Некоторые функциональные виды усилителей

§ Предварительный усилитель (предусилитель) — усилитель, предназначенный для усиления сигнала до величины, необходимой для нормальной работы оконечного усилителя.

§ Оконечный усилитель (усилитель мощности) — усилитель, обеспечивающий при определённой внешней нагрузке усиление мощности электромагнитных колебаний до заданного значения.

§ Усилитель промежуточный частоты (УПЧ) — узкополосный усилитель сигнала определённой частоты (456 кГц, 465 кГц, 4 МГц, 5,5 МГц, 6,5 МГц, 10,7 МГц и др.), поступающего спреобразователя частоты радиоприёмника.

Предварительный усилитель состоит из одного или нескольких каскадов предварительного усиления, назначением которых являет­ся усиление напряжения, тока или мощности сигнала до величины, необходимой для подачи на вход мощного усилителя. Основным тре- бованием, предъявляемым к каждому каскаду предварительного усиления, является возможно большее усиление напряжения, тока или мощности сигнала, так как при этом количество каскадов будет наименьшим, а усилитель — наиболее простым и дешевым. Это тре­бование определяет подбор транзисторов и ламп для каскадов пред­варительного усиления и выбор режима их работы. Если источник сигнала дает достаточную для подачи на вход мощного усилителя мощность сигнала, предварительный усилитель не нужен.

За входным каскадом расположен промежуточный каскад (иногда его называют драйверным каскадом), т.е. схема, где происходит усиление сигнала перед подачей его на выходной каскад. Промежуточный каскад вырабатывает сигнал высокого напряжения, необходимый для выходных транзисторов. Входной и промежуточный каскады расположены на большой плате в центре усилителя, показанного на рис. 6-7а. Выходные каскады левого и правого каналов смонтированы на платах, установленных вертикально вдоль боковых сторон усилителя. В усилителях класса А и В (описанных в этой главе далее) промежуточный каскад может работать как фазоинвертор, создающий копию сигнала с обратной полярностью для подачи на двухтактный выходной каскад.

Промежуточные каскады почти всегда выполняются по реостатной схеме с включением транзистора с общим эмиттером. Регулировка тембра чаще производится в промежуточных каскадах. [1]

Промежуточный каскад - дифференциальный усилитель с несимметричным выходом - обеспечивает необходимое усиление по напряжению всего операционного усилителя. [2]

Промежуточные каскады выполняют главным образом две задачи: доводят мощность колебаний высокой частоты до величины, достаточной для возбуждения оконечного каскада и получения от пего заданной мощности, н ослабляют связь оконечного каскада с задающим генератором. Для выполнения второй задачи часто используют промежуточные каскады, работающие в режиме удвоения или утроения частоты. Анодные контуры этих каскадов настраивают соответственно на вторую или третью гармоники колебания, поступающие на их сетку. Настройка мощных промежуточных и выходных каскадов производится при пониженном анодном напряжении. [3]

Промежуточные каскады настраивают последовательно одним за другим от возбудителя в сторону выходного каскада. [4]

Промежуточные каскады чаще всего строятся по симметричным схемам с применением глубокой отрицательной обратной связи. Это упрощает связь с выходным каскадом, обеспечивает достаточно высокую температурную стабильность усилителя, снижает требования к напряжениям источников питания и делает усилитель мало зависимым от разброса параметров транзисторов. Несимметричные однотактные схемы используются в редких случаях для упрощения ступенчатой регулировки усиления или при работе с несимметричными линиями задержки. [5]

Промежуточные каскады служат: 1) для усиления мощности задающего генератора до уровня, необходимого для возбуждения выходного каскада; 2) для повышения частоты генерируемых колебаний; 3) для развязки задающего генератора от выходного каскада, режим которого резко изменяется при модуляции. Они представляют собой усилители сложной схемы и рассчитываются по приведенным выше формулам на получение в нагрузке мощности, необходимой для возбуждения следующего каскада. [7]

Промежуточный каскад потребляет сравнительно небольшую мощность, и для питания может быть использован статический преобразователь частоты, например магнитный преобразователь частоты 50 / 400 гц из серии ПЧМС, которая пока имеет три исполнения мощностью 200, 500 и 1 000 вт с однофазным выходом ( см. гл. [8]

Промежуточные каскады чаще всего выполняют по схеме С общим эмиттером. Для снижения фазовых искажений применяют гальваническую междукаскадную связь. На рис. 4 - 5 приведена схема каскадного усилителя типа ОЭ - - ОЭ, которую можно рекомендовать для использования в предварительном усилителе; эта схема отличается стабильностью как при колебаниях напряжения питания, так и при изменениях окружающей температуры. [9]

Что же представляет из себя Усилитель Мощности – далее, для краткости будем называть его УМ. Условно, его структурную схему можно разделить на три части:

 Входной каскад

 Промежуточный каскад

 Выходной каскад

Все эти три части выполняют одну задачу – увеличить мощность выходного сигнала до такого уровня, чтобы можно было раскачать нагрузку с низким сопротивлением - динамическую головку или наушники. Как они это делают? Очень просто – берется постоянный ток питания УМ и преобразуется в переменный, но так, что форма сигнала на выходе повторяет форму входного сигнала.

Это как раз продемонстрировано на рисунке. На входе у нас маленький ( мяу! ) сигнал, на выходе большой (МЯУ!). При этом его форма ( мяу! -МЯУ!) совершенно не поменялась. Спасибо Кот.

Но, к сожалению, все хорошо бывает только в теории. На практике же, при конструировании радиоаппаратуры мы применяем неидеальные резисторы, конденсаторы, и в особенности транзисторы. Поэтому форма выходного сигнала может весьма серьезно отличаться от входного и такая беда называется искажения . Свои пять копеек в порчу сигнала вносят все каскады усилителя, но львиную его долю – я бы сказал, целый рубль мелочью, вносит оконечный каскад при его неправильном построении или расчете.

Почему искажения – это плохо? Ну, чтобы не заниматься демагогией, просто вырежьте из этой статьи, скажем, каждое пятое слово. Что получилось? Нет, смысл, конечно, все равно понятен, но уже несколько не то, правда? Таким же образом получается и со звуком.

Итак, давайте рассмотрим различные способы построения оконечных каскадов УМ, которые также называются классами (или режимами работы) усилителей. Слышали наверное – усилитель класса А, усилитель класса АВ – вот это оно и есть.

Начнем с того, что посмотрим на общую принципиальную схему выходного каскада УМ.

Это двухтактный выходной каскад на комплементарных транзисторах. Как видно, в базовые цепи транзисторов включены источники напряжения, формирующие начальное смещение рабочей точки каждого из транзисторов. Так вот как раз от величины этого напряжения и зависит в каком режиме (классе) будет работать тот или иной выходной каскад.

Ну, начнем по порядку – режим А.

Этот режим получится у нас при довольно большом напряжении смещения , таком, что

где I0 – ток покоя каскада. Таким образом, оба транзистора находятся в активной зоне и по мере спада коллекторного тока одного транзистора, увеличивается ток другого. В результате всех этих плясок мы получаем практически идеальную линейность каскада и полное отсутствие нелинейных искажений. НО. Всегда есть некое НО, вы заметили? Во-первых, мощность, потребляемая от источника питания, равна удвоенной мощности выходного сигнала и является величиной постоянной, не зависящей от входного сигнала. То есть, если усилитель развивает максимальную выходную мощность 100 ватт, то потребляемая от источника питания мощность составит 200 ватт, причем, не важно с какой громкостью вы будете слушать музыку. А если усилитель двухканальный, то есть стерео? А если это домашний кинотеатр? Дальше. Выходные транзисторы, как вы знаете имеют дурную привычку греться. То есть, рассеивают некоторую мощность. В случае режима А, рассеиваемая мощность для одного транзистора равна следующему:

где a – размах напряжения на выходе.

Что у нас получается? Еще одна особенность класса А – мощность рассеяния транзисторов тем больше, чем меньше входной сигнал. То есть, если вы оставите работающий усилитель без входного сигнала, он будет греться как печка, так как в отсутствие входного сигнала мощность рассеяния транзистора равна максимальной выходной мощности усилителя. Кстати, хочу сказать, что это проверено на практике – мой Technics A 900 Reference и в самом деле греется сильнее в том случае, если на его вход не подается никакого сигнала – я в свое время очень удивлялся этому обстоятельству и даже хотел тащить его в ремонт. Еще один немаловажный параметр усилителя – КПД. Ну, сами понимаете – с таким нагревом транзисторов никакого человеческого (Мяу!) или кошачьего КПД мы не получим.

КПД считается так:

гда a , как и в прошлой формуле – размах выходного напряжения. Таким образом, КПД не постоянен и увеличивается по мере нарастания входного сигнала, а значит и выходной мощности и максимально достигает значения 50%. ( Хотите выпить бутылку пива? Мяу, ничего не получится – половину бутылки выливаем в унитаз, оставшуюся половину выпиваем и бежим снова за целой.) Да, примерно так и есть, но надо заметить, что пиво это будет просто превосходное. Правда, тем обиднее будет выкидывать половину.

Итак, подытожим – чем же хорош класс А? Прежде всего отличной линейностью и отсутствием искажений – форма сигнала на выходе остается такой же, какой она была на входе. Но за это нам приходится платить убийственной потребляемой мощностью и чрезвычайно низким КПД усилителя. Пойти на такие жертвы могут далеко не все и такой режим работы усилителей применяется только в очень качественных системах класса Hi - End , стоимость которых начинается от 1000 утоптанных енотов и выглядят они при этом форменными гробами.

Следующий класс усилителей – класс В

Так же как и в прошлый раз, рассмотрим двухтактный каскад на комплементарных транзисторах.

Схема немножко упростилась в связи со спецификой работы усилителя в этом режиме. Как можно увидеть – смещения тут нет совсем никакого, то есть транзисторы открываются исключительно от входного сигнала. Таким образом, особенность этого режима заключается в том, что при отсутствии входного сигнала оба транзистора закрыты, и каскад не потребляет от источника питания совершенно ничего – I0 =0. При наличии входного сигнала транзисторы работаю поочередно – для положительных полуволн работает транзистор Т1, а для отрицательных Т2. Давайте посмотрим, как у нас обстоит дело с потребляемой мощностью, КПД, и нагревом транзисторов.

Для начала введем некий коэффициент а – так называемый, коэффициент использования.

то бишь отношение выходного напряжения в данный момент к максимальному выходному напряжению. Если сказать человеческим языком, то эта цифирька показывает загруженность усилителя работой в данный момент – или он электроны ведрами таскает с бешенной скоростью – а=1, или вообще дрыхнет – а=0.

Итак, выходная мощность считается по следующей формуле:

;

мощность рассеяния рабочего транзистора:

потребляемая мощность:

Ну в общем, в случае режима В все по-честному – потребляемая мощность возрастает по мере роста входного сигнала и соответственно, выходной мощности. Максимальная потребляемая мощность при а=1 достигает

КПД также прирастает с ростом уровня сигнала и достигает 78,5%. Ну совсем другое дело. (Мяу! Ну да – вылить 20% пива – это не 50%.)

Так, что то мы пропустили, кажется. Ну точно – про искажения то забыли. А все Кот со своим пивом. Отвлекает.

Так вот, посмотрим на искажения.

Уууу… вот тут то мы и попали – смотрите, что творится. В чистом классе В нас поджидает очень большая ммм… (Мяу! Задница!) ну да, что то в этом роде - нелинейные или, как их еще называют –переходные искажения 1-го рода . Видите – на графике – вместо того, чтобы синусоиде плавно переходить через ноль, как она это делает во входном сигнале, у нас получается вообще провал некоторой ширины – то есть момент, когда сигнал исчезает вообще – нету его. Почему же это происходит? Все дело в том, что транзистору, чтобы открыться и начать работать нужно некоторое пороговое напряжение, подаваемое на базу – для кремниевых биполярных транзисторов оно равно 0,7 вольта.

То есть, что мы получаем. Допустим, величина положительной полуволны начинает убывать. Транзистор Т1 начинает закрываться. И наступает такой момент, когда величина первой полуволны падает ниже 0,7 вольта и Т1 закрывается, но ведь Т2 то еще не открылся, а откроется он только тогда, когда сигнал перейдет в отрицательную полуволну и её величина достигнет напряжения –0,7 вольт. Таким образом, мы получаем дырку в сигнале шириной в 1,4 вольта. Ай ай ай, что же нам делать то теперь, а? (Пиво пить, выливая 20% в унитаз, мяу!)

Ну, чтобы не заканчивать эту часть на грустной ноте, забегу вперед и скажу, что решение этой проблемы найдено, найдено давно и называется оно режим АВ. Некий компромисс между качеством сигнала и мощностными параметрами. Но это мы уже рассмотрим в следующей части. (А еще мы будем рассматривать класс D – цифровой усилитель, мяу!)