Основные параметры усилителей

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 5Следующая ⇒

О качестве и пригодности усилителя для тех или иных целей судят по нескольким параметрам, наиболее важными из которых можно считать три: выходная мощность Рвых, чувствительность и частотная характеристика. Это те основные параметры, которые вы должны знать и разбираться в них.

Выходная мощность - это мощность электрических колебаний звуковой частоты, выраженная в ваттах или в милливаттах, которую усилитель отдает нагрузке - обычно динамической головке прямого излучения. В соответствии с установленными нормами различают номинальную Рном и максимальную мощности Рmах. Номинальной называют такую мощность, при которой так называемые нелинейные искажения выходного сигнала, вносимые усилителем, не превышают 3 - 5% по отношению к неискаженному сигналу. По мере дальнейшего повышения мощности нелинейные искажения выходного сигнала увеличиваются. Ту мощность, при которой искажения достигают 10%, называют максимальной. Максимальная выходная мощность может быть в 5 - 10 раз больше номинальной, но при ней даже на слух заметны искажения. Рассказывая об усилителях в этой статье, я, как правило, буду указывать их усредненные выходные мощности и называть их просто выходными мощностями. Чувствительностью усилителя называют напряжение сигнала звуковой частоты, выраженное в вольтах или милливольтах, которое надо подать на его вход, чтобы мощность на нагрузке достигла номинальной. Чем меньше это напряжение, тем, естественно, лучше чувствительность усилителя. Для примера скажу: чувствительность подавляющего большинства любительских и промышленных усилителей, предназначаемых для воспроизведения сигналов с линейного выхода магнитофона, DVD проигрователя и др. источников, может составлять 100 - 500 мВ и до 1В, чувствительность микрофонных усилителей составляет 1 - 2 мВ. Частотную характеристику - АЧХ (или полосу рабочих частот усилителя) выражают графически горизонтальной, несколько искривленной линией, показывающей зависимость напряжения выходного сигнала Uвых от его частоты при неизменном входном напряжении Uвх.

Дело в том, что любой усилитель по ряду причин неодинаково усиливает сигналы разных частот. Как правило, хуже всего усиливаются колебания самых низших и самых высших частот звукового диапазона. Поэтому линии - частотные характеристики усилителей - неравномерны и обязательно имеют спады (завалы) по краям. Колебания крайних низших и высших частот, усиление которых по сравнению с колебаниями средних частот (800 - 1000 Гц) падает до 30%, считают границами полосы частот усилителя.

Полоса частот усилителей, предназначенных для воспроизведения музыкальных произведений, должна быть не менее чем от 20 Гц до 20 - 30 кГц, усилителей сетевых радиовещательных приемников - от 60 Гц до 10 кГц, а усилителей малогабаритных транзисторных приемников - примерно от 200 Гц до 3 - 4 кГц. Для измерения основных параметров усилителей нужны генератор колебаний звуковой частоты, вольтметр переменного напряжения, осциллограф и некоторые другие измерительные приборы. Они есть в производственных радиолабораториях, кружках радиоэлектроники, а для более продуктивных занятий радиоэлектроникой, нужно стараться их приобрести себе, чтобы они всегда были под рукой.

Классы усиления НЧ усилителей. Роль класса усиления в достижении мощностных параметров и высокого КПД

До сих пор мы не говорили о том, в каких количествах расходуется энергия на создание усиленного сигнала, на создание «мощной копии» входного сигнала. У нас, собственно говоря, и не возникало такого вопроса. Нужно сказать, что поставщиком энергии для создания усиленного сигнала может быть батарея или блок питания. При этом считается очевидным, что батарея обладает большими запасами энергии и жалеть ее нечего лишь бы создать усиленный сигнал. Теперь же, когда цель достигнута, когда мы научились с помощью транзистора усиливать слабый сигнал, попробуем выяснить, какую энергию должен отдавать ее поставщик - коллекторная батарея. Попробуем выяснить, сколько стоит ватт усиленного сигнала, сколько ватт мощности постоянного тока должна за него заплатить батарея.

Сделав ряд допущений предположив, что прямолинейный участок входной характеристики начинается прямо от «нуля», что на выходной характеристике тоже нет загибов, что в качестве коллекторной нагрузки включен элемент (например, трансформатор), на котором не теряется постоянное напряжение, мы придем к выводу, что в лучшем случае только половина потребляемой от батареи мощности переходит в усиленный сигнал. Об этом можно сказать иначе: к. п. д. (коэффициент полезного действия) транзисторного усилителя не превышает 50%. За каждый ватт мощности выходного сигнала приходится платить двойную цену, два ватта мощности коллекторной батареи.
3 Схема усилителя низкой частоты

В литературе известно много схем усилителей низкой частоты. В ходе дипломного проектирования были рассмотрены следующие схемы.

Простейший УНЧ, выполненный по схеме с общим эмиттером, мы уже рассматривали. Так как сопротивление в коллекторной цепи составляет несколько кОм, а оно является нагрузочным, то в качестве нагрузки нельзя использовать обычные динамики (имеющие сопротивление 10 – 50 Ом), можно использовать телефонный капсюль с сопротивлением около 1 кОм. При наблюдении работы УНЧ на экране осциллографа лучше ставить резистор. Допустимое напряжение питания для этого усилителя 3 – 15 В. В случае применения транзистора КТ315 питание положительное. Выбор рабочей точки определяется резистором в цепи базы, через которое подается смещение на транзистор.

На рисунке 3.1 представлена схема УНЧ, в котором смещение на базу задается с помощью базового делителя, а также каскад усиления содержит частотнозависимую цепь отрицательной обратной связи (сигнал на эмиттере противофазен сигналу на коллекторе), которая стабилизирует сигнал.

Рисунок 3.1 - Схема УНЧ с ОЭ, базовым делителем и отрицательной обратной связью

В цепи отрицательной обратной связи поставлена емкость 1 мкФ, если эту емкость увеличивать, возрастает усиление сигнала. В данном примере коэффициент усиления равен 50, его можно увеличить и больше, увеличивая отношение R1/R2. Уменьшение или увеличение сопротивления нагрузки уменьшает коэффициент усиления, так как смещает рабочую точку. Изменение сопротивления в эмиттерной цепи, также влияет на усиление усилителя, так как изменяет условия обратной связи.

На рисунке 3.2 представлена схема с «автоматической» установкой смещения на базе усилителя. Чем больше сигнал на выходе в цепи коллектора, тем большее смещение подается на базу транзистора.

Рисунок 3.2 - Схема УНЧ с ОЭ и автоматическим смещением на базе

Автоматическое смещение подается на базу с помощью резистора R1. Изменяя величину сопротивления R1, мы меняем напряжение на переходе к-э, но ток в цепи базы и коэффициент усиления остаются постоянными.

Соединив последовательно два каскада усиления, можно получить двухкаскадный УНЧ. Усиление такого усилителя равно произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов. Примером УНЧ с непосредственными связями и минимальным подбором элементов является схема, представленная на рис.3.3

Рисунок 3.3 - УНЧ с непосредственными связями, двухкаскадный.

Стабилизация рабочей точки (начального смещения на базе входного транзистора) осуществляется за счет падения напряжения на эмиттерном сопротивлении (R4) второго каскада усилителя.

Интерес представляет схема на рис.3.4, где представлен двухкаскадный усилитель, первый каскад которого выполнен на полевом транзисторе по схеме истокового повторителя, второй каскад выполнен на биполярном транзисторе по схеме с ОЭ. Такой усилитель, в отличие от рассмотренных выше, имеет высокое входное сопротивление.

Рисунок 3.4 - Двухкаскадный усилитель с высоким входным сопротивлением

Регулировка усиления в этой схеме производится резистором в коллекторной цепи биполярного транзистора. Усиление усилителя порядка 10.К выходу усилителя должна подключаться нагрузка порядка 10 – 100 кОм.

Типовой УНЧ, предназначенный для работы на низкоомную нагрузку (обычный динамик ) и имеющий выходную мощность десятки мВт, изображен на рис.3.5.

Рисунок 3.5 - Усилитель мощности звуковой частоты.

В качестве нагрузки может быть подключена любая низкоомная нагрузка, в том числе динамик. Коэффициент усиления зависит от резистора в базовой цепи первого транзистора, который включен по схеме с ОЭ. Встречное включение двух транзисторов с обратными проводимостями довольно часто применяется для получения высокого усиления. Такие схемы называются каскодными. Каскодные усилители могут использоваться как УНЧ, так и в качестве усилителей высокой частоты (УВЧ).

Схема каскодного усилителя на биполярных транзисторах показана на рисунке 3.6.

Этот усилитель имеет устойчивое усиление в полосе до 3 МГц. Коэффициент усиления около 100. Нагрузка должна быть высокоомной.

Рисунок 3.6 - Каскодный усилитель на биполярных транзисторах

Схема каскодного усилителя на полевых транзисторах показана на рисунок 3.7

Рисунок 3.7 - Каскодный усилитель на полевых транзисторах

Надо обратить внимание, что питание этого усилителя отрицательное. Первый транзистор включен по схеме с общим истоком, имеет высокое входное сопротивление, второй транзистор – с общим стоком (нагрузка снимается с истока второго транзистора). Нагрузка должна быть сопротивлением в десятки кОм. При таком включении первый каскад имеет коэффициент усиления близкий к 1, второй каскад усиливает больше, общее усиление порядка 5 – 10.

Перечень возможных схем усилителей будет неполным без резонансных усилителей, которые могут применяться как усилители промежуточной частоты в приемниках. На рис.3.8 представлен резонансный усилитель, имеющий устойчивое усиление до частот в 500 кГц. Усиление усилителя имеет усиление порядка 10 – 20 раз в довольно широкой полосе частот. Выходной контур при указанных на схеме значениях элементов настроен на частоту порядка 563 кГц. При смене транзистора на КП303 и перемене питания на положительное, усилитель можно использовать и на более высоких частотах (до 30 МГц).

Рисунок 3.8 - Резонансный усилитель на полевых транзисторах

Немного подробней об отрицательной обратной связи которая упоминалась в начале этой статьи при описании однотактных усилителей. Каким же образом отрицательная обратная связь снижает искажения, исправляет форму сигнала? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно вспомнить, что искажение формы сигнала, по сути дела, означает появление в сигнале новых гармоник, новых синусоидальных составляющих. По цепи отрицательной обратной связи новые, появившиеся в результате искажений гармоники подаются на вход усилителя в такой фазе (противофазе), что они сами себя ослабляют. Мощность этих гармоник на выходе усилителя оказывается меньше, чем она была бы без обратной связи. Одновременно, конечно, ослабляются и полезные составляющие, из которых должен складываться неискаженный сигнал, но это дело поправимое. Чтобы скомпенсировать эту вредную деятельность отрицательной обратной связи, можно увеличить уровень сигнала, поступающего на вход усилителя, может быть даже добавив для этого еще один каскад. Отрицательная обратная связь в усилителях НЧ, особенно в двухтактных усилителях, работающих в классах АБ и Б, находит очень широкое применение: отрицательная обратная связь позволяет сделать то, что никакими другими средствами не достигается, она позволяет уменьшить искажения формы сигнала, уменьшить так называемые нелинейные искажения. Отрицательная обратная связь позволяет выполнить еще одну важную операцию осуществить регулировку тембра, то есть в нужном направлении изменить частотную характеристику усилителя Рисунок 3.9.

Рисунок 3.9 - Приблизительный график амплитудно частотной характеристики (АЧХ), усилителей. Подобным графиком можно охарактеризовать АЧХ любого усилителя.

Эта характеристика показывает, как меняется усиление с изменением частоты сигнала. Для идеального усилителя частотная характеристика это просто прямая линия: усиление на всех частотах у такого усилителя одинаково. Но у реального усилителя частотная характеристика загнута, завалена в области самых низких и самых высоких частот. Это значит, что низшие и высшие частоты звукового диапазона усиливаются хуже, чем средние частоты. Причины появления таких завалов частотной характеристики могут быть разными, но корень у них общий. Неодинаковое усиление на разных частотах получается потому, что в схеме имеются реактивные элементы конденсаторы и катушки, сопротивление которых меняется с частотой. Существует много способов исправления частотной характеристики, в том числе и введение частотно - зависимых элементов в цепь обратной связи. Пример таких элементов цепочка R13, C9 в усилителе представленном на (рис. 13).

Рисунок 3.10 - Практическая конструкция бестрансформаторного двухтактного усилителя.

Сопротивление этой цепочки с уменьшением частоты растет, обратная связь уменьшается, и благодаря этому создается некоторый подъем частотной характеристики в области низших частот. В усилителе имеется еще несколько цепей отрицательной обратной связи. Это конденсатор С6, соединяющий коллектор транзистора Т2 с его базой; резистор R12, который подает на базы выходных транзисторов не только постоянное смещение, но еще и некоторую часть выходного сигнала. Цепочка, которая создает обратную связь третьего каскада со вторым, но уже не по переменному, а по постоянному току (такая обратная связь повышает термостабильность усилителя).

Динамическая головка включена в коллекторные цепи выходных транзисторов через разделительный конденсатор C4. Сопротивление звуковой катушки в данной схеме может составлять 6 - 10 ом. Усилитель развивает мощность до 100 мВт. при напряжении входного сигнала около 30 - 50 мв. Существует довольно большое число схем бестрансформаторных усилителей на транзисторах разной проводимости. В большинстве из них в выходном каскаде используют составные транзисторы, то есть в каждое плечо включают два транзистора. Отсутствие трансформаторов и уменьшение числа разделительных конденсаторов позволяет в таких усилителях получить очень хорошую частотную характеристику. Однако начинающему радиолюбителю этот выигрыш достается довольно дорогой ценой. Бестрансформаторные усилители, да еще с составными транзисторами, не всегда просто наладить. И поэтому, если у вас еще нет большого опыта в налаживании транзисторной аппаратуры, лучше собрать усилитель по классической двухтактной схеме с трансформаторами (рис. 3.11).

Рисунок 3.11 - Двухтактный УНЧ с трансформаторным выходным каскадом.

Главная особенность этого усилителя фиксированное от отдельной батареи Б2 смещение на базу первого каскада Т1. Благодаря этому коллекторный ток транзистора Т1 остается практически неизменным при уменьшении напряжения коллекторной батареи вплоть до 3, 5 в. С нижней части делителя R4, R5, включенного в эмиттерную цепь Т1 подается смещение на базы транзисторов выходного каскада. И поэтому при уменьшении коллекторного напряжения смещение транзисторов Т2, Т3 не меняется. В результате усилитель работает при пониженном напряжении, хотя и с меньшей выходной мощностью (при 3, 5в., 20 мВт.), но без искажений. Ток, потребляемый от батареи Б2, не превышает 500 мка. В усилителе имеется простейший регулятор тембра R6 и цепь обратной связи R8, C8 снижающая искажения. Резистор R9 необходим для того, чтобы при выключении Б2 (может случиться так, что Вк2, разомкнет цепь на какие - то доли секунды раньше, чем Bк1 транзистор Т1 не оказался с «висящей базой». Конденсаторы С7, С6 элементы отрицательной обратной связи, предотвращающие самовозбуждение на сверхзвуковых частотах. Ту же задачу выполняет конденсатор С3. Трансформаторы Tр1 и Тр2 взяты от приемника «Альпинист». Динамическая головка с сопротивлением звуковой катушки около 4 - 6 ом. При коллекторном напряжении 9 в. усилитель развивает мощность 180 мВт. и потребляет от батареи Б2 ток не более 20 - 25 ма. Если нужно повысить выходную мощность, можно включить в качестве T2 и Т3 мощные транзисторы, например П201. В этом случае нужно уменьшить в два раза R7 и подобрать R5 с таким расчетом, чтобы общий коллекторный ток покоя Т2 и Т3 составлял 15 - 25 ма.

Для мощных транзисторов нужен другой выходной трансформатор, например, с такими данными: сердечник сечением около 3, 5 см2 (Ш17 х 17); первичная обмотка 330 + 330 витков ПЭВ 0, 31, вторичная обмотка 46 витков ПЭВ 0, 51. С транзисторами П201 усилитель развивает выходную мощность 1, 52 - 2 Вт. Налаживание всех усилителей НЧ сводится к подбору режимов транзисторов. Для двухтактных схем желательно предварительно подобрать для обоих плеч транзисторы с близкими параметрами: коэффициентом усиления по току и обратным током коллектора Если все детали исправны и схема собрана правильно, то усилитель, как правило, сразу начинает работать. И единственная серьезная неприятность, которая может обнаружиться при включении усилителя, это самовозбуждение. Один из способов борьбы с ним введение развязывающих фильтров, которые предотвращают связь между каскадами через источники питания. Ниже описан расчет усилителя.

⇐ Предыдущая 1 2 345 Следующая ⇒