Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Основные теоретические положения

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ УСИЛИТЕЛЯХ ЗВУКОВЫХ ЧАСТОТ

Усилитель звуковых частот (УЗЧ) - это электронное устройство, с помощью которого усиливаются напряжение, ток сигналов звуковых частот за счет энергии источника питания. К сигналам звуковых частот относятся сигналы с частотами в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц. В состав УЗЧ входят: непосредственно усилитель, источник питания, нагрузка.

Рис. 1.Структура включения усилителя звуковых частот

Входным напряжением (U_ВХ) усилителя могут быть сигналы звуковых частот различных источников: микрофон, магнитная головка (в магнитофонах), амплитудный или частотный детектор (в радио- или телевизионных приемниках) и т. д. Во всех случаях источник сигнала характеризуется значением ЭДС – Е_С и внутренним сопротивлением Z_С (рис. 1). Нагрузки усилительного устройства - головки громкоговорителей, акустические системы, телефоны, головки магнитофонов и т. д. Нагрузка характеризуется сопротивлением Z_H и его зависимостью от частоты. В качестве источников питания используются сетевые стабилизированные блоки питания или автономные источники на основе гальванических элементов.

УЗЧ входят в состав различной бытовой РЭА (магнитофоны, радиоприемники, телевизионные приемники), а также могут применяться как самостоятельные аппараты. Любой УЗЧ структурно можно представить, как показано на рис.2.

Входное устройство предназначено для согласования входного сопротивления УЗЧ с сопротивлением источника сигнала. В этом устройстве происходит нормирование сигналов, если в усилителе имеется несколько входов

Рис.2.Структурная схема усилителя звуковых частот

ВУ

Предварительный усилитель (ПУ) осуществляет усиление сигналов источника до значения, необходимого для нормальной работы усилителя мощности (обычно до 250 - 1000 мВ). ПУ обеспечивает как можно большее усиление сигнала звуковых частот при малом расходе питания и с минимальными искажениями. В ПУ также могут осуществляться различные регулировки (громкости, тембров и т. д.).

Усилитель мощности (УМ) производит усиление сигналов звуковых частот по току до необходимого значения при максимальном КПД и минимальных искажениях. При этом в УМ осуществляется согласование выходного сопротивления УЗЧ с сопротивлением нагрузки.

ПУ, УМ состоят из усилительных каскадов. Усилительный каскад строится на активных и пассивных элементах. Активные элементы (транзисторы, микросхемы), управляемые входным сигналом звуковых частот, преобразуют энергию источника питания в энергию выходного сигнала звуковых частот, осуществляя усиление. Пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, дроссели НЧ и др.) обеспечивают заданный режим работы активных элементов. Различают следующие режимы работы усилительных элементов УЗЧ: А, В, АВ.

В режиме А рабочей является середина линейного участка характеристик усилительных элементов, при этом нелинейные искажения минимальны, но с энергетической точки зрения этот режим наименее экономичен, т. е. КПД мал. В этом режиме через усилительный элемент, независимо от того, есть сигнал звуковых частот на входе или нет, будут постоянно протекать токи и потребляться энергия от источника питания, что снижает КПД. Режим А используется в ПУ, но иногда может встречаться и в УМ при улучшении качественных показателей в ущерб экономическим.

В режиме В рабочим является начало линейного участка характеристик усилительных элементов. Он отличается высоким КПД (т. е. энергетически экономичен), но и возникающими при этом большими нелинейными искажениями. В этом режиме при отсутствии сигнала звуковых частот на входе усилительного элемента через него практически не протекают постоянные токи, и соответственно отсутствует потребление энергии от источника питания, что энергетически экономично. Режим В используют в УМ, так как они потребляют много энергии от источника питания, и КПД в этом случае играет большую роль. Для уменьшения искажений УМ строят по двухтактным схемам.

Режим АВ занимает по своим характеристикам промежуточное положение между режимами А и В и используется в УМ.

В УЗЧ между усилительными каскадами могут осуществляться следующие связи: непосредственная, резистивно-емкостная, трансформаторная (рис. 3).

Рис. 3.Виды связей между усилительными каскадами

а- непосредственная; б- резистивно-емкостная; в – трансформаторная.

Каждая из этих связей имеет свои преимущества и недостатки. При непосредственной связи (рис. 3, а) упрощается схема, отсутствуют дополнительные потери и искажения, но режимы работы усилительных каскадов взаимосвязаны, так как существует связь по постоянному току между каскадами, при этом также мал КПД (нет согласования входных и выходных сопротивлений каскадов). Резистивно-емкостная связь (рис. 3, б) упрощает построение усилительных каскадов, так как режимы работы по постоянному току независимы (из-за наличия разделительного конденсатора С), но при ней возникают дополнительные искажения, потери энергии, уменьшается КПД. Трансформаторная связь (рис. 3, в) дает высокий КПД (из-за согласования входных и выходных сопротивлений). При этом также независимы режимы работы каскадов по постоянному току, но увеличиваются габариты усилительного устройства, вносятся дополнительные искажения. В УЗЧ имеются регулировки громкости, тембра. Регулировка громкости с помощью соответствующего регулятора позволяет изменять мощность сигнала всего диапазона звуковых частот на выходе усилителя. Регулировка тембра с помощью соответствующих регуляторов позволяет изменять усиление (и соответственно мощность на выходе) сигнала на разных частотах и чаще всего на нижних и верхних частотах звукового диапазона.

В высококачественных УЗЧ для регулировки тембра применяют эквалайзер - многополосный регулятор тембра, изменяющий выходную мощность в нескольких полосах частот звукового диапазона

Рис. 4.Структура стереофонического усилителя звуковых частот

В бытовой РЭА очень часто применяют стереофонические УЗЧ. При монофонической системе звукопередачи передается один звуковой сигнал, а при стереофонической - несколько. В идеальной стереофонической системе каждому источнику звука должен соответствовать свой канал, на практике применяется двухканальная стереофония. Стереофонический УЗЧ состоит из двух идентичных усилителей и общего блока регулировок (рис. 4).

УЗЧ-А и УЗЧ-В должны иметь одинаковые характеристики, их параметры и регулировки (громкости, тембров) должны быть идентичны для двух каналов. В стереофонических УЗЧ вводится регулировка стереобаланса, что позволяет изменять усиление одного канала по отношению к другому.

К основным параметрам УЗЧ относятся следующие.

*Коэффициент усиления по мощности, напряжению, току.

*Амплитудно-частотная характеристика. Это зависимость амплитуды выходного напряжения усилителя, или коэффициента усиления, от частоты усиливаемого сигнала при постоянной амплитуде входного напряжения. АЧХ УЗЧ имеет вид, показанный на рис. 5.

На рис. 5, а, 6 показаны АЧХ для зависимости напряжения U_ВЫХи коэффициента К_Uот частоты. На рис. 5, в приведены АЧХ для коэффициента К_U,выраженного в децибелах, на рис. 5, г -АЧХ для зависимости К_U1К_{)(дБ) от частоты, где К₀ - коэффициент усиления (номинальный) на стандартной частоте.звукового диапазона (обычно 1 кГц или 400 Гц).

Рис. 5. Амплитудно-частотные характеристики усилителя звуковых частот

* Рабочий диапазон усиливаемых частот при заданной неравномерности. Граничные частоты рабочего диапазона F_H и F_B - это частоты, при которых коэффициент усиления уменьшается до заданного значения по отношению к номинальному значению Kо.

Обычно рассматривается уменьшение в √2раз или на -3 дБ, что показано на рис. 5. Неравномерность АЧХ - это отношение максимального коэффициента K_U_макк минимальному K_Umin в заданном диапазоне частот.

* Нелинейные (гармонические) искажения. Они обусловливаются наличием в усилителе радиоэлементов с нелинейными характеристиками. Признаком таких искажений является появление в выходном сигнале гармонических составляющих высших порядков (2f, 3f, 4f и т. д.) при односигнальном (синусоидальном) входном колебании с частотой/или комбинированных частот типа (f₁+f₂)| (2f₁ +f₂), (f₁ + 2f₂) при двухсигнальном входном колебании с частотами f₁ иf₂.

Количественной мерой таких искажений является коэффициент гармоник. С возрастанием амплитуды сигнала увеличивается коэффициент гармоник.

*Амплитудная характеристика (АХ). Это зависимость амплитуды выходного напряжения усилителя от амплитуды входного при постоянной частоте. *Динамический диапазон амплитуд. Это отношение наибольшей и наименьшей амплитуд сигналов звуковых частот, которые могут быть усилены данным усилителем при допустимых нелинейных искажениях и уровне шумов.

*Выходное напряжениеU_{ном.вых} и выходная мощность Р_{ном.вых}, ограниченные искажениями (номинальные). Это такое напряжение на выходе усилителя и мощность, отдаваемая в нагрузку, при которых коэффициент К_г не превышает заданных значений.

*Максимальная выходная мощность Р_{МАК ВЫХ}. Это мощность, отдаваемая усилителем в нагрузку, при которой коэффициент К _гувеличивается до 5 или 10%.

*Чувствительность U_ч. Это такое минимальное напряжение сигнала на входе усилителя, при котором на выходе получается номинальная мощность (напряжение) при заданном коэффициенте К_г.

*Наличие помех (собственные шумы, фон, самовозбуждение).

эквивалент

где U_ш - напряжение на выходе усилителя при замыкании его входа на эквивалент источника питания; уровень фона кратных ей при закороченном входе на эквивалент сигнала)

Для количественной оценки помех в усилителе вводятся:

уровень собственных шумов Д_ш=20lg(U_{ном.вых}/U_ш)

уровень фона Д_Ф =20lg(U_{ном.вых}/U_ф)

где U_ф - напряжение фона на выходе усилителя (чаше всего измеряют напряжение Uф на частоте сети 50 Гц кр

*Пределы регулировки громкости. Это отношение напряжений на выходе усилителя при крайних положениях регулятора громкости, дБ:

П_r= 20lg(U_max/U_min)

где U_maxи U_min - напряжения на выходе усилителя при крайних положениях регулятора громкости.

*Пределы регулировки тембров. Это пределы изменения с помощью регуляторов тембра выходного напряжения крайних частот F_H и F_B по отношении к средней частоте (обычно 1 кГц):

Т_нч = 20 lg (U_нч/Uо); Т _вч= 20 lg (U_вч/Uо),

где U_нч - выходное напряжение усилителя на нижней частоте диапазона при крайних положениях регулятора тембра НЧ; Uвч - выходное напряжение усилителя на верхней частоте диапазона при крайних положениях регулятора тембра ВЧ; Uo - выходное напряжение усилителя на средней частоте диапазона (1 кГц).

* Пределы регулировки стереобаланса (для стереофонических усилителей). Это пределы изменения усиления одного из каналов по отношению к другому, дБ:

Псб=20lg(K_A/K_B)

где К_A и К_B -- коэффициенты усиления каналов А (левого) и В (правого) при крайних положениях регулятора стереобаланса.

* Переходное затухание из канала в канал и разделение каналов (для стереофонических усилителей):

левого (А) в правый (В) П_ЛП= 20 lg ({U_Л)_П /(U_П)_Л);

правого в левый П_ПЛ= 20 lg ((U_П)_Л / (U_Л)_П);

левого от правого Д_Л.П.= 20 lg ((U_Л)_Л/ (U_Л)_П);

правого от левого Д„._л = 20 lg ((U_П)_П / (U_П)_Л),

где (U_Л)_Л, (U_П)_П - номинальные выходные напряжения сигнала соответственно левого и правого каналов; (U_Л)_П - напряжение сигнала на выходе левого канала при отключенном от него источнике сигнала; (U_П)_Л - напряжение сигнала на выходе правого канала при отключенном от него источнике сигнала.

* Потребляемая мощность Р_ПОТ,

Параметры УЗЧ стандартизируются в зависимости от группы сложности бытового аппарата. Чем выше эта группа сложности, тем более жесткие требования предъявляются к параметрам, т. е. к качеству усиления сигнала. Высокое качество звуковоспроизведения называется Hi-Fi, от слов High Fidelity (высокая верность). Разработаны соответствующие международные стандарты на Hi-Fi, в том числе и на УЗЧ как составную часть звуковоспроизводящей аппаратуры. В настоящее время большинство звуковоспроизводящей аппаратуры вполне удовлетворяет требованиям к Hi-Fi-устройствам. Считается, что эти требования соответствуют умеренному качеству. Промышленностью выпускается различная звуковоспроизводящая аппаратура (в том числе и УЗЧ) более высокого качества, чем Hi-Fi. Ее называют High-End (конец или предел совершенства).

УЗЧ можно классифицировать по разным признакам:

*по типу усилительного элемента - на электронных лампах, биполярных транзисторах, полевых транзисторах, интегральных операционных микросхемах, специализированных интегральных микросхемах;

*по типу усиливаемого параметра - усилители напряжения, тока;

*по конструктивным признакам - полный или интегрированный усилитель, содержащий ПУ и УМ; ПУ с регуляторами громкости, тембра и коммутатором входных сигналов; УМ для получения необходимой мощности в нагрузке.

ТИПОВЫЕ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЕЙ ЗВУКОВЫХ ЧАСТОТ

Предварительныекаскады УЗЧ. Источники сигнала УЗЧ разнообразны и соответственно имеют разные характеристики (выходное напряжение, сопротивление нагрузки).

Анализ показывает, что у выходного напряжения и сопротивления нагрузки источников сигналов может быть широкий диапазон значений. Это обусловливает особенности построения предварительного усиления (ПУ). К таким особенностям, прежде всего, относится усиление входных сигналов до уровня, достаточного для работы УЗЧ, при минимальных искажениях (нелинейных, частотных) и обеспечении предельно возможного отношения сигнал - шум в полосе звуковых частот 20 Гц - 20 кГц. Очень важно также согласование входного сопротивления УЗЧ с выходным источника сигнала (особенно, если последнее составляет сотни Ком - единицы Мом).

ПУ выполняет следующие функции:

*усиление входных сигналов до уровня, достаточного для работы усилителя мощности (0,5 - 1 В);

*обеспечение предельно возможного отношения сигнал - шум с минимально возможными частотами и нелинейными искажениями;

*регулировка громкости и тембра;

*согласование ряда источников звуковых сигналов (для чего имеются универсальные входы, вход CD-плейера, вход тюнера и т. д.) и обеспечение подключения внешних устройств (например, эквалайзера, цифрового сигнального процессора DSP и т. д.).

В качестве ПУ применяют резисторные усилительные каскады на основе биполярного или полевого транзистора, операционного усилителя или микросхем, выполняющих функцию усилителей напряжения. Усилительные каскады на транзисторах, построенные по таким схемам, приведены на рис. 7.

Назначение элементов на схемах, показанных на рис. 7: Rl, C1, Ко, С5 - фильтр по питанию, устраняет обратную связь (ОС) через источник питания и уменьшает напряжение фона, попадающее в цепь каскада; R4, R7 - нагрузки в цепи соответственно коллектора и стока; R2, R3 - делитель напряжения, задающий смещение в цепи базы; R5, R9 - резисторы соответственно эмиттерной и истоковой стабилизации; С4, С8 - конденсаторы, устраняющие отрицательную ОС по переменному току; С2, СЗ, С6, С7 - разделительные конденсаторы. Усилительные элементы (транзисторы VTI, VT2) работают в линейном режиме (А), резисторы R2, R3, R5, а также R8, R9 задают этот режим и его стабильность повторителей.

Рис. 7. Принципиальные схемы предварительных усилительных каскадов с общим эмиттером (а), общим истоком (б).

Эмиттерные и истоковые повторители обеспечивают большое входное и малое выходное сопротивления каскадов, при этом коэффициент усиления К_U < 1. Назначение элементов на представленных схемах такое же, как и для схем, описанных выше.

В качестве предварительных усилительных каскадов часто применяют каскады типа дифференциального усилителя, каскады на операционном усилителе. Достоинством таких каскадов является высокая надежность и устойчивость к действию различных дестабилизирующих факторов (изменению температуры, питающего напряжения и др.).

Рис..8. Принципиальные схемы эмиттерного (а) и истокового (б)

Рис. 19. Структурная схема обратной связи

В усилителях широко используют отрицательные ОС. Они служат для улучшения качественных показателей (коррекция АЧХ, уменьшение нелинейных искажений), для устойчивой работы усилительных каскадов. Структура получения обратной связи показана на рис. 19.

Обратная связь (ОС) - это передача части энергии сигнала с выхода усилителя на его вход. Если фазы колебаний входа и цепи обратной связи совпадают, - это положительная ОС, а если не совпадают, - отрицательная ОС. В УЗЧ положительная ОС практически не используется. ОС может быть по току, напряжению, параллельной, последовательной, комбинированой. Если в схеме на рис. 13 R_ОС = 0, то ОС по напряжению; R₂ = О, то ОС по току; R_ОС=О, R₂=О, ОС смешанная; R₃ = О, ОС параллельная; R₂ = О, ОС последовательная; R₂ = 0, R₃ = О, ОС комбинированная.

В высококачественных полных (интегрированных) усилителях в качестве входных устройств ПУ применяют коммутаторы входов, позволяющие: одновременно подключать к входам усилителя несколько различных источников сигнала и коммутировать эти сигналы для последующего прослушивания или записи; осуществлять предварительное усиление и частотную коррекцию сигнала по отдельным входам с помощью предусили-теля-корректора; подключать дополнительные устройства (эквалайзеры, цве томузыкальные установки и т. д.). Управление коммутатором осуществляется обычно блоком управления, в том числе и дистанционным.

В ПУ могут применяться разделительные фильтры, которые делят звуковой спектр на ряд каналов, в результате чего происходит дальнейшее по канальное усиление (многоканальное усиление). К ПУ могут подключаться дополнительные устройства, кроме эквалайзера. К таким устройствам относятся многоканальные анализаторы спектра, цифровые сигнальные процессоры DSP (DIGITAL SIGNAL PROCESSOR). Они применяются в высококачественных УЗЧ. Многоканальные анализаторы спектра обычно объединены с эквалайзерами и измеряют уровень сигнала в ряде частотных полос, что позволяет наблюдать за реальным спектром звуковых частот и применять регуляторы тембра.

Восприятие звука в концертном зале, театре не такое, как, например, в жилой комнате (другое акустическое оформление). Поэтому основная функция DSP - придание звуку оттенков, характерных для звучания музыкальных произведений в различных условиях (процесс модулирует отраженные сигналы и подмешивает к основным сигналам). DSP также создает впечатление реверберации, или эха.

Наиболее распространенные фиксированные настройки DSP следующие:

HAAL - звучание в большом концертном зале (при времени реверберации 1,2 - 3,2 с);

LIVE - звук, передающийся прямо с места действия (10-50 мс);

DISCO - звучание на дискотеке (0,5 - 2,5 мс);

CHRCH - звучание в кафедральном соборе (3,5 - 5,5 с);

STADM - звучание на стадионе (30 - 130 мс);

THTRE - звучание в театральном зале (10-30 мс).

УНИВЕРСАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Усилители, предназначенные для поочередной работы в режимах записи и воспроизведения, получили название универсальных. Они применяются совместное универсальной магнитной головкой в магнитофонах четвертой, третьей и второй группы сложности. Так как универсальные усилители выполняют те же функции, что и усилители записи и воспроизведения, то и требования, предъявляемые к ним, такие же, как к каждому из этих усилителей.

При работе в режиме воспроизведения на вход усилителя поступает ЭДС, индуктируемая в универсальной головке. Ввиду того что ЭДС даже высокоомной головки на нижней частоте составляет примерно 0,5 мВ, то усилитель должен обладать достаточно высокой чувствительностью при минимальном уровне собственных помех. Неодинаковая отдача головки в рабочем диапазоне частот требует применения соответствующей коррекции амплитудно-частотной характеристики усилителя.

При работе в режиме записи на вход усилителя поступает ЭДС от источника сигнала через входные делители напряжения. В этом режиме снижаются требования по собственным шумам и чувствительности, но возникает опасность перегрузки усилителя, приводящей к увеличению нелинейных искажений. Кроме того, выход усилителя должен хорошо согласовываться с магнитной головкой. К универсальному усилителю, работающему в режиме записи, предъявляются также требования и по форме АЧХ.

Таким образом, в универсальном усилителе должны выполняться противоречивые требования, обеспечивающие качество записи и воспроизведения, что практически не осуществимо. Поэтому универсальные усилители применяются в магнитофонах более низких групп сложности.

Задание по работе.

1. Изучить порядок применения измерительных приборов при проверке усилителей звуковой частоты.

2. Проверить чувствительность, выходную мощность, снять АЧХ и вычислить коэффициент гармоник.

3. Полученные данные оформить, (при необходимости графически), в отчете за работу. Сделать вывод.

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 10 Следующая ⇒