Усилитель – каким он должен быть? 1 страница

Для того чтобы сравнивать различные схемы и конструкции усилителей, нужно прежде всего точно договориться о том, какие их качества нужно заносить в графу «хорошо», а какие в графу «плохо». Но еще раньше нужно сказать несколько слов о тех показателях, которые характеризуют работу усилителя (рис. 31).

Рис. 31. Для оценки усилителя нужно знать его основные качественные показатели, в частности, номинальную выходную мощность, соответствующие этой мощности коэффициент нелинейных искажений, чувствительность, полосу воспроизводимых частот, допустимые в этой полосе частотные искажения, уровень фона, динамический диапазон громкости.

На вход усилителя НЧ с микрофона, звукоснимателя, магнитной головки и т. п. подается электрический сигнал – копия звука. Такой же сигнал, но, конечно, более мощный, должен появиться на выходе усилителя. Но, к сожалению, в процессе путешествия по усилителю форма сигнала искажается, несколько изменяется его спектр. Здесь мы встречаем уже знакомые виды искажений: нелинейные, частотные и фазовые. Но если раньше мы говорили об искажении звуковых колебаний, то теперь речь идет об искажении электрического сигнала. С точки зрения конечного результата это одно и то же – электрический сигнал превращается в звук, и все искажения в итоге достаются нашему слуху.

Источники частотных искажений – это реактивные элементы схемы – конденсаторы и катушки. Именно они оказывают разное сопротивление синусоидальным составляющим разных частот (рис. 30, 10 , 30, 11 ) и таким образом нарушают соотношение между этими составляющими (рис. 32).

Рис. 32. Частотные искажения возникают из‑за реактивных элементов – конденсаторов и катушек, сопротивление которых меняется с частотой; чем больше удельный вес реактивных сопротивлений, тем сильнее частотные искажения.

Однако если умело подойти к делу, этот недостаток можно обратить в достоинство. Можно так подобрать реактивные элементы схемы (обычно для этого используют RС ‑цепочки), чтобы скомпенсировать частотные искажения в других элементах усилительного тракта. Так, например, если громкоговоритель на какой‑то частоте заваливает частотную характеристику на 10 дб, а усилитель на той же частоте дает подъем на 10 дб, то оба вида искажений компенсируют друг друга.

Ровная, без завалов, частотная характеристика усилителя – это хорошо. Но еще лучше, если есть возможность с помощью регуляторов тембра менять эту характеристику в широких пределах и особенно создавать значительный подъем в области высших и низших частот. Усилитель работает «в коллективе», и мы ценим его не только за высокие «личные» качества, но и за то, что он умеет корректировать недостатки своих «коллег», в частности громкоговорителя (рис. 33).

Рис. 33. Используя реактивные элементы (обычно конденсаторы в RС‑цепочках), можно получить некоторый подъем на краях частотной характеристики и в какой‑то степени скомпенсировать завал, создаваемый громкоговорителями.

К сожалению, с нелинейными искажениями дело обстоит не так. Возникая в различных элементах тракта, они суммируются, и поэтому нужно добиваться, чтобы на каждом участке К_н.и и был как можно меньше. В усилителе главные источники нелинейных искажений – это лампы и трансформаторы; их характеристики имеют явно выраженный нелинейный характер (рис. 15 и рис. 30, 21 ). Принимая ряд мер, удается снизить К_н.и в рядовых усилителях до 5–7 % и в усилителях высшего класса до 1–2 %.

рис. 30 , 21

Рост нелинейных искажений ограничивает увеличение мощности усилителя. Как правило, любой усилитель может отдать мощность большую, чем он отдает, но для этого нужно залезть на нелинейные участки ламповых характеристик, и К_н.и станет недопустимо большим. Поэтому номинальную мощность Р_ном усилителя определяют так: наибольшая мощность, при которой К_н.и не превышает установленной для данного усилителя величины. Номинальная мощность – это «потолок», выше которого подниматься не стоит. Ясно, что этот «потолок» соответствует самым громким звукам, которые появляются не так уж часто. В среднем усилитель развивает мощность значительно меньше номинальной. Поэтому оказалось удобным ввести еще одну характеристику – нормальную мощность Р_норм , которая составляет 10 % от Р_ном . Иногда удобно говорить о номинальном и нормальном выходном напряжении. Между ними существует такая связь: U_норм ~ 0,3 U_ном

С учетом мощности определяют такую важную характеристику усилителя, как чувствительность. Численно она равна напряжению, которое надо подать на вход, чтобы выходная мощность была равна номинальной. Чем меньше это напряжение, тем лучше чувствительность усилителя. По данным, приведенным в предыдущей главе, можно установить такие нормы чувствительности: усилитель для воспроизведения грамзаписей–100–250 мв, усилитель для работы от динамического микрофона – 0,5–2 мв, магнитофонный усилитель– 5–10 мв (однодорожечная запись) или 0,5–5 мв (двухдорожечная запись).

С номинальной мощностью связана еще одна важная характеристика усилителя – динамический диапазон.

Чтобы без искажений передать звучание голоса и особенно оркестра, нужно не только воспроизвести звуковые колебания определенной формы, но и сохранить естественное соотношение между самыми тихими и самыми громкими звуками. Это соотношение называется динамическим диапазоном громкости или, коротко, просто динамическим диапазоном. Для речи динамический диапазон составляет 40 дб, а для симфонического оркестра намного больше – около 70 дб.

Казалось бы, нет никаких трудностей для того, чтобы воспроизвести большой динамический диапазон. Есть самый громкий звук, соответствующий номинальной мощности усилителя (например, 10 вт), и самый тихий звук должен просто быть на 70 дб тише, то есть должен соответствовать в 10 миллионов раз меньшей мощности (1 мквт). Однако при большом динамическом диапазоне самый слабый звук оказывается слишком слабым – его вообще невозможно услышать. С одной стороны, этому мешает внешний шум – шум, проникающий из соседних помещений, с улицы. С другой стороны, сигналы, соответствующие самым тихим звукам, просто теряются в усилителе – их перекрывают собственные шумы усилителя и, в частности, фон переменного тока.

Фон может появиться из‑за плохой фильтрации выпрямленного (анодного) напряжения. Но особенно опасным источником фона являются наводки от сети переменного тока. Провода, по которым переменный ток с частотой 50 гц течет к лампочке, к электроплитке и, наконец, к самому усилителю, – это своего рода передающие антенны. Они излучают электромагнитные волны и наводят во всех металлических предметах, в том числе и в электрических цепях усилителя, слабые переменные напряжения с частотой сети 50 гц. Обычно эти напряжения очень малы – десятки и сотни микровольт. В тех цепях, где проходит достаточно сильный сигнал, эти наводки вообще не заметны, но во входных цепях усилителя, где напряжение сигнала очень мало, наводки уже сравнимы с сигналом. Попав во входную цепь, наводки и весь дальнейший путь по усилителю проходят вместе с сигналом; в итоге громкоговоритель воспроизводит их в виде отвратительного монотонного гула. Это и есть фон переменного тока (рис. 31, д , 34).

Рис. 34. Наиболее опасный источник фона – наводки переменного (сетевого) тока в цепях с низким уровнем сигнала. Для защиты от наводок входные цепи усилителя тщательно экранируют. Нужно снизить фон до такого уровня, чтобы на слух трудно было определить, включен ли усилитель.

Принято считать, что даже самый слабый сигнал (Р_мин ) должен на 10–20 дб превышать уровень шумов и фона усилителя НЧ. В этом случае фон и собственные шумы практически уже не слышны. Во всяком случае, они оказываются неуловимо слабыми в сравнении с сигналом. Но, к сожалению, мы не можем бесконечно уменьшать наводки – существует какой‑то предел, ниже которого опуститься очень трудно. Даже для высококачественных усилителей допускается уровень фона на 46 дб ниже номинальной мощности, а для усилителей третьего класса допускается еще более сильный фон – на 32 дб ниже уровня Р_ном .

Если принять, что самый слабый сигнал должен хотя бы на 10 дб превысить уровень фона, то получится, что усилитель первого класса способен воспроизвести динамический диапазон 36 дб (Р_мин меньше Р_ном в 4000 раз), а усилитель третьего класса – всего 22 дб (по мощности около 200 раз).

Как видите, даже у хороших усилителей динамический диапазон оказывается значительно меньше, чем динамический диапазон воспроизводимых звуков (оркестр до 70 дб). Поэтому звуковые программы, в первую очередь музыкальные, приходится искусственно сжимать, уменьшать интервал между самым громким и самым тихим звуками, между форте‑фортиссимо и пиано‑пианиссимо. Для грамзаписей принят динамический диапазон 45 дб, для радиовещания 35 дб, для радиовещания на УКВ с частотной модуляцией 40 дб. И хотя по сравнению с естественным динамическим диапазоном (70 дб) эти цифры представляются не очень‑то большими, но для их реализации, для воспроизведения сжатого диапазона приходится весьма тщательно налаживать усилитель, принимать всевозможные меры для снижения фона и других электрических шумов.

К основным характеристикам относят также входное и выходное сопротивления усилителя. Входное сопротивление R_вх шунтирует источник сигнала – микрофон, звукосниматель, магнитную головку – и определяет отбираемую от этого источника мощность Р_вх . Чем меньше R_вх тем больше мощность, потребляемая во входной цепи (рис. 30, 8, г ).

Для каскада, работающего без сеточных токов, а именно так и работают все усилители напряжения, входное сопротивление R_вх практически равно сопротивлению утечки и составляет сотни тысяч килоом. Почти такую же величину имеет входное сопротивление оконечного каскада (усилитель мощности) тогда, когда выбор его рабочей точки (рис. 30, 21, а ) исключает появление сеточных токов. Правда, в некоторых случаях оконечный каскад работает с сеточными токами, и в этом случае его R_вх заметно снижается. Здесь действует старый добрый закон Ома: чем больше ток при неизменном напряжении, тем, следовательно, меньше сопротивление цепи.

Выходное сопротивление R_вых каскада определяется двумя параллельно включенными сопротивлениями – нагрузкой R _a (для выходного каскада пересчитывается в анодную цепь) и внутренним сопротивлением лампы R_i . Чем меньше каждое из этих сопротивлений, тем меньше R_вых . Внутреннее сопротивление R_i лампы усилителя мощности (оконечный каскад), работающего на громкоговоритель, подключено (через выходной трансформатор) к звуковой катушке. Мы заинтересованы, чтобы R_i было как можно меньше – в этом случае лампа будет сильнее шунтировать звуковую катушку, будет лучше осуществлять электрическое демпфирование. А это, в свою очередь, срежет резонансные пики на частотной характеристике.

Фильтры и тембры

Почти все регуляторы тембра работают по одному и тому же принципу. Подбираются такие RС‑цепи, которые за счет емкостного сопротивления конденсатора имеют разное сопротивление на различных частотах и благодаря этому создают завал или подъем какого‑либо участка частотной характеристики. Затем, изменяя R , уменьшают или увеличивают удельный вес, долю емкостного сопротивления в общем сопротивлении цепи и таким образом регулируют степень завала или подъема.

Простейший регулятор тембра можно найти на схеме рис. 35, 1, а . Он в большей или меньшей степени заваливает частотную характеристику в области высших частот.

рис. 35 , 1

Можно построить корректирующие цепи для подъема частотной характеристики как в области высших, так и в области низших частот. На схеме рис. 35, 2, а показана простейшая корректирующая цепь, включенная на пути сигнала между усилительными каскадами (участок АБ ). Сопротивление R_Т несколько снижает уровень сигнала, так как на этом сопротивлении теряется часть U_T выходного напряжения первого каскада (U_вых1 ). Шунтирующий конденсатор С_Т подобран так, что на низших и средних частотах его сопротивление намного больше, чем R_Т и поэтому общее сопротивление участка АБ примерно равно R_Т .

рис. 35 , 2

На высших частотах R_Т уже заметно шунтировано емкостным сопротивлением, и общее сопротивление участка АБ становится меньше. При этом, естественно, на участке АБ теряется меньшая часть напряжения U_вых1 и на частотной характеристике в области высших частот появляется некоторый подъем (рис. 33).

На схеме рис. 35, 3, а анодная нагрузка первого каскада составлена из двух сопротивлений: R_a и R_T , причем одно из них зашунтировано конденсатором С_Т . Для начала поясним, почему здесь нужно говорить о шунтировании, каким образом С_Т оказывается подключенным параллельно R_T . Один конец С_Т непосредственно подключен к R_T , а другой вывод конденсатора заземлен (соединен с корпусом). Но для переменного тока с корпусом соединен и верхний (по схеме) вывод R_T . На этот вывод с выпрямителя подается «плюс» выпрямленного напряжения (+U_в ), а «плюс» выпрямителя всегда заземлен через конденсатор фильтра С_{ф. в} (например, рис. 44 и 46). Емкость конденсатора фильтра достаточно велика, и можно считать, что верхний по схеме вывод R_T для переменного тока соединен непосредственно с шасси, а значит, и с С_Т (рис. 35, 3, б ).

рис. 35 , 3

Емкость конденсатора С_Т подобрана с таким расчетом, чтобы на низших частотах его емкостное сопротивление было достаточно велико по сравнению с R_T , а на средних и высших частотах снижало общее сопротивление цепочки. Практически это означает, что на низших частотах общее сопротивление нагрузки, которое складывается из R_a и сопротивления цепочки R_T С_Т , оказывается больше, чем во всем остальном диапазоне. Благодаря увеличенному сопротивлению нагрузки усиление каскада на низших частотах повышается, то есть на частотной характеристике появляется подъем (рис. 35, 3, в ).

Точным подбором корректирующих RС‑цепочек удается построить схемы регуляторов тембра, которые позволяют раздельно регулировать частотную характеристику в области высших и низших частот. Удается получить весьма большую степень (глубину) регулировки, в частности от –20 дб до +20 дб. Знак «–» соответствует завалу, а «+» – подъему частотной характеристики. Таким образом, общая глубина регулировки достигает ±20 дб (40 дб), то есть позволяет изменять напряжение сигнала в 100 раз. Так же, как и для громкоговорителей, подъем и завал оценивают по отношению к частоте 1000 гц.

На рис. 35 приведены некоторые схемы раздельной регулировки тембров и соответствующие этим схемам частотные характеристики. Буквой «в» обозначено переменное сопротивление регулировки в области высших частот, буквой «н» – в области низших частот. Некоторые из этих схем применены в усилителях, описанных ниже (рис. 51 и рис. 61). Схемы рис. 35, 4 и 35, 5 построены на тех же принципах, что и простейшие корректирующие цепи.

рис. 35 , 4, 5

Вот как работает регулятор тембра высших частот в схеме рис. 35, 5, а . Когда движок регулятора R_в находится в крайнем нижнем положении, сопротивление R₆ , с которого снимается напряжение U_вx3 , зашунтировано конденсатором С₄ , а это приводит к срезанию высших частот. При верхнем положении движка R₄ конденсатор С₄ уже не влияет на частотную характеристику – он подключен к R ₆ через все сопротивление R₄ . Но в этом случае сопротивление R₅ (участок АБ ) оказывается зашунтированным конденсатором С₃ . В результате сопротивление участка АБ для высших частот уменьшается и большая часть переменного анодного напряжения U_выx2 действует на участке БВ . Это равносильно подъему высших частот. Аналогично поднимает и заваливает частотную характеристику регулятор низших частот, включенный в сеточную цепь лампы. Главный недостаток схемы состоит в том, что многочисленные делители заметно снижают усиление каскада, и поэтому такие регуляторы можно применять только тогда, когда есть достаточный запас усиления.

Основой схемы рис. 35, 6, а является заграждающий фильтр, составленный из двух Т‑образных ветвей: R₁C₁C₂ и R₂R₃C₃ . Элементы этого фильтра подобраны с таким расчетом, что он как бы вырезает кусок частотной характеристики, создает резкий завал в области средних частот. Благодаря этому низшие и высшие частоты заметно приподняты. На долю регуляторов тембра достается сравнительно простая работа – они должны лишь заваливать частотную характеристику в соответствующем участке. А сделать это всегда проще, чем поднять ее.

рис. 35 , 6

В один из регуляторов тембра (рис. 36, 1, а ) специально введен двойной триод, который в данном случае используется как одна усилительная лампа с раздельными входами и общей нагрузкой R_a . На сетки ламп подается одно и то же входное напряжение U_вх , но подается оно через разные фильтры. Фильтр R₁C₁R₂R₃ ослабляет низшие частоты (чем ниже частота, тем больше емкостное сопротивление конденсатора C₁ , тем меньшая часть U_вх попадает на сетку).

рис. 36 , 1

Фильтр R₄R₅R₆C₂ , наоборот, ослабляет высшие частоты – чем выше частота, тем сильнее цепочка R₅R₆ шунтируется конденсатором С₂ , тем, следовательно, меньшая часть U_вх попадает на сетку. Таким образом, левый (по схеме) триод фактически является усилителем высших частот, а правый – усилителем низших частот. Сопротивление R ₂ и R₅ – это обычные регуляторы громкости. Правда, обычными их можно назвать лишь по принципу действия – они подают на сетку некоторую часть подводимого напряжения. Но поскольку каждый из этих регуляторов работает лишь на одном из участков диапазона – на высших или на низших частотах, то они фактически являются эффективными регуляторами тембра. Приведенная схема – это первый шаг к двухполосным усилителям НЧ, о которых будет рассказано в пятой главе.

В заключение этого раздела, в основном посвященного регулировке тембра, остановимся на некоторых особенностях регулировки громкости. Не подумайте, что это оговорка или искусственное объединение разных тем – регулировка громкости и тембра самым непосредственным образом связаны между собой. Во всяком случае, должны быть связаны.

Прежде всего заметим, что переменное сопротивление регулятора громкости должно «знать» закон Вебера – Фехнера.

Существуют три типа переменных сопротивлений: А, Б и В (рис. 36, 4, а ). Они отличаются характером зависимости коэффициента деления R':R от угла поворота подвижного контакта 2 . Чтобы регулировка громкости происходила плавно, чтобы повороту ручки регулятора на один и тот же угол всегда соответствовало одинаковое изменение громкости, нужно использовать в качестве регулятора сопротивление типа В с так называемой показательной кривой. По ходу кривой В видно, что при небольших углах поворота α , соответствующих сравнительно небольшой громкости, сопротивление R' вместе с ним и U_вх меняется незначительно. По мере увеличения R' , то есть при регулировке в области более сильных звуков, сопротивление R' меняется более резко, и это, естественно, приводит к резкому изменению U_вх . Таким образом, при повороте ручки регулятора на определенный угол мы меняем U_вх (а значит, в итоге и звуковое давление громкоговорителя!) в одно и то же число раз, и именно это дает ощущение одинакового изменения громкости.

рис. 36 , 4

При конструировании регулятора громкости нужно учитывать еще одну особенность слуха – резкое уменьшение чувствительности на низших частотах. Если мы будем постепенно уменьшать громкость с помощью обычного регулятора, то в области самых тихих звуков одновременно, помимо нашей воли, будет происходить регулировка тембра – будут непропорционально ослабляться низшие частоты. Поэтому, уменьшая громкость, нужно одновременно вращать ручку регулятора тембра и поднимать частотную характеристику в области низших частот. Существуют схемы, где такой подъем осуществляется автоматически, – это схемы регуляторов громкости с тонкомпенсацией.

В наиболее распространенной из них (рис. 36, 2, а, в ) используется переменное сопротивление R₂ с отводом 4 , к которому подключена цепочка R₁C₁ . Она срезает высшие и средние частоты и таким образом создает некоторый подъем в области низших частот. Однако, когда напряжение U' _вх снимается со всего делителя R₂ цепочка R₁C₁ существенной роли не играет. Значение и влияние ее возрастают по мере того, как движок переменного сопротивления R₂ идет вниз (по схеме), приближаясь к зашунтированному участку 4–3 .

рис. 36 , 2

Аналогично работает и регулятор с двумя отводами (рис. 36, 3) и более сложной системой фильтрующих цепочек. Если в вашем распоряжении нет переменного сопротивления с отводами, можно сделать компенсированный регулятор громкости по простой схеме (рис. 36, 5 ) или по схеме (рис. 36, 6 ), где используются спаренные (то есть имеющие общую ось) переменные сопротивления R₁ и R₃ .

рис. 36 , 3

рис. 36 , 5, 6

Уделив довольно много внимания элементам и цепям усилителя, с помощью которых можно исправить его частотную характеристику, нужно вспомнить и о тех элементах, которые могут частотную характеристику испортить. Это обычные RС‑цепи, занимающие в усилителе самые ответственные «должности»: сопротивление нагрузки R_а , переходной конденсатор С_с2 , сопротивление R_c , цепь автоматического смещения R_кС_к , цепь питания экранной сетки R_эС_э и т. п. Чтобы цепи питания не вносили заметных частотных искажений, емкостное сопротивление конденсатора (его называют конденсатором развязки) должно быть на самой низкой частоте, во много раз (обычно считают достаточным в 5–10 раз) меньше, чем соответствующее активное сопротивление.

Чтобы лучше увидеть, как влияют на частотную характеристику другие элементы усилительного каскада, удобно рассмотреть его эквивалентную схему [8].

Анодной нагрузкой усилителя напряжения служит обычное сопротивление, и поэтому этот каскад называют реостатным. На его эквивалентной схеме (рис. 37, а ) лампа заменена условным генератором переменного тока с внутренним сопротивлением R_i . Такую замену вполне можно допустить, так как для всех последующих цепей лампа действительно является всего лишь источником переменного тока – источником мощной копии усиливаемого сигнала. Эквивалентная схема составлена только для переменного тока, и поэтому один из выводов анодной нагрузки заземлен. Новым элементом является конденсатор С_ск – входная емкость последующей лампы, к которой следует прибавить паразитную емкость монтажных цепей.

Основные цепи каскада образуют сложный делитель напряжения, который по‑разному ведет себя на разных частотах. На высших частотах сопротивление конденсатора С_ск уменьшается, он сильнее шунтирует R_э1 , то есть уменьшает сопротивление нагрузки. Если R_а1 будет значительно меньше емкостного сопротивления конденсатора С_ск , то общее сопротивление участка будет в основном определяться величиной R_а1 и потому будет мало зависеть от частоты (рис. 30, 7, г ). Отсюда напрашивается простой вывод: чтобы ослабить влияние С_ск на высших частотах, нужно уменьшить R_а1 , жертвуя усилением каскада.

рис. 30 , 7

Конденсатор С_с2 вместе с участком вг образуют делитель, на правой (по схеме) части которого действует выходное напряжение U_вых . С уменьшением частоты емкостное сопротивление конденсатора С_с2 растет, и на нем действует все большая часть напряжения U_a~ и все меньшая часть этого напряжения приходится на долю U_вых . Иными словами, разделительный (переходный) конденсатор С_с2 – один из виновников завала частотной характеристики в области низших частот. Чтобы уменьшить это вредное влияние С_с2 , нужно, чтобы его емкостное сопротивление даже на самых низших частотах было значительно меньше, чем сопротивление участка вг . Вот почему в качестве С_с2 используют конденсаторы сравнительно большой емкости – от 0,005 мкф (5000 пф) при большом сопротивлении R _c2 и до 0,1 мкф (100000 пф) при небольшом.

К разделительному конденсатору, независимо от его емкости, предъявляются два особых требования.

Во‑первых, он должен быть рассчитан на сравнительно большое напряжение – не менее чем на 200–300 в. К этому конденсатору, кроме переменного, приложено еще и постоянное анодное напряжение U_а0 ; если он будет пробит (короткое замыкание между обкладками), «плюс» высокого напряжения U_а0 попадет на сетку лампы следующего каскада. При этом появится огромный анодный ток, и лампа Л₂ выйдет из строя.

Во‑вторых, сопротивление утечки конденсатора должно быть очень большим. Идеальных изоляторов нет, и прокладка между обкладками любого конденсатора в какой‑то степени проводит ток. Поэтому нужно помнить, что параллельно конденсатору всегда подключена проводящая цепь – ее называют сопротивлением утечки R_y . Обычно сопротивление утечки очень велико – сотни и тысячи мегом, и в большинстве случаев им можно пренебречь. У электролитических конденсаторов R_y значительно меньше – сотни и даже десятки килоом, и это несколько ограничивает их применение. Сопротивление утечки R_y конденсатора С_с должно быть во много раз больше, чем R_c2 . Оба эти сопротивления образуют делитель для постоянного анодного напряжения U_а0 . И чем меньше R_y , тем значительнее та часть U_а0 , которая действует на R_c2 . Нетрудно сообразить, что это напряжение будет служить для последующей лампы положительным смещением, резко нарушающим режим каскада.