Учебное пособие: Характеристика усилителя низкой частоты
Усилители низкой частоты
Усилители низкой частоты (УНЧ) являются относительно простыми устройствами по своей структуре и вместе с тем весьма сложными для оценки. До сих пор не существует объективных параметров для их сравнения и пока непонятно, возможно ли это в принципе. Так, до сих пор не утихают споры между сторонниками и противниками ламповых усилителей. Но, поскольку усилители все же надо как-то оценивать, то давайте поближе познакомимся с их классификацией и общепринятыми параметрами, применяемыми для их оценки. Мы не будем затрагивать другие виды усилителей, кроме усилителей мощности низкой частоты переменного тока и именно их будем иметь в виду под аббревиатурой УНЧ, хотя многие параметры одинаковы для всех видов усилителей.
Абсолютно необходимо упомянуть о том, что мы будем рассматривать усилители, предназначенные для качественного воспроизведения звука, поэтому все оценки усилителей и их параметров, типа лучше-хуже, будут исходить именно из этого критерия. Идеалом является Hi-End, классический Hi-End в инженерном, а не аудиофильском понимании этого слова, развитие старого доброго Hi-Fi — высокая верность воспроизведения в терминах технических параметров и научных терминов, измеряемая и воспроизводимая.
Эти лекции полностью посвящены интегральным усилителям низкой частоты. Никто не знает, что будет завтра, но сегодня не существует таких интегральных УНЧ, которые могли бы по качеству воспроизведения сравниться с усилителями на дискретных элементах. Их достоинства — это низкая стоимость (в тысячи и десятки тысяч раз), малые габариты и простота использования. Есть и еще ряд достоинств, возникающих благодаря технологии производства. Такой идентичности параметров транзисторов дифференциальных пар как у тех, которые выращены на одном кристалле, на дискретных элементах добиться невозможно. Автоматический контроль за тепловыми и электрическими режимами важнейших силовых структур, находящимися на одном кристалле со всей остальной схемой — легко и просто. Все преимущества и весь опыт, накопленный в процессе производства операционных усилителей, к вашим услугам. Недостаток интегральных УНЧ — это, прежде всего, затрудненный отвод тепла и сложность работы с большими и малыми токами одновременно на одной подложке. Кроме того, при их разработке не ставится задача добиться чего-то эксклюзивного. Это, прежде всего дешевый массовый продукт, позволяющий легко, дешево и удобно получать прекрасные результаты.
Для того чтобы было легче понять, о чем идет речь, необходимо вспомнить ряд общих вопросов. Специалисты, безусловно, могут этого не читать, но большинству читателей хотелось бы освежить в памяти ряд вопросов, тем более, что современной литературы по данному вопросу на русском языке немного. Для начинающих эти вопросы, наверное, покажутся недостаточно полно освещенными, но ведь это и не учебник.
Основные параметры усилителей
Усилителем электрических сигналов называется устройство, которое за счет энергии источника питания обеспечивает увеличение амплитуды тока и/или напряжения на выходе, по сравнению с входным сигналом, не изменяя его формы. Наверное, это не самое лучшее определение, но для наших целей вполне пригодно (кстати, абсолютно корректных определений я не встречал). Уже из определения можно сделать ряд выводов. Часто говорят об усилителях напряжения, усилителях тока и усилителях мощности. В принципе это не совсем корректные выражения. Их можно употреблять, говоря о главой задаче данного усилителя или о конкретной нагрузке. Когда мы говорим об УНЧ, то всегда имеем ввиду усиление мощности В каких единицах измеряется усиление? На сегодняшний день общепринятым мировым стандартом являются децибелы (дБ). Впервые децибелы были введены в практику для обозначения отношения мощностей.
Это связано с тем, что громкость для человеческого уха воспринимается как прямое увеличение интенсивности акустического воздействия (т.е. выходной мощности усилителя), а как ее логарифм. Считалось, что децибел —это минимальная различимая человеком величина. Сегодня общепринятой нормой стало принимать за минимальную чувствительность уха величину 0,5 дБ. Из эгого и следует исходить, оценивая различные характеристики усилителей. Несколько позже децибел стал применяться и для обозначения просто отношения напряжений, хотя это и не совсем корректно, а потоми других величин. Из сказанного следует и такой вывод: усилитель, мощность которого в 10 раз больше, звучит громче всего в два раза. Это надо помнить при выборе выходной мощности усилителя.
Коэффициент усиления по напряжению для усилителей определяется при синусоидальном входном сигнале как отношение выходного напряжения к входному и, вообще говоря, является комплексной величиной, зависящей от частоты.
В технике под коэффициентом усиления понимается его модуль.
где Uo — выходное напряжение, aUiN — входное напряжение.
Измерения коэффициента усиления, как и всех остальных параметров усилителя или любого другого прибора, производятся при заранее оговоренных производителем условиях и не всегда эти условия одинаковы для разных производителей.
Коэффициент усиления по току определяется так же, как и по напряжению, но эта характеристика УНЧ применяется редко, так же как и коэффициент усиления по мощности, поэтому в дальнейшем, под коэффициентом усиления будем понимать именно коэффициент усиления по напряжению.
Коэффициент усиления (любой) не является величиной постоянной, а зависит от многих факторов. В частности он зависит от частоты входного сигнала. Зависимость коэффициента усиления от частоты является одной из важнейших характеристик усилителя и называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) или полосой пропускания (frequencyresponse).
Идеальный усилитель имеет абсолютно плоскую АЧХ, однако реальные усилители далеки от этого. Все усилители имеют спад АЧХ в области высоких частот по ряду причин, главной из которых являются ограниченные частотные свойства активных элементов: транзисторов, ламп и т.п. Многие усилители имеют спад в области низких частот, обусловленный влиянием разделительных емкостей. Следует заметить, что для УНЧ идеальной характеристикой является вовсе не прямая линия. Для них представляет интерес лишь диапазон от16 Гц до 20 кГц, т.е. диапазон звуковых колебаний, который слышит человеческое ухо. Лишние частотные области, в которых нет полезного сигнала, а присутствуют только шумы, как от внутренних, так и от внешних источников, только ухудшают работу усилителя, уменьшая его КПД, а высокочастотная область, в случае не слишком удачных схемных решений, даже представляет некоторую опасность для выходных каскадов и акустики при возникновении автогенерации. Однако в усилителях высокого класса некоторый запас по частоте необходим по ряду причин, как психоакустического, так и технического характера. Поэтому верхняя граница идеальной характеристики устанавливается в районе 25...50 кГц. Абсолютного стандарта здесь нет. Можно только сказать, что если характеристика конкретного прибора выходит за эти рамки, то ее искусственно ограничивают. В некоторых случаях эту область сужают гораздо больше, если выходное устройство принципиально не может воспроизводить весь частотный спектр, как, например, мегафон или телефон, или данная область содержит большое количество помех от внешних источников, как в автомобильной технике.
Выглядят АЧХ по-разному даже в пределах информации, предоставляемой одним разработчиком. Иногда это график зависимости коэффициента усиления от частоты, иногда — затухание выходного сигнала. Встречается и нормированные характеристики, когда по оси Y откладывается отношение выходного напряжения или коэффициента усиления к этой же величине, замеренной на средней частоте. Последнее время широкое распространение получил термин POWERBANDWIDTH (BW),to есть полоса пропускания по мощности. Самое главное при оценке этих характеристик помнить, что граница АЧХ определяется по уровню 0,5 от уровня на средних частотах, если это мощностная характеристика (т.е. по уровню —3 дБ) и по уровню 0,707 (или —6 дБ), если это напряжение. Поскольку у современных усилителей эти характеристики весьма равномерны, то чаще всего их графики даже не приводятся, а просто даются табличные данные о полосе пропускания или о граничных частотах, т.е. о тех частотах, на которых спад АЧХ достигает упомянутых выше величин. Так, различаются верхняя и нижняя граничные частоты (fн, fL).
Второй характеристикой комплексного коэффициента усиления является фазовый сдвиг (phaseshift), вносимый усилителем. Зависимость фазового сдвига от частоты сигнала называется фазочастотной характеристикой усилителя или просто фазовой характеристикой. Поскольку такая зависимость всегда имеет место, это означает, что различные спектральные составляющие проходят через усилитель за разное время, что приводит к искажению формы выходного сигнала. Фазовые характеристики никогда не приводятся ни для интегральных усилителей, ни для готовых изделий, т.к. их измерение чрезвычайно сложно и нет общих стандартов для проведения таких измерений. Кроме того, нет единого мнения о том, как фазовые искажения влияют на восприятие акустических сигналов, и потому нет единых требований. Все искажения формы сигнала, описываемые частотными и фазовыми характеристиками, являются линейными, т.е. могут быть описаны функциями вида
где А и В — постоянные величины. Это связано с тем, что они вызваны линейными реактивными элементами и соответственно не приводят к появлению новых составляющих в спектре сигнала, а только изменяют соотношение фаз и амплитуд существующих.
Выходная мощность усилителя является самым известным и популярным у потребителя параметром усилителя. Параметр казалось бы абсолютно однозначный и не допускающий различных толкований. Но это только на первый взгляд. Многие третьесортные производители в целях рекламы своей продукции приводят самые невероятные значения мощности, выраженные в абсолютно непонятных единицах и неизвестным способом замеренные. Примером служат разнообразные пиковые мощности PMPO (PeakMusicPowerOutput) наиболее часто встречающиеся на подделках китайского производства — единица, не имеющая под собой никакого физического смысла. Некоторые изделия-рекордсмены ухитрялись иметь, по свидетельству очевидцев, маркировку 480 W РМРО, тогда как реальная мощность едва переваливала за 5 Вт!
Выходная мощность (OutputPower, PO) усилителя, часто имеющая при себе некорректную приставку RMS (RootMeanSquare, т.е. среднеквадратическая) представляет собой произведение эффективных (тех самых RMS) значений выходного тока и напряжения. Напомню, что эффективным или действующим значением синусоидального напряжения
где Ua — амплитудное значение. Некорректность заключается в том, что, говоря о мощности, ничего другого, кроме произведения эффективных значений, никогда в виду не имеют, а если говорят о каких-то специальных вещах, то называют конкретный термин, например «импульсная мощность» или «музыкальная мощность». Последний термин представляет интерес и часто встречается в технической документации. Согласно стандарту IEC 283-3 от января 1983 года, под музыкальной мощностью следует понимать максимальную мощность, которую может развивать усилитель на конкретной нагрузке в течение 1 секунды при входном синусоидальном сигнале с частотой 1 кГц, независимо от величины нелинейных искажений. SGS-THOMSON предлагает следующую методику измерения этого параметра. Температура окружающего воздуха всегда предполагается равной 25°С, если не оговорено иное.
1. Установить питающее напряжение усилителя на 10% ниже максимально допустимого рабочего напряжения.
2. Подать на вход синусоидальный сигнал с частотой 1 кГц в виде пачек длительностью 1 с периодом повторения более 60 с.
3. Замерить выходное напряжение через 1 с после начала импульса.
--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--