Принцип работы аудиоусилителя: Как работает усилитель звуковой частоты / Хабр

I’ve got the power — Усилитель: происхождение видов.

ВСТУПЛЕНИЕ

Сегодня не будет обзора. Сегодня будет ликбез. Уверен, не все из нас уделяли физике в средней школе какое-то особое внимание. Вот ваш покорный слуга как раз из таких. Конечно, мое понимание физики и ее законов не превращает окружающие процессы в чудеса и волшебство. Но все же многие вещи я воспринимаю в плоскости “как этим пользоваться”, а не “как это работает”. Усилитель мощности — ведь не так важно, за счет чего он работает, как то, как именно он работает. Надеюсь, я вас не запутал.

А что есть звук как не часть физики? Акустика как часть механики как раз таки изучает поведение звука как волны. А также все, что связано с ним: формирование, взаимодействие, преобразование и применение.

Сегодня мы рассмотрим несколько вопросов. Что есть звук, как происходит его трансформация в ток и как, собственно, осуществляется его усиление. Но не волнуйтесь. Я постараюсь сделать чтение интересным и нескучным. Как бы то ни было сложно.

ЧТО ТАКОЕ ЗВУК

Звук представляет собой упругие колебания воздуха вокруг нас. Сами колебания представляют собой волну. Волна обладает основным характеристиками — частотой и амплитудой. Они определяют тон (высоту звука) и уровень звукового давления. Другими словами, громкость. 

Волна имеет форму синусоиды, идеально симметричной, которая затухает по мере падения интенсивности сигнала, если он дискретный, а не постоянный. Длина волны синусоиды определяет частоту. Чем ниже частота, тем длиннее волна. И наоборот. 

Амплитуда — это “размах” волны синусоиды. Чем дальше друг от друга крайние точки синусоиды, тем звук громче. Если не вдаваться в подробности, то все предельно просто и понятно. 

“Но есть еще тембр звука!” — скажете вы. И будете правы, но про “окрас” стоит поговорить отдельно, если что-то выгорит из этого текста. Поэтому пока будем оперировать двумя основными характеристиками — тоном и громкостью, говоря простыми словами.  

ПРИНЦИП РАБОТЫ УСИЛИТЕЛЯ ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ

Конечно, дома мы не снимаем звук, если только не занимаемся музыкой. В быту мы имеем уже готовый аналоговый сигнал. Будь то сигнал, преобразованный цифро-аналоговым преобразователем из “цифры” или чистый аналоговый сигнал с соответствующих носителей — ленты или винила. 

В данном случае усилитель это “мэджик бокс”, который “превращает” 2В выходного напряжения ЦАПа в 40/100/500 Вт мощности на вашей акустической системе. Или в несколько Ватт на 32-омной нагрузке ваших наушников. 

Но никакой магии тут нет. Усилитель мощности “делится” частью мощности своего источника питания с акустической системой или наушниками. Разумеется, это не происходит напрямую путем деления и распределениях в лучших традициях марксизма-ленинизма. Тут задействован сложный (на первый взгляд) механизм каскадного усиления мощности звуково частоты. 

Сам же усилитель не определяет основные параметры звука — частоту и амплитуду. Он лишь копирует и усиливает сигнал, подаваемый источником напряжения. Например, ЦАПом. ЦАП задает амплитуду и тон. А усилитель лишь должен предельно точно повторить, многократно усилив сигнал на выходе. И тут вмешиваются такие понятия как шум и искажения. Но об этом дальше.

Усилитель, помимо задачи выдать заявленную по паспорту мощность, обязан сделать это прежде всего качественно. То есть с минимумов шума и искажений. И вариант взять входящее напряжение и сходу усилить его в десятки раз нежизнеспособен. Поэтому в классических усилителях используется каскад усилителей. Это цепь из нескольких последовательно подключенных усилительных узлов. Например, если их будет 3 и каждый усиливает сигнал в 2 раза, то на выходе мы получим из одного Ватта 1*2*2*2=8 Вт. То есть зависимость мультипликативна. Обычно последний из каскадов называется “выходным” и имеет единичное усиление. 

ШУМ И ИСКАЖЕНИЯ

Шумы и искажения. Это неразлучные спутники воспроизведения звуковой волны, сопровождаемые преобразованием и усилением. В современной технике искажения настолько малы и “отодвинуты” за пределы слышимости, что мы едва ли можем их поймать. Но, “благодаря” AliExpress, даже сегодня можно разжиться “мощным усилителем Hi-Fi Hi-Res супер-бас 1000Вт”, который заставит наши уши кровоточить, а колонки изрыгать нечто, не имеющего ничего общего с воспроизводимой фонограммой. 

Искажения тоже бывают разные — линейные и нелинейные. Линейные связаны с амплитудой и фазой сигнала. При прохождении сигнала через каскады усилителя может сместиться фаза. Но едва ли заметно, если только усилитель неисправен и не собран в подвале Уханя. Также случаются искажения амплитуды. В этом случае сигналы определенных частот получают коэффициент итогового усиления ниже (или выше), чем сигналы других частот. В результате амплитуда одного сигнала отличается от задуманной и той, что на входном сигнале. 

Нелинейные искажения вносят в звучание системы специфические артефакты, не связанные с амплитудой и фазой. Грубо говоря, это звуковая информация, которой нет на самой записи.  

Шум — не меньший враг, чем искажения. Шум — это паразитный сигнал, усиливающийся вместе с полезным сигналом. И шуметь может все. От источника сигнала и аварийной электропроводки в доме до элементов самого усилителя. К сожалению, если современная схемотехника помогает “увести” шумы самого усилителя за пределы досягаемости нашего слуха, то вот влияние внешних факторов снизить сложно.

Существует масса решений вроде гальванических развязок, кондиционеров питания и прочая, прочая. Но не всегда такие решения рациональны относительно системы. Стоит хотя бы избегать тех помех и наводок, которых вы можете избежать бесплатно. Когда-то я писал обзор Alo Audio Continental Dual Mono и сетовал на то, что не могу пользоваться Hiby-link на R3. Потому что при включении bluetooth усилитель ловил сильные наводки и ощутимо “шумел”. Оказалось, было достаточно перенести плеер на обратную сторону усилителя — и проблема решилась. 

КЛАССЫ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ

Разумеется, в предыдущем разделе мы коснулись только базовых моментов в работе усилителя мощности. Они могут иметь разные принципы работы с входным сигналом и способы построения усилительных каскадов. Существует достаточно большое количество классов усилителей. Это A, B, AB, C, D, H, G, A+, DLD etc. А также индивидуальные запатентованные производителями решения вроде технологии ADH, про которую я писал в обзоре малышей от Devialet. 

Часть из перечисленных классов не применяется в аудио вовсе или применяется лишь точечно. Поэтому мы рассмотрим только те классы, которые явственно присутствуют в жизни аудиофилов. И начнем с истоков.

УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ КЛАССА A

С появления первого усилителя можно вести отсчет истории “электрического” звука. Ведь до того, как в 1916 году швед из General Electric Эрнст Александерсон запатентовал первую схему усилителя, аудио имело сугубо акустическую природу. Представьте себе, классу A уже более ста лет. А родина патента делает понятнее природу обилия металл-групп в Швеции и Скандинавии в целом. Как не брать в руки гитару, ламповый “комбик” и не шпарить MDM, когда твоя страна дала миру первый усилитель?

Для рассмотрения принципа работы усилителя, возьмем и лампу, и транзистор. Лампа усиливает звуковой сигнал при помощи трех основных компонентов: анода, катода и сетки. При подаче сигнала анод и катод ведут себя привычно — анод отдает электроны, катод принимает. Сетка выступает в роли “клапана”, регулируя поток. 

Электрический потенциал сетки регулирует “свободу” прохождения электронов. То есть при определенном уровне потенциала лампу можно “закрыть” для их движения. Полезная нагрузка на сетку позволяет работать лампе как усилителю мощности. 

Как вы помните, звуковая волна имеет форму синусоиды с симметричными положительной и отрицательной частями. В базовой концепции схема усиления сталкивалась с проблемой. Если при подаче положительной части полуволны сетка будет полностью открыта, то в момент подачи сигнала отрицательной ее части, сетка полностью закрывается и препятствует прохождению сигнала в принципе. 

Для решения этой проблемы Александерсон сместил нулевую точку сигнала относительно состояния полного закрытия лампы примерно на середину ее рабочего диапазона. То есть точка середины полуволны, нулевая точка, соответствовала не закрытому состоянию сетки, а полуоткрытому. При этом при прохождении сигнала положительной полуволны сетка открывалась еще сильнее. 

Лампа лампой, а что транзистор? Транзистор работает примерно по тому же принципу, но иначе. Транзистор изготовлен из полупроводниковых материалов, которые отличаются наличием носителей как положительных, так и отрицательных зарядов. Отрицательные заряды — это электроны, которые высвобождаются из кристаллических решеток. Положительные — это “пустые” места кристаллических решеток. Эти места могут быть заняты электронами. 

Биполярный транзистор состоит из трех зон: из эмиттера, базы и коллектора. Когда на базу транзистора подается напряжение, электромагнитное поле вырывает электроны из кристаллических решеток базы и переносит их в эмиттер. Аналогичная ситуация происходит с коллектором. Это поле переносит электроны коллектора по направлению базы. Но, так как база очень тонкая относительно коллектора и эмиттера, происходит переход электронов коллектора в сам эмиттер.  

Если отключить напряжение от базы, то транзистор “закрывается” подобно лампе. Поэтому путем подачи и регулировки низкого напряжения на базе можно управлять превосходящим его напряжением эмиттера и коллектора. База в данном случае это та же сетка, которая выступает «запорным клапаном» лампы.

ОТСЕЧКА СИГНАЛА

Помните, мы говорили о волнах и полуволнах? Так вот. Усилитель в классе А не имеет отсечки сигнала на наиболее линейном участке сигнала. Это значит, что через усилительный каскад ток протекает непрерывно. А это в свою очередь говорит о низком КПД и большом количестве выделяемого тепла. Но в итоге обеспечивает минимум нелинейных искажений на любом уровне мощности. 

*Отсечка — переход полуволнами между тактами.

Для лучшего понимания отсечки сигнала рассмотрим, как это реализовано в классах B и AB. В классе B точка отсечки — это середина, граница полуволн. Отсечка происходит под углом 90 градусов. В этом режиме используется двухтактная схема, при которой каждая часть схемы усиливает свою полуволну. В результате возникают существенные искажения при переключении схем и переходе полуволн. Зато при такой отсечке сигнала достигается заметно более  высокий КПД.

Угол отсечки в классе AB больше 90 градусов. А рабочая точка перехода между схемами усиления находится не по центру линейного участка вольтамперной характеристики, а в его начале. В результате при переходе не происходит “запирания” каскада, через него проходит ток покоя. Сама же синусоида, хоть и не сохраняет идеальную форму класса A, имеет куда меньшее искажение, нежели при работе каскада класса B. В итоге появляется проблема стабилизации тока покоя и сопутствующих искажений, но это — меньшее зло. КПД при этом выше, чем при работе в классе A, но ниже, чем в B. 

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ КЛАССА A

Главное достоинство класса A — это минимальные искажения. Это достигается простотой схемы и лаконичным трактом. А также тем, что каскад находится постоянно в рабочем состоянии. Таким образом, реагируя мгновенно на изменении входного сигнала.  

Но в реальности мы имеем дело и с недостатками. Прежде всего, это самый низкий КПД из всех классов. Реальный КПД в классе A может быть разным, но колеблется от 15 до 30%. 

Как следствие, усилители в классе A могут “похвастаться” большим количеством рассеиваемого тепла. У вас есть кот? А ламповый усилитель? Наверняка, кот имеет нездоровую тягу к этой “батарее”. 

Кроме того, нагрев влияет как на стабильность работы лампы или транзистора, так и на срок его службы. Хорошо помню тепло CDM за пазухой осенними вечерами. И то, как летом Dacportable жарил сквозь тонкую ткань шорт.

Мощность. Класс A — не про нее. Если у вас монструозные “бивни” или чего похлеще, то раскачать их классом A потребует серьезных инвестиций в усилитель. Кроме того, может шокировать платежкой за электроэнергию. А в противном случае “наваливание” громкости выкручиванием до предела ручки регулировки приведет к тем самым искажениям, отсутствием которых и славится класс A. Ведь середина рабочего диапазона — точка максимальной эффективности работы усилителя — у класса A находится достаточно низко по мощности. Этого нельзя забывать, планируя покупку такого усилителя.

Еще упомяну размеры. Кроме довольно крупных габаритов, такой усилитель потребует действительно качественный блок питания для обеспечения точности звучания и динамики. Сегодня производители научились частично решать проблему КПД путем добавления энергоэффективных режимов работы. Но все равно ультимативное качество воспроизведения обеспечивает лишь самый горячий и прожорливый режим.

О ЛАМПАХ И ТРАНЗИСТОРАХ

Тема, которой лучше не касаться, дабы не быть обруганным и оплеванным. Я не буду превозносить лампу и хаять транзистор или наоборот. Я лишь расскажу о причинах, ПОЧЕМУ они звучат по-разному. И как следствие имеют своих фанатов, иногда чересчур преданных. 

Как мы уже говорили, работа усилительной аппаратуры сопряжена с нелинейными искажениями. Их причин может быть масса. В частности не качественная элементная база, плохое питание в сети, самовозбуждение транзисторов, недостаточность обратной связи. И прочая, прочая, прочая. 

Поэтому гармоники — это реальность, которую нельзя отрицать. Но можно подправить. Современная высококлассная аппаратура дает возможность сделать их незаметными для человеческого уха. Более того, профессиональные решения даже позволяют управлять гармониками для придания желаемого окраса и характера звуку.

И тут мы подходим к принципиальным отличиям между лампой и транзистором. Лампа вносит бархат и плавность в звучание, давая те самые четные гармоники. Вторая (то есть любая четная) гармоника это по своей сути та же нота, но на октаву выше. Соответственно, четвертая — на две октавы выше.  Таким образом, чётные гармоники придают звуку объем, делают его сочнее. Так как звучат слитно с основным тоном и его подчеркивают. 

Транзистор же дает нечетные гармоники. Они ощущаются ухом не столь естественно и комфортно, как четные. Но психоакустически это воспринимается как более выраженная ясность, четкость. Нередко лампу называют “медленной”, а транзистор “быстрым”. Повторюсь, высококлассная техника позволяет получить характер того или иного типа усиления, оставив за скобками их хрестоматийные эпитеты вроде “не натуральности” и “смазанности”. 

УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ КЛАССА AB

Как можно догадаться, класс AB — это гибрид классов A и B. Поэтому еще раз коснемся коренного отличия класса В от класса A. Класс A реализован на однотактной схеме, что подразумевает постоянное питание усилителя и максимальную линейность синусоиды на участке перехода одной полуволны в другую. В свою очередь класс B построен на двухтактной схеме. При которой две “половинки” усилителя усиливают каждый свою полуволну. В результате, образуется точка перехода, отсечка, о которой мы говорили выше. 90 градусов этого угла да еще в самом “тонком” месте — и в результате из-за этой ступенчатости прут искажения. 

Режим B

С одной стороны класс В дал неоспоримые преимущества. Это заметно более высокий КПД, большая мощность и меньшее выделение тепла. Ведь при нулевом сигнале (воспроизводится первая полуволна) ток через усилитель не идет. Но в момент включения транзистора (а вот и вторая полуволна) после его закрытого состояния имеет место задержка. Как правило, это отражается в низкой динамике и выразительности звучания на малых уровнях громкости.

Поэтому был предложен вариант, объединивший принципы класса A и B. Основополагающих принципа два: смещение включения и ток покоя. Этого мы коснулись, говоря об отсечке сигнала. Смещение позволяет нивелировать ступенчатость перехода. А ток покоя не дает полностью закрыться транзистору, воспроизводящему отрицательную часть полуволны. Более того, при установленных разработчиком уровнях амплитуды волны (достаточно малых) такой усилитель может работать в чистом классе A. 

В целом класс AB практически лишен недостатков. КПД, хоть и ниже, чем у класса B, но все еще достаточно высоко (70-80%). С искажениями при грамотной реализации тоже полный порядок. На малых уровнях громкости может хотя бы на бумаге не уступать классу A. Питание также не будет головной болью проектировщика. Обеспечить качественное питание такого усилителя проще и дешевле. А тепловыделение при этом будет просто смешным на фоне класса A.  При этом класс AB обеспечивает высокую мощность и может работать с любой акустикой. В том числе с низкой чувствительностью и многополосным кроссовером. 

Самая главная задача тут у производителя — это подбор транзисторов в двухтактные каскады. Так как это не однотактная схема, она требует максимальной идентичности транзисторов. Поэтому подбор наиболее идентичных пар транзисторов — первостепенная задача производителя. Чем выше класс техники, тем выше требования к допускам для полупроводников.

Последние десятилетия бытовые усилители преимущественно были в классе AB. Класс A остался чем-то вроде удела самых отъявленных аудиофилов и меломанов. Но последние годы другой класс усилителей стал уверенно и планомерно отвоевывать свое место под солнцем на стойках в наших гостинных. Это “цифровой” усилитель класса D. 

УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ КЛАССА D

Такие усилители ошибочно часто именуют “цифровыми”. Что в принципе верно, но отчасти. Да, есть технология подачи PCM-сигнала напрямую в усилитель (NAD Direct Digital). Да и сам принцип обработки сигнала усилителем класса D напоминает принципы работы цифровой техники. 

Технология довольно старая. Еще в 1951 году эта схемотехника была описана советским инженером Дмитрием Агеевым и британцем Алексом Ривзом. Проблема в том, что качество элементной базы и возможности полупроводниковой отрасли плоть до 80-х не позволяли реализовать потенциал очень перспективной технологии. Ведь КПД на бумаге вырисовывался едва ли не 100-процентный! Осталось только добиться качественного усиления исходного сигнала. А вот с этим были проблемы у всех, кто бы ни брался за класс D. 

Поэтому за классом D долгое время был закреплен негласный статус усилителей для теле/видео техники и для промышленности. А в работе со звуком им отводилась важная, но недостаточно весомая роль концертных усилителей. Когда нужна прежде всего высокая мощность и минимум сложностей с питанием. А про качество особо не думают.

Сегодня класс D — не приговор. Напротив, как гиганты отрасли в своих масс-маркет решениях, так и разработчики хай-энд аппаратуры не гнушаются применять в своих изделиях именно класс D. 

Рассмотрим принцип работы усилителя мощности класса D. В основе его работы лежит ШИМ — широтно-импульсная модуляция. ШИМ — процесс управления мощностью методом пульсирующего включения и выключения потребителя энергии. Само по себе это определение нам мало что говорит в контексте этой темы. Поэтому, чтоб понять, как это работает, идем дальше.

Сигнал, поступающий на усилитель, поддается модуляции. Это старый и распространенный метод хранения и передачи данных. Суть его заключается в том, чтобы модулировать полезным сигналом некую несущую частоту. Процесс воспроизведения подразумевает обратную последовательность: выделение полезного сигнала из модулированной несущей частоты.

При этом ЩИМ-сигнал может быть как оцифрован посредством АЦП и промодулирован, так и получен с помощью компаратора и СВЧ-генератора пилообразной частоты. Причем частота может варьироваться от десятков до сотен МГц. Первый метод более тонок и гибок. Так как обработка цифрового сигнала до его модуляции позволяет вносить изменения в сигнал ДО его усиления. И речь уже не о банальном тембр-блоке. А о более глубоких изменениях, начиная от выравнивания громкости, заканчивая добавлений эффектов эха и ревербераций. 

Усилители классов A и AB работают с синусоидальным входящих сигналом. Класс D — с импульсами прямоугольной формы. Усилителю не нужно “реагировать” на изменением амплитуды. Амплитуда ШИМ-сигнала постоянна, а длительность сигнала (его “ширина”) как раз-таки и определяет амплитуду аналогового сигнала. Таким образом, усилитель работает предельно просто. Модулированный сигнал усиливается каскадом оконечных транзисторов. А преобразование импульсного сигнала в привычный аналоговый происходит уже на самом выходе. Проще говоря, практически у клемм усилителя. Это происходит помощи фильтра низких частот, который отсекает несущую частоту генератора и шумы.

Все сводится к тому, чтобы транзистор работал с сигналом со стабильной амплитудой. Это снижает возможную “ошибку” транзистора. Сигнал в данном случае дискретен и меняется на полную амплитуду. Сам же транзистор работает в бинарном режиме, если так можно выразиться. “0” или “1”, ВКЛ или ВЫКЛ. 

Главные достоинства класса D это простота и энергоэффективность. С простотой все ясно. А в чем же причина высокого КПД, компактности и малого количества рассеиваемого тепла? Дело в том, что транзистор работает в ключевом режиме (0 или 1, ВКЛ или ВЫКЛ). Следовательно, половину времени он находится в выключенном состоянии. В теории КПД такого усилителя должен стремиться к 100%, но на практике ограничивается 80-95%. Not bad. 

Отсюда и компактность. Плата усилителя достаточно небольшая, серьезное охлаждение не требуется. Питание обеспечивается импульсным БП. Просто и экономично. Активные акустические системы преимущественно построены на классе D. За очень редкими исключениями. Их мы тоже коснемся. 

При этом питание является одним из недостатков класса D. Импульсный БП создает шум, который негативно сказывается на выходном сигнале. Тут и разработчики, и пользователи класса D едины. Импульсник по-хорошему должен быть заменен классическим линейным БП с тороидальным трансформатором. Или малошумящим импульсным БП, которые сегодня нередко встречаются на рынке. Но надо принимать во внимание стоимость таких решений. Другой вопрос отдача — замена обычного импульсного БП на малошумящий или трансформаторный зачастую заметна сразу. Куда сильнее замены проводов. 

Если решить проблему питания, то класс D видится едва ли наиболее перспективным на ближайшие годы. Такие усилители обеспечивают жанровую универсальность, отличную динамику (у транзистора нет тока покоя, он включается на полную мощность), четкость звучания и прозрачность. Нередко слышал такие эпитеты в адрес класса D, как безжизненность и ненатуральность. Оставим это адептам лампы и чистого класса A.  

КЛАССЫ G, H И ПРОЧАЯ ЭКЗОТИКА

Классов на самом деле намного больше. Стоит упомянуть некоторые, а также чуть коснуться отдельных запатентованных технологий, которые можно найти только в устройствах держателя патента.

Классы G и H возникли как результат поиска способа повысить КПД усилителей. В 1964 инженер NASA Мануэль Крамер разработал схемотехнику с разделением шин питания по напряжению и управлением переключением шин в зависимости от амплитуды входного сигнала. Впоследствии в 1977 Hitachi выпустили первый усилитель по этой схеме и дали ему имя “Класс G”. 

Классу H дал дорогу в жизнь известный новатор, разработчик и дизайнер Боб Карвер. Принцип работы у этих классов предельно похож, отличается лишь подход и исполнение. Оба эти класса работают в классе AB и по замыслу Крамера. То есть блок питания имеет возможность “реагировать” на изменение амплитуды сигнала. При этом сам БП имеет две шины питания с разным напряжением. При поступлении сигнала амплитуды выше заданной разработчиком включается вторая шина с повышенным напряжением.  

Все отличие лишь в процедуре переклчюения шин. Если в классе G это происходит ступенчато, то есть напряжение повышается дискретно (V1 -> V2 ->V1+V2), то в классе H блок питания имеет несколько шин, и может включать их в зависимости от амплитуды, плавно повышая уровни напряжения от минимального к максимальному. В остальном — это тот же класс AB со всеми вытекающими. Лишь с вариациями на тему питания.

Говоря о классах, которые встречаются в устройствах отдельных производителей, можно упомянуть, например, Cambridge Audio с их классами XA и XD. За основу их работы взят класс AB. Но точка переключения между “зеркалами” каскадов перемещена ниже нулевой. То есть первый транзистор из пары воспроизводит полностью положительную полуволну и часть отрицательной. Разница между XA и XD лишь в степени смещения точки переключения и части отрицательной полуволны, которую воспроизводит первый транзистор из пары. 

Уже упомянутые NAD с их Direct Digital используют вариации на тему класса D. PCM-поток преобразуется в ШИМ-сигнал без цифро-аналогового преобразования. Это позволяет усовершенствовать оптимизацию и тонкую настройку звучания. Так, NAD очень плотно сотрудничает с Dirac и успешно применяет их технологию настройки звучания аппаратуры. 

Не совсем из области «большого» звука, но также приходит на ум Questyle с их запатентованной технологией усиления по току. В этом случае транзистор имеет два входа, второй, инвертирующий, вход используется для отрицательной обратной связи и управляется не напряжением, а током. Преимуществом этой технологии принято считать большую скорость работы. 

Небезызвестные норвежцы из Hegel используют похожую в общем схему. Но разделяют усилитель фактически на две секции. Одна работает по напряжению, вторая — по току. Благодаря чему удается оградить чувствительные элементы секции, отвечающей за усиление по напряжению, от высоких токов, отдаваемых акустическими системами в выходной каскад, т.е. обратная связь между этими каскадами отсутствует.

Недавно у меня на обзоре побывали малыши (по размеру, не по стоимости) от французской компании Devialet, активные моно-колонки Phantom II. Я обещал исключения, когда активная акустика работает не в классе D — вот оно это исключение. Не буду еще раз описывать, как работает запатентованная Пьером-Эммануэлем Калмелем технология ADH. Приглашаю вас отдельно почитать про “призраки”. Но тут реализован интересный замысел, при котором управляет напряжением усилитель в классе A. А ток модуля ADH задает кластер, работающий в классе D. В результате мы имеем предельно линейный синус и в то же время высокие КПД, мощность и отличную динамику. Даже в не очень малом помещении. Звук, несмотря на всю несерьезность габаритов акустики, вовсе не теряется в помещении, а напротив — пытается заполнить все углы и щели.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

То, что планировалось как мини-ликбез сперва обросло подготовительной частью, а затем ушло в дебри всякой усилительной экзотики. Зато теперь вы, дорогие мои, чуть лучше понимаете, как устроен волшебный ящик, питающий вашу акустику.  

Какой главный вывод из этой статьи? Любой усилитель, на каскадах какого бы класса он не был сделан, может звучать отлично. Можно испортить класс A, а класс D можно сделать превосходно звучащим. Вопрос реализации и степени вовлеченности разработчика в процесс и в конечный результат. И под конечным результатом я понимаю не деньги. Или не только деньги.  

Принцип и решение POP звука в аудиосистеме

оглавление

Каталог статей

Аудио ИС и последовательность включения ИС усилителя мощности и последовательность включения функционального модуля

Здесь подчеркиваются последовательность включения и последовательность включения. Последовательность включения относится к последовательности подачи или выключения питания различных микросхем в системе, а последовательность включения — это последовательность включения или закрытия функциональных модулей, управляемых каждым управляющим сигналом, после того, как питание системы стабилизируется. .
Для последовательности питания, поскольку выход большинства аудио IC нестабилен при включении и выключении, конечно, IC усилителя мощности или другие IC также могут быть нестабильными, поэтому идеальный источник питания включается. Сроки:

Сначала включается аудио IC, затем включается усилитель.

Напротив, идеальная последовательность действий при сбое питания:

Сначала выключается усилитель мощности, затем отключается аудио IC.

• Включить Но, вообще говоря, напряжение источника питания усилителя мощности будет выше, чем на аудио IC, что приведет к включению аудио IC раньше аудио IC. В это время необходимо убедиться, что SD / SHDN / EN / STB усилителя мощности IC должен быть в низком состоянии, чтобы избежать звука. Для тона POP, сгенерированного по ошибке во время включения питания IC, дождитесь стабилизации напряжения смещения аналогового выхода основного чипа перед включением SD. Точно так же, когда питание отключено, сначала необходимо опустить SD интегральной схемы усилителя мощности, чтобы избежать вывода звука POP при отключении питания аудиосистемы. Нетрудно увидеть, что усилитель мощности может находиться в состоянии ожидания через понижающий резистор SD при включенном питании;

• Выключить Есть две ситуации, когда питание отключено: Если процесс выключения контролируется программным обеспечением, IO можно использовать для управления SD, который будет отключен первым во время процесса выключения питания. Если питание оборудования неожиданно отключается, последовательность отключения питания между портом ввода-вывода, который управляет SD, и источником питания IC усилителя мощности не может быть определена, поэтому для быстрого отключения SD необходима схема обнаружения отключения питания. Подробная схема будет объяснена позже.

• MUTE Некоторые ИС усилителя мощности имеют контакты MUTE и STB. Когда MUTE активен, механизм действия заключается в коротком замыкании входной клеммы на землю внутри микросхемы, и другие схемы поддерживают нормальную работу, а когда STB активен, цепь смещения Vbias отключается. Позже будет объяснено, что переходной процесс Vbias вызовет звук POP, поэтому последовательность действий MUTE может использоваться для эффективного подавления шума переключателя. Когда микросхема усилителя мощности включена, оставьте MUTE и SD действующими (отключенными) .После стабилизации питания сначала отключается STB, а затем отключается MUTE. При отключении питания перед подготовкой к отключению сначала включите MUTE, а затем включите STB, пока VCC не станет 0. Причина в том, что тон «POP», вызванный операцией MUTE, меньше, чем тон, вызванный работой STB. Другая причина заключается в том, что независимо от того, активен ли MUTE или нет, импульс Vbias, вызванный переключателем STB, определенно будет мешать выходу усилителя мощности.Поэтому необходимо отключить шум, который может быть вызван аудиовходом, до того, как сработает STB.

Согласование импеданса между INP и INN входа IC усилителя мощности

Усилители мощности, используемые в общем электронном оборудовании, представляют собой усилители мощности с аналоговым входом класса D. Аналоговый вход этого типа усилителя мощности должен работать со смещением постоянного тока (Vbias) для нормальной передачи аудиосигналов переменного тока. Упрощенная модель входного каскада выглядит следующим образом:

После включения усилителя мощности, когда SD поднимается до высокого уровня, чтобы включить усилитель мощности, напряжение смещения возрастает с 0 В до номинального напряжения смещения. Продолжительность этого процесса зависит от внутреннего источника питания смещения. Скорость зарядки сети с внешним сопротивлением.

Процесс установления входного напряжения смещения дифференциальных входов INN и INP усилителя мощности показан на рисунке выше. Если входное напряжение смещения входных дифференциальных клемм P и N установлено на разных скоростях, два момента времени будут формировать дифференциальный сигнал. Усилитель входной мощности усиливается и выводится для формирования звука POP. Эта ошибка напряжения смещения вызвана несоответствием импеданса между N и P. Эта ситуация более вероятна, когда дифференциальный вход используется как несимметричный вход. Ниже приводится сравнение дифференциального входа и несимметричного входа:

Типы	Полуволновое выпрямление	Полноволновое выпрямление
Способность к шумовым помехам	Сильное подавление синфазного шума	Нет функции подавления, необходимо обратить внимание на распределение проводки аудиосигнала и заземления
Включение / отключение звука POP	Убедитесь, что точка входа входной строки	Необходимо обратить внимание на сеть и схему управления. Сеть схемы за пределами вывода P / N должна быть согласована по сопротивлению. Старайтесь не использовать сложную сеть фильтров на входе. При необходимости выберите операционный усилитель для фильтрации и регулировки усиления. (Характеристики высокого входного импеданса и низкого выходного сопротивления повторителя операционного усилителя очень подходят для изоляции, фильтрации и усиления)
DC обнаруживает ложный запуск	Обычно не запускается по ошибке	Необходимо обратить внимание на дизайн сети
мощность	–	Для достижения такой же выходной мощности звука, как у дифференциального входа, входной уровень несимметричного сигнала должен в два раза превышать уровень дифференциального сигнала.

Однако в практических приложениях, поскольку большая часть аналогового аудиовыхода основного чипа находится в несимметричном режиме, он должен быть настроен как несимметричный вход. Как показано на рисунке ниже, освобожденный дифференциальный сигнал передается на землю через конденсатор.

Внешние импедансы Zn и Zp контактов P и N обычно регулируются в соответствии со спецификациями, предоставляемыми ИС усилителя мощности. Основой настройки является кривая частотной характеристики, искажения, отношение сигнал / шум и т. д. параметр. В некоторых случаях регулировка величины внешнего импеданса может сыграть роль в подавлении шума POP. Например: время запуска усилителя мощности составляет 30 мс, что относится ко времени задержки между повышением уровня SD и началом вывода усилителя мощности. Если время стабилизации заряда сети с входным импедансом при запуске составляет менее 30 мс, усиленный сигнал дифференциального входа, вызванный рассогласованием импеданса, не будет вызывать шума. Следовательно, соответствующее уменьшение входной емкости (уменьшение импеданса) на приведенном выше рисунке может уменьшить время установления входного каскада, тем самым избегая генерации POP.

Фактически, даже если время установления входного каскада достаточно короткое, уменьшение входной емкости все же может подавить POP. Это связано с тем, что уменьшение входной емкости приведет к уменьшению низкочастотного усиления входного сигнала, поэтому общий уровень усиления будет Уменьшение, в том числе шума POP, особенно когда шум имеет богатый частотный спектр на низких частотах, эффект более очевиден.

Метод проверки согласования импеданса: после появления звука POP сначала проверьте программное обеспечение, чтобы запретить выходной сигнал аудио IC. В это время контролируйте уровень вывода SD, чтобы имитировать процесс переключения усилителя мощности. Если POP исчезает, это означает согласование импеданса P / N и усилителя мощности Нет проблем с частью цепи; если POP все еще существует, выполните следующие действия.

Отсоедините выход звуковой ИС и заземлите часть входной цепи усилителя мощности через тот же конденсатор, постарайтесь убедиться, что внешний импеданс P / N одинаков и нет помех входного сигнала. В это время контролируйте процесс аналогового переключения уровня вывода SD. Если звук POP все еще существует, это означает, что звук POP вызван другими причинами; если POP исчезает, это означает, что импеданс P / N исходной схемы не совпадает; если POP становится меньше, это означает, что исходный Несоответствие импеданса схемы P / N — это лишь одна из причин, но есть и другие факторы, которые могут вызвать звук POP.

Увеличьте конденсатор фильтра VBIAS

Для аудиоинтегральных схем обычно есть вывод, называемый Vbias, Vref, Vmid, Vsvr, bypass или micbias и т. Д. Это внутреннее опорное напряжение постоянного тока, то есть для внутреннего контура к работе, необходимо установить это напряжение смещения. В приложении внешний байпасный электролитический конденсатор обычно подключается к земле для фильтрации шума. Для стабильной работы положительной одиночной системы питания ее значение напряжения приблизительно равно 1/2 В. Увеличение емкости этого конденсатора может подавить шум POP. Когда микросхема включена или включен EN, напряжение смещения постоянного тока начинает нарастать, постепенно увеличиваясь от 0 В, заряжается конденсатор фильтра Vbias, через определенный период времени напряжение повышается до 1/2 В постоянного тока, микросхема может работать, вывод аудиосигнала Он основан на колебаниях этого постоянного напряжения вверх и вниз. Аналогично, когда питание отключено или EN не включен, конденсатор фильтра разряжается и напряжение смещения начинает падать. Эксперименты доказали, что переходный процесс напряжения смещения будет производить звук POP. Как показано на рисунке ниже, увеличение конденсатора фильтра может уменьшить амплитуду импульса во время переходного процесса, расширить импульс и уменьшить звук POP. (Красная линия — это источник питания Vbias, а синяя линия — связанный выход)

Некоторые аудиочипы содержат блок схемы фиксированной задержки. После включения питания, после фиксированной задержки, Vbias начинает медленно повышаться, пока не стабилизируется; когда микросхема выключена, Трудно отложить время до начала спада, но его все еще можно замедлить. Пока эквивалентное сопротивление разряда больше эквивалентного сопротивления при включении питания.

Следует отметить, что слишком большой конденсатор фильтра увеличивает время настройки микросхемы и вызывает у людей ощущение задержки звука. Кроме того, если емкость слишком большая, THD + N (гармонические искажения + шум) аудиосистемы будет хуже, поэтому нам нужно обратить внимание.

Выход BTL и выход SE

Подобно выходу аудио IC на усилитель мощности, существует разница между несимметричным и дифференциальным выходом, когда усилитель мощности выводится на SPEAKER или аудио IC напрямую выводится на SPEAKER. Это режим SE и режим BTL, как показано на следующем рисунке:

В основном это похоже на разницу между несимметричными и дифференциальными сигналами, описанную в предыдущем вопросе. Ниже приведена разница между формами выходных сигналов SE и BTL при одинаковых условиях. Можно ясно видеть, что способность BTL подавлять синфазный шум и POP значительно выше, чем у режима SE.

В практических приложениях большая часть выходных сигналов находится в режиме BTL. Две формы схемы двух структур BTL представлены ниже.

На рисунке слева показаны два блока усиления, соединенные и сформированные параллельно. Один и тот же входной сигнал поступает на входные клеммы «+» и «-» двух блоков усиления AMP1 и AMP2, но делает их Увеличение остается прежним, а фаза противоположная. Коэффициент усиления AMP1 составляет -R9 / R8 = -2, а коэффициент усиления AMP2 составляет 1 + R11 / R12 = 2.

Изображение справа каскадно, AMP3 перевернут, а усиление AMP4 составляет -R14 / R13 = -1. Фактически, выход AMP3 будет иметь определенную задержку после реверсирования AMP4, поэтому эта структура имеет немного худший эффект подавления звука POP, обычно в устройствах с низким энергопотреблением.

Кроме того, существует другая структура, структура OCL, которая очень похожа на структуру BTL.Преимущество того, что частотная характеристика системы может быть расширена до очень низкого диапазона.

Уменьшите выходную емкость связи

①Isolate в Vbias опорного напряжения постоянного тока
②Связав аудиосигнал переменного тока, он формирует фильтр верхних частот первого порядка с нагрузкой динамика.

Поскольку частотный спектр шума и звука POP находятся на высоких частотах, емкость можно соответствующим образом уменьшить, чтобы уменьшить звук POP, но следует обратить внимание на потерю усиления звука и общее качество звука, что требует баланса.

Внешнее отключение и обнаружение включения

Когда программное обеспечение не может эффективно контролировать EN или MUTE последовательности включения и закрытия ИС усилителя мощности, необходима внешняя схема обнаружения включения и выключения питания.

Если EN или MUTE имеют высокий уровень для выключения ИС усилителя мощности, низкий уровень включает ИС усилителя мощности. Тогда цель схемы обнаружения состоит в том, чтобы быстро изменить EN на высокий уровень в момент включения и выключения и поддерживать или поддерживать его в течение определенного периода времени, а также дождаться, пока аудио IC и IC усилителя мощности будут управляться IO или перейдут на низкий уровень после включения питания. Схема показана на рисунке ниже.

Следует отметить несколько деталей:

①Скорость включения источника питания схемы обнаружения является максимально высокой, чем скорость включения усилителя мощности и источника питания звуковой ИС.
② Источник питания схемы обнаружения можно выбрать больше, чтобы гарантировать, что ток D2 больше, когда он включен, а скорость разряда C2 выше, когда питание отключено.
③ Базовое сопротивление R2 не может быть слишком большим, иначе это повлияет на ходовые качества Q1.

Если EN или MUTE имеют низкий уровень, чтобы выключить ИС усилителя мощности, и высокий уровень, чтобы включить ИС усилителя мощности, то логика прямо противоположна приведенной выше. Вы можете добавить триодную обратную схему после указанной выше схемы.

Если вам необходимо использовать указанную выше схему обнаружения, рекомендуется преобразовать выход и управляющий ввод-вывод указанной схемы в определенную логику. Две логики разных уровней соответствуют следующим схемам:

Наконец, я расскажу об особом случае. Если известный сигнал сразу станет низким в момент сбоя питания, например, некоторые конструкции будут заземлять сигнал через переключатель. Выполните выключение. Это EN управление для отключения питания станет очень простым, конечно, это ограничивается только применением EN низкоуровневого усилителя мощности отключения. Как показано ниже:

цены от 224550 руб. на Усилители звука Burson Audio.

Вес, кг 8

Высота, мм 80

Выход на наушники на лицевой панели нет

Гарантия 1 год

Глубина, мм 255

Количество аналоговых входов XLR 1

Коэффициент нелинейных искажений, % 0,03

Количество линейных входов RCA стерео

Максимальная частота, Гц 50000

Мостовой режим есть

Особенности — Стерео режим / монофонический мостовой режим — Полностью дискретная схема — Заказной алюминиевый корпус с эффективным рассеиванием тепла — Полностью симметричный входной каскад на полевых транзисторах — Работа в классе А/В 3 режима работы: стерео –

Потребляемая мощность, Вт 300

Соотношение сигнал/шум, дБ 98

Страна (главный офис) Австралия

Тип Усилитель мощности

Цвет серебристый

Ширина, мм 265

Мощность на канал (8 Ом), Вт 80

Bluetooth нет

Wi-Fi нет

Встроенный ЦАП нет

Стрелочный индикатор нет

Эквалайзер нет

Каналов усиления 2

Пульт д/у нет

Выход на наушники Нет

Регулятор громкости есть

классификация, характеристики, сферы применения — Ozon Клуб

Группы и классы усилителей звука

Начнём с базового понятия – класс усилителя. Под этим термином подразумевают уровень сигнала, который выдает устройство после того, как сигнал поступил и изменился в необходимом диапазоне за один цикл.

Усилители звука разделяют на классы. Из них формируются две большие группы. Выделение класса происходит на основе линейности схемы усиления звука. Каждый разряд преобразователей называют буквами латинского алфавита. Усилитель, названный сочетанием букв, разработан на базе двух отдельных классов для того, чтобы соединить их преимущества.

Формирование классов преобразователей началось в 20-е годы прошлого столетия. До 1955 появились типы А, B, С, а с 60-х годов начался новый этап. Усилителям пришлось пройти долгий путь усовершенствования, на котором старые модели становились прототипами новых. Таким образом, получаются поколения, но каждое новое выходит с отдельным названием. Например, разряды G и H обязаны появлением усилителю разряда В.

Также стоит отметить, что разные сферы электроники создают свои специальные классы. Порой разобраться в усилителях бывает трудно из-за того, что различные производители по-своему называют одинаковые классы. Самые распространенные типы усилителей: A, B, AB, C, D, F, G, S, H, T.

Те устройства, которые имеют похожие характеристики проводимости, а транзистор находится между включением и выключением, формируют первую группу: A, B, AB, C.

Переключающимися усилителями называют другую группу, это: D, E, F, G, S, H, T. Интенсивная модуляция – базовый принцип для изменения звука таких преобразователей. А при помощи цифровых методов добиваются постоянного сигнала между «вкл.» и «выкл.», что обеспечивает необходимый сигнал в диапазоне насыщения на выходе.

Как работает усилитель? Сначала ток встречает на своём пути динамик. Пройдя его, поступает на транзисторы, а те работают по принципу крана – то пропускают, то перекрывают электричество. Как закрываться или открываться, транзисторам указывает специальный сигнал.

Характеристика классов

Усилители класса А дают пользователям возможность устанавливать рабочий режим на линейном участке. Такая настройка обеспечивает эталонное качество звука.

Транзистор устанавливают так, чтобы электрический поток проходил через колонки постоянно, даже когда главный сигнал не входит. Ток одинаковый при нуле (на холостом ходу) и при нагрузке – характеристика, свойственная усилителям только этого класса.

Устройства типа А выделяют много тепла, поэтому их оснащают габаритными системами охлаждения. Также это не позволяет сделать такие приборы более мощными: им нужно время и большое количество энергии, чтобы прогреться для работы. Таким усилителям звука свойственно КПД 40% – это их недостаток.

Усилители класса B создавались для замены А, чтобы максимально убрать минусы.

Для этого разработчики установили пару дополнительных транзисторов, которые улучшают только свою половину сигнала. Ток в режиме покоя равен нулю, а это значит, что нет смещения. Таким образом, КПД устройств повысилось.

Фактически разряд B лучше, чем его предшественник, но уступает классу А по качеству звучания. Это обусловлено тем, что два транзистора усиливают отдельно свою половину волны. Поэтому при переходе сигнала от одной части к другой возникает ступенька, а при низком уровне сигнала на входе звук искажается очень сильно.

Из названия класса «АB» становится понятно, какую цель преследовали создатели таких усилителей. Объединение всех положительных качеств предыдущих устройств дало такой результат:

• конструкция усилителя больше походит на класс B
• транзисторы проводят сигнал одновременно и близко к точкам, где пересекаются осциллограммы
• функцию кранов транзисторы выполняют так, что система вынуждена держать их открытыми почти всегда – это убирает проблему долгого разогрева перед началом работы
• технические особенности значительно уменьшают искажение звука усилителями и поднимают КПД до 50%.

Разряд С не подходит для работы с акустической техникой из-за существенных искажений звука на выходе. Так получается, потому что точку работы сильно сместили по отношению к середине линейного участка на транзисторе.

Сами по себе такие приборы очень продуктивны. Они выдают показатель КПД 80%. Это служит причиной использования преобразователей в радиоприборах и генераторах.

В усилителях класса D принцип работы транзисторов серьёзно отличается от предыдущих разрядов – они функционируют исключительно в режиме «открыт» или «закрыт». А поскольку самое большое количество тепла выделяется при переключении режимов, усилителям этого разряда не свойственно нагреваться.

Такие преобразователи называются нелинейными. Они характеризуются высоким КПД с небольшими затратами электроэнергии. Устройства D легко определить по повышенному КПД (до 98 %), а также экономному расходу электроэнергии.

Самые обычные преобразователи класса D работают по принципу усиления широтно-импульсной модуляции частот меньше 50 кГц. Это их характеризует как устройства аналогового типа, а также определяет качество. Приборы имеют небольшие размеры, вес, цену.

Все эти преобразователи звука считаются более или менее универсальными, а для индивидуальных случаев и конкретных задач существуют другие классы усилителей.

Преобразователи разрядов H-G отличаются от AB лишь наличием большего количества источников напряжения. Такая особенность поднимает значение показателя КПД, уменьшает нагрев, снижает количество потребляемой энергии. Но в таких усилителях искажается звук так, что использовать их с аудиоустройствами нельзя.

Усилитель типа F имеет КПД 90%, что акцентирует их прогрессивность. Чтобы избежать снижения коэффициента полезного действия в таких усилителях, ток и напряжение разделяют. Такое распределение на выходном каскаде называют гармоническим.

Этот вид преобразователей иногда ещё называют «экономичным» или «оптимальным классом С».

Преобразователь класса S работает с КПД 100%. Это нелинейные устройства, напоминающие своими характеристиками класс D. Они делают из аналогового сигнала цифровой, а также усиливают его.

Цифровые преобразователи класса Т оборудованы микросхемами, которые повышают частоты сигналов.

Сферы использования разных классов

Начнём, пожалуй, с самого распространённого класса – D. Эти цифровые устройства (а также аналоговые АВ) хорошо работают для домашней звуковой системы. Обратите внимание, что на усилителях обоих видов должны быть пометки «sound».

В машинах хорошо работают преобразователи класса А, В, АВ, D. АВ самый востребованный класс среди автолюбителей. Он гарантирует звук нормального качества, мощность, чистоту, высокий показатель КПД. Также АВ может работать с сабвуферами мощностью 500-600 Вт.

Разряд D достаточно дорогой, поэтому мало кто из водителей авто их покупает.

Устройства класса D из менее мощной категории часто используют в:

• мобильной технике
• портативной технике
• колонках с соединением Bluetooth
• сабвуферах

Усилителям типа D производители дали широкий спектр возможностей. Это любимые приборы профессиональных музыкантов: почти не греются, не требуют долгой раскачки, во время работы не производят фонового шума, обеспечивают хорошее звучание в маленьких помещениях.

Так же качественно представители класса D работают с digital-сигналом. Они оборудованы специальным преобразователем сигнала из формата PCM в DSD. Эта функция убирает ненужные дополнительные преобразования из аналогового сигнала в цифровой. Процессор DSP исправляет все искажения звука, которые фиксирует специальный микрофон.

Преобразователи класса А почти не используются – за исключением тех случаев, когда нужно настроить акустическую систему для больших площадей.

Устройства класса Т имеют многоканальные элементы звучания в формате 3D, которые очень пригодятся для работы домашнего кинотеатра. 

Подключение трансляционных усилителей и громкоговорителей

В этой краткой статье мы рассмотрим основные особенности подключения трансляционных усилителей и громкоговорителей. Мы не станем описывать «Почему», не будем приводить формулы расчетов подключений, мы просто опишем «Как».

Трансляционное оборудование принципиально отличается от техники, которую мы привыкли использовать у себя дома или от профессиональных концертных или клубных систем. Основная особенность трансляционных систем это использование в усилителе согласующего трансформатора, который выдает в линию сигнал с уровнем 100В (в некоторых случаях может быть 30В, 240В, но эти случаи мы рассмотрим отдельно). Такое напряжение позволяет (в отличии от домашних или профессиональных усилителей) проводить протяженные трансляционные линии до сотен метров (возможно примерно до 1 км, но при условии подбора подходящего кабеля). Громкоговорители, которые используются совместно с трансляционными усилителями также должны содержать понижающий трансформатор и иметь соответствующее входное напряжение 100В (соответственно в некоторых случаях 30 или 240В).  Важно помнить, суммарная мощность подключаемых трансляционных громкоговорителей не должна превышать мощность усилителя (в отличии от профессиональных акустических систем и усилителей, где рекомендуется обратное правило). В отличии от профессионального оборудования, у которого  подключение нескольких акустических систем на один усилитель может вызвать определенные трудности (последовательно-параллельная схема подключения), трансляционная техника избавляет нас от подобных сложностей. На схеме ниже, вы можете посмотреть общий принцип подключения трансляционных громкоговорителей к усилителям ROXTON AA-35/60/120/240/360/480 и линейки серии MA-60/120/240/360. Данная схема подключения вполне актуальна для техники других производителей.

Общая схема подключения 100В трансляционного усилителя выглядит примерно так:

Подключение 100В трансляционных громкоговорителей на выход усилителя 70В.

Большинство 100В трансляционных усилителей, помимо основного выхода 100В в линии громкоговорителей, имеют также выход 70В. При подключении громкоговорителей на этот выход, их мощность падает в два раза, но максимальное количество подключаемых громкоговорителей может быть также увеличена вдвое. Например к усилителю мощностью 30 Вт можно подключить не более 3-х громкоговорителей мощностью 10Вт на 100В выход. На 70В выход усилителя возможно подключение 6-ти 10Вт громкоговорителей.

Подключение трансляционных громкоговорителей к многозоновым усилителям.

Многозоновые усилители ROXTON серии AZ-120/240/360/480/560/650, серии MZ-120/240/360 а также комбинированные системы оповещения SX-240/480 позволяют подключать несколько шлейфов акустических систем для организации на объекте многозонового вещания. Подключение производится отдельными шлейфами на пронумерованные пары клемм. У этих усилителей также имеется общий выход 100В, 70В и 4 Ом, которые используются при отсутствии необходимости делить территорию предприятия на отдельные зоны трансляции. В этом случае используется соответствующий общий выход усилителя.

Можно ли подключать трансляционные усилители одного производителя к громкоговорителям другого производителя.

Конечно можно. Но важно учитывать тот момент, чтобы совпадали выходное напряжение усилителя и входное напряжение громкоговорителей. Наиболее распространенной техникой в данном сегменте рынка является 100В оборудование (и усилители и громкоговорители), однако могут использоваться системы с напряжением в сети 30В, 120В и 240В. Если к 100В усилителю подключить 30В громкоговорители ничего хорошего не произойдет и мы категорически не советуем поступать таким образом (хотя надо отметить, что были случаи подобного использования техники, но они требуют чрезвычайной аккуратности и мы не станем рассказывать о подобных экспериментах, что бы вообще не вводить в искушение поступать подобным образом). К усилителю с выходным напряжением 30В можно спокойно подключать 100В громкоговорители, но потери мощности (фактически громкости) будут совершенно неприемлемы. Сочетание 100В усилителей  и 120В громкоговорителей приемлемо, будет некоторая потеря мощности. 120В усилители и 100В громкоговорители в принципе работать будут, но мы очень не рекомендуем использовать подобную схему.

Подключение трансляционных громкоговорителей.

Мы здесь остановимся только на 100В схемах подключения громкоговорителей. Какие выходы усилителя необходимо использовать для подключения трансляционной акустики Вы можете посмотреть на схемах выше. Как правило это клемма «0» (в некоторых случаях обозначается как «СОМ») и клемма «100В».

На картинке ниже мы видим шильдик громкоговорителя (к примеру PA-20T). На нем помимо указания модели, входного напряжения и номинальной мощности есть еще три надписи, обозначающие цвета и назначение проводов выходящих от громкоговорителя.

1. BLUE: COM (т.е. синий провод — общий, он подключается всегда на клемму усилителя «0» или «СОМ»)
2. RED: 20 Вт (т.е. красный провод используется для подключения громкоговорителя на мощность 20 Вт, этот провод заводится на клемму усилителя 100В)
3. YELLOW: 10 Вт (т.е. желтый провод используется для подключения громкоговорителя на мощность 10 Вт, этот провод заводится на клемму усилителя 100В)

Подключение громкоговорителя на 20 Вт.

 Подключение громкоговорителя на 10 Вт.

В некоторых случаях вместо проводов используются таким же образом подписанные клеммные колодки (например СОМ; 10 Вт; 5 Вт; 2,5 Вт), в этом случае подключение еще проще, соединяем 0 (СОМ) на усилителе с 0(СОМ) на динамике, а 100В клемму усилителя соединяем с выбранной мощностью, на которую необходимо подключить громкоговоритель.

Совсем простой является схема, когда из громкоговорителя выходят всего два провода (или стоит одна колодка с двумя клеммами), а на корпусе громкоговорителя установлен подписанный переключатель, позволяющий  просто установить регулятор в нужное положение, на нужную мощность.

Как подключать громкоговоритель, если не аказаны значения мощности, а обозначены только сопротивления отводов громкоговорителя.

Действительно, в некоторых типах акустических систем не указана возможная подключаемая на конкретный отвод мощность. Если с «общим» отводом («СОМ» или «0») всё понятно, то другие отводы, как на картинке внизу , могут обозначаться различными сопротивлениями.

В примере 1 (рупорный громкоговоритель Inter-M HS-20, 20/10Вт) мы видим общий отвод «СОМ» — черный провод (BLACK), а также несколько сопротивлений — 8 Ом (RED), 500 Ом (WHITE) и 1 кОм (GREEN).  Отвод 8 Ом (RED) предназначен только для подключения к низкоомным выходам усилителя и используется в трансляционной технике редко. Если Вы видите обозначение отвода громкоговорителя 4 или 8 Ом, то про него можно сразу забыть, использование этого отвода возможно только если сам усилитель мощности не является трансляционным и имеет только низкоомные выходы. (то же самое можно,кстати сказать про выходы трансляционных 100В усилителей 4-8-16 Ом, эти выходы используются в обратной ситуации, когда в силу тех или иных причин к трансляционному усилителю необходимо подключить бытовые, профессиональные или любые иные акустические системы с входным сопротивлением 4-8 Ом). Остаются два отвода — 500 Ом (WHITE) и 1 кОм (GREEN). Правило в данном случае простое, чем меньше сопротивление, на которое вы подключаетесь, тем большую мощность выдает громкоговоритель. Мы в этом примере рассматривали громкоговоритель HS-20 мощностью 20 и 10 Вт. При подключении на 500 Ом, громкоговоритель будет «играть» на 20 Вт, при подключении на 1 кОм он будет выдавать 10 Вт. Существуют формулы расчета соотношения сопротивления и мощности которые мы не станем приводить в рамках данной статьи. Просто можно запомнить: чем меньше сопротивление на которое вы подключаете громкоговоритель (8 Ом вообще не учитывать!), тем на большую мощность он будет работать.

В примере 2 мы показали обозначения громкоговорителя CS-810 мощностью 10 и 5 Вт. Что бы подключить акустическую систему на полную мощность (10 Вт) мы подключаем клеммы «СОМ» и 1 кОм, для подключения громкоговорителя на половину мощности (5 Вт), используем клеммы «СОМ» и 2 кОм.

Одинаковые громкоговорители в одной трансляционной линии можно подключать на различные мощности. Например часть акустики можно включить на полную мощность, часть на половину и часть на треть. Также можно в одну трансляционную линию подключать различные типы акустических систем (и различных производителей в том числе). Для подсчета нагрузки на данную трансляционную линию необходимо просто сложить все значения подключенной мощности на каждом громкоговорителе в линии.

Сколько громкоговорителей можно подключить к трансляционному усилителю.

Правило простое. Суммарная мощность акустических систем не должна превышать мощность усилителя. Желательно даже оставлять некоторый запас. Поэтому при подборе трансляционного усилителя необходимо учитывать возможность расширения системы. Если вы купили 12 громкоговорителей мощностью по 10 Вт и усилитель мощностью 120Вт, то для подключения дополнительной акустики не остается никакого резерва (разве только переподключить все громкоговорители на часть мощности).

Также отметим важный момент, некоторые многозоновые усилители не позволяют, например, подключить на отдельную зону мощность, превышающую примерное значение мощность самого усилителя, поделенную на количество зон. Так например, усилитель JPA-1120A с селектором на 5 зон трансляции не позволяет подключить более 25Вт на каждую зону трансляции. В этом случае, не смотря на то, что суммарная мощность громкоговорителей может быть существенно ниже мощности самого усилителя, при необходимости подключить на отдельную зону трансляции (например) нагрузку в 50Вт, необходимо или покупать усилитель, который позволяет включать такую нагрузку на отдельную зону трансляции или различными способами (иногда затратными, иногда неудобными) решать эту проблему.

Все усилители ROXTON, которые представлены на нашем сайте позволяют подавать на отдельную зону трансляции хоть всю подключаемую мощность, поэтому выше изложенный нюанс к ним отношения не имеет.

Можно ли использовать одновременно 100В выход усилителя и выход 8 Ом.

Нет. Нельзя.

Какой кабель использовать для подключения трансляционных громкоговорителей и усилителей.

Специальный акустический кабель (который используется в профессиональном звуке) использовать не стоит. Как правило системы радиотрансляции прокладываются обычным электрическим проводом сечением 0, 75мм и выше (ШВВП-2*0,75, любой ПВС и т.д.). Чем больше длинна трансляционной линии, тем с большим сечением должен использоваться кабель.

Вы можете использовать такую формулу для расчета сечения кабеля:

Минимальное сечение = 0,08 * (длину линии) * (суммарную мощность громкоговорителей в линии) / 10 000

Но, желательно не меньше 0,75 мм (ШВВП 2*0,75 например)

Для 100В систем пределом является расстояние около 1 км, при этом стоимость кабеля для прокладки сети на подобные расстояния может значительно увеличить стоимость самой системы. При построении систем оповещения людей о пожаре целесообразно использовать специальные огнестойкие кабели, марку которых Вам подскажут специалисты нашей компании.

Как работает усилитель звука (УНЧ) на транзисторе

Простейший усилитель на транзисторах может быть хорошим пособием для изучения свойств приборов. Схемы и конструкции достаточно простые, можно самостоятельно изготовить устройство и проверить его работу, произвести замеры всех параметров. Благодаря современным полевым транзисторам можно изготовить буквально из трех элементов миниатюрный микрофонный усилитель. И подключить его к персональному компьютеру для улучшения параметров звукозаписи. Да и собеседники при разговорах будут намного лучше и четче слышать вашу речь.

Частотные характеристики

Усилители низкой (звуковой) частоты имеются практически во всех бытовых приборах – музыкальных центрах, телевизорах, радиоприемниках, магнитолах и даже в персональных компьютерах. Но существуют еще усилители ВЧ на транзисторах, лампах и микросхемах. Отличие их в том, что УНЧ позволяет усилить сигнал только звуковой частоты, которая воспринимается человеческим ухом. Усилители звука на транзисторах позволяют воспроизводить сигналы с частотами в диапазоне от 20 Гц до 20000 Гц.

Следовательно, даже простейшее устройство способно усилить сигнал в этом диапазоне. Причем делает оно это максимально равномерно. Коэффициент усиления зависит прямо от частоты входного сигнала. График зависимости этих величин – практически прямая линия. Если же на вход усилителя подать сигнал с частотой вне диапазона, качество работы и эффективность устройства быстро уменьшатся. Каскады УНЧ собираются, как правило, на транзисторах, работающих в низко- и среднечастотном диапазонах.

Источник питания для усилителя

Работа усилителя очень сильно зависит от источника питания. Фактически усилитель занимается тем, что передает энергию из источника питания в колонки. Но делает это под управлением звукового сигнала. Передача энергии происходит так, чтобы в колонках сигнал был точно такой же, как и на входе усилителя. Как сделать правильный и хороший блок питания описано в статье Блок питания для TDA7294.

О том, как правильно сделать усилитель и источник питания, чтобы получить максимальное качество звучания, написано в этих статьях:

Дополнительная информация об усилителях и повышении качества звучания:

Ссылки приведенные в статье

Усилитель на TDA7293 / 7294 с Т-образной ООС

Блок питания для TDA7294

Разделение земли в усилителе

Подключение блоков внутри усилителя

Работа усилителя на микросхеме TDA7293 (TDA7294) на “трудную” нагрузку

Клип-детектор (clip-detector) для усилителя на TDA7293

Исследование верхней границы слуха

Информация, позволяющая лучше понять работу усилителя и получить максимум качества звучания

Hi-Fi усилитель на микросхеме TDA7294

Клиппинг (cliping) в усилителе

Расчет источника питания усилителя

Трансформатор для питания усилителя

Правильный выпрямитель

Выпрямитель для усилителя или сага о быстром диоде

Раздельное питание каналов стерео усилителя

Массив конденсаторов – мифы и реальность

Режимы Mute и StandBy в микросхеме TDA7294 / TDA7293

Классы работы звуковых усилителей

Все усилительные устройства разделяются на несколько классов, в зависимости от того, какая степень протекания в течение периода работы тока через каскад:

1. Класс «А» – ток протекает безостановочно в течение всего периода работы усилительного каскада.
2. В классе работы «В» протекает ток в течение половины периода.
3. Класс «АВ» говорит о том, что ток протекает через усилительный каскад в течение времени, равного 50-100 % от периода.
4. В режиме «С» электрический ток протекает менее чем половину периода времени работы.
5. Режим «D» УНЧ применяется в радиолюбительской практике совсем недавно – чуть больше 50 лет. В большинстве случаев эти устройства реализуются на основе цифровых элементов и имеют очень высокий КПД – свыше 90 %.

Установка микросхемы TDA7294

В зависимости от применяемой микросхемы на плате устанавливается перемычка в нужной позиции.

Установка перемычки TDA7294 или TDA7293

Если перемычка установлена в положение TDA7293, то пустую квадратную контактную площадку с надписью TDA7294 можно залить припоем.

Заливка контактной площадки

Так будет совсем-совсем немного, но лучше.

Микросхема должна быть установлена на радиаторе площадью не менее 700 квадратных сантиметров. При установке микросхемы на радиатор необходимо использовать термопасту. Радиатор должен свободно охлаждаться воздухом.

Важно! Корпус микросхемы соединен с минусом источника питания, поэтому, чтобы избежать короткого замыкания источника питания, надо либо устанавливать микросхему через изолирующую прокладку (и изолировать винт, которым микросхема крепится к радиатору), либо надежно изолировать радиатор от корпуса.

В первом варианте микросхема охлаждается немного хуже.

Поступайте так, как вам удобнее.

На один радиатор можно установить несколько микросхем, при этом площадь радиатора увеличить в столько раз, сколько микросхем на него установлено.

Крепить плату к радиатору можно просто прикрутив к нему микросхему. Этот способ применим, если на плате не используются тяжелые экзотические компоненты и если при эксплуатации усилителя отсутствует вибрация. Пример такого крепления платы в корпусе усилителя показан на странице Четырехканальный усилитель.

Габариты платы и присоединительные размеры показаны на рисунке. Фланец микросхемы выступает за габариты платы на 1…2 миллиметра в зависимости от того, как микросхема сориентирована при пайке.

Для более надежного крепления можно использовать специальное крепежное отверстие под винт с резьбой М3. Это отверстие изолировано от схемы.

Наличие искажений в различных классах НЧ-усилителей

Рабочая область транзисторного усилителя класса «А» характеризуется достаточно небольшими нелинейными искажениями. Если входящий сигнал выбрасывает импульсы с более высоким напряжением, это приводит к тому, что транзисторы насыщаются. В выходном сигнале возле каждой гармоники начинают появляться более высокие (до 10 или 11). Из-за этого появляется металлический звук, характерный только для транзисторных усилителей.

При нестабильном питании выходной сигнал будет по амплитуде моделироваться возле частоты сети. Звук станет в левой части частотной характеристики более жестким. Но чем лучше стабилизация питания усилителя, тем сложнее становится конструкция всего устройства. УНЧ, работающие в классе «А», имеют относительно небольшой КПД – менее 20 %. Причина заключается в том, что транзистор постоянно открыт и ток через него протекает постоянно.

Для повышения (правда, незначительного) КПД можно воспользоваться двухтактными схемами. Один недостаток – полуволны у выходного сигнала становятся несимметричными. Если же перевести из класса «А» в «АВ», увеличатся нелинейные искажения в 3-4 раза. Но коэффициент полезного действия всей схемы устройства все же увеличится. УНЧ классов «АВ» и «В» характеризует нарастание искажений при уменьшении уровня сигнала на входе. Но даже если прибавить громкость, это не поможет полностью избавиться от недостатков.

Работа в промежуточных классах

У каждого класса имеется несколько разновидностей. Например, существует класс работы усилителей «А+». В нем транзисторы на входе (низковольтные) работают в режиме «А». Но высоковольтные, устанавливаемые в выходных каскадах, работают либо в «В», либо в «АВ». Такие усилители намного экономичнее, нежели работающие в классе «А». Заметно меньшее число нелинейных искажений – не выше 0,003 %. Можно добиться и более высоких результатов, используя биполярные транзисторы. Принцип работы усилителей на этих элементах будет рассмотрен ниже.

Но все равно имеется большое количество высших гармоник в выходном сигнале, отчего звук становится характерным металлическим. Существуют еще схемы усилителей, работающие в классе «АА». В них нелинейные искажения еще меньше – до 0,0005 %. Но главный недостаток транзисторных усилителей все равно имеется – характерный металлический звук.

Классификация[ | ]

По схемотехнике выходного каскада[ | ]

• однотактный выходной каскад
• двухтактный выходной каскад

По режиму работы выходного каскада[ | ]

Подробное рассмотрение темы: Классификация электронных усилителей

Углы отсечки полуволны сигнала в различных режимах

В зависимости от режима работы выходного каскада усилители делятся на:

• класс, или режим «A
  » — режим работы, в котором каждый активный прибор (лампа или транзистор) выходного каскада всегда работает в линейном режиме. При воспроизведении гармонических сигналов угол отсечки активного прибора равен 360°: прибор никогда не закрывается и, как правило, никогда не переходит в режим насыщения или ограничения тока. Все линейные однотактные усилители работают в режиме А.
• класс «AB
  » — режим работы двухтактного каскада, промежуточный между режимами А и В. Угол отсечки каждого активного прибора существенно больше 180°, но меньше 360°.
• класс «B
  » — режим работы двухтактного каскада, в котором каждый активный прибор воспроизводит с минимальными искажениями сигнал одной полярности (либо только положительные, либо только отрицательные значения входного напряжения). При воспроизведении гармонических сигналов угол отсечки активного прибора равен 180° или несколько превышает это значение. Для уменьшения нелинейных искажений при переходе сигнала через ноль выходные лампы или транзисторы работают с небольшими, но не нулевыми токами покоя. Установка нулевого тока покоя переводит каскад из режима B в режим
  С
  : угол отсечки уменьшается до менее 180°, при переходе через ноль оба плеча двухтактной схемы находятся в отсечке. Режим С в звуковой технике не применяется из-за недопустимо высоких искажений.

Структурная схема усилителя класса D. Входной звуковой сигнал и сигнал дополнительного генератора пилообразного напряжения подаются на аналоговый компаратор (С), формирующий ШИМ прямоугольное колебание, далее усиливаемое силовыми ключами и подаваемое на громкоговоритель через LC-фильтр нижних частот. Частота пилообразного сигнала выбирается много больше самой верхней частоты в спектре звукового сигнала.

• класс «D
  » — режим работы каскада, в котором активный прибор работает в ключевом режиме. Управляющая схема преобразует входной аналоговый сигнал в последовательность импульсов промодулированных по ширине (ШИМ), управляющих мощными выходным ключом (ключами). Выходной LC-фильтр, включённый между ключами и нагрузкой, усредняет импульсный сигнал от ключей, восстанавливая звуковой сигнал.

Режиму А свойственны наилучшая линейность при наибольших потерях энергии, режиму D — наименьшие потери при удовлетворительной линейности. Совершенствование базовых схем в режимах А, AB, B и D породило целый ряд новых «классов», от «класса АА» до «класса Z». Одни из них, например, конструктивно схожие усилители звуковых частот «класса S» и «класса АА», подробно описаны в литературе, другие («класс W», «класс Z») известны только по рекламе производителей.

По конструктивным признакам[ | ]

ИМС для применения в усилителях мощности
По типу применения в конструкции усилителя активных элементов

:

• ламповые
  — на электронных лампах. Составляли основу всего парка УНЧ до 70-х годов. В 60-х годах выпускались ламповые усилители очень большой мощности (до десятков киловатт). В настоящее время используются в качестве инструментальных усилителей и в качестве звуковоспроизводящих усилителей. Составляют львиную долю аппаратуры класса HI-END
  (см. статью Ламповый звук)
  . А также занимают большую долю рынка профессиональной и полупрофессиональной гитарной усилительной аппаратуры.
• транзисторные
  — на биполярных или полевых транзисторах. Такая конструкция оконечного каскада усилителя является достаточно популярной, благодаря своей простоте и возможности достижения большой выходной мощности, хотя в последнее время активно вытесняется усилителями на базе интегральных микросхем.
• интегральные
  — на интегральных микросхемах (ИМС). Существуют микросхемы, содержащие на одном кристалле как предварительные усилители, так и оконечные усилители мощности, построенные по различным схемам и работающие в различных классах. Из преимуществ — минимальное количество элементов и, соответственно, малые габариты.
• гибридные
  — часть каскадов собрана на полупроводниковых элементах, а часть на электронных лампах. Иногда гибридными также называют усилители, которые частично собраны на интегральных микросхемах, а частично на транзисторах или электронных лампах.
• на магнитных усилителях
  . В качестве усилителей звуковых частот большой мощности предлагались, как альтернатива электронным лампам в 30 — 50 годы американскими[6] и немецкими[
  источник не указан 2601 день
  ] инженерами. В настоящее время являются «забытой» технологией[7].
• микротелефонные (англ. carbon amplifier). Такой усилитель представляет собой сочетание электромагнитного звукоизлучателя и угольного микрофона, объединённых общей мембраной. В прошлом усилители этого типа находили применение в слуховых аппаратах.
• пневматические (en:compressed air gramophone). В таком усилителе источник колебаний (например, маломощный громкоговоритель, граммофонная игла) приводит в движение модулятор интенсивности потока воздуха от компрессора, за счёт чего происходит усиление амплитуды колебаний по мощности.

По виду согласования выходного каскада с нагрузкой[ | ]

Трансформаторное согласование с нагрузкой
По виду согласования выходного каскада усилителя с нагрузкой их можно разделить на два основных типа:

• трансформаторные
  — в основном такая схема согласования применяется в ламповых усилителях. Обусловлено это необходимостью согласования большого выходного сопротивления лампы с малым сопротивлением нагрузки, а также необходимостью гальванической развязки выходных ламп и нагрузки. Некоторые транзисторные усилители (например, трансляционные усилители, обслуживающие сеть абонентских громкоговорителей (см. Проводное вещание), двухтактные усилители многих радиоприёмников на германиевых транзисторах, некоторые Hi-End аудиоусилители) также имеют трансформаторное согласование с нагрузкой.
• бестрансформаторные
  — в силу дешевизны, малого веса и большой полосы частот бестрансформаторные усилители получили наибольшее распространение. Бестрансформаторные двухтактные схемы легко реализуются на транзисторах. Обусловлено это низким выходным сопротивлением транзисторов в схеме эмиттерного (истокового) повторителя, возможностью применения комплементарных пар транзисторов. Мощные бестрансформаторные УМЗЧ имеют двухполярное питание, и позволяют подключать акустические системы непосредственно к выходу усилителя без разделительного конденсатора. Однако такие схемы обязательно имеют систему защиты АС от аварийного появления постоянного напряжения на выходе УМЗЧ (например, из-за пробоя одного из выходных транзисторов или пропадания одного из питающих напряжений). На лампах бестрансформаторные схемы реализовать сложнее, это либо схемы, работающие на высокоомную нагрузку, либо сложные схемы с большим количеством параллельно работающих выходных ламп.

По типу согласования выходного каскада с нагрузкой[ | ]

• Согласование по напряжению — выходное сопротивление УМ много меньше омического сопротивления нагрузки. В настоящее время является наиболее распространённым. Позволяет передать в нагрузку форму напряжения с минимальными искажениями и получить хорошую АЧХ. УМЗЧ хорошо подавляют резонанс низкочастотных громкоговорителей и хорошо работают с пассивными разделительными фильтрами многополосных акустических систем, рассчитанными на источник сигнала с нулевым выходным сопротивлением. В настоящее время используется повсеместно.
• Согласование по мощности — выходное сопротивление УМ равно или близко сопротивлению нагрузки. Позволяет передать в нагрузку максимум мощности от усилителя, из-за чего в прошлом было весьма распространённым в маломощных простых устройствах. Сейчас является основным типом для работы на линию с известным волновым сопротивлением (например, LAN), и иногда в выходных каскадах ламповых усилителей. По сравнению с предыдущим типом, обеспечивает лучшее использование усилительного прибора по мощности (требуется меньшее число усилительных каскадов, что важно для ламповых усилителей) однако ухудшает АЧХ и приводит к недостаточному демпфированию резонансов акустической системы, в результате чего форма сигнала искажается.
• Согласование по току — выходное сопротивление УМ много больше сопротивления нагрузки. В основе такого согласования — следствие из закона Лоренца, согласно которому звуковое давление пропорционально току в катушке ГД. Позволяет сильно (на два порядка) уменьшить интермодуляционные искажения в ГД и их ГВЗ (групповое время задержки). УМЗЧ слабо подавляют резонанс низкочастотных громкоговорителей и плохо работают с пассивными разделительными фильтрами многополосных акустических систем, которые обычно рассчитаны на источник сигнала с нулевым выходным сопротивлением. В настоящее время используется крайне редко.

«Альтернативные» конструкции

Нельзя сказать, что они альтернативные, просто некоторые специалисты, занимающиеся проектировкой и сборкой усилителей для качественного воспроизведения звука, все чаще отдают предпочтение ламповым конструкциям. У ламповых усилителей такие преимущества:

1. Очень низкое значение уровня нелинейных искажений в выходном сигнале.
2. Высших гармоник меньше, чем в транзисторных конструкциях.

Но есть один огромный минус, который перевешивает все достоинства, – обязательно нужно ставить устройство для согласования. Дело в том, что у лампового каскада очень большое сопротивление – несколько тысяч Ом. Но сопротивление обмотки динамиков – 8 или 4 Ома. Чтобы их согласовать, нужно устанавливать трансформатор.

Конечно, это не очень большой недостаток – существуют и транзисторные устройства, в которых используются трансформаторы для согласования выходного каскада и акустической системы. Некоторые специалисты утверждают, что наиболее эффективной схемой оказывается гибридная – в которой применяются однотактные усилители, не охваченные отрицательной обратной связью. Причем все эти каскады функционируют в режиме УНЧ класса «А». Другими словами, применяется в качестве повторителя усилитель мощности на транзисторе.

Причем КПД у таких устройств достаточно высокий – порядка 50 %. Но не стоит ориентироваться только на показатели КПД и мощности – они не говорят о высоком качестве воспроизведения звука усилителем. Намного большее значение имеют линейность характеристик и их качество. Поэтому нужно обращать внимание в первую очередь на них, а не на мощность.

Схема однотактного УНЧ на транзисторе

Самый простой усилитель, построенный по схеме с общим эмиттером, работает в классе «А». В схеме используется полупроводниковый элемент со структурой n-p-n. В коллекторной цепи установлено сопротивление R3, ограничивающее протекающий ток. Коллекторная цепь соединяется с положительным проводом питания, а эмиттерная – с отрицательным. В случае использования полупроводниковых транзисторов со структурой p-n-p схема будет точно такой же, вот только потребуется поменять полярность.

С помощью разделительного конденсатора С1 удается отделить переменный входной сигнал от источника постоянного тока. При этом конденсатор не является преградой для протекания переменного тока по пути база-эмиттер. Внутреннее сопротивление перехода эмиттер-база вместе с резисторами R1 и R2 представляют собой простейший делитель напряжения питания. Обычно резистор R2 имеет сопротивление 1-1,5 кОм – наиболее типичные значения для таких схем. При этом напряжение питания делится ровно пополам. И если запитать схему напряжением 20 Вольт, то можно увидеть, что значение коэффициента усиления по току h31 составит 150. Нужно отметить, что усилители КВ на транзисторах выполняются по аналогичным схемам, только работают немного иначе.

При этом напряжение эмиттера равно 9 В и падение на участке цепи «Э-Б» 0,7 В (что характерно для транзисторов на кристаллах кремния). Если рассмотреть усилитель на германиевых транзисторах, то в этом случае падение напряжения на участке «Э-Б» будет равно 0,3 В. Ток в цепи коллектора будет равен тому, который протекает в эмиттере. Вычислить можно, разделив напряжение эмиттера на сопротивление R2 – 9В/1 кОм=9 мА. Для вычисления значения тока базы необходимо 9 мА разделить на коэффициент усиления h31 – 9мА/150=60 мкА. В конструкциях УНЧ обычно используются биполярные транзисторы. Принцип работы у него отличается от полевых.

На резисторе R1 теперь можно вычислить значение падения – это разница между напряжениями базы и питания. При этом напряжение базы можно узнать по формуле – сумма характеристик эмиттера и перехода «Э-Б». При питании от источника 20 Вольт: 20 – 9,7 = 10,3. Отсюда можно вычислить и значение сопротивления R1=10,3В/60 мкА=172 кОм. В схеме присутствует емкость С2, необходимая для реализации цепи, по которой сможет проходить переменная составляющая эмиттерного тока.

Если не устанавливать конденсатор С2, переменная составляющая будет очень сильно ограничиваться. Из-за этого такой усилитель звука на транзисторах будет обладать очень низким коэффициентом усиления по току h31. Нужно обратить внимание на то, что в вышеизложенных расчетах принимались равными токи базы и коллектора. Причем за ток базы брался тот, который втекает в цепь от эмиттера. Возникает он только при условии подачи на вывод базы транзистора напряжения смещения.

Но нужно учитывать, что по цепи базы абсолютно всегда, независимо от наличия смещения, обязательно протекает ток утечки коллектора. В схемах с общим эмиттером ток утечки усиливается не менее чем в 150 раз. Но обычно это значение учитывается только при расчете усилителей на германиевых транзисторах. В случае использования кремниевых, у которых ток цепи «К-Б» очень мал, этим значением просто пренебрегают.

Используемые детали

Усилитель доступен для сборки даже начинающими и малочувствителен к качеству комплектующих. Но для получения наилучших параметров и максимально хорошего звука усилитель должен быть собран из качественных деталей. Качественные – это не обязательно дорогие.

Комплектующие неизвестного производителя лучше не использовать: они могут иметь плохие параметры. При применении таких комплектующих, усилитель может работать плохо или вообще не работать.

Список используемых деталей (BOM List) можно загрузить по ссылкам:

На русском языке:

hi-fi-7294-2020-bom-rus

In English:

hi-fi-7294-2020-bom-eng

Резисторы

В усилителе используются недорогие металлопленочные резисторы. Все резисторы кроме R9 мощностью 0,125…0,25 Вт. Если R9 российского производства, то достаточна мощность 0,5 Вт. Если R9 не российского производства, то рекомендуется устанавливать R9 мощностью 1 Вт. Это надежнее для работы на максимальной мощности или в качестве измерительного усилителя.

Если планируется стерео усилитель или многоканальный усилитель, то резисторы, включенные в цепь отрицательной обратной связи (R2…R5), желательно использовать с точностью 1% или лучше (более точные, чем 0,25% не нужны). В этом случае разбаланс громкости стереоканалов будет минимальным. Если доступны только резисторы точностью 5%, то их следует по возможности подобрать одинакового сопротивления во всех каналах. Другие резисторы не критичны к величине точности.

Большое значение имеет резистор R10. Этот резистор служит для разделения земли в усилителе. Но входная и выходная земли должны быть не только разделены, но и обязательно связаны. Если резистор R10 отсутствует, имеет плохой контакт или слишком большое сопротивление, то усилитель работать не будет. Поэтому важно, чтобы этот резистор был надежным и качественным и имел требуемое сопротивление. Аудио качество этому резистору не нужно.

В принципе, резистор R10 можно заменить перемычкой.

Керамические конденсаторы

Конденсаторы C1 и Cx керамические из качественной низковольтной керамики, с максимальным рабочим напряжением 50 вольт. Качественная керамика определяется по температурному коэффициенту емкости конденсатора (ТКЕ, TCC). Эти конденсаторы должны быть с ТКЕ класса НП0 (NP0). Иногда вместо цифры 0 пишут букву О (НПО, NPO) – это то же самое. Производитель конденсаторов является важным. Конденсаторы noname лучше не использовать. Подойдут, например, Murata, Vishay. Можно использовать конденсаторы российского производства.

Выбор емкости конденсаторов C1 и Cx

Конденсатор С1 обрезает высокие частоты, поступающие на вход усилителя (он образует фильтр нижних частот), и тем самым подавляет высокочастотные помехи. Однако при этом сужается диапазон рабочих частот усилителя в области высоких частот. Емкость конденсатора С1 выбирается исходя из величины сопротивления регулятора громкости и требуемой частоты среза фильтра нижних частот (ФНЧ, LPF), который образует этот конденсатор совместно с резистором R1 и сопротивлением регулятора громкости. Я предлагаю на выбор одну из двух частот: 50 кГц и 70 кГц.

Частота среза 50 кГц выбирается для более сильного подавления возможных высокочастотных помех, поступающих на вход. Источниками таких помех может быть как аппаратура связи (мобильные устройства, Wi-Fi и Bluetooth, радиосвязь, телевидение), так и другие промышленные и бытовые устройства. При выборе частоты среза входного фильтра равной 50 кГц усилитель может иметь максимальную рабочую частоту примерно 40 кГц.

Если вы уверены в отсутствии высокочастотных помех, то частоту среза входного фильтра можно выбрать равной 70 кГц. В этом случае усилитель может иметь максимальную рабочую частоту примерно 50 кГц.

Значения емкости конденсатора C1 в зависимости от величины сопротивления регулятора громкости и требуемой частоты среза входного фильтра.

Конденсатор Cx выполняет несколько функций одновременно:

• – улучшает устойчивость усилителя;
• – увеличивает глубину отрицательной обратной связи (ООС) на высоких частотах и снижает искажения;
• – на высоких частотах форсирует сигнал в цепи ООС, что уменьшает возможность появления динамических искажений.

Конденсатор Cx также как и C1 уменьшает верхнюю граничную частоту усилителя.

Оба конденсатора работают на частотах выше 20 кГц, поэтому на воспроизведение высоких звуковых частот они практически не влияют. Совместное использование этих конденсаторов приводит к тому, что динамические искажения в усилителе вообще не возникают. Однако некоторые люди хотят получить усилитель с частотным диапазоном до 40…50 кГц. Это их право, несмотря на то, что большинство людей не слышит сигналов выше частоты 20 кГц (небольшое исследование на эту тему опубликовано в статье Исследование верхней границы слуха). Кроме того, влияние любых фильтров на частотную характеристику происходит плавно, поэтому даже если верхняя граничная частота усилителя равна 50 кГц, на частоте 20 кГц амплитудно-частотная характеристика усилителя (АЧХ) имеет завал, хоть и микроскопический.

Выбор величины емкости конденсатора Cx.

Вариант 1. Частота среза входного фильтра НЧ равна 70 кГц.

Вариант 2. Частота среза входного фильтра НЧ равна 50 кГц.

Завал АЧХ на частоте 20 кГц величиной 0,8 дБ, а тем более 1 дБ может показаться слишком большим. Но на самом деле он незаметен:

• он ниже порога чувствительности слуха на этой частоте,
• на частоте 20 кГц уже практически нет никакого звука,
• не все люди эту частоту слышат

Пленочные конденсаторы

Конденсаторы C2, C4, C6, C7, C9 пленочные лавсановые (другие названия диэлектрика – майлар, полиэстер, MKT).

Самым важным для звука является конденсатор C2. Он должен быть хорошего качества. На этом месте можно применить конденсатор с диэлектриком из полипропилена (MKP). Разницы в звуке вы, скорее всего, не заметите, но все равно будет приятно, что вы сделали максимум для получения высокого качества звучания.

На самом деле, для получения хорошего звука гораздо важнее использовать правильный блок питания и правильный монтаж блоков усилителя внутри корпуса. Но в любом случае конденсатор C2 не должен быть плохим.

Конденсатор С6 меньше всего влияет на качество звучания. В принципе, его даже можно исключить из схемы. Тем не менее, даже на этом месте использовать плохой конденсатор не рекомендуется.

Конденсатор C4 улучшает устойчивость усилителя. Его максимальное рабочее напряжение может быть до 250 вольт. Если есть возможность выбора, то этот конденсатор рекомендуется выбирать наибольшего размера из всех доступных, но такой, чтобы его можно было нормально установить на плату. При работе усилителя через этот конденсатор проходит сравнительно большой высокочастотный ток, и конденсатор может нагреваться. Чем больше размер конденсатора, тем меньше нагрев. Будьте благоразумными! Размер конденсатора 7,5 мм вполне достаточен!

Конденсаторы C7 и C9 помогают конденсаторам C8 и C10 снабжать усилитель энергией на высоких частотах. Емкость этих конденсаторов 2,2…4,7 мкФ, максимальное рабочее напряжение не менее 63 вольт. Конденсаторы должны быть качественными, чтобы хорошо работать. Чем больше емкость, тем лучше, но будьте разумными. Важно, чтобы длина выводов этих конденсаторов была минимальной – индуктивность длинных выводов будет мешать их работе. Поэтому конденсатор меньшей емкости с короткими выводами будет работать лучше, чем конденсатор большей емкости, но с длинными выводами.

«Зеленые» конденсаторы можно использовать в позициях C4 и C6.

Хорошие конденсаторы не обязательно дорогие. Более того, лучше использовать «обычные» конденсаторы известного производителя, чем конденсаторы неизвестного .

Выбор емкости конденсатора C2

Величина емкости конденсатора C2 определяет как нижнюю граничную частоту усилителя, так и завал АЧХ усилителя на низких частотах. Этот конденсатор совместно с входным сопротивлением усилителя образует фильтр верхних частот (ФВЧ, HPF), пропускающий частоты выше 10…25 Гц и подавляющий частоты, лежащие ниже этого значения.

Как выглядит амплитудно-частотная характеристика в области низких частот при различных значениях емкости конденсатора C2, показано на рисунке (высокие частоты на этом рисунке изображены условно).

АЧХ усилителя при разных значениях C2.

Параметры усилителя в зависимости от емкости конденсатора C2.

Стратегия выбора величины емкости конденсатора C2

Чем емкость C2 больше, тем меньше нижняя частота среза усилителя (то есть усилитель достаточно сильно усиливает более низкие частоты), и тем меньше завал АЧХ на низких звуковых частотах.

Но сказать, что чем емкость C2 больше, тем низкие частоты воспроизводятся лучше, будет неверно. Правильнее будет сказать так: если емкость конденсатора C2 меньше некоторого значения, то громкость самых низких частот звукового диапазона будет уменьшаться. Например, если C2 = 0,68 мкФ, то завал АЧХ на частоте 20 Гц составляет 0,5 дБ – это намного меньше, чем предел чувствительности слуха на этой частоте, так что такой завал мы наверняка не услышим. При этом усилитель воспроизводит частоты, начиная с 7 герц. Если же емкость конденсатора C2 уменьшить до 0,1 мкФ, то громкость на самых-самых низких частотах немного снизится. Мы заметим это лишь на очень хорошей фонограмме и отличных колонках. И то, только при сравнительном прослушивании. Но ведь заметим!

А нужны ли настолько низкие частоты?

Утверждают, что если усилитель воспроизводит абсолютно все низкие частоты, начиная с постоянного напряжения, то это улучшает звук. Рассказывают даже о постоянной составляющей звука. Это все рекламные и маркетинговые уловки, не имеющие ничего общего с действительностью.

Постоянная составляющая звука – это атмосферное давление, и изменить его неспособна ни одна колонка. А инфразвуковые частоты, которые могут попасть на выход усилителя и воспроизвестись колонками, вредны для человека. Например, инфразвуковые частоты, совпадающие с частотой альфа-ритма головного мозга (частоты 7…15 Гц), могут вызвать головную боль, дезориентацию и даже панику.

Большое количество инфразвуковых частот образуется при воспроизведении виниловых грампластинок. Особенно старых: покоробленных и имеющих эксцентриситет. Но даже при воспроизведении новых грампластинок инфразвук все же возникает: он создается и двигателем проигрывателя (рокот) и физическими процессами трения иглы в канавке. Подробно об этом писал Дуглас Селф (Douglas Self) в книге Electronics for Vinyl.

К счастью, большинство звуковых колонок на таких частотах не могут создать значительного звукового давления, но лучше, если эти частоты обрезать еще в усилителе.

Другой причиной для отказа от воспроизведения очень низких частот, являются физические процессы в громкоговорителях. Для равной громкости при снижении частоты, ход диффузора растет пропорционально второй степени. То есть, если частота снизилась вдвое, ход диффузора должен вырасти в 4 раза. На самом деле ход диффузора растет еще сильнее из-за уменьшения чувствительности слуха на самых низких частотах. Но диапазон линейного хода громкоговорителя ограничен, поэтому низкие частоты значительного уровня могут перегрузить громкоговоритель, и будет искажаться весь звук вообще.

Особенно подвержены этому явлению колонки с фазоинвертором (ФИ) – на частотах ниже частоты настройки ФИ, ход диффузора ничем не ограничен. При этом колонка звук практически не излучает, так как происходит акустическое короткое замыкание: звук, излучаемый громкоговорителем и звук, излучаемый фазоинвертором, вычитаются друг из друга практически до нуля.

В результате получается, что слышимая перегрузка отсутствует, а звук плохой. Так что с этой точки зрения, ограничение воспроизведения очень низких частот положительно сказывается на работе всей системы, на качестве звучания и на восприятии звука человеком.

С другой стороны, чем выше частота среза усилителя, тем хуже переходные процессы при воспроизведении низкочастотного музыкального сигнала (не бесконечно, а до определенных пределов). Басы, особенно в колонках с фазоинвертором, получаются немного более затянутыми.

Так что с этой точки зрения сильно увеличивать нижнюю граничную частоту усилителя тоже нежелательно.

Что же делать?

Выход такой: частота среза фильтра верхних частот, образованного конденсатором C2, должна быть в 2…3 раза меньше, чем нижняя рабочая частота колонок, подключенных к этому усилителю. Но не ниже 10 Гц. И не бойтесь завала АЧХ на низких частотах! Завал в 1 дБ на частотах ниже 30 Гц на слух незаметен.

Лично я чаще всего использую конденсатор C2 емкостью 0,33 мкФ, и реже емкостью 0,47 мкФ.

Для выбора емкости конденсатора C2 воспользуйтесь этой таблицей.

Назначение усилителя	Емкость конденсатора C2, мкФ
Колонки среднего качества с нижней рабочей частотой 50…80 Гц. Особенно рекомендуется при воспроизведении винила	0,22
Колонки более высокого качества с нижней рабочей частотой 30…40 Гц Высококачественные колонки с мощными басами и нижней рабочей частотой 20…30 Гц при воспроизведении винила	0,33
Высококачественные колонки с мощными басами и нижней рабочей частотой 20…30 Гц. Качественный сабвуфер при воспроизведении винила	0,47
Качественный сабвуфер при воспроизведении винила Качественный сабвуфер	0,68
Высококачественный сабвуфер	1,0
Сабвуфер для маньяков	1,5

Для себя и обычно на заказ (по согласованию с заказчиками после изучения их требований и их аппаратуры) я делаю два варианта усилителя:

1. “Стандартный” с таким набором номиналов элементов: С1 = 2200 пФ (частота среза входного фильтра 50 кГц), Cx = 47 пФ, C2 = 0,33 мкФ полипропиленовый (MKP) Epcos или К78-19.
2. “С расширенным частотным диапазоном”. С таким набором номиналов элементов: С1 = 1500 пФ (частота среза входного фильтра 70 кГц), Cx = 47 пФ, C2 = 0,47 мкФ полипропиленовый (MKP) Epcos или К78-19.

Амплитудно-частотные характеристики этих двух вариантов усилителя показаны на рисунке.

Электролитические конденсаторы

В позициях C3 и C5 должны быть обычные качественные конденсаторы. Конденсатор C3 задает время включения усилителя и на звук не влияет. Но если он некачественный или имеет большую утечку, то усилитель может не включиться. При некачественном конденсаторе C5 максимальная неискаженная выходная мощность оказывается намного меньше, чем могла бы быть.

Конденсаторы C8 и C10 выполняют сразу три функции:

1. Дополнительно подавляют пульсации напряжения питания.
2. Подпитывают усилитель на пиках громкости. Конденсаторы C8 и C10 установлены очень близко к микросхеме, и проводники, идущие от этих конденсаторов, очень короткие. Поэтому эти проводники имеют очень маленькое сопротивление и индуктивность. В результате при необходимости вся энергия этих конденсаторов быстро поступает в микросхему и передается на выход в громкоговорители.
3. Пропускают через себя ток громкоговорителей на средних и высоких частотах. В результате этот ток замыкается наиболее коротким путем.

Все эти функции на самом деле объединены. Физически это одна функция. Я их разделяю мысленно, чтобы удобнее было их анализировать.

Функции конденсаторов C8 и C10 очень важны, поэтому эти конденсаторы должны иметь хорошее качество. Очень полезно в этой позиции использовать конденсаторы типа Low ESR или Low Impedance.

Однако будьте благоразумны! Важность качества конденсаторов C8 и C10 зачастую преувеличивается. Нет смысла применять экзотические «волшебные» суперконденсаторы. Вполне достаточно хороших конденсаторов от надежного производителя. Важно, чтобы эти конденсаторы были правильно впаяны с плату. При этом они имеют выводы минимальной длины, а значит минимальное сопротивление и индуктивность.

Использовать конденсаторы C8 и C10 емкостью меньше, чем 1000 мкФ не рекомендуется. Значительно увеличивать их емкость тоже не рекомендуется. Можно использовать конденсаторы емкостью 2200 мкФ, но при качественном источнике питания разницы не будет.

На высоких частотах электролитическим конденсаторам C8 и C10 помогают пленочные конденсаторы C7 и C9, поэтому эти конденсаторы также должны иметь хорошее качество.

Усилители на МДП-транзисторах

Усилитель на полевых транзисторах, представленный на схеме, имеет множество аналогов. В том числе и с использованием биполярных транзисторов. Поэтому можно рассмотреть в качестве аналогичного примера конструкцию усилителя звука, собранную по схеме с общим эмиттером. На фото представлена схема, выполненная по схеме с общим истоком. На входных и выходных цепях собраны R-C-связи, чтобы устройство работало в режиме усилителя класса «А».

Переменный ток от источника сигнала отделяется от постоянного напряжения питания конденсатором С1. Обязательно усилитель на полевых транзисторах должен обладать потенциалом затвора, который будет ниже аналогичной характеристики истока. На представленной схеме затвор соединен с общим проводом посредством резистора R1. Его сопротивление очень большое – обычно применяют в конструкциях резисторы 100-1000 кОм. Такое большое сопротивление выбирается для того, чтобы не шунтировался сигнал на входе.

Это сопротивление почти не пропускает электрический ток, вследствие чего у затвора потенциал (в случае отсутствия сигнала на входе) такой же, как у земли. На истоке же потенциал оказывается выше, чем у земли, только благодаря падению напряжения на сопротивлении R2. Отсюда ясно, что у затвора потенциал ниже, чем у истока. А именно это и требуется для нормального функционирования транзистора. Нужно обратить внимание на то, что С2 и R3 в этой схеме усилителя имеют такое же предназначение, как и в рассмотренной выше конструкции. А входной сигнал сдвинут относительно выходного на 180 градусов.

Hi-Fi усилитель на микросхеме TDA7294 (TDA7293) – схема

Схема Hi-Fi усилителя на микросхеме TDA7293 (TDA7294) показана на рисунке. Конденсатор Cx не имеет порядкового номера. Это сделано для совместимости с самодельной печатной платой: я добавил конденсатор Cx позже.

Hi-Fi усилитель на TDA7294. Принципиальная схема.

Схема Hi-Fi усилителя на TDA7293.

Описание усилителя, его свойства и принцип работы описаны в статье Усилитель на TDA7293 / 7294 с Т-образной ООС.

Усилитель не содержит дефицитных деталей и каких-нибудь сложных вещей. Поэтому собрать усилитель своими руками может даже начинающий.

Чертеж печатной платы для самостоятельного изготовления усилителя приведены в статье по ссылке выше. Можно купить печатную плату усилителя, изготовленную промышленным способом: Купить печатную плату. Далее описывается вариант с печатной платой промышленного изготовления, но все это подходит и для усилителя на самодельной печатной плате.

На что обратить внимание

В усилителе можно использовать как TDA7294, так и TDA7293. В зависимости от того, какая микросхема используется, на плате в соответствующем месте устанавливается перемычка.

1. Важно! Микросхема TDA7293 может работать в режиме микросхемы TDA7294. Если перемычка на плате установлена в положение TDA7294, то можно устанавливать как микросхему TDA7294, так и микросхему TDA7293. При этом не все преимущества микросхемы TDA7293 будут использованы.
2. Микросхема TDA7294 в режиме TDA7293 работать не может! Если перемычка на плате установлена в положение TDA7293, то микросхему TDA7294 использовать нельзя!

Микросхема TDA7293 немного лучше, чем TDA7294: у нее чуть больше выходная мощность и качество звучания, поэтому я рекомендую использовать именно TDA7293.

Емкости конденсаторов C1, C2, Cx не обязательно должны быть такими, как на схеме. Вы их выбираете самостоятельно, исходя из того, какие именно свойства усилителя вы хотите получить.

Емкость конденсатора С1 зависит от сопротивления регулятора громкости.

Усилитель будет иметь максимальное качество только в том случае, если абсолютно все его части правильно сделаны и соединены. Об этом в конце статьи.

УНЧ с трансформатором на выходе

Можно изготовить такой усилитель своими руками для домашнего использования. Выполняется он по схеме, работающей в классе «А». Конструкция такая же, как и рассмотренные выше, – с общим эмиттером. Одна особенность – необходимо использовать трансформатор для согласования. Это является недостатком подобного усилителя звука на транзисторах.

Коллекторная цепь транзистора нагружается первичной обмоткой, которая развивает выходной сигнал, передаваемый через вторичную на динамики. На резисторах R1 и R3 собран делитель напряжения, который позволяет выбрать рабочую точку транзистора. С помощью этой цепочки обеспечивается подача напряжения смещения в базу. Все остальные компоненты имеют такое же назначение, как и у рассмотренных выше схем.

Двухтактный усилитель звука

Нельзя сказать, что это простой усилитель на транзисторах, так как его работа немного сложнее, чем у рассмотренных ранее. В двухтактных УНЧ входной сигнал расщепляется на две полуволны, различные по фазе. И каждая из этих полуволн усиливается своим каскадом, выполненном на транзисторе. После того, как произошло усиление каждой полуволны, оба сигнала соединяются и поступают на динамики. Такие сложные преобразования способны вызвать искажения сигнала, так как динамические и частотные свойства двух, даже одинаковых по типу, транзисторов будут отличны.

В результате на выходе усилителя существенно снижается качество звучания. При работе двухтактного усилителя в классе «А» не получается качественно воспроизвести сложный сигнал. Причина – повышенный ток протекает по плечам усилителя постоянно, полуволны несимметричные, возникают фазовые искажения. Звук становится менее разборчивым, а при нагреве искажения сигнала еще больше усиливаются, особенно на низких и сверхнизких частотах.

Бестрансформаторные УНЧ

Усилитель НЧ на транзисторе, выполненный с использованием трансформатора, невзирая на то, что конструкция может иметь малые габариты, все равно несовершенен. Трансформаторы все равно тяжелые и громоздкие, поэтому лучше от них избавиться. Намного эффективнее оказывается схема, выполненная на комплементарных полупроводниковых элементах с различными типами проводимости. Большая часть современных УНЧ выполняется именно по таким схемам и работают в классе «В».

Два мощных транзистора, используемых в конструкции, работают по схеме эмиттерного повторителя (общий коллектор). При этом напряжение входа передается на выход без потерь и усиления. Если на входе нет сигнала, то транзисторы на грани включения, но все равно еще отключены. При подаче гармонического сигнала на вход происходит открывание положительной полуволной первого транзистора, а второй в это время находится в режиме отсечки.

Следовательно, через нагрузку способны пройти только положительные полуволны. Но отрицательные открывают второй транзистор и полностью запирают первый. При этом в нагрузке оказываются только отрицательные полуволны. В результате усиленный по мощности сигнал оказывается на выходе устройства. Подобная схема усилителя на транзисторах достаточно эффективная и способна обеспечить стабильную работу, качественное воспроизведение звука.

Схема УНЧ на одном транзисторе

Изучив все вышеописанные особенности, можно собрать усилитель своими руками на простой элементной базе. Транзистор можно использовать отечественный КТ315 или любой его зарубежный аналог – например ВС107. В качестве нагрузки нужно использовать наушники, сопротивление которых 2000-3000 Ом. На базу транзистора необходимо подать напряжение смещения через резистор сопротивлением 1 Мом и конденсатор развязки 10 мкФ. Питание схемы можно осуществить от источника напряжением 4,5-9 Вольт, ток — 0,3-0,5 А.

Если сопротивление R1 не подключить, то в базе и коллекторе не будет тока. Но при подключении напряжение достигает уровня в 0,7 В и позволяет протекать току около 4 мкА. При этом по току коэффициент усиления окажется около 250. Отсюда можно сделать простой расчет усилителя на транзисторах и узнать ток коллектора – он оказывается равен 1 мА. Собрав эту схему усилителя на транзисторе, можно провести ее проверку. К выходу подключите нагрузку – наушники.

Коснитесь входа усилителя пальцем – должен появиться характерный шум. Если его нет, то, скорее всего, конструкция собрана неправильно. Перепроверьте все соединения и номиналы элементов. Чтобы нагляднее была демонстрация, подключите к входу УНЧ источник звука – выход от плеера или телефона. Прослушайте музыку и оцените качество звучания.

Подключение регулятора громкости

Если предусилитель отсутствует, то регулятор громкости подключается непосредственно к усилителю. Важно, чтобы входные цепи не имели контакта с «землей» или с корпусом усилителя.

В качестве регулятора рекомендуется использовать переменный резистор (потенциометр) сопротивлением 30…50 кОм. Предельные значения сопротивления регулятора громкости 5…100 кОм, но при этом возможно ухудшение качества звучания.

Переменный резистор лучше использовать с экспоненциальной зависимостью сопротивления от угла поворота. Тогда при вращении ручки регулятора, громкость будет изменяться пропорционально углу поворота. Такие переменные резисторы российского производства имеют в обозначении букву В, а резисторы произведенные не в России – букву A.

Классы усилителей. Устройство и принципы работы | Усилители для колонок | Блог

Усилители принято делить на классы в зависимости от режима работы активных элементов. будь то лампы или транзисторы. Считается, что от класса усилителя зависит качество звука, и в большинстве случаев покупатели ориентрируются больше на этот показатель чем на реальные технические характеристики. Эта заметка немного прольет света на значимость класса при выборе усилителя.

Усилители класса А

Считаются эталоном качества звука, из-за того, что режим работы выбирается на линейном участке, это позволяет достичь высокого качества звучания минимальным схемотехническим решением.

Первый каскад усилителей других классов обязательно работают именно в этом классе, так как искажения и шум первого каскада усиливаются последующими каскадами. Но именно этот режим работы выделяет на транзисторе максимальное количество тепла. Как следствие появляются громоздкие системы охлаждения и большие сложности в создании мощного усилителя, не считая того, что усилителю надо время на прогрев и большого потребления электроэнергии.

Усилители класса B

Рабочая точка последнего каскада выбирается в основании вольтамперной характеристики транзистора, что позволяет снизить нагрев устройства. Недостатком является ступенька, в области тихих сигналов, из-за чего применялся в низкокачественных портативных устройствах и был полностью вытеснен классом D. 

Усилители класса AB

Точка покоя выбирается чуть дальше от нуля, это позволяет достичь некоторого баланса между качеством звука и нагревом. Прочие классы (G или H) так или иначе развивают эту идею. Из-за относительно простой схемотехники, не особо требовательной к качеству компонентов, встречается повсеместно — от недорогих портативных устройств, до концертных усилителей и аудиофильских штучек.

Любимый трюк производителей — завысить точку смещения, чтобы для замера искажений на паспорт усилитель работал в режиме A, а замер мощности, произвести уже в режиме AB. Как результат — красивые цифры и плохой звук.

Усилители класса С, H, G

Рабочая точка в усилителях класса C, по сравнению с классом B, еще больше смещена относительно центра линейного участка ВАХ-транзистора. В звуковых устройствах из-за слишком больших искажений не используются.

В усилителях H-G классов, по сути, представляющих из себя класс AB, используется дополнительный источник напряжения, подключаемый прямо на лету к выходному каскаду. Это позволяет немного повысить КПД.

Усилители класса D

В отличии от других классов, транзистор работает в ключевом режиме — 2 устойчивых состояниях либо открыт, либо закрыт. Иногда применяют положительную обратную связь для ускорения смены состояний — немыслимый трюк для других классов, приводящий к самовозбуждению.  

Так как тепло в основном выделяется при переключении из одного состояния в другое, транзистор очень мало нагревается. Более высоким КПД обладают только режимы E и F, где переключение транзистора происходит в тот момент, когда через него не проходит ток (за счет работы в резонансе с нагрузкой). Но для звуковых усилителей такой режим не подходит из-за слишком больших искажений. Дурную славу эти усилители получили по самым первым дешевым представителям класса.

На самом деле качество усилителя класса D зависит от типа и частоты модуляции. А уже от этого зависит сложность схемотехники, необходимое качество компонентов и, соответственно, цена. Мощные транзисторы, способные работать на большой частоте в ключевом режиме, как и высококачественные аналогово-цифровые преобразователи (ADC) могут стоить весьма внушительно.

Простейшие представители класса D основаны на усилении широтно-импульсной модуляции с частотой ниже 50 кГц. По сути они являются аналоговыми устройствами. 

Такая схема достаточно проста, и делается из дешевых компонентов, но отсутствие обратной связи отрицательно сказывается на восприимчивость к помехам по питанию.

Именно такие усилители и стали причиной мифов о плохом качестве звука всего класса. Первые усилители класса А, работающие на лампах с плохим вакуумом и с железным трансформатором тоже не особо блистали характеристиками, но об этом предпочитают не вспоминать. 

Да, такой усилитель годится только для сабвуферов, но даже в этом применении его главным достоинством является низкий уровень нелинейных искажений.

В отличии от обычных усилителей класса AB, для которых высокий уровень нелинейных искажений уже на половине заявленной мощности и откровенный клипинг на максимальной — практически норма.

Для усилителей класса D низкий уровень искажений сохраняется практически во всем рабочем диапазоне громкости. Для сабвуфера эта разница не столько в качестве звука, сколько в меньшем нагреве катушки.

В моделях, произведенных с упором на качество, используется дельта-сигма-модуляция. Благодаря обратной связи схема делает поправки на ошибки квантования, что в сумме с  нойз-шейпингом или дитерингом выводит шумы в область ультразвука. Работу этих алгоритмов для звука можно наглядно продемонстрировать на изображении:

В области звуковых частот соотношение сигнал/шум после таких преобразований доходит до очень высоких значений, и они не уступают другим классам. Такой усилитель уже можно назвать цифровым (из-за цифровых алгоритмов обработки модулированного сигнала).

Маломощные усилители D-класса получили распространение в мобильной и портативной технике, Bluetooth-колонках. Зачастую представляют из себя одну микросхему, которой даже не требуются дополнительные фильтры на цепях питания — обратная связь компенсирует не только искажения в самой схеме, но и пульсации питания. А за счет с высокой частоты модуляции, индуктивности катушки динамика хватает для фильтрации паразитных высоких частот.

Даже мощным усилителям класса D не надо время на прогрев для достижения паспортных характеристик (для класса А может достигать получаса). Именно благодаря этому профессионалы так полюбили усилители класса D. Такая аппаратура не создает фонового шума, мало греется и готова работать сразу же.

Но и это не все. больше всего этот тип усилителей проявляет себя в работе с цифровым сигналом. Конверторы формата PCM в DSD, встроенные в усилитель, позволяют избегать лишних преобразований из аналога в цифру и обратно. Звук проходит через усилитель в цифровом виде до самого последнего транзистора, которые в Hi-end устройствах могут работать на частотах порядка десятков мегагерц.

Современные устройства пошли еще дальше. В цепь цифрового сигнала добавляют цифровой сигнальный процессор (DSP) для компенсации фазово-частотных искажений, вносимых как динамиком, так и помещением. Искажения замеряются микрофоном, а DSP искажения компенсирует. В итоге такая связка цифрового усилителя и цифровой обработки позволяет добиться максимального качества звука, на которое способен динамик. Именно это и делает усилители класса D любимчиками профессионалов, обращающих внимание в первую очередь на результат.

А для аудиофилов класс D производители тщательно маскируют под названиями других классов, например, Z. Или используют их в качестве источников напряжения для усилителей класса A, AB, хотя при взгляде под другим углом такая схема выглядит как активный фильтр искажений для класса D. А то и вовсе умалчивают о принципах работы усилителя. Как это делает Yamaha:

Но даже беглым взглядом можно сразу заметить характерный для класса D фильтр паразитных частот — катушки индуктивности возле мощных транзисторов редкий гость в усилителях других классов.

Заключение

Любой усилитель, независимо от класса, может быть плохим или хорошим. Конкретное схемотехническое решение влияет на звук больше, чем класс усиления.

Отличительная и неизменная черта классов усилителей — это КПД. И самый большой КПД, порядка 90%, в классе D.

Аудиоусилители | Encyclopedia.com

█ ЛАРРИ ГИЛМАН

Любое электронное устройство, увеличивающее мощность электрического сигнала, колебания которого ограничены звуковым частотным диапазоном — диапазоном, воспринимаемым человеческим ухом, — является аудиоусилителем. Все устройства, которые передают, записывают или иным образом обрабатывают голосовые сигналы электронным способом, используют аудиоусилители. Системы распознавания или синтеза голоса, устройства связи или подслушивания, слуховые аппараты, развлекательные системы, говорящие игрушки являются примерами устройств, содержащих усилители звука.

Необходимость усиления. Акустические или звуковые волны — это продольные волны давления (т. е. волны, которые заставляют молекулы колебаться вдоль линии движения волны, а не поперек нее) в воздухе, воде или любой другой среде. Говорят, что звук находится в частотном диапазоне audio , если он не слишком высок или низок по частоте, чтобы быть услышанным человеческим ухом. Звуковые волны могут быть преобразованы микрофонами в электрические сигналы для анализа, передачи или записи.Электрические сигналы также могут быть преобразованы динамиками в слышимые звуковые волны. Микрофоны и динамики являются преобразователями, то есть устройствами, преобразующими энергию из одной формы (например, электрической) в другую (например, акустическую) или наоборот. Аудиоусилители необходимы как для микрофонов, так и для динамиков.

Входное усиление. Усиление сигнала, производимого микрофоном, — часто называемое предварительным усилением — необходимо, поскольку электрический сигнал, который может быть получен непосредственно из звуковых волн, падающих на микрофон, слаб (т.е. порядка 0,01 В или менее; для подслушивающих приложений, гораздо меньше). Входные сигналы такой малой амплитуды должны быть усилены, прежде чем их можно будет обрабатывать в аналоговых или цифровых схемах.

В аналоговых схемах — схемах, обрабатывающих плавно изменяющиеся электрические величины — всегда присутствует определенное количество случайной электрической активности или «шума». Этот шум смешивается с любым информационным сигналом, обрабатываемым схемой, искажая его. Усиление слабого входного сигнала, например, от микрофона, до того, как он смешается с шумом цепи, позволяет справиться с проблемой шума.Кроме того, все аналоговые схемы без усиления (пассивные фильтры, линии передачи и т. д.) испытывают потери сигнала; то есть они рассеивают энергию. Поэтому слабый сигнал, подаваемый в схему без усиления, быстро исчезает, что делает необходимым усиление в большинстве аналоговых схем. Наконец, усиление обеспечивает электронную изоляцию между усиливаемым сигналом и результатом процесса усиления; помимо прочего, это упрощает процесс проектирования схемы.

Если звуковой сигнал должен обрабатываться с использованием цифровых схем (как это часто бывает сегодня), цифровой сигнал (т. е. сигнал включения-выключения, высокий-низкий сигнал, который может символически представлять величины сигнала) должен быть получен из аналогового входа. . Это преобразование выполняется устройством, называемым аналого-цифровым преобразователем. По причинам, вытекающим в конечном счете из атомарных свойств полупроводников, для типичного аналого-цифрового преобразователя требуется аналоговый входной сигнал с амплитудой изменения порядка нескольких вольт.Поэтому низковольтный сигнал обычно должен быть усилен перед оцифровкой.

Выходное усиление. Везде, где человеческие уши являются конечным получателем сигнала, необходимо подключить на выходе физическое звуковое устройство. Здесь усиление звука необходимо по причине, дополняющей ту, что применяется на входе: мощность сигнала, необходимая для управления выходным устройством (например, динамиком или наушниками), больше, чем мощность, передаваемая сигналами, обрабатываемыми в схемах типичного электронного устройства. , будь то аналоговый или цифровой.Таким образом, аудиоусилитель находится как на выходе, так и на входе почти каждой системы, обрабатывающей сигналы в звуковом диапазоне.

Приложения. Количество конструкций аудиоусилителей, выпущенных за последнее столетие, вероятно, исчисляется сотнями тысяч. Такие устройства являются повсеместной чертой современной жизни и встречаются в компьютерах, телефонах, радиоприемниках, высококачественных аудиосистемах, всех военных системах голосовой связи, многих бытовых приборах и даже игрушках.

Аудиоусилители могут быть миниатюризированы для размещения в гарнитурах, мобильных телефонах. В приложениях, где важен небольшой размер, например, в слуховых аппаратах и ​​приложениях для шпионажа (жучки и «провода»), они могут быть сверхминиатюрными. Что касается высокой мощности, то усиление звука приводит в действие системы громкой связи, акустические системы и (потенциально) оружие. Несколько стран, в том числе Россия и США (в рамках программы боеприпасов с низким сопутствующим ущербом), проводят исследования по использованию сильно усиленного звука в качестве оружия; частоты в инфразвуковом, звуковом и ультразвуковом диапазонах рассматриваются для использования против людей.Хотя иногда предполагается, что акустическое оружие всегда относится к несмертельной категории, звук может быть раздражающим, болезненным или смертельным, в зависимости от его интенсивности и эффективности, с которой его энергия передается телу.

Громкая музыка неоднократно использовалась в качестве психологического оружия в ситуациях осады (например, армия США против бывшего панамского диктатора Мануэля Норьеги в 1989 г. , лидер секты Дэвид Кореш против полиции в 1993 г. и перуанская полиция во время кризиса с заложниками в посольство Японии в 1997 г.) и как орудие пыток.Специально разработанное акустическое оружие может вызвать, среди прочего, рвоту, удушье, судороги, недержание мочи, термические ожоги, невыносимые ощущения в груди, повреждение внутренних органов и нарушение слуха. Последнее считается серьезным недостатком противопехотных приложений, поскольку потеря слуха, вызванная интенсивным звуком, часто частично или полностью необратима. Подобно лазерному оружию, предназначенному для ослепления (которое было запрещено недавним международным соглашением), акустическое оружие, предназначенное для оглушения, нарушит международное гуманитарное право.Кроме того, они будут уязвимы для очевидных контрмер, таких как затычки для ушей. Действительно, некоторые ученые скептически относятся к возможности разработки из звука надежного и доступного оружия любого рода. Однако исследования и разработки продолжаются. В настоящее время разрабатываемые в США и других странах приложения для военных и служб безопасности включают следующее:

1. Устройство, излучающее «акустические пули», импульсы низкочастотного (10 Гц) звука размером с бейсбольный мяч на большие расстояния. сотни ярдов, масштабируемая по интенсивности от болезненной до смертельной.

2. Мультисенсорные гранаты, излучающие дезориентирующие световые вспышки, болезненно громкие звуки и, возможно, неприятные запахи.

3. Корабельная система для выведения из строя членов экипажей близлежащих судов (например, перед посадкой персонала береговой охраны).

4. «Излучатель направленного действия», звуковое частотное оружие с батарейным питанием, которое можно прикрепить к винтовке. Он стреляет акустическими пулями с дальностью в десятки футов.

5. Устанавливаемое на вертолете нелетальное оружие, издающее болезненно громкий звук в слышимом диапазоне с заявленным (но маловероятным) диапазоном 1.2–6 миль (2–10 км).

6. Акустически-лучевое оружие, предназначенное для создания дискомфорта: предназначено для защиты посольств, отказа в доступе к важным объектам, подавления массовых беспорядков и других различных противопехотных целей.

Маловероятно, что такие устройства найдут широкое применение, а если и заменят обычное смертоносное оружие, такое как огнестрельное оружие. Из-за тенденции звуковых волн распространяться с расстоянием, непредсказуемости их воздействия на отдельных людей на сублетальных уровнях и чрезвычайно высоких требований к мощности (диапазон мегаватт) для смертельных уровней акустическое оружие, вероятно, останется военной диковинкой.Таким образом, усиление звука останется повсеместным в устройствах связи и редкостью в оружии.

█ ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА:

КНИГИ:

Джонс, Дуайт В. и Ричард Ф. Ши. Транзисторные усилители звука. Нью-Йорк: John Wiley & Sons, 1968.

ПЕРИОДИЧЕСКИЕ ИЗДАНИЯ:

Альтманн, Юрген. «Акустическое оружие — перспективная оценка». Наука и глобальная безопасность нет. 9 (2001): 165–244.

ЭЛЕКТРОННЫЙ:

Роксана, Тирон.«Исследования акустической энергии несут неприятную ноту». Журнал национальной обороны. 21 августа 2001 г. (13 декабря 2002 г.).

СМ. ТАКЖЕ

COMINT (Communications Intelligence)
Система связи, США

Аудиоусилители

Распространенный тип искажения усилителя называется гармоническим искажением. Это может произойти, если какой-либо компонент в усилителе обрезает пики сигнала.Общей характеристикой усилителей высокой точности воспроизведения является полное гармоническое искажение. Это искажение может быть менее 1% или даже менее 0,5% в диапазоне 20–20 000 Гц для высококачественных усилителей.

На схеме вход представляет собой одну частоту (чистая синусоида), но выходной сигнал обрезается усилителем. В результате на выходе возникают гармонические частоты, отсутствующие в исходном сигнале (гармонические искажения). Это гармоническое искажение содержит только нечетные гармоники, если отсечение симметрично.Например, геометрическая прямоугольная волна имеет только нечетные гармоники, и когда сигнал отсекается, он приближается к прямоугольной, а не к синусоидальной волне.

Усилитель можно назвать линейным, если выходное напряжение строго пропорционально входному сигналу. Любая нелинейность, например, возникающая из-за самих полупроводниковых устройств, приведет к гармоническим искажениям. Такие дефекты в работе устройств можно свести к минимуму, используя в схеме отрицательную обратную связь, пока выходной сигнал не перегружается до точки ограничения.

Графики частотных спектров, подобные показанным здесь, могут быть важными диагностическими и исследовательскими инструментами.Преобразование сигнала из графика как функции времени в график как функцию частоты называется анализом Фурье, а обычным отображением является быстрое преобразование Фурье или БПФ сигнала.

Аудиоусилитель

— краткий обзор многих его типов

С налетом модернизации технологии развиваются быстрее, и многие новые изобретения выползают на поверхность. Каждое устройство или техника, с которыми вы сталкиваетесь, вызывают у вас трепет, удивление и веселье.Сегодня машины захватили мир и помогают массам в их повседневных делах.

Изучая аудиоусилитель, вы узнаете, как каждая часть устройства может помочь вам максимально эффективно использовать ваши устройства, будь то лирический поток вашей соло-гитары или взрывные динамики вашего роскошного автомобиля.

Усилитель звука
Усилитель звука бывает разных видов, и выбрать тот, который соответствует вашим требованиям, может быть сложно. Будь то система домашнего кинотеатра или автомобиль, выбор аудиоусилителя может поставить вас в тупик.

В этой статье вы познакомитесь с некоторыми известными аудиоусилителями, а также с их характеристиками. Кроме того, в этой статье вы познакомитесь с аудиоколонками, сделанными своими руками, чтобы вы могли создать такую, которая соответствует вашим потребностям. Что такое аудиоусилитель?

1、Усилитель звука

1.1 Что такое аудиоусилитель?

Усилитель звука — это электронный усилитель, который усиливает силу проходящих через него электронных сигналов.Он воспроизводит сигналы малой мощности, чтобы сделать их достаточно сильными, чтобы управлять громкоговорителями. Например, устройство получает сигналы от звукоснимателя электрогитары, а затем производит маломощный сигнал до уровня, при котором он питает наушники или динамики.

Звуковой сигнал регулирует тон, эффективность высоты тона и эффекты знаков. Он повышает производительность любого электронного аудиоустройства. При подключении к машине или гитаре помогает настроить резкость и частоту звука.

Другими словами, если Усилитель получает сто микроватт, он будет воспроизводить сигналы, выдающие только десять микроватт знаков. Его производство включает в себя функции, включая частоту, искажение, шум и усиление.

Изображение 1: Аудиоусилитель

1.2 Профессиональные усилители звука

С появлением различных технологических устройств возникает потребность в создании различных усилителей, отвечающих уникальным потребностям каждой технологии.На рынке аудио с годами появились некоторые типы, которые помогали пользователям повышать эффективность своих устройств, оптимизируя сигналы.

Типы усилителей, классифицированные по разным категориям, предлагают дополнительную функциональность и обладают различными характеристиками в соответствии с их классами. Узнайте о самых распространенных семи классах:

Усилитель класса А

Это один из самых простых усилителей на выходных транзисторах. Он предлагает сравнительно более низкие выходные сигналы эффективности.

Усилитель класса B

В усилителе класса B используется двухтактная топология, где выходы имеют две клеммы, отрицательную и положительную. Он немного более эффективен, чем класс A, поскольку воспроизводит входные сигналы только в течение полупериода при 180°.

Усилители класса AB

Это смесь усилителей A и Ab. Он обеспечивает наилучшие функциональные характеристики каждой из двух отдельных категорий: эффективное качество звука класса A и уровень эффективности класса B.

Две популярные версии класса AB, MAX98309 и MAX98310, используются в цифровых камерах, медиаплеерах, электронных книгах и планшетах, в которых требуется высокая точность воспроизведения.

Усилитель класса D

Это высокоэффективная версия усилителя звука, которая снижает энергопотребление. Это позволяет устройству работать дольше, избавляя от необходимости перезаряжать батареи. В его функциональности выходные транзисторы отключаются во время работы, что устраняет необходимость использования линейных областей, присутствующих на транзисторах, что способствует неэффективности усилителя усилителя.

Усилители класса G

Это более совершенная и эффективная версия усилителей класса AB. Усилителям класса G требуется два или более напряжения питания. Когда он работает при низком уровне сигнала, он автоматически выбирает соответствующий уровень напряжения питания.

Усилители класса DG

Подобно усилителям класса D, усилитель DG использует широтно-импульсную модуляцию для создания цифровых выходных сигналов с переменной скважностью. Он демонстрирует некоторые расширенные функциональные возможности за счет использования многоуровневого выходного каскада, который помогает воспринимать величину выходных сигналов.

Усилители класса H

Как и в усилителе класса G, в нем используется метод уменьшения рассеяния вокруг выходных устройств. Топология класса H минимизирует напряжение путем модуляции напряжения питания на выходах.

Изображение 2: Аудиоусилители

2. Ранняя история мини-усилителей мощности звука

В 1906 году был изготовлен первый аудиоусилитель, который состоял из трубчатого механизма.Ли Де Форест создал его в виде триодной электронной лампы. Это включает в себя значительную черную инфраструктуру с огромными выходными трубками, которые используются для выделения большого количества тепла.

В 1970-х годах кремниевые транзисторы заменили эту технологию, которую эти крошечные транзисторы используют для воспроизведения звука путем изменения напряжения с помощью полупроводников. Со временем появились транзисторы с надежным состоянием. Общеизвестно, что многие усилители тока в некотором роде представляют собой разновидность твердотельных транзисторов.Биполярный переходной транзистор является прекрасной иллюстрацией твердотельных усилителей.

С технологической эволюцией, в 1872 году, Матти Отала придумал причину диссертаций, производимых в прежних версиях усилителя, и изготовил современное лицо мини-усилителей мощности. Некоторые из известных мини-усилителей звука включают следующее:

Изображение 3: Аудио

2.1 Квантовые усилители звука

Согласно физике, функциональность квантового усилителя основана на квантовой механике.Устройство использует квантово-механические методы и явления для усиления квантового сигнала.

Другими словами, усилитель увеличивает амплитуду проходящего через него сигнала; однако квантовый усилитель принимает знаки, присутствующие в когерентном состоянии. На выходе усилитель усиливает вход. Более того, он также может усиливать квантовый шум, присутствующий в сигнале.

Изображение 4: Усилители квантового звука

2.Усилитель звука 2 VM

Усилитель VM — первое приобретение профессионального гитариста. Он регулирует и смягчает высоту тона, искажения и частоту звука. Устройства воспроизводят цифровые сигналы и предлагают функциональные возможности, включая реверберацию, глубину, усиление, переключение привода, обложку, микширование и значительные настройки.

Изображение 5: Усилитель звука VM

3. Аудиоусилители своими руками

Сделать первый аудиоусилитель, в основном на основе LM386, довольно просто.Аппаратные компоненты, используемые для создания этого простого усилителя, включают:

1. Texas Instruments LM386
2. Батарея 9 В
3. Резистор 10 кОм
4. Конденсатор 220 мкФ

LM386 — это низковольтный аудиоусилитель мощности, подходящий для устройств с батарейным питанием, таких как электроника для хобби, гитарные усилители и радиоприемники. Кроме того, микросхема состоит из 8-контактного двойного линейного корпуса, способного обеспечивать выходную мощность от 0,25 Вт до 1 Вт при питании от 9 В в зависимости от модели.
Используемые компоненты

Помимо компонентов, перечисленных выше, вам также понадобятся:

1. Динамик
2. Аудиоразъем
3. Соединения

Хотя это может показаться немного неприятным, подключение довольно простое.
Отрицательная клемма заземления 9 В подключается к контакту два и контакту 4.
Положительная клемма батареи 9 В подключается к контакту 6. контакт 5
Другие контакты не будут иметь соединений.

Другие соединения, которые вам необходимо выполнить, включают:
Отрицательные клеммы динамика, подключенного к динамику
Другой конец резистора, подключенного к аудиовходу

После выполнения соединений необходимо спаять компоненты. Убедитесь, что вы используете печатную плату (печатную плату) вместо пайки точка-точка, так как использование печатной платы намного удобнее. Наконец, проверьте соединения и протестируйте свой усилитель!

4、Автомобильные усилители

Усилители

— это первый элемент, который точно настраивает звуки вашего автомобиля. Возможно, вы не сможете увидеть части усилителя, но он спрятан внутри машины. Это поможет вам насладиться громкой музыкой и погрузиться в ритм музыки. Если вы не установите усилитель, вы никогда не почувствуете качество музыки.

4.1 Спецификация и функциональность усилителей

• Предусилители автомобильной аудиосистемы

Функциональность усилителя немного отличается в автомобильной аудиосистеме, где для оценки сигналов используется более одного предусилителя.Усилитель усиливает знаки, позволяя им перемещать конусы динамиков для создания звука. Однако перед упрощением звука сигналы обрабатываются с помощью «предусилителя».

В автомобильной системе предусилитель должен собирать множество различных сигналов от различных автомобильных головок, включая CD-ROM и радио, чтобы выводить их на усилитель.

Короче говоря, это помогает усилителю настроить базу, выполнить эквализацию и точно настроить звук.

• Пересечение

На этапе прохождения предусилитель выполняет обработку, при которой он разделяет полный диапазон звуковых сигналов на отдельные частоты.Он регулирует движения для различных категорий динамиков, таких как низкочастотные и высокочастотные динамики.

• Электроэнергия и тепло

Во время обработки предусилителя усилитель выделяет огромное количество тепла, которое изменяет электрический ток, работающий совместно для создания звука. В автомобильной среде не рекомендуется использовать ламповые усилители, так как они выделяют тепло и вибрации.

Таким образом, альтернативный электронный транзистор усиливает звуковой сигнал.Усилитель усиливает сигнал линейного уровня с помощью электронных компонентов, таких как резисторы и конденсаторы. Во время этого процесса усилители выделяют тепло. Но они изготовлены таким образом, что не испытывают перегрева.

5、Схема усилителя BJT

5.

1 Что такое усилитель BJT?

Биполярный переходной транзистор (BJT) включает два полупроводниковых материала, образующих PN-переход. Он создается путем соединения двух проводников спиной к спине.Вы получаете две клеммы, а именно P и N. Объединив два аэропорта, вы получите трехслойный транзистор с двумя переходами. Он составляет основу биполярного переходного транзистора.

5.2 Функциональность биполярных транзисторов

Wile, стандартный транзистор, представляет собой трехслойное или обычно называемое трехвыводным устройство, изготовленное с использованием различных полупроводников. Он предлагает функциональные возможности в качестве изолятора и в качестве проводника.Эта способность транзисторов заставляет их выполнять две основные функции, включая переключение и усиление.

В биполярных транзисторах участвуют три разные области, а именно:

• Активная область
• Насыщенность
• Отсечка

5.

3 Конфигурации биполярных транзисторов

В биполярных транзисторах включены три наиболее важных вывода, которые называются эмиттером, базой и коллектором. Наличие трех выводов открывает три способа соединения каждого из двух для формирования транзистора.Типичные комбинации перечислены ниже:

Конфигурация с общим эмиттером.

При таком расположении транзистор может обеспечивать среднее входное и среднее выходное сопротивление. Он обеспечивает высокий коэффициент усиления по напряжению и току.

Изображение 6: Конфигурация с общим эмиттером

Общая базовая конфигурация

Эта компоновка обычно используется для создания радиочастотных приложений, где клеммы обеспечивают низкое входное сопротивление для высокого выходного импеданса.Обычно принимаемый ток низкий, а коэффициент усиления по напряжению выше его.

Изображение 7: Общая базовая конфигурация

Конфигурация общего коллектора

Эта конфигурация, обычно называемая эмиттерным повторителем, обеспечивает высокий входной импеданс при низком выходном сопротивлении. Здесь коэффициент усиления по напряжению намного ниже, чем по току.

Изображение 8: Конфигурация общего коллектора

6. Как правильно выбрать индивидуальный усилитель

Многочисленные технические характеристики усилителя смущают вас при выборе того, который вы хотите?

Есть ли у вас вещи, которые вы должны искать в усилителе, прежде чем передать деньги?

В приведенном ниже руководстве кратко изложены ключевые моменты, на которые следует обращать внимание при выборе усилителя.Руководство познакомит вас с подробными функциями и аспектами, которые следует учитывать при выборе любого усилителя.

• Каналы усилителя

В первую очередь нужно искать каналы усилителя. Вы должны выбрать усилитель, исходя из ваших потребностей в количестве выходных каналов, которое вы хотите. Вы должны искать именно тот тип усилителя, который соответствует вашим потребностям. Есть много усилителей с двумя-четырьмя или моно портами. Имея усилитель с большим количеством портов, вы можете ощутить универсальность и мощность устройств оттенка.

• Мощность усилителя

Во-вторых, вам нужно сосредоточиться на мощности вашего усилителя. Существует два вида номинальной мощности, а именно:

• Пиковая мощность

Пиковая мощность — это мощность, которую усилитель производит в течение ограниченного периода времени. Это не так уж полезно и рассматривается как цифры, которые появляются на усилителе.

• Рейтинг RMS

Непрерывный расчет выходной мощности усилителя. Вы должны проверить среднеквадратичное значение при окончательной доработке усилителя.

Аудиоусилитель

Чтобы узнать, какой рейтинг идеально подходит для ваших динамиков, вы можете сделать одну вещь. Выберите усилитель, который имеет более высокие баллы, чем у ваших колонок, потому что чем большей мощностью обладает ваш усилитель, тем лучше будет звучание вашей музыки. Если ваши динамики показывают среднеквадратичную мощность 200 Вт, то лучше выбрать мощность усилителя 250 Вт.

• Характеристики усилителя

Помимо рангов и подпортов вашего усилителя, вы должны взглянуть на его характеристики. Тогда наиболее рекомендуемые функции, которые должен иметь ваш усилитель:

1. Фильтры высоких/низких частот
2. Входы уровня динамиков
3. Усиление басов

• Качество сборки усилителя

Вы задаетесь вопросом, почему вам следует искать высококачественный усилитель?

Изготовленный на заказ настольный усилитель, который может иметь более высокую цену, но демонстрирует самое превосходное качество, позволяет вам наслаждаться музыкой идеально.Таким образом, вы получаете порты для одновременного подключения всех основных кабелей.

У вас может быть гораздо более мощный компонент с вентилируемым радиатором, чтобы усилитель оставался прохладным и защищал его от перегрева. Таким образом, высококачественный усилитель обеспечивает высочайшее качество исполнения с лучшим звуком.

• Проводка усилителя

Последний и самый важный участок — проводка усилителя. Его проводка может предсказать общую производительность вашего усилителя.Вложите деньги в покупку высококачественного комплекта проводки, чтобы убедиться, что провода подают питание на концы усилителя.

Вы можете обратиться за помощью к профессионалам, которые помогут вам выбрать правильную проводку усилителя и комбинацию функций в соответствии с вашими потребностями. Поскольку неправильное сочетание проводки и функций усилителя может стоить вам дорого, всегда лучше оставаться рядом с профессионалом и помочь вам выбрать усилитель, который может обеспечить наилучшие характеристики и не стоит так дорого.

7、Заключение

Как специалист по технологиям и меломан, вам нужен усилитель, который идеально подойдет вам! Чтобы получить помощь с вашим аудиоусилителем или выбрать аудиоусилитель, который соответствует вашим потребностям, свяжитесь с нашей печатной платой сегодня! Мы будем рады решить все проблемы, связанные с вашим усилителем звука!

Что такое стереоусилители и как они работают?

Прежде чем мы начнем говорить о стереоусилителях, скажем несколько слов об усилителях в целом, потому что мы уверены, что многие люди не до конца понимают принцип работы усилителя.

Что такое усилители?

Первый усилитель был изобретен американским инженером Ли де Форестом в начале 1900-х годов. Изобретение, по сути, представляло собой электронную вакуумную лампу, которая была названа «Аудион» и предназначалась для усиления слабого тока. Это, однако, не был окончательный вариант усилителя, поскольку последователям мистера де Фореста (Ирвингу Ленгмюру и Эдварду Армстронгу) удалось по-настоящему понять, как работает усилитель, и усовершенствовать его на основе новых знаний.Они сделали триод – вакуумную лампу без воздуха, содержащую три компонента (положительный вывод – платиновая пластина, отрицательный вывод – катод и платиновая сетка посередине). Сетка была чем-то, что мы называем входом, а катод был выходом. При нагреве катода (при подаче питания на вход) электроны получают отрицательное напряжение и начинают двигаться к положительной пластине (выходу). В процессе устанавливается текущий поток. Отрицательное напряжение попадает на платиновую сетку, прерывает протекание тока и изменяется напряжение на катоде. Так делается усиление.

Первый усилитель был слишком большим и нестабильным, и ученым не удавалось сделать меньшее и более безопасное устройство (транзистор) до 1947 года. После этого форма усилителей сильно изменилась, они стали меньше и портативнее. Что объединяет современные усилители со старейшими, так это принцип работы, который остается неизменным все эти годы.

Все усилители в мире получают меньший электрический сигнал (вход) от источника питания (телефона, плеера и т. д.).) и усилить его (увеличить тот же сигнал).

Какие виды усилителей существуют?

Усилители можно классифицировать по множеству признаков (по конструкции, по частоте, по напряжению, мощности, по классам от A до D и т. д.). Это не так уж и странно, учитывая широкое распространение усилителей — они встроены во всевозможные устройства, от слуховых аппаратов до акустических систем домашнего кинотеатра. Из-за этого у нас есть много разных категорий усилителей и разных типов усилителей. Читая классификацию усилителей, можно легко запутаться, но это не наша тема, поэтому не будем вдаваться в подробности. Мы просто собираемся сказать, что один из способов классификации усилителей — по их функциям.

Этот тип классификации дает нам сервоусилители, линейные и нелинейные, широкополосные, буферные, радиочастотные и звуковые усилители. Группа под названием усилители звука сейчас для нас самая важная. Эти усилители используются для усиления звуковых частот, и мы можем разделить их на 3 подгруппы: предварительные усилители, усилители мощности и стереоусилители.

Предусилители (также известные как предусилители) предназначены для приема очень слабых сигналов (сигналы микрофонного уровня) и усиления их до более высокого уровня (сигнал линейного уровня), где обычные усилители вступают во владение.

Усилители мощности используются для усиления маломощного сигнала (например, радиосигнала), чтобы его могли использовать некоторые другие устройства (например, громкоговорители).

Стереоусилители имеют два выходных канала, которые они используют для приема выходного стереофонического сигнала, поступающего от какого-либо устройства, и отправки его на динамики, подключенные к усилителям.

Как работают стереоусилители?

Стереоусилители

являются одним из самых популярных способов улучшения качества звука в различных ситуациях и условиях. Их можно использовать дома или в офисе, и они могут усиливать сигнал, поступающий от CD- и DVD-плееров, телевизоров и т. д. Стереоусилители имеют тот же принцип работы, что и эти старые усилители, и мы подробно объясним его здесь.

Стереоусилители

имеют 3 порта/разъема (входной порт для подключения источника сигнала, выходной порт, который используется для отправки сигнала на динамики и разъем источника питания или вход питания).Эти усилители получают питание от настенной розетки и преобразуют переменный ток в постоянный благодаря устройству, называемому транзистором. Это устройство представляет собой своего рода клапан, который позволяет току течь в определенных количествах. Величина тока, которую пропускает транзистор, зависит от сигнала, полученного от источника сигнала (телевизор, ПК, плеер и т. д.). Меньшие сигналы позволят протекать меньшему току, а усиление будет меньше, чем усиление больших сигналов, которые позволяют протекать большему току.

Транзистор управляет не только величиной тока. Он также контролирует его частоту. В зависимости от частоты входного сигнала транзистор будет работать медленнее или быстрее (при частоте 50 Гц транзистор будет открываться и закрываться 50 раз в секунду).

Как правильно выбрать стереоусилитель?

Как мы уже говорили ранее, стереоусилители являются наиболее популярным способом улучшения качества звука при использовании акустических систем. Однако принять решение о том, какую модель купить – задача не из легких, поэтому мы подготовили несколько советов, которые помогут вам. Таким образом, вы будете знать, на какие характеристики обратить внимание при покупке стереоусилителя.

Предварительный/мощный или интегрированный усилитель

Стереоусилители можно купить в двух видах – в одной или двух коробках.

Интегрированные усилители поставляются в одной коробке и объединяют два устройства (предусилитель и усилитель мощности) в одно. Они лучше, чем второй тип, потому что занимают меньше места, и вы получаете все уже совмещенное и подобранное вместе, так что вам не нужно беспокоиться об этих вещах — идеальное сочетание уже достигнуто.С другой стороны, они обеспечивают более низкое качество звука по сравнению с предусилителями/усилителями мощности.

Предусилители/усилители мощности состоят из двух блоков. В одной коробке вы найдете предусилитель с входным портом и регуляторами громкости, а усилитель мощности находится в отдельной коробке. Предусилитель может быть очень чувствительным, потому что сигнал, проходящий через предусилитель, чувствителен. Однако усилитель мощности шумит и через него проходит большой ток. Вот почему некоторые считают разумным держать их отдельно. Места это не сэкономит, но качество звука будет лучше.Важно стараться покупать оба устройства у одного производителя, чтобы добиться лучших результатов.

Совместимость (сопротивление/выходная мощность/чувствительность)

Самое главное при покупке усилителя – это, вероятно, его идеальное соответствие вашим динамикам. Чтобы сделать это, вы должны рассмотреть эти три характеристики.

Выходная мощность измеряется в ваттах (Вт), и это важно, поскольку обычно определяет громкость вашей музыки.Необходимая выходная мощность зависит от размера комнаты, которую вы хотите заполнить музыкой. Если у вас маленькая квартира, то и 10Вт будет достаточно, но если у вас действительно большой дом, то вам стоит подумать о серьезной мощности (100Вт и выше). Если вы используете усилитель на 10 Вт, каждый из каналов получит по 5 Вт.

Импеданс измеряется в омах (Ом) и может составлять от 8 до 600 Ом. Импеданс — это другое название электрического сопротивления, которое показывает, какое напряжение вам нужно для наилучшей работы определенного устройства.Чем выше импеданс динамика, тем большее напряжение потребуется усилителю для работы динамика.

Чувствительность измеряется в децибелах (дБ) и показывает, насколько громкими могут быть ваши динамики.

Подключение (входы/выходы)

Не в последнюю очередь это содержимое задней панели. Все входные и выходные порты есть, и в зависимости от количества и типа соединений вы узнаете, какие устройства вы можете использовать с этой конкретной моделью.Кроме того, на задней панели указано, поддерживает ли ваш усилитель обновление.

Начнем с входных портов. Большинство стереоусилителей имеют входы RCA, которые можно использовать для подключения к различным типам проигрывателей (даже проигрывателям) или некоторым другим устройствам с низким уровнем сигнала. Этот вид соединения требует высокого уровня выравнивания. Трехконтактные разъемы XLR отвечают за сбалансированный звук и обычно используются для подключения усилителя к устройствам высокого уровня, которые часто встречаются в студиях.

Хотя стереоусилители обычно используют аналоговое соединение, некоторые современные усилители используют цифровое соединение и имеют несколько цифровых входов.Некоторые из них также могут иметь USB-порты, которые пригодятся при подключении усилителя к ПК, ноутбуку, телефону через USB-кабель.

Также следует обратить внимание на выходные порты. Их можно использовать для подключения к усилителю некоторых дополнительных устройств. Например, вы можете отдельно подключить сабвуфер, чтобы добавить дополнительных басов, подключить наушники с помощью выходных портов 3,5 мм или 6,3 мм или вы можете подключить две пары динамиков к одному усилителю одновременно. Однако последнее может привести к снижению производительности.

Многие современные усилители имеют встроенный Bluetooth, поэтому вы даже можете попробовать подключить их к своим устройствам с помощью этой технологии и забыть обо всех этих раздражающих проводах.

Здравствуйте, меня зовут Джеймс Лонгман.

Я писатель и редактор AudioReputation. Я разобрал свое первое портативное AM/FM-радио, когда мне было всего 8 лет. В 11 лет я сжег плату своего старого магнитофона. Не буду объяснять как, но это было безрассудно и глупо.

С тех пор я стал намного осторожнее с радиоприемниками, бумбоксами и другими аудиоустройствами (по крайней мере, мне нравится так думать), но я никогда не терял страсти к аудиооборудованию.На протяжении 20 лет своей профессиональной карьеры я работал на различных производителей аудиооборудования и даже начал делать колонки самостоятельно в своей маленькой мастерской.

Мне нравится наша работа в AudioReputation. Тестирование, сравнение и оценка всех видов аудиоустройств (динамиков, звуковых панелей, наушников, систем домашнего кинотеатра и т. д.) — это то, чем я действительно наслаждаюсь. Я стараюсь быть беспристрастным и давать вам свое честное мнение о каждой части оборудования, которое я тестирую. Тем не менее, вы должны воспринимать мои обзоры с долей скепсиса и всегда быть немного скептичными.Тот факт, что мне понравилась какая-то колонка или звуковая панель, не означает, что она понравится вам. Если у вас есть возможность, вы должны протестировать его/послушать перед покупкой.

Основы операционного усилителя

: принцип работы и схема усилителя

Операционный усилитель (называемый «операционным усилителем») представляет собой блок схемы с очень большим увеличением. В реальных схемах определенный функциональный модуль обычно объединяется с цепью обратной связи. Это усилитель со специальной цепью связи и обратной связью.Выходной сигнал может быть результатом математических операций, таких как сложение, вычитание, дифференцирование и интегрирование входного сигнала. Из-за его раннего применения в аналоговых компьютерах для реализации математических операций он был назван «операционным усилителем».

Каталог

Ⅰ Принцип работы операционного усилителя

Операционный усилитель ( операционный усилитель ) представляет собой схемный блок, названный с функциональной точки зрения, который может быть реализован дискретным устройством или в полупроводниковом чипе. С развитием полупроводниковой техники большинство операционных усилителей существуют в виде одной микросхемы. Существует много типов операционных усилителей, которые широко используются в электронной промышленности.

Операционный усилитель, показанный на рисунке, имеет две входные клеммы: a ( инвертирующая входная клемма ), b ( неинвертирующая входная клемма ) и выходная клемма o. При подаче напряжения U- между выводом а и общим выводом (общим выводом является точка, где напряжение равно нулю, что эквивалентно опорному узлу в цепи.), и его фактическое направление выше, чем общий вывод от вывода a, фактическое направление выходного напряжения U – от общего конца к концу o, то есть два направления прямо противоположны. Когда входное напряжение U+ подается между клеммой b и общей клеммой, фактические направления U и U+ точно такие же относительно общей клеммы. Для удобства клеммы a и b отмечены «-» и «+» соответственно, но не путайте их с положительной и отрицательной полярностью направления опорного напряжения. Положительная и отрицательная полярность напряжения должны быть отмечены отдельно или указаны стрелками. Инвертирующий усилитель и неинвертирующий усилитель:

Рис. 1. Инвертирующий усилитель

Рис. блок усилителя напряжения с прямой связью с портом вывода сигнала (Out) и двумя входными клеммами с высоким импедансом, синфазным и противофазным.Следовательно, операционные усилители можно использовать для изготовления синфазных, противофазных и дифференциальных усилителей.

Режим питания операционного усилителя делится на двойной источник питания и один источник питания. Для операционного усилителя с двойным источником питания его выходной сигнал может изменяться по обе стороны от нулевого напряжения, а выходной сигнал также может быть установлен равным нулю, когда дифференциальное входное напряжение равно нулю. При использовании операционного усилителя с одним источником питания выходной сигнал изменяется в определенном диапазоне между источником питания и землей.

Обычно требуется, чтобы входной потенциал операционного усилителя был выше определенного значения отрицательного источника питания и ниже определенного значения положительного источника питания. Специально разработанный операционный усилитель позволяет изменять входной потенциал от отрицательного источника питания до положительного источника питания, даже немного выше, чем у положительного источника питания, или немного ниже, чем у отрицательного источника питания. Этот тип операционного усилителя называется операционным усилителем с рельсовым входом.

Выходной сигнал операционного усилителя пропорционален разности напряжений между двумя входными клеммами. В звуковом сегменте: выходное напряжение = A0 (E1-E2), где A0 — низкочастотный коэффициент усиления операционного усилителя без обратной связи (например, 100 дБ, что в 100 000 раз), E1 — напряжение входного сигнала при — инвертирующий вывод, а E2 — напряжение входного сигнала на инвертирующем выводе.

Ⅱ Принципиальная схема классического операционного усилителя

Принципиальная схема классического операционного усилителя 1

Ненаправленная клемма операционного усилителя на рис. 3 заземлена = 0 В, обратная клемма и ненаправленная клемма заземлены. виртуальные короткие замыкания, так что это тоже 0В.Входное сопротивление реверсивной входной клеммы очень велико, а инжекция и отток тока практически отсутствуют. Тогда R1 и R2 соединены последовательно, ток, протекающий через каждый компонент в последовательной цепи, одинаков, то есть ток, протекающий через R1, и ток, протекающий через R2, одинаковы.

Ток, протекающий через R1 I1=(Vi-V-)/R1……a

Ток, протекающий через R2 I2=(V—Vout)/R2……b

V-=V+=0…… c

I1=I2……d

Решите приведенное выше алгебраическое уравнение: Vout=(-R2/R1)*Vi

Это отношение входа и выхода легендарного инвертирующего усилителя.

Принципиальная схема классического операционного усилителя 2

На рис. 4 Vi и V- виртуально замкнуты, тогда Vi=V……a входной терминал, а токи через R1 и R2 равны. Установите этот ток как I. Из закона Ома: I=Vout/(R1+R2)……b

Vi равно парциальному давлению на R2, а именно: Vi=I*R2……c

c получается формула абв. Vout=Vi*(R1+R2)/R2

Это формула легендарного сонаправленного усилителя.

Принципиальная схема классического операционного усилителя 3

На рисунке 5 мы знаем из виртуального короткого замыкания: V-=V+=0……a

a Согласно виртуальному отключению и закону Кирхгофа, сумма ток через R2 и R1 равен току через R3, поэтому (V1–V-)/R1+(V2– V-)/R2=(Vout–V-)/R3……b

b подставляется в формулу a, а формула b становится V1/R1+V2/R2=Vout/R3.

Если R1=R2=R3, приведенная выше формула становится Vout =V1+V2, это легендарный сумматор.

Принципиальная схема классического операционного усилителя 4

На рис. 6 из-за виртуального разомкнутой цепи ток через операционный усилитель не течет в одном и том же направлении, поэтому токи, протекающие через R1 и R2, равны, и токи, протекающие через R4 и R3, также равны. Итак, (V1–V+)/R1=(V+-V2)/R2……a

(Vout–V-)/R3=V-/R4……b

Зная из недостатка: V+=V-…… c

, если R1= R2, R3=R4, то V+=(V1+V2)/2V-=Vout/2.

Мы можем получить из приведенной выше формулы, поэтому Vout=V1+V2 также является сумматором.

Ⅲ Знакомство со схемой усилителя

Схема усиления также называется усилителем. Это одна из наиболее широко используемых электронных схем и основная схема, из которой состоят другие электронные схемы. Так называемое усиление заключается в усилении входного слабого сигнала (называемого сигналом, который относится к изменяющемуся напряжению, току и т. д.) до требуемого значения амплитуды и сигнала, соответствующего исходному закону изменения входного сигнала, то есть , чтобы выполнить неискаженное усиление.Имеет смысл только увеличивать без искажений. Суть усилительной схемы заключается в управлении и преобразовании энергии. В соответствии с общим концом входного контура и выходного контура схема усиления имеет три основные формы: схема усилителя с общим эмиттером, схема усилителя с общим коллектором и схема усилителя с общей базой.

Реальная схема усилителя обычно состоит из источника сигнала, усилителя на транзисторе и нагрузки.

Особенности схемы усилителя:

1.Существует два рабочих состояния: статическое и динамическое, поэтому иногда для анализа часто необходимо нарисовать его путь постоянного тока и путь переменного тока;

2. Часто добавляют схемы с отрицательной обратной связью. Такого рода обратная связь иногда бывает на этом этапе, иногда от последнего этапа к предыдущему этапу, поэтому при анализе этого этапа мы должны иметь возможность «смотреть вперед и назад». После понимания принципа каждого уровня вся схема может быть объединена для всеобъемлющего синтеза.

Схема транзисторного усилителя:

Это типичная схема транзисторного усилителя.Направление протекания тока и роль каждого резистора смещения можно увидеть из приведенного выше.

Ⅳ Разница между операционным усилителем и схемой усилителя

Усилительная схема выполняет только функцию усиления. Обычно он используется для усиления аналогового сигнала различных устройств обнаружения. Конечно, некоторые схемы аналоговых усилителей также могут выполнять арифметико-логические функции. Выход схемы усиления представляет собой аналоговую величину.

Операционные усилители, как правило, интегрированы в микросхему, а в микросхему интегрировано несколько операционных усилителей.Операционные усилители также называются компараторами, которые можно использовать для сравнения и усиления сигналов. Выход цифровой. Операционный усилитель имеет входы как положительного, так и отрицательного сигнала. Какой сигнал является входом положительной сигнальной клеммы, тогда тот же сигнал является выходом. Клемма ввода отрицательного сигнала находится напротив, например, клемма отрицательного сигнала вводит положительный сигнал, а клемма вывода находится напротив, что является отрицательным сигналом.

Например, электромобиль на 36 В использует четыре индикатора для отображения мощности и подает 5 В на микросхему операционного усилителя.Сделайте несколько фиксированных напряжений, напряжения 40, 38, 36 и 34 соответственно. Они подключены к четырем отрицательным входным клеммам микросхемы с четырьмя операционными усилителями, а четыре положительных входных клеммы подключены к выборке батареи. Когда напряжение батареи превышает 40 В, операционный усилитель выдает высокий уровень, а индикатор горит. Когда оно ниже 40 В, клемма входа положительного сигнала ниже, чем клемма входа отрицательного сигнала, индикатор низкого уровня выходного сигнала не загорается.Остальные три группы операционных усилителей одинаковы. С обычными схемами усилителя не будет такой ситуации, когда напряжение сигнала на входе выше, чем выходной сигнал.

Кроме того, входной конец операционного усилителя используется в качестве земли для сигнала, а другой конец подключается к входному сигналу. Его можно использовать в качестве усилителя, например, в качестве усилителя мощности переднего каскада. Схема усилителя может быть понята как операционный усилитель.

Эти две схемы, во-первых, отличаются принципом работы.В некоторых схемах используются как транзисторы для усиления, так и операционные усилители, потому что напряжение входного сигнала не может напрямую воздействовать на операционный усилитель.

Полное руководство по проектированию и сборке усилителя Hi-Fi LM3886

Примечание. Редактируемые файлы платы доступны для этого проекта здесь.

LM3886 — один из самых популярных усилителей на аудиочипах в сообществе DIY. Причина его популярности связана с очень низким уровнем искажений, минимальным количеством внешних компонентов и низкой стоимостью.При правильной компоновке и выборе компонентов вы можете создать аудиоусилитель класса Hi-Fi с превосходным звучанием, который будет конкурировать с высококачественными усилителями, продающимися в розницу за несколько тысяч долларов и более.

В этом уроке я шаг за шагом пройду через процесс проектирования усилителя, поскольку я создаю 40-ваттный стереоусилитель, используя LM3886. Я объясню, что делает каждая часть схемы, и покажу вам, как рассчитать правильные значения компонентов на примерах для усилителя, который я собираю. Я также покажу вам, как разместить печатную плату и подключить усилитель в корпусе для минимального шума и гула.

Мой усилитель основан на той же схеме, что и в описании, со всеми включенными дополнительными компонентами стабильности.

БОНУС: загрузите мой список деталей, чтобы увидеть компоненты, которые я использовал для получения отличного качества звука от этого усилителя. Я также включил схему и файлы Gerber для источника питания, который я использовал.

Я настоятельно рекомендую прочитать техническое описание перед сборкой усилителя. Он содержит все технические характеристики, абсолютные максимальные рейтинги, схемы и советы по проектированию:

.

 LM3886 Лист данных

Примечание по применению AN-1192 содержит дополнительную информацию, которая заполняет пробелы, оставленные в таблице данных.Он также содержит схемы для мостовых и параллельных схем усилителя:

.

Увертюра. Примечание по применению AN-1192

Также хорошо иметь Руководство по дизайну Overture. Это электронная таблица Excel, которая рассчитывает выходную мощность, размер радиатора, коэффициент усиления и другие полезные параметры:

 Руководство по дизайну увертюры

Так как это довольно длинная статья, вот ссылки на разные разделы:

Вы также можете просмотреть это видео, чтобы увидеть краткий обзор процесса проектирования. В конце я подключаю усилитель, чтобы вы могли услышать, как он звучит:

Что нужно решить перед началом работы

Прежде чем приступить к разработке усилителя, вы должны иметь представление о том, какую выходную мощность вы хотите получить от него. Выходная мощность – это то, что вы обычно видите как номинальную мощность усилителя. Максимальная выходная мощность LM3886 составляет 68 Вт, но фактическая мощность, которую вы получите, будет зависеть от напряжения вашего источника питания и импеданса динамика.

Вам также необходимо знать импеданс ваших динамиков. Вы можете найти импеданс вашего динамика на задней панели динамика или в руководстве пользователя.

Наконец, вам нужно знать входное напряжение вашего .  Это выходное напряжение источника звука, который вы будете усиливать. Это может быть в руководстве пользователя устройства, но если нет, вы можете получить приблизительную оценку, воспроизведя чистую синусоиду 60 Гц (есть приложения, которые могут это сделать) на полной громкости и измерив переменное напряжение между землей и левым или правый канал мультиметром.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: ЭТОТ ПРОЕКТ ПРЕДПОЛАГАЕТ РАБОТУ С СЕТЕВЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ, КОТОРОЕ МОЖЕТ ПРИНЯТЬ СЕРЬЕЗНУЮ ТРАВМУ ИЛИ СМЕРТЬ. ОБЯЗАТЕЛЬНО ПРИНИМАЙТЕ ВСЕ НЕОБХОДИМЫЕ МЕРЫ ПРЕДОСТОРОЖНОСТИ И НИКОГДА НЕ РАБОТАЙТЕ НА ЦЕПИ ПОД НАПРЯЖЕНИЕМ!!

Определение требуемого напряжения и мощности источника питания

Давайте начнем с выяснения, какое напряжение и мощность потребуется вашему усилителю от блока питания. Эти расчеты дадут вам правильное значение напряжения и номинальных мощностей в ВА для трансформатора, который вы будете использовать для питания усилителя. Этот шаг важен, потому что, если напряжение трансформатора слишком низкое, выходная мощность усилителя будет меньше, чем вы ожидали. Если мощность трансформатора слишком мала, усилитель может обрезать или искажать звук при более высокой громкости.

Требуемое напряжение источника питания

Прежде чем вы сможете найти необходимое напряжение источника питания, вам необходимо рассчитать пиковое выходное напряжение усилителя .

Найдите пиковое выходное напряжение

Пиковое выходное напряжение (V _opeak ) — это максимальное напряжение, измеренное на клеммах динамика усилителя.Пиковое выходное напряжение вашего усилителя будет зависеть от желаемой выходной мощности (P _или ) и импеданса динамика по следующей формуле:

Усилитель, который я собираю, будет мощностью 40 Вт с динамиками на 6 Ом, поэтому мое пиковое выходное напряжение составляет:

Найдите максимальное напряжение питания, необходимое для усилителя

Теперь, когда вы нашли пиковое выходное напряжение вашего усилителя, вы можете рассчитать максимальное напряжение питания (V _{max Supply} ) . Это напряжение, которое требуется усилителю от источника питания для получения желаемой выходной мощности.

Чтобы найти максимальное напряжение питания, возьмите пиковое выходное напряжение и добавьте падение напряжения (В _или ) LM3886 (4 В). Затем учитывайте регулировку вашего трансформатора и изменение сетевого напряжения.

Регулировка

— это увеличение выходного напряжения трансформатора, когда нагрузка не потребляет ток (т. е. усилитель перестает воспроизводить музыку). Значения регулирования обычно можно найти в техническом описании трансформатора, но если вы не знаете регулирования своего трансформатора, безопасное значение – 15 %.Регулировка трансформатора, который я буду использовать, составляет 6%.

Напряжение сети может варьироваться до 10% в зависимости от вашего местоположения. Обычно он достигает пика поздно ночью, когда люди спят, и снижается в дневное время, когда больше людей бодрствует и потребляет ток от электросети.

Используйте эту формулу для расчета максимального напряжения питания, необходимого для вашего усилителя:

Для моего 40-ваттного усилителя максимальное необходимое напряжение питания составляет:

Таким образом, мой блок питания должен обеспечивать пиковое напряжение ±30. 2 В, чтобы мой усилитель выдавал 40 Вт на динамики с сопротивлением 6 Ом. Символ ± указывает, что напряжение составляет +30,2 В на положительной шине и -30,2 В на отрицательной шине.

Следующим шагом является определение номинального напряжения трансформатора, которое может обеспечить это максимальное напряжение питания.

Найдите максимальное выходное напряжение питания трансформатора

Имейте в виду, что номинальное напряжение трансформатора говорит только о напряжении переменного тока на выходе. Напряжение постоянного тока будет выше после того, как диоды мостового выпрямителя на вашем блоке питания преобразуют переменное напряжение в постоянное.

Чтобы найти максимальное напряжение питания постоянного тока, выдаваемое трансформатором и блоком питания, возьмите номинальное напряжение переменного тока трансформатора и умножьте на 1,41 увеличение напряжения от диодов выпрямителя, 10-процентное изменение сетевого питания и регулировку трансформатора:

Я провел приведенный выше расчет с трансформатором, рассчитанным на 18 В переменного тока, чтобы проверить, сможет ли он обеспечить максимальное напряжение питания 30,2 В, необходимое для моего усилителя. С трансформатором на 18 В я бы получил максимальное напряжение питания:

29.6 В довольно близко к максимальному напряжению питания 30,2 В, необходимому моему усилителю, но давайте точно рассчитаем, какую выходную мощность я получу с этим трансформатором.

Определение выходной мощности по номинальному напряжению трансформатора

Чтобы рассчитать выходную мощность, которую вы получите, исходя из номинального напряжения конкретного трансформатора, используйте следующую формулу:

Используя максимальное напряжение питания, которое я рассчитал для трансформатора 18 В (29,6 В), я получу выходную мощность:

38.Выходная мощность 2 Вт довольно близка к моей цели в 40 Вт, поэтому трансформатор на 18 В будет работать нормально.

Требуемая мощность трансформатора

Теперь давайте найдем минимальную мощность ВА для трансформатора, который будет питать ваш усилитель.

Сначала вам нужно рассчитать общую мощность (P _{поставка} ) , требуемую усилителем. Общая мощность зависит от максимального выходного напряжения источника питания, пикового выходного напряжения усилителя и импеданса динамика.Формула для использования:

Я уже рассчитал максимальное напряжение питания трансформатора на 18 В (29,6 В) и пиковое выходное напряжение моего усилителя (21,9 В). Общий ток источника питания в режиме покоя (QPSC) указан в техническом описании LM3886 как 85 мА.

Таким образом, мой 18-вольтовый трансформатор должен питать усилитель как минимум:

Общая мощность теперь может быть использована для определения минимального номинала ВА для вашего трансформатора.

Преобразование общей мощности в мощность трансформатора, ВА

Чтобы преобразовать общую мощность в номинальную мощность трансформатора, ВА, общее эмпирическое правило заключается в том, чтобы умножить ее на коэффициент 1. 5:

Это количество ВА, необходимое для каждого канала, поэтому для стереоусилителя с питанием от одного трансформатора просто удвойте это значение:

Найти трансформатор мощностью 222 ВА будет сложно, но вы можете округлить до ближайшего значения и использовать трансформатор мощностью 250 ВА или выше.

Определите правильный размер радиатора

Для LM3886 требуется достаточно большой радиатор, чтобы рассеивать выделяемое им тепло, иначе он быстро выйдет из строя.Минимальный размер радиатора можно найти, рассчитав его максимальное тепловое сопротивление (в °C/Вт) .

Во-первых, вам нужно знать максимальную рассеиваемую мощность вашего LM3886 (P _dmax ) и тепловое сопротивление  на пути, по которому тепло проходит от кристалла кристалла к окружающему воздуху.

Определение максимальной рассеиваемой мощности

Максимальное рассеивание мощности — это предел, при котором включается внутренняя схема SPiKe LM3886. Качество звука серьезно ухудшается при включении схемы SPiKe, поэтому для предотвращения этого нам нужен радиатор с достаточно низким тепловым сопротивлением, чтобы рассеять максимальную мощность, рассеиваемую LM3886. P _dmax  зависит от максимального напряжения питания вашего источника питания и сопротивления динамика:

Максимальное выходное напряжение моего источника питания составляет ±29,6 В, и я буду управлять динамиками 6 Ом, поэтому мой P _dmax :

Итак, мой радиатор должен рассеивать 29.6 Вт мощности для предотвращения срабатывания схемы защиты SPiKe.

Найдите максимальное тепловое сопротивление радиатора

Существует три сопротивления тепловому потоку от LM3886:

θ _jc : Тепловое сопротивление от соединения чипа (кристалла) до корпуса.

θ _cs : Термическое сопротивление зазора между корпусом микросхемы и радиатором.

θ _sa : Термическое сопротивление радиатора окружающему воздуху.

При снижении любого теплового сопротивления на пути к окружающему воздуху будет рассеиваться больше энергии. θ _jc  является свойством пластикового корпуса, закрывающего матрицу, поэтому мы ничего не можем сделать, чтобы уменьшить его.

θ _cs  можно уменьшить, используя термопасту между чипом и радиатором. Термическая паста имеет тепловое сопротивление около 0,2 °C/Вт, но точное значение используемого типа должно быть доступно у производителя.

Наиболее эффективным способом снижения общего теплового сопротивления является снижение θ _{по сравнению с} с помощью более эффективного радиатора.Радиаторы с более низким значением θ _или лучше рассеивают тепло.

Радиатор рассеивает пиковую мощность, создаваемую усилителем (P _dmax ), если его тепловое сопротивление (θ _sa ) меньше или равно значению, рассчитанному по этой формуле:

LM3886 выпускается в двух разных корпусах: LM3886T и LM3886TF. LM3886T имеет металлический фланец на задней части корпуса, а LM3886TF полностью пластиковый. Пластиковый корпус LM3886TF обеспечивает более высокое значение θ _cs :

.

• LM3886T: θ _cs  = 1 °C/Вт
• LM3886TF: θ _cs = 2 °C/Вт

T _jmax  является максимальной температурой перехода или температурой на кристалле микросхемы, выше которой включается схема теплового отключения.В техническом описании для T _jmax указано значение 150 °C.

T _mb  – температура окружающей среды в °C, при которой будет работать усилитель. Типичным значением для T _и является комнатная температура (25 °C).

Таким образом, максимальное тепловое сопротивление (θ _sa ) радиатора для моего усилителя с P _dmax  29,6 Вт составляет:

Поэтому мне понадобится радиатор с номиналом , который меньше или равен 2,1 °C/Вт, чтобы обеспечить рассеивание максимальной мощности, создаваемой LM3886.

Вот один канал моего усилителя, подключенный к радиатору подходящего размера:

Расчет значений компонентов

Теперь, когда вы рассчитали требования к источнику питания и радиатору, следующим шагом будет определение значений компонентов в схеме усилителя. Я буду использовать схему ниже. Это в основном то же самое, что и в техническом описании, но с включенными дополнительными компонентами стабильности:

Примечание. Компоненты обозначены так, как они указаны в техническом описании.

Вот схема расположения контактов LM3886 для справки:

Найдите минимальное необходимое усиление

Усиление может быть установлено на любое значение выше минимума LM3886 в 10 В _o / В _i , но для того, чтобы получить желаемую выходную мощность, оно должно быть выше определенного минимального значения. Минимальная настройка усиления вашего усилителя будет зависеть от вашего входного напряжения, импеданса динамика и выходной мощности по формуле:

Я планирую использовать iPhone в качестве источника звука для моего усилителя с выходным напряжением 1 В. Выходная мощность, которую я получу с моим трансформатором и блоком питания, составляет 38,2 Вт, а сопротивление моих динамиков — 6 Ом. Итак, мой минимальный выигрыш:

Так что мне нужно установить усиление не менее 15,1 В _o / В _i  , если я хочу, чтобы выходная мощность 38,2 Вт использовалась в динамиках с сопротивлением 6 Ом при входном напряжении 1 В.

Настройка усиления

Коэффициент усиления LM3886 можно настроить, изменив номиналы резисторов R _i и R _f1 . Эти резисторы образуют делитель напряжения, определяющий напряжение на инвертирующем входе (вывод 9) LM3886:

Слишком высокое значение усиления может вызвать искажения.Слишком низкое значение может сделать ваш усилитель слишком тихим. Хорошая настройка усиления, которая не слишком высока, чтобы вызывать искажения, но и не слишком низка, чтобы обеспечить хороший диапазон громкости, составляет от 27 до 30 дБ.

Прирост рассчитывается по следующей формуле:

Это дает вам коэффициент усиления по напряжению (V _o /V _i ) или коэффициент усиления. Чтобы преобразовать усиление по напряжению в усиление в децибелах (дБ), используйте следующую формулу:

Резисторы с более высокими значениями создают больше шума Джонсона-Найквиста, поэтому лучше всего найти соотношение R _f1  / R _i  , которое обеспечивает целевое усиление при низких значениях резисторов.

Я выбрал коэффициент усиления около 27 дБ (22,4 В _o / В _i ) для моего усилителя. Чтобы поддерживать низкое сопротивление, я начал с установки R _и на 1 кОм. Затем я изменил формулу усиления, чтобы получить R _f1 с коэффициентом усиления 22,4 В _o / V _i :

.

Я собираюсь использовать металлопленочные резисторы Vishay-Dale серии PTF во всем своем усилителе, но самое близкое значение, которое я смог найти, было 20 кОм. Но использование резистора 20 кОм для R _f1 даст усиление:

Что достаточно близко к 27 дБ и выше 15.1 V _o /V _i минимальное усиление, необходимое для моей желаемой выходной мощности, входного напряжения и импеданса динамика.

Если вы создаете стереоусилитель, вы хотите, чтобы R _i и R _f1 имели жесткие допуски по сопротивлению. Если эти резисторы сильно различаются между двумя каналами, коэффициенты усиления будут разными, и один канал будет громче, чем другой. Идеально подходят металлопленочные резисторы с допуском 0,1% или меньше.

Балансировка входного тока смещения

После настройки коэффициента усиления следующим шагом является балансировка входных токов смещения путем выбора значений для R _в и R _b :

Если токи на неинвертирующем входе (вывод 9) и инвертирующем входе (вывод 10) различны, между ними возникнет напряжение. Эта разница в напряжении будет усиливаться в виде шума.

На инвертирующий вход подается сопротивление R _f1  , а на неинвертирующий вход подается сопротивление R _в и R _b последовательно. Вы уже нашли значение для R _f1 при настройке коэффициента усиления усилителя. Значения R _в и R _b выбраны таким образом, что вместе они равны значению R _f1 . Это сделает ток на неинвертирующем входе равным току на инвертирующем входе.Чтобы найти значения R _в и R _b для конкретного R _f1 , используйте эту формулу:

Я использовал значение, указанное в техническом описании для R _b  (1 кОм). Таким образом, с R _f1 при 20 кОм значение R _в , которое уравновешивает входной ток смещения для моего усилителя, составляет:

Вы, вероятно, сможете найти резистор на 19 кОм, доступный с типом резисторов, которые вы используете, но 20 кОм — это самое близкое значение, которое я мог найти для резисторов Vishay-Dale PTF, поэтому мне придется согласиться с этим.

Установка отсечки низких частот на входе усилителя

C _в последовательно с неинвертирующим входом. Его основная функция состоит в том, чтобы блокировать любой постоянный ток, присутствующий в источнике звука, в то же время позволяя проходить переменному току (аудиосигналу). Постоянный ток в источнике звука должен быть заблокирован, иначе он будет усиливаться вместе с аудиосигналом и создавать высокое смещение постоянного тока на динамиках. Это искажает звук, чего мы не хотим по понятным причинам.

В дополнение к функции блокировки по постоянному току, C _в и входной резистор (R _в ) образуют RC-фильтр верхних частот, который устанавливает нижнюю границу полосы пропускания усилителя на неинвертирующем входе:

Частота среза этого фильтра (также известная как точка -3 дБ или угловая частота ) — это частота, на которой фильтр начинает работать.В фильтре верхних частот частоты ниже частоты среза будут ослаблены (заглушены). В фильтре нижних частот все частоты выше частоты среза будут приглушены. Мы будем использовать комбинации фильтров нижних и верхних частот, чтобы настроить полосу пропускания усилителя и улучшить стабильность.

Частота среза (F _c ) этого фильтра может быть найдена с помощью уравнения:

Уравнение можно изменить, чтобы найти значение C _в для конкретного F _c :

Вы нашли значение для R _в , когда балансировали входные токи смещения, поэтому все, что вам нужно сейчас, это выбрать частоту среза.Нижний предел человеческого слуха составляет 20 Гц, поэтому F _c  должны быть намного ниже, чтобы предотвратить затухание низких частот. Идеальной является частота ниже 2–4 Гц.

Я склонен слушать музыку с большим количеством басов, поэтому для моего усилителя я выбрал довольно низкий F _c . Я начал с 1,5 Гц, но вы можете использовать более высокие или более низкие значения, если хотите. Просто убедитесь, что частота ниже 20 Гц, иначе басы будут слабыми.

При F _c с частотой 1,5 Гц значение моего C _в должно быть:

А 5.Конденсатор емкостью 3 мкФ будет трудно найти, но довольно распространенное близкое значение — 4,7 мкФ. F _c с конденсатором 4,7 мкФ будет:

F _c с частотой 1,69 Гц довольно близко к моим желаемым 1,5 Гц, поэтому конденсатор емкостью 4,7 мкФ должен подойти.

Поскольку C _в  находится непосредственно на пути входного аудиосигнала, тип используемого конденсатора будет влиять на качество звука. Следует избегать электролитических, керамических и танталовых конденсаторов.Лучше всего здесь будет звучать металлическая полипропиленовая пленка хорошего качества, а еще лучше полипропиленовая металлическая пленка в масляном конденсаторе.

Установка отсечки низких частот в контуре обратной связи

В контуре обратной связи имеется второй фильтр верхних частот с R _i и C _i :

Частота среза этого фильтра должна быть в 3-5 раз ниже , чем у F _c C _в \R _в фильтра высоких частот на входе. Если F _c этого фильтра на 90 515 выше 90 516, чем у входного фильтра, усилитель будет пропускать низкие частоты в контур обратной связи, с которыми он не может справиться. Это создаст напряжение между C _и и вызовет появление напряжения постоянного тока на инвертирующем входе, которое будет усиливаться и вызывать искажения. Следовательно, входной фильтр (C _в и R _в ) должен определять более низкую частоту полосы пропускания усилителя, а не фильтр контура обратной связи (C _i и R _i ).

Входной фильтр определяет нижний предел полосы пропускания, но C _i по-прежнему влияет на басовую характеристику. При меньших значениях C _i бас будет мягче и менее пробивным, но при больших значениях C _i бас будет плотнее и сильнее.

Приведенная ниже формула даст вам отправную точку для значения C _i :

Я уже нашел значения для R _в , C _в , R _b и R _i , поэтому значение моего C _i должно быть больше, чем:

Округление до следующего общего значения емкости дает 220 мкФ. Давайте посмотрим, какой будет частота среза при этом. Мы можем использовать уравнение F _c с R _i и C _i :

Теперь я проверю, что 0,72 Гц в 3-5 раз ниже, чем 1,69 Гц F _c моего входного фильтра:

В 2,3 раза меньше. Давайте попробуем несколько больших значений для C _i , чтобы увидеть, можем ли мы добиться большего. Повторение расчета F _c для конденсатора 330 мкФ дает 0,48 Гц.

3.В 5 раз меньше — это нормально, но я мог бы добиться еще большего успеха с конденсатором на 470 мкФ. Повторение вычислений снова с конденсатором 470 мкФ дает F _c 0,34 Гц.

Конденсатор 470 мкФ установит F _c моего фильтра контура обратной связи в 4,9 раза ниже, чем F _c моего входного фильтра. Это здорово, поэтому я буду использовать конденсатор 470 мкФ для C _и .

C _i  также находится на пути аудиосигнала, поэтому следует использовать конденсатор хорошего качества. Емкость, вероятно, будет слишком высокой для использования полипропилена, поэтому вам, вероятно, придется использовать электролит. Тем не менее, существуют электролиты хорошего качества для аудио, такие как серия Elna Silmic II или Nichicon KZ, которые не должны отрицательно влиять на качество звука.

Установка порога среза высоких частот на входе усилителя

R _b и C _c образуют RC-фильтр нижних частот, задающий верхнюю границу полосы пропускания усилителя на неинвертирующем входе:

В таблице данных показано, что C _c подключен между неинвертирующим входом и инвертирующим входом.В этой конфигурации C _c фильтрует радиочастотные и электромагнитные помехи, улавливаемые входными проводами. К сожалению, это также увеличивает вероятность колебаний. Лучше всего подключить C _c от неинвертирующего входа к земле, как показано на рисунке выше. Таким образом, C _c по-прежнему фильтрует радиочастоты, но также действует как фильтр нижних частот, который устанавливает верхний предел полосы пропускания усилителя.

F _c  этого фильтра должен быть установлен значительно ниже самой низкой частоты радиовещания в вашем районе и значительно выше верхнего предела человеческого слуха в 20 кГц.Радиочастоты вещания в США:

• FM: от 87,5 до 108 МГц
• AM: от 535 до 1605 кГц

Я решил начать с F _c около 250 кГц. Это намного ниже самой низкой частоты AM-вещания (535 кГц), поэтому радиочастоты и большая часть электромагнитных помех должны быть отфильтрованы. Он также намного выше верхней частоты человеческого слуха 20 кГц, поэтому более высокие звуковые частоты не будут ослаблены.

Чтобы найти значение для C _c , которое дает F _c в 250 кГц, я просто изменю формулу частоты среза:

Поскольку 636 пФ не является общепринятым значением, я округлю до 680 пФ.С конденсатором 680 пФ F _c становится:

Таким образом, конденсатор емкостью 680 пФ установит верхнюю частоту среза на 234 кГц, что достаточно близко к моей желаемой F _c  250 кГц. C _c также находится на пути прохождения сигнала, поэтому следует использовать конденсатор хорошего качества. Лучшими типами диэлектриков для аудиоконденсаторов в пикофарадном диапазоне являются серебряная слюда или полистирол.

Компоненты устойчивости R _f2 и C _f

R _f2 и C _f демпфируют резонанс в контуре обратной связи и повышают стабильность:

R _f1 , R _f2 и C _f образуют фильтр нижних частот в контуре обратной связи, но, как видно из формулы в таблице данных, расчет F _c этого фильтра довольно сложен. :

Лучший способ определить значения для R _f2 и C _f — использовать программное обеспечение для моделирования цепей, такое как LTSpice.Однако это выходит за рамки этой статьи, поэтому я просто буду использовать значения, указанные в таблице данных.

Но если вы хотите поэкспериментировать, уменьшение значения C _f повысит верхнее F _c  пропускной способности, а увеличение значения снизит его.

Сеть Зобеля

C _sn и R _sn образуют цепь Цобеля на выходе усилителя:

Сеть Цобеля используется для предотвращения колебаний, вызванных индуктивными нагрузками.Это также предотвращает попадание радиочастот, улавливаемых проводами динамиков, обратно на инвертирующий вход усилителя через петлю обратной связи.

На высоких частотах импеданс C _sn очень низкий, поэтому высокочастотный ток замыкается на землю. R _sn  ограничивает ток высокой частоты, чтобы не было прямого короткого замыкания на землю, которое может превысить предел тока LM3886. Таким образом, меньшие значения R _sn делают сеть Цобеля более эффективной при фильтрации радиочастот, но также увеличивают частоту среза, что, в свою очередь, снижает ее эффективность.

В техническом описании указано значение 2,7 Ом для R _sn и значение 100 нФ для C _sn . Это делает F _c :

589 кГц — это довольно много, тем более что самая низкая частота AM-радиовещания составляет 535 кГц. Чтобы снизить это до более разумного уровня, я решил использовать 4,7 Ом для R _sn и 220 нФ для C _sn , что снижает F _c до 154 кГц:

154 кГц намного выше предела человеческого слуха в 20 кГц и ниже любых радиочастот, которые могут улавливать провода динамиков.

Поскольку R _sn должен шунтировать большие токи на землю, если усилитель колеблется, номинальная мощность должна быть не менее 1 Вт. C _sn  должен иметь низкий ESR и низкий ESL, а также номинальное напряжение, превышающее колебание выходного напряжения от шины к шине. Чтобы свести к минимуму индуктивность, расположите цепь Цобеля рядом с выходным контактом (контакт 4) и сделайте дорожки короткими.

Сеть Тиле

В то время как сеть Цобеля уменьшает колебания, вызванные индуктивными нагрузками, сеть Тиле уменьшает колебания, вызванные емкостными нагрузками, обычно из-за длинных кабелей громкоговорителей. Это также предотвращает попадание радиочастот, улавливаемых проводами динамиков, обратно на инвертирующий вход усилителя через петлю обратной связи.

Катушки индуктивности

имеют низкий импеданс для тока низкой частоты и высокий импеданс для тока высокой частоты. Звуковые сигналы имеют относительно низкую частоту, поэтому они беспрепятственно проходят через катушку индуктивности. Катушка индуктивности будет препятствовать высокочастотному колебательному току, и он будет вынужден протекать через резистор, который ослабит его.

В техническом описании рекомендуется резистор 10 Ом, 5 Вт, подключенный параллельно резистору 0.Индуктор 7 мкГн. В стереоусилителе будет одна сеть Тиле на канал. Они должны быть расположены вдали от входной схемы усилителя, чтобы предотвратить помехи от магнитных полей, создаваемых катушкой индуктивности. Удобное расположение рядом с выходными клеммами динамиков, немного разнесенными или расположенными под углом 90° друг к другу, чтобы предотвратить взаимодействие магнитного поля между ними.

Изготовление катушек индуктивности

Катушки индуктивности для сети Тиле представляют собой воздушные сердечники с проволочной намоткой, изготовленные путем намотки проволоки с эмалированным покрытием (магнитной проволоки) вокруг цилиндрического объекта.Поскольку катушка индуктивности будет проводить полный выходной ток усилителя, провод должен быть толстым. 12-18 AWG было бы хорошо. Используйте этот калькулятор однослойной воздушной катушки, чтобы узнать, сколько витков вам нужно для определенного диаметра провода и диаметра катушки.

Или вы можете рассчитать индуктивность самостоятельно по этой формуле:

В своей сборке я использовал магнитный провод 14 AWG, так как он толстый и его легко найти. Диаметр 14 AWG составляет 1,62814 мм. Я планировал использовать стержень отвертки диаметром 11 мм для формирования катушки.Введя эту информацию в калькулятор индуктивности, я обнаружил, что мне потребуется около 12 витков, чтобы получить дроссель 0,7 мкГн.

Развязывающие конденсаторы блока питания

LM3886 имеет один отрицательный контакт питания (контакт 4) и два положительных контакта питания (контакты 1 и 5). Для отрицательного вывода питания требуется собственный набор развязывающих конденсаторов, а для положительных выводов питания используется отдельный набор развязывающих конденсаторов.

Большие развязывающие конденсаторы обеспечивают постоянный источник резервного тока, когда низкочастотный выход усилителя высок.Большие значения улучшат звучание басов. Типичные значения составляют от 470 мкФ до 2200 мкФ.

Развязывающие конденсаторы средней емкости обеспечивают дополнительный ток для среднечастотного выхода. Они должны быть где-то между 10 мкФ и 220 мкФ.

Небольшие развязывающие конденсаторы очень быстро обеспечивают ток, помогая усилителю выводить более высокие звуковые частоты. Они также фильтруют шумы и радиочастотные помехи в источнике питания.

Развязывающие конденсаторы также компенсируют паразитную индуктивность и сопротивление проводов питания и дорожек, ведущих к контактам питания микросхемы. Индуктивность и сопротивление препятствуют протеканию тока, который увеличивается с увеличением длины проводов и дорожек. Поскольку источник питания находится относительно далеко от микросхемы, проблема заключается в индуктивности и сопротивлении. Чтобы максимизировать подачу тока на микросхему, развязывающие конденсаторы следует размещать как можно ближе к выводам питания микросхемы.

Конденсаторы

с более низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) и более низкой последовательной индуктивностью (ESL) являются лучшими типами для использования здесь.

Исследования Тома Кристиансена показывают, что керамический конденсатор X7R емкостью 4,7 мкФ, соединенный параллельно с электролитическим электролитом емкостью 22 мкФ и электролитическим электролитом емкостью 1000 мкФ, имеет значительно лучшие характеристики, чем конденсаторы емкостью 100 нФ, 10 мкФ и 470 мкФ, соединенные параллельно, рекомендованные в техническом описании. Это то, что я буду использовать в своем усилителе.

Цепь отключения звука

R _m , C _m и D1 образуют цепь отключения звука:

Когда ток, вытекающий из контакта отключения звука (контакт 8), меньше 0.5 мА выход усилителя отключается, а когда ток превышает 0,5 мА, выход включается.

Чтобы включить звук усилителя, нам нужно найти значение для R _m , чтобы ток, протекающий через контакт 8, превышал 0,5 мА. Это можно найти по этой формуле:

Для моего усилителя, работающего от напряжения питания ±29,6 В,

Итак, мой R _m должен быть меньше 54 кОм, чтобы ток на контакте 8 был больше 0.5 мА.

R _m и C _m создают постоянную времени, которая медленно уменьшает ток на выводе отключения звука при отключении питания усилителя и медленно увеличивает ток при включении усилителя. Стабилитрон на 16 В (D1) блокирует ток, вытекающий из контакта 8, до тех пор, пока не будет достигнуто напряжение пробоя диода (16 В). Это создает эффект плавного пуска/остановки, который постепенно увеличивает или уменьшает громкость, а не резко отключает ее.

Время, необходимое для увеличения и уменьшения тока, можно отрегулировать, изменив значения R _m или C _m в соответствии с формулой для постоянной времени RC:

Например, если мне нужен плавный пуск продолжительностью в одну секунду, я могу произвольно установить R _m на 10 кОм, а затем найти значение для C _m :

.

Таким образом, установка R _m на 10 кОм и C _m на 100 мкФ даст мне плавный пуск продолжительностью в одну секунду.

Окончательная схема

Теперь, когда мы узнали, как рассчитать номиналы компонентов, мы можем приступить к разработке компоновки печатной платы и схемы подключения. Если вы не хотите выполнять все расчеты, которые мы сделали выше, вы можете использовать значения, которые использовал я. Вот окончательная схема:

Примечание. Метки компонентов совпадают с метками на схеме печатной платы, приведенной ниже. Нажмите на изображение, чтобы отредактировать схему или изменить значения компонентов.

Проектирование планировки

Заземление вашего усилителя сильно влияет на качество звука.При правильно спроектированной схеме заземления выход усилителя будет полностью бесшумным, когда источник подключен и не воспроизводится музыка. При плохо спроектированной схеме заземления усилитель может издавать очень заметный гул или жужжание.

Ключом к хорошей схеме заземления является разделение заземления слабого тока и заземления сильного тока. Слаботочные заземления — это заземление входных цепей и контура обратной связи. Заземление с высоким током — это заземление развязывающих конденсаторов источника питания, сети Цобеля и динамиков.Сильные токи, протекающие через слаботочные заземляющие проводники, создают постоянное напряжение, которое может проявиться на входе усилителя и усилиться в виде шума.

Чтобы отделить слаботочные земли от сильноточных, мы создадим несколько заземляющих сетей:

• Земля аудиовхода : Земля кабеля аудиовхода
• Сигнальная земля : Земля для входной цепи – R _в , C _c и R _i /C _i
• Масса динамика : Земля для динамиков
• Заземление питания : Заземление для развязывающих конденсаторов источника питания, цепи Цобеля, конденсатора отключения звука и контакта заземления LM3886

Эти заземления должны подключаться только один раз к набору клемм, который называется основным системным заземлением .Основное заземление системы расположено как можно ближе к накопительным конденсаторам источника питания. Заземление основной системы будет подключаться к проводу заземления сети через схему защиты контура заземления (поясняется позже) и шасси усилителя.

Индивидуальные сети заземления подключаются к основному заземлению системы таким образом, чтобы заземление с более высоким током находилось ближе к накопительным конденсаторам. На схеме ниже показано, как заказать заземление:

Заземления динамиков и заземления аудиовходов направляются непосредственно от их клемм на корпусе к заземлению основной системы.

Разработка топологии печатной платы

Конструкция печатной платы

также оказывает большое влияние на характеристики вашего усилителя. Ниже я расскажу о рекомендациях, которые я использовал для разработки этого макета печатной платы. Печатная плата предназначена для одного канала, поэтому для стереоусилителя вам потребуется собрать две платы:

.

Примечание. Компоненты на печатной плате соответствуют приведенной выше схеме. Вы можете нажать на изображение выше, чтобы отредактировать компоновку печатной платы, изменить посадочные места компонентов и заказать печатные платы.

Печатная плата была разработана с помощью программного обеспечения для онлайн-дизайна EasyEDA. EasyEDA — это полный пакет программного обеспечения/сервиса для проектирования схем и печатных плат, который можно использовать бесплатно и который предлагает отличные цены на изготовление печатных плат по индивидуальному заказу.

Заказ печатных плат

Если вы нажмете кнопку «Производственный вывод» в редакторе печатных плат EasyEDA, вы попадете на страницу, где вы можете заказать печатную плату. Вы сможете выбрать толщину меди, толщину печатной платы, цвет и количество заказа:

Заказал 5 плат за 17$.10 долларов США, и они были доставлены примерно за 10 дней. Готовые доски выглядят великолепно. Все следы и печать получились очень чистыми и точными, и ни на одной плате не было дефектов. Вот одна из плат:

Руководство по проектированию печатных плат

Сильные токи, протекающие через источник питания и выходные дорожки, создают магнитные поля, которые могут генерировать токи в контуре обратной связи и входных дорожках, если они проложены параллельно друг другу. Это может исказить входной сигнал, поэтому лучше держать их далеко друг от друга или направлять под углом 90°.Размещение их клемм для печатных плат на противоположных сторонах платы облегчит их разделение при разводке дорожек.

Любое пространство между дорожками одной и той же цепи создаст петлю, которая может передавать или принимать электромагнитные поля. Следы для подачи питания и заземления питания должны быть проложены близко друг к другу, чтобы уменьшить площадь контура. Точно так же аудиовход и сигнальные трассы должны быть проложены близко друг к другу. Простой способ минимизировать площадь контура — использовать заземляющие плоскости на нижнем слое печатной платы, что я и сделал в этом макете.

Заземление питания и сигнальная земля являются единственными заземляющими цепями на печатной плате. Каждый из них имеет собственную электрически изолированную заземляющую пластину на нижнем слое. Поскольку заземление питания пропускает большие токи, а заземление сигнала пропускает слабые токи, они хранятся отдельно до тех пор, пока не соединятся с заземлением основной системы. На верхнем слое печатной платы дорожки источника питания, выхода и сети Zobel проложены через плоскость заземления питания. Дорожки входного контура и контура обратной связи проложены по плоскости заземления сигнала.Дорожки для подачи питания были сделаны очень широкими, чтобы минимизировать сопротивление и индуктивность.

Контур обратной связи должен быть как можно короче, чтобы уменьшить площадь контура. Я обрезал выводы резистора обратной связи (R _f1 ) и припаял его непосредственно к контактам 9 и 3, чтобы площадь контура была как можно меньше:

Индуктивность препятствует протеканию тока и создает резонанс с конденсатором, включенным последовательно. Поскольку индуктивность увеличивается с длиной дорожки, лучше сделать все дорожки как можно короче.Это особенно важно для развязывающих конденсаторов источника питания, контура обратной связи, входной схемы и цепи Цобеля. Держите компоненты этих цепей прямо напротив контактов чипа, чтобы дорожки были короткими.

У нас есть больше советов и рекомендаций по проектированию печатных плат в нашей статье «Как сделать пользовательскую печатную плату», так что ознакомьтесь с ней, если вам интересно.

Соединение всего вместе

LM3886 — это усилитель на микросхеме Hi-Fi, поэтому для своего усилителя я использовал высококачественные аудиокомпоненты:

Общая стоимость обоих каналов составила около 118 долларов США, не считая корпуса, блока питания и проводки.Вы можете построить его намного дешевле с более дешевыми компонентами, если у вас ограниченный бюджет, просто обязательно измените посадочные места компонентов в разводке печатной платы.

Припой и пайка

Перед припайкой компонентов к печатной плате используйте мелкозернистую наждачную бумагу, чтобы удалить окисление с выводов компонентов. Это обеспечит более прочное паяное соединение и лучшую электропроводность.

Чтобы удерживать отдельные компоненты на месте во время пайки, используйте замазку, например Sticky-Tac, на верхней стороне печатной платы.Сначала начните припаивать самые маленькие компоненты, а затем продвигайтесь к более крупным компонентам.

Старайтесь избегать стандартного оловянно-свинцового припоя 60/40 и используйте вместо него эвтектический припой 63/37. Припой 60/40 имеет широкий диапазон плавления, и когда он находится в нижней части диапазона, он становится пастообразным. Если компонент движется в пастообразной фазе, это может создать соединение холодной пайки. Меньший диапазон плавления эвтектического припоя ускоряет схватывание припоя и обеспечивает лучшее электрическое соединение.

Вот один канал моего усилителя после пайки компонентов:

Поиск шасси

Вам понадобится корпус для хранения печатных плат и проводов, а также для установки входных, выходных и силовых разъемов.Лучше всего подходят металлические корпуса, поскольку они защищают усилитель от помех, вызванных флуоресцентными лампами, радиоприемниками и мобильными телефонами. К сожалению, может быть трудно найти корпус, который подходит ко всему и при этом хорошо выглядит. После долгих поисков я нашел компанию под названием Hi-Fi 2000, которая производит очень хорошие металлические корпуса. Их веб-сайт на итальянском языке, но его можно перевести на английский язык. Я заказал их модель Galaxy 330×280 мм с передней панелью из черного анодированного алюминия толщиной 10 мм, и она выглядит великолепно:

.

Они также делают отверстия и печать на заказ, поэтому я попросил их настроить заднюю панель:

Прежде чем заказывать корпус, выполните тестовую компоновку трансформатора, блока питания, печатных плат усилителя и радиаторов.Затем измерьте габаритные размеры, чтобы убедиться, что корпус подходит ко всему.

Схема подключения внутри корпуса

После того, как печатные платы собраны и у вас есть шасси, пришло время соединить все вместе. Схема проводки так же важна, как и схема печатной платы и схема заземления. Используйте приведенную ниже схему в качестве руководства для соединения различных частей вместе:

Нажмите на изображение, чтобы увеличить его.

Целью проводки является уменьшение или устранение электромагнитных помех между сильноточными и слаботочными проводами.Провода аудиовхода и провода заземления сигнала наиболее чувствительны к помехам от окружающих магнитных полей.

Провода электропитания, выходные провода динамиков, трансформатор, выпрямительные диоды и провода сети переменного тока являются основным источником магнитных полей. Чтобы уменьшить помехи, держите провода аудиовхода и сигнального заземления на расстоянии от этих частей или прокладывайте их под углом 90 °, если их разделение неизбежно. Если вы сориентируете входную сторону печатных плат усилителя рядом с входными клеммами на шасси, провода можно сделать короткими и подальше от источников помех.

Любое пространство между проводами одной и той же цепи создаст петлю, которая может передавать или принимать электромагнитные поля. Чтобы минимизировать площадь петли, следующие наборы проводов должны быть плотно скручены вместе:

• Горячие и нейтральные провода сети переменного тока от входной клеммы до трансформатора
• Провода нулевого и вторичного напряжения переменного тока от трансформатора к источнику питания
• V+, V- и провода заземления от источника питания к каждой плате усилителя
• Выход динамика и провода заземления динамика от печатной платы усилителя/массы основной системы к клеммам шасси
• Провода аудиовхода и входного заземления от входных клемм к плате усилителя

Три провода источника питания (V+, V- и заземление) соединяют выход постоянного тока источника питания с каждой платой усилителя.Эти провода должны быть толстыми, максимально короткими и плотно скрученными. Я использовал 14 AWG, но все, что больше 18 AWG, должно подойти.

По входным проводам и сигнальным проводам заземления протекают только слабые токи, поэтому они не должны быть большого сечения. Я использовал сплошной сердечник 22 AWG, который хорошо работает, потому что его можно скрутить в тугую катушку.

Кабели аудиовхода, идущие от источника к корпусу усилителя, могут улавливать помехи. Если это становится проблемой, вы можете установить конденсатор емкостью 1 нФ между землей каждой входной клеммы и шасси, чтобы отфильтровать ее.

Сетевой заземляющий провод должен быть прикреплен непосредственно к корпусу с помощью болта и кольцевой клеммы. Я бы также использовал стопорную гайку или стопорную шайбу, чтобы предотвратить ее ослабление. Все металлические части усилителя (например, радиаторы) должны быть электрически соединены с шасси, чтобы обеспечить путь к земле для любых сетевых напряжений, которые могут попасть на них в случае неисправности.

Основное заземление системы подключается к цепи защиты заземления (обсуждается ниже), которая затем подключается к корпусу.Цепь защиты заземления может подключаться к корпусу на болте, где сетевой заземляющий провод подключается к корпусу, или в другом месте.

Две сети Thiele расположены рядом с выходными разъемами динамиков. Для предотвращения помех между индукторами их следует располагать на расстоянии друг от друга или ориентировать под углом 90° друг к другу.

Вот как я все установил внутри своего шасси. Печатная плата правого канала устанавливается вверх дном так, чтобы входная сторона платы находилась рядом с разъемами RCA и 3.Входные клеммы 5 мм. При таком расположении радиаторы обеспечивают некоторую защиту от сетей Тиле и проводов переменного тока, ведущих к трансформатору:

Нажмите на изображение, чтобы увеличить его.

Цепь защиты контура заземления

ЦЕПИ ЗАЩИТЫ КОНТУРА ЗАЗЕМЛЕНИЯ МОГУТ БЫТЬ НЕЗАКОННЫМИ В НЕКОТОРЫХ ОБЛАСТЯХ. ПОЖАЛУЙСТА, ПРОВЕРЬТЕ МЕСТНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ НОРМЫ ИЛИ ПРОКОНСУЛЬТИРУЙТЕСЬ С ЭЛЕКТРОТЕХНИКОЙ ПЕРЕД УСТАНОВКОЙ ЭТОГО…

При подключении источника звука с питанием к усилителю магнитные поля от трансформатора источника и проводов питания могут быть связаны с проводами заземления кабелей аудиовхода.Это известно как контур заземления, и он может создавать шум на выходе вашего усилителя.

Цепь защиты контура заземления отключит ток контура заземления:

В нормальных условиях эксплуатации низковольтные токи контура заземления протекают через резистор (R1) на землю (корпус). Резистор уменьшает этот ток и разрывает контур заземления. В случае сильноточной неисправности ток неисправности может течь через диодный мост на землю. Обратите внимание, что корпус ДОЛЖЕН быть электрически подключен к проводу заземления сети, чтобы предотвратить попадание сетевого напряжения на металлический корпус в случае неисправности.Конденсатор предназначен для фильтрации любых радиочастот, принимаемых шасси.

Если используется схема защиты контура заземления, все входные и выходные клеммы должны быть электрически изолированы от корпуса. В противном случае цепь защиты контура заземления будет полностью шунтирована входными/выходными проводами заземления, которые подключаются к основному заземлению системы.

Цепь защиты контура заземления может быть жестко смонтирована, но несколько удобнее смонтировать компоненты на печатной плате. Клемма «PSU 0V» подключается к основному заземлению системы.Терминал «Шасси» подключается к шасси:

Нажмите на изображение, чтобы отредактировать компоновку, изменить посадочные места компонентов и заказать печатную плату.

Как это звучит?

Усилитель, который я построил, звучит невероятно хорошо. Это лучший усилитель, который у меня когда-либо был. Бас очень глубокий и чистый. Вы действительно можете это почувствовать. Высокие четкие, но совсем не резкие. Я слышу детали в песнях, о которых я даже не подозревал. Поверьте мне, если вы соберете усилитель на LM3886 , вы не будете разочарованы.Он определенно оправдывает свою репутацию усилителя Hi-Fi. Видео в начале поста даст вам представление о том, как это звучит.

Это должно покрыть большую часть того, что вам нужно для создания превосходно звучащего усилителя Hi-Fi с LM3886. Из-за длины этого поста я решил не освещать подробно блок питания, но, возможно, сделаю это в будущем.

Если вы заинтересованы в создании других усилителей, у нас также есть руководство по созданию 25-ваттного усилителя на TDA2050, а также 10-ваттного стереоусилителя и мостового усилителя на TDA2003.

Спасибо за прочтение… Если у вас есть какие-либо вопросы по этой сборке, обязательно оставьте их в комментариях ниже, и мы постараемся на них ответить. И не забудьте поставить лайк, поделиться и подписаться, если это было вам полезно! Поговорим с тобой в следующий раз…

Схемы мини-усилителей звука

— самодельные схемы

В этой статье мы обсуждаем несколько схем мини-усилителей звука, которые можно быстро собрать для усиления очень слабых входных сигналов в слышимые выходы динамиков.

1) Схема усилителя мощностью 1 Вт

Первая схема мини-усилителя звука работает с «комплементарным» выходным каскадом, имеющим один силовой транзистор NPN и один силовой транзистор PNP, что избавляет от выходного трансформатора, обычно встречающегося в старых моделях усилителей. Выходная мощность составляет около 1 Вт с довольно минимальными искажениями. Входной сигнал передается через регулятор громкости RV1 и далее через C1 на базу Q1.

Коллекторная нагрузка для Q1 состоит из R1, R5 вместе с громкоговорителем.Напряжение коллектора Q1 составляет около 50 % от напряжения питания, т. е. 4 В5. Базы Q2 и Q3 также имеют такое же напряжение (почти), что и коллектор Q1, из-за того, что значение R1 очень мало (68R).

На пересечении эмиттеров Q2, Q3 напряжение также может быть почти 4V5, резисторы R3 и R4 и резисторы очень малого номинала для управления током, проходящим через Q2 и Q3. Если усиленный входной сигнал не превышает 4V5, Q2 отключается (поскольку база, вероятно, будет находиться под пониженным напряжением по сравнению с его эмиттером), тем не менее Q3 может продолжать пропускать сигнал.

Как только Q1 усиливает сигнал на 4V5, ситуация меняется на обратную, Q2 включается, а Q3 выключается.

Сигналы смешиваются на соединении с общим эмиттером Q2 и Q3 и передаются на громкоговоритель с помощью большого электролитического конденсатора C2. Меньшее значение для конденсатора C2 может вызвать слабое понижение АЧХ.

Отрицательная обратная связь обеспечивается резисторами R5 и R2, которые гарантируют стабильность за счет незначительного уменьшения коэффициента усиления. R1 включен, чтобы получить небольшое базовое смещение для Q2 и Q3; в гораздо более совершенных схемах используются термисторы или диоды для защиты от теплового выхода из строя, который может повредить пару выходных транзисторов.

Отрицательным моментом является связь транзистора по постоянному току, когда изменение характеристик одного конкретного транзистора может привести к разрушительным последствиям! Из-за этого пара выходных транзисторов должна быть правильно подобранной парой. Некоторые другие варианты могут быть проверены, учитывая, что они также правильно сопоставлены с идентичным hFE.

2) Крошечный усилитель для слухового аппарата

Если вам нужна дешевая и грязная схема мини-усилителя звука, вы, вероятно, можете протестировать это маленькое устройство.Среди множества других факторов можно было бы увеличить мощность наушников для людей с потерей слуха. Схема представляет собой простой двухтранзисторный аудиоусилитель. Первый транзистор, Q1, работает как базовый предусилитель со средним усилением, который получает сигнал, поступающий от C1, действуя как блокиратор постоянного тока.

Транзистор Q1 усиливает сигнал и направляет его на C2. Затем этот транзистор} подает сигнал на Q2, который сконфигурирован как каскад усилителя мощности. Этот каскад еще больше усиливает сигнал, а C3 переключает его в сторону динамика.

Вы, возможно, найдете небольшое искажение, но его можно минимизировать путем тестирования с разными значениями C5, поддерживая его в указанном диапазоне. Если это не работает должным образом, рассмотрите некоторые другие значения. Однако если подумать о том, как может различаться коэффициент усиления транзисторов, скорее всего, потребуется немало экспериментов, чтобы все работало правильно.

3) Схема усовершенствованного миниатюрного усилителя для слухового аппарата

4) Схема полуваттного усилителя

Следующая схема миниатюрного усилителя звука, представленная здесь, довольно проста.Выходная мощность составляет около 250 мВт, чего обычно достаточно для большинства приложений, и она не уступает любому типичному транзисторному радиоприемнику. Величина искажения довольно высока, около 5%.

Этот небольшой усилитель имеет среднюю чувствительность и может обеспечить 100 % выходной сигнал при входном напряжении около 50 мВ. Входное сопротивление около 50кОм. Встроен базовый регулятор тембра. Хотя на самом деле это не активная регулировка тембра, а пассивная, эффект вполне адекватный.Центральное плечо регулятора громкости подключено к основанию Q1 через разделительный конденсатор постоянного тока.

Работа схемы

Q1 подключен как очень традиционный усилитель с общим эмиттером вместе с R2, обеспечивающим базовое смещение, а R3 ведет себя как нагрузка коллектора. Этот каскад напрямую связан со вторым транзистором типа PNP. При этом ток, проходящий через Q1, обеспечивает смещение для 2-го транзистора. При используемых значениях выход второго транзистора соединен напрямую с катушкой громкоговорителя.

Это может показаться неразумной идеей, потому что ток в режиме ожидания в выходном транзисторе постоянно смещает катушку, иногда немного увеличивая или уменьшая ее типичный рабочий уровень. Тем не менее, если используется большой динамик, как это и должно быть, это почти не оказывает никакого влияния, и поскольку мы не ожидаем отличного звука Hi-Fi, это не имеет значения.

Регулятор тембра

Регулятор тембра включает C2 и RV2, которые соединяются через коллектор/основание Q1.Когда RV2 установлено на высокое значение сопротивления, это почти не оказывает никакого влияния, но при установке на минимальном уровне 100 нФ вызывает обратную связь высоких частот, которые имеют тенденцию быть не в фазе, что приводит к их полной компенсации. Чтобы схема работала правильно, R3 должен быть тщательно определен.

Значение, указанное в этой статье, составляет 39 Ом, что является лишь средним диапазоном, и хотя оно может хорошо подойти для предварительной настройки, чтобы гарантировать работоспособность схемы, это значение необходимо определить экспериментальным путем.В случае, если он очень мал, вы увидите сильное искажение на конфигурациях с большим объемом.

При слишком высоком уровне потребления тока, вероятно, будет слишком много, хотя качество вывода звука будет очень хорошим. Можно найти несколько методов для выбора значения. При отсутствии мультиметра значение должно быть определено как наименьшее, подходящее для достойного качества.

Если мультиметр доступен, он должен быть подключен последовательно с напряжением питания, и R3 должен быть выбран таким образом, чтобы ток покоя усилителя, который является током, работающим в отсутствие входного сигнала, составлял около 20 мА. .

Крайне важно, чтобы Q2 был установлен над радиатором, так как он может сильно нагреваться и может выйти из строя, если радиатор не используется. Импеданс динамика не очень важен, и в прототипах динамиков с сопротивлением от 8 до 80 Ом почти все работали хорошо. Однако изменение импеданса динамика может также потребовать изменения значения резистора R3.

5) Базовая схема мини-усилителя 3 В

Для уменьшения количества деталей используется прямая связь между Tr1 и Tr2, а также между Tr2 и громкоговорителем.Tr1 работает как усилитель с общим коллектором, загружаемый через усилитель с общим эмиттером Tr2. Базовое смещение Tr1 извлекается из коллектора Tr2. Поскольку это не совпадает по фазе с основанием Tr1, достигается чрезмерная стабилизация.

Часть постоянного тока коллектора Tr1 также проходит через Tr2 через базу к эмиттеру, обеспечивая тем самым существенное смещение. Отрицательная обратная связь обеспечивается резисторами R5 и R3. R3 обеспечивает обратную связь через два каскада, а R5 реализует обратную связь через выход на вход Tr2.

Эффект этой обратной связи приводит к невероятно плоской кривой отклика вплоть до удивительно низких частот. Высокочастотную характеристику можно существенно улучшить, заменив транзисторы на 2N2907. Применение этого устройства также может привести к увеличению усиления.

Субминиатюрная схема усилителя может прекрасно подойти для усиления выходного сигнала вашего FM- или AM-тюнера. Если у вас компактная магнитола, работающая только с выходом на разговорный динамик, ее можно было бы приучить повышать громкость примерно до уровня громкоговорителя.Для этого просто подключите выход вашего радио на вход усилителя.

Громкоговоритель, используемый в этом усилителе, должен быть как можно большего размера, по возможности 12-дюймового типа внутри корпуса. Реализация чрезвычайно маленького динамика может привести к некоторой неэффективности из-за того, что по обмотке может протекать достаточный ток, даже когда входной сигнал недоступен.

Ток, потребляемый батареей, будет относительно высоким, примерно 150 мА.что означает, что это должно быть настолько большим, насколько это возможно.

6) Схема мини-усилителя, работающая с напряжением 3 В

Этот мини-усилитель может работать без каких-либо проблем или ошибок при напряжении питания от 3 В до 20 В с использованием следующих сопротивлений источника:

Напряжение питания / 2 мА (кОм)

Выходная мощность, которую может обеспечить усилитель, естественно, определяется напряжением питания и сопротивлением его громкоговорителя, что видно из прилагаемой таблицы.

Ток потребления усилителя находится в диапазоне от 1 мА до 1.5 мА, точная величина зависит от типа используемых транзисторов.

Если ток покоя упадет за этот конкретный предел, вероятно, потребуется настроить значение R9. Как видно из таблицы, усилитель эффективно работает с громкоговорителями с высоким импедансом.

Поскольку громкоговорители с сопротивлением до 200 Ом труднодоступны, можно попробовать использовать громкоговоритель с меньшим импедансом, снабженный дополняющим трансформатором.

Например, динамик на 8 Ом можно использовать с трансформатором, используя коэффициент примерно 5:1.

Несмотря на то, что выходная мощность усилителя не очень высока, она достаточна в сочетании с громкоговорителем средней мощности в тихой зоне. Коэффициент усиления усилителя по напряжению составляет около 50, а полоса пропускания по уровню 3 дБ составляет от 300 Гц до 6 кГц.

Конструкции печатных плат

Дискретный усилитель мощностью 1,5 Вт

Эта небольшая схема усилителя может стать удобной поддержкой для любого экспериментатора со звуком.

Можно было бы привыкнуть усиливать и производить слышимые импульсы через генераторы, работающие в акустическом диапазоне, отслеживать сигналы через другой аудиоусилитель, который может быть неисправен, усиливать какой-либо другой сигнал до приемлемого уровня мощности для измерения или срабатывания реле и Т. Д.и т.д.

В настоящее время можно найти множество усилителей мощности на интегральных схемах с выходной мощностью от 1 до 3 Вт, хотя большинство из них требует тщательной компоновки схемы во избежание нестабильности (нестабильный усилитель может вибрировать и вследствие этого разрушаются).

Кроме того, дискретный транзисторный усилитель гораздо более информативен, поскольку можно оценить напряжения, чтобы лучше понять его работу.

Таким образом, данный небольшой усилитель разработан с использованием дискретных транзисторов, которые, помимо того, что они намного более стабильны, чем конструкции на основе интегральных схем, идеально подходят для требований пользователя.

Транзисторы Q2, Q4 и Q5 зацементированы в небольшой алюминиевый корпус, который работает как радиатор.

Как работает схема

Эта схема довольно типична для большого количества аудиоусилителей. Первичный транзистор усилителя напряжения Q3 управляет вторичными согласователями (NPN плюс PNP) Q4 и Q5, которые являются буферами, обеспечивающими большой коэффициент усиления по току, но меньший, чем единичный коэффициент усиления по напряжению.

По той причине, что базы транзисторов Q4 и Q5, как правило, представляют собой два перехода база-эмиттер в стороне, транзистор Q3 используется для установки напряжения смещения для этих биполярных транзисторов.

Транзистор Q1 работает как усилитель ошибки, который анализирует входное напряжение и выходное напряжение, разделенное в меньшую сторону.

При практически любых отклонениях он подает управляющее напряжение на Q3, чтобы исправить ошибку.

Выходное напряжение распределяется в соотношении (R6 + R5)/R5, поэтому расчетное усиление будет равно 28, хотя правильное усиление, вероятно, будет несколько меньше.

Точка смещения постоянного тока усилителя дополнительно определяется Q2, на который не влияет резистор R5, и он разделен через C3.

Чтобы поддерживать примерно постоянный ток в Q3, конденсатор C6 расположен так, чтобы обеспечить постоянное напряжение на резисторе R8 (а значит, и ток через него). Конденсаторы С4 и С5 обычно обеспечивают частотную компенсацию.

Небольшой усилитель с высоким входным сопротивлением

Этот небольшой усилитель имеет высокое входное сопротивление 1,1 МОм за счет поддержания низкого тока коллектора транзистора Q1 и высокой обратной связи по переменному и постоянному току. Входная чувствительность этой небольшой схемы усилителя точно настраивается путем регулировки номинала резистора R3.Схема также имеет низкий выходной ток покоя 2,5 мА, который отлично стабилизируется резисторами R5 и R8. Используя источник питания 17,5 вольт, усилитель сможет выдать миленькие 2,5 ватта на 8 Ом. Аудиовыход может иметь уровень искажений не более 1% на частоте 1 кГц.

Небольшой усилитель мощностью 5 Вт

Следующая схема небольшого усилителя может использоваться с любым входным аудиосигналом, поступающим от любого подходящего источника, например, от разъема для наушников сотового телефона.

После подключения и включения питания небольшой 5-ваттный усилитель сможет значительно усилить выходной сигнал по сравнению с любыми 8-омными 5-ваттными громкоговорителями.

47K используется для регулировки выходной громкости усилителя, а пресет 22K используется для настройки тока покоя усилителя.

Предустановку 22k необходимо настроить, подключив маленькую лампу на 100 мА последовательно с линией питания. И точка входа A должна быть замкнута на землю.Затем настройте предустановку 22k, пока лампа не перестанет светиться. Ток покоя этого усилителя не задается. Лампу теперь можно убрать, а усилитель использовать как обычно для усиления входного сигнала.

Мини-усилитель звука

Схема имеет стандартную конструкцию, в которой входной каскад с общим эмиттером (Q1) напрямую подключен к каскаду драйвера с общим эмиттером (Q2), который затем напрямую соединен с выходным каскадом дополнительного эмиттерного повторителя (Q3) (Q3 — Q4).Резистор R7 дает почти 100% отрицательную обратную связь по постоянному току, что позволяет схеме получить усиление по напряжению примерно на единицу при постоянном токе.

D1 используется для обеспечения небольшого постоянного смещения выходных транзисторов, что в сочетании с довольно значительным уровнем отрицательной обратной связи снижает перекрестные искажения до неопределяемого уровня.

Выходной каскад эмиттерного повторителя обеспечивает низкое выходное сопротивление схемы, что позволяет эффективно управлять нагрузкой при больших выходных токах. Q4 управляет динамиком во время положительных выходных циклов, тогда как Q3 управляет динамиком во время отрицательных выходных циклов.

Усилитель класса AB

Далее показана схема базового трехтранзисторного усилителя. Дополнительный усилитель класса AB, способный выдать мощность около 1 Вт на нагрузку динамика 3 Ом. Транзистор Q1 работает как усилитель с общим эмиттером. Комбинация динамика СПКР1, резистора R1 и потенциометра R5 используется для управления нагрузкой. Соответствующий каскад эмиттерного повторителя, состоящий из Q2 и Q3, повторяет и усиливает его выходное напряжение.

Выход усилителя подается на пересечение СПКР1 и R1 через конденсатор С2, обеспечивая низкоомное возбуждение СПКР1.Это одновременно загружает R1, давая схеме высокий коэффициент усиления по напряжению.

Выходной сигнал также возвращается на базу Q1 через резистор R4, что приводит к отрицательной обратной связи, вызывающей смещение базы. Подстроечный потенциометр R5 следует отрегулировать с осторожностью, чтобы уменьшить перекрестное искажение звукового сигнала при сохранении минимально возможного потребления тока покоя.