сетки регулируется анодный ток (ток в схеме в целом). Если на сетку подать большой отрицательный потенциал, все электроны с катода осядут на ней, а через лампу не будет протекать ток, потому что ток – направленное движение электронов, а сетка это движение перекрывает.

Коэффициент усиления лампы регулирует резистор, который подключен между источником питания и анодом. Он задает нужное положение рабочей точки на вольт-амперной характеристике, от которого и зависят параметры усиления.

Почему положение рабочей точки так важно? Потому что от него зависит, насколько будет усилен ток и напряжение (следовательно, и мощность) в схеме усилителя низкой частоты.

Выходной сигнал на триодном усилителе снимается с участка между анодом и резистором, включенным перед ним.

Усилитель на клистроне

Принцип работы усилителя низкой частоты на клистроне основан на модуляции сигнала сначала по скорости, а затем по плотности.

Клистрон устроен следующим образом: в колбе есть катод, нагреваемый нитью накала, и коллектор (аналог анода). Между ними расположены входной и выходной резонаторы. Электроны, испускаемые с катода, ускоряются напряжением, подведенным к катоду, и устремляются к коллектору.

Одни электроны будут двигаться быстрее, другие медленнее – так выглядит модуляция по скорости. Из-за разницы в скорости движения электроны группируются в пучки – так проявляется модуляция по плотности. Модулированный по плотности сигнал попадает на выходной резонатор, где создает сигнал той же частоты, но большей мощности, чем и у входного резонатора.

Получается, что кинетическая энергия электронов преобразуется в энергию СВЧ-колебаний электромагнитного поля выходного резонатора. Так происходит усиление сигнала в клистроне.

Особенности электровакуумных усилителей

Если сравнить качество одного и того же сигнала, усиленного ламповым устройством и УНЧ на транзисторах, то разница будет видна невооруженным глазом не в пользу последнего.

Любой профессиональный музыкант скажет, что ламповые усилители куда лучше своих продвинутых аналогов.

Электровакуумные приборы давно вышли из массового потребления, им на смену пришли транзисторы и микросхемы, но это неактуально для области воспроизведения звука. За счет температурной стабильности и вакуума внутри ламповые приборы лучше усиливают сигнал.

Единственный недостаток лампового УНЧ – высокая цена, что логично: дорого выпускать элементы, которые не пользуются массовым спросом.

Усилитель на биполярном транзисторе

Часто усилительные каскады собираются с использованием транзисторов. Простой усилитель низкой частоты можно собрать всего из трех основных элементов: конденсатора, резистора и n-p-n транзистора.

Для сборки такого усилителя понадобится заземлить эмиттер транзистора, подсоединить к его базе последовательно конденсатор, а параллельно – резистор. Нагрузку следует располагать перед коллектором. К коллектору в данной схеме целесообразно подключить ограничительный резистор.

Допустимое напряжение питания такой схемы усилителя низкой частоты варьируется от 3 до 12 вольт. Номинал резистора следует выбирать экспериментально с учетом того, что его величина должна быть минимум в 100 раз больше сопротивления нагрузки. Номинал конденсатора может варьироваться от 1 до 100 мкФ. Его емкость влияет на величину частоты, с которой может работать усилитель. Чем больше емкость, тем ниже номинал частоты, которую может усиливать транзистор.

Входной сигнал усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе подается на конденсатор. Положительный полюс питания необходимо соединить с точкой соединения нагрузки и резистора, параллельно соединенного с базой и конденсатором.

Чтобы улучшить качество такого сигнала, можно подключить к эмиттеру параллельно соединенные конденсатор и резистор, играющие роль отрицательной обратной связи.

Усилитель на двух биполярных транзисторах

Чтобы повысить коэффициент усиления, можно соединить два одиночных УНЧ на транзисторах в один. Тогда коэффициенты усиления этих устройств можно будет умножить.

Хотя если продолжать наращивать число усилительных каскадов, то будет увеличиваться шанс самовозбуждения усилителей.

Усилитель на полевом транзисторе

Усилители низких частот собирают и на полевых транзисторах (далее ПТ). Схемы таких устройств ненамного отличаются от тех, что собираются на биполярных транзисторах.

В качестве примера будет рассмотрен усилитель на полевом транзисторе с изолированным затвором с n-каналом (МДП типа).

К подложке данного транзистора последовательно подключается конденсатор, параллельно – делитель напряжения. К истоку ПТ подключается резистор (можно также использовать параллельное соединение конденсатора и резистора, как описано выше). К стоку подключается ограничительный резистор и питание, а между резистором и стоком создается вывод на нагрузку.

Входной сигнал к усилителям низкой частоты на полевых транзисторах подается на затвор. Осуществляется это также через конденсатор.

Как видно из пояснения, схема простейшего усилителя на полевом транзисторе ничем не отличается от схемы усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе.

Правда, при работе с ПТ стоит учитывать следующие особенности данных элементов:

1. У ПТ высокое R_{входное} = I / U_{затвор-исток}. Полевые транзисторы управляются электрическим полем, которое образуется за счет напряжения. Следовательно, ПТ управляются напряжением, а не током.
2. ПТ почти не потребляют ток, что влечет за собой слабое искажение исходного сигнала.
3. В полевых транзисторах нет инжекции зарядов, поэтому уровень шумов данных элементов очень низкий.
4. Они устойчивы к изменению температуры.

Главный недостаток полевых транзисторов – высокая чувствительность к статическому электричеству.

Многим знакома ситуация, когда, казалось бы, нетокопроводящие вещи бьют человека током. Это и есть проявление статического электричества. Если такой импульс подать на один из контактов полевого транзистора, можно вывести элемент из строя.

Таким образом, при работе с ПТ лучше не браться руками за контакты, чтобы случайно не повредить элемент.

Устройство на операционном усилителе

Операционный усилитель (далее ОУ) – устройство с дифференцированными входами, обладающее очень высоким коэффициентом усиления.

Усиление сигнала – не единственная функция данного элемента. Он может работать и в качестве генератора сигналов. Тем не менее для работы с низкими частотами интересны именно его усилительные свойства.

Чтобы из ОУ сделать усилитель сигналов, необходимо грамотно подключить к нему цепь обратной связи, которая представляет из себя обычный резистор. Как понять, куда подключать данную цепь? Для этого нужно обратиться к передаточной характеристике ОУ. Она имеет два горизонтальных и один линейный участок. Если рабочая точка устройства расположена на одном из горизонтальных участков, то ОУ работает в режиме генератора (импульсный режим), если она находится на линейном участке, то ОУ усиливает сигнал.

Чтобы перевести ОУ в линейный режим, нужно подключить резистор обратной связи одним контактом к выходу устройства, а другим – к инвертирующему входу. Такое включение называется отрицательной обратной связью (ООС).

Если требуется, чтобы сигнал низкой частоты усиливался и не менялся по фазе, то инвертирующий вход с ООС следует заземлить, а на неинвертирующий вход подать усиливаемый сигнал. Если же необходимо усилить сигнал и изменить его фазу на 180 градусов, то неинвертирующий вход нужно заземлить, а на инвертирующий подать входной сигнал.

При этом нельзя забывать, что на операционный усилитель необходимо подавать питание противоположных полярностей. Для этого у него есть специальные контактные выводы.

Важно заметить, что работе с такими устройствами иногда бывает сложно подобрать элементы для схемы усилителя низкой частоты. Требуется их тщательное согласование не только по номинальным значениям, но и по материалам, из которых они изготовлены, для достижения нужных параметров усиления.

Усилитель на микросхеме

УНЧ можно собирать и на электровакуумных элементах, и на транзисторах, и на операционных усилителях, только электронные лампы – это прошлый век, а остальные схемы не лишены недостатков, исправление которых неминуемо влечет усложнение конструкции усилителя. Это неудобно.

Инженеры давно нашли более удобный вариант создания УНЧ: промышленностью выпускаются готовые микросхемы, выполняющие роль усилителей.

Каждая из таких схем – набор ОУ, транзисторов и других элементов, соединенных определенным образом.

Примеры некоторых серий УНЧ в виде интегральных микросхем:

• TDA7057Q.
• К174УН7.
• TDA1518BQ.
• TDA2050.

Все приведенные выше серии применяются в аудиоаппаратуре. Каждая из моделей имеет разные характеристики: напряжение питания, выходную мощность, коэффициенты усиления.

Они изготавливаются в виде небольших элементов с множеством выводов, которые удобно располагать на плате и монтировать.

Для работы с усилителем низкой частоты на микросхеме полезно знать азы алгебры логики, а также принципы работы логических элементов И-НЕ, ИЛИ-НЕ.

На логических элементах можно собрать практически любые электронные устройства, но в этом случае многие схемы будут получаться громоздкими и неудобными для монтажа.

Поэтому применение готовых интегральных микросхем, выполняющих функцию УНЧ, представляется наиболее удобным практическим вариантом.

Улучшение схем

Выше был приведен пример того, как можно улучшить усиливаемый сигнал при работе с биполярными и полевыми транзисторами (подключением параллельного соединения конденсатора и резистора).

Подобные конструкционные модернизации можно производить практически с любыми схемами. Конечно, внедрение новых элементов увеличивает падение напряжения (потери), но благодаря этому можно улучшить свойства различных схем. Например, конденсаторы являются отличными фильтрами частот.

На резистивных, емкостных или индуктивных элементах рекомендуется собирать простейшие фильтры, отсеивающие частоты, которые не должны попадать в схему. Комбинируя резистивные и емкостные элементы с операционными усилителями, можно собирать более эффективные фильтры (интеграторы, дифференциаторы по схеме Саллена-Ки, режекторные и полосовые фильтры).

В заключение

Важнейшими параметрами усилителей частот являются:

• коэффициент усиления;
• коэффициент искажения сигнала;
• выходная мощность.

Усилители низких частот чаще всего используются в звуковой аппаратуре. Собирать данные устройства можно практически на следующих элементах:

• на электровакуумных лампах;
• на транзисторах;
• на операционных усилителях;
• на готовых микросхемах.

Характеристики усилителей низкой частоты можно улучшать за счет введения резистивных, емкостных или индуктивных элементов.

Каждая из схем, приведенных выше, обладает своими достоинствами и недостатками: какие-то усилители дорого собирать, какие-то могут уйти в насыщение, для некоторых сложно согласовать используемые элементы. Всегда есть особенности, с которыми человеку, занимающемуся конструированием усилителей, приходится считаться.

Пользуясь всеми рекомендациями, что даны в этой статье, можно собрать собственный усилитель для домашнего использования вместо того, чтобы покупать это устройство, которое может стоить больших денег, если речь идет о приборах высокого качества.

Усилители звуковой частоты

Усилители звуковой частоты предназначены для увеличения мощности электрических сигналов, они являются неотъемлемой частью почти любого вида бытовой радиоэлектронной аппаратуры. Они подразделяются на полные, предварительные и усилители мощности.

Полные усилители осуществляют полную обработку электрического сигнала звуковой частоты — от источника (например, СД-проигрывателя) и до выхода для подключения акустических систем. Структурно они объединяют предварительный усилитель и усилитель мощности.

Предварительные усилители предназначены для усиления поступающего сигнала по напряжению, они используются для совместной работы с усилителями мощности или активными акустическими системами (последние имеют встроенные усилители мощности).

Усилители мощности предназначены для высококачественного усиления мощности звуковых сигналов в комплексах блочной радиоаппаратуры.

Структурная схема усилителя звуковой частоты (УЗЧ) представлена на рис…

Усилитель состоит из нескольких каскадов (см. рис 3.13). Каскадом называется элементарный усилитель. Он включает в себя один или несколько усилительных активных элементов (транзисторов, интегральных микросхем) и пассивные элементы (резисторы, конденсаторы). Каждый каскад имеет по два зажима или две клеммы на входе и на выходе. Каскады, входящие в состав усилителя, имеют различное назначение.

Выходной каскад иногда называют оконечным каска

дом или усилителем мощности. Он предназначен для того чтобы привести в действие, «раскачать», акустическую систему. Задача предыдущих каскадов сводится к получениию напряжения, достаточного для нормальной работы выходного каскада. Каскады, предшествующие выходному, называются каскадами предварительного усиления или каскадами усиления напряжения.

Работа усилителя осуществляется следующим образом. На вход УЗЧ поступает сигнал от источника напряжения — микрофона, CD-проигрывателя или других источников.

На выходе УЗЧ подключается нагрузка, т.е. акустическая система. Способность УЗЧ повышать величину входного сигнала оценивается коэффициентом усиления (К):

где U — напряжение на выходе;

U_bx — напряжение на входе.

Обычно входной сигнал имеет сложную форму и состоит из большого числа синусоидальных сигналов различных частот и их гармоник. Для верного воспроизведения все эти составляющие должны усиливаться в одинаковой степени, т.е. коэффициент усиления должен быть одинаковым для всех частот, другими слонами, амплитудно-частотная характеристика АЧХ-усилителя должна быть достаточно плоской во всей полосе пропускания, и противном случае выходной сигнал будет подвержен частотным искажениям.

Достойный встраиваемый цифровой усилитель НЧ своими руками за разумные деньги

Добрый день, Хабр!

Наша прошлая статья о DIY-аудиотехнике вызвала довольно большой резонанс и сегодня мы хотели бы рассказать о другой нашей разработке из области аудио — высококачественном УНЧ. Устройство было создано Олегом Тетушкиным для собственных нужд. Но в результате усилитель прижился в офисе. Собран, разумеется, из того, что плохо лежало было под рукой на складе. В данном случае он собран в самодельном корпусе. Но по сути, его можно встроить куда угодно — хоть в мебель. На что хватит фантазии.

В комментах к вышеупомянутой статье разгорелся спор о том, что можно и что нельзя называть HiFi или даже просто качественным. Поэтому хочется пояснить — определение «качественный» основывается исключительно на нашем чувстве прекрасного. Мы считаем, что звук данного усилителя вполне достойный и удовлетворит любого среднего человека. Хотя у аудиофилов может быть другое мнение по этому поводу.

Вот такой красавец должен получиться в результате

Что было использовано:

• MP5613 — Цифровой усилитель D-класса мощностью 2 x 150 Вт. Технология PurePath HD.
• MP5630I2 — Индикатор для мощного усилителя НЧ (стерео).
• MP1054 – Светодинамический стрелочный индикатор уровня сигнала.
• MP1231 — Аудиорегулятор 2 канала.
• ESE150-24 – Блок питания. 150 Вт. 24 В.
• SL-01H — Теплоотвод с вентилятором.
• WP4-18FB — Kлеммник нажимной 4 контакта
• Светодиоды 5мм – 7 шт.

Как это работает?

Для MP5613 был использован блок питания в 24В, следовательно, в нагрузку 4 ОМа будет отдаваться около 70 Ватт на канал. Результат — получаем 2*70 Ватт качественного звука PurePath.

На входе усилителя устанавливаются MP1231 (сборка на AD8402), для работы регулятором громкости и баланса стереоканалов, плюс MP5630I2, который используется в роли предварительного усилителя. После этого этапа стереосигнал идет на вход MP5613, и уже потом — на акустические системы. Что касается сигнала для светодинамического стрелочного индикатора, то его снимаем с выхода усилителя мощности, прямо с акустических систем.

Как это сделать?

Регулировка громкости на МР1231. Основная схема

Начинаем процесс с входного каскада MP1231 + MP5630I2.

Вначале потенциометр МР1231 подключаем сразу перед МР563012 (это показано на схеме. Чтобы добиться задуманного, на обратной стороне платы МР563012, сразу после RCA-разъема (рис.1 и 1.2) нужно перерезать сигнальные проводники на печатной платы, с зачисткой обоих проводников с двух сторон. Разрез делается для того, чтобы здесь можно было установить потенциометр. Важная деталь: обязательно нужно использовать экранированный провод для соединения потенциометра и предварительного усилителя. Подключать все элементы (наверное, об этом на Хабре можно не говорить) нужно в полном соответствии как с цветом, так и с маркировкой.

А питание на МР1231 подводится с МР563012. На рисунке 2 это показано:

Рис.1

Рис.1.2

Рис. 2

Комментарий: Для того, чтобы улучшить помехозащищенность системы (MP1231 всем хорош, кроме помехозащиненности), нужно немного доработать схему. Для решения проблемы необходимо выполнить четыре простых шага (показано на рис. 3):

• Непосредственно к клеммам питания MP1231 вместе с подводящими проводниками зажать электролит на 1000 мкФ или больше.
• Электролит на 470 мкФ подпаять параллельно конденсатору С4.
• Корпус валкодера у MP1231 соединить с GND. Зачистить маску рядом с ножкой корпуса и пропаять.
• Соединить GND MP1231 и GND драйвера усилителя толстым проводом можно даже оплеткой. Это нужно сделать потому что источник 12В установлен на драйвере. Как это лучше всего сделать показано на рис.4.

Корпус и вывод индикаторов на переднюю панель

Перед тем, как приступить к сборке корпуса, необходимо немного доработать усилитель МР5613 и индикатор МР563012. Доработка заключается в подпайке выводных каналов к платам, на проводах с длиной 10-12 сантиметров. Что касается плат конфигуратора, то здесь установлены СМД-светодиоды, 6 штук, которые индицируют состояние усилителя: температурные режимы (2), ошибка, готовность, перегрузка и сброс. После доработки все это можно вставить на переднюю панель устройства:

Кроме того, на обратной стороне платы конфигуратора нужно подпаять провод длиной 15-20 сантиметров. Провод подпаивается к одному из выходов (можно использовать любой) каждого канала, через пленочные конденсаторы 0.1 мкФ. Таким образом организовывается снятие сигнала на индикатор уровня.

Теперь приступаем к созданию корпуса

Его мы вырезали и склеили из листов вспененного ПВХ. Этот материал нам понравился тем, что его очень легко обработать, плюс можно клеить любым клеем для пластика. Такой материал легко красится. Здесь можно скачать фалы передней и фальш-панели (формат .lay).

Размеры деталей:

• боковых стенок – 110 * 200
• дна и крышки – 210 * 200
• задней стенки – 210 * 100

Корпус мы решили покрасить краской из обычного баллончика. Переднюю панель покрасили под металл, а сам корпус — темно-зеленой (почти черной) краской. На корпусе крепим модули индикатора и регулятора, винтами М3.

Под зажимы акустики вырезаем отверстие под выключатель, плюс сверлим отверстия под зажиммы акустики.

Блок питания, что логично, ставим на длинную сторону.

Усилитель крепится на дно через стойки 5 мм. Переднюю панель закрепляем с помощью саморезов для дерева.

Комментарий. Для того, чтобы полностью исключить помехи от ШИМ модуляции выполняем следующие шаги:

• Соединяем последовательно GND всех задействованных модулей либо толстым проводом, либо оплеткой;
• Около разъемов питания каждого модуля прикрепляем электролиты по 1000 мкФ или больше.

Теперь можно подключать мощные колонки и радоваться качественному звуку.

Если есть желание, можно модернизировать дизайн конструкции. Вот видео с демонстрацией работы всего, что получилось:

Усилитель мы сделали довольно давно, и он до сих пор служит нам верой-правдой. Возможно, вы сможете посоветовать, как сделать конструкцию лучше? Усилитель получился отличный, но нет пределу совершенства, это уже давно известно.

Если кому-то захочется повторить наш путь и за выходные обзавестись очень приличным усилителем, вот здесь есть вся его электронная начинка. Что касается корпуса, то это — дело вкуса и наличия подсобного материала.

Ваш Мастер Кит

Шушурин — Ламм — автор народного усилителя и герой американского High End / Блог компании Pult.ru / Хабр

В одной из статей цикла “легендарные усилители” я упомянул Владимира (Шушурина) Ламма и его ламповый УМЗЧ Lamm ml 2.1, что вызвало раздраженную реакцию некоторых любителей “теплой lammповости”. Причиной негодования почитателей инженера стала моя критика в адрес характеристик усилителя. Справедливости ради, нужно отметить, что Шушурин (ныне Lamm) известен не только благодаря этому устройству. Его вклад в развитие усилительной аппаратуры несоизмеримо больше, чем создание одной спорной ламповой легенды. Для радиолюбителей Страны Советов его фамилия долгое время значила, пожалуй, даже больше, чем для “ламповых” аудиофилов сегодня.

Дело в том, что Владимир Шушурин был автором одной из первых советских схем стерео УМЗЧ, подходящего под нормы HI-FI-стандарта (опубликованной в журнале «Радио» в 1978 г.). Многочисленные читатели этого журнала получили возможность самостоятельно создать такой усилитель в годы тотального дефицита качественной техники в СССР. Многотысячная армия советских радиолюбителей воспроизвела эту схему, а также создала бесчисленное количество вариаций на тему УМЗЧ Шушурина. В 80-х будучи руководителем Львовского СКБ бытовой аппаратуры, Владимир реализовал несколько серийных моделей HI-FI усилителей, которые производились под брендом “Амфитон”.

Путь инженера

Владимир Шушурин получил качественное по советским меркам инженерное образование в Львовском политехническом институте, который в то время считался одной из кадровых кузниц советского военпрома. Автор культовых усилителей закончил обучение на факультете электрофизики в 1968-м году и получил специальность “Разработчик полупроводниковых приборов”.

Интересно, что тема дипломной работы Шушурина была далека от усилительных приборов и в принципе от электроакустики, а касалась электролюминесценции. В одном из интервью Шушурин рассказывал, что диплом ему удалось завершить за 5 месяцев до защиты. О высоком уровне подготовки Шушурина свидетельствует и то, что преддипломную практику он проходил в Киевской Академии наук, что было возможным не для каждого советского студента.

После завершения обучения Шушурин планировал остаться в Киеве и заняться научной работой, написать кандидатскую, но неожиданно попал в Советскую Армию. Отдав долг родине, инженер обнаружил, что теплые места в Киеве успели занять и вернулся во Львов, где начал трудовую деятельность на Львовском телевизионном заводе. На этом предприятии помимо телевизоров активно работали на оборонку.

По словам инженера, на телевизионном заводе он участвовал в разработках техники для ЦУП в Подлипках, а также авиационных тренажеров для тренировки военных и гражданских летчиков. Владимир также рассказывал, что в этот период им удалось реализовать телевизионную систему с электронным масштабированием в 40 раз, что было своеобразным рекордом для телевизионной спецтехники в СССР того времени.

Восходящая звезда советского усилителестроения

В конце 70-х Шушурин покидает Львовский телевизионный завод и занимает должность главного конструктора Львовского СКБ бытовой аппаратуры. Приблизительно в это же время (1978-й год) появляется его первая публикация в №6 журнала “Радио”, где он впервые описывает свою схему HI-FI усилителя.

Схема 1978-го года не была лишена ряда недостатков, но была простой для реализации. Для усилителя использовались сравнительно доступные радиоэлементы.

В 1980-м году редакция журнала “Радио” сделала вывод о том, что усилитель Шушурина является одной из самых популярных конструкций в радиолюбительской среде. Об этом свидетельствовала редакционная почта издания. По многочисленным просьбам Шушурин опубликовал ещё один вариант схемы, адаптированный для более современных и совершенных радиодеталей.

Характеристики устройства для 1980-го были поистине уникальными. Практически ни один серийный усилитель в СССР не позволял в то время получить настолько низкий уровень гармонических искажений.

Номинальная выходная мощность, на нагрузке 4 Ом: 2×70 Вт.
Номинальный диапазон воспроизводимых частот: от 15 до 25 000 Гц.
Неравномерность АЧХ (на частоте 1000 Гц): ±0,5 дБ.
Коэффициент гармоник:
20Гц — 0,03%;
1000 — 0,015 %;
20 000 — 0.045%;
Коэффициент интермодуляционных искажений, при соотношении амплитуд сигналов частотой 250 и 8000 Гц: не более 0,1%
Относительный уровень помех: -78 дБ
Входное сопротивление: 16 кОм
Выходное сопротивление (на частоте 1000 Гц): 0,07 Ом
Коэффициент демпфирования при нагрузке 8 Ом: 58 дБ
Мощность, потребляемая от источника питания: 72 Вт

Не впечатлиться такими характеристиками сложно и сегодня.

Параллельно работая в Львовском СКБ бытовой аппаратуры, Шушурин применяет свои таланты при создании серийных усилителей, выпуск которых начинается на Львовское ЛПО им. Ленина. Под его началом были созданы АМФИТОН А1-01-2у стерео 1982 год, АМФИТОН-У-101-1 стерео 1982 год, АМФИТОН-АI-01-1 стерео 1982 год.

Настоящим шедевром советской электроники считается АМФИТОН-У-002 стерео Hi-Fi 1983-го года. Характеристики этого устройства заслуживают отдельного упоминания:

Диапазон воспроизводимых частот: 20 – 25000 Гц.
Неравномерность АЧХ в диапазоне 20-25000 Гц: ±0,7 дБ.
Сопротивление подключаемых АС: 4 Ом.
Выходная мощность на канал:
номинальная: 25 Вт;
максимальная: 100 Вт;
наушники (номинальная): 0,1 Вт/120 Ом;
Коэффициент гармоник в диапазоне 40-16000 Гц: 0,13%
Коэффициент гармоник на частоте 1000 Гц: 0,07%
Общий коэффициент нелинейных искажений: 0,25%
Коэффициент демпфирования: 20 раз.
Переходное затухание между каналами на частоте:
250 Гц и 10000 Гц: 38 дБ;
1000 Гц: 48 дБ;
Отношение сигнал/взвешенный шум в номинальных условиях на входах:
линейных МФ и ТЮНЕР: 83 дБ;
корректирующего ЗС: 72 дБ;
Различие каналов по усилению в диапазоне 250-630 Гц: 1,5 дБ.
Тонкомпенсация при -40 дБ на частоте 63 Гц относительно 1000 Гц: +10 дБ.
Потребляемая мощность от сети: 105 Вт.
Размер усилителя (ШхВхГ): 387х88х390 мм.
Вес усилителя: 9 кг.
Содержание драгметаллов:
золото: 0,12 г;
серебро: 0,3 г.

К техническим особенностям этих УМЗЧ можно отнести стабилизированные источники питания, отсутствие межкаскадных конденсаторов в трактах предварительного усиления, использование пленочных межкаскадных конденсаторов на входе (не везде), использование операционных усилителей со скоростями нарастания выходного напряжения от 20 в/мкс.

Практически все усилители, созданные под руководством Шушурина отличались низким уровнем нелинейных искажений. В связи с этим, а также по причине сравнительной доступности и умеренной цены, эти усилители стали одними из самых популярных в Советском Союзе.

От Шушурина к Ламму

В начале неблагополучных для постсоветского пространства 90-х годов Владимир Шушурин, как и многие талантливые инженеры, решил попытать счастье в США. При эмиграции в 1987-м году он сменил фамилию. Интересно, что Ламм не выдуманная (присвоенная), а настоящая фамилия Владимира. Шушуриным он стал вынуждено. Его мать опасалась проблем с еврейским происхождением, которые нередко происходили в 40-е (“дело врачей”, антисемитские настроения у политической элиты СССР) и сменила фамилию сына.

В стране “победившей” американской мечты он решил также направить свою энергию на создание усилителей. В 1990-м году Владимир стал сотрудничать с Нью-Йоркской компанией Madison Fielding. В связи с непониманием некоторых идей инженера, его бескомпромиссного подхода к реализации своих концепций, а также в связи с надменным отношением партнеров как к “выскочке эмигранту”, Ламм прекратил сотрудничество уже в 1993-м. Разработки Владимира не пошли в серию, а остались лишь выставочными прототипами.

Владимир Ламм (Шушурин) — 2013-й год

В том же 1993-м году при поддержке внезапно разбогатевшего знакомого Ламм открывает собственную компанию Lamm Industries и начинает производство ламповых и гибридных усилителей. Практически всё, что сегодня делает инженер рассчитано на High end аудиторию. Некоторое количество техники позиционируется как референсные УМЗЧ. Такие усилители выполнены по оригинальной гибридной схеме (Патенты США D368,261 и № 5477095). Последние превосходят классическую “теплую лампу” по формальным (в терминах Ламма) характеристикам.

Ценообразование основано на классической стратегии престижных цен и личных выводах создателя о соответствии того или иного устройства его субъективным представлениям о качестве воспроизведения.

Ламмовский субъективизм

В советский период Владимир Ламм потратил много времени на психоакустические эксперименты и вывел для себя субъективные критерии качества звуковоспроизводящей аппаратуры. Несмотря на дискуссионность его выводов, некоторые из его опытов заслуживают отдельного упоминания. Так в одном из интервью он рассказывал следующее:

“У нас три усилителя: один имеет 1–2% искажений, другой — 0,1% искажений, третий — тысячные доли процента. Все это мы слушаем через акустическую систему, которая имеет 5% искажений. Теоретически мы не должны слышать разницу — только почерк акустической системы. Но мы прекрасно слышим, что усилители звучат по-разному. Парадокс, правда? Ответ на этот вопрос найти не так просто. У меня ушло несколько лет, чтобы понять, как на него ответить.“

Но однозначного ответа в интервью так и не последовало. Между тем, подобные явления, в числе прочего при слепых тестах, отмечает некоторое количество слушателей — это может говорить о том, что неоднозначные воззрения Ламма на звук имеют некоторые основания.

При этом, разработчик свято убеждён, что действительно качественный звук может быть только аналоговым, а цифровая обработка не лучшим образом сказывается на верности воспроизведения.

«Цифровой звук, состоящий из фрагментов-битов, на самом деле ненастоящий. Каждый из нас подсознательно отвергает его, несмотря на распространенность и привычность «цифры». Реальный звук способна передать только «лампа», которая не умеет делить его на фрагменты, а подает таким, какой он есть»

Цитата Владимира Ламма заимствована из материала mybiz.ru «Благозвучный капитализм»

Также, по мнению Владимира, создавать действительно качественную аппаратуру может только инженер, имеющий существенный опыт как музыкант или как слушатель живых концертов. Такого рода утверждения часто вызывают скепсис и критику коллег разработчика, а кроме того людей, подходящих к понятию “верность воспроизведения” с традиционных позиций сухого параметрического объективизма.

Итог

Можно по-разному относиться к представлениям Владимира Ламма о качестве звука и его концепциям создания УМЗЧ. При этом его вклад в создание массовой советской Hi-Fi техники в 80-е годы прошлого столетия очевиден. Кроме того, нельзя не отдать должное организаторским и коммерческим талантам инженера. Создать с нуля собственную производственную компанию и найти свой рынок (будучи советским эмигрантом в США в 90-е годы) дано далеко не каждому.

Джинса и ссылки

В нашем каталоге представлен широкий ассортимент усилителей, ресиверов и другой звуковоспроизводящей аппаратуры. У нас вы можете приобрести как транзисторные, так и ламповые УМЗЧ, а также акустические системы высокой верности воспроизведения.

В посте использованы фотоматериалы следующих ресурсов:

hi-fidelity-forum.com
mybiz.ru
www.lammindustries.com
ldsound.ru
vega-brz.ru
www.theabsolutesound.com

Усилители сигналов звуковой частоты

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ ИНАУКИ УКРАИНЫ

ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет радиотехники и специальной подготовки.

Конспект лекций по предмету:

«Бытовая радио-телевизионная аппаратура»

Составитель:

Петрушкевич П.А

Донецк 2013

Классификация и терминология.

Уси­литель сигналов звуковой частоты (УЗЧ) в любом своем исполнении представляет собой полностью законченный функцио­нальный блок (или участок схемы БРТА), единственное назначение которого — усиле­ние маломощных электрических сигналов звуковых (иногда — ультразвуковых) частот, как по размаху, так и по мощности.

К этой общей формулировке следует дать разъяснения. Во-первых, надо предос­теречь от одного очень распространенного заблуждения, будто в задачу УЗЧ входит вос­произведение звука. На самом деле воспро­изведение звука осуществляется электро­механическими преобразователями (ЭМП), не входящими в состав УЗЧ. Во-вторых, в подавляющем большинстве практических случаев УЗЧ, помимо двух указанных основ­ных функций, выполняет еще одну вспомога­тельную — корректирует и (или) позволяет произвольно изменять форму АЧХ. Эту вспо­могательную функцию выполняют регулято­ры тембра или многоканальные эквалайзеры, которые, входя в состав УЗЧ, к процессу уси­ления сигнала не имеют никакого отношения.

С учетом этих уточнений рассмотрим все сегодняшнее многообразие усилителей. И начнем с другого очень распространенно­го заблуждения, будто имеются усилители монофонические и стереофонические. На самом деле никаких стереофонических усилителей в природе не существует. Суще­ствуют системы стереофонического звуко­воспроизведения, состоящие из двух само­стоятельных независимых монофонических УЗЧ (как правило — полностью идентичных) и, как минимум, двух ЭМП, разнесенных в пространстве определенным образом.

В таких системах оба канала усиления нередко могут быть объединены в один кон­структивно оформленный узел или блок с общими или раздельными регуляторами уровня сигнала и тембра, что и создает ил­люзию существования самостоятельного стереофонического УЗЧ. На самом деле тех­нически более грамотным представляется разделение УЗЧ на одноканальные и много­канальные. Хотя, строго говоря, даже такое разделение не вполне корректно, поскольку любой многоканальный УЗЧ по сути являет­ся комбинацией нескольких одноканальных усилителей, как и упоминавшийся выше сте­реофонический усилитель.

Уяснив эти основные положения, дого­воримся, что все дальнейшие рассуждения будут относиться к одноканальному широ­кополосному УЗЧ, а специфические особен­ности и отличия многоканальных усилите­лей рассмотрим в заключительном разде­ле этой главы.

Структурная схема УЗЧ. Чуть дальше мы подробно рассмотрим наиболее типич­ные структурные схемы современных УЗЧ, но перед этим целесообразно познакомить­ся с двумя другими критериями, разграни­чивающими усилители на две весьма суще­ственно различающиеся разновидности.

Первый критерий разделяет все УЗЧ на усилители с дискретными схемными эле­ментами и усилители с так называемыми интегральными схемными элементами (мик­росхемами, микросборками, матрицами). Это различие весьма существенно, посколь­ку приводит к двум совершенно различным методикам обнаружения неисправностей и ремонтных работ при сервисном обслужива­нии аппаратуры.

Другой критерий разделяет все УЗЧ на однотактные и двухтактные, что существен­но отражается на их структурных схемах, но почти не сказывается на методике ремонта.

Переходя к рассмотрению реальных структурных схем УЗЧ, скажем, что в любой из них, даже самой примитивной, всегда можно провести условную границу, по одну сторону которой окажутся каскады усиления напряжения, а по другую — каскады усиления мощности. На языке профессионалов чаще принято различать каскады предварительно­го усиления и каскады оконечные (мощные). Таким образом, структурная схема самого простейшего УЗЧ будет изображаться двумя «квадратиками», символизирующими пред­варительный и оконечный каскады усиления соединяющей их стрелкой, направленной от первого квадратика ко второму (рис. 1).

I

Рис. 1. Структурная схема простейшего двухкаскадного УЗЧ

На практике такую примитивную струк­турную схему имели только ламповые уси­лители в наиболее дешевых радиоприемни­ках. Они имели чувствительность порядка 50… 150 мВ и выходную мощность 0,5…2,5 Вт.

Появление транзисторов повлекло за со­бой необходимость увеличения числа каска­дов Предварительного усиления, поскольку один транзисторный каскад на первых порах имел весьма малый коэффициент усиления — порядка 5… 10 (в отличие, например, от кас­када на ламповом триоде с усилением поряд­ка 50… 100). Кроме того, введение в схему УЗЧ регуляторов тембра и тонкомпенсированного регулятора громкости дополнительно «съе­дало» до 20 дБ уровня сигнала, что могло быть скомпенсировано только введением в струк­турную схему одного или даже нескольких до­полнительных каскадов.

Массовый переход схемотехники УЗЧ с радиоламп на транзисторы сразу же выя­вил полную непригодность последних для ис­пользования в однотактной схеме усилителя мощности из-за недопустимых значений коэффициента нелинейных искажений, обус­ловленных специфической формой коллек­торно-базовой характеристики транзистора. Поэтому уже самые первые маломощные транзисторные УЗЧ строились по схеме с двухтактным оконечным каскадом.

Однако для согласования однотактных каскадов предварительного усиления с двух­тактным оконечным каскадом возникла по­требность в промежуточном устройстве, со­здающем на входе оконечного каскада два равных по величине противофазных напря­жения. На первых порах таким устройством был специальный переходный трансформа­тор, имевший одну первичную и две одинако­вые вторичные обмотки. В дальнейшем он был вытеснен специальным фазоинверс­ным каскадом — неким промежуточным зве­ном между предварительными и оконечным каскадом.

Использование транзисторов в УЗЧ вы­явило еще одну их особенность по сравне­нию с ламповыми: коэффициент передачи по току (а следовательно, и по мощности) у транзисторов чаще всего не превышал 10, поэтому при создании УЗЧ с выходной мощ­ностью свыше 5… 10 Вт к базам оконечных транзисторов оказывалось необходимым подводить сигнал мощностью порядка 0,5…1,0 Вт, а обычные маломощные тран­зисторы, используемые в каскадах предва­рительного усиления, такую мощность, как правило, не обеспечивали.

Эта проблема была решена введением специального дополнительного предоконеч­ного, или драйверного, каскада на транзис­торе средней мощности. В результате всех этих усовершенствований транзисторные УЗЧ, как правило, являются многокаскадны­ми. В качестве иллюстрации на рис. 2 при­ведена структурная схема УЗЧ весьма попу­лярного и широко распространенного в свое время транзисторного стереофонического радиоприемника «Рига-101», состоящего из двух полностью идентичных каналов, каждый из которых представляет собой семикаскад­ный усилитель.

Последний, седьмой, каскад — двухтакт­ный усилитель мощности с бестрансформаторным (емкостным) выходом. Предпослед­ний, шестой, каскад представляет собой предоконечный (драйверный) усилитель промежуточной мощности, одновременно осуществляющий функции фазоинвертора за счет использования в нем транзисторов разной проводимости (р-п-р и п-р-п). Первые пять каскадов входят в со­став предварительного усилителя (или усилителя напряжения), хотя, если быть совсем уж точными, один из этих каскадов (четвертый) имеет от­рицательный (меньше единицы) коэффициент усиления, поскольку выполнен по схеме эмиттерного повторителя, принцип работы и на­значение которого будут рассмотрены ниже.

Рис.2. Структурная схема УЗЧ радиоприемника «Рига 101»

Усилительный каскад. Каскадом в ра­диотехнике в общем случае принято считать некий условный четырехполюсник, в состав которого входит один (иногда два) активных радиокомпонента (транзистор, радиолампа) и несколько «обслуживающих» пассивных элементов (резисторы, конденсаторы, ка­тушки индуктивности, трансформаторы), с помощью которых обеспечиваются опти­мальные условия работы активного элемен­та и достигаются наперед заданные пара­метры каскада.

Условным такой четырехполюсник надо считать потому, что на самом деле реальный радиотехнический каскад, в отличие от клас­сического четырехполюсника, может иметь не один вход и один выход, а несколько вхо­дов и несколько выходов, что превращает его в многополюсник.

Наличие в каскаде активного элемента делает неизбежным и обязательное нали­чие источника питания этого элемента в виде выпрямителя переменного тока или гальванических элементов. Что же касает­ся электрических характеристик и парамет­ров каскада в целом, то они определяются назначением каскада и весьма существен­но отличаются друг от друга.

В УЗЧ, используемых в БРТА, чаще дру­гих встречаются следующие типы каскадов:

• линейный усилитель напряжения. Это каскад на базе полупроводникового триода, включенного по схеме с общим эмиттером, электрический режим которого выбирается таким, чтобы обеспечивалось максимально возможное использование линей­ного участка коллекторно-базо­вой характеристики. Такой каскад обладает большим коэффициен­том усиления подводимого сигна­ла при незначительных нелиней­ных искажениях. Характерной особенностью такого каскада яв­ляется то, что сигнал на его выхо­де сдвинут на 180° относительно входного сигнала. С целью суще­ственного (в несколько раз) сни­жения нелинейных искажений, вносимых активным элементом, каскад часто охватывается отри­цательной обратной связью по току путем включения в разрыв эмиттерной цепи резистора, не шунтированного (в отли­чие от резистора автоматического смеще­ния) конденсатором большой емкости. Сле­дует при этом отметить, что введение такой обратной связи одновременно со снижени­ем нелинейных искажений существенно уменьшает реальный коэффициент усиле­ния каскада. Принципиальные схемы всех рассматриваемых в этом разделе каскадов приведены на рис. 3;

• эмиттерный повторитель. В таком каскаде активный элемент включается по схеме с общим коллектором, т.е. полезный сигнал снимается с нагрузки (резистора, ка­тушки индуктивности или обмотки транс­форматора), включенной в разрыв цепи эмиттера. Такое включение нагрузки равно­значно введению 100%-ной отрицательной обратной связи по току, поэтому каскад по­вторителя не только не усиливает подводи­мый сигнал, но всегда имеет коэффициент передачи меньше единицы. Возникает есте­ственный вопрос: для чего нужен усилитель, который ничего не усиливает? Ответ кроет­ся в специфической особенности каскада: входное сопротивление повторителя на по­рядок выше, чем у обычного усилительного каскада, а выходное сопротивление очень маленькое и определяется сопротивлением резистора, включенного в цепь эмиттера. Это сопротивление, как правило, колеблет­ся в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен ом, редко достигая не­скольких килоом.

Рис.3 Принципиальные схемы линейных УЗЧ:

а — трансформаторный усилитель напряжения по схеме с общим эмиттером;

б — резистивный усилитель напряжения по схеме с общим эмиттером;

в — эмиттерный повторитель по схеме с общим коллектором

Таким образом, каскад «повторителя» вполне можно рассматривать как некий «безындукционный» трансформа­тор сопротивлений, потребность в котором часто возникает при необходимости согла­сования двух соседних каскадов (или других участков схемы — например, блока регулято­ров тембра), входные и выходные сопротив­ления которых различаются на порядок и больше. При необходимости получить еще большее соотношение входного и выходного сопротивлений нередко в каскаде повторите­ля используют составной транзистор, входная часть которого выполнена на полевом тран­зисторе, а выходная — на обычном. В таком повторителе входное сопротивление может составлять несколько мегаом, а выходное — измеряться долями килоома. Свое название «повторитель» получил потому, что в отличие от обычного усилительного каскада не изме­няет фазу подводимого сигнала, в силу чего выходной сигнал как бы полностью повторя­ет входной, если не считать незначительного уменьшения его размаха;

• дифференциальный каскад. Так назы­ваемый дифференциальный каскад, прин­ципиальная схема которого приведена на рис. 4, используется почти исключитель­но в многокаскадных транзисторных УЗЧ с гальванической междукаскадной связью. Основное назначение такого каскада — обес­печение термостабильности схемы за счет компенсационного влияния одного (вспомо­гательного) триода на электрический режим другого — основного усилительного триода. Такое влияние обеспечивается за счет обще­го для обоих триодов резистора в объеди­ненной эмиттерной цепи. Помимо этой основной функции дифференциальный каскад существенно упрощает введение в канал сигнала отрицательной (или, при необходи­мости, положительной) обратной связи ре­гулируемой величины. Как правило, диффе­ренциальные каскады чаще применяются в дорогих высококлассных моделях БРТА;

Рис 4

• фазоинвертор. Существует несколько разных способов получения из однофазно­го входного сигнала двух противофазных сигналов для раскачки двухтактных оконеч­ных каскадов. На рис. 5 приведены наибо­лее часто встречающиеся на практике схе­мы фазоинверторов на полупроводниковых триодах. Схема рис. 5, а применяется в дешевых массовых «карманных» приемни­ках и некоторых типах плееров, поскольку позволяет за счет большого положительно­го коэффициента трансформации получить выходные противофазные сигналы больше­го размаха, используя всего один каскад предварительного усиления. К недостаткам схемы относится необходимость применения трансформатора, что всегда нежелательно. Схема рис. 5, б широко применялась в тран­зисторных УЗЧ разных классов до появления специальных интегральных микросхем более сложного схемного состава. Здесь инверти­рование фазы входного сигнала осуществля­лось за счет использования последователь­ного включения двух транзисторов разной проводимости (р-п-р и п-р-п). Связь такого инвертора с базами оконечных транзисторов обычно осуществлялась непосредственно, без разделительных конденсаторов;

Рис 5

• оконечный каскад (усилитель мощнос­ти). Абсолютное большинство УЗЧ (за ис­ключением усилителя записи магнитофона) предназначается для приведения в действие электромеханического излучателя звука — будь то телефонный капсюль, головные те­лефоны, одиночный электродинамический громкоговоритель или сложные акустичес­кие системы. Электрическая мощность, не­обходимая для раскачки таких излучателей, колеблется в широчайших пределах — от со­тых долей до десятков ватт. Единственным источником этой мощности является элект­рический источник питания УЗЧ — выпрями­тель или гальваническая батарея, энергия которых преобразуется оконечным каска­дом УЗЧ в сигнал звуковой частоты. Есте­ственно, что допустимая мощность рассе­яния транзисторов оконечного каскада должна быть заведомо выше номинальной выходной мощности УЗЧ. Эта мощность рассеяния реализуется в виде тепла, выде­ляемого активными элементами каскада, по­этому в усилителях с выходной мощностью свыше 1 Вт это избыточное тепло приходит­ся искусственно отводить с помощью специ­альных радиаторов. Степень отбора тепла радиатором решающим образом зависит от качества механического контакта корпуса транзистора (или микросхемы) со шлифо­ванной контактной поверхностью радиатора. При плохом контакте и наличии «воздушной подушки» степень теплопередачи уменьша­ется во много раз, что неизбежно приводит к перегреву транзистора (микросхемы) и выходу их из строя. Поэтому при замене мощных транзисторов или микросхем осо­бое внимание следует обращать на качество механического контакта. В промышленной аппаратуре для улучшения теплопередачи часто применяют специальные уплотняю­щие пасты с высокой теплопроводностью.

В современных УЗЧ практически невоз­можно выделить в чистом виде оконечный каскад, поскольку правильнее говорить о целом оконечном блоке, в состав которо­го входят неразрывно связанные между собой и гальванически соединенные четыре-пять-шесть транзисторов, полупровод­никовых диодов, термисторов, осуществля­ющих функции драйвера, фазоинвертора и усилителя мощности. Такая тесная взаимо­связь нескольких активных элементов со временем привела к появлению нового вида элементной базы — функционально закон­ченных интегральных микросхем, о которых мы теперь и поговорим.

Усилители звука

| Analog Devices

Некоторые файлы cookie необходимы для безопасного входа в систему, но другие необязательны для функциональной деятельности. Сбор наших данных используется для улучшения наших продуктов и услуг. Мы рекомендуем вам принять наши файлы cookie, чтобы обеспечить максимальную производительность и функциональность нашего сайта. Для получения дополнительной информации вы можете просмотреть сведения о файлах cookie. Узнайте больше о нашей политике конфиденциальности.

Принять и продолжить Принять и продолжить

Файлы cookie, которые мы используем, можно разделить на следующие категории:

Строго необходимые файлы cookie:

Это файлы cookie, которые необходимы для работы аналога.com или предлагаемые конкретные функции. Они либо служат единственной цели выполнения сетевых передач, либо строго необходимы для предоставления онлайн-услуг, явно запрошенных вами.

Аналитические / рабочие файлы cookie:

Эти файлы cookie позволяют нам выполнять веб-аналитику или другие формы измерения аудитории, такие как распознавание и подсчет количества посетителей и наблюдение за тем, как посетители перемещаются по нашему веб-сайту. Это помогает нам улучшить работу веб-сайта, например, за счет того, что пользователи легко находят то, что ищут.

Функциональные файлы cookie:

Эти файлы cookie используются для распознавания вас, когда вы возвращаетесь на наш веб-сайт. Это позволяет нам персонализировать наш контент для вас, приветствовать вас по имени и запоминать ваши предпочтения (например, ваш выбор языка или региона). Потеря информации в этих файлах cookie может сделать наши службы менее функциональными, но не помешает работе веб-сайта.

Файлы cookie для таргетинга / профилирования:

Эти файлы cookie записывают ваше посещение нашего веб-сайта и / или использование вами услуг, страницы, которые вы посетили, и ссылки, по которым вы переходили.Мы будем использовать эту информацию, чтобы сделать веб-сайт и отображаемую на нем рекламу более соответствующими вашим интересам. Мы также можем передавать эту информацию третьим лицам с этой целью.

Отклонить файлы cookie.

Усилители звука класса D | Analog Devices

Некоторые файлы cookie необходимы для безопасного входа в систему, но другие необязательны для функциональной деятельности. Сбор наших данных используется для улучшения наших продуктов и услуг. Мы рекомендуем вам принять наши файлы cookie, чтобы обеспечить максимальную производительность и функциональность нашего сайта. Для получения дополнительной информации вы можете просмотреть сведения о файлах cookie. Узнайте больше о нашей политике конфиденциальности.

Принять и продолжить Принять и продолжить

Файлы cookie, которые мы используем, можно разделить на следующие категории:

Строго необходимые файлы cookie:

Это файлы cookie, которые необходимы для работы аналога.com или предлагаемые конкретные функции. Они либо служат единственной цели выполнения сетевых передач, либо строго необходимы для предоставления онлайн-услуг, явно запрошенных вами.

Аналитические / рабочие файлы cookie:

Эти файлы cookie позволяют нам выполнять веб-аналитику или другие формы измерения аудитории, такие как распознавание и подсчет количества посетителей и наблюдение за тем, как посетители перемещаются по нашему веб-сайту. Это помогает нам улучшить работу веб-сайта, например, за счет того, что пользователи легко находят то, что ищут.

Функциональные файлы cookie:

Эти файлы cookie используются для распознавания вас, когда вы возвращаетесь на наш веб-сайт. Это позволяет нам персонализировать наш контент для вас, приветствовать вас по имени и запоминать ваши предпочтения (например, ваш выбор языка или региона). Потеря информации в этих файлах cookie может сделать наши службы менее функциональными, но не помешает работе веб-сайта.

Файлы cookie для таргетинга / профилирования:

Эти файлы cookie записывают ваше посещение нашего веб-сайта и / или использование вами услуг, страницы, которые вы посетили, и ссылки, по которым вы переходили.Мы будем использовать эту информацию, чтобы сделать веб-сайт и отображаемую на нем рекламу более соответствующими вашим интересам. Мы также можем передавать эту информацию третьим лицам с этой целью.

Отклонить файлы cookie.