Избранные главы из книги С. А. Гаврилова «Искусство схемотехники. Просто о сложном».
Продолжение
Начало читайте здесь:
Часть 1 – Транзисторы и их модели
Часть 2 – Стабилизация режима
Часть 3 – Вопросы из практики
Часть 4 – Что влияет на стабильность
Часть 5 – Самостабилизирующиеся схемы
Часть 6 - Стабилизация сигнальных параметров
Часть 7 - Измерительные схемы
Часть 8 - Диапазон уровней
Часть 9 - Вопросы из практики
| Заказать книгу можно в интернет-магазине издательства |  |
11.3. Усилители низкой частоты
Как работает усилитель низкой частоты
Требования к УНЧ. Прежде чем приступить к изготовлению усилителя низкой частоты (УНЧ), коснемся самым кратким образом основ его работы. Основную функцию УНЧ можно сформулировать одной фразой – усилить входной звуковой сигнал до мощности, необходимой для его воспроизведения акустической системой (АС), и при этом внести в сигнал минимальные искажения.
Для выполнения этой функции УНЧ должен:
- во-первых, иметь высокий коэффициент усиления по мощности:
- во-вторых, иметь максимально линейную передаточную характеристику, т. е. график зависимости величины сигнала на выходе усилителя от величины сигнала на его входе должен представлять собой абсолютно прямую линию, проходящую через точку (0,0) координатной плоскости.
|
|||||
Вдобавок ко всему, форма этих характеристик зависит еще и от частоты сигнала, подаваемого на вход, хотя на низких частотах эта зависимость редко приобретает катастрофические масштабы. Как же в таких условиях добиться качественной работы усилителей?
 |
|
| Рис. 11.16. | Передаточные характеристики: а – передаточная характеристика транзистора; б – подана постоянная составляющая |
Передаточные характеристики. Рассмотрим для примера передаточную характеристику транзистора (рис. 11.16, а). Она представляет собой замысловатую кривую, которую с массой оговорок можно назвать экспонентой.
На графике (рис. 11.16, а) легко можно увидеть, что верхняя часть кривой более-менее похожа на прямую линию (по крайней мере, по сравнению с нижней ее частью). Если бы нам удалось для усиления сигнала использовать только верхнюю часть кривой, то мы получили бы достаточно хорошее приближение к идеалу.
Сделать это довольно просто – надо подать на вход транзистора вместе с усиливаемым сигналом еще дополнительную постоянную составляющую, которая сместит усиливаемый сигнал в «почти прямую» область передаточной характеристики (рис. 11.16, б). Эта дополнительная составляющая так и называется – «смещение».
Режимы работы усилительных элементов. В зависимости от соотношения величины сигнала и величины смещения различаются несколько режимов работы усилительных элементов:
- режим А – величина смещения заведомо больше любого возможного сигнала на входе усилителя;
- режим В – величина смещения такова, что суммарный сигнал может заходить в область начального изгиба передаточной кривой, а порой даже и в левую часть графика, где транзистор вовсе не усиливает сигнал;
- режим С – смещение как таковое отсутствует совсем.
Конечно, самый лучший в плане приближения к идеалу – режим А, но за такое приближение приходится платить очень дорогую цену, ведь усилительный элемент усиливает не только полезный сигнал, но и поданное смещение. Усиление же связано с выделением теплоты – так уж устроила природа. КПД усилителей класса А (класс усилителя определяется режимом работы его выходных транзисторов) даже теоретически не может быть больше 50%, в реальности же он еще меньше.
Непременный атрибут усилителей класса А – гигантские радиаторы. Поэтому в чистом виде класс А в УНЧ применяется достаточно редко, обычно это все-таки некая разновидность класса В.
Главный недостаток класса В – то, что входной сигнал может временами оказываться в области, где усиления сигнала нет вовсе. Во что превратится в этом случае выходной сигнал, лучше даже не думать. Как решить эту проблему?
До ответа специалисты додумались много десятилетий назад – нужно, чтобы сигнал усиливал не один элемент, а два! Один – одну «половину» сигнала, другой – другую. Сделать это довольно просто – нужно подать входной сигнал на два транзистора разной проводимости (т. н. комплементарная пара) либо подать на два одинаковых транзистора два противофазных сигнала, а усиленные сигналы определенным образом сложить.
Передаточная характеристика такой «парочки» получается не совсем прямой, в области небольших сигналов у нее присутствует т. н. «ступенька», но ее в некоторой степени можно «задавить» смещением. Усилители, в которых для усиления сигнала используется пара усилительных элементов, называются двухтактными, в отличие от однотактных, в которых такой элемент один.
Класс С, несмотря на свою высокую экономичность, в УНЧ используется редко – слишком велики вносимые им искажения. Зато этот класс с успехом применяется в передатчиках. Ведь в силу специфики излучаемого передатчиком сигнала в передающей технике существуют эффективные способы устранения искажений, вносимых каскадом, работающим в классе С. При этом экономичность каскада при излучаемой передатчиком мощности в единицы, десятки или даже сотни киловатт становится слишком серьезным фактором, чтобы им пренебрегать.
Впрочем, инженерная мысль и здесь не дремлет – в культовом УНЧ «Quad-405» и его клонах разработчики путем оригинального технического решения заставили-таки выходные транзисторы работать в классе C, и получить при этом прекрасный звук!
|
|||||
Обратная связь. И здесь на помощь разработчикам УНЧ приходит техническое решение, широко применяющееся в устройствах автоматического регулирования – обратная связь (рис. 11.17). Идея обратной связи проста – усиливаемый сигнал подается не на вход усилительного элемента, а на вход специального блока сравнения.
 |
|
| Рис. 11.17. | Обратная связь |
На другой его вход через делитель напряжения R1, R2 подается сигнал с выхода усилительного элемента. Если оба сигнала одинаковы, на выходе устройства сравнения сигнала нет. Если же они отличаются, на выходе устройства сравнения появляется такой сигнал. Будучи поданным на усилительный элемент, он приведет выходной сигнал усилителя в точное соответствие его входному сигналу. Поэтому выходной сигнал усилителя всегда будет пропорционален входному, а коэффициент пропорциональности (читай – коэффициент усиления) будет определяться только соотношением величин резисторов делителя напряжения R2/R1. Эти резисторы по природе своей являются элементами с той самой линейной передаточной характеристикой, которую мы так стремимся получить.
|
|||||
Качество звука. Сказав «качество звука», мы поднимаем целый пласт вопросов, связанный с объективной оценкой качества усилителя: субъективные-то оценки давать проще простого – «не нравится» и точка! Для оценок качества звучания усилителя используются различные показатели. Например, коэффициент гармоник – рассчитанное по результатам измерений соотношение величины гармоник сигнала к основному тону (грубо говоря, сколько отсебятины вносит усилитель в исходный сигнал).
Понятно, что чем меньше вносимые усилителем искажения, тем лучшими, по большому счету, будут соответствующие коэффициенты. Нужно только не забывать, что вы, уважаемый радиолюбитель, делаете усилитель не для того, чтобы наслаждаться низким коэффициентом гармоник, а чтобы слушать музыку.
|
|||||
Итак, по необходимости краткий экскурс в область, касающуюся усилителей низкой частоты, закончен. Поскольку в качестве примеров мы с вами рассматривали транзисторы, первый вариант усилителей у нас и будет на транзисторах.
Из книги С. А. Гаврилов. «Искусство схемотехники. Просто о сложном»
Продолжение читайте здесь
