Параметри підсилювачів. Види підсилювачів і основні характеристики

Вступ. 5

Висновок. 47

Список літератури .. 48

Вступ

Мета дипломного проекту

Виготовити макет підсилювача;

Принципи побудови підсилювачів

Основні схеми підсилювачів

У схемах з підсилювальними елементами - тріодами і транзисторами - один з електродів з'єднується з джерелом підсилюється сигналу, інший - з опором навантаження гн. третій

Малюнок 2.1 - Схеми включення електронної лампи і транзистора

а-о загальним катодом (емітером), б-з загальною сіткою (базою), в - із загальним анодом (колектором) електрод є загальним для вхідного сигналу і навантаження і з'єднується з ними безпосередньо або через більшу ємність. На рис. 111 зображені три можливі способи включення електронної лампи і відповідні їм три способи включення транзистора: схема із загальним катодом і відповідна їй схема із загальним емітером, схема із загальною сіткою і відповідна їй схема із загальною базою, схема із загальним анодом і відповідна їй схема із загальним колектором.

Схема із загальним емітером для n-p-n транзистора представлена \u200b\u200bна малюнку 2.2

Малюнок 2.2 - Схема включення транзистора n-p-n з загальним емітером

Емітер є загальним для входу і виходу. Щоб без розрахунків попередньо оцінити величини опорів і ємностей, можна прийняти величину опору в колекторної ланцюга в кілька кОм, а опір в ланцюзі бази в 30 - 50 разів більше. Для того, щоб підсилювач працював в лінійному режимі, необхідно, щоб робоча точка перебувала на лінійній ділянці вольт-амперної характеристики (бажано в центрі лінійного ділянки). Для цього, зміщення на базу треба ставити так, щоб напруга на колекторі становило половину напруги живлення. Величини розділових конденсаторів складають 100пФ - 10 мкФ і залежать від діапазону частот (чим нижче частота, тим більше ємність). Коефіцієнт посилення даної схеми складає більше 10 - 100, також посилюється і струм, тобто коефіцієнт посилення за проектною потужністю становить близько 10000 разів. Доступним біполярним транзистором структури n-p-n є КТ315.

Схема включення з ОЕ транзистора p-n-p структури наведена на малюнку 2.3.

Рісунок2.3 - Схема з ОЕ для транзистора структури p-n-p

Коефіцієнт посилення по напрузі можна приблизно оцінити як відношення опорів в базовій і колекторної ланцюгах.

Схема із загальним колектором представлена \u200b\u200bна рис.2.4

Малюнок 2.4 - Схема із загальним колектором

Дана схема включення називається також емітерний повторювачем і застосовується для узгодження високого вихідного опору джерела сигналу з низьким вхідним опором навантаження. Коефіцієнт посилення по напрузі для цієї схеми дорівнює 1, а коефіцієнт посилення по току - близько 100. Вхідний опір схеми високе (значить в базову ланцюг треба ставити великий опір), а вихідний - низька і, отже, можна підключати низкоомную навантаження.

Схема із загальною базою представлена \u200b\u200bна рис.2.5.

Малюнок 2.5 - Схема із загальною базою

Схеми із загальною базою використовуються для побудови високочастотних підсилювачів (мають низький вхідний опір). У літературі вказується, що опір R2 має опір кілька кОм, однак в процесі моделювання схема починає посилювати сигнал при опорі R2 в сотні Мом. Опір R3 можна змінювати від 100 Ом до декількох кОм.

Розрізняють декілька режимів роботи транзисторів. Насичення - транзистор відкритий, напруга на переході К - Е мінімально, струм через переходи максимальний. Форма синусоїди спотворена, верхівки синусоїди зрізані. Відсічення - транзистор закритий, напруга на переході К-Е максимально, струм через переходи мінімальний. Активний - проміжний між цими режимами. Саме цей режим використовують для посилення сигналів.

Підсилювальним транзисторним каскадом прийнято називати транзистор з резисторами, конденсаторами і іншими деталями, які забезпечують йому умови роботи як підсилювача. Для гучного відтворення коливань звукової частоти транзисторний підсилювач повинен бути мінімум двох - трехкаскадним. У підсилювачах, що містять кілька каскадів, розрізняють каскади попереднього підсилення і вихідні, або кінцеві, каскади . Вихідним називають останній каскад підсилювача, що працює на телефони або динамічну головку гучномовця, а попередніми - все що знаходяться перед ним каскади. Завдання одного або декількох каскадів попереднього посилення полягає в тому, щоб збільшити напругу звуковий частоти до значення, необхідного для роботи транзистора вихідного каскаду. Від транзистора вихідного каскаду потрібне підвищення потужності коливань звукової частоти до рівня, необхідного для роботи динамічної головки. Для вихідних каскадів найбільш простих транзисторних підсилювачів радіоаматори часто використовують мало потужні транзистори, Такі ж, що і в каскадах попереднього посилення. Пояснюється це бажанням робити підсилювачі економічнішими, що особливо важливо для переносних конструкцій з живленням від батарей. Вихідна потужність таких підсилювачів невелика - від кількох десятків до 100 - 150 мВт, а й її буває досить для роботи телефонів або малопотужних динамічних головок. Якщо ж питання економії енергії джерел живлення не має такого істотного значення, наприклад при харчуванні підсилювачів від електроосвітлювальної мережі, в вихідних каскадах використовують потужні транзистори. Який принцип роботи підсилювача, що складається з декількох каскадів?

Схема простого транзисторного двокаскадного підсилювача НЧ показана на малюнку 2.6. У першому каскаді підсилювача працює транзистор V1, у другому - транзистор V2. Тут перший каскад є каскадом попереднього посилення, другий - вихідним. Між ними - розділовий конденсатор С2.

Принцип роботи будь-якого з каскадів цього підсилювача однаковий і аналогічний знайомому принципом роботи однокаскадного підсилювача. Різниця тільки в деталях: навантаженням транзистора V1 першого каскаду служить резистор R2, а навантаженням транзистора V2 вихідного каскаду - телефони В1 (або, якщо иходной сигнал досить потужний, головка гучномовця). Зсув на базу транзистора першого каскаду подається через резистор R1, а на базу транзистора другого каскаду - через резистор R3. Обидва каскаду харчуються від загального джерела Uі.п., яким може бути батарея гальванічних елементів або випрямляч. Режими роботи транзисторів встановлюють підбором резисторів R1 і R3, що позначено на схемі зірочками.

Малюнок 2.6 - Двохкаскадний підсилювач на транзисторах.

Дія підсилювача в цілому полягає в наступному. Електричний сигнал, поданий через конденсатор С1 на вхід першого каскаду і посилений транзистором V1, з навантажувального резистора R2 через розділовий конденсатор С2 надходить на вхід другого каскаду. Тут він посилюється транзистором V2 і телефонами В1, включеними в колекторний ланцюг транзистора, перетворюється в звук. Яка роль конденсатора С1 на вході підсилювача? Він виконує два завдання: вільно пропускає до транзистора змінну напругу сигналу і попереджає замикання бази на емітер через джерело сигналу. Уявіть собі, що цього конденсатора у вхідному ланцюзі немає, а джерелом підсилюється сигналу служить електродинамічний мікрофон з малим внутрішнім опором. Що вийде? Через малий опір мікрофона база транзистора виявиться з'єднаної з емітером. Транзистор закриється, так як буде працювати без початкового напруги зсуву. Він буде відкриватися тільки при негативних напівперіодах напруги сигналу. А позитивні напівперіоди, ще більше закривають транзистор, будуть їм «зрізані». В результаті транзистор стане спотворювати підсилюваний сигнал.

Конденсатор С2 пов'язує каскади підсилювача по змінному струмі. Він повинен добре пропускати змінну складову підсилюється сигналу і затримувати постійну складову колекторного ланцюга транзистора першого каскаду. Якщо разом зі змінною складової конденсатор буде проводити і постійний струм, режим роботи транзистора вихідного каскаду порушиться і звук стане спотвореним або зовсім пропаде. Конденсатори, які виконують такі функції, називають конденсаторами зв'язку, перехідними або розділовими.

Вхідні і перехідні конденсатори повинні добре пропускати всю смугу частот підсилюється сигналу - від найнижчих до найвищих. Цій вимозі відповідають конденсатори ємністю не менше 5 мкФ. Використання в транзисторних підсилювачах конденсаторів зв'язку великих ємностей пояснюється відносно малими вхідними опорами транзисторів.

Конденсатор зв'язку надає змінному струмі ємнісний опір, яке буде тим меншим, чим більше його ємність. І якщо воно виявиться більше вхідного опору транзистора, на ньому буде падати частина напруги змінного струму, велика, ніж на вхідному опорі транзистора, чому буде програш в посиленні. Ємнісний опір конденсатора зв'язку має бути принаймні в 3 - 5 разів менше вхідного опору транзистора. Тому - то на вході, а також для зв'язку між транзисторними каскадами ставлять конденсатори великих ємностей. Тут використовують зазвичай малогабаритні електролітичні конденсатори з обов'язковим дотриманням полярності їх включення. Такими є найбільш характерні особливості елементів двухкаскадного транзисторного підсилювача НЧ.

Витрати на заробітну плату

З п \u003d t * З t (4.2)

Таблиця 3 Розрахунок погодинної заробітної плати

Погодинна заробітна плата становить 379,9 руб.

З п \u003d t * З t (4.2)

де: З п - заробітна плата на всі операції (руб.);

t - час витрачений на операцію;

З t - погодинна заробітна плата (грн.).

Витрати на електроенергію

Таблиця 4 - витрати на електроенергію

Витрати на електроенергію склала 9,36 руб.

З е \u003d t * 1кВт / год (4.3)

де: З е - Витрати на єлектра енергію (руб.);

t - час роботи за операціями;

1кВт / год - 2,08 руб ..

Собівартість створення всіх генераторів склала 772,04 руб.

С \u003d Ц е + З р + З п + З е (4.4)

де: С - собівартість виробу (руб.);

Ц е - ціна елемента (руб.);

З р - витрати на матеріали (руб);

З п - заробітна плата на всі операції (руб.);

З е - витрати, на електроенергію (руб.).

З \u003d 6,93 + 375,95 + 379,9 + 13,8 \u003d 776,58 рублів

Середня ціна підсилювача звукової частоти (800 Гц) по регіону становить 1500 (руб)

висновок

Темою дипломного проекту є розробка підсилювача низької частоти. Актуальність даної теми визначається широким розвитком масового кінопрокату і аудіотехніки. Широке застосування в аудіотехніки отримали підсилювачі звукової частоти. Останнім часом їх виконують, в основному, на мікросхемах. Але без знання роботи транзисторів, гарна якість посилення отримати не можна. Тому дослідження базових схем підсилювачів є актуальним завданням, що має практичне значення.

Метою проекту були аналіз підсилювачів низької частоти, вибір і розробка схеми підсилювача.

Для вирішення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання:

Провести аналіз літератури по принципам побудови підсилювачів низької частоти;

Провести комп'ютерне моделювання різних схем підсилювачів з метою вибору оптимального варіанту;

Виготовити макет підсилювача;

Дослідити та порівняти результати моделювання з результатами вимірювань на макетах;

Провести розрахунок собівартості виготовлення схеми підсилювача;

У дипломному проекті проведено аналіз літературних даних по принципам побудови підсилювачів, обрана схема підсилювача, Проведено її розрахунок, виготовлена \u200b\u200bсхема підсилювача і проведені його дослідження.

В економічній частині проекту проведено розрахунок витрат на виготовлення підсилювача.

Таким чином, цілі, поставлені в роботі, досягнуті.

Список літератури

1. Афанасьєв А.П., Самохін В.П. Побутові відеомагнітофони. М .: радіо і зв'язок, 1989р.

2. Голуб В.С.Генератори гармонійних коливань. Москва «Енергія». 1980р.

3. Виноградов В.А. Зарубіжні кольорові телевізори. SONY. Пристрій, обслуговування, ремонт. СПб .: «Корона принт», 1999р.

4. Головін О.В. Радіоприймальні пристрої: підручник для технікумів М .: Гаряча лінія - Телеком, 2002.

5. Гоненко А.П .; Милованов Ю.В .; Лапсарь М.І. Оформлення текстових і графічних матеріалів при підготовці дипломних проектів, курсових і письмових екзаменнаціонних робіт (вимоги ЕСКД): Учеб. для поч. проф. освіти: Навчальний посіб. для середовищ. проф. образовнія- М .: Видавничий центр «Академія», 2005. - 366.

6. Єршов К.Г. Деменьтьев С.Б. Відеообладнання. довідковий посібник. СПб .: Лениздат, 1993р.

7. Зайцев А.А., Миркин А.І., Мокряк В.В ..: під ред. Голомедова А.В. «Напівпровідникові прилади. Транзистори малої потужності »М.: Радио и связь, кубки-а 1995.- 384с.

8. Изюмов \u200b\u200bН.М., Лінде Д.П. Основи радіотехніки. - М .: Радио и связь, 1983.

9. Изюмов \u200b\u200bН.М., Лінде Д.П.Основи радіотехніка. - 4-е изд. прераб. і доп. - М .: Радио и связь, 1983.

10. Каганов В. І. Радіопередавальні пристрої: Підручник для СПО - М: ІРПО: Видавничий центр «Академія», 2002 - 288 с.

11. Каліхман С.Г., Шехтман Б.І. Цифрова схемотехніка в радіомовних приймачах. - М .: Радио и связь, 1982.

12. Каплун В. А., Браммер С.П. Радіотехнічні пристрої та елементи радіосистем: Навчальний посібник - М .: Вища школа, 2002..

13. Колонтаївський Ю.Ф. Радіотехніка: Навчальний посібник для СПТУ-М: Вища. Шк., 1988 - 304 с .: іл.

14. Мікросхеми, діоди, транзистори: Довідник - М .: машинобудування, 1994 г. - 368с.

15. Напівпровідникові прилади. Транзистори середньої та великої потужності: Довідник - 3е вид., Стереотип. - / А.А. Зайцев, О.І. Миркин, В.В. Мокряк та ін .; Під ред. А.В. Голомедова. М .: Кубку - а, 1995 г. - 640 с .: іл.

16. Напівпровідникові прилади: Діоди високочастотні. Діоди імпульние. Оптоелектронні прилади. Довідник: під ред. А.В. Голомедова. - М .: Кубку - а, 1996;

17. Практичний посібник з розрахунками схем в електроніці: Довідник. У 2-х т. Т.1: Пер. з англ. / Под ред. Ф.Н.Покровского. - М .: Енергоатоліудат, 1991. - 368 с .: іл.

18. Прянишников В.А .. Електроніка. Курс лекцій. Підручник для вищих і середніх учбових закладів. Корона принт, 1998р.

19. П'єзоелектричні резонатори. Довідник. Під ред. П. Кандиби і П. Позднякова. Москва, "Радіо і зв'язок", 1992.

20. Радіоелектронна апаратура і прилади: Монтаж регулювання: Підручник для поч. проф. Освіти / Галина Володимирівна Ярочкина. - 2-е изд., Стер. - М .: Видавничий центр «Академія», 2004. - 240 с.

21. Сігова А.С. «Електорорадіоізмеренія» Видавництво ФОРУМ-ИНФРА-М Москва, 2004.

22. Довідник по радіовимірювальних приладів: У 3-х т .; Під ред. В. С. Насонова - М .: Сов. радіо, 1979.

23. Техніка кіно і телебачення, 1998р.

24. Хотунцев Ю.Л., Лобарев А.С. Основи радіоелектроніки. Навчальний посібник для студентів. М .: Агар, 2000. - 288с., Мул.

25. Шустов М.А. Практична схемотехніка. Книга 1. 450 корисних схем радіоаматорам. 2-е изд. - М .: Видавничий дім «Додека - ХХ1», «Альтекс», 2007.

Вступ. 5

1 Використання підсилювачів низької частоти .. 6

2 Принципи побудови підсилювачів. 11

2.1 Основні схеми підсилювачів. 11

2.2 Основні параметри підсилювачів. 21

3 Схема підсилювача низької частоти .. 24

4 Розрахунок витрат на виготовлення підсилювача. 40

4.1 Витрати на покупні елементи .. 40

4.2 Витрати на витратні матеріали .. 41

4.3 Витрати на заробітну плату. 41

4.4 Витрати на електроенергію .. 42

5 Техніка безпеки при роботі з радіоелектронної апаратурою. 44

Висновок. 47

Список літератури .. 48

Вступ

Темою дипломного проекту є розробка підсилювача низької частоти. Актуальність даної теми визначається широким розвитком підсилювальної техніки в радіоелектроніці і високими вимогами до їх якості. Особливо актуальні підсилювачі низької частоти, тому в дипломному проекті досліджені саме вони. Підсилювачі низької частоти найбільш широко застосовуються для посилення сигналів, що несуть звукову інформацію, в цих випадках вони називаються, також, підсилювачами звуковий частоти, крім цього УНЧ використовуються для посилення інформаційного сигналу в різних сферах: вимірювальної техніки та дефектоскопії; автоматиці, телемеханіки і аналогової обчислювальної техніки; в інших галузях електроніки. Тому дослідження базових схем підсилювачів є актуальним завданням, що має практичне значення.

Мета дипломного проекту: Провести аналіз підсилювачів низької частоти, вибрати і розробити схему підсилювача.

Для вирішення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання:

Провести аналіз літератури по принципам побудови підсилювачів низької частоти;

Провести комп'ютерне моделювання різних схем підсилювачів з метою вибору оптимального варіанту;

Виготовити макет підсилювача;

Дослідити та порівняти результати моделювання з результатами вимірювань на макетах;

Провести розрахунок собівартості виготовлення схеми підсилювача;

Використання підсилювачів низької частоти

Підсилювачі низької частоти найбільш широко застосовуються для посилення сигналів, що несуть звукову інформацію, в цих випадках вони називаються, також, підсилювачами звуковий частоти, крім цього УНЧ використовуються для посилення інформаційного сигналу в різних сферах: вимірювальної техніки та дефектоскопії; автоматиці, телемеханіки і аналогової обчислювальної техніки; в інших галузях електроніки. Підсилювач звукових частот зазвичай складається з попереднього підсилювача і підсилювача потужності (УМ). Попередній підсилювач призначений для підвищення потужності і напруги та доведення їх до величин, потрібних для роботи крайового підсилювача потужності, найчастіше включає в себе регулятори гучності, тембру або еквалайзер, іноді може бути конструктивно виконаний як окремий пристрій. Підсилювач потужності повинен віддавати в ланцюг навантаження (споживача) задану потужність електричних коливань. Його навантаженням можуть бути випромінювачі звуку: акустичні системи (колонки), навушники (головні телефони); радіотрансляційна мережа або модулятор радіопередавача. Підсилювач низьких частот є невід'ємною частиною всієї звуковідтворювальної, звукозаписної і радіотранслірующей апаратури.

Підсилювачі поділяються:

За топології вихідного каскаду.

однотактний вихідний каскад

двотактний вихідний каскад

По режиму роботи вихідного каскаду

Залежно від режиму роботи вихідного каскаду підсилювачі діляться на:

клас, або режим «A» - режим роботи, в якому кожен активний прилад (лампа або транзистор) вихідного каскаду завжди працює в лінійному режимі. При відтворенні гармонійних сигналів кут відсічення активного приладу дорівнює 360 °: прилад ніколи не закривається і, як правило, ніколи не переходить в режим насичення або обмеження струму. Всі лінійні однотактний підсилювачі працюють в режимі А.

клас «AB» - режим роботи двотактного каскаду, проміжний між режимами А і В. Кут відсічення кожного активного приладу істотно більше 180 °, але менше 360 °.

клас «B» - режим роботи двотактного каскаду, в якому кожен активний прилад відтворює з мінімальними спотвореннями сигнал однієї полярності (або тільки позитивні, або тільки негативні значення вхідної напруги). При відтворенні гармонійних сигналів кут відсічення активного приладу дорівнює 180 ° або трохи перевищує це значення. Для зменшення нелінійних спотворень при переході сигналу через нуль вихідні лампи або транзистори працюють з невеликими, але не нульовими струмами спокою. Установка нульового струму спокою переводить каскад з режиму B в режим С: кут відсічення зменшується до менш 180 °, при переході через нуль обидва плеча двотактної схеми знаходяться в відсіченні. Режим С в звуковій техніку не застосовується через неприпустимо високих спотворень.

клас «D» - режим роботи каскаду, в якому активний прилад працює в ключовому режимі. Керуюча схема перетворює вхідний аналоговий сигнал в послідовність імпульсів промодулірованних по ширині (ШІМ), керуючих потужними вихідним ключем (ключами). Вихідний LC-фільтр, включений між ключами і навантаженням, демодулирует імпульси вихідного струму.

Режиму А властиві найкраща лінійність при найбільших втрати енергії, режиму D - найменші втрати при задовільною лінійності. Удосконалення базових схем в режимах А, AB, B і D породило цілий ряд нових «класів», від «класу АА» до «класу Z». Одні з них, наприклад, конструктивно схожі підсилювачі звукових частот «класу S» і «класу АА», докладно описані в літературі, інші ( «клас W», «клас Z») відомі тільки по рекламі виробників.

За конструктивними ознаками:

ІМС для застосування в підсилювачах потужності

За типом застосування в конструкції підсилювача активних елементів:

Лампові - на електронних лампах. Становили основу всього парку УНЧ до 70-х років. У 60-х роках випускалися лампові підсилювачі дуже великої потужності (до десятків кіловат). В даний час використовуються в якості інструментальних підсилювачів і як звуковідтворювальних підсилювачів. Складають левову частку апаратури класу HI- END. А також займають велику частку ринку професійної та напівпрофесійної гітарної підсилювальної апаратури.

Транзисторні - на біполярних або польових транзисторах. Така конструкція кінцевого каскаду підсилювача є досить популярною, завдяки своїй простоті і можливості досягнення великої вихідної потужності, хоча останнім часом активно витісняється підсилювачами на базі інтегральних мікросхем.

інтегральні - на інтегральних мікросхемах (ІМС). Існують мікросхеми, що містять на одному кристалі як попередні підсилювачі, так і кінцеві підсилювачі потужності, побудовані за різними схемами і працюють в різних класах. З переваг - мінімальна кількість елементів і, відповідно, малі габарити.

Гібридні - частина каскадів зібрана на напівпровідникових елементах, а частина на електронних лампах. Іноді гібридними також називають підсилювачі, які частково зібрані на інтегральних мікросхемах, а частково на транзисторах або електронних лампах.

на магнітних підсилювачах. Як підсилювачів звукових частот великої потужності пропонувалися, як альтернатива електронним лампам в 30 - 50 роки американськими і німецькими інженерами. В даний час є "забутої" технологією.

По виду узгодження вихідного каскаду з навантаженням:

Трансформаторне узгодження з навантаженням

По виду узгодження вихідного каскаду підсилювача з навантаженням їх можна розділити на два основних типи:

трансформаторні - в основному така схема узгодження застосовується в лампових підсилювачах. Обумовлено це необхідністю погодження великого вихідного опору лампи з малим опором навантаження, а також необхідністю гальванічної розв'язки вихідних ламп і навантаження. Деякі транзисторні підсилювачі (Наприклад, трансляційні підсилювачі, які обслуговують мережу абонентських гучномовців, деякі Hi-End аудіо підсилювача) також мають трансформаторне узгодження з навантаженням.

безтрансформаторні - з огляду на дешевизну, малої ваги і великий смуги частот безтрансформаторні підсилювачі набули найбільшого поширення. Безтрансформаторні схеми легко реалізуються на транзисторах. Обумовлено це низьким вихідним опором транзисторів в схемі емітерного (истокового) повторювача, можливістю застосування комплементарних пар транзисторів. На лампах безтрансформаторні схеми реалізувати складніше, це або схеми, що працюють на високоомних навантаження, або складні схеми з великою кількістю паралельно працюючих вихідних ламп.

За типом узгодження вихідного каскаду з навантаженням.

Узгодження по напрузі - вихідний опір УМ багато менше провідникові навантаження. В даний час є найбільш поширеним. Дозволяє передати в навантаження форму напруги з мінімальними спотвореннями і отримати хорошу АЧХ, проте породжує сильні нелінійні спотворення (Інтермодуляція) в динамічних голівках АС. УМЗЧ добре пригнічують резонанс низькочастотних гучномовців і добре працюють з пасивними розділовими фільтрами многополосних акустичних систем, розрахованих на джерело сигналу з нульовим вихідним опором. В даний час використовується повсюдно.

Узгодження по потужності - вихідний опір УМ дорівнює або близько опору навантаження. Дозволяє передати в навантаження максимум потужності від підсилювача, через що в минулому було досить поширеним в малопотужних простих пристроях. Зараз є основним типом для лампової техніки, ніж, в першу чергу, і пояснюються особливості звучання лампових систем. У порівнянні з попереднім типом, забезпечує дещо менші спотворення форми струму в котушках ГД АС, і менші нелінійні спотворення в ГД, однак погіршує АЧХ.

Узгодження по току - вихідний опір УМ багато більше опору навантаження. В основі такого узгодження - наслідок із закону Лоренца, згідно з яким звуковий тиск пропорційно току в котушці ГД. Дозволяє сильно (на два порядки) зменшити інтермодуляційні спотворення в ГД і їх ГВЗ (групове час затримки). УМЗЧ слабо пригнічують резонанс низькочастотних гучномовців і погано працюють з пасивними розділовими фільтрами многополосних акустичних систем, які зазвичай розраховані на джерело сигналу з нульовим вихідним опором. В даний час використовується вкрай рідко.

Однією з основних характеристик підсилювачів з лінійним режимом роботи, як лінійних чотириполюсників, є комплексний коефіцієнт передачі по напрузі (Струму):

K u (f) \u003d \u003d | K u (f) | e jφ k (f)

величина Ku(f) є комплексною, тобто характеризує зміну як амплітуди, так і фази сигналу на виході підсилювача в порівнянні з їх значеннями на вході.

Модуль коефіцієнта передачі підсилювача K u(f) називають коефіцієнтом посилення.

Залежність модуля комплексного коефіцієнта передачі від частоти, визначеного для гармонійного вхідного сигналу, є амплітудно-частотної характеристикою підсилювача.

Залежність аргументу комплексного коефіцієнта передачі від частоти φ u(f) називається фазово-частотної характеристикою підсилювача.

УНЧ є елементом підсилювального пристрою, яке повинно містити також джерело сигналу, навантаження і джерело живлення (рис. 1).

Основне призначення УНЧ - посилювати потужність сигналу, тобто при подачі на вхід УНЧ електричного сигналу малої потужності отримувати на навантаженні сигнал тієї ж форми, але більшої потужності. Для посилення потужності УНЧ перетворює енергію джерела живлення за допомогою підсилюючих приладів. У деяких випадках УНЧ має і допоміжне значення - здійснює корекцію форми сигналу.

Структурна схема УНЧ

За смузі підсилюються частот (від нижньої частоти діапазону до верхньої) УНЧ діляться на підсилювачі постійного і змінного струму.

Підсилювачі постійного струму (УПТ) - підсилювачі повільно змінюються напруг або струмів.

Підсилювачі змінного струму підсилюють тільки змінну складову струму в необхідної спектральної смузі.

Підсилювачі звукових частот - УНЧ, Які посилюють сигнали в смузі частот, що сприймаються вухом людини.

Для оцінки УНЧ крім коефіцієнта посилення, АЧХ і ФЧХ часто використовуються наступні електричні параметри:

Робочий діапазон частот- інтервал значень (від нижньої частоти до верхньої), в якому коефіцієнт посилення змінюється за певним законом з певним ступенем точності.

Нерівномірність частотної характеристики- найбільше відхилення коефіцієнта посилення в заданому діапазоні частот від значення K 0 , Певного для середньої частоти.

Коефіцієнт частотних спотворень Мхарактеризує нерівномірність АЧХ. М - відношення коефіцієнта посилення в області середніх частот K 0 до коефіцієнта посилення на кордоні заданого діапазону частот. Розрізняються коефіцієнти частотних спотворень в області нижніх частот і верхніх частот.

Коефіцієнт нелінійних спотвореньвизначає ступінь спотворення вхідного синусоїдального сигналупідсилювачем і оцінюється як квадратний корінь з відношення потужностей всіх вищих гармонік вихідного сигналу до повної вихідної потужності:

До н \u003d

або близьким до нього коефіцієнтом гармонік:

До г \u003d =

де U 1 , U 2 , U n - діючі (або амплітудні) значення першої, другої і т.д. гармонік вихідної напруги при синусоїдальній сигналі на вході.

- потужність, що виділяється УНЧ в навантаженні і заданими технічними вимогами.

Номінальна вихідна напруга - напруга на навантаженні, відповідне номінальної вихідної потужності. Ця напруга пов'язано з номінальним опором навантаження Rн співвідношенням

Номінальна вхідна напруга - напруга, що подається на вхід УНЧ, при якому на виході створюється номінальна потужність.

Напруга відповідає чутливості УНЧ.

вхідний сопротівленіеZ вх - опір для струмів низької частоти, виміряне між вхідними затискачами УНЧ. В області середніх частот вхідний опір зазвичай виявляється активним Rвх .

вихідна сопротівленіеZ вих - опір для струмів низької частоти, виміряне між вихідними затискачами УНЧ (за умови, що джерело сигналу включений, але його напруга дорівнює нулю). В області середніх частот вихідний опір зазвичай виявляється активним Rвих .

Загальна споживана потужність P 0 - потужність, споживана УНЧ від джерел живлення, при номінальній вихідній потужності.

Номінальна вихідна потужність визначає верхня межа вихідної потужності, при якому всі характеристики якості звучання по електричної напруги відповідають нормам.

фон- среднеквадратическая сума спектральних складових вихідного сигналу, що виникають в результаті недостатньої фільтрації напруги живлення.

Основними елементами структурної схеми УНЧ (рис. 1) є попередній підсилювач ( ПУ ) І підсилювач потужності ( УМ ). До додаткових елементів УНЧ відносяться: ланцюги частотної корекції і ланцюга зворотного зв'язку ( ОС ), Крім того до складу УНЧ часто включають регулятор посилення.

Підсилювач потужності може містити один або кілька каскадів посилення і призначений для створення необхідної потужності в навантаженні.

Попередній підсилювач (Або підсилювач напруги) служить для посилення слабкого вхідного сигналу і створення необхідного рівня напруги на вході підсилювача потужності, він також може містити один або кілька каскадів, причому часто в якості вхідного каскаду застосовують еміттерние (істоковие) повторювачі для кращого узгодження з джерелом сигналу.

регулятор посилення в підсилювачах звукової частоти використовується в якості регулятора гучності.

ланцюги корекції використовуються для зміни частотної характеристики УНЧ, зокрема, до ланцюгів частотної корекції відноситься регулятор тембру.

Корекція частотної характеристики УНЧ часто застосовується для компенсації спотворень АЧХ джерела вхідного сигналу (наприклад, звукоснімающей магнітної головки в магнітофонах) або АЧХ навантаження (наприклад, звукових колонок).

підсилювачі потужності

Підсилювачем потужності зазвичай називають вихідний каскад підсилювача сигналу. Значна частина потужності, споживаної УНЧ від джерел живлення, розсіюється підсилювачем потужності. Коли віддається в навантаження потужність корисного сигналу стає сумірною з споживаної підсилювачем потужністю, виникає питання економії енергії джерела живлення, для цього, перш за все, слід зменшити потужність, що виділяється в схемі самого вихідного каскаду.

Можна виділити кілька основних режимів роботи (класів) вихідного каскаду підсилювача потужності.

Режим класу А. Робоча точка (р.т.), яка визначає стан схеми при відсутності сигналу, вибирається на лінійній ділянці динамічної вольт-амперної (передавальної) характеристики (рис. 2, а). Амплітуда вхідної напруги U y на керуючому електроді активного елементу (базі транзистора) для мінімізації нелінійних спотворень вибирається менше величини напруги зсуву. вихідний струм I вих протікає безперервно протягом усього періоду сигналу і досить точно відтворює форму вхідної змінної напруги, а положення робочої точки не виходить за межі прямолінійного ділянки динамічної характеристики.

перевагою режиму классаА є малі нелінійні спотворення, недоліками - низький ККД (відношення потужності, що до споживаної, в УНЧ не більше 25%) і відносно мала потужність в навантаженні. Тому режим класу А застосовується в малопотужних (до 3 ... 5 Вт) однотактний вихідних каскадах. В режимі класу А працюють і всі каскади посилення напруги.

Вибір робочої точки підсилювача

Режим класу В.Робоча точка вибирається на самому початку динамічної вольт-амперної характеристики (рис. 2б), в результаті чого при відсутності вхідного сигналу вихідний струм практично дорівнює нулю і виділяється в каскаді потужність мала. Однак в цьому випадку каскад здатний підсилювати лише одну півхвилю гармонійного сигналу (сигнали тільки однієї полярності). При подачі на вхід синусоїдального сигналу струм у вихідному ланцюзі протікає лише протягом половини періоду (протягом другої половини періоду активний елемент знаходиться в стані відсічення) і має форму імпульсів. Щоб отримати посилення повного сигналу застосовуються двотактні схеми, в яких позитивні складові сигналу посилюються одним активним елементом, а негативні - іншим. У навантаженні Rн посилені компоненти сигналу складаються таким чином, що відновлюється його початкова форма.

Переваги підсилювача потужності, що працює в режимі класу В , – високий ККД (До 70%) і велика потужність сигналу в навантаженні, однак форма вихідного сигналу спотворена через нелінійного ділянки передавальної характеристики. Чистий режим класу В практично використовують дуже рідко, значно частіше використовується так званий змішаний або проміжний режим АВ.

Режим АВ. Робоча точка займає проміжне положення на передавальної характеристиці (між початком координат і серединою лінійної дільниці). За рахунок зсуву робочої точки з нуля в початок лінійної дільниці на передавальної характеристиці при відсутності вхідного сигналу через активний елемент протікає деякий початковий струм спокою. При цьому при виборі максимальної амплітуди вхідної напруги можна домогтися, щоб активний елемент не переходив в стан відсічення і посилював (з різним ступенем спотворень) обидві напівхвилі синусоїдального сигналу. Режим АВ роботи підсилювача характеризується досить високим ККД при відносно невеликих нелінійних спотвореннях форми вихідного сигналу.

режим С- це режим, при якому вихідний струм протікає протягом проміжку часу, меншого половини періоду вхідного сигналу, тому що робоча точка розташовується лівіше точки початку координат на перехідній характеристиці (негативний зсув). Струм спокою відсутня, тому ККД режиму З вище, ніж режиму В і досягає 80% і більше. У режимі З використання двотактної схеми не дає можливості отримати в вихідний ланцюга сигнал тієї ж форми, що і подається у вхідну ланцюг, тому такий режим не застосовують для посилення сигналів довільної форми. Цей режим широко використовується в потужних виборчих (резонансних) підсилювачах, де навантаженням є паралельний резонансний контур, настроєний на частоту що подається на вхід синусоїдального коливання або на одну з його вищих гармонік.

режим D- це ключовий режим роботи, при якому транзистор може знаходитися тільки в двох станах: або повністю замкнений (режим відсічення), або повністю відкритий (режим насичення). гідність режиму D полягає в дуже високому (близькому до 100%) ККД. його недолік - значне ускладнення схеми підсилювача. Такий режим широко використовується в цифровій техніці, у всіляких керуючих, регулюючих, що стежать пристроях, де внаслідок високого ККД і малого споживання енергії він знаходить широке застосування для посилення прямокутних імпульсів довільної тривалості і шпаруватості.

Варіантів побудови вихідних каскадів підсилювачів потужності існує досить багато. Вихідні каскади бувають трансформаторними та безтрансформаторним. Застосування трансформатора дозволяє отримати високий ККД і малі нелінійні спотворення.

Трансформаторні двотактні вихідні каскади найчастіше використовуються в режимі класу АВ, При якому ККД перевищує 50%, безтрансформаторні вихідні каскади характеризуються більш широким діапазоном частот, меншими розмірами і масою. На рис. 3 наведені принципові схеми часто використовуваних в УНЧ підсилювачів потужності.

схема однотактного підсилювального каскаду (Підсилювача напруги) представлена \u200b\u200bна рис. 3, а. Положення робочої точки задається резисторного дільником в ланцюзі бази транзистора, такий підсилювач працює режимі класу А.

На рис. 3, б представлена \u200b\u200bсхема трансформаторного двотактного вихідного каскаду, резисторний дільник забезпечує необхідне зміщення для роботи в режимі АВ, Що погоджують трансформатори забезпечують оптимальне узгодження входу підсилювача з попереднім підсилювачем і виходу підсилювача з навантаженням. В даній схемі застосовані транзистори одного типу ( n-p-n ).

Вихідні каскади підсилювачів потужності

Найбільш широке поширення в вихідних підсилювачах отримали безтрансформаторні каскади (рис. 3, в) на транзисторах різного типу провідності n-p-n і p-n-p , Але з подібними характеристиками. Якщо харчування такого підсилювача здійснюється від однополярного джерела, то неминуче проходження через навантаження постійної складової вихідного струму, в цьому випадку навантаження включають через розділовий конденсатор. Можливе використання в вихідному каскаді транзисторів одного виду провідності, але тоді попередній підсилювач повинен містити фазоінверсного каскад з двома виходами - прямим і інверсним.

муніципальне освітній заклад «Гімназія №5»

міста Рязані

Реферат з фізики

на тему: «Підсилювач звукових частот»

Рязань, 2010 р

план

Вступ

1. Класифікація та основні параметри підсилювача

2. Принцип побудови каскаду посилення

3. Підсилювачі на лампах

4. Підсилювачі на транзисторах

5. Інтегральні підсилювачі

6. Експериментальне виготовлення підсилювача

висновок

Список літератури

Вступ

Підсилювач звукових частот (УЗЧ) ,підсилювач низьких частот (УНЧ) або підсилювач потужності звукової частоти (УМЗЧ) - прилад для посилення електричних коливань, відповідних чутному людиною звуковомудіапазону частот (зазвичай від 16 до 20 000 Гц). Може бути виконаний у вигляді самостійного пристрою, або використовуватися в складі більш складних пристроїв телевізорів, музичних центрів, радіоприймачів, радіопередавачів, радіотрансляційної мережі і т. Д.

Підсилювач звукових частот зазвичай складається з попереднього підсилювача і підсилювача потужності (УМ). Попередній підсилювач призначений для підвищення потужності і напруги та доведення їх до величин, потрібних для роботи крайового підсилювача потужності, найчастіше включає в себе регулятори гучності, тембру іліеквалайзер, іноді може бути конструктивно виконаний як окремий пристрій. Підсилювач потужності повинен віддавати в ланцюг навантаження (споживача) задану потужність електричних коливань. Його навантаженням можуть бути випромінювачі звуку: акустичні системи (колонки), навушники (головні телефони); радіотрансляційна мережа ілімодулятор радіопередавача. Підсилювач низьких частот є невід'ємною частиною всієї звуковідтворювальної, звукозаписної і радіотранслірующей апаратури.

Мета дослідження теми: вивчити роботу підсилювача звукових частот.

завдання:

1. Розглянути класифікацію і основні параметри підсилювача

2. Розглянути принцип побудови каскаду посилення

3. Розглянути структурні схеми лампового підсилювача

4. Розглянути структурні схеми підсилювача на біполярних транзисторах

5. Розглянути структурні схеми інтегрального підсилювача

6. Описати виготовлення УНЧ на своїй практиці

Актуальність теми: В нашому сучасному світі підсилювач звукової частоти можна зустріти у всій сучасній і навіть несучасної техніці: в телевізорах, музичних центрах, радіоприймачах, радіопередавачах, радіотрансляційних мережах, телефонах, мобільних телефонах, автомагнітолах і т. д. Я завжди цікавився технікою і електронікою. Будучи маленьким, завжди грав з цією технікою і іноді її ламав, а коли трохи подорослішав разом з татом став намагатися техніку ремонтувати. Нещодавно у мене виникла ідея зібрати підсилювач звукової частоти. Предмет фізики мені допоміг розібратися в деяких термінах зі збору УЗЧ. Для більш глибокого дослідження підсилювача звукової частоти я сам зібрав такий підсилювач звукової частоти на інтегральної мікросхемі TDA2003 (К174УН14). Тому для мене обрана тема виявилася актуальною і цікавою.

1. Класифікація та основні параметри

При обробці сигналів інформації в більшості випадків необхідно їх попереднє посилення. Для цих цілей використовують підсилювачі, призначення яких - посилення в певне число разів відповідно напруги, струму і потужності сигналу. Така класифікація підсилювачів умовна, так як всі вони в кінцевому рахунку підсилюють потужність сигналу.

Підсилювальні властивості підсилювача характеризуються коефіцієнтами посилення напруги, струму, і потужності, які показують, у скільки разів значення вихідного параметра збільшилася в результаті посилення в порівнянні зі значенням вхідного:

де,, і,, - параметри вхідного і вихідного сигналів.

Залежно від діапазону підсилюються частот розрізняють підсилювачі:

Звукової частоти номінальний діапазон частот підсилюються сигналів 16 Гц - 20 кГц;

Широкосмугові (відеоусілітелі) - діапазон підсилюються сигналів від звукових частот до частот, що становлять сотні мегагерц (відеоусілітелі телевізійних приймачів повинні посилювати сигнали в діапазоні 25 Гц - 6,5 МГц);

Смугові (резонансні) підсилюють сигнали в обмеженою смузі радіочастот;

Постійного струму - підсилюють сигнали від (постійний струм) до деякої граничної частоти.

У робочому діапазоні частот всіх без винятку підсилювачів спостерігається нерівномірність підсилення; при цьому порушується частотний склад вхідного сигналу - він спотворюється. Для аналізу цих спотворень, які називаються частотними, іспользуютамплітудно-частотну характеристику АЧХ підсилювача, яка має залежність коефіцієнта посилення від частоти підсилюється сигналу.

Смуга пропускаемихчастот (смуга пропускання) - діапазон частот, в межах якого підсилювач при незмінній налаштування забезпечує задану величину коефіцієнта посилення. На рис. 1 приведена ідеальна частотна характеристика підсилювача. Вона має форму прямокутника з основою, рівним смузі пропускання. Внаслідок того, що в підсилювачі є реактивні опору, частотна характеристика виявляється нерівномірною і при проектуванні підсилювача необхідно забезпечити мінімальну зміну величини в межах заданої смуги пропускання.

Вибірковість - здатність підсилювача підсилювати сигнали певної смуги частот і не пропускати на вихід сигнали інших частот. Прямокутна «форма частотної характеристики забезпечує ідеальну вибірковість підсилювача, так як сигнали, частоти яких лежать поза межами смуги пропускання, абсолютно не посилюються.

Насправді, частотна характеристика може, наприклад, мати вигляд, показаний на рис. 2. Вибірковість кількісно виражається відношенням коефіцієнта посилення на будь-якої частоті, що лежить на кордонах або за межами смуги пропускання, до коефіцієнта посилення на опорній частоті, яка зазвичай вибирається в середині смуги пропускання.

На частотній характеристиці »(рис. 2) опорної частотою є, тому при розладі вибірковість такого підсилювача

Якісним показником підсилювачів звукових частот є нелінійні спотворення спотворення форми сигналу в процесі посилення. Причиною нелінійних спотворень є, головним чином, нелінійність вольт-амперниххарактерістік підсилюючих елементів (ламп, транзисторів), а також неправильно обрані режими їх роботи. В результаті нелінійних спотворень при посиленні чисто синусоїдального сигналу у вихідному сигналі з'являються додаткові гармонійні складові, т. Е. Змінюється гармонійний склад вхідного сигналу. Цей вид спотворень оцінюють коефіцієнтом нелінійних спотворень.

Вихідна потужність і коеффіціентполезного дії. Ці параметри характерні для підсилювачів потужності.

Потужність на виході підсилювача

Де і - діючі значення напруги ітока на опорі навантаження.

Промисловий к. П. Д. Підсилювача

де - повна потужність, споживана підсилювачем від всіх джерел живлення.

Основними параметрами підсилювачів є:

Номінальна вихідна потужність - максимальна потужність на виході, при якій нелінійні спотворення не перевищують допустимого рівня;

Чутливість - мінімальна напруга на вході, при якому на виході забезпечується номінальна потужність;

Динамічний діапазон - відношення максимальної амплітуди вхідного сигналу, при якій його спотворення мають гранично допустиме значення, до чутливості підсилювача;

Коефіцієнт корисної дії - відношення корисної потужності на виході підсилювача до потужності, споживаної їм від джерела живлення;

Вхідний опір характеризує підсилювач як навантаження для джерела вхідного сигналу; умовою передачі максимальної потужності на вхід підсилювача від джерела сигналу є рівність внутрішнього опору джерела вхідного сигналу і вхідного опору;

Вихідний опір, що характеризує здатність навантаження підсилювача; умовою передачі підсилювачем максимальної потужності в навантаження є рівність вихідного опору і опору навантаження.

2. Принцип побудови каскаду посилення

Мінімальну частину підсилювача, що зберігає його функції, називають каскадом підсилення. Зазвичай підсилювач складається з декількох каскадів посилення, з'єднаних між собою Межкаскадная зв'язками, за допомогою яких вихідний сигнал одного каскаду посилення передається на вхід наступного. Перші каскади посилення, призначені, головним чином! для посилення напруги сигналу, називають попередніми. Каскад, службовець для посилення потужності сигналу, називають кінцевим.

Каскади посилення складаються з послідовно включених керованого елемента, параметри якого змінюються в залежності від вступника на його вхід напруги або струму, і резистора навантаження. У показаної на рис. 3 еквівалентної схемою керований елемент (лампа або транзистор) замінений резистором, опір якого залежить від напруги вхідного сигналу.

При відсутності вхідного сигналу в ланцюзі проходить постійний струм. При появі вхідного сигналу змінюється опір резистора, а отже, повний опір ланцюга і ток в ній, т. Е. Крім постійної складової струму в ланцюзі з'являється змінна складова Якщо опір керованого елемента змінюється строго пропорційно напрузі, то і струм пропорційний напрузі. Отже, падіння напруги на резисторі навантаження створюване змінної складової струму також пропорційно вхідному напрузі, тобто де - коефіцієнт посилення напруги.

Основною вимогою, що пред'являються до каскаду посилення, є відтворення форми вхідного сигналу на виході, т. Е. Його мінімальні нелінійні спотворення. Виконання цієї вимоги забезпечується подачею певних напружень і струмів на висновки підсилювального елемента. Транзистор під час очікування вхідного сигналу знаходиться в режимі мовчання, або спокою.

Електричному станом транзистора в режимі спокою відповідає певна точка на його вхідних і вихідних характеристиках, звана робочої точкою каскаду посилення. електричні параметри транзистора в робочій точці мають індекс «Р.Т», Так, електричний стан транзистора, включеного з ОЕ, характеризується струмами бази і колектора, а також напругою бази і колектора по відношенню до емітера.

Схема каскаду підсилення і графічне представлення його роботи при неправильно обраної робочої точці показані на рис. 4, а, б. У режимі спокою транзистор закритий, так як напруга на емітерний перехід. Отже, його струми і є рівними нулю. Напруга tнa колекторі транзистора, так як падіння напруги на резисторі навантаження.

Під дією вхідного сигналу робоча точка зміщується в межах його подвійний амплітуди. Більшу частину періоду напруги транзистор буде закритий і тільки протягом частини позитивного напівперіоду сигналу з'явиться струм бази. При цьому транзистор відкриється і його колекторний струм викличе напругу на резисторі навантаження, яке і буде посиленим вихідним сигналом, що істотно відрізняються, але формі від вхідного.

Для отримання вихідного сигналу з мінімальними нелінійними спотвореннями слід вибрати такий стан робочої точки, при якому кожному новому миттєвому значенню вхідного сигналу буде відповідати нове миттєве значення вихідного. Схема такого каскаду посилення і графічне представлення його роботи показані на рис. 5, а, 6. Напругою постійного зміщення. В робоча точка виводиться на середину прямолінійного ділянки вхідний характерістікітранзістора. У режимі спокою базовий струм транзистора, а колекторний, так як середнє значення даного транзистора дорівнює 50.

Колекторна ланцюг транзистора складається здвох ділянок: проміжку колектор - емітер і резісторанагрузкі між якими напруга колекторного джерела розподіляється наступним чином:

Для кращого використання транзистора напруга приймають рівним. Тоді при коллекторном напрузі. рівному 30 В, опір завантаження

.

При подачі на базу транзистора вхідного сигналу, амплітуда якого обмежена лінійним ділянкою вхідний характеристики (для отримання малих нелінійних спотворень робоча точка не повинна виходити за межі цієї ділянки), в ланцюгах бази і колектора з'являться змінні складові їх струмів, відповідно мають амплітуди і. При цьому амплітуда вихідного сигналу, а коефіцієнт посилення напруги

.

Таким чином, ми розглянули принцип побудови каскаду посилення.

3. Підсилювачі на лампах

На рис. 6 показана схема найпростішого лампового підсилювача. Керованої в ньому є анодная ланцюг, а керуючої - сіткова. При зміні напруги на сітці лампи пропорційно змінюється анодний струм, який створює на опорі навантаження пульсує напруга. Розділовий конденсатор пропускає на вихідні клеми тільки змінну складову анодного напруги. Підбираючи відповідні величини, і тип лампи, можна отримати на вихідних клемах змінну напругу, амплітуда якого буде у багато разів перевищувати величину.

Ламповий підсилювач підсилює не тільки напругу, але і потужність вхідного сигналу. Для управління анодним струмом потрібно тільки змінювати різницю потенціалів між сіткою і катодом. В цьому випадку в гратчастої ланцюга лампи протікає незначний струм і вхідні споживана потужність набагато менше, ніж корисна потужність, що виділяється в навантаженні.

Важливою умовою нормальної роботи підсилювача є суворе відповідність форми вихідного і вхідного сигналів. Анодний струм змінюється пропорційно сіткового напрузі тільки на прямолінійній ділянці лампової характеристики. Щоб анодний струм змінювався па прямолінійній ділянці і щоб ці зміни були найбільшими, початкове значення струму (струм спокою) має відповідати середині прямолінійної ділянки сіткової характеристики (рис. 7, а), Точка А на лампової характеристиці, яка визначає значення струму спокою, називається робочою. Положення робочої точки визначається величиною постійної напруги зміщення на сітці -. На рис, 7, а наведено графік, який ілюструє процес зміни анодного струму при подачі на вхід підсилювача змінного синусоїдального напруги з амплітудою. Режим роботи електронної лампи, при якій зміна анодного струму відбувається в межах прямолінійної частини лампової характеристики, називається режимом класу А. У режимі А анодний струм протікає протягом всього періоду зміни сіткової напруги. Цей режим характеризується малою величиною нелінійних спотворень, але є неекономічним (к. П. Д. Не більше 20-30%). Його зазвичай застосовують в попередніх підсилювачах низької частоти і в вихідних підсилювачах малої потужності (до 3-4 Вm). Для характеристики режимів посилення вводять поняття про кут відсічення. Кут відсічення - це половина тієї частини періоду, протягом якої через лампу протікає струм.

При виборі робочої точки на початку сіткової характеристики, анодний струм протікає протягом половини періоду (). Такий режим роботи лампи називається режимом В (рис. 7, б ). В даному режимі виникають великі нелінійні спотворення, но к. П. Д. Досягає 60-65%.

Проміжний режим, при якому, називається режимом АВ (рис. 7, в). Режим, при якому кут відсічення, називається режимом С (рис. 7, г). Режими В, АВ і С застосовуються в двотактних підсилювачах потужності низької частоти.

До буквах, що позначає режим, ставляться індекси: 1 - при відсутності сіткових струмів, 2 - при роботі з сітковими струмами. Наприклад:.

Анодна напруга лампи підсилювача дорівнює різниці між напругою джерела і падінням напруги на опорі:

Зміна напруги на сітці викликає пропорційну зміну анодного струму, що в свою чергу викликає зміна анодного напруги. Зі збільшенням сіткового напруги зростає величина струму, а анодна напруга зменшується. Отже, сіткове і анодное напруги змінюються в протифазі і вихідний сигнал зрушать щодо вхідного по фазі на кут 180 °.

Динамічну анодний, або навантажувальну, характеристику підсилювальної лампи будують таким чином. На осях координат сімейства статіческіханодних характеристик позначаються дві точки А і В (рис. 8). Точка А відповідає анодному напрузі при; точка В - анодному току при

Мал. 8. Побудова динамічної анодної характеристики.

Пряма лінія, що з'єднує точки А і В, і буде динамічною характеристикою.

Робоча точка С розташована на статичній характеристиці, знятої при сітковому напрузі, і відповідає анодному напрузі . Кут нахилу динамічної характеристики

Для кількісного аналізу підсилюючих схем часто електронну лампу замінюють еквівалентним генератором.

Генератором напруги називають такий генератор, у якого величина виробляється напруги не залежить від споживаного струму. До реальних генераторів напруги відносяться такі, у яких внутрішній опір набагато менше опору навантаження.

У ідеального джерела струму величина споживаного струму не повинна залежати від опору навантаження, підключеного до його затискачів. До реальних генераторів струму відносяться такі, у яких внутрішній опір набагато перевищує опір навантаження. Якщо джерело змінної напруги з амплітудою включити безпосередньо в анодний ланцюг підсилювача (замість лампи), то що виник змінний струм буде набагато менше, ніж діюча величина змінної складової анодного струму. Для отримання струму з амплітудою необхідно збільшити напругу джерела в стільки разів, у скільки зміна сіткового напруги сильніше впливає на анодний струм, ніж зміна анодного напруги, т. Е. В раз. Тому істочнікнапряженія повинен виробляти е. д. з, рівну. Внутрішній опір лампи враховується включенням в еквівалентну схему опору, рівного.

На рис. 9 показана еквівалентна схема анодному ланцюзі підсилювача (рис. 6), що враховує дію тільки змінних складових напруг і струмів, тому в неї не включений джерело постійного анодного напруги. У розглянутій схемі загальним електродом лампи для анодної і сіткової ланцюгів є катод, тому вона називається схемою підсилювача з загальним катодом.

Включивши джерело вхідного сигналу в розрив катодного провідника, можна отримати схему з загальною сіткою (рис. 10, а).

В підсилювачі із загальним анодом (катодному повторителе) навантажувальний опір включено в катодний ланцюг лампи (рис. 10, б).

4.Усілітелі на транзисторах

В транзисторному підсилювачі керованої є колекторна ланцюг, а керуючої - базова.

На рис. 11 показана схема найпростішого підсилювача на транзисторі типу р-п-р. У колекторної ланцюга транзистора є джерело живлення, опір навантаження і розділовий конденсатор.

У базову ланцюг включені два джерела: джерело змінної напруги з амплітудою і джерело постійної напруги зміщення Призначення джерела зсуву в транзисторному підсилювачі відрізняється від аналогічного джерела в ламповому підсилювачі. При струмі бази в колекторної ланцюга транзистора протікає настільки незначний струм, що практично транзистор можна вважати замкненим. Якби в базовій ланцюга був відсутній джерело зміщення, то в позитивні напівперіоди вхідної напруги транзистор замикався б (режим В) і виникали великі нелінійні спотворення. Полярність напруги зсуву така, що воно відмикає транзистор, т. Е. Служить для створення початкового колекторного струму, що необхідно для режиму А.Напряженіе змінюється пропорційно вхідному сигналу і в колекторної ланцюга відбувається пропорційне зміна струму. Струм створює на опорі пульсує напруга. Розділовий конденсатор пропускає на вихідні клеми тільки змінну складову колекторного напруги. Підбираючи відповідні величини, і тип транзистора, можна отримати на вихідних клемах підсилювача змінна напруга, у багато разів перевищує амплітуду.

Так як емітерний перехід транзистора при роботі підсилювача завжди відкритий, то у вхідному ланцюзі протікає струм і, отже, джерело вхідної напруги завжди витрачає потужність. При одночасному впливі на ділянку база - емітер двох напруг і в ланцюзі бази протікає пульсуючий струм. Постійну складову створює джерело зміщення, а змінну - джерело вхідної напруги. Потужність, споживана від джерела вхідного сигналу,, де і амплітудні значення струму і напруги в ланцюзі бази.

Корисна потужність, що виділяється в колекторному опорі навантаження підсилювача,, де і амплітудні значення змінних складових колекторного струму і напруги.

Коефіцієнт посилення по потужності

;

коефіцієнт посилення по напрузі; коефіцієнт посилення по току. отже,

А ,

де - еквівалентний опір навантаження в ланцюзі колектора; - опір ділянки база - емітер транзистора.

З урахуванням цих виразів коефіцієнт посилення за проектною потужністю

.

В сучасних підсилювачах величина досягає великих значень (сотні і тисячі).

5. Інтегральні підсилювачі

В даний час випускаються такі підсилювачі інтегрального виконання: високою (УВ), проміжної (УР) і звуковий (УН) частоти; широкосмугові (КК); імпульсних сигналів (УІ); повторювачі (УЕ); счітиваніяі відтворення (ВУЛ); індикації (УМ); постійного струму (УТ); операційні (УД); диференціальні (УС); інші (УП).

Використання підсилювачів інтегрального виконання покращує параметри радіоапаратури, особливо її надійність, полегшує регулювання апаратури, зменшує її енергоспоживання, габарити і масу. Розглянемо як приклад інтегральну мікросхему К174УН7 (підсилювач потужності звукової частоти).

Типова схема включення інтегральної мікросхеми К174УН7 показана на рис. 12, а. Вхідний сигнал надходить на висновок 8 мікросхеми з движка потенціометра регулятора гучності, а навантаження підключається до висновку 12 через розділовий конденсатор, що запобігає потраплянню в неї постійної напруги. Коригувальна ланцюг, забезпечує передачу сигналу ООСсвихода підсилювача на його вхід, а ланцюг,,, служить для корекції АЧХ частотозавісімойООСс виходу підсилювача на вхід одного з його проміжних каскадів. Підсилювач мощностізвуковой частоти на мікросхемі К174УН7імеет коефіцієнт нелінійних спотворень, завісящійот вихідної потужності (рис. 3, б). При нерівномірності амплітудно-частотної характеристики не більше 3 дБ смуга пропускання підсилювача равнаот 40 Гц до 20 кГц; напруга джерела живлення +18 В.

6. Експериментальне виготовлення підсилювача

УНЧ. Як багато в цій абревіатурі для серця радіоаматора злилося. Кожен, хто коли-небудь займався радіотехнікою і електронікою, збирав разлічниеусілітелі низької частоти. Прості і складні, малопотужні і потужні. Зараз, з развітіемінтегральнихмікросхем, стало все набагато простіше. Підсилювачі не містять якихось унікальних радіодеталей. Одна мікросхема, яка, власне, і є вже готовийусілітель потужності низької частоти, і схема, практично, зібрана. Як правило, вихідна потужність таких підсилювачів і якість відтворення на висоті.

Моя дослідницька робота базується на практичному виготовленні УНЧ на інтегральної мікросхемі К174УН14, що є засвоєнням практичних знань і навичок в макетування радіоапаратури.

Мікросхема К174УН14 (TDA2003) призначена для роботи при напрузі джерела живлення 8-18 В і опорі навантаження не менше 2 Ом. При цьому досягається рівномірне посилення сигналу в смузі частот 30 Гц - 20 кГц, а струм спокою становить 40-60 мА. Чутливість підсилювача - близько 50 мВ. Мікросхема забезпечена власним теплоотводом, допускає роботу з вихідною потужністю не більше 2 Вт. Для отримання більшої потужності обов'язково потрібна установка додаткового пластинчастого або ребристого або голчастого радіатора.Коеффіціент посилення в усій смузі відтворюваних частот стабілізовано за рахунок наявності на виході підсилювача подільника напруги сигналу 1: 100 і подачею з нього напруги негативного зворотного зв'язку на інверсний вхід підсилювача.

Розглянемо поетапне виготовлення мого підсилювача:

1. Знаходжу схему підсилювача в довіднику «Мікросхеми для побутової радіоапаратури».

2. Вирізання на текстолітової пластині доріжки. Свердління отворів.

3. Лудить.

4. Монтаж елементів на друковану плату.

5. Підготовка корпусу. Установка друкованої плати в корпус. Корпус використаний від старих електронних годинників.

Повністю готовий підсилювач.

Ці фотографії викладені на моєму сайті радіоаматори за адресою http://radiolubiteli.net.ru/ і в групі радіоаматори вконтакте (http://vkontakte.ru/club12879376), де я постійно спілкуюся і ділюся своїм невеликим досвідом.

висновок

Таким чином, мною розглянуто і вивчено принцип роботи підсилювача звукових частот.

Завдання, поставлені мною на початку дослідницької роботи:

1. Розглянути класифікацію і основні параметри підсилювача.

2. Розглянути принцип побудови каскаду посилення.

3. Розглянути структурні схеми лампового підсилювача.

4. Розглянути структурні схеми підсилювача на транзисторах.

5. Розглянути структурні схеми інтегрального підсилювача.

6. Описати виготовлення УНЧ на своїй практиці. ВИКОНАНІ

У нашому сучасному світі підсилювач звукової частоти можна зустріти у всій сучасній і навіть несучасної техніки: в телевізорах, музичних центрах, радіоприймачах, радіопередавачах, радіотрансляційних мережах, телефонах, мобільних телефонах, автомагнітолах і т. Д. Для мене обрана тема виявилася досить цікавою і захоплюючою , що я і довів на прикладі власного виробництва блока.

Список літератури

1. Важенін В.Г. Дослідження підсилювальних каскадів при різних схемах включення транзистора. Єкатеринбург: УГТУ-УПІ, 2000..

2. Гурлев Д.С. Довідник по електронних приладів, Київ 1979 р

3. Доброневскій О.В. Довідник з радіоелектроніки, Кіев1971 р

4. Інтегральні схеми: Операційні підсилювачі: Довідник. Том 1. - М .: Физматлит, 1993.

5. Колонтаївський Ю.Ф. Радіоелектроніка, Москва 1988.

6. Новоченко І.В., В.М. Пєтухов. Мікросхеми для побутової радіоапаратури, Москва 1989 р

7. Проектування підсилюючих пристроїв: Навчальний посібник під ред. М.В. Терпугова. М .: Вища школа, 1982.

8. Довідник радіоаматора-конструктора / за редакцією Н.І. Чистякова Москва 1 983.

9. Шкрітек П. Довідник з звуковий схемотехніці: Пер. з нім. М .: Мир, 1991.

10. http://radiolubiteli.net.ru/

11. http://www.radiokot.ru/

12. http://www.cxem.net/

13. http://www.radiomexanik.spb.ru/

Підсилювач - це пристрій, призначений для збільшення (підвищення) потужності вхідного сигналу за рахунок споживання енергії від зовнішнього джерела живлення.

термін підсилювач в своєму первинному (основному) значенні відноситься до перетворення (збільшення, посилення) однієї з характеристик вихідного вхідного сигналу (будь то механічний рух, коливання звукових частот, тиск рідини або потік світла), при цьому вид сигналу залишається незмінним (Залишається механічним рухом і т. Д .; з одного виду в інший сигнал перетворять датчики і пристрої управління).

У той же час, термін «підсилювач» не цілком коректно, але зазвичай використовується для пристроїв управління потужними електричними навантаженнями, наприклад, « релейний підсилювач»І« магнітний підсилювач».

Електронний підсилювач – підсилювач електричних сигналів, В підсилювальних елементах якого використовується явище електричної провідності в газах, вакуумі і напівпровідниках.

Електронний підсилювач може являти собою як самостійний пристрій, так і блок (функціональна одиниця) в складі будь-якої апаратури - радіоприймача, магнітофона, вимірювального приладу і т. Д.

Електронний підсилювач можна розглядати як чотириполюсника, Який має пару вхідних затискачів, до яких підключається джерело вхідного сигналу

, І пару вихідних затискачів для підключення навантаження (Рис. 1).

Обов'язковою вузлом підсилювача є джерело живлення ІП (акумулятор, випрямляч і ін.). З інформаційної точки зору підсилювач за допомогою активних елементів (транзисторів, електронних ламп, ...) перетворює вхідний сигнал в вихідний: форма вихідного сигналу зазвичай не повинна сильно відрізнятися від форми вхідного сигналу. Підсилювачі відносяться до аналоговим пристроям. З енергетичної точки зору підсилювач перетворює потужність, споживану від джерела живлення, в потужність вихідного сигналу, а джерело вхідного сигналу керує процесом перетворення.

Грубою помилкою є твердження про те, що потужність на виході підсилювача береться з його входу.

Електронні підсилювачі зазвичай складаються з двох або трьох каскадів, Що з'єднуються так, що вихід одного каскаду з'єднується зі входом наступного каскаду.

каскад - це елементарна осередок підсилювача, що володіє підсилювальними властивостями, подальше розчленування якої на більш прості частини призводить до втрати підсилюючих властивостей цими частинами. Таким чином, підсилювальні каскади є найбільш простими підсилювачами.

Основні параметри і характеристики підсилювача

параметри - це числові значення

Характеристики - це графіки залежностей одних величин від інших

основнимипараметрами підсилювачів є:

1) вхідні і вихідні дані :

вхідні

номінальні вхідна напруга U вх

вхідний струм I вх

вхідна потужність P вх \u003d U вх I вх

вхідний опір R вх

вихідні

номінальні вихідна напруга U вих

вихідний струм I вих

вихідна потужність P вих \u003d U вих I вих

вихідний опір R вих

2) коефіцієнти посилення :

по напрузі

по току

по потужності;

3) коефіцієнт корисної дії

, (1)

де - потужність, споживана від джерела живлення;

4) динамічний діапазон

, (2)

де

- максимально допустимий вхідна напруга, перевищення якого викликає неприпустимі нелінійні спотворення сигналу;

-мінімальне вхідна напруга, нижче якого вихідний сигнал неможливо розрізнити на тлі власних перешкод підсилювача.

Для оцінки проходження через підсилювач синусоїдального сигналу використовується комплексний коефіцієнт посилення . Наприклад, комплексний коефіцієнт посилення по напрузі є відношенням комплексних амплітуд (

і

) Або діючих значень (

і

) Вихідного і вхідного напруги:

, (3)

де - кут зсуву фази між вихідним і вхідним напругою,

 - кругова частота вхідного сигналу.

Іноді модуль комплексного коефіцієнта посилення

позначається через K U ().

Аналогічно (3) визначається комплексний коефіцієнт посилення по току.

При заміні в вираженні (3) j на комплексну змінну p виходить передавальна функція підсилювача . Наприклад, передавальна функція по напрузі може бути записана як

.

основнимихарактеристиками підсилювача є:

1) амплітудна характеристика U вих \u003d f (U вх), звана також характеристикою вхід-вихід (Рис. 2).

Для підсилювачів така залежністьпередавальної характеристикою НЕ називається.

Амплітудна характеристика знімається в сталому режимі роботи найчастіше при подачі на вхід синусоїдальної, а іноді - повільно мінливого сигналу. Робочим ділянкою характеристики є її практично лінійна ділянка при U вх  U вх.макс;

2) амплітудно-частотна характеристика (АЧХ), що представляє собою залежність модуля коефіцієнта посилення

від частоти f або  \u003d 2 f (Рис. 3);

3) фазочастотная характеристика (ФЧХ), іноді звана просто фазової характеристикою , Являє собою залежність кута зсуву по фазі вихідного сигналу щодо вхідного  від частоти  (рис. 3);

А ЧХ і ФЧХ називаються частотними характеристиками підсилювача , Зазвичай при їх побудові частота відкладається в логарифмічному масштабі, Тобто по осі частот  в рівномірному масштабі відкладається lg . При цьому низькочастотна область характеристик розтягується по осі частот, а високочастотна область стискається. Коефіцієнт посилення також часто висловлюють в логарифмічних одиницях - децибеллах (ДБ):

K U (ДБ) \u003d 20 lg K U . (4)

Аналогічно в децибеллах виражається коефіцієнт посилення по току:

K I (ДБ) \u003d 20 lg K I ,

а коефіцієнт посилення за проектною потужністю:

K P (ДБ) \u003d 10 lg K P \u003d 10 lg ( K U K I) \u003d 10 lg K U + 10 lg K I . (5)

Якщо еквівалентна схема підсилювача є мінімально-фазову ланцюг, Тобто його передавальна функція не має нулів у правій півплощині, то існує однозначна зв'язок між АЧХ і ФЧХ підсилювача.

З кривих на рис. 3 випливає, що існує діапазон частот, в якому модуль коефіцієнта посилення мало залежить від частоти, званий областю середніх частот , або смугою пропускання підсилювача . У цьому діапазоні частот фаза  приблизно лінійно залежить від частоти . Поза області середніх частот коефіцієнт посилення відхиляється від значення K U 0 в сторону зменшення. Для кількісної оцінки протяжності області середніх частот вводять граничні частоти (Нижчу  н і вищу  в), на яких модуль коефіцієнта посилення K U зменшується в порівнянні із значенням на середніх частотних K U 0 відповідно в М н і М у раз. часто беруть М н \u003d М в \u003d

. числа М н і М в називаються коефіцієнтами частотних спотворень . Коефіцієнт частотних спотворень на довільній частоті  визначається як M() = K U 0 /K U ().

В даний час широко застосовуються підсилювачі постійного струму , У яких АЧХ не має спаду аж до нульової частоти (рис. 4) і нижча гранична частота  н \u003d 0.

приклад. Задано вираз для комплексного коефіцієнта посилення

,

де T 1 і T 2 - постійні часу. Потрібно знайти вираження для АЧХ, ФЧХ і вищої граничної частоти  в при М в \u003d

.

Рішення. Модуль коефіцієнта посилення, тобто АЧХ, при K 0\u003e 0 визначається формулою

.

Підставляючи  \u003d  в,

, Отримуємо рівняння щодо частоти в:

,

звідки маємо біквадратне рівняння

.

Його рішення:

,

де знак мінус перед квадратним коренем відкидаємо, оскільки

.

Часто буває, що одна з постійних часу T 1 , T 2, по крайней мере, в кілька разів перевищує іншу. нехай T 1 > T 2 ,

. тоді

.

Представляючи квадратний корінь двома першими членами розкладання в статечної ряд

, Отримуємо:

,

тобто верхня гранична частота визначається більшою постійної часу.

Для знаходження ФЧХ скористаємося тим, що аргумент дробу дорівнює різниці аргументів чисельника і знаменника:

4) перехідна характеристика - залежність миттєвого значення вихідної напруги при подачі на вхід підсилювача стрибка напруги; цією характеристикою користуються для оцінки підсилювачів імпульсних сигналів.

Ф орма вхідного сигналу і можливий вид перехідної характеристики підсилювача представлені на рис. 5. Якщо вихідний сигнал u вих ( t) Розділити на амплітуду вхідного сигналу U вх, то виходить так звана перехідна функція підсилювача h(t).

На перехідній характеристиці можна виділити швидкоплинних частина - фронт - тривалістю t ф і повільно змінюється частина - вершину . Виявляється, що тривалість фронту t ф приблизно обернено пропорційна вищої граничній частоті  в, т. е. частота в визначає швидкодію підсилювача.

Нижча гранична частота  н пов'язана зі спадом вершини вихідного імпульсу: чим більше частота  н, тим більше спад вершини. Тому в підсилювачі постійного струму немає спаду вершини.

Завдяки торговельним мережам та інтернет магазинах різноманітність пропонованої до продажу аудіоапаратури зашкалює за всі розумні межі. Яким чином вибрати апарат, що задовольняє вашим потребам до якості, істотно не переплативши?
Якщо ви не аудіофіла і підбір апаратури не є для вас сенсом життя, то найпростіший шлях - впевнено орієнтуватися в технічні характеристики звукопідсилювальної апаратури та навчитися отримувати корисну інформацію між рядків паспортів і інструкцій, критично ставлячись до щедрим обіцянкам. Якщо ви не відчуваєте різниці між dB і dBm, номінальну потужність не відрізняється від PMPO і бажаєте нарешті дізнатися, що таке THD, також зможете знайти цікаве під катом.

Короткий зміст статті

Коефіціент посилення. Навіщо нам логарифми і що таке децибели?
Гучність звуку. Чим відрізняються dB від dBm?
Розділяй і володарюй - розкладаємо сигнал в спектр.
Лінійні спотворення і смуга пропускання.
Нелінійні спотворення. КНІ, КГИ, TDH.
Амплітудна характеристика. Зовсім коротко про шуми і перешкоди.
Стандарти вихідної потужності УНЧ і акустики.
Практика - найкращий критерій істини. Розборки з аудіоцентром.
Чайник дьогтю в банку меду.

Я сподіваюся що матеріали даної статті будуть корисні для розуміння наступної, яка має набагато складнішу тему - «Перехресні спотворення і зворотний зв'язок, як один з їх джерел».

Коефіціент посилення. Навіщо нам логарифми і що таке децибели?

Одним з основних параметрів підсилювача є коефіцієнт посилення - відношення вихідного параметра підсилювача до вхідного. Залежно від функціонального призначення підсилювача розрізняють коефіцієнти підсилення по напрузі, струму або потужності:

Коефіцієнт посилення по напрузі

Коефіцієнт посилення по струму

Коефіцієнт посилення по потужності

Коефіцієнт посилення УНЧ може бути дуже великим, ще більшими значеннями виражаються посилення операційних підсилювачів і радіотракт різної апаратури. Цифрами з великою кількістю нулів не дуже зручно оперувати, ще складніше відображати на графіку різного роду залежності мають величини, що відрізняються між собою в тисячу і більше разів. Зручний вихід з положення - уявлення величин в логарифмічному масштабі. В акустиці це подвійно зручно, оскільки вухо має чутливість близьку до логарифмічною.
Тому коефіцієнт посилення часто висловлюють в логарифмічних одиницях - децибелах (російське позначення: дБ; міжнародне: dB)

Спочатку дБ використовувався для оцінки відносини потужностей, тому величина, виражена в дБ, передбачає логарифм відносини двох потужностей, а коефіцієнт посилення за проектною потужністю обчислюється за формулою:

Трохи іншим чином йде справа з «неенергетичних» величинами. Для прикладу візьмемо струм і висловимо через нього потужність, скориставшись законом Ома:

тоді величина виражена в децибелах через струм буде дорівнює наступного виразу:

Аналогічно і для напруги. В результаті отримуємо такі формули для обчислення коефіцієнтів посилення:

Коефіцієнт посилення по струму в дБ:

Коефіцієнт посилення по напрузі в дБ:

Гучність звуку. Чим відрізняються dB від dBm?

В акустиці «рівень інтенсивності» або просто гучність звуку L теж вимірюють в децибелах, при цьому даний параметр є не абсолютним, а відносним! Все тому, що порівняння ведеться з мінімальним порогом чутності людським вухом звуку гармонійного коливання - амплітудою звукового тиску 20 мкПа. Оскільки інтенсивність звуку пропорційна квадрату звукового тиску можна написати:

де не ток, а інтенсивність звукового тиску звуку з частотою 1 кГц, який приблизно відповідає порогу чутності звуку людиною.

Таким чином, коли говорять, що гучність звуку дорівнює 20 дБ, це означає, що інтенсивність звукової хвилі в 100 разів перевищує поріг чутності звуку людиною.
Крім цього, в радіотехніці надзвичайно поширена абсолютна величина вимірювання потужності dBm (Російське дБм), яка вимірюється щодо потужності в 1 мВт. Потужність визначається на номінальному навантаженні (для професійної техніки - зазвичай 10 кОм для частот менше 10 МГц, для радіочастотної техніки - 50 Ом або 75 Ом). Наприклад, «вихідна потужність підсилювального каскаду становить 13 дБм» (тобто потужність, що виділяється на номінальній для цього підсилювального каскаду навантаженні, становить приблизно 20 мВт).

Розділяй і володарюй - розкладаємо сигнал в спектр.

Пора переходити до більш складної теми - оцінці спотворень сигналу. Для початку доведеться зробити невеликий вступ і поговорити про спектрах. Справа в тому, що в звукотехніці і не тільки прийнято оперувати сигналами синусоїдальної форми. Вони часто зустрічаються в навколишньому світі, оскільки величезна кількість звуків створюють коливання тих чи інших предметів. Крім того, будова слухової системи людини відмінно пристосоване для сприйняття синусоїдальних коливань.
Будь-яке синусоїдальне коливання можна описати формулою:

де довжина вектора, амплітуда коливань, - початковий кут (фаза) вектора в нульовий момент часу, - кутова швидкість, яка дорівнює:

Важливо, що за допомогою суми синусоїдальних сигналів з різною амплітудою, частотою і фазою, можна описати періодично повторювані сигнали будь-якої форми. Сигнали, частоти яких відрізняються від основної в ціле число раз, називаються гармоніками вихідної частоти. Для сигналу з базовою частотою f, сигнали з частотами

будуть парними гармоніками, а сигнали

непарними гармоніками

Давайте для наочності зобразимо графік пилообразного сигналу.

Для точного уявлення його через гармоніки буде потрібно нескінченне число членів.
На практиці для аналізу сигналів використовують обмежену кількість гармонік з найбільшою амплітудою. Наочно подивитися процес побудови пилообразного сигналу з гармонік можна на малюнку нижче.

А ось як формується меандр, з точністю до п'ятдесятої гармоніки ...

Детальніше про гармониках можна почитати в чудовій статті habrahabr.ru/post/219337 користувача dlinyj, а нам пора переходити нарешті до спотворень.
Найбільш простим методом оцінки спотворень сигналів є подача на вхід підсилювача одного або суми декількох гармонійних сигналів і аналіз спостерігаються гармонійних сигналів на виході.
Якщо на виході підсилювача присутні сигнали тих же гармонік, що і на вході, спотворення вважаються лінійними, тому-що вони зводяться до зміни амплітуди і фази вхідного сигналу.
Нелінійні спотворення додають в сигнал нові гармоніки, що призводить до спотворення форми вхідних сигналів.

Лінійні спотворення і смуга пропускання.

Коефіціент посилення До ідеального підсилювача не залежить від частоти, але в реальному житті це далеко не так. Залежність амплітуди від частоти називають амплітудно частотної характеристикою - АЧХ і часто зображують у вигляді графіка, де по вертикалі відкладають коефіцієнт посилення по напрузі, а по горизонталі частоту. Зобразимо на графіку АЧХ типового підсилювача.

Знімають АЧХ, послідовно подаючи на вхід підсилювача сигнали різних частот певного рівня і вимірюючи рівень сигналу на виході.
Діапазон частот ΔF, В межах якого потужність підсилювача зменшується не більше, ніж в два рази від максимального значення, називають смугою пропускання підсилювача.

Однак, на графіку зазвичай відкладають коефіцієнт посилення по напрузі, а не по потужності. Якщо позначити максимальний коефіцієнт посилення по напрузі, як, то в межах смуги пропускання коефіцієнт не повинен опускатися нижче ніж:

Значення частоти і рівня сигналів, з якими працює УНЧ, можуть змінюватися дуже істотно, тому АЧХ зазвичай будують в логарифмічних координатах, іноді його називають при цьому ЛАЧХ.

Коефіцієнт посилення підсилювача висловлюють в децибелах, а по осі абсцис відкладають частоти через декаду(Інтервал частот відрізняються між собою в десять разів). Чи не правда так графік виглядає не тільки симпатичніше, але і інформативніше?
Підсилювач не тільки нерівномірно підсилює сигнали різних частот, але ще й зрушує фазу сигналу на різні значення, залежно від його частоти. Цю залежність відбиває фазочастотная характеристика підсилювача.

При посиленні коливань тільки однієї частоти, це начебто не страшно, але ось для більш складних сигналів призводить до суттєвих перекручень форми, хоча і не породжує нових гармонік. На зображенні знизу показано як спотворюється двочастотний сигнал.

Нелінійні спотворення. КНІ, КГИ, TDH.

Нелінійні спотворення додають в сигнал раніше не існували гармоніки і, в результаті, змінюють вихідну форму сигналу. Мабуть найбільш наочним прикладом таких викривлень може служити обмеження синусоїдального сигналу по амплітуді, зображене нижче.

На лівому графіку показані спотворення, викликані наявністю додаткової парному гармоніки сигналу - обмеження амплітуди однієї з полуволн сигналу. Вихідний синусоїдальний сигнал має номер 1, коливання другої гармоніки 2, а отриманий спотворений сигнал 3. На правому малюнку показаний результат дії третьої гармоніки - сигнал «обрізаний» c двох сторін.

За часів СРСР нелінійні спотворення підсилювача було прийнято висловлювати за допомогою коефіцієнта гармонійних спотворень КГИ. Визначався він у такий спосіб - на вхід підсилювача подавався сигнал певної частоти, зазвичай 1000 Гц. Потім проводилося обчислення рівня всіх гармонік сигналу на виході. За КГИ брали відношення середньоквадратичної напруги суми вищих гармонік сигналу, крім першої, до напруги першої гармоніки - тієї самої, частота якої дорівнює частоті вхідного синусоїдального сигналу.

Аналогічний зарубіжний параметр іменується як - total harmonic distortion for fundamental frequency.

Коефіцієнт гармонійних спотворень (КДІ або)

Така методика буде працювати тільки в тому випадку, якщо вхідний сигнал буде ідеальним і містити лише основну гармоніку. Ця умова вдається виконати не завжди, тому в сучасній міжнародній практиці набагато більшого поширення отримав інший параметр оцінки ступеня нелінійних спотворень - КНІ.

Зарубіжний аналог - total harmonic distortion for root mean square.

Коефіцієнт нелінійних спотворень (КНС або)

КНІ - величина дорівнює відношенню середньоквадратичної суми спектральних компонент вихідного сигналу, відсутніх в спектрі вхідного сигналу, до середньоквадратичної суми всіх спектральних компонент вхідного сигналу.
Як КНІ, так і КГИ відносні величини, які вимірюються у відсотках.
Величини цих параметрів пов'язані співвідношенням:

Для сигналів простої форми величина спотворень може бути обчислена аналітично. Нижче наведені значення КНІ для найбільш поширених в аудіотехніки сигналів (значення КГИ зазначено в дужках).

0% (0%) - форма сигналу являє собою ідеальну синусоїду.
3% (3%) - форма сигналу відрізняється від синусоїдальної, але спотворення непомітні на око.
5% (5%) - відхилення форми сигналу від синусоїдальної помітною на око по осциллограмме.
10% (10%) - стандартний рівень спотворень, при якому вважають реальну потужність (RMS) УМЗЧ, помітний на слух.
12% (12%) - ідеально симетричний трикутний сигнал.
21% (22%) - «типовий» сигнал трапецеидальной або ступінчастою форми. 43% (48%) - ідеально симетричний прямокутний сигнал (меандр).
63% (80%) - ідеальний пилкоподібний сигнал.

Ще років двадцять тому для вимірювання гармонійних спотворень низькочастотного тракту використовувалися складні дорогі прилади. Один з них СК6-13 зображений на малюнку нижче.

Сьогодні з цим завданням набагато краще справляється зовнішня комп'ютерна аудіокарта з комплектом спеціалізованого ПЗ, загальною вартістю не перевищують 500USD.

Спектр сигналу на вході звукової карти при тестуванні підсилювача низької частоти.

Амплітудна характеристика. Зовсім коротко про шуми і перешкоди.

Залежність вихідної напруги підсилювача від його вхідного, при фіксованій частоті сигналу (зазвичай 1000Гц), називається амплітудною характеристикою.
амплітудна характеристика ідеального підсилювача вдає із себе пряму, що проходить через початок координат, оскільки коефіцієнт його посилення є постійною величиною при будь-яких вхідних напругах.
На амплітудної характеристиці реального підсилювача є, як мінімум, три різних ділянки. У нижній частині вона не доходить до нуля, так як підсилювач має власні шуми, які стають на малих рівнях гучності порівнянні з амплітудою корисного сигналу.

У середній частині (АВ) амплітудна характеристика близька до лінійної. Це робочий ділянку, в його межах спотворення форми сигналу буде мінімальним.
У верхній частині графіка амплітудна характеристика також має вигин, який обумовлений обмеженням по вихідний потужності підсилювача.
Якщо амплітуда вхідного сигналу така, що робота підсилювача йде на вигнутих ділянках, то в вихідному сигналі з'являються нелінійні спотворення. Чим більше нелінійність, тим сильніше спотворюється синусоїдальна напруга сигналу, тобто на виході підсилювача з'являються нові коливання (вищі гармоніки).

Шуми в підсилювачах бувають різних видів і викликаються різними причинами.

Білий шум.

Білий шум - це сигнал з рівномірною спектральною щільністю на всіх частотах. В межах робочого діапазону частот підсилювачів низької частоти прикладом такого шуму можна вважати теплової, викликаний хаотичним рухом електронів. Спектр цього шуму рівномірний в дуже широкому діапазоні частот.

Рожевий шум.

Рожевий шум відомий також як миготливий (мерехтіння шум). Спектральна щільність потужності рожевого шуму пропорційна відношенню 1 / f (щільність обернено пропорційна частоті), тобто він є рівномірно убутним в логарифмічною шкалою частот. Рожевий шум генерується як пасивними так і активними електронними компонентами, про природу його походження до цих пір сперечаються вчені.

Фон від зовнішніх джерел.

Одна з основних причин шуму - фон наводиться від сторонніх джерел, наприклад від мережі змінного струму 50 Гц. Він має основну гармоніку в 50 Гц і кратні їй.

Самозбудження.

Самозбудження окремих каскадів підсилювача здатне генерувати шуми, як правило певної частоти.

Стандарти вихідної потужності УНЧ і акустики

номінальна потужність

західний аналог RMS (Root Mean Squared - середньоквадратичне значення) У СРСР визначалася ГОСТом 23262-88 як усереднене значення електричної потужності синусоїдального сигналу з частотою 1000 Гц, яке викликає нелінійні спотворення сигналу, що не перевищують заданий значення КНС (THD). Вказується як у АС, так і у підсилювачів. Зазвичай зазначена потужність підганялася під вимоги ГОСТ до класу складності виконання, при найкращому поєднанні вимірюваних характеристик. Для різних класів пристроїв КНІ може варіюватися дуже істотно, від 1 до 10 відсотків. Може виявитися так, що система заявлена \u200b\u200bв 20 Ватт на канал, але вимірювання проведені при 10% КНІ. В результаті слухати акустику на даній потужності неможливо. акустичні системи здатні відтворювати сигнал на RMS-потужності тривалий час.

Паспортна шумова потужність

Іноді ще називають синусоїдальної. Найближчий західний аналог DIN - електрична потужність, Обмежена виключно тепловими та механічними пошкодженнями (Наприклад: сповзання витків звукової котушки від перегріву, вигорання провідників в місцях перегину або спайки, обрив гнучких проводів і т.п.) при підведенні рожевого шуму через коригувальну ланцюг протягом 100 годин. Зазвичай DIN в 2-3 рази вище RMS.

Максимальна короткочасна потужність

західний аналог PMPO (Peak Music Power Output - пікова вихідна музична потужність). - електрична потужність, яку гучномовці АС витримують без пошкоджень (перевіряється по відсутності деренчання) протягом короткого проміжку часу. В якості випробувального сигналу використовується рожевий шум. Сигнал подається на АС протягом 2 сек. Випробування проводяться 60 разів з інтервалом в 1 хвилину. Даний вид потужності дає можливість судити про короткочасні перевантаженнях, які може витримати гучномовець АС в ситуаціях, що виникають в процесі експлуатації. Зазвичай в 10-20 разів вище DIN. Яка користь від того, чи впізнає людей про те, що його система можливо перенесе коротенький, менше секунди, синус низької частоти з великою потужністю? Проте, виробники дуже люблять наводити саме цей параметр на упаковках і наклейках своєї продукції ... Величезні цифри даного параметра часто засновані виключно на бурхливій фантазії маркетингового відділу виробників, і тут китайці безсумнівно попереду планети всієї.

Максимальна довготривала потужність

Це електрична потужність, яку витримують гучномовці АС без пошкоджень протягом 1 хв. Випробування повторюють 10 разів з інтервалом 2 хвилини. Випробувальний сигнал той же.
Максимальна довготривала потужність визначається порушенням теплової міцності гучномовців АС (сповзанням витків звукової котушки і ін.).

Практика - найкращий критерій істини. Розборки з аудіоцентром

Спробуємо застосувати наші знання на практиці. Заглянемо в один дуже відомий інтернет магазин і пошукаємо там виріб ще більш відомої фірми з Країни Вранішнього Сонця.
Ага - ось музичний центр футуристичного дизайну продається всього за 10 000 руб. по черговій акції .:
З опису дізнаємося, що апарат оснащений не тільки потужними колонками, а й сабвуфером.

"Він забезпечує чудову чистоту звучання при виборі будь-якого рівня гучності. Крім того, така конфігурація допомагає зробити звук насиченим і об'ємним. "

Захоплююче, мабуть варто подивитися на параметри. "Центр містить дві фронтальні колонки, кожна потужністю по 235 Ватт, і активний сабвуфер з потужністю 230 Ватт." При цьому розміри перших всього 31 * 23 * 21 см
Так це ж Соловей розбійник який то, причому і за силою голосу і за розмірами. У далекому 96 році на цьому я б свої дослідження і зупинив, а в подальшому, дивлячись на свої S90 і слухаючи саморобний агеевские підсилювач, бурхливо б обговорював з друзями, наскільки відстала від японської наша радянська промисловість - років на 50 або все таки назавжди. Але сьогодні з доступністю японської техніки все набагато краще і впали багато міфів з нею пов'язані, тому перед покупкою постараємося знайти більш об'єктивні дані про якість звуку. На сайті про це ні слова. Хто б сумнівався! Зате є інструкція з експлуатації в форматі pdf. Cкачіваем і продовжуємо пошуки. Серед надзвичайно цінної інформації про те, що "ліцензія на технологію звуковий кодування була отримана від Thompson" і яким кінцем вставляти батарейки з працею, але вдається таки знайти щось, що нагадує технічні характеристики. Дуже скупа інформація захована в надрах документа, ближче до кінця.
Наводжу її дослівно, у вигляді скріншоту, оскільки, починаючи з цього моменту, у мене стали виникати серйозні питання, як до наведених цифр не дивлячись на те, що вони підтверджені сертифікатом відповідності, так і до їх інтерпретації.
Справа в тому, що трохи нижче було написано, що споживана від мережі змінного струму потужність першої системи складає 90 ват, а другий взагалі 75. Хм.

Винайдено вічний двигун третього роду? А може в корпусі музичного центру ховаються акумулятори? Та не схоже - заявлений вага апарату без акустики всього три кіло. Тоді, як же споживаючи 90 ват від мережі, можна отримати на виході 700 загадкових ват (для довідок) або хоча б жалюгідних, але цілком відчутних 120 номінальних. Адже при цьому підсилювач повинен володіти ККД близько 150 відсотків, навіть з відключеним сабвуфером! Але на практиці цей параметр рідко перевищує планку в 75.

Спробуємо застосувати отриману зі статті інформацію на практиці

Заявлена \u200b\u200bпотужність для довідки 235 + 235 + 230 \u003d 700 - це явно PMPO. З номінальною ясності багато менше. Судячи з визначенням це номінальна потужність, Але не може вона бути 60 + 60 тільки для двох основних каналів, без урахування сабвуфера, при номінальній потужності споживання в 90 ват. Це все більше нагадує вже не маркетингову хитрість, а відверту брехню. Судячи по габаритах і негласним правилом, співвідношення RMS і PMPO, реальна номінальна потужність цього центру повинна становити 12-15 ват на канал, а загальна НЕ перевищувати 45. Виникає закономірне питання - як можна довіряти паспортними даними тайваньських і китайських виробників, коли навіть відома японська фірма таке собі дозволяє?
Купувати такий апарат чи ні - рішення залежить від вас. Якщо для того, щоб ставити вранці на вуха сусідів по дачі - так. В іншому випадку, без попереднього прослуховування декількох музичних композицій в різних жанрах, я б не рекомендував.

Чайник дьогтю в банку меду.

Здавалося б, ми маємо майже вичерпний список параметрів, необхідних для оцінки потужності і якості звуку. Але, при більш пильної уваги, це виявляється далеко не так, з цілого ряду причин:

• Багато параметри більше підходять не тільки для об'єктивного відображення якості сигналу, скільки для зручності вимірювання. Більшість проводяться на частоті 1000 Гц, яка дуже зручна для отримання найкращих чисельних результатів. Вона розташовується далеко від частоти фону електричної мережі в 50 Гц і в самому лінійній ділянці частотного діапазону підсилювача.
• Виробники часто грішать відвертою підгонкою характеристик підсилювача під тести. Наприклад, навіть за часів Радянського Союзу, УНЧ часто розроблялися таким чином, щоб забезпечити найкращий показник КГИ, при максимальній вихідній паспортної потужності. У той же час, на половинному рівні потужності в двотактних підсилювачах часто виявлялося спотворення типу сходинка, через що коефіцієнт гармонійних спотворень при середньому положенні ручки гучності міг зашкалювати за 10%!
• У паспортах та інструкціях по експлуатації часто наводяться нестандартні фейковий, абсолютно даремні характеристики типу PMPO. У той же час, не завжди можна знайти навіть такі базові параметри як частотний діапазон або номінальну потужність. Про АЧХ і ФЧХ і говорити нічого!
• Вимірювання параметрів нерідко проводиться по, свідомо спотвореним, методикам.

Тож не дивно, що багато покупців впадають в таких умовах в суб'єктивізм і орієнтуються при покупці, в кращому випадку, виключно на результати короткого прослуховування, в гіршому на ціну.

Пора закруглятися, стаття і так вийшла надмірно довгою!

Розмова про оцінку якості і причини спотворень підсилювачів низької частоти ми продовжимо в наступній статті. Озброївшись мінімальним багажем знань можна переходити до таких цікавих тем як інтермодуляційні спотворення і їх зв'язок з глибиною зворотного зв'язку!

На закінчення хочеться висловити щиру подяку Роману Парпалак parpalak за його проект онлайн-редактора з підтримкою латеха і маркдауна. Без цього інструменту і так непросту працю по впровадженню математичних формул в текст став би в істину пекельним.