Наши партнеры ArtmMisto
Не варто, напевно, повертатися до часів винаходу радіо (Попов нас, сподіваюся, простив би), а краще відразу подивимося, які підсилювачі звукових частот (УЗЧ) «потрібні народу». До електронних підсилювачів відносяться пристрої, в яких посилення електричних сигналів виконують різноманітні напівпровідникові прилади.
В недалекому минулому цим "займалися" електронні лампи. Головна перевага ламп - вони не бояться радіації, а фанати Hi-End і раніше стверджують, що лампові підсилювачі потужності звучать "чистіше», «прозорішою» ... і ще «купа» подібних епітетів. Але все це, врешті-решт, чи не стало визначальними чинниками, оскільки лампові підсилювачі "Страждають" низьким ККД, великими габаритами і масою.
У затяжній "боротьбі" переміг "пісок" (основний його компонент - кремній). Є ще й інші напівпровідникові матеріали, з яких можна робити різні електронні елементи, але вони або гірше кремнію за деякими параметрами (наприклад, германій), або занадто дорогі (арсенід галію). Загалом, все "побудовано на піску» з огляду на його дешевизну і великих запасів.
Інші матеріали теж знаходять застосування, але, як правило, там, де потрібні їхні специфічні властивості. Наприклад, арсенід галію використовують для виготовлення НВЧ-генераторних діодів (Ганна), а антимоніт індію - для виготовлення напівпровідникових приймачів інфрачервоного випромінювання, що працюють при температурі 77 ° К (-196 ° С), тобто при охолодженні їх рідким азотом.
Радіоаматорам це поки не треба, тому розглянемо «піщані" елементи. На рис.1 показана схема одного з перших операційних підсилювачів LM709 (К153УД1). Вся ця досить «пристойна» схема разом з усіма своїми транзисторами і резисторами виготовляється на одному маленькому кристалику кремнію.
«Творити» такий підсилювач на дискретних елементах, сподіваємося, ніхто не буде, а при необхідності скористається готової мікросхемою, тим більше, що крім цієї, є ще «тьма» операційних підсилювачів з кращими параметрами, і взагалі вибір інтегральних операційних підсилювачів настільки широкий, що може задовольнити будь-якого конструктора.
Давайте подивимося, на що здатний LM709, на прикладі, сподіваюся, вже знайомого всім инвертирующего підсилювача [1]. Але про всяк випадок (а раптом хтось забув) його схема показана на рис.2. Візьмемо амплітудно-частотну характеристику (АЧХ) ОУ при заданому коефіцієнті посилення До = 1000 (60 дБ), показану лінією 1 на ріс.З, і спробуємо уважно розглянути. Нагадаємо, що коефіцієнт посилення задається відношенням:
К = R2 / R1
і в нашому випадку буде дорівнює 1000. Мінус означає, що вихідний сигнал буде проінвертірованний. Однак картина, скажімо прямо, не радісна. Виходить, що підсилювач має верхню робочу частоту (за рівнем 0,7) всього-то 1 кілогерц. Такий «хокей», швидше за все, нікому не потрібен. Однак давайте не забувати, що цей підсилювач містить (якщо не «лізти», звичайно, всередину мікросхеми) всього три елементи, та й взяли ми далеко не кращий операційний підсилювач .
Але не будемо поспішати. Подивимося, що буде з його АЧХ, якщо в цьому ж підсилювачі встановити коефіцієнт посилення К = 100 (40 дБ). Для цього в схемі на рис.2 всього лише необхідно номінал резистора R2 зробити рівним 100 кОм. Те, що сталося з АЧХ в результаті такої маніпуляції, показує лінія 2 на рис.3. Вийшло, що верхня гранична частота (за рівнем 0,7) зросла і стала вже дорівнює 10 кілогерц. Подивимося ще АЧХ, яка утворюється при К = 10, а потім спробуємо зробити висновки.
АЧХ підсилювача при К = 10 (20 дБ) показана на рис.3 лінією 3. Зверніть увагу на те, що, маючи різні коефіцієнти посилення на низьких частотах, високі частоти він підсилює практично однаково, хоча і слабенько. Виходить, що більш широка смуга пропускання одночасно з великим коефіцієнтом посилення на одному «операціонніке» не досягається.
Звичайно, можна взяти який-небудь більш високочастотний підсилювач, але це, як то кажуть, рішення задачі «в лоб». А якщо у кого-то такий мікросхеми просто немає, а «сильно посилити» звуковий сигнал дуже треба? Щоб вирішити це завдання і отримати коефіцієнт посилення близько 1000 (60 дБ) з прийнятною смугою пропускання, спробуємо включити послідовно два каскаду з К = 33 і верхньою граничною частотою fв = 45 кГц. Такий підсилювач показаний на рис.4. Одержаний двохкаскадний підсилювач матиме посилення трохи більше 1000 при такій же верхній граничній частоті, як і один його каскад.
Щоб наочно уявити різницю в частотних характеристиках однокаскадного (рис.2) і двухкаскадного (рис.4) підсилювачів з практично однаковими коефіцієнтами посилення, «намалюємо» їх характеристики на одному малюнку (рис.5, криві 1 і 2 відповідно). Навіть побіжно глянувши на цю картинку, можна сказати, що наша затія отримати що-небудь хороше з чого-небудь не дуже гарного вдалася!
Отже, включивши послідовно два ОУ (далеко не «най-най»), нам вдалося зробити підсилювач з коефіцієнтом посилення близько 1000 (60 дБ) і верхньої робочої частотою приблизно 45 кГц. Звичайно, ми малювали спрощену схему включення операційного підсилювача. У ньому немає внутрішньої частотної корекції, і при невеликих коефіцієнтах посилення ОУ може «завестися», тобто самовозбудітся. Тому на рис.6 наведені зовнішні коригувальні ланцюга і номінали елементів К153УД1 в залежності від коефіцієнта посилення. А можна взяти ОУ з внутрішньої корекцією, наприклад, К140УД7. Цокольовка у них однакова.
Тепер треба зробити застереження, що все це справедливо для посилення сигналів по напрузі, тобто для невеликої потужності. Щоб отримати на виході потужність, достатню для підключення будь-якої динамічної головки, необхідно змусити підсилювач звуку працювати на низкоомную навантаження і забезпечувати в цьому навантаженні «пристойний» струм.
Зазвичай для цієї мети використовується транзисторний каскад, в якому транзистори включені за схемою із загальним колектором або, ще кажуть, як емітерний повторювачі. Але якщо включити на виході просто двотактний емітерний повторювач на транзисторах різної провідності, як показано на рис.7, то нічого доброго з цього не вийде.
На рис.8 показано, що якщо на вхід такого каскаду подати красиве синусоїдальна напруга амплітудою 1 В, то на виході такого каскаду вийде щось таке, що назвати синусоїдою язик не повернеться (ріс.86). Винна в цьому вхідна характеристика транзистора.
Адже якщо на базу кремнієвого транзистора подати сигнал з амплітудою, меншою ніж 0,6, то транзистор його просто «не помітить», оскільки у нього, як і у діода, існує бар'єрний потенціал, що не подолавши який годі й думати чогось там посилювати .
Загалом, нам нічого не залишається, окрім як за допомогою якихось схемних хитрощів спробувати «вирівняти» вихідний сигнал і повернути йому «красу». Те, що сигнал зменшився, не так страшно, його можна просто посилити, а ось для того щоб «перемогти» вийшла «сходинку», доведеться додати в схему кілька додаткових деталей. Розглянемо простий підсилювач звукової частоти , В якому все це вже зроблено (рис.9).
Вихідна потужність цього підсилювача - близько 0,5 Вт. Але не це головне. Подивіться ще раз на рис.8. Зверніть увагу, що зробив з сигналом вихідний каскад, зображений на рис.7, і порівняйте з тим, як «обходиться» з сигналом каскад з рис.9. Результати його роботи показані на рис.10. Довелося, правда, ускладнити схему, але зате що подали на вхід каскаду, то і отримали на виході, тільки значно потужніше.
Не забувайте, що використовується тут вихідний двотактний емітерний повторювач працює при досить великому початковому струмі (струмі спокою), тобто в так званому класі А, і зовсім «не зобов'язаний» посилювати сигнал по напрузі. Він просто не може цього робити «за визначенням», оскільки повторювач! У каскаді можна використовувати діод КД522А, транзистори КТ6116Б і КТ6117Б (КТ815 і КТ814).
Загалом, ми підійшли до розгляду блока живлення БП (УМЗЧ). Але щоб розмова вийшла більш осмисленим, і початківці радіоаматори могли реалізувати прочитане з користю для себе на практиці, необхідно для початку розібратися, що ж розуміти під вихідною потужністю підсилювача і як визначити, яку максимальну вихідну потужність можна отримати при заданій напрузі харчування в конкретній схемі. У цьому нам допоможе розібратися рис.11.
Ні для кого не секрет, що потужність, що розсіюється в резисторі при проходженні через нього струму
I, можна виразити формулою
P = U * I або P = U² / R
Нічого, начебто, складного немає, але ось тільки що вважати максимальним вихідним напругою? Ми маємо справу зі змінним напругою, і для розрахунків, як вчать розумні книги, необхідно використовувати його ефективне значення Uе:
Uе = UA / 1,4
де UА - амплітудне значення змінної напруги синусоїдальної форми. Вихідна напруга будь-якого підсилювача не може бути більше його напруги харчування. Тобто синусоїда повинна «вміщуватися» в проміжок між мінімальним (в нашому випадку 0) і максимальним (у нас це + Uпит) напруженнями.
На рис. 11 показано, як це має виглядати. Правда, тут синусоїда не доходить ні до нуля, ні до напруги харчування. Але це тому, що вихідні транзистори мають певну напругу насичення, і тому у них (транзисторів) ніяк не вийде ідеально підключити навантаження ні до нуля, ні до харчування. На малюнку ці напруги позначені: U1- максимальна напруга і U2 - мінімальне. покладемо
Uпит - U1 = U2 = 1,5 (В)
У різних схемах ця величина може бути і інший, але для прикладу візьмемо цю. В даному випадку подвоєне амплітудне значення (розмах) максимального вихідного напруги підсилювача під час роботи від 15В одно
2UBиx max = Uпит - 3В = 15 - 3 = 12 (В)
Але так як амплітудне значення розмаху більше подвоєного ефективного розмаху в 2,8 рази, отримаємо
Uеф = 12 / 2,8 = 4,3 (В)
Тоді максимальна вихідна потужність на навантаженні 50 Ом:
P = 4,3² / 50 = 0,37 (Вт)
Неважко здогадатися, що якщо навантаження підсилювача з напругою живлення 15В буде 5Ом, то його максимальна вихідна потужність може бути дорівнює 3,7 Вт. Це, звичайно, небагато, і хотілося б при невеликій напрузі харчування отримати що-небудь «суттєвіше».
Почала статті: Як зібрати підсилювач звуку
Кінець статті: Як зібрати підсилювач звуку своїми руками
