Симметричный УНЧ из доступных деталей по мотивам В. Короля

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.

Усилитель на электровакуумных приборах

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.

Примечания[ | ]

  1. ГОСТ 24388-88 Усилители сигналов звуковой частоты бытовые. Общие технические условия.
  2. Войшвилло Г. В. Усилители низкой частоты на электронных лампах. — М.: Связьиздат, 1959 г.
  3. Малинин Р. М. Усилители низкой частоты. Массовая радиобиблиотека, вып. 183. 1953 г.
  4. Будинский Я. — Усилители низкой частоты на транзисторах. — М.: Связьиздат, 1963 г.
  5. Адаменко М. В. Секреты ламповых усилителей низкой частоты. — М.: НТ Пресс, 2007, — 384 с.
  6. J.J.Suozzy, E.T.Hooper. An All Magnetic Audio-Amplifier System. Transactions of the American Institute of Electrical Engineers, Part I: Communication and Electronics, vol.74, 1955, p.297-301.
  7. Trinkaus, George, «The Magnetic Amplifier: A Lost Technology of the 1950s, » Nuts & Volts,
    February 2006, pp. 68-71.

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.

↑ Налаживание усилителя

При первом включении УНЧ следует подключать через мощные керамические резисторы (10 – 100 Ом). Это спасет элементы от перегрузок и выхода из строя при ошибке в монтаже. На первой части платы выставляется резистором R23 ток покоя УНЧ (150-250 мА) при отключенной нагрузке. Далее надо установить отсутствие постоянного напряжения на выходе усилителя при подключенном эквиваленте нагрузки. Это делается изменением номинала одного из резисторов R19 или R20.
После монтажа остальной части схемы резистор R14 выставить в среднее положение. На эквиваленте нагрузки проверяется отсутствие возбуждения усилителя и резистором R5 устанавливаем отсутствие постоянного напряжения на выходе усилителя. Усилитель можно считать настроенным в статическом режиме.

Для налаживания в динамическом режиме параллельно эквиваленту нагрузки подключается последовательная RС цепь. Резистор мощностью 0,125 Вт и номиналом 1,3-4,7 кОм. Конденсатор неполярный 1-2 мкФ. Параллельно конденсатору подключаем микроамперметр (20-100 мкА). Затем, подав на вход усилителя синусоидальный сигнал частотой 5-8 кГц, по подключенному к выходу осциллографу и вольтметру переменного тока нужно оценить пороговый уровень насыщения усилителя. После этого снижаем входной сигнал до уровня 0,7 от насыщения и резистором R14 добиться минимума показания микроамперметра. В некоторых случаях, для снижения искажений на верхних частотах, необходимо проводить коррекцию фазы по опережению установкой конденсатора С12 (0,02-0,033 мкФ).

Конденсаторы С8 и С9 подбираются по наилучшей передаче импульсного сигнала частотой 20 кГц (ставятся при необходимости). Конденсатор С10 можно не ставить, если схема устойчива. Изменением номинала резистора R15 устанавливают одинаковое усиление для каждого из каналов стереофонического или многоканального варианта. Изменяя величину тока покоя выходного каскада можно попытаться найти наиболее линейный режим работы.

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.

Один из вариантов выполнения клистрона

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.

УНЧ на триоде

↑ Конструкция усилителя

Печатные платы я разрабатывал для «доступных» корпусов от усилителей Радиотехника У-101. Схему разместил на двух частях печатной платы. На первой части, которая закреплена на радиаторе, размещены «параллельный» усилитель и усилитель напряжения. На второй части платы размещен входной каскад. Эта плата крепится на первой плате при помощи уголков. Такое разбиение платы на две части позволяет с минимальными конструктивными изменениями проводить усовершенствование усилителя. Кроме того, такая компоновка может служить и для лабораторных исследований каскадов.
Собирать усилитель необходимо в несколько этапов. Сборка начинается с параллельного усилителя и его налаживания. Вторым этапом собирается и налаживается остальная часть схемы и проводится окончательная минимизация искажений схемы. При размещении транзисторов выходного каскада на радиаторе необходимо помнить о необходимости теплового контакта корпусов попарно транзисторов VT9, VT14 и VT10, VT13.

Печатные платы разработаны с помощью программы Sprint Layout 6, что позволит корректировать размещение элементов на плате, т.е. подгонять под конкретную комплектацию или корпус. См. архивы внизу.

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.

↑ Детали усилителя

Параметры усилителя зависят от качества применяемых радиоэлементов и их расположения на плате. Примененные схемные решения позволяют обойтись без подбора транзисторов, но желательно применять транзисторы с граничной частотой усиления от 5 до 200 МГц и запасом предельного рабочего напряжения более чем в 2 раза в сравнении с напряжением питания каскада.
Если есть желание и возможность, то желательно выбирать транзисторы по принципу «комплементарности» и одинаковости усилительных характеристик. Пробовались варианты изготовления с подбором транзисторов и без него. Вариант с подобранными «комплементарными» отечественными транзисторами показал значительно лучшие характеристики, чем без подбора. Только КТ940 и КТ9115 из отечественных транзисторов являются комплементарными, а у остальных комплементарность условная. Среди зарубежных транзисторов комплементарных пар очень много и информацию об этом можно взять на сайтах производителей и в справочниках.

В качестве VT1, VT3, VT5 возможно применение транзисторов серии КТ3107 с любыми буквами. В качестве VT2, VT4, VT6 возможно применение транзисторов серии КТ3102 с буквами, которые имеют характеристики схожие с примененными транзисторами для другой полуволны звукового сигнала. Если возможен подбор транзисторов по параметрам, то лучше сделать это. Почти все современные тестеры позволяют это сделать без проблем. При больших отклонениях временные затраты при настройке будут больше и результат скромнее. Для VT6 подойдут транзисторы КТ9115А, КП960А, а для VT7 – КТ940А, КП959А.

В качестве VT9 и VT12 можно применять транзисторы КТ817В (Г), КТ850А, а в качестве VT10 и VT11 – КТ816В (Г), КТ851А. Для VT13 подойдут транзисторы КТ818В (Г), КП964А, а для VT14 – КТ819В (Г), КП954А. Вместо стабилитронов VD3 и VD4 можно использовать по два последовательно соединенных светодиода АЛ307 или им подобные.

Схема позволяет применять и другие детали, но может потребоваться коррекция печатных плат. Конденсатор С1 может иметь емкость от 1 мкФ до 4,7 мкФ и обязательно полипропиленовый или другой, но качественный. На радиолюбительских сайтах можно найти об этом информацию. Подключение напряжения питания, входного и выходного сигналов проводится с использованием клемм для печатного монтажа.

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.

УНЧ на биполярном транзисторе

Усилитель для наушников

Усилитель аудио для наушников строится на основе микросхемы TDA7050, выпускаемой компанией Philips. Чип поддерживает мостовую схему подключения, но возможна эксплуатация изделия в режиме стерео. Мостовая конфигурация позволяет передавать весь поток в один динамик наушников. Для получения объемной звуковой картины требуется установить 2 микросхемы. Полученное устройство имеет мощность 140 мВт на канал при подаче питания 3 В и сопротивлении катушек в наушниках по 32 Ом.

Поскольку подобная степень усиления звукового потока является излишней, используется схема с USB-портом, построенная на одном чипе TDA7050. Напряжение питания составляет 5 В (конструкция микросхемы рассчитана на напряжение от 1,6 до 6 В). Корректировка громкости на выходе осуществляется путем изменения амплитуды входящего сигнала. Для регулировки используется переменное сопротивление на 20 кОм, имеющее логарифмическую характеристику.

Для повышения качества звучания в цепь питания вводится стабилизирующий блок, построенный на основе микросхемы MCP1702. Чип работает с дополнительными конденсаторами емкостью 0,1 и 100 мкФ, установленными на самодельной печатной плате. Емкости обеспечивают возможные пульсации тока перед микросхемой и после нее. Применение MCP1702 позволяет расширить диапазон напряжения в цепи питания до 13,2 В. Наушники подключаются через стандартный разъем диаметром 3,5 мм, выведенный к контактам 7 и 6 микросхемы.

Возможно изготовление изделия на базе чипа LM386, который монтируется на печатной или макетной плате. В конструкции предусматривается планка для подачи питания и 3-контактный штекер для ввода сигнала, разделенного на правый и левый каналы. Возможно использование регулятора сигнала, изготовленного на базе переменного сопротивления. В выходной цепи применены конденсаторы емкостью 220 и 0,1 мкФ и установлено дополнительное сопротивление номиналом 37 Ом. Устройство предназначено для коммутации наушников или 2 колонок, работающих в режиме стерео.

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 Rвходное = I / Uзатвор-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.

УНЧ на полевом транзисторе

Каким должен быть хороший усилитель мощности на транзисторах.

Феномен транзисторного звучания УНЧ против «тёплого» лампового звука.

История борьбы с феноменом
транзисторного звучания уходит в далёкие 80-ые годы. С появлением продвинутых мощных транзисторных усилителей низкой частоты многих гурманов качественного воспроизведения музыки постигло разочарование — новинки с более высокими электрическими характеристиками никак не могли сравниться со своими ламповыми собратьями по мягкости и естественности звучания. Мало того, по «качеству» звучания они субъективно уступали и стареньким германиевым УМЗЧ, выполненным по канонам простейшей схемотехники, присущей ламповым конструкциям. Сотни умных разработчиков чесали свои просветлённые репы в надежде хоть как-то снизить тембральные искажения в транзисторных усилителях, меняли схемотехнику и элементную базу, оживлённо гнались за сверхпараметрами, писали разные статьи, пока не поняли, что к цифрам, указанным в характеристиках усилителя надо относиться сдержанно, а верить можно только собственным ушам. Однако, проиграв глобальную борьбу с лампой за чистоту музыкального звучания УНЧ, обиженные, но не разбитые в пыль транзисторные аудиофилы всё же собрались духом и вынесли на своих плечах ряд постулатов о происхождении в УНЧ пресловутого транзисторного звучания:
1 — Глубокая отрицательная обратная связь, без которой не обходится ни один транзисторный усилитель, порождает переходные искажения, вызванные запаздыванием сигналов в петле обратной связи. 2 — Всё та же глубокая обратная связь обуславливает низкое выходное сопротивление УНЧ. Это, с одной стороны, хорошо, так как повышает коэффициент демпфирования усилителя, но, с другой стороны, чревато возникновением интермодуляционных искажений в динамических головках, что, в свою очередь, вызывает неприятные призвуки, ошибочно принимаемые за искажения усилителя. 3 — Особо продвинутые специалисты упоминают тепловые искажения, которые вызваны скачками мгновенной температуры кристалла транзистора при прохождении сигнала, в связи с изменением рассеиваемой в нем мгновенной мощности. В результате, в процессе усиления музыкального сигнала коэффициент усиления по току (или крутизна) выходных транзисторов плавно (из-за инерции тепловых процессов) изменяется на 20-30%. Эти флуктуации, в свою очередь, становятся причиной инфразвуковых интермодуляционных искажений в УНЧ, к которым ухо слушателя чрезвычайно чувствительно. 4 — Поскольку уравнения, описывающие вольтамперные характеристики полевых транзисторов, практически идентичны ВАХ вакуумных приборов, «правильный» транзисторный УМЗЧ следует реализовывать именно на полевиках. 5 — Не столь важен общий коэффициент нелинейных искажений УНЧ (в ламповых Hi-End системах он часто составляет величину 0,1% и выше), сколь спектр гармоник этих искажений. «Покажите мне график зависимости коэффициента искажений от частоты, и я скажу, как будет звучать усилитель», — написал Владимир Ламм, основатель и идеолог американской компании, занимающейся разработкой и выпуском звукового оборудования «Lamm Industries».

ИТАК, подытожим всё сказанное: Идеальный усилитель должен быть построен на полевых транзисторах, иметь неглубокие и максимально короткие обратные связи (в идеале внутрикаскадные), работать в режиме А (для устранения тепловых искажений) и быть однотактным (как обладающий наиболее приятным для уха спектром гармоник выходного сигнала). Последние 2 пункта скорее применимы для усилителей мощности, работающих при максимальных мощностях до 10Вт. Хотя существуют примеры американских мелкосерийных изделий однотактных транзисторных УНЧ и с выходной мощностью, достигающей 150Вт. Правда весит такой агрегат в одноканальном исполнении ни много ни мало — 70кг…! Поэтому для усилителей, работающих в режиме А и при значительных мощностях, предпочтительными являются всё-таки двухтактные схемы. Именно такую схему на полевых транзисторах мы рассмотрели на странице ссылка на страницу.

Не так давно я наткнулся на обсуждение темы «Про тёплый ламповый звук». Полемика велась на странице https://www.yaplakal.com/forum7/st/320/topic988477.html и, как это часто водится на любом неспециализированном форуме — никакого особого интереса не представляла… И всё было бы как обычно, если бы не единичный комментарий товарища по имени «aleks49». Поскольку связаться с уважаемым «aleks49» мне не удалось, а мысли, изложенные в комментарии, были хороши: как по форме, так и по содержанию, то «не пропадать же добру», — подумал я и решил привести написанный им материал на этой странице — в полном объёме и авторском изложении.

«Итак: Попытаюсь вставить свои 5 копеек. Может быть, мои наработки и наблюдения кому-то помогут правильно сориентироваться. Дело в том, что я всю свою трудовую деятельность занимался ремонтом и настройкой всякой электронной, электромеханической и механической техники. Так как это было оборонное предприятие мелкосерийной продукции, то разнообразие было очень широким. Образование у меня специфическое — спец. училище подводного плавания радиолокационные и телевизионные системы. 8 лет службы на подводных лодках по специальности. В процессе службы так же 2 раза проходил специальную подготовку по быстрому поиску неисправностей в аппаратуре моей сферы деятельности. Работая на «гражданке» в моих возможностях было использование любых лабораторных средств контроля и испытаний электронного оборудования. Эта преамбула нужна для того, чтобы те, кто будет мне оппонировать, могли ориентироваться в какие «дебри» может зайти разговор. Продолжаю. В 70-е я увлёкся разработкой УНЧ. И к 1979 году, повторив большое количество распространённых на то время схем, пришёл к выводу, что транзисторные усилители, построенные по схемотехнике операционного усилителя с глубокой обратной связью, сильно грешат качеством звуковоспроизведения. Несмотря на низкие нелинейные искажения (измерялось измерителем нелинейных искажений) качество звука чем-то страдало. Получалась «каша» на звуке где звучат много различных инструментов. Некоторые инструменты даже в сольном исполнении с трудом узнаются. Никакие эквалайзеры не помогают. Более тщательное исследование явления с помощью специализированного осциллографа (очень древний, ламповый, низкочастотный с высокой чувствительностью) обнаружило, что виной всему очень большое усиление исходных схем с разорванной общей обратной связью. Действительно, такие схемы обладали таким же громадным коэффициентом усиления, как и интегральные ОУ. С помощью общей обратной связи усиление доводилось до нужного уровня и нелинейность устранялась. Но даже усилители с КНИ 0,01% и ниже при этом не удовлетворяли по звучанию. То, что в этом виноват именно транзисторный УНЧ не вызывало сомнений. На тех же акустических системах звучание от ламповых усилителей воспринималось лучше (имелись в наличии два ламповых советских усилителя на 50 и 100W). Измерение КНИ показало, что ламповые УНЧ оказались совсем неидеальнами. КНИ у них достигал 1%. В чём же дело? Работа с хорошим (правильным) осциллографом показала, что транзисторные УНЧ легковозбудимы. Так называемая нулевая точка на выходе совсем не нулевая. На уровне в несколько милливольт там присутствует хаотический колебательный процесс, который превращается в ВЧ генерацию при подаче на вход УНЧ даже самого маленького сигнала. В некоторых случаях эта генерация не превышает нескольких милливольт, а частенько бывает на весь размах напряжения питания. Таким образом, если на вход УНЧ подавать синусоидальный сигнал то в «нулевой» точке это обнаруживается. Если подавать импульсный сигнал, то фронт импульса искажён выбросом. Частота этой генерации на уровне максимальной частоты выходных транзисторов УНЧ. Ко всему прочему выяснилось, что общая обратная связь обладает существенной задержкой. Задержку можно определить с помощью измерения единичного коэффициента усиления усилителя с разомкнутой обратной связью. С хорошими высокочастотными транзисторами это может доходить до 100 и даже 200 кГц. Итого, если усилитель без обратной связи способен усиливать сигнал до 100 кГц то задержка будет составлять 10 микросек. До появления обратной связи на выходе усилителя наблюдается размах выходного сигнала равный всему напряжению питания выходного каскада. При этом имеется ещё дополнительный выброс на переднем фронте. Через 10 микросекунд «срабатывает» обратная связь и с затухающим колебательным процессом сигнал опускается на уровень, который определён обратной связью. Всё это можно увидеть с помощью хорошего осциллографа и присутствует на любом сигнале с любой звуковой частотой. На предельных для данного усилителя частотах присутствуют очень замысловатые виды искажений.

Вывод. Виновата схемотехника построения УНЧ. Нельзя рассматривать УНЧ как операционный усилитель. Специфические искажения операционного усилителя улавливаются слуховым аппаратом человека. Как с этим бороться? Полностью отказаться от схемотехники операционного усилителя при использовании в качестве УНЧ. Для УНЧ низкого класса можно это использовать и даже применять интегральные ОУ, но выходной каскад такого ОУ должен обладать большим током покоя. Таких ОУ почти не выпускают. Так называемые микромощные ОУ, хотя и обладают большой единичной частотой, но выход в покое микротоковый. Ламповая схемотехника подсказала выход. В силу специфики ламп (они обладают невысокими показателями усиления и требуют для питания много энергии) не применяется излишнее усиление с последующим охватом общей обратной связью. В лампах используется довольно высокое анодное напряжение, что обусловливает очень протяжённую вольт-амперную характеристику. Перегрузка лампы тоже имеет протяжённую характеристику. Одна из особенностей лампы состоит в том, что и нелинейность у неё несколько иная, чем у транзистора. Здесь уже нужно сравнивать лампу с транзистором с помощью измерения образующихся при усилении гармоник. В ламповом усилительном каскаде чётные гармоники на 5-8 децибелл выше по уровню, чем нечётные. Причём существенное значение имеют только 2-я и 3-я гармоники. Остальные ниже на 20-30 дб. и могут не учитываться. В транзисторном усилителе на биполярном транзисторе 3-я гармоника выше, чем 2-я на 5 дб. но также существенна ещё и 5-я гармоника. На полевых транзисторах 2-я и 3-я гармоники примерно равны и 5-я гармоника не имеет существенного значения. Каскады усиления, построенные для увеличения токовой нагрузки(катодные повторители, истоковые повторители, эмиттерные повторители) не вносят заметных искажений в сигнал. Что можно предпринять для высококачественного усиления. 1. Входные каскады УНЧ необходимо строить на полевых транзисторах и лампах для того, чтобы изначальный сигнал на малых уровнях не приобрёл неисправимых искажений. 2. Максимальное усиление по напряжению на один каскад не должно превышать 30. 3. Не охватывать обратной связью даже 2 каскада. Обратная связь должна существовать только на одном усилительном элементе (лампа, транзистор). Всякие новомодные усилительные микросхемы не должны рассматриваться как единый усилительный элемент. 4. Усиление сигнала необходимо разделить на две функции: усиление по напряжению и усиление по току. После усиления по напряжению необходимо обязательно повторителем разгрузить каскад. 5. Между каскадами усиления напряжения и разгрузкой разделительные конденсаторы применять не нужно, а при усилении напряжения конденсаторы ставить нужно, чтобы вывести рабочую точку лампы или транзистора на линейный рабочий участок. 6. Для усилительных каскадов, работающих с сигналами близкими к 1 вольту, использовать транзисторы с большим напряжением и задавать питание близкое к предельному. Именно таким образом удаётся растянуть вольт-амперную характеристику транзистора и получить большой динамический диапазон. 7. Не сдваивать полевые транзисторы во входных каскадах УНЧ. Иногда применяется такое для уменьшения коэффициента шума. Но такое решение приводит к увеличению нелинейности вольт-амперной характеристики и растёт 3-гармоника. В результате по гармоникам полевой транзистор становится ближе к биполярному. 8. Применять каскодные схемы в анод для ламп и в коллектор для транзисторов. Каскоды через катод или эмиттер не применять т.к. КНИ при этом возрастает сразу до 0,2%.

Существует проблема фазоинверторов. Как получить противофазные сигналы с минимумом нелинейных искажений? В дифкаскаде плечи оказываются по характеристикам разные и по усилению, и по нагрузочной способности и по нелинейности. Разгружать дифкаскад лучше всего истоковыми повторителями. И вообще любые каскады усиления напряжения разгружать истоковыми повторителями. Вот те основы схемотехники, которые позволяют получить усиление звука с высокой верностью.

Мои соображения по поводу «мягкого лампового звука». Лампа великолепный усилительный прибор для усиления звука и усилители на лампах за счёт растянутой характеристики показывают хороший результат. Но это не значит, что транзистор не способен конкурировать качеством звука. В своё время в 1979 году мне удалось сделать усилитель с качеством звука, не отличимым от лампового. Тогда я применил технологии, которые перечислил текстом выше. Получился усилитель без общей обратной связи с КНИ до 0,4% который не возможно было отличить по звучанию от лампового. Было изготовлено несколько штук разных по назначению УНЧ. Для домашнего использования до 30W и концертного использования до 100W причём для акустических систем с сопротивлением 16 ом и выше. Качество звука оценивалось и сравнивалось работниками музыкальной культуры и лабухами, работающими по свадьбам и т.п. Для сравнения использовались имевшиеся в то время кинотеатральные профессиональные системы на транзисторах с выходными трансформаторами. Выходные трансформаторы никакого преимущества в усилителях на транзисторах не продемонстрировали. Разве только то, что могли согласовать выход усилителя с высокоомной акустикой. Но в случае с изготовленным усилителем, где применялось высокое напряжение питания и высоковольтные транзисторы, по мощностным параметрам он не уступил трансформаторным даже на высокоомной нагрузке. По качеству звука все участвующие о звука предъявленного УНЧ. Причём не возникло даже никаких ни у кого сомнений. Оказалось хорошее качество работы: как с микрофоном, так и с гитарами. Для Бас-гитары делали специальный усилитель с ограниченным диапазоном вверх и расширением вниз диапазона. Усилители, которые делал я и мои соратники, по этому делу изготовлялись варварским способом, т.к. не было времени и денег оформлять конструкции в приличную форму. Распаивалось на «слепышах» обычными проводами, имевшимися под рукой. Под рукой тогда имелось большое количество провода МГШВ. Это многожильный провод в шёлковой и виниловой изоляции. Паялось внахлёст, межплатные соединения по месту. Источники питания самые простецкие трансформаторы, диоды, электролиты. Платы обклеивались изолентами и полиэтиленом, иногда газетами или упаковочной бумагой. Всё обматывалось, чтобы нигде не замыкало. Коробку применяли от какого-нибудь прибора с заводской свалки. Всё уминалось и затискивалось. Имелись снаружи только сетевой шнур, тумблер включения, предохранители, регулятор уровня сигнала, регулятор громкости с тонкорректором, гнёзда для входа и выхода. Регулятор громкости был электронным своей конструкции. Для тон-коррекции применялись дроссели (сейчас никто такого не применяет). Никаких регуляторов тембра не применялось. Как оказалось для хорошего усилителя они не нужны т.к. при использовании дома имеется уже нормализованная запись с винила или магнитофона. Никакой необходимости что-то менять в частотах не возникало. Выходной каскад усилителя имел защиту от перегрузки по току на максимальный ток используемых транзисторов. Входной усилитель делался на лампе 6Н16Б или 6Н23П и работал при напряжении 30В. В аноде стоял каскод на транзисторе (динамическая нагрузка), транзистор был германиевый. Разгрузка была эмиттерным повторителем на транзисторе П307. Далее стоял регулятор громкости с тон-корректором. Тон-корректор была возможность отключать. Регулятор громкости не был переменным резистором. Были три кнопки. Больше, меньше и вкл-откл тонкорректора. Схема на полевых транзисторах, максимальный уровень сигнала для такого регулятора 30мВ. Поэтому чувствительность усилителя была 30мВ. Именно при таком сигнале на входе выход получался на максимальную мощность. Внутри усилителя мощности между каскадами стояли фильтры НЧ. Частоты выше 30кГц обрезались, хотя без фильтров характеристика была линейна до 200кГц. К чему я это рассказываю? За всё время УНЧ творчества никогда и ни у кого не возникало даже мысли, что нужны какие-то особые провода, что провода нужно ориентировать в пространстве, что конденсаторы должны быть из меди или золота. Применялись обычные малогабаритные бумажные конденсаторы. Мощность сигнала в межкаскадных передачах мизерная, это не силовые элементы. У кондёра есть ёмкость, ТКЕ и утечка. Больше для него ничего не надо. В силовых цепях да! В силовых цепях важно ещё максимальный ток заряда-разряда. Иначе пластины отлетают. Что касается «теплоты» звука, хочу обратить внимание на следующее. Лампоголики утверждают, что питание для ламп обязательно должно быть кенотронное, иначе звук становится неламповый. Я верю, что это действительно так. Дело в том, что кенотроны характеризуются током насыщения, что приводит к тому, что анодное напряжение слегка проседает при больших сигналах, а крутизна характеристики лампы зависима от анодного напряжения. Поэтому и появляется «мягкость» звучания. По всей видимости, это можно создать и в транзисторных каскадах. Но транзисторные каскады позволяют получить КНИ ниже, чем в лампах, с нечётными гармониками можно тоже побороться и получить приемлемый уровень. С шумами, конечно лампу не победить, но выйти на уровень когда они ниже порога слышимости — возможно. Во всяком случае, в тех усилителях, что я делал, шумы на слух не обнаруживались. Никакого шипенья или шелеста. С гармониками та же история. 3-я гармоника всегда в транзисторных усилителях будет больше, чем в ламповых, но это примерно на 5 дб. Если же динамический диапазон усилителя сохраняется свыше 70 дб. то эту гармонику можно обнаружить только по прибору и никак не обнаружить прослушиванием. Если же транзисторный усилитель без общей ОС даёт КНИ 0.01% на малой и средней громкости (до 10W мощности), то такой усилитель значительно качественнее лампового. Опустить выходную лампу по КНИ ниже 0,2 задача очень сложная и потребует подспорья в виде добавок из транзисторов. В итоге мы опять вернёмся к вопросу — где транзисторное, а где ламповое. Во входных каскадах лампа непревзойдённа из-за своей высоковольтности при милливольтных сигналах. Хочу ещё отметить, что УНЧ на транзисторах без ОС тоже обладает мягкостью звучания и чёткостью звуковой картины, как и ламповые. Проблема только в том, что этот звук мало кто слышал. Только народные умельцы и их окружение».

Это сообщение отредактировал aleks49 — 12.01.2017 — 21:47

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.

Инвертирующий усилитель на ОУ

Бестрансформаторные УНЧ

Усилитель НЧ на транзисторе, выполненный с использованием трансформатора, невзирая на то, что конструкция может иметь малые габариты, все равно несовершенен. Трансформаторы все равно тяжелые и громоздкие, поэтому лучше от них избавиться. Намного эффективнее оказывается схема, выполненная на комплементарных полупроводниковых элементах с различными типами проводимости. Большая часть современных УНЧ выполняется именно по таким схемам и работают в классе «В».

Два мощных транзистора, используемых в конструкции, работают по схеме эмиттерного повторителя (общий коллектор). При этом напряжение входа передается на выход без потерь и усиления. Если на входе нет сигнала, то транзисторы на грани включения, но все равно еще отключены. При подаче гармонического сигнала на вход происходит открывание положительной полуволной первого транзистора, а второй в это время находится в режиме отсечки.

простой усилитель на транзисторах

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.

Интегральная микросхема

Принципиальная схема.

Вы не поверите, но оригинальная схема, которая была опубликована в далёком 1969 году, до сих пор остаётся актуальной:

Усилитель мощности звука класса А JLH

Разве что, выходные транзисторы типа MJ480 / 481 морально устарели и их стало сложно найти. Они без проблем могут быть заменены на более современные и надёжные 2N3055.

Как отмечалось ранее, для минимизации искажений усилителя коэффициент передачи тока база транзистора TR1 должен быть равен или выше, чем у транзистора TR2. Очень хорошим решением оказалось использование в выходном каскаде составных транзисторов Дарлингтона типа MJ3001 в качестве Tr1. На частоте 1 кГц, это снижает уровень искажений на мощности близкой к ограничению с 0,1% до 0,01%. При этом, как и прежде, в спектре доминирует вторая гармоника. При снижении выходной мощности уровень искажений падает. Собственные искажения и шумы измерительного оборудования не позволили точно измерить их уровень.

Хотя красивые цифры — это хорошо, тем не менее, я провел тестовые прослушивания этих вариантов и лампового усилителя Williamson. Справедливости ради я вынужден рекомендовать к использованию всё же транзисторы типа 2N3055 в качестве TR1 и TR2.

Кстати, во многих Интернет-магазинах и аукционах сейчас предлагают готовые конструкции и наборы для сборки именно классической версии усилителя JLH.

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).

Рейтинг
( 2 оценки, среднее 4.5 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: