Усилители сигналов звуковой частоты

Классификация и терминология.

Уси­литель сигналов звуковой частоты (УЗЧ) в любом своем исполнении представляет собой полностью законченный функцио­нальный блок (или участок схемы БРТА), единственное назначение которого - усиле­ние маломощных электрических сигналов звуковых (иногда - ультразвуковых) частот, как по размаху, так и по мощности.

К этой общей формулировке следует дать разъяснения. Во-первых, надо предос­теречь от одного очень распространенного заблуждения, будто в задачу УЗЧ входит вос­произведение звука. На самом деле воспро­изведение звука осуществляется электро­механическими преобразователями (ЭМП), не входящими в состав УЗЧ. Во-вторых, в подавляющем большинстве практических случаев УЗЧ, помимо двух указанных основ­ных функций, выполняет еще одну вспомога­тельную - корректирует и (или) позволяет произвольно изменять форму АЧХ. Эту вспо­могательную функцию выполняют регулято­ры тембра или многоканальные эквалайзеры, которые, входя в состав УЗЧ, к процессу уси­ления сигнала не имеют никакого отношения.

С учетом этих уточнений рассмотрим все сегодняшнее многообразие усилителей. И начнем с другого очень распространенно­го заблуждения, будто имеются усилители монофонические и стереофонические. На самом деле никаких стереофонических усилителей в природе не существует. Суще­ствуют системы стереофонического звуко­воспроизведения, состоящие из двух само­стоятельных независимых монофонических УЗЧ (как правило - полностью идентичных) и, как минимум, двух ЭМП, разнесенных в пространстве определенным образом.

В таких системах оба канала усиления нередко могут быть объединены в один кон­структивно оформленный узел или блок с общими или раздельными регуляторами уровня сигнала и тембра, что и создает ил­люзию существования самостоятельного стереофонического УЗЧ. На самом деле тех­нически более грамотным представляется разделение УЗЧ на одноканальные и много­канальные. Хотя, строго говоря, даже такое разделение не вполне корректно, поскольку любой многоканальный УЗЧ по сути являет­ся комбинацией нескольких одноканальных усилителей, как и упоминавшийся выше сте­реофонический усилитель.

Уяснив эти основные положения, дого­воримся, что все дальнейшие рассуждения будут относиться к одноканальному широ­кополосному УЗЧ, а специфические особен­ности и отличия многоканальных усилите­лей рассмотрим в заключительном разде­ле этой главы.

Структурная схема УЗЧ. Чуть дальше мы подробно рассмотрим наиболее типич­ные структурные схемы современных УЗЧ, но перед этим целесообразно познакомить­ся с двумя другими критериями, разграни­чивающими усилители на две весьма суще­ственно различающиеся разновидности.

Первый критерий разделяет все УЗЧ на усилители с дискретными схемными эле­ментами и усилители с так называемыми интегральными схемными элементами (мик­росхемами, микросборками, матрицами). Это различие весьма существенно, посколь­ку приводит к двум совершенно различным методикам обнаружения неисправностей и ремонтных работ при сервисном обслужива­нии аппаратуры.

Другой критерий разделяет все УЗЧ на однотактные и двухтактные, что существен­но отражается на их структурных схемах, но почти не сказывается на методике ремонта.

Переходя к рассмотрению реальных структурных схем УЗЧ, скажем, что в любой из них, даже самой примитивной, всегда можно провести условную границу, по одну сторону которой окажутся каскады усиления напряжения, а по другую - каскады усиления мощности. На языке профессионалов чаще принято различать каскады предварительно­го усиления и каскады оконечные (мощные). Таким образом, структурная схема самого простейшего УЗЧ будет изображаться двумя «квадратиками», символизирующими пред­варительный и оконечный каскады усиления соединяющей их стрелкой, направленной от первого квадратика ко второму (рис. 1).

I Рис. 1. Структурная схема простейшего двухкаскадного УЗЧ  

На практике такую примитивную струк­турную схему имели только ламповые уси­лители в наиболее дешевых радиоприемни­ках. Они имели чувствительность порядка 50… 150 мВ и выходную мощность 0,5...2,5 Вт.

Появление транзисторов повлекло за со­бой необходимость увеличения числа каска­дов Предварительного усиления, поскольку один транзисторный каскад на первых порах имел весьма малый коэффициент усиления - порядка 5... 10 (в отличие, например, от кас­када на ламповом триоде с усилением поряд­ка 50... 100). Кроме того, введение в схему УЗЧ регуляторов тембра и тонкомпенсированного регулятора громкости дополнительно «съе­дало» до 20 дБ уровня сигнала, что могло быть скомпенсировано только введением в струк­турную схему одного или даже нескольких до­полнительных каскадов.

Массовый переход схемотехники УЗЧ с радиоламп на транзисторы сразу же выя­вил полную непригодность последних для ис­пользования в однотактной схеме усилителя мощности из-за недопустимых значений коэффициента нелинейных искажений, обус­ловленных специфической формой коллек­торно-базовой характеристики транзистора. Поэтому уже самые первые маломощные транзисторные УЗЧ строились по схеме с двухтактным оконечным каскадом.

Однако для согласования однотактных каскадов предварительного усиления с двух­тактным оконечным каскадом возникла по­требность в промежуточном устройстве, со­здающем на входе оконечного каскада два равных по величине противофазных напря­жения. На первых порах таким устройством был специальный переходный трансформа­тор, имевший одну первичную и две одинако­вые вторичные обмотки. В дальнейшем он был вытеснен специальным фазоинверс­ным каскадом - неким промежуточным зве­ном между предварительными и оконечным каскадом.

Использование транзисторов в УЗЧ вы­явило еще одну их особенность по сравне­нию с ламповыми: коэффициент передачи по току (а следовательно, и по мощности) у транзисторов чаще всего не превышал 10, поэтому при создании УЗЧ с выходной мощ­ностью свыше 5... 10 Вт к базам оконечных транзисторов оказывалось необходимым подводить сигнал мощностью порядка 0,5...1,0 Вт, а обычные маломощные тран­зисторы, используемые в каскадах предва­рительного усиления, такую мощность, как правило, не обеспечивали.

Эта проблема была решена введением специального дополнительного предоконеч­ного, или драйверного, каскада на транзис­торе средней мощности. В результате всех этих усовершенствований транзисторные УЗЧ, как правило, являются многокаскадны­ми. В качестве иллюстрации на рис. 2 при­ведена структурная схема УЗЧ весьма попу­лярного и широко распространенного в свое время транзисторного стереофонического радиоприемника «Рига-101», состоящего из двух полностью идентичных каналов, каждый из которых представляет собой семикаскад­ный усилитель.

Последний, седьмой, каскад - двухтакт­ный усилитель мощности с бестрансформаторным (емкостным) выходом. Предпослед­ний, шестой, каскад представляет собой предоконечный (драйверный) усилитель промежуточной мощности, одновременно осуществляющий функции фазоинвертора за счет использования в нем транзисторов разной проводимости (р-п-р и п-р-п). Первые пять каскадов входят в со­став предварительного усилителя (или усилителя напряжения), хотя, если быть совсем уж точными, один из этих каскадов (четвертый) имеет от­рицательный (меньше единицы) коэффициент усиления, поскольку выполнен по схеме эмиттерного повторителя, принцип работы и на­значение которого будут рассмотрены ниже.

Рис.2. Структурная схема УЗЧ радиоприемника «Рига 101»

Усилительный каскад. Каскадом в ра­диотехнике в общем случае принято считать некий условный четырехполюсник, в состав которого входит один (иногда два) активных радиокомпонента (транзистор, радиолампа) и несколько «обслуживающих» пассивных элементов (резисторы, конденсаторы, ка­тушки индуктивности, трансформаторы), с помощью которых обеспечиваются опти­мальные условия работы активного элемен­та и достигаются наперед заданные пара­метры каскада.

Условным такой четырехполюсник надо считать потому, что на самом деле реальный радиотехнический каскад, в отличие от клас­сического четырехполюсника, может иметь не один вход и один выход, а несколько вхо­дов и несколько выходов, что превращает его в многополюсник.

Наличие в каскаде активного элемента делает неизбежным и обязательное нали­чие источника питания этого элемента в виде выпрямителя переменного тока или гальванических элементов. Что же касает­ся электрических характеристик и парамет­ров каскада в целом, то они определяются назначением каскада и весьма существен­но отличаются друг от друга.

В УЗЧ, используемых в БРТА, чаще дру­гих встречаются следующие типы каскадов:

• линейный усилитель напряжения. Это каскад на базе полупроводникового триода, включенного по схеме с общим эмиттером, электрический режим которого выбирается таким, чтобы обеспечивалось максимально возможное использование линей­ного участка коллекторно-базо­вой характеристики. Такой каскад обладает большим коэффициен­том усиления подводимого сигна­ла при незначительных нелиней­ных искажениях. Характерной особенностью такого каскада яв­ляется то, что сигнал на его выхо­де сдвинут на 180° относительно входного сигнала. С целью суще­ственного (в несколько раз) сни­жения нелинейных искажений, вносимых активным элементом, каскад часто охватывается отри­цательной обратной связью по току путем включения в разрыв эмиттерной цепи резистора, не шунтированного (в отли­чие от резистора автоматического смеще­ния) конденсатором большой емкости. Сле­дует при этом отметить, что введение такой обратной связи одновременно со снижени­ем нелинейных искажений существенно уменьшает реальный коэффициент усиле­ния каскада. Принципиальные схемы всех рассматриваемых в этом разделе каскадов приведены на рис. 3;

• эмиттерный повторитель. В таком каскаде активный элемент включается по схеме с общим коллектором, т.е. полезный сигнал снимается с нагрузки (резистора, ка­тушки индуктивности или обмотки транс­форматора), включенной в разрыв цепи эмиттера. Такое включение нагрузки равно­значно введению 100%-ной отрицательной обратной связи по току, поэтому каскад по­вторителя не только не усиливает подводи­мый сигнал, но всегда имеет коэффициент передачи меньше единицы. Возникает есте­ственный вопрос: для чего нужен усилитель, который ничего не усиливает? Ответ кроет­ся в специфической особенности каскада: входное сопротивление повторителя на по­рядок выше, чем у обычного усилительного каскада, а выходное сопротивление очень маленькое и определяется сопротивлением резистора, включенного в цепь эмиттера. Это сопротивление, как правило, колеблет­ся в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен ом, редко достигая не­скольких килоом.

Рис.3 Принципиальные схемы линейных УЗЧ:

а - трансформаторный усилитель напряжения по схеме с общим эмиттером;

б - резистивный усилитель напряжения по схеме с общим эмиттером;

в - эмиттерный повторитель по схеме с общим коллектором

Таким образом, каскад «повторителя» вполне можно рассматривать как некий «безындукционный» трансформа­тор сопротивлений, потребность в котором часто возникает при необходимости согла­сования двух соседних каскадов (или других участков схемы - например, блока регулято­ров тембра), входные и выходные сопротив­ления которых различаются на порядок и больше. При необходимости получить еще большее соотношение входного и выходного сопротивлений нередко в каскаде повторите­ля используют составной транзистор, входная часть которого выполнена на полевом тран­зисторе, а выходная - на обычном. В таком повторителе входное сопротивление может составлять несколько мегаом, а выходное - измеряться долями килоома. Свое название «повторитель» получил потому, что в отличие от обычного усилительного каскада не изме­няет фазу подводимого сигнала, в силу чего выходной сигнал как бы полностью повторя­ет входной, если не считать незначительного уменьшения его размаха;

• дифференциальный каскад. Так назы­ваемый дифференциальный каскад, прин­ципиальная схема которого приведена на рис. 4, используется почти исключитель­но в многокаскадных транзисторных УЗЧ с гальванической междукаскадной связью. Основное назначение такого каскада - обес­печение термостабильности схемы за счет компенсационного влияния одного (вспомо­гательного) триода на электрический режим другого - основного усилительного триода. Такое влияние обеспечивается за счет обще­го для обоих триодов резистора в объеди­ненной эмиттерной цепи. Помимо этой основной функции дифференциальный каскад существенно упрощает введение в канал сигнала отрицательной (или, при необходи­мости, положительной) обратной связи ре­гулируемой величины. Как правило, диффе­ренциальные каскады чаще применяются в дорогих высококлассных моделях БРТА;

Рис 4

• фазоинвертор. Существует несколько разных способов получения из однофазно­го входного сигнала двух противофазных сигналов для раскачки двухтактных оконеч­ных каскадов. На рис. 5 приведены наибо­лее часто встречающиеся на практике схе­мы фазоинверторов на полупроводниковых триодах. Схема рис. 5, а применяется в дешевых массовых «карманных» приемни­ках и некоторых типах плееров, поскольку позволяет за счет большого положительно­го коэффициента трансформации получить выходные противофазные сигналы больше­го размаха, используя всего один каскад предварительного усиления. К недостаткам схемы относится необходимость применения трансформатора, что всегда нежелательно. Схема рис. 5, б широко применялась в тран­зисторных УЗЧ разных классов до появления специальных интегральных микросхем более сложного схемного состава. Здесь инверти­рование фазы входного сигнала осуществля­лось за счет использования последователь­ного включения двух транзисторов разной проводимости (р-п-р и п-р-п). Связь такого инвертора с базами оконечных транзисторов обычно осуществлялась непосредственно, без разделительных конденсаторов;

Рис 5

• оконечный каскад (усилитель мощнос­ти). Абсолютное большинство УЗЧ (за ис­ключением усилителя записи магнитофона) предназначается для приведения в действие электромеханического излучателя звука - будь то телефонный капсюль, головные те­лефоны, одиночный электродинамический громкоговоритель или сложные акустичес­кие системы. Электрическая мощность, не­обходимая для раскачки таких излучателей, колеблется в широчайших пределах - от со­тых долей до десятков ватт. Единственным источником этой мощности является элект­рический источник питания УЗЧ - выпрями­тель или гальваническая батарея, энергия которых преобразуется оконечным каска­дом УЗЧ в сигнал звуковой частоты. Есте­ственно, что допустимая мощность рассе­яния транзисторов оконечного каскада должна быть заведомо выше номинальной выходной мощности УЗЧ. Эта мощность рассеяния реализуется в виде тепла, выде­ляемого активными элементами каскада, по­этому в усилителях с выходной мощностью свыше 1 Вт это избыточное тепло приходит­ся искусственно отводить с помощью специ­альных радиаторов. Степень отбора тепла радиатором решающим образом зависит от качества механического контакта корпуса транзистора (или микросхемы) со шлифо­ванной контактной поверхностью радиатора. При плохом контакте и наличии «воздушной подушки» степень теплопередачи уменьша­ется во много раз, что неизбежно приводит к перегреву транзистора (микросхемы) и выходу их из строя. Поэтому при замене мощных транзисторов или микросхем осо­бое внимание следует обращать на качество механического контакта. В промышленной аппаратуре для улучшения теплопередачи часто применяют специальные уплотняю­щие пасты с высокой теплопроводностью.

В современных УЗЧ практически невоз­можно выделить в чистом виде оконечный каскад, поскольку правильнее говорить о целом оконечном блоке, в состав которо­го входят неразрывно связанные между собой и гальванически соединенные четыре-пять-шесть транзисторов, полупровод­никовых диодов, термисторов, осуществля­ющих функции драйвера, фазоинвертора и усилителя мощности. Такая тесная взаимо­связь нескольких активных элементов со временем привела к появлению нового вида элементной базы - функционально закон­ченных интегральных микросхем, о которых мы теперь и поговорим.

Дата добавления: 2015-11-04