Линейный усилитель

Следующим звеном, после входного каскада, следует линейный усилитель. Качество его работы оказывает влияние на функционирование всего устройства и при неудачном схемном решении можно всё «легко и непринужденно» испортить. Эта часть усилителя охватывается общей обратной связью и искажения, возникающие в нём, компенсируются. Вот только не стоит возлагать на последнее повышенные ожидания – единожды возникнув, искажения уже никогда не исчезнут. Существует множество схемных решений подобного узла, поэтому вынести какую-то одну общую рекомендацию затруднительно. Просто перейдем к третьей части.

Выходной каскад

Выходной каскад оканчивает усилитель, поэтому он должен обеспечивать хорошее согласование с нагрузкой. Это означает работу с большими напряжениями и токами, причем нагрузка обладает довольно большой реактивной составляющей, как по электрическим, так и по механическим характеристикам. Кроме того, геометрические размеры усилителя и тепловая мощность, рассеиваемая на радиаторах, ограничивает его максимальную мощность. Всё это накладывает весьма жесткие требования к возможным схемным решениям, а потому наиболее распространен двухтактный выходной каскад класса АВ.

Идея работы каскада заключается в разделении положительной и отрицательной полуволн на два плеча и формирование тока от положительного или отрицательного источника питания в соответствующие моменты времени. Это хорошо работает с большой амплитудой сигнала, но если уровень уменьшается, то всё более значимым становится момент перехода через нуль – именно тогда происходит переключение выходных транзисторов. Для уменьшения вносимых искажений, в усилителе устанавливается некоторый минимальный ток покоя выходного каскада, что обеспечивает одновременную работу плеч (положительной и отрицательной полуволн) для небольшого уровня сигнала.

То есть, фактически вводится небольшой режим А, отсюда и появилась эта буква в названии класса AB. Увы, делать очень уж большой ток покоя нельзя, страдает эффективность усилителя – фактически, эта мощность будет тратиться всегда, есть ли сигнал или нет. При увеличении амплитуды сигнала наступает момент, когда ток покоя исчерпывается, и могут последовать коммутационные искажения.

Для обхода этого дефекта можно задать небольшой фоновый ток через неиспользуемый транзистор, что линеаризует рабочую точку (важно для низкого уровня гармоник высокого уровня) и обеспечит рассасывание заряда (устраняет дефект коммутации для высокочастотного сигнала). Или можно пойти дальше, использовать режим ЭА – ‘экономичный А ’ (Non switching , Super A). В этом случае ток транзистора неиспользуемого плеча будет плавно уменьшаться по мере увеличения выходного напряжения противоположной полярности.

Для моделирования классов AB и ЭА следующая схема:

Подробнее можно ознакомиться с моделью и выполнить анализ можно над файлом проекта .

Посмотрим ток выходного каскада. На всех картинках верхний рисунок относится к классу AB, нижний ЭА. Данные снимались для случая:

• AB – ток покоя уменьшался от 250 мА до 80 мА.
• ЭА – ток покоя оставался неизменным, 150 мА, менялась агрессивность управления током неактивного плеча – от наиболее активного до полного отключения управления током транзистора.

Возьмем два случая – амплитуда сигнала 1 вольт (слева) и 10 вольт (справа):

При низком уровне сигнала класс AB работает в режиме A и потому не вносит каких-либо видимых искажений. У класса ЭА с этим несколько сложнее, потенциально присутствуют четные гармоники из-за очевидной несимметрии тока. Но это только «потенциально», избыточный ток протекает через транзистор противоположного канала и не попадает в нагрузку. Проще говоря, через источники питания течет ток с относительно небольшим уровнем гармоник, что не приводит к негативным последствиям.

При увеличении уровня сигнала класс AB фактически отключает неактивное плечо, а ЭА продолжает пытаться им управлять. Взглянем подробнее на место переключения:

Фактически, в классе ЭА оба плеча одновременно формируют выходное напряжение. Теперь обратимся к спектру гармоник. В данном тесте частота сигнала будет снижена до 100 Гц, что обеспечит большее количество гармоник в слышимом диапазоне, напряжение 10 вольт.

Для класса AB характер спектра гармоник мало зависит от величины тока покоя, а у ЭА лучшие результаты достигаются при средней степени агрессивности управления током. Скорее всего, неудачность красного и зеленого графика следует из идеологии управления током транзистора – на момент перехода транзистора из рабочего состояния в нерабочее его ток меняется довольно резко, что порождает больше гармоник, чем устраняется компенсацией управления током в противоположном плече.

В схемотехнике усилителей звуковой частоты на радиолампах применяется либо класс А, либо класс AB, который в пристальном рассмотрении оказывается классом ЭА с низким или отсутствующим током управления (фиолетовый и серый график). Если сравнить с классом AB, реализуемым в большинстве усилителей на транзисторах (и, конечно же, в интегральном исполнении), то спектр его помех интенсивнее и шире.

Выходное сопротивление усилителя

Обычный усилитель обладает крайне низким выходным сопротивлением, обусловленным эффективной работой общей отрицательной обратной связи. Как-то сложилось, что данное решение считается правильным и под него проектируют фильтры акустических систем и динамические головки. Но действительно ли это хорошо? Рассмотрим два дефекта, свойственных акустическим системам – потери и искажения в проводах, соединяющих усилитель и динамики, а также искажения в самих динамических головках при перемещении диффузора.

Довольно давно обнаружен эффект изменения сопротивления медного проводника при воздействии током разной силы и частоты, так называемый «полупроводниковый эффект». Величина изменения незначительна и никак не проявляет себя в обычных областях применения – передача электроэнергии, блоки питания, но приводит к искажениям при использовании его для передачи сильноточного звукового сигнала от усилителя к акустическим системам. Для обхода этой проблемы выпускают проводники из меди со специальной технологией изготовления, «бескислородная медь». Кроме того, соединители и разъемы тоже обладают свойством вносить искажения в передаваемый сигнал, ведь их сопротивление сочленения непостоянно во времени, хоть и мало по величине.

В тесте будут участвовать идеальные усилители с тремя типами выходного сопротивления:

• С крайне низким выходным сопротивлением.
• Выходное сопротивление усилителя в четыре раза больше сопротивления нагрузки.
• Усилитель работает в режиме "источник тока" и его выходное сопротивление крайне велико.

В симуляции будет использована следующая модель:

Для эмуляции искажений в нагрузку введен нелинейный элемент из низкоомного резистора и диода Шоттки. Можно было создать искажения линейной нагрузки любым другим способом, для теста это не существенно. В данной симуляции измеряются токи через нагрузки, а не напряжения. Это вызвано тем, что именно ток через катушку вызывает перемещение диффузора обычной динамической головки (и что совершенно не так для электростатических излучающих элементов).

Хотелось бы остановиться на цветной идентификации графиков:

• Зеленый – контрольный, идеальный случай. Во всех остальных вариантах в нагрузку внесен нелинейный элемент.
• Красный – обычный усилитель с крайне низким выходным сопротивлением.
• Черный – усилитель с выходным сопротивлением в четыре раза больше, чем сопротивление нагрузки.
• Синий – выходное сопротивление очень большое, усилитель работает в режиме источника тока.

Нет смысла приводить полученный сигнал, все осциллограммы практически совпадают. Гораздо интереснее посмотреть на спектр:

Вы видите здесь зеленый график? Я – нет, его полностью закрыл синий (режим источника тока). Это означает, что увеличение выходного сопротивления усилителя уменьшает вред от нелинейных элементов, которые присутствуют в соединительных элементах между усилителем и динамической головкой.

Теперь перейдем к другой проблеме – изменение индуктивности обмотки катушки динамика при перемещении в поле магнитного зазора. В тесте будут участвовать всё те же три усилителя, а эмуляцию нелинейной индуктивности выполним на дросселе с материалом 4C6 . Схема выглядит следующим образом:

Соображения по данной схеме полностью изложены в предыдущем тесте и специальных комментариев не требуется. Посмотрим на спектр:

Налицо явные интермодуляционные искажения. Как и в предыдущем тесте, по мере увеличения выходного сопротивления усилителя уменьшаются негативные последствия изменения свойств дросселя (то есть индуктивности катушки динамика).

Существует еще один нюанс, связанный с выходным сопротивлением усилителя – импеданс акустической системы непостоянен в рабочей полосе частот. В области низких частот вносятся резонансные эффекты от собственной механической системы динамика и фазоинвертора, для средних частот – разделительный фильтр оказывает влияние в областях раздела рабочих полос динамиков.

Кроме того, зачастую акустические системы проектируются под усилитель с низким выходным сопротивлением, а потому никто не заботится о сохранении постоянного импеданса акустической системы. Если одна из головок с повышенной чувствительностью, то последовательно с ней устанавливают дополнительный постоянный резистор, что увеличивает импеданс колонки в области рабочих частот этого динамика. Если такую колонку подключить к усилителю с повышенным выходным сопротивлением, то характер звучания станет другим.

Впрочем, тщательной отстройкой элементов фильтра это дефект можно устранить или в значительной степени уменьшить, но вот резонансные явления в низкочастотной части компенсировать нельзя. Поправка – можно, но крайне неприятно – придется ставить высокодобротный и тщательно настроенный LC контур параллельно низкочастотной динамической головке.

Естественно, в серийных конструкциях никто такого делать не будет, да и в любительской аппаратуре встречается крайне редко, поэтому подключение колонки к усилителю с высоким выходным сопротивлением неизбежно приведет к изменению характера звучания басов – возрастет уровень сигнала с частотой механического резонанса и увеличится время призвука. Этот эффект можно частично уменьшить акустическим демпфированием – помещением материала с пониженной акустической прозрачностью и вязкостью в окна с обратной стороны динамика.

От себя хочу добавить, что такой прием не слишком хорош, и у него есть возможные неприятные последствия, поэтому лучше менять тип выходного сопротивления усилителя в зависимости от частоты сигнала, чем «издеваться» над динамическими головками. В этом вопросе важно то, что переход на усилитель с токовым выходом меняет характер звучания и кому-то это может нравиться или не нравиться, но у него нет ничего общего с устранением искажений в акустической системе, озвученных в последних двух тестах.

Итак, речь идет о радиолампах, так при чем здесь выходное сопротивление? Увы, прямо следует из технологии. В усилителе выходное сопротивление достаточно велико и маленьким его делает общая обратная связь. Чем она мощнее, чем больший запас петлевого усиления, тем лучше компенсируются все искажения в усилителе… в том числе и выходное сопротивление. В усилителях на радиолампах глубина обратной связи мала, да и сами регулирующие элементы обладают значительным внутренним сопротивлением (радиолампы вообще, по своей природе, являются скорее источниками тока, чем сопротивлениями).

Как следствие, ламповые усилители обладают отнюдь не низким выходным сопротивлением, а потому – смотрите раздел – в некоторой степени компенсируют негативные элементы в акустической системе и соединении с усилителем. Что мешает такое же реализовать в «транзисторном» исполнении?...

Выводы

Знаете, эта история с развитием схемотехники очень напоминает эволюцию советского общественного транспорта. В «застойные» времена автобусы благодаря слабым моторам медленнее набирали скорость, на дорогу у меня уходило 25-40 минут. В постперестроечный период парк автомобилей сменился, повысилась мощность мотора и эффективность тормозной системы. Как следствие, на дорогу стало уходить от получаса до нескольких часов, но речь не о том. Увеличение мощности двигателя привело к тому, что отчаянно ощущаешь себя «дровами».

Понимание того, что водители этого вида транспорта являются профессионалами своего дела, плохо скрашивают ощущения старт-стопного режима в пробке. Быстрый разгон и малое время торможения – отличный способ двигаться в потоке, вот только о дровах забыли? Более мощная динамика автобуса позволяет быстрее доставить до места, но кому нужна экономия пяти процентов времени такой ценой?

Со схемотехникой усилителей схожая беда. Да, транзисторы эффективнее и лучше радиоламп. При конструировании аппаратуры можно получить сверхнизкий уровень гармоник и других характеристик усилителя (выходное сопротивление, скорость нарастания выходного сигнала, максимальная частота и прочие), но с какими последствиями? Дело не в количестве компонентов, SOT-23 или интегральные решения занимают мизерное место, по сравнению с одной единственной радиолампой. Проблема кроется в подходе – в борьбе за «красивые цифры» часто забывают о главном - качестве звучания.

Довольно показательно отношение разных фирм к схемотехнике усилителей – японские модели обладают лучшими техническими характеристиками, чем европейские разработки, но звучат хуже. Данное мнение было высказано авторитетным источником, но довольно давно, поэтому ссылки привести не могу. Впрочем, я с ним согласен, мои аргументы изложены в этой статье. Радиолампы – атавизм, которому пора уходить. Просто надо использовать нормальные схемные решения, учитывать всё нюансы и проблемы, а не гнаться за красивыми цифрами. Согласны вы с этим или нет, выбор за вами. Пожалуйста, сделайте его осмысленно.

Обычно вопросу согласования сопротивлений уделяют недостаточно внимания. Цель этого раздела состоит в том, чтобы описать в общих чертах принципы и практику согласования сопротивлений.

Входное сопротивление.У любого электрического устройства, для работы которого требуется сигнал, имеется входное сопротивление. Точно так же, как и любое другое сопротивление (в частности, сопротивление в цепях постоянного тока), входное сопротивление устройства есть мера тока, текущего по входной цепи, когда ко входу приложено определенное напряжение.

Например, входное сопротивление 12-вольтовой осветительной лампы, потребляющей 0,5 А, равно 12/0,5 = 24 Ом. Лампа является простым примером сопротивления, так как нам известно, что в ней нет ничего, кроме нити накаливания. С этой точки зрения входное сопротивление такой схемы, как усилитель на биполярном транзисторе, может казаться чем-то более сложным. На первый взгляд, наличие в схеме конденсаторов, резисторов и полупроводниковых p-n переходов делает определение входного сопротивления трудным. Однако любую входную цепь, какой бы сложной она не была, можно представить в виде простого импеданса, как это сделано на рис.2.18. Если UВХ - напряжение переменного входного сигнала, а IВХ - переменный ток, текущий по входной цепи, то входной импеданс равен ZВХ = UВХ/ IВХ[Ом].

У большинства схем входной импеданс имеет резистивный (омический) характер в широком диапазоне частот, в пределах которого сдвиг по фазе между входным напряжением и входным током пренебрежимо мал. В этом случае входная цепь выглядит так, как показано на рис. 2.19, справедлив закон Ома и нет необходимости в алгебре комплексных чисел и в векторных диаграммах, применяемых к цепям с реактивными элементами.

Рис.2.18. Схема с парой входных клемм, иллюстрирующая понятие входного импедансаZВХ

Важно отметить, однако, что из омического характера входного импеданса не обязательно следует возможность его измерения на постоянном токе; на пути входного сигнала могут находиться реактивные компоненты (например, разделительный конденсатор), которые несущественны в отношении переменного сигнала на средних частотах, но не позволяют проводить измерения во входной цели на постоянном токе. Исходя из сказанного, при дальнейшем рассмотрении будем считать, что импеданс носит чисто омический характер и Z=R.

Измерение входного сопротивления. Напряжение на входе легко измерить с помощью осциллографа или вольтметра переменного напряжения. Однако так же легко измерить переменный ток нельзя, в частности, в случае, когда входное сопротивление велико. Самый подходящий способ измерения входного сопротивления показан на рис.2.19.

Рис.2.19. Измерение входного сопротивления

Резистор с известным сопротивлением R включают между генератором и входом исследуемой схемы. Затем с помощью осциллографа или вольтметра переменного напряжения с высокоомным входом измеряются напряжения U1 и U2по обе стороны резистора R. Если IВХ - переменный входной ток, то, согласно закону Ома, на резисторе падает напряжение, равное U1 - U2 = RIВХ. Отсюда I ВХ = (U1 - U2)/R, R ВХ = U2 / R. Следовательно Если исследуемая схема является усилителем, то часто удобнее всего определять U1 и U2, выполняя измерения на выходе усилителя: U1измеряется при непосредственном подключении генератора ко входу, а U2 - при последовательном включении со входом резистора R. Поскольку в выражении для RВХ присутствует только отношение U1/U2, коэффициент усиления не играет никакой роли. Предполагается, что при выполнении этих измерений напряжение на выходе генератора остается неизменным. Вот очень простой пример: если включение последовательно со входом резистора с сопротивлением 10 кОм вызывает уменьшение напряжения на выходе усилителя наполовину, то U1 /U2 = 2 и RВХ = 10 кОм.

Выходное сопротивление. Пример, дающий представление о выходном сопротивлении, такой: свет фар автомобиля чуть тускнеет при работе стартера. Большой ток, потребляемый стартером, вызывает падение напряжения внутри аккумулятора, в результате чего напряжение на его клеммах уменьшается и свет фар становится менее ярким. Это падение напряжения происходит на выходном сопротивлении аккумулятора, возможно, более известном как внутреннее сопротивление или сопротивление источника.

Расширим это представление, распространив его на все выходные цепи, включая цепи постоянного и переменного тока, у которых всегда имеется определенное выходное сопротивление, соединенное с источником напряжения. В применимости такого простого описания даже к самым сложным схемам убеждает правило, говорящее о том, что любую цепь с сопротивлениями и источниками, имеющую две выходные клеммы, можно заменить на последовательно включенные одно сопротивление и один источник. Здесь под словом «источник» нужно понимать идеальный компонент, вырабатывающий напряжение и продолжающий поддерживать это напряжение неизменным даже тогда, когда от него потребляется ток. Описание выходной цепи показано на рис. 2.20, где RВЫХ - выходной импеданс, а U - выходное напряжение холостого хода, то есть напряжение на выходе разомкнутой цепи.

Рис.2.20. Эквивалентная схема выходной цепи

Обсуждая вопрос о входном и выходном сопротивлении, уместно обратить внимание на впервые появляющееся понятие: эквивалентная схема. Все схемы на рис. 2.18, 2.19 и 2.20 являются эквивалентными схемами. В них не обязательно отражены реальные компоненты и соединения в рассматриваемых устройствах; эти схемы являются удобным способом представления, который полезен для понимания того, как ведет себя то или иное устройство.

Рис. 2.20, показывает, что в случае, когда к выходным клеммам подключается резистор или входные клеммы другого устройства, часть напряжения источника U падает на внутреннем сопротивлении источника.

Измерение выходного сопротивления. Простой метод измерения выходного сопротивления следует из схемы на рис.2.20. Если выходные клеммы замкнуть накоротко, изменить текущий при этом ток короткого замыкания IКЗ и учесть, что он совпадает с током, текущим по сопротивлению RВЫХ в результате приложения к нему напряжения U, то получим: RВЫХ = U/IКЗ. Напряжение U, поставляемое в схему источником, измеряется на выходных клеммах в режиме «холостого хода», то есть при пренебрежимо малом выходном токе. Таким образом, выходное сопротивление легко можно получить как отношение напряжения холостого хода к току короткого замыкания.

Рассмотрев этот принципиальный метод определения выходного сопротивления, необходимо сказать, что на этом пути имеются препятствия, присущие измерению выходного тока короткого замыкания в большинстве случаев. Обычно при коротком замыкании нарушаются условия функционирования схемы и нельзя получить достоверные результаты; в отдельных случаях могут выйти из строя те или иные компоненты, не выдержав ненормально большую нагрузку. Простая иллюстрация неприменимости метода короткого замыкания: попробуйте измерить выходное сопротивление сети переменного тока! Несмотря на эти недостатки с практической точки зрения, использование этого метода оправдано при теоретическом выводе выходного сопротивления схемы и в дальнейшем он применяется в этой главе.

Практический способ измерения выходного сопротивления показан на рис.2.21. Здесь выходное напряжение холостого хода измеряется вольтметром или осциллографом с высокоомным входом, а затем выходные клеммы шунтируются нагрузкой с известным сопротивлением R. Уменьшенное выходное напряжение при подключенной нагрузке непосредственно определяется тем же измерительным прибором. Значение RВЫХ можно вычислить как отношение величины, на которую упало напряжение, к выходному току.

Рис.2.21. Измерение выходного сопротивления с использованием шунтирующего резистора

Если U - это выходное напряжение холостого хода, а U1- выходное напряжение на нагрузке R, то падение напряжения на RВЫХпри наличии нагрузки равно U- U1, выходной ток при наличии нагрузки равен U1/R, поэтому RВЫХ= R(U - U1) /U1 Согласование сопротивлений для оптимальной передачи напряжения. В большинстве электронных схем рассматриваются сигналы, являющиеся напряжениями. В большинстве случаев, когда подключается одна часть схемы к другой, необходимо в максимальной степени передать напряжение при минимуме потерь. В этом и состоит требование максимальной передачи напряжения, обычно выполняющееся при согласовании сопротивлений. Рассмотрим с учетом этого критерия принцип согласования сопротивлений.

На рис.2.22 показаны два блока, соединенные друг с другом: для оптимальной передачи напряжения нужно, чтобы UВХ было почти равно U, насколько это возможно. Напряжение UВХ равно: UВХ = URВХ / RВЫХ + RВХ и UВХ≈U, RВХ >> RВЫХ

Рис.2.22. Иллюстрация согласования сопротивлений между двумя устройствами

Другими словами, для возможно лучшей передачи напряжения от одной схемы к другой выходное сопротивление первой схемы должно быть много меньше, чем входное сопротивление второй схемы; как правило, нужно, чтобы RВХ> 10RВЫХ. Именно по этой причине применяемые для тестирования приборы, такие как генератор, проектируются с малым выходным сопротивлением (типичное значение < 100 Ом). С другой стороны, осциллограф, предназначенный для наблюдения напряжений в испытываемой схеме, делается с большим входным сопротивлением (типичное значение > 1 МОм).

Рис.2.23. Зависимость выходного напряжения схемы от сопротивления нагрузки

Если условия оптимального согласования сопротивлений не соблюдаются и сигнал поступает на вход схемы с входным сопротивлением, сравнимым с выходным сопротивлением источника, то в самом общем случае будут происходить просто потери напряжения. Такая ситуация возникает, когда два усилительных каскада на биполярных транзисторах, подобные изображенному на рис. 11.5, соединены один вслед за другим (каскадно). Как входное, так и выходное сопротивление у такого каскада на биполярном транзисторе одного порядка (обычно несколько тысяч Ом), и это значит, что около 50% напряжения сигнала теряется на связи между каскадами. С другой стороны, усилитель на полевом транзисторе (рис.11.13) много лучше с точки зрения согласования сопротивлений: у него очень большое входное сопротивление и среднее по величине выходное сопротивление; при соединении таких каскадов один за другим потери сигнала ничтожно малы.

Имеются один или два случая, когда согласование сопротивлений нуждается в особом внимании, так как слишком малое сопротивление нагрузки влияет не только на коэффициент усиления напряжения, но также и на частотную характеристику. Это происходит, когда выходной импеданс источника не является чисто резистивным, а наоборот, представляет собой реактивное сопротивление, и поэтому частотная характеристика изменяется. Простым примером служит конденсаторный микрофон, у которого выходной импеданс выражается не в омах, а в пикофарадах, с типичным значением в районе 50 пФ. Для хорошего воспроизведения низких частот нужно, чтобы входное сопротивление усилителя было большим по сравнению с реактивным сопротивлением емкости 50 пФ на частотах вплоть до 20 Гц. Практически для этого требуется, чтобы входное сопротивление было порядка 200 МОм, что обычно обеспечивается усилителем на полевом транзисторе, смонтированным в корпусе микрофона.

Согласование сопротивлений для оптимальной передачи мощности. Хотя, как правило, критерием при согласовании сопротивлений служит максимальный перенос напряжения, бывают случаи, когда требуется передать максимум мощности. Не приводя математических расчетов, сообщим, что для схемы 2.22 максимум мощности в RВХдостигается при RВХ = RВЫХ. Этот результат известен как теорема о максимальной мощности: максимум мощности передается от источника в нагрузку, когда сопротивление нагрузки равно выходному сопротивление источника. Эта теорема справедлива не только для резистивных компонентов, но и для комплексных компонентов ZВХ и ZВЫХ. В этом случае требуется, чтобы помимо условия RВХ = RВЫХ, выполнялось также условие XВХ = -XВЫХ, то есть при емкостном характере одного импеданса другой импеданс должен иметь индуктивный характер.

Согласование сопротивлений для оптимальной передачи тока. Иногда требуется согласование сопротивлений, обеспечивающее максимальный ток во входной цепи. Обращаясь снова к рис. 2.22, можно увидеть, что максимум входного тока IВХ достигается в том случае, когда полное сопротивление в цепи выбирается возможно меньшим. Поэтому, при фиксированном RВЫХ следует стремиться к возможно меньшему значению RВХ. Эта довольно нестандартная ситуация прямо противоположна обычному случаю, когда требуется передавать напряжение.

Прежде чем проверять динамики, колонки или наушники, убедитесь в том, что ваш усилитель (или стационарный, или встроенный в активные колонки, или звуковой карты компьютера) имеет достаточно хорошие технические характеристики (параметры). Т.е. насколько прямолинейна и широка его АЧХ , может ли он выдавать все частоты с одинаковым уровнем, без завала по низким частотам (чем часто грешат усилители низкого качества).

Заодно можно определить, развивает ли он заявленную изготовителем максимальную мощность (Pmax) и какое выходное сопротивление (Rвых) имеет.

Методика проверки амплитудно-частотной характеристики

Для измерения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ ) в один из каналов (левый или правый) вместо колонки в качестве нагрузки усилителя проводниками подключите, сопротивлением 5-10ом. Парал­лельно резистору подключите вольтметр пере­менного тока (цифровой в данном случае удобнее стрелочного), и, подав с компьютера сигнал генератора звуковых частот ( 22Кб.) на частоте 1000 герц регулятором громкости установите выходное напряжение, например 1вольт (1000 милли­вольт), далее, не меняя уровень сигнала, уменьшайте частоту генератора (в диапа­зоне 1000-100 герц кнопкой "-100", в диапазоне 100-20 герц кнопкой "-10") начиная от 1000гц. и до 20гц. включительно (при этом регуляторы тембра на усилителе должны стоять в среднем положении или отключены, т.е. его АЧХ должна быть прямолинейна (горизон­тальна).

Напряжение на выходе усилителя НЕ ДОЛЖНО меняться более чем на ±2 децибела (или в 1,25 раза), но чем меньше, тем лучше (в нашем случае, оно должно находиться в пределах между 0,8-1,25 вольт, или 800-1250 милли­вольт). Идеальный вариант - все частоты выдаются с одинаковым уровнем.

Ну а если завал напряжения по низким частотам составит 2 и более раз, что соответ­ствует 6 децибел и более (т.е. напряжение опустится до 0,5 вольт и менее), то ваши колонки никогда не смогут звучать во всей своей красе. К тому же, при нелинейной характеристике усилителя вы не сможете точно определить резонансную частоту динамиков. Пример такой нелинейной АЧХ показан на рисунке слева (см. синюю кривую).

Точно также проверяется и второй канал усилителя. В случае значительного спада сигнала на низких частотах желательно поменять усилитель на более качественный.

Измерение выходного сопротивления усилителя

От величины выходного сопротивления зависят коэффициент демпфирования и интер­модуляционные искажения, также оно напрямую влияет на общую добротность системы. Выходное сопротивление усилителя мощности должно находиться в пределах 1/10-1/1000 от сопротивления нагрузки и у современных усилителей имеет величину порядка 0,01-0,1 Ом.

Для его измерения в качестве нагрузки усилителя проводниками подключите, сопротивлением 4 или 8ом соответствующей мощности. Параллельно выходу усилителя подключите вольтметр переменного тока (цифровой в данном случае удобнее стрелочного), и, подав с компьютера сигнал генератора звуковых частот ( 22Кб.) на частоте 1000 герц регулятором громкости установите выходное напряжение в пределах от 1 до 5 вольт.

Вначале нужно замерить выходное напряжение усилителя на холостом ходу (без нагрузки). Потом проделать то же самое, нагрузив его на резистор. Все величины, включая Rнагр, нужно измерять как можно точнее. Выходное сопротивление вычисляется по формуле
Rвых=[(Uхх/Uнагр)-1]×Rнагр или
Rвых=[(Uхх-Uнагр)/Uнагр]×Rнагр. пример: [(5-4,9)/4,9]×8=0,163ом.

Таким образом можно определить выходное сопротивление и на втором канале, и на любой частоте.

Измерение максимальной мощности

Некоторые пользователи хотят знать, какую мощность реально выдают их усилители в нагрузку, не доверяя характеристикам, заявленным производителями. Это можно сделать, но вам понадобятся:

1. мощный нагрузочный резистор
2. генератор звуковых частот
3. вольтметр переменного напряжения
4. осциллограф.

Самое сложное, это купить или самостоятельно изготовить мощный нагрузочный резистор и найти осциллограф. В крайнем случае, в качестве осциллографа можно использовать компьютер или ноутбук с программой "Виртуальный осциллограф" из (объём 0,3 Мб.). Подробное описание его работы и схема адаптера (делитель напряжения для согласования входа звуковой карты компьютера с источником исследуемого напряжения) имеются в справке программы. Резистор можно изготовить из спирали древнего утюга, электрической плитки или тепловентилятора.

В один из каналов (левый или правый) вместо колонки в качестве нагрузки усилителя проводниками подключите, сопротивлением, соответствующим расчётному сопротивлению нагрузки вашего усилителя. Оно указывается в инструкции на аппаратуру и обычно составляет 8 или 4ом. Мощность резистора должна быть достаточной, чтобы он не сгорел во время работы, т.е. не меньше предполагаемой выходной мощности усилителя (если усилитель заявлен на 100 ватт на канал, мощность резистора должна быть 100 ватт и больше).

Параллельно резистору подключите вольтметр переменного тока (лучше стрелочный, он показывает действующее значение напряжения), а также осциллограф и, подав с компьютера сигнал генератора звуковых частот ( 22Кб.) на частоте 1000 герц регулятором громкости установите выходное напряжение, например 1 вольт (1000 милли­вольт). Наблюдайте форму сигнала на осциллографе, далее, не меняя частоту, увеличивайте амплитуду сигнала.

Синусоида будет увеличиваться по высоте, не искажая свою форму, но в какой-то момент произойдёт её клиппирование, она как бы упрётся в "потолок и пол", вместо закруглённой, её верхняя и/или нижняя части станут горизонтальными, как на рисунке справа, т.е. начнётся ограничение сигнала по амплитуде. Уменьшите амплитуду таким образом, чтобы сигнал был на грани клиппирования (ещё сохранял закругленную форму). Напряже­ние, показанное в этот момент на вольтметре, равно Umax. По формуле P=U²/R рассчитайте максимальную мощность усилителя.

Например, Umax=21v. R=4om. Pmax=21²/4=110ватт. Если R=8ом, то Рmax=55ватт.

Таким же способом можно проверить максимальную выходную мощность на нижней частоте АЧХ усилителя (20 герц.), или на нижней частоте частотного диапазона, указанного для ваших колонок, например 40, 45 или 50 герц. Ограничение синусоиды по амплитуде в идеале должно происходить строго симметрично, на обоих полуволнах сигнала.

Аналогично замерьте мощность во втором канале усилителя.

Нравится

ВЫЙТИ в оглавление

Copyright © Полубоярцев А.В.

На рисунке изображена схема двухтактного усилителя звуковой частоты, в котором каждый полупериод сигнала усиливается отдельным каскадом и выходной сигнал суммируется на нагрузке. Так как выходы транзисторов не соединяются по постоянному току, то искажения типа "ступенька" (Crossover distortion), относящиеся к моментам перехода сигнала через нуль практически устранены. Недостаток такого усилителя - высокие требования к выходным конденсаторам С2 и С3, ёмкости которых должны быть равны, иначе форма выходного сигнала будет несимметричной.

Резистор R1 эмулирует выходное сопротивление источника сигнала, дело в том что измерять выходное сопротивление необходимо при том сопротивлении источника, при котором схема и будет эксплуатироваться. Точно так же и при измерении входного сопротивления схему необходимо нагрузить сопротивлением рабочей нагрузки.

В этой схеме используются биполярные транзисторы типа КТ503А и КТ502А, модели которых не входят в стандартную поставку программы LTSpice. Модели этих транзисторов можно скачать . Что бы транзисторы КТ503А и КТ502А были доступны в LTSpice, необходимо добавить их модели в текстовый файл с со стандартными моделями транзисторов, находящийся в той директории, куда установлен LTspice, например:
c:\LTspiceIV\lib\cmp\standard.bjt
Естественно, все манипуляции с файлами программы необходимо проводить когда программа не запущена. Как добавлять компоненты на схему было описано ранее .

Теперь для того, что бы добавить необходимый транзистор, нажимаем клавишу F2 , и в появившемся меню следует выбрать npn , и установить значок транзистора на схему:

И закрыть все окна (кнопка ОК ).

Кроме транзисторов понадобятся ещё источники тока и напряжения (клавиша F2 --> корневой каталог - и далее выбрать voltage или current ):

Поместить выбранный символ на схему, нажать правую кнопку мыши и в появившемся окне выбрать Advanced :

И в появившемся окне ввести амплитуду переменного сигнала (AC Amplitude ), равную единице:

Точно так же поступить и с источником тока, только амплитуду переменного сигнала AC Amplitude следует выбрать близкой к бесконечности, что бы параметры источника не влияли на расчёт:

На схеме значение резистора R1 указано в фигурных скобках - {R} . Это сделано для того, что бы сопротивление этого резистора можно было автоматически изменять. Для этого необходимо на схему поместить две Spice директивы (нажав клавишу S )
.param R=100
и
:

Убедитесь, что переключатель SPICE directive включён.

Теперь нужно ввести параметры расчёта. В меню Simulate --> Edit Simulation Cmd следует выбрать AC Analysis (анализ малосигнальных частотных характеристик схемы) и ввести вот такие параметры моделирования:

Параметры .ac oct 100 100 100k указывают на то, что расчёт будет идти начинаясь с частоты 100 Гц по 100 кГц, точность расчёта - 100 точек на октаву. Теперь можно запустить симуляцию.

В появившемся пустом окне с результатами расчётов нажать правую клавишу мыши и выбрать пункт Add Trace (или можно нажать комбинацию клавиш Ctrl+A ) и ввести выражение V(out)/I(I1) (т.е. напряжение в точке out делённое на ток источника I1 ):

Теперь в окне расчётов появятся результаты моделирования:

В правой части этого окна находится шкала фазовых характеристик, они нам не нужны, поэтому кликнув по этой шкале левой кнопкой мыши, вызовем окно настройки шкалы, в котором нажатием на кнопку Don"t plot phase фазовые характеристики будут удалены из расчёта:

Аналогично вызвав окно настройки левой части шкалы, указать в этом окне тип диаграммы - Боде (Bode ) и её вид - линейный (Linear ):

Окно с результатами расчётов примет такой вид:

Теперь шкала слева отображает выходное сопротивление усилителя при разных значениях входного сопротивления источника сигнала. Для того, что бы каждый раз не настраивать окно вывода результатов, то можно записать в файл параметры окна - когда окно будет находиться в фокусе, из меню File выбрать Save Plot Setting , настройки сохранятся в файле с расширением .plt . Имя этого файла по умолчанию соответствует имени файла симуляции, содержимое файла .plt примерно такое:

{ Npanes: 1 { traces: 1 {2,0,"V(out)/I(I1)"} X: ("K",0,100,0,100000) Y: (" ",1,4.9,0.7,12.6) Y: (" ",0,120,8,200) Log: 1 0 0 GridStyle: 1 PltMag: 1 } }

Та SPICE директива, что была задана ранее, .step param R LIST 1 10 100 1K ступенчато изменяет сопротивление резистора R1, в данном случае это 4 значения 1, 10, 100 Ом и 1 кОм. Поэтому в окне результата расчёта выводятся четыре кривые. Эту директиву можно заменить другой, например, директива .step param R 1 100 20 будет производить расчёт в диапазоне с 1 по 100 Ом с шагом 20.

Что бы узнать, какая кривая к какому шагу относится, нужно вызвать меню правой кнопкой мыши и нажать Select Steps , где выбрать один или несколько шагов, которые будут отображаться на графике:

Файл с вышеописанной схемой усилителя можно скачать .

Измерение входного сопротивления усилителя

Изменим немного схему, удалив из неё источник тока I1 и включив вместо него резистор R1 , а также добавим метку IN (клавиша F4 ):

В директиве .step param R LIST 100 1K 10K изменены параметры списка, теперь сопротивление R1 будет равно 100, 1000 и 1 кОм. Запустив вычисления и настроив окно вывода результатов точно также, как описывалось выше и используя выражение V(IN)/I(V2) , получим графики входных сопротивлений усилителя при разных сопротивлениях нагрузки:

Из результатов расчётов видно, что для сопротивления нагрузки 100 Ом входное сопротивление усилителя будет равно 6,06 кОм, для 1 кОм - 13,36 кОм, и для 10 кОм - 15,22 кОм.

Содержимое .plt файла будет примерно таким:

{ Npanes: 1 { traces: 1 {2,0,"V(IN)/I(V2)"} X: ("K",0,100,0,100000) Y: ("K",1,5400,900,15300) Y: (" ",1,172.9,0.7,181.3) Log: 1 0 0 GridStyle: 1 PltMag: 1 } }

Файл с изменённой схемой можно скачать .

Проверим полученный результат. Для этого добавим метку Vac и нагрузим усилитель на сопротивление 100 Ом, зададим резистору R1 величину сопротивления, полученного из предыдущего расчёта (6,06 кОм):

А так же изменим параметры источника сигнала V2 , установив амплитуду синусоидального сигнала 1 В и частоту 1 кГц:

Изменим режим моделирования на Transient (анализа переходных процессов) с параметрами .tran 0 0.1 0.095 0.0001 :

И в окне расчётов получим синусоиды напряжений на источнике сигнала и на входе усилителя, установив щупы на метки Vac и IN :

Как видно из графиков, амплитуда сигнала на входе усилителя IN в два раза меньше, чем амплитуда источника сигнала Vac , следовательно, входное сопротивление усилителя равно сопротивлению резистора R1.

Последнюю схему можно скачать

6.3. Монтаж и исследование апериодического усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе

В усилителях на бипо лярных транзисторах используется три схемы подключения транзистора: с общей базой, с общим эмиттером, с общим коллектором. Наибольшее распространение получила схема включения с общим эмиттером.

Напомним, что входные цепи чувствительного усилителя низкой частоты обязательно выполняются экранированным проводом.

Для исследования работы усилителя по схеме рисунка 6.6 можно собрать усилитель, используя приведенную на рисунке 6.8 монтажную плату.

При монтаже усилителя необходимо в обязательном порядке соблюдать полярность подключения электролитических конденсаторов. На монтажной схеме показана полярность подключения только одного электролитического конденсатора. Полярность подключения двух других конденсаторов определяется по принципиальной схеме усилителя. Так как на выходе генератора синусоид альных колебаний, который будут использоваться для проверки изготовленного усилителя, нет постоянной составляющей напряжения, то полярность конденсаторов при использовании транзисторов n-р-n типа должна быть такой, как показано на рисунке 6.6, а для транзистора р-n-р типа - на рисунке 6.7.

Так как электролитические конденсаторы обладают индуктивным сопротивлением, то в высококачественных усилителях низкой частоты параллельно электролитическим конденсаторам ставят керамические конденсаторы небольшой емкости.

Измерение чувствительности и номинальной выходной

мощности усилителя низкой частоты

Предварительно задают необходимое значение коэффициента гармоник на выходе усилителя. Регулятор громкости усилителя устанавливают в положение максимальной громкости, а регуляторы тембра в среднее положение. Включают в сеть все измерительные приборы и подают питающее напряжение на усилитель. Со звукового генератора через делитель напряжения на резисторах R 1 , R 2 на вход усилителя подают синусоидальное напряжение частотой 1000 Гц. Постепенно увеличивают синусоидальное напряжение на входе усилителя и одновременно измеряют коэффициент гармоник сигнала на выходе усилителя. Как только коэффициент гармоник достигнет заданного значения, измеряют напряжение на выходе усилителя U Н.ВЫХ и определяют напряжение на входе усилителя U Н.ВХ. Если отсутствует чувствительный электронный вольтметр, то напряжение на входе усилителя определяют после измерения электронным вольтметром 1 напряжения U 1 на входе делителя напряжения (на резисторах R 1 и R 2 - рис. 6.9 ).

(6.1)

При небольшой чувствительности усилителя можно обойтись без делителя напряжения, так как мешающие напряжения, возникающие при подключении к входной цепи усилителя измерительных проводов, не окажут существенного влияния на результаты измерений.

Входное напряжение U н.вх характеризует чувствительность усилителя при заданном коэффициенте гармоник на выходе усилителя. Номинальную выходную мощность на нагрузке R н определяют по формуле:

(6.2)

Коэффициент гармоник 5-8 % можно примерно определить с помощью осциллографа. При таком коэффициенте гармоник заметно искажение синусоиды на экране осциллографа. Искажение синусоиды обнаружить проще, если воспользоваться двухлучевым осциллографом и сигнал на выходе усилителя сравнивать с сигналом на входе.

Таким образом, измерить чувствительность и определить номинальную выходную мощность усилителя низкой частоты при коэффициенте гармоник сигнала на выходе усилителя 5-8 % можно приблизительно без измерителя коэффициента гармоник. Максимальную выходную мощность усилителя определяют при коэффициенте гармоник 10 %.

Измерение входного сопротивления усилителя

Входное сопротивление усилителя низкой частоты обычно измеряют на частоте 1000 Гц. Если входное сопротивление усилителя R вх значительно меньше внутреннего сопротивления используемого вольтметра, то для определения входного сопротивления усилителя последовательно с его входом включают резистор, сопротивление которого примерно равно входному сопротивлению усилителя. Два электронных вольтметра подключают так, как показано на рисунке 6.10 , где R вх - входное сопротивление усилителя. Определение входного сопротивления усилителя сводится к решению следующей задачи: известны напряжения U 1 и U 2 , показываемые вольтметрами V 1 и V 2 , сопротивление резистора R; требуется определить R вх. Так как внутреннее сопротивление вольтметра V 2 значительно больше входного сопротивления усилителя, то:

(6.3)

Если входное сопротивление усилителя окажется соизмеримым с внутренним сопротивлением вольтметра, то определять R вх таким образом нельзя.

В этом случае для определения входного сопротивления усилителя собирают приборы по схеме рисунка 6.9 , но только без измерителя коэффициента гармоник. На вход усилителя подают синусоидальное напряжение частотой 1000 Гц, не превышающее по величине номинальное входное напряжение. Измеряют входное U вх1 и выходное U вых1 напряжения усилителя и определяют коэффициент усиления напряжения К = U вых1 /U вх1 . Затем последовательно со входом усилителя включают резистор R и, не изменяя напряжения на выходе звукового генератора, измеряют напряжение на выходе усилителя U вых2 . Напряжение на выходе усилителя уменьшилось, так как при включении резистора R последовательно со входом усилителя часть напряжения с выхода генератора падает на резисторе R, а часть - на входном сопротивлении R вх. На основании законов последовательного соединения можно записать:

U вх1 = U R + U R вх (6.4)

(6.5)

Выразим U Rвх и U вх1 через напряжения на выходе усилителя

(6.6) (6.7)

Подставив (6.6) и (6.7) в (6.5) получим:

(6.8)

Из (6.8) получим выражение для входного сопротивления усилителя:

(6.9)

Для повышения точности определения R вх необходимо, чтобы сопротивление резистора R было одного порядка с входным сопротивлением усилителя R вх.

Измерение выходного сопротивления усилителя

Выходное сопротивление усилителя определяют из закона Ома для полной цепи

(6.10)

где R н - сопротивление нагрузки, R вн - внутреннее (выходное) сопротивление источника. Учитывая, что напряжение на зажимах источника U = I × R н из (6.10) получим

U = e - I × R вн (6.11)

Отключим R н, тогда ток I будет очень маленьким, следовательно, напряжение на зажимах источника U будет равно электродвижущей силе e . Подключим R н. Тогда падение напряжения внутри источника (e - U Rн) будет относиться к падению напряжения на нагрузке U Rн как внутреннее сопротивление источника относится к сопротивлению нагрузки

(6.12) (6.13)

Для более точного определения внутреннего (выходного) сопротивления усилителя необходимо взять сопротивление R н одного порядка с внутренним.

Выходное сопротивление усилителя измеряют обычно на частоте 1000 Гц. От звукового генератора на вход усилителя подают синусоидальное напряжение 1000 Гц такое, чтобы при отключенной нагрузке коэффициент гармоник сигнала на выходе усилителя не превышал заданного для данного усилителя значения.

Для определения выходного сопротивления R вых измеряют выходное напряжение усилителя дважды. При отключенной нагрузке выходное напряжение будет равно ЭДС, а при подключенной - U Rн.

Выходное сопротивление усилителя определяют по формуле

(6.14)

Построение амплитудной характеристики

Важную информацию о качестве усилителя можно получить из амплитудной характеристики. Для снятия амплитудной характеристики собирают приборы по схеме рис. 6.9 , исключив измеритель гармоник. Со звукового генератора на вход усилителя подают синусоидальное напряжение частотой 1000 Гц такое, чтобы стало заметным отличие сигнала на выходе усилителя от синусоидального. Полученное значение входного напряжения увеличивают примерно в 1,5 раза и измеряют выходное напряжение усилителя электронным вольтметром. Полученные значения входного и выходного напряжения усилителя дадут одну из точек (крайнюю) амплитудной характеристики усилителя. Затем, уменьшая входное напряжение, снимают зависимость выходного напряжения от входного. Из амплитудной характеристики усилителя легко определяется коэффициент усиления по напряжению К=U вых /U вх. Входное и выходное напряжения усилителя для определения коэффициента усиления необходимо выбирать на линейном участке амплитудной характеристики. В этом случае коэффициент усиления усилителя не будет зависеть от входного напряжения.

Измерение уровня собственных шумов усилителя

Для определения уровня собственных шумов усилителя измеряют выходное напряжение усилителя, подключив к входу усилителя резистор, сопротивление которого равно входному сопротивлению усилителя. Уровень собственных шумов усилителя выражают в децибелах – формула (5.6). Для уменьшения влияния наводок от внешних электромагнитных полей входные цепи усилителя тщательно экранируют.

Определение коэффициента полезного действия усилителя

Коэффициент полезного действия усилителя определяют при подаче на вход синусоидального напряжения частотой 1000 Гц соответствующего номинальной выходной мощности. Определяют номинальную выходную мощность по формуле (6.2)

Мощность, потребляемую усилителем от источников (источника), определяют по формуле P 0 =I × U , где I - ток, потребляемый от источника, U - напряжение на клеммах усилителя, предназначенных для подключения источника питания (схему подключения амперметра и вольтметра выбирают с учетом минимальной погрешности определения потребляемой усилителем мощности в зависимости от имеющихся в наличии амперметра и вольтметра).

Определение диапазона усиливаемых частот

Для определения диапазона усиливаемых частот и коэффициента частотных искажений строят частотную (амплитудно-частотную) характеристику.

Из определения амплитудно-частотной характеристики усилителя следует, что для ее построения на вход усилителя можно подавать любое напряжение, соответствующее линейному участку амплитудной характеристики. Однако при слишком маленьких входных напряжениях могут появиться погрешности, обусловленные шумами и фоном переменного тока. При больших входных напряжениях могут проявиться нелинейности элементов усилителя. Поэтому амплитудно-частотную характеристику обычно снимают при входном напряжении, соответствующем выходной мощности, равной 0,1 от номинальной.

Приборы для снятия амплитудно-частотной характеристики собирают по схеме рис. 6.9 , причем измеритель гармоник и осциллограф можно не подключать.

Диапазон усиливаемых частот определяется из амплитудно-частотной характеристики с учетом допустимых частотных искажений. Амплитудно-частотная характеристика усилителя - это зависимость коэффициента усиления по напряжению от частоты. Из рис. 5.5 видно, как определить диапазон усиливаемых усилителем частот (полоса пропускания) при уменьшении коэффициента усиления на граничных частотах до 0,7 от максимального, что соответствует коэффициенту частотных искажений 3 дБ.