Раздел 6. Усилители ЗЧ

Усилители звуковой частоты (УЗЧ)

Усилители звуковой частоты (УЗЧ) используют во всех радиоприемниках, телевизорах, магнитофонах, проигрывателях — везде, где нужно усилить слабый звуковой сигнал, скажем, от микрофона, магнитной головки или звукоснимателя, и подвести его к линейному выходу либо громкоговорителю.

Особое значение имеют УЗЧ при создании радиокомплексов — систем, где единственный усилитель “обслуживает» множество источников программ: тюнер, проигрыватели и т. д. Действительно, не имеет смысла оснащать каждое из этих устройств собственным усилителем и громкоговорителями, ведь при тех же затратах и тех же габаритах один УЗЧ может быть гораздо качественнее и мощнее.

Универсальные УЗЧ радиокомплекса имеют, как правило, несколько входов для работы с различными источниками звукового сигнала и один мощный выход для подключения акустических систем (АС) со стандартным полным сопротивлением 4 или 8 Ом. Усилители оснащают регуляторами громкости и тембров. Регулятор громкости изменяет общий уровень усиливаемого сигнала ЗЧ, а регуляторы тембра изменяют относительное усиление различных частот звукового спектра, придавая звуку различную тембровую окраску.

Оказалось удобным разделить УЗЧ на два функционально законченных блока: предварительный усилитель со входами для различных источников и всеми регулировками, и оконечный усилитель мощности (УМЗЧ), в котором регулировок нет и амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) максимально плоская, т.е. все частоты звукового спектра усиливаются одинаково. «Стыковка» предварительного и оконечного усилителей производится на стандартном (линейном) уровне звукового напряжения около 0,7 В. Это дает возможность использовать разные предварительные усилители с одним оконечным (или наоборот), включать между предварительным и оконечным усилителями дополнительные устройства, например, многополосный регулятор тембра (эквалайзер).

6.1 Усилители мощности звуковой частоты

Ламповый УМЗЧ, еще до сих пор применяемый в некоторых телевизорах, а также в аудиокомплексах высокого класса (Hi-End), обладает крупным недостатком — наличием выходного трансформатора, сложного в изготовлении и вносящего, пусть и небольшие, частотные и нелинейные искажения. Напомним, что частотные искажения связаны с ограничением полосы усиливаемых частот, а нелинейные — с искажениями формы сигнала. Нужен же трансформатор для согласования низкого сопротивления динамической головки с высоким внутренним сопротивлением лампы. Например, для подведения 4 Вт мощности к четырехомной головке нужен ток 1 А при напряжении всего 4 В. Лампа же работает при значительно больших напряжениях и отдает значительно меньшие токи.

Ситуация изменилась с появлением транзисторов, способных отдавать большие токи при малом питающем напряжении. Стало возможным создание бестрансформаторных усилителей (хотя справедливости ради надо отметить, что такие попытки, правда, мало успешные, делались и на лампах). Однако простой УМЗЧ на одном транзисторе, с динамической головкой, включенной в коллекторную цепь в качестве сопротивления нагрузки, практически не применяется. Это связано с большим постоянным током, протекающим через головку, что приводит к напрасному расходу питания и нежелательному смещению звуковой катушки и диффузора головки относительно положения равновесия.

Наибольшее распространение к настоящему времени получила двухтактная схема с последовательным включением транзисторов разной структуры (рис. 36,а). Она чрезвычайно проста, но для питания требуется двуполярный источник или две одинаковых батареи.

Рассмотрим работу этого усилителя. Когда сигнал на входе отсутствует, оба транзистора закрыты, поскольку напряжение между базой и эмиттером каждого транзистора нулевое, и ток от источников питания не потребляется. Положительная полуволна входного напряжения открывает транзистор VT1, и ток идет от плюса источника U1 через этот транзистор и динамическую головку ВАК При отрицательной полуволне открывается транзистор VT2, и ток идет через головку (но уже в другом направлении) и этот транзистор к минусу источника U2. Через головку протекает только переменный ток усиливаемого сигнала, а от источников питания потребляется ток одного направления.

Как видите, транзисторы работают по очереди, причем каждый усиливает лишь свою полуволну сигнала. Такой режим работы, когда рабочая точка транзистора установлена в самом начале его характеристики (рис. 37), называется режимом класса В.

Если рабочая точка установлена в середине линейного участка характеристики (для этого нужно подать смещение на базу) получается линейный режим класса А, при котором искажений практически нет (рис. 36,б), но КПД получается низким из-за большого постоянного коллекторного тока.

Подав на базу транзистора закрывающее напряжение, переходим к классу С, при котором коллекторный ток носит характер коротких импульсов — по сути дела, отсекаются только «макушки» синусоидального сигнала. Такой режим даёт максимальный КПД, но из-за больших искажений применяется только в радиопередатчиках, где исходная синусоидальная форма сигнала восстанавливается колебательными контурами.

В рассмотренном УМЗЧ транзисторы, строго говоря, работают в режиме класса С, поскольку для открывания каждого из них нужно, чтобы амплитуда сигнала была больше порогового напряжения открывания транзистора. А оно, как известно, для германиевых транзисторов составляет примерно 0,2 В, а для кремниевых — около 0,6 В. Сигнал меньшей амплитуды просто не усиливается, что приводит к искажениям типа “ступенька”, проявляющимся в моменты перехода полупериодов сигнала через нулевой уровень. Увеличенная осциллограмма сигнала малой амплитуды с такими искажениями показана на рис. 36,в.

К сожалению, искажения такого рода очень заметны на слух. Более того, заметность “ступеньки” возрастает при тихих звуках, когда амплитуда усиливаемого сигнала мала.

Для борьбы с искажениями типа “ступенька” на базы транзисторов выходного каскада УМЗЧ подают небольшое начальное напряжение смещения, устанавливая режим класса В, или, чтобы гарантировать отсутствие искажений, класса АВ, пропуская небольшой начальный ток через транзисторы — ток покоя.

Другой способ — введение отрицательной обратной связи (ООС), снижающей искажения. Часто оба варианта используют совместно.

Поскольку делитель напряжения, предназначенный для создания начального смещения, потребляет некоторый ток. удобно использовать ток предоконечного каскада, усиливающего напряжение и работающего в режиме класса А.

Схема УМЗЧ с предоконечным усилительным каскадом и однополярным питанием приведена на рис. 38.

Входной сигнал через разделительный конденсатор С1 подается на базу транзистора VT1 предоконечного каскада. Смещение же поступает через резистор R1. Вообще-то, как мы видели ранее, этот резистор должен бы подключаться между базой и коллектором транзистора VT1. Однако, учитывая, что выходной каскад является эмиттерным повторителем, лучше все-таки подключить его к выходу, где напряжение по постоянному току такое же, но ООС будет охватывать и выходной каскад, снижая искажения сигнала.

В коллекторную цепь транзистора предусилительного каскада включен в прямом направлении диод VD1, падение напряжения на котором и создает начальное смещение на базах транзисторов выходного каскада. Можно было бы включить вместо диода резистор с небольшим сопротивлением, но диод обеспечивает лучшую температурную стабильность всего усилителя.

Дело в том, что с ростом температуры уменьшается напряжение база-эмиттер выходных транзисторов, необходимое для обеспечения выбранного тока покоя. Прямое напряжение на диоде также уменьшается с ростом температуры, что не дает току покоя возрастать. У мощных усилителей этот диод размещают на радиаторе выходных транзисторов. Для регулировки тока покоя подбирают число диодов, включенных вместо VD1 последовательно или параллельно. Можно добавить к диодам и подстроечный резистор.

Усиленный выходным каскадом по току сигнал поступает через разделительный конденсатор большой ёмкости С2 на динамическую головку ВА1. Конденсатор СЗ, также большой емкости, шунтирует источник питания. Он нужен, когда батарея питания частично разряжена и ее внутреннее сопротивление возросло. Тогда конденсатор, накапливая энергию батареи, обеспечивает отдачу больших импульсов тока в нагрузку на пиках громкости. При сетевом питании им может служить сглаживающий конденсатор выпрямителя.

Обратите внимание на подсоединение резистора нагрузки предоконечного каскада — не к плюсу источника питания, а к выводу динамической головки ВА1. На режиме усилителя по постоянному току это не сказывается, так как сопротивление головки мало, но работа усилителя на звуковых частотах заметно улучшается в результате возникающей “вольтодобавки». Когда на входе усилителя действует положительная полуволна сигнала, ток транзистора VT1 увеличивается, а напряжение на его коллекторе падает, формируя отрицательную полуволну выходного сигнала. При этом часть коллекторного тока ответвляется в переход база—эмиттер транзистора VT3, открывая его.

Когда же на входе усилителя действует отрицательная полуволна входного сигнала, транзисторы VT1 и VT3 закрываются, a VT2 открывается током, текущим через резистор нагрузки R2. Если его сопротивление значительно, транзистор VT2 открывается хуже, чем VT3. что приводит к ограничению положительных полуволн выходного сигнала, т.е. к искажениям. Подсоединив резистор R2 к нижнему по схеме выводу динамической головки, мы в значительной мере устраняем эти искажения, поскольку мгновенное напряжение на этом выводе при положительной полуволне выходного сигнала становится больше напряжения питания. Это и обеспечивает лучшую “раскачку” транзистора VT2.

В заключение приведем ориентировочный расчет данного усилителя. Допустим, что напряжение питания составляет 6 В и сопротивление динамической головки 6 Ом. Из осциллограмм видно, что амплитуда выходного сигнала не может превысить половину напряжения питания, то есть 3 В. Максимальная амплитуда тока в головке составит, следовательно, 3В/6Ом = 0.5А. Максимальная выходная мощность усилителя равна половине произведения амплитудных значений тока и напряжения и составит 0.75 Вт. Средний ток, потребляемый от источника питания в случае установки режима класса В, составляет 0,32 пикового значения, т.е. 175 мА, а потребляемая мощность — 1.05 Вт. В режиме класса АВ и ток, и потребляемая мощность несколько больше. Отсюда ясно, что в выходном каскаде надо использовать транзисторы средней мощности.

Расчет предоконечного каскада еще проще. Если мы зададимся статическим коэффициентом передачи тока выходных транзисторов (скажем, 50), то можем определить амплитуду переменного тока в их базах. Она составит 0.5А/50 = 10мА. Таким же должен быть и ток коллектора предоконечного каскада. Поскольку на резисторе нагрузки R2 падает половина напряжения питания, определяем его сопротивление: 3В/0,01А = 300Ом.

Сопротивление резистора R1 находим. умножив сопротивление нагрузки на статический коэффициент передачи тока транзистора VT1. Если он равен, например, 100, то сопротивление составит 30 кОм. Этот резистор проще подобрать экспериментально, измеряя напряжение на эмиттерах выходных транзисторов — оно должно составлять половину напряжения источника питания.

Из такого приближенного расчета ясно, что для повышения экономичности и эффективности УМЗЧ выгодно применять транзисторы с высоким значением коэффициента передачи тока.

6.2 Предварительный усилитель ЗЧ

Предварительные усилители — обычно это усилители напряжения, причем маломощные, поскольку их выход рассчитан на нагрузку от 600 Ом до нескольких десятков килоом. Как правило, они работают на высокоомный вход усилителя мощности и поэтому их выходной ток весьма мал.

Обычно предварительные усилители имеют несколько входов, рассчитанных на подключение различных источников: линейного выхода магнитофона, электромагнитного или пьезоэлектрического звукоснимателя, радиоприемника, иногда (все реже) трансляционной линии.

Требования к входным параметрам — чувствительности (минимальному напряжению сигнала, необходимому для нормальной работы) и входному сопротивлению — для разных входов отличаются. Более того, часто требуется коррекция частотной характеристики усилителя при работе с тем или иным источником сигнала. Магнитная головка, например, развивает ЭДС, пропорциональную скорости изменения магнитного потока, а следовательно, частоте. Но на высших частотах ЭДС падает из-за уменьшения эффективной толщины слоя ленты при коротких длинах волн записи, конечной ширины зазора головки и других причин. Поэтому усилитель-корректор должен иметь подъем амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) на низших и высших частотах.

Необходимое усиление для подъема уровня сигнала с единиц милливольт до долей вольта в предварительном усилителе ЗЧ получают обычно с помощью одного-двух транзисторных каскадов. Причем для упрощения усилителя часто используют непосредственную связь между каскадами по постоянному
току. Практическая схема такого усилителя приведена на рис. 39.

Входной сигнал через разделительный конденсатор С1 поступает на базу транзистора VT1, а с его нагрузки (резистор R1) — на базу VT2. Стабилизация режима транзисторов происходит так: коллекторное напряжение транзистора VT1 (обычно 1…2 В) «повторяется» на эмиттере VT2, куда и подключен резистор смещения R3. Усиленный сигнал снимается с нагрузки транзистора VT2 (резистор R4) и через разделительный конденсатор СЗ поступает на УМЗЧ.

Конденсатор С2 устраняет ООС по переменному току для звуковых частот, повышая тем самым усиление, которое в данном усилителе может достигать нескольких тысяч. Резистор R2 создает ООС в первом каскаде — она снижает усиление, но зато повышает входное сопротивление и уменьшает искажения. Его сопротивление можно варьировать в широких пределах, при его уменьшении до нуля усиление будет максимальным.

Снизить усиление можно и включением резистора последовательно с конденсатором С2, создав таким образом ООС и во втором каскаде. Уменьшением ёмкости конденсатора удастся скорректировать АЧХ, обеспечив подъем высших частот звукового спектра благодаря тому, что ёмкостное сопротивление уменьшается с частотой, уменьшая ООС на указанных частотах. Чтобы ослабить высшие частоты, нужно включить конденсатор небольшой емкости между коллектором и базой одного из транзисторов. В результате возникнет ООС, действующая преимущественно на этих частотах.

При необходимости увеличить входное и понизить выходное сопротивление усилителя на его входе и выходе включают эмиттерные повторители.

6.3. Регулирование громкости и тембра.

Регулятором громкости в УЗЧ, как правило, служит обычный переменный резистор. Однако в высококачественной аппаратуре желательно учесть психофизические особенности человеческого слуха — его чувствительность падает на низших и высших частотах при малой громкости. Это отображается “кривыми равной громкости» (рис. 40), показывающими, какой уровень сигнала нужен на разных частотах для одинаково субъективного ощущения громкости. Они соответствуют АЧХ «тонкомпенсированного» регулятора громкости, не снижающего «сочность» звучания при уменьшении громкости. Схема несложного регулятора, который использовался в электроакустическом агрегате «ВЭФ», показана на рис.41.

Входной сигнал от различных источников подводится через разъемы Х1—ХЗ к делителям из резисторов R1— R5, R8, обеспечивающим примерно одинаковые максимальные амплитуды на резисторе R8 (это регулятор громкости). С движка этого резистора сигнал подается на предварительный усилитель ЗЧ

Переменный резистор имеет два отвода, к которым подключены корректирующие цепочки R6C2 и R7C3. В верхнем по схеме положении движка резистора (максимальная громкость) они почти не оказывают влияния, конденсатор С1 замкнут, АЧХ получается ровной. При перемещении движка вниз влияние цепочек усиливается: конденсаторы С2 и СЗ шунтируют высшие и средние частоты звукового спектра, создавая относительный подъем низших частот. В то же время усиливается и роль конденсатора С1, создающего “обходный путь” для высших частот и соответствующий их подъем. В результате АЧХ регулятора примерно соответствует кривым равной громкости.

Регулировки тембра сводятся обычно к ослаблению или подъему высших и низших частот звукового спектра, в соответствии с характером передаваемой программы и вкусами слушателя. Схема регулятора (того же агрегата «ВЭФ») показана на рис. 42, а его АЧХ — на рис. 43. Переменный резистор R2 регулирует уровень низших частот (НЧ), при этом средние и высшие частоты замыкаются конденсаторами С2, СЗ и их уровень остается примерно постоянным. Цепочка C4R5C5 регулирует высшие частоты (ВЧ), токи же средних и низших частот через эту цепочку почти не протекают из-за возрастающего на этих частотах емкостного сопротивления конденсаторов C4, С5. Резистор R4 ослабляет взаимное влияние регуляторов. Номиналы деталей зависят от выходного сопротивления предварительного усилителя и входного сопротивления оконечного.

Надо иметь о виду, что описанный пассивный регулятор тембра вносит заметное общее ослабление сигнала примерно в 10 раз, что компенсируется соответствующим повышением усиления УЗЧ. Регулятор, практически не ослабляющий сигнал, получается при включении элементов регулировки в цепь ООС усилительного каскада, что довольно часто встречается в схемотехнике УЗЧ.