До сих пор мы рассматривали параметры и характеристики, описывающие разнообразные свойства транзисторов как основных усилительных элементов в составе электронных усилителей. Однако существуют показатели, по которым оценивается работа всего такого усилителя (или функционально законченных отдельных его каскадов) в целом. Данные параметры зависят не только от свойств применяемых в усилителе транзисторов, но и от качества самой принципиальной схемы и точности ее настройки.

К числу основных электрических показателей, характеризующих работу усилителя, относятся следующие:

• коэффициент передачи или коэффициент усиления;
• динамическая и амплитудная характеристики;
• динамический диапазон;
• предельная чувствительность;
• амплитудно-частотная характеристика;
• фазочастотная характеристика;
• амплитудно-фазовая характеристика;
• линейные искажения: оцениваются соответствующими коэффициентами линейных (частотных и фазовых) искажений;
• нелинейные искажения: оцениваются разнообразными коэффициентами (коэффициент нелинейных искажений, коэффициент интермодуляции и т.п.).

Коэффициент передачи

Коэффициент передачи - это функция, определяемая как отношение выходного сигнала усилителя к его входному сигналу. В зависимости от формы математического представления самих сигналов различаются и формы представления коэффициента передачи (наиболее распространены операторные формы по Фурье или Лапласу, а соответствующие коэффициенты передачи иногда называют операторными коэффициентами передачи ).

При рассмотрении высоколинейных схем, которые не вносят в усиливаемый сигнал амплитудных искажений и фазовых сдвигов, вместо комплексной функции операторного коэффициента передачи оперируют более понятными, имеющими достаточно простую интерпретацию коэффициентами усиления . Различают:

• коэффициент усиления по напряжению
  

  \({K}_U = \frac{U_{m_{вых}}}{U_{m_{вх}}} \) ,

  где \(U_{m_{вых}}\) , \(U_{m_{вх}}\) - амплитудные или действующие значения выходного и входного сигналов;

• коэффициент усиления по току
  

  \({K}_I = \frac{I_{m_{вых}}}{I_{m_{вх}}} \) ,

  где \(I_{m_{вых}}\) , \(I_{m_{вх}}\) - амплитудные или действующие значения выходного и входного токов;

коэффициент усиления по мощности

\({K}_P = \frac{P_{m_{вых}}}{P_{m_{вх}}}={K_U}{K_I}=\frac{{{U_{m_{вых}}}{I_{m_{вых}}}}}{{{U_{m_{вх}}}{I_{m_{вх}}}}} \) .

Довольно часто коэффициенты усиления выражают в логарифмических единицах - децибелах , [дБ]:

\({K_U}\scriptsize{[дБ]}\normalsize={20}\lg{\left({\frac{U_{m_{вых}}}{U_{m_{вх}}}}\right)} \) ; \(K_I\scriptsize{[дБ]}\normalsize={20}\lg{\left({\frac{I_{m_{вых}}}{I_{m_{вх}}}}\right)}\);

\(K_P\scriptsize{[дБ]}\normalsize={10}\lg{\left({\frac{P_{m_{вых}}}{P_{m_{вх}}}}\right)} \) .

Логарифмические единицы удобны тем, что если известны коэффициенты усиления отдельных каскадов или узлов усилителя, то его общий логарифмический коэффициент усиления находится как алгебраическая сумма логарифмических коэффициентов усиления отдельных каскадов:

\(K_{\Sigma}=K_1\cdot K_2 \cdot K_3 \cdot \ldots \) ;

\(K_{\Sigma}\scriptsize{[дБ]}\normalsize = {20}\lg{K_{\Sigma}}=\)

\(= {20}\lg{K_1}+{20}\lg{K_2}+{20}\lg{K_3}+ { \ldots} \) ;

\(K_{\Sigma}\scriptsize{[дБ]}\normalsize = K_{1}\scriptsize{[дБ]}\normalsize + K_{2}\scriptsize{[дБ]}\normalsize +K_{3}\scriptsize{[дБ]}\normalsize + { \ldots} \) .

Более того, логарифмические единицы оказались настолько удобны при проектировании схем, что появился даже ряд производных от них величин. Например, мощность сигнала в схеме часто оценивается по отношению к уровню мощности в 1 мВт. При этом со знаком "+" или "-" пишется разность в децибелах текущего уровня мощности от уровня 1 мВт, который принимается за точку отсчета. Такие единицы принято обозначать дБм (децибел милливатт), т.е., например, сигнал мощностью 1 мВт в таких единицах равен 0 дБм, сигнал 10 мВт - +10 дБм, 0,01 мВт - -20 дБм и т.п. Точно так же можно выражать и напряжение сигнала, при этом только необходимо зафиксировать сопротивление нагрузки, на котором обеспечивается данное напряжение. В высокочастотной технике используются единицы дБмкВ (децибел микровольт). Здесь за нулевую принимается точка в 1 мкВ, а сопротивление нагрузки всегда считается равным 50 Ом.

Динамическая и амплитудная характеристики

Динамическая характеристика представляет собой зависимость мгновенного значения выходного напряжения \(U_{вых}\left({t}\right) \) от мгновенного значения входного напряжения \(U_{вх}\left({t}\right) \) при гармоническом входном воздействии. Зависимость амплитудного значения первой гармоники выходного напряжения от амплитуды синусоидального входного напряжения \(U_{{m1}_{вых}}={f}\left({U_{m_{вх}}}\right) \) называется амплитудной характеристикой . Точка окончания линейного участка динамической характеристики носит название точки компрессии .

Динамический диапазон

Отношение (в децибелах) наибольшего допустимого значения амплитуды входного напряжения к ее наименьшему допустимому значению называется динамическим диапазоном амплитуд (или просто динамическим диапазоном ). Максимально допустимая амплитуда входного напряжения усилителя ограничена искажениями сигнала, вызванными выходом рабочих точек усилительных каскадов за пределы линейного участка характеристики управления (точка компрессии). В то же время минимальная амплитуда обычно ограничена по величине (снизу) уровнем собственных шумов усилителя, на фоне которых полезный сигнал не удается выделить с надлежащим качеством.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) - зависимость модуля коэффициента передачи от частоты входного сигнала.

Фазочастотная характеристика

Фазочастотная характеристика (ФЧХ) - зависимость сдвига фазы между входным и выходным напряжением от частоты или фаза коэффициента передачи.

Рабочий диапазон частот

Рабочий диапазон частот (диапазон пропускаемых частот или полоса пропускания ) представляет собой некоторый интервал значений частоты от \(f_н \) до \(f_в \), внутри которого коэффициент усиления изменяется по определенному закону с известной степенью точности. Например, высококачественный усилитель низкой частоты должен характеризоваться законом \({K} = {const}\) в диапазоне частот сигнала от \({f}_{min}={10 Гц}\) до \({f}_{max}={20 кГц}\). Если к усилителю не предъявляются какие-либо специальные требования, то рабочий диапазон частот определяют на уровне 3 дБ, т.е. границами полосы пропускания являются частоты, на которых коэффициент усиления уменьшается не более чем в \(\sqrt{2}\approx{1,41}\) раза.

Амплитудно-фазовая характеристика (АФХ) - зависимость коэффициента усиления и фазового сдвига усилителя от частоты, построенная в полярной системе координат. Она объединяет в себе амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики усилителя и представляет собой годограф комплексного коэффициента передачи.

Понятия об АЧХ, ФЧХ и АФХ становятся определенными лишь по отношению к линейным усилителям.

Переходная характеристика

Переходная характеристика - зависимость от времени выходного напряжения усилителя, на вход которого подан мгновенный скачок напряжения. Эта характеристика дает возможность определить переходные искажения , которые в области малых времен характеризуются фронтом выходного напряжения и оцениваются временем установления и выбросом фронта . В области больших времен искажается вершина импульса. Эти искажения оценивают относительным (в %) значением спада плоской вершины к моменту окончания импульса.

Линейные искажения

Отклонения частотных характерастик от идеальных в рабочем диапазоне частот называются частотными искажениями . Мерой частотных искажений является нормированное (относительное) усиление на границах рабочего диапазона частот, которое определяется как отношение коэффициента усиления на границе рабочего диапазона \(\left({K_н{, }K_в}\right)\) к коэффициенту усиления на средней рабочей частоте (\(K_0\)):

\(\newcommand{\slfrac}{\left.#1\right/#2}G_н=\slfrac{K_н}{K_0} \) , \(G_н \scriptsize{[дБ]}\normalsize = {20}\lg{\slfrac{K_н}{K_0}} \) ;

\(G_в=\slfrac{K_в}{K_0} \) , \(G_в \scriptsize{[дБ]}\normalsize = {20}\lg{\slfrac{K_в}{K_0}} \) .

Часто используют величину, обратную нормированному усилению. Она носит название коэффициента частотных искажений :

\(\newcommand{\slfrac}{\left.#1\right/#2}M_н=\slfrac{1}{G_н} \), \(M_в=\slfrac{1}{G_в}\) .

Вследствие отклонения реальной фазочастотной характеристики усилителя от идеальной в нем имеют место фазовые искажения . Они вызваны неодинаковым сдвигом по фазе отдельных гармонических составляющих спектра сигнала сложной формы, что обусловлено наличием в цепях усилителя реактивных компонентов и инерционными свойствами полупроводниковых приборов. В результате такого неодинакового сдвига по фазе отдельных гармоник форма сигнала на выходе усилителя может стать существенно отличной от формы входного сигнала. Если вносимый усилителем фазовый сдвиг на частоте \({n}\)-й гармоники пропорционален частоте \(\varphi_{n} = {n}\omega\tau \), то сигнал на выходе усилителя окажется смещенным во времени на величину \(t\). Ее называют временем задержки или временем фазового пробега . Таким образом, если \(\varphi {n}\) - вносимый усилителем фазовый сдвиг на частоте \({n}\)-й гармоники - пропорционален частоте (\(\varphi_{n} = {n}\omega\tau \)), то взаимное расположение гармоник, а следовательно, и форма сигнала не подвергаются изменению.

На практике можно лишь с той или иной точностью приблизиться к идеальным частотной и фазовой характеристикам в полосе пропускания \(\Delta{f} = f_в - f_н\), в пределах которой находится спектр усиливаемого сигнала.

Нелинейные искажения

Искажения, возникающие в усилителях вследствие нелинейности передаточных характеристик электронных приборов и характеристик намагничивания сердечников трансформаторов, называются нелинейными искажениями . При наличии нелинейных искажений в усилителе (в реальных усилителях они есть всегда) на его выходе возникают новые частоты (гармоники ), отсутствующие во входном сигнале.

Общий уровень нелинейных искажений количественно оценивается коэффициентом нелинейных искажений (коэффициентом гармоник ):

\(k_г=\frac{\sqrt{U_{m2}^2+U_{m3}^2+U_{m4}^2+{...}}}{U_{m1}^2} \),

где \(U_{m1}\), \(U_{m2}\), \(U_{m3}\), ... - амплитуды 1-й, 2-й, 3-й и т.д. гармоник выходного сигнала.

Практически имеют значение только вторая и третья гармоники. Обычно коэффициент нелинейных искажений выражается в процентах. Например, для усилителей низкой частоты простейшей бытовой радиоаппаратуры максимальным приемлемым уровнем можно считать 15...20%, а для высококачественных усилителей современной стереоаппаратуры коэффициент нелинейных искажений составляет десятые или даже сотые доли процента.

Еще один вид нелинейных искажений обусловлен появлением в выходном сигнале т.н. комбинационных частот , т.е. частот, получающихся как сумма или разность между любыми (в т.ч. и первыми) гармониками различных сигналов, присутствующих на входе усилителя. Такие искажения принято называть интермодуляционными искажениями . На практике имеют значение интермодуляционные искажения второго и третьего порядков (если \({f}_1\) и \({f}_2\) - частоты, присутствующие на входе, то интермодуляционные искажения второго порядка обусловлены наличием на выходе усилителя сигналов с частотами \(f_1 \pm f_2\), а интермодуляционные искажения третьего порядка - с частотами \(2f_1 \pm f_2\) и \(2f_2 \pm f_1\)). Коэффициентом интермодуляции называется отношение мощности интермодуляционных составляющих на выходе усилителя к минимально возможной выходной мощности полезного сигнала, превышающей уровень собственных шумов усилителя.

Абсолютный уровень интермодуляционных искажений принято оценивать по положению т.н. интермодуляционных точек . Если линейный участок динамической характеристики условно продлить в области высокой входной мощности (когда эта характеристика на самом деле уже не линейна) и одновременно наложить на этот график линию, отражающую суммарную мощность интермодуляционных составляющих второго (третьего) порядка, то точка пересечения этой линии с продленным графиком называется, соответственно, точкой интермодуляции второго (третьего ) порядка .

В реальных схемах интермодуляционные искажения второго порядка часто растут медленнее интермодуляционных искажений третьего прядка. Так что интермодуляционная точка третьего порядка лежит ниже (соответствует меньшему уровню входной мощности) интермодуляционной точки второго порядка и имеет большее значение.

Помимо интермодуляционных точек часто говорят о соответствующих им динамических диапазонах по интермодуляции . Выше мы уже дали определение амплитудного динамического диапазона как отношения амплитуд сигнала в точке компрессии и в точке его возможного минимума (определяется собственными шумами). Аналогично вводится и понятие динамического диапазона по интермодуляции, т.е. диапазона уровней мощности входного сигнала, в котором обеспечивается его "безынтермодуляционная" обработка. Снизу такой диапазон также ограничен уровнем собственных шумов усилителя. А вот его верхняя граница определяется как точка, в которой уровень соответствующих интермодуляционных помех становится выше уровня собственных шумов, т.е. эти помехи начинают оказывать на выходной сигнал влияние большее, чем собственные шумы.

Коэффициент шума

Коэффициент шума характеризует уровень шумов (искажений случайного характера, обусловленных различными механическими, тепловыми, молекулярными, электронными и т.п. процессами в радиокомпонентах и соединительных проводниках), привносимых в сигнал при его прохождении через усилитель. В реальных условиях сигнал уже содержит шумы, когда поступает на вход усилителя. Поэтому коэффициент шума определяется следующим образом:

\({F_ш}=\frac{\slfrac{P_{с_{вх}}}{P_{ш_{вх}}}}{\slfrac{P_{с_{вых}}}{P_{ш_{вых}}}}=\frac{P_{ш_{вых}}}{P_{ш_{вх}}K_P}=\frac{P_{ш_{вх}}K_P + P_{ш_{собств}}}{P_{ш_{вх}}K_P}=\)

\(= 1+\frac{P_{ш_{собств}}}{P_{ш_{вх}}K_P} \) ,

\(P_{ш_{вх}}\) - мощность шумов на входе усилителя;

\(P_{ш_{вых}}\) - мощность шумов на выходе усилителя;

\(P_{с_{вх}}\) - мощность полезного сигнала на входе усилителя;

\(P_{с_{вых}}\) - мощность полезного сигнала на выходе усилителя;

\(P_{ш_{собств}}\) - собственная мощность шумов (мощность добавляемых в сигнал шумов).

Коэффициент полезного действия (КПД) отражает эффективность усилителя. Он равен отношению полезной выходной мощности (мощности полезного сигнала) к мощности, затрачиваемой источником питания на функционирование усилителя:

\(\eta=\slfrac{P_{вых}}{P_п}\).

Выходная мощность

Номинальная выходная мощность \(\left(P_{{вых}_{ном}}\right)\) - мощность полезного сигнала на выходе усилителя при работе на расчетную нагрузку и заданном коэффициенте гармоник или нелинейных искажений, т.е.максимальная мощность, при которой не превышается заданный уровень искажений.

Входные и выходные параметры усилителя

Помимо параметров, описывающих работу усилителя в целом, не менее важными являются характеристики его входной и выходной цепей. К ним относят в первую очередь входное и выходное сопротивления усилителя:

\(R_{вх}=\slfrac{U_{{вх}_{ном}}}{I_{{вх}_{ном}}}\) ; \(R_{вых} = \slfrac{U_{m_1}{}_{{вых}_{ном}}}{I_{m_1}{}_{{вых}_{ном}}} \) , где

\(U_{m_1}{}_{{вых}_{ном}}\), \(I_{m_1}{}_{{вых}_{ном}}\) - номинальные амплитудные значения напряжения и тока первой гармоники на выходе усилителя.

В высокочастотных усилителях значительными становятся реактивные составляющие, поэтому здесь должны рассматриваться комплексные амплитуды:

\(Z_{вх}=\slfrac{\overset{.}{U}_{вх}}{\overset{.}{I}_{вх}}\).

Комплексные величины \(Z_{вх}\), \(Z_{вых}\) называют, соответственно, входным и выходным импедансом усилителя. В диапазоне СВЧ, где анализ цепей производится в терминах их волновых свойств, для оценки параметров входных и выходных цепей усилителя могут применяться соответствующие коэффициенты отражения по входу/выходу .

Благодаря торговым сетям и интернет магазинам разнообразие предлагаемой к продаже аудиоаппаратуры зашкаливает за все разумные пределы. Каким образом выбрать аппарат, удовлетворяющий вашим потребностям к качеству, существенно не переплатив?
Если вы не аудиофил и подбор аппаратуры не является для вас смыслом жизни, то самый простой путь - уверенно ориентироваться в технических характеристиках звукоусилительной аппаратуры и научиться извлекать полезную информацию между строк паспортов и инструкций, критически относясь к щедрым обещаниям. Если вы не ощущаете разницы между dB и dBm, номинальную мощность не отличаете от PMPO и желаете наконец узнать, что такое THD, также сможете найти интересное под катом.

Краткое содержание статьи

Коэффициент усиления. Зачем нам логарифмы и что такое децибелы?
Громкость звука. Чем отличаются dB от dBm?
Разделяй и властвуй - раскладываем сигнал в спектр.
Линейные искажения и полоса пропускания.
Нелинейные искажения. КНИ, КГИ, TDH.
Амплитудная характеристика. Совсем коротко о шумах и помехах.
Стандарты выходной мощности УНЧ и акустики.
Практика - лучший критерий истины. Разборки с аудиоцентром.
Чайник дёгтя в банке мёда.

Я надеюсь что материалы данной статьи будут полезны для понимания следующей, которая имеет намного более сложную тему - «Перекрёстные искажения и обратная связь, как один из их источников».

Коэффициент усиления. Зачем нам логарифмы и что такое децибелы?

Одним из основных параметров усилителя является коэффициент усиления - отношение выходного параметра усилителя к входному. В зависимости от функционального назначения усилителя различают коэффициенты усиления по напряжению, току или мощности:

Коэффициент усиления по напряжению

Коэффициент усиления по току

Коэффициент усиления по мощности

Коэффициент усиления УНЧ может быть очень большим, ещё большими значениями выражаются усиление операционных усилителей и радиотрактов различной аппаратуры. Цифрами с большим количеством нулей не слишком удобно оперировать, ещё сложнее отображать на графике различного рода зависимости имеющие величины, отличающиеся между собой в тысячу и более раз. Удобный выход из положения - представление величин в логарифмическом масштабе. В акустике это вдвойне удобно, поскольку ухо имеет чувствительность близкую к логарифмической.
Поэтому коэффициент усиления часто выражают в логарифмических единицах - децибелах (русское обозначение: дБ; международное: dB)

Изначально дБ использовался для оценки отношения мощностей, поэтому величина, выраженная в дБ, предполагает логарифм отношения двух мощностей, а коэффициент усиления по мощности вычисляется по формуле:

Немного другим образом обстоит дело с «неэнергетическими» величинами. Для примера возьмём ток и выразим через него мощность, воспользовавшись законом Ома:

тогда величина выраженная в децибелах через ток будет равна следующему выражению:

Аналогично и для напряжения. В результате получаем следующие формулы для вычисления коэффициентов усиления:

Коэффициент усиления по току в дБ:

Коэффициент усиления по напряжению в дБ:

Громкость звука. Чем отличаются dB от dBm?

В акустике «уровень интенсивности» или просто громкость звука L тоже измеряют в децибелах, при этом данный параметр является не абсолютным, а относительным! Всё потому, что сравнение ведётся с минимальным порогом слышимости человеческим ухом звука гармонического колебания - амплитудой звукового давления 20 мкПа. Поскольку интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления можно написать:

где не ток, а интенсивность звукового давления звука с частотой 1 кГц, который приближенно соответствует порогу слышимости звука человеком.

Таким образом, когда говорят, что громкость звука равна 20 дБ, это означает, что интенсивность звуковой волны в 100 раз превышает порог слышимости звука человеком.
Кроме этого, в радиотехнике чрезвычайно распространена абсолютная величина измерения мощности dBm (русское дБм), которая измеряется относительно мощности в 1 мВт. Мощность определяется на номинальной нагрузке (для профессиональной техники - обычно 10 кОм для частот менее 10 МГц, для радиочастотной техники - 50 Ом или 75 Ом). Например, «выходная мощность усилительного каскада составляет 13 дБм» (то есть мощность, выделяющаяся на номинальной для этого усилительного каскада нагрузке, составляет примерно 20 мВт).

Разделяй и властвуй - раскладываем сигнал в спектр.

Пора переходить к более сложной теме - оценке искажений сигнала. Для начала придётся сделать небольшое вступление и поговорить о спектрах. Дело в том, что в звукотехнике и не только принято оперировать сигналами синусоидальной формы. Они часто встречаются в окружающем мире, поскольку огромное количество звуков создают колебания тех или иных предметов. Кроме того, строение слуховой системы человека отлично приспособлено для восприятия синусоидальных колебаний.
Любое синусоидальное колебание можно описать формулой:

где длина вектора, амплитуда колебаний, - начальный угол (фаза) вектора в нулевой момент времени, - угловая скорость, которая равна:

Важно, что с помощью суммы синусоидальных сигналов с разной амплитудой, частотой и фазой, можно описать периодически повторяющиеся сигналы любой формы. Сигналы, частоты которых отличаются от основной в целое число раз, называются гармониками исходной частоты. Для сигнала с базовой частотой f, сигналы с частотами

будут являться чётными гармониками, а сигналы

нечётными гармониками

Давайте для наглядности изобразим график пилообразного сигнала.

Для точного представления его через гармоники потребуется бесконечное число членов.
На практике для анализа сигналов используют ограниченное число гармоник с наибольшей амплитудой. Наглядно посмотреть процесс построения пилообразного сигнала из гармоник можно на рисунке ниже.

А вот как формируется меандр, с точностью до пятидесятой гармоники…

Подробнее о гармониках можно почитать в замечательной статье habrahabr.ru/post/219337 пользователя dlinyj, а нам пора переходить наконец к искажениям.
Наиболее простым методом оценки искажений сигналов является подача на вход усилителя одного или суммы нескольких гармонических сигналов и анализ наблюдающихся гармонических сигналов на выходе.
Если на выходе усилителя присутствуют сигналы тех же гармоник, что и на входе, искажения считаются линейными, потому-что они сводятся к изменению амплитуды и фазы входного сигнала.
Нелинейные искажения добавляют в сигнал новые гармоники, что приводит к искажению формы входных сигналов.

Линейные искажения и полоса пропускания.

Коэффициент усиления К идеального усилителя не зависит от частоты, но в реальной жизни это далеко не так. Зависимость амплитуды от частоты называют амплитудно- частотной характеристикой - АЧХ и часто изображают в виде графика, где по вертикали откладывают коэффициент усиления по напряжению, а по горизонтали частоту. Изобразим на графике АЧХ типичного усилителя.

Снимают АЧХ, последовательно подавая на вход усилителя сигналы разных частот определённого уровня и измеряя уровень сигнала на выходе.
Диапазон частот ΔF , в пределах которого мощность усилителя уменьшается не более, чем в два раза от максимального значения, называют полосой пропускания усилителя .

Однако, на графике обычно откладывают коэффициент усиления по напряжению, а не по мощности. Если обозначить максимальный коэффициент усиления по напряжению, как , то в пределах полосы пропускания коэффициент не должен опускаться ниже чем:

Значения частоты и уровня сигналов, с которыми работает УНЧ, могут изменяться очень существенно, поэтому АЧХ обычно строят в логарифмических координатах, иногда его называют при этом ЛАЧХ.

Коэффициент усиления усилителя выражают в децибелах, а по оси абсцисс откладывают частоты через декаду (интервал частот отличающихся между собой в десять раз). Не правда ли так график выглядит не только симпатичнее, но и информативнее?
Усилитель не только неравномерно усиливает сигналы разных частот, но ещё и сдвигает фазу сигнала на разные значения, в зависимости от его частоты. Эту зависимость отражает фазочастотная характеристика усилителя.

При усилении колебаний только одной частоты, это вроде бы не страшно, но вот для более сложных сигналов приводит к существенным искажениям формы, хотя и не порождает новых гармоник. На картинке снизу показано как искажается двухчастотный сигнал.

Нелинейные искажения. КНИ, КГИ, TDH.

Нелинейные искажения добавляют в сигнал ранее не существовавшие гармоники и, в результате, изменяют исходную форму сигнала. Пожалуй самым наглядным примером таких искажений может служить ограничение синусоидального сигнала по амплитуде, изображённое ниже.

На левом графике показаны искажения, вызванные наличием дополнительной чётной гармоники сигнала - ограничение амплитуды одной из полуволн сигнала. Исходный синусоидальный сигнал имеет номер 1, колебание второй гармоники 2, а полученный искажённый сигнал 3. На правом рисунке показан результат действия третьей гармоники - сигнал «обрезан» c двух сторон.

Во времена СССР нелинейные искажения усилителя было принято выражать с помощью коэффициента гармонических искажений КГИ. Определялся он следующим образом - на вход усилителя подавался сигнал определённой частоты, обычно 1000 Гц. Затем производилось вычисление уровня всех гармоник сигнала на выходе. За КГИ брали отношение среднеквадратичного напряжения суммы высших гармоник сигнала, кроме первой, к напряжению первой гармоники - той самой, частота которой равна частоте входного синусоидального сигнала.

Аналогичный зарубежный параметр именуется как - total harmonic distortion for fundamental frequency.

Коэффициент гармонических искажений (КГИ или )

Такая методика будет работать только в том случае, если входной сигнал будет идеальным и содержать только основную гармонику. Это условие удаётся выполнить не всегда, поэтому в современной международной практике гораздо большее распространение получил другой параметр оценки степени нелинейных искажений - КНИ.

Зарубежный аналог - total harmonic distortion for root mean square.

Коэффициент нелинейных искажений (КНИ или )

КНИ - величина равная отношению среднеквадратичной суммы спектральных компонент выходного сигнала, отсутствующих в спектре входного сигнала, к среднеквадратичной сумме всех спектральных компонент входного сигнала.
Как КНИ, так и КГИ относительные величины, которые измеряются в процентах.
Величины этих параметров связаны соотношением:

Для сигналов простой формы величина искажений может быть вычислена аналитически. Ниже приведены значения КНИ для наиболее распространённых в аудиотехнике сигналов (значение КГИ указано в скобках).

0 % (0%) - форма сигнала представляет собой идеальную синусоиду.
3 % (3 %) - форма сигнала отлична от синусоидальной, но искажения незаметны на глаз.
5 % (5 %) - отклонение формы сигнала от синусоидальной заметной на глаз по осциллограмме.
10 % (10 %) - стандартный уровень искажений, при котором считают реальную мощность (RMS) УМЗЧ, заметен на слух.
12 % (12 %) - идеально симметричный треугольный сигнал.
21 % (22 %) - «типичный» сигнал трапецеидальной или ступенчатой формы. 43 % (48 %) - идеально симметричный прямоугольный сигнал (меандр).
63 % (80 %) - идеальный пилообразный сигнал.

Ещё лет двадцать назад для измерения гармонических искажений низкочастотного тракта использовались сложные дорогостоящие приборы. Один из них СК6-13 изображён на рисунке ниже.

Сегодня с этой задачей гораздо лучше справляется внешняя компьютерная аудиокарта с комплектом специализированного ПО, общей стоимостью не превышающие 500USD.

Спектр сигнала на входе звуковой карты при тестировании усилителя низкой частоты.

Амплитудная характеристика. Совсем коротко о шумах и помехах.

Зависимость выходного напряжения усилителя от его входного, при фиксированной частоте сигнала (обычно 1000Гц), называется амплитудной характеристикой.
Амплитудная характеристика идеального усилителя представляет из себя прямую, проходящую через начало координат, поскольку коэффициент его усиления является постоянной величиной при любых входных напряжениях.
На амплитудной характеристике реального усилителя имеется, как минимум, три разных участка. В нижней части она не доходит до нуля, так как усилитель имеет собственные шумы, которые становятся на малых уровнях громкости соизмеримы с амплитудой полезного сигнала.

В средней части (АВ) амплитудная характеристика близка к линейной. Это рабочий участок, в его пределах искажения формы сигнала будет минимальным.
В верхней части графика амплитудная характеристика также имеет изгиб, который обусловлен ограничением по выходной мощности усилителя.
Если амплитуда входного сигнала такова, что работа усилителя идет на изогнутых участках, то в выходном сигнале появляются нелинейные искажения. Чем больше нелинейность, тем сильнее искажается синусоидальное напряжение сигнала, т.е. на выходе усилителя появляются новые колебания (высшие гармоники).

Шумы в усилителях бывают разных видов и вызываются разными причинами.

Белый шум.

Белый шум - это сигнал с равномерной спектральной плотностью на всех частотах. В пределах рабочего диапазона частот усилителей низкой частоты примером такого шума можно считать тепловой, вызванный хаотичным движением электронов. Спектр этого шума равномерен в очень широком диапазоне частот.

Розовый шум.

Розовый шум известен также как мерцательный (фликкер-шум). Спектральная плотность мощности розового шума пропорциональна отношению 1/f (плотность обратно пропорциональна частоте), то есть он является равномерно убывающим в логарифмической шкале частот. Розовый шум генерируется как пассивными так и активными электронными компонентами, о природе его происхождения до сих пор спорят учёные.

Фон от внешних источников.

Одна из основных причин шума - фон наводимый от посторонних источников, например от сети переменного тока 50 Гц. Он имеет основную гармонику в 50 Гц и кратные ей.

Самовозбуждение.

Самовозбуждение отдельных каскадов усилителя способно генерировать шумы, как правило определённой частоты.

Стандарты выходной мощности УНЧ и акустики

Номинальная мощность

Западный аналог RMS (Root Mean Squared – среднеквадратичное значение) В СССР определялась ГОСТом 23262-88 как усредненное значение подводимой электрической мощности синусоидального сигнала с частотой 1000 Гц, которое вызывает нелинейные искажения сигнала, не превышающие заданное значение КНИ (THD). Указывается как у АС, так и у усилителей. Обычно указанная мощность подгонялась под требования ГОСТ к классу сложности исполнения, при наилучшем сочетании измеряемых характеристик. Для разных классов устройств КНИ может варьироваться очень существенно, от 1 до 10 процентов. Может оказаться так, что система заявлена в 20 Ватт на канал, но измерения проведены при 10% КНИ. В итоге слушать акустику на данной мощности невозможно. Акустические системы способны воспроизводить сигнал на RMS-мощности длительное время.

Паспортная шумовая мощность

Иногда ещё называют синусоидальной. Ближайший западный аналог DIN - электрическая мощность, ограниченная исключительно тепловыми и механическими повреждениями (например: сползание витков звуковой катушки от перегрева, выгорание проводников в местах перегиба или спайки, обрыв гибких проводов и т.п.) при подведении розового шума через корректирующую цепь в течение 100 часов. Обычно DIN в 2-3 раза выше RMS.

Максимальная кратковременная мощность

Западный аналог PMPO (Peak Music Power Output – пиковая выходная музыкальная мощность). - электрическая мощность, которую громкоговорители АС выдерживают без повреждений (проверяется по отсутствию дребезжания) в течение короткого промежутка времени. В качестве испытательного сигнала используется розовый шум. Сигнал подается на АС в течение 2 сек. Испытания проводятся 60 раз с интервалом в 1 минуту. Данный вид мощности дает возможность судить о кратковременных перегрузках, которые может выдержать громкоговоритель АС в ситуациях, возникающих в процессе эксплуатации. Обычно в 10-20 раз выше DIN. Какая польза от того, узнает ли человек о том, что его система возможно перенесет коротенький, меньше секунды, синус низкой частоты с большой мощностью? Тем не менее, производители очень любят приводить именно этот параметр на упаковках и наклейках своей продукции… Огромные цифры данного параметра зачастую основаны исключительно на бурной фантазии маркетингового отдела производителей, и тут китайцы несомненно впереди планеты всей.

Максимальная долговременная мощность

Это электрическая мощность, которую выдерживают громкоговорители АС без повреждений в течение 1 мин. Испытания повторяют 10 раз с интервалом 2 минуты. Испытательный сигнал тот же.
Максимальная долговременная мощность определяется нарушением тепловой прочности громкоговорителей АС (сползанием витков звуковой катушки и др.).

Практика - лучший критерий истины. Разборки с аудиоцентром

Попробуем применить наши знания на практике. Заглянем в один очень известный интернет магазин и поищем там изделие ещё более известной фирмы из Страны Восходящего Солнца.
Ага - вот музыкальный центр футуристического дизайна продаётся всего за 10 000 руб. по очередной акции.:
Из описания узнаём, что аппарат оснащён не только мощными колонками, но и сабвуфером.

“Он обеспечивает превосходную чистоту звучания при выборе любого уровня громкости. Кроме того, такая конфигурация помогает сделать звук насыщенным и объёмным.”

Захватывающе, пожалуй стоит посмотреть на параметры. “ Центр содержит две фронтальные колонки, каждая мощностью по 235 Ватт, и активный сабвуфер с мощностью 230 Ватт.” При этом размеры первых всего 31*23*21 см
Да это же Соловей разбойник какой то, причём и по силе голоса и по размерам. В далёком 96 году на этом я бы свои исследования и остановил, а в дальнейшем, глядя на свои S90 и слушая самодельный Агеевский усилитель, бурно бы обсуждал с друзьями, насколько отстала от японской наша советская промышленность - лет на 50 или всё таки навсегда. Но сегодня с доступностью японской техники дело обстоит гораздо лучше и рухнули многие мифы с ней связанные, поэтому перед покупкой постараемся найти более объективные данные о качестве звука. На сайте про это ни слова. Кто бы сомневался! Зато есть инструкция по эксплуатации в формате pdf. Cкачиваем и продолжаем поиски. Среди чрезвычайно ценной информации о том, что “лицензия на технологию звуковой кодировки была получена от Thompson” и каким концом вставлять батарейки с трудом, но удаётся таки найти нечто напоминающее технические параметры. Весьма скудная информация запрятана в недрах документа, ближе к концу.
Привожу её дословно, в виде скриншота, поскольку, начиная с этого момента, у меня стали возникать серьёзные вопросы, как к приведённым цифрам не смотря на то, что они подтверждены сертификатом соответствия, так и к их интерпретации.
Дело в том, что чуть ниже было написано, что потребляемая от сети переменного тока мощность первой системы составляет 90 ватт, а второй вообще 75. Хм.

Изобретён вечный двигатель третьего рода? А может в корпусе музыкального центра прячутся аккумуляторы? Да не похоже - заявленный вес аппарата без акустики всего три кило. Тогда, как же потребляя 90 ватт от сети, можно получить на выходе 700 загадочных ватт (для справок) или хотя бы жалких, но вполне осязаемых 120 номинальных. Ведь при этом усилитель должен обладать КПД порядка 150 процентов, даже с отключенным сабвуфером! Но на практике этот параметр редко превышает планку в 75.

Попробуем применить полученную из статьи информацию на практике

Заявленная мощность для справки 235+235+230=700 - это явно PMPO. С номинальной ясности много меньше. Судя по определению это номинальная мощность , но не может она быть 60+60 только для двух основных каналов, без учёта сабвуфера, при номинальной мощности потребления в 90 ватт. Это всё больше напоминает уже не маркетинговую уловку, а откровенную ложь. Судя по габаритам и негласному правилу, соотношения RMS и PMPO, реальная номинальная мощность этого центра должна составлять 12-15 ватт на канал, а общая не превышать 45. Возникает закономерный вопрос - как можно доверять паспортным данным тайваньских и китайских производителей, когда даже известная японская фирма такое себе позволяет?
Покупать такой аппарат или нет - решение зависит от вас. Если для того, чтобы ставить по утрам на уши соседей по даче - да. В противном случае, без предварительного прослушивания нескольких музыкальных композиций в разных жанрах, я бы не рекомендовал.

Чайник дёгтя в банке мёда.

Казалось бы, мы имеем почти исчерпывающий список параметров, необходимых для оценки мощности и качества звука. Но, при более пристальном внимании, это оказывается далеко не так, по целому ряду причин:

• Многие параметры больше подходят не столько для объективного отражения качества сигнала, сколько для удобства измерения. Большинство проводятся на частоте 1000 Гц, которая очень удобна для получения наилучших численных результатов. Она располагается далеко от частоты фона электрической сети в 50 Гц и в самом линейном участке частотного диапазона усилителя.
• Производители зачастую грешат откровенной подгонкой характеристик усилителя под тесты. Например, даже во времена Советского Союза, УНЧ часто разрабатывались таким образом, чтобы обеспечить наилучший показатель КГИ, при максимальной выходной паспортной мощности. В то же время, на половинном уровне мощности в двухтактных усилителях часто проявлялось искажение типа ступенька, из-за чего коэффициент гармонических искажений при среднем положении ручки громкости мог зашкаливать за 10%!
• В паспортах и инструкциях по эксплуатации часто приводятся нестандартные фейковые, абсолютно бесполезные характеристики типа PMPO. В то же время, не всегда можно найти даже такие базовые параметры как частотный диапазон или номинальную мощность. Про АЧХ и ФЧХ и говорить нечего!
• Измерение параметров нередко производится по, сознательно искажённым, методикам.

Не удивительно, что многие покупатели впадают в таких условиях в субъективизм и ориентируются при покупке, в лучшем случае, исключительно на результаты короткого прослушивания, в худшем на цену.

Пора закругляться, статья и так получилась чрезмерно длинной!

Разговор об оценке качества и причинах искажений усилителей низкой частоты мы продолжим в следующей статье. Вооружившись минимальным багажом знаний можно переходить к таким интересным темам как интермодуляционные искажения и их связь с глубиной обратной связи!

В заключение хочется выразить искреннюю благодарность Роману Парпалак parpalak за его проект онлайн-редактора с поддержкой латеха и маркдауна. Без этого инструмента и так непростой труд по внедрению математических формул в текст стал бы во истину адским.

Усилитель — это электронное устройство, управляющее потоком энергии, идущей от источника питания к нагрузке. Причем мощность, требующаяся для управления, как правило, намного меньше мощности, отдаваемой в нагрузку, а формы входного (усиливаемого) и выходного (на нагрузке) сигналов совпадают (рис. 2.1).

Все усилители можно классифицировать по следующим признакам:

● по частоте усиливаемого сигнала:

Усилители низкой частоты (УНЧ) для усиления сигналов от десятков герц до десятков или сотен килогерц;

Широкополосные усилители, усиливающие сигналы в единицы и десятки мегагерц;

Избирательные усилители, усиливающие сигналы узкой полосы частот;

● по роду усиливаемого сигнала:

Усилители постоянного тока (УПТ), усиливающие электрические сигналы с частотой от нуля герц и выше;

Усилители переменного тока, усиливающие электрические сигналы с частотой, отличной от нуля;

● по функциональному назначению:

Усилители напряжения, усилители тока и усилители мощности в зависимости от того, какой из параметров усилитель усиливает. Основным количественным параметром усилителя является коэффициент усиления. В зависимости от функционального назначения усилителя различают коэффициенты усиления по напряжению К U , току К i или мощности

К Р: К U = U вх / U вых К I = I вх / I вых К P = P вх / P вых где U вх, I вх — амплитудные значения переменных составляющих соответственно напряжения и тока на входе;

U вых, I вых — амплитудные значения переменных составляющих соответственно напряжения и тока на выходе; Р вх, Р вых — мощности сигналов соответственно на входе и выходе. Коэффициенты усиления часто выражают в логарифмических единицах — децибелах:

К U (дБ) = 20LgK u К I (дБ) = 20LgK i К Р (дБ) = 10LgK p Усилитель может состоять из одного или нескольких каскадов. Для многокаскадных усилителей его коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных его каскадов: К = К 1 · К 2 · ... · К n

Если коэффициенты усиления каскадов выражены в децибелах, то общий коэффициент усиления равен сумме коэффициентов усиления отдельных каскадов:

Ќ U = К U · e jφ К U = U вых / U вх где К U — модуль коэффициента усиления; φ — сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями с амплитудами U вх и U вых.

Помимо коэффициента усиления важным количественным показателем является коэффициент полезного действия:

η = P вых / P ист где Р ист — мощность, потребляемая усилителем от источника питания. Роль этого показателя особенно возрастает для мощных, как правило, выходных каскадов усилителя. К количественным показателям усилителя относятся также входное R вх и выходное R вых сопротивления усилителя:

R вх = U вх / I вх R вых = |∆ U вых | / |∆ I вых | где U вх и I вх — амплитудные значения напряжения и тока на входе усилителя;

∆U вых и ∆I вых — приращения аплитудных значений напряжения и тока на выходе усилителя, вызванные изменением сопротивления нагрузки. Рассмотрим теперь основные характеристики усилителей.

Амплитудная характеристика

Амплитудная характеристика — это зависимость амплитуды выходного напряжения (тока) от амплитуды входного напряжения (тока) (рис. 2.2).

Точка 1 соответствует напряжению шумов, измеряемому при U вx = 0, точка 2 — минимальному входному напряжению, при котором на выходе усилителя можно различать сигнал на фоне шумов. Участок 2 − 3 — это рабочий участок, на котором сохраняется пропорциональность между входным и выходным напряжениями усилителя. После точки 3 наблюдаются нелинейные искажения входного сигнала. Степень нелинейных искажений оценивается коэффициентом нелинейных искажений (или коэффициентом гармоник):

К Г = √(U 2 2 m + U 2 3 m + … + U 2 nm) / U lm где U lm , U 2m , U 3m , U nm — амплитуды 1-й (основной), 2, 3 и n-й гармоник выходного напряжения соответственно. Величина D = U вх max / U вх min характеризует динамический диапазон усилителя. Рассмотрим пример возникновения нелинейных искажений (рис. 2.3).

При подаче на базу транзистора относительно эмиттера напряжения синусоидальной формы u бэ в силу нелинейности входной характеристики транзистора i б = f (u бэ) входной ток транзистора i б (а следовательно, и выходной — ток коллектора) отличен от синусоиды, т. е. в нем появляется ряд высших гармоник.

Из приведенного примера видно, что нелинейные искажения зависят от амплитуды входного сигнала и положения рабочей точки транзистора и не связаны с частотой входного сигнала, т. е. для уменьшения искажения формы выходного сигнала входной должен быть низкоуровневым. Поэтому в многокаскадных усилителях нелинейные искажения в основном появляются в оконечных каскадах, на вход которых поступают сигналы с большой амплитудой.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и фазо-частотная характеристика (ФЧХ) усилителя.

АЧХ — это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты, а ФЧХ — это зависимость угла сдвига фаз между входным и выходным напряжениями от частоты. Типовая АЧХ приведена на рис. 2.4.

Частоты f н и f в называются нижней и верхней граничными частотами, а их разность (f н − f в) — полосой пропускания усилителя. При усилении гармонического сигнала достаточно малой амплитуды искажения формы усиленного сигнала не возникает. При усилении сложного входного сигнала, содержащего ряд гармоник, эти гармоники усиливаются усилителем неодинаково, так как реактивные сопротивления схемы по-разному зависят от частоты, и в результате это приводит к искажению формы усиленного сигнала. Такие искажения называются частотными и характеризуются коэффициентом частотных искажений: М = K 0 / K f где K f — модуль коэффициента усиления усилителя на заданной частоте.

Коэффициенты частотных искажений М Н = K 0 / K Н и М В = K 0 / K В называются соответственно коэффициентами искажений на нижней и верхней граничных частотах. АЧХ может быть построена и в логарифмическом масштабе. В этом случае она называется ЛАЧХ (рис. 2.5), коэффициент усиления усилителя выражают в децибелах, а по оси абсцисс откладывают частоты через декаду (интервал частот между 10f и f).

Обычно в качестве точек отсчета выбирают частоты, соответствующие f = 10n. Кривые ЛАЧХ имеют в каждой частотной области определенный наклон. Его измеряют в децибелах на декаду. Типовая ФЧХ приведена на рис. 2.6.

Она также может быть построена в логарифмическом масштабе. В области средних частот дополнительные фазовые искажения минимальны. ФЧХ позволяет оценить фазовые искажения, возникающие в усилителях по тем же причинам, что и частотные. Пример возникновения фазовых искажений приведен на рис. 2.7, где показано усиление входного сигнала, состоящего из двух гармоник (пунктир), которые при усилении претерпевают фазовые сдвиги.

Переходная характеристика усилителя

Переходная характеристика усилителя— это зависимость выходного сигнала (тока, напряжения) от времени при скачкообразном входном воздействии (рис. 2.8).

Частотная, фазовая и переходная характеристики усилителя однозначно связаны друг с другом. Области верхних частот соответствует переходная характеристика в области малых времен, области нижних частот — переходная характеристика в области больших времен.

Производители звукотехники, выпуская изделия на рынок, обязательно указывают в паспорте технические характеристики. Ориентироваться в них непросто. Неискушенный покупатель в лучшем случае спросит у продавца о мощности усилителя, полосе частот, на худой конец, об искажениях. И, как правило, получит формальный ответ: мощность усилителя 100 ватт, полоса частот не хуже 20 Гц - 20 кГц, искажения - три сотки, что означает 0,03%. Однако многие усилители имеют подобные характеристики. Добиться их в настоящее время - задача несложная, но при одинаковых характеристиках аппараты могут звучать по-разному. Так на что же следует обращать внимание в первую очередь?

Каждое звено в цепи воспроизведения обладает своими особенными характеристиками, мы намерены указать их отдельно для акустики, усилителей (предварительного и мощности), проигрывателей (винила и компакт-дисков) и других источников и преобразователей сигнала.

Начнем с наиболее популярного и необходимого - предварительного усилителя. В английском он часто называется Line preamp, Control amp, Phono amp, Head amp, то есть аппарат, предназначенный для работы с различными источниками сигнала. Итак, рассмотрим его основные технические характеристики.

Характеристики предварительных усилителей:

Частотный диапазон
или полоса воспроизводимых частот
Frequency response

В зависимости от источника сигнала, указывается по двум входам. По входу головки звукоснимателя указывается отклонение частотной характеристики от уровня на частоте 1 кГц, в полосе частот 30 Гц - 15 кГц, либо 20 Гц - 20 кГц (смотря каким стандартом пользуется изготовитель). Например: Frequency response Disc input (RIAA Ref.1 kHz, 30 Hz to 15 kHz) +0.2/–0.25 dB.

По входам Aux/Line указывается частотная характеристика с определенным спадом на краях. Например: Frequency resp. Line –0.5 dB, 2 Hz to 100 kHz; –3 dB 0.88 Hz and >200 kHz.

В первом случае характеризуется качество корректора звукоснимателя при воспроизведении виниловых грампластинок. Естественно, чем меньше отклонение, тем лучше. Для техники высокого уровня допустимы отклонения ± 1дБ в полосе 20 Гц - 20 кГц. Ширина частотного диапазона по линейному входу также определяет качество аппарата - чем шире полоса частот, тем лучше. Особенно это касается расширения в сторону низких частот, вплоть до постоянного тока.

Суммарные гармонические искажения
Total Harmonic Distortion + Noise

Они отражают наличие продуктов искажений в спектре простых (синусоидальных) сигналов. Величина суммарных гармонических искажений является функцией частоты при сигнале на выходе 1 В. Как правило, на краях диапазона имеет тенденцию к росту. Оценку гармонических искажений проводят по основным входам, отдельно для ММ, МС* и линейного входа. Указывается в процентах, либо в децибелах, 0.01% соответствует минус 80 дБ. Для транзисторной техники цифры порядка 0.005 - 0.05% являются типичными, для ламповой и 0.1% - приемлемая величина. Надо сказать, что суммарное значение гармонических искажений не является определяющим показателем хорошего звучания. Данная характеристика лишь формально описывает реакцию системы на входной сигнал. Как известно, ни один измерительный сигнал не способен заставить систему реагировать так, как это происходит при подаче реального звукового сигнала. Тем не менее разработчики стремятся любые искажения свести к минимуму.

Отношение сигнал/шум
S/N ratio (IHF, CCIR, IEC-A)

В скобках указывается, какие применялись взвешивающие фильтры (обозначаются они по названию организаций, рекомендующих применение данного фильтра). Предварительный усилитель, имеющий низкое значение отношения сигнал/шум, будет не только шуметь как примус, но, что значительно хуже, съест тонкую музыкальную структуру звучания голосов и инструментов. Отношение сигнал/шум измеряется в децибелах, по каждому входу отдельно (вход закорачивается), по отношению к сигналу на выходе напряжением 1В и частотой 1 кГц. Для МС и ММ входов вполне достаточно 70-ти дБ. Линейный вход имеет, как правило, значение лучше, обычно порядка 85 - 95 дБ. Есть и чемпионы, как, например, предусилитель фирмы Primare Systems Model 201 с отношением сигнал/шум по линейному входу 102 дБ со взвешивающим фильтром IEC-A.

Чувствительность по входу
Input Sensitivity

Указывает напряжение на входе, при котором напряжение на выходе усилителя будет равно 1 В. Сигнал на выходе источника для каждого из входов должен быть не меньше параметра чувствительности. В противном случае сигнал на выходе предусилителя будет иметь значительный шум или будет недостаточен для "раскачки" усилителя мощности. Например: Input Data (Sensitivity/Loading) Disc (MM)-0.5 mV/47 k, Disc (MC)-0.06 mV/47 Ohms, Aux/CD input - 100 mV/ 50 k. Типичными значениями чувствительности для предварительного усилителя являются следующие цифры: по входу МС - 0.2 - 0.3 мВ, по входу ММ - 1 - 3 мВ, по линейному входу - 100 - 200 мВ.

Разделение между каналами
Channel separation

Могут употребляться другие термины: Stereo Separation, Crosstalk. Характеризует проникание сигнала из канала в канал, измеряется в децибелах. Как правило, разделение между каналами имеет тенденцию к уменьшению с ростом частоты, что приводит к ухудшению восприятия стереообраза на высоких частотах. Типичные значения для входов звукоснимателей на частоте 1 кГц - 80ё70дБ, на 20 кГц-50ё45дБ. По линейному входу этот показатель лучше на 10ё15дБ. Надо сказать, что у лучших головок звукоснимателей разделение между каналами на частоте 20 кГц достигает 30ё35 дБ, так что многие усилители с показателями, близкими к 35ё40 дБ, будут звучать плохо из-за потери локализации, глубины стереообраза, детальности на частотах выше 10 кГц. Пожалуй, чемпионом по этой характеристике может считаться American Hybrid Technology, имеющий в худшем случае 115 дБ!

Входной и выходной импедансы
Input/Output impedance

Для согласования с ММ-головками звукоснимателей предусилитель может иметь переключатель входного сопротивления, скажем, от 10 кОм до 47 кОм. МС головки рассчитаны на меньшее значение импеданса. Канадский усилитель Sonic Frontiers SFP-1, например, при штатном сопротивлении на входе ММ/МС 47 к, комплектуется набором резисторов от 10 Ом до 1 кОм для точного согласования с применяемой головкой. Однако это вряд ли удобно для владельца, который должен самостоятельно решить, какой резистор ему ставить, да еще сделать достаточно качественные пайки. Линейный вход, как правило, имеет входной импеданс не ниже 30 кОм. Меньшее сопротивление создаст сложности для компакт-проигрывателей, магнитофонов, тюнеров: так как их выход может быть не приспособлен для работы на низкое сопротивление, возможно сильное ослабление сигнала. Выходное сопротивление характеризует способность системы работать на низкоомную нагрузку, например, на входное сопротивление усилителя с длинным межблочным кабелем. Так например, английский Art Audio VP1 имеет выходное сопротивление 35 кОм, что с трехметровым кабелем к усилителю мощности и сопротивлением по входу 10 кОм даст затухание 7 дБ на 20 кГц! Поэтому, чем ниже выходное сопротивление предусилителя, тем лучше. Типичным значением можно считать 1 кОм на частоте 1 кГц.

Присутствие напряжения смещения на выходе
DC offset

Характеристика обязательная для высококачественной аппаратуры! Например, 50 мВ на выходе предусилителя, поданные на открытый вход усилителя мощности с усилением в 30 дБ, дадут на его выходе около 1.8 В постоянного напряжения! Конечно, такое напряжение не способно повредить акустическую систему (СЧ и ВЧ головки будут защищены фильтром, для НЧ головки такое напряжение не опасно), однако оно способно вызвать значительное смещение диффузора НЧ головки. В свою очередь это приведет к асимметрии расположения звуковой катушки в магнитном зазоре и увеличит искажения в НЧ области.

Техника высокого класса имеет балансные входы и выходы, что позволяет избежать проблем, возникающих с появлением постоянного напряжения на выходе предусилителя. Если у вас однотактный вход (разъем RCA) усилителя, а сам усилитель не имеет схемы, обеспечивающей отсутствие постоянного напряжения на выходе усилителя (DC servo), то при выборе предусилителя следует обратить внимание на этот параметр. Заметим, что величина смещения на выходе может быть разной у разных экземпляров одного и того же аппарата, однако цифра ±10мВ вполне допустима во всех случаях.

Приведенный перечень технических характеристик, конечно же, не исчерпывающий. Мы привели, на наш взгляд, основные, необходимые при оценке и выборе предварительного усилителя.

Характеристики усилителя мощности:

Задача выбора усилителя мощности не менее сложна, чем выбор предусилителя. Прежде чем принять решение, что возможно только после музыкального прослушивания, давайте заглянем в паспорт и ознакомимся с техническим характеристиками.

Выходная паспортная мощность
Power output, Rated power

Это главная характеристика усилителя. Измеряется в ваттах на синусоидальном сигнале при заданной нагрузке. Обычно указывается мощность при нагрузке 8 и 4 Ом. Однако на музыкальном сигнале сопротивление АС падает порой до 1 Ома. Поэтому невредно поинтересоваться у продавца, какую мощность усилитель может отдать на 2-х омной нагрузке. Если мощность усилителя указана 100 Вт/8 Ом и 200 Вт/4 Ом - это отличная мощная машина, которой не страшны даже самые низкоомные колонки. Однако дело не в цифрах 100, 200, 500, 1000... Если у усилителя даже 20 Вт/8 Ом и 40 Вт/4 Ом, это также хорошо. Важно, чтобы мощность возрастала вдвое при уменьшении нагрузки в 2 раза. Такой усилитель обладает большой перегрузочной способностью, и если вы поменяете акустику на более низкоомную, усилитель не подведет.

Иная картина с ламповыми усилителями. Здесь, как правило, имеется несколько выходов (выходной трансформатор имеет отводы на вторичной обмотке для подключения соответствующей нагрузки). Если ваша акустическая система имеет сопротивление 8 Ом, подключите ее на 8-омный выход, если 4 Ома - на 4-омный. При правильном подключении усилитель отдаст максимальную мощность, на которую он рассчитан.

Полоса частот, частотный диапазон на уровне –3дБ
(при мощности вдвое меньше паспортной)
Power bandwidth (–3dB point)

Как правило, у транзисторных усилителей диапазон частот шире, чем у ламповых (от нескольких герц до сотен килогерц). Например, усилитель Audio Research D300 имеет полосу от нуля герц (постоянный ток) до 150 килогерц. А ламповый V70 той же фирмы - 12 Гц - 40 кГц, что однако не мешает его высокой популярности у аудиофилов.

Кратковременное пиковое значение выходного тока (при нагрузке 1 Ом)
Peak output current

Характеризует мощность блока питания, надежность выходного каскада. У лучших транзисторных усилителей этот показатель порядка ± 30ё60А. Про такой усилитель можно сказать, что он управляет акустикой "железной рукой в бархатной перчатке". Хорошие ламповые усилители отдают в нагрузку ток порядка ± 10ё15А. Высокие значения выходного тока обеспечивают глубокий, плотный бас.

Характеристика искажений
Distortion

Могут указываться и гармонические и интермодуляционные. Чем меньше эта цифра в процентах или в децибелах, тем меньше искажений вносит в усиливаемый сигнал данный усилитель. Однако более важна не величина, а спектр продуктов искажения. Двухтактные усилители эффективно подавляют в выходном каскаде вторую гармонику, но при этом могут иметь длинный хвост из четных и нечетных гармоник. У однотактных ламповых гармоники значительно больше по уровню, но они быстро затухают и, как правило, выше пятой гармоники искажений в спектре нет.

Ламповая техника имеет несколько худшие показатели по искажениям, но уже упомянутый Audio Research V70, имея 1 % искажений на максимальной мощности 60 Вт, по свидетельству зарубежных экспертов, звучит прекрасно. Измерения гармонических искажений производят на разных частотах, как правило, 20Гц, 1кГц и 20кГц, и выходных мощностях 1VA, 2/3 паспортной и на максимальной паспортной. На крайних частотах и на максимальной мощности может наблюдаться значительное увеличение уровня искажений.

В середине 70-х годов было модно приводить характеристики усилителя при различных интермодуляционных тестах. Появились понятия TIM (Transient InterModulation) - переходных, DIM (Dinamic InterModulation) - динамических интермодуляций. В настоящее время поведение усилителя при сложных измерительных сигналах интересует только специалистов и разработчиков. Мы же упомянем лишь стандартные измерения интермодуляционных искажений при одновременной подаче 2-х тонов 19 кГц/20 кГц на полной мощности. Хороший усилитель должен иметь показатель в пределах 0.02 - 0.1 %.

Входные импеданс и чувствительность
Input Impedance, Input Sensitivity

Типичной цифрой для импеданса является 30 - 100 кОм. Входное сопротивление ниже 30 кОм может серьезно повлиять на частотную характеристику сигнала, поступающего от предусилителя.

Под чувствительностью понимается напряжение, поданное на вход, при котором усилитель развивает паспортную мощность. Обычным значением является 0.5 - 2 В.

Выходное сопротивление
Output Impedance

Характеризует способность усилителя одинаково хорошо работать на акустические системы как с высоким, так и с низким импедансом. Существует заблуждение, что чем больше коэффициент демпфирования (номинальный импеданс акустической системы, деленный на выходное сопротивление усилителя), тем лучше управление акустикой по басу. Однако коэффициент демпфирования, равный 2000, окажется лучше 20-ти всего лишь на 5 - 10 % на НЧ характеристике, т.е. ожидаемое увеличение звукового давления на НЧ менее 1 дБ! Тем не менее, очень малое значение демпфирования, положим, меньше 10, может привести к заметному изменению частотной характеристики АС.

Мощность источника питания. Энергия, запасенная в конденсаторах и индуктивностях фильтра.
Power supply capacitance. Energy storage.

Именно эта энергия определяет динамический диапазон при воспроизведении. Измеряется в джоулях. Типичный усилитель с двумя конденсаторами по 10 000 мкФ на 60 В имеет всего 72 Дж. (Транзисторные чемпионы имеют суммарную емкость конденсаторов порядка 0.5 - 1.0 фарады). Для сравнения, у фотовспышки в средней фотостудии - 500 - 1000 Дж. А вот у Audio Research V140 - 415 Дж. Представляете, какие мускулы у этого лампового моноусилителя! Поэтому, когда приводится эта характеристика, обязательно обратите на нее внимание.

Мы намеренно не привели такие характеристики, как отношение сигнал/шум, разделение между каналами, присутствие постоянного напряжения на выходе. Они по определению и измерению подобны приведенным выше у предусилителя. Рекомендуемые в данной статье пределы параметров не следует рассматривать как жесткие ограничения при выборе усилителей. Даже в усилителях высокого класса возможны отклонения одного-двух параметров от приведенных здесь диапазонов. Окончательный выбор должен определяться результатами прослушивания.

Если у вас возникнут вопросы по неотмеченным здесь характеристикам или собственные мнения, пишите в редакцию.

Введение. 5

Заключение. 47

Список литературы.. 48

Введение

Цель дипломного проекта

Изготовить макет усилителя;

Принципы построения усилителей

Основные схемы усилителей

В схемах с усилительными элементами - триодами и транзисторами - один из электродов соединяется с источником усиливаемого сигнала, другой - с сопротивлением нагрузки гн. Третий

Рисунок 2.1 - Схемы включения электронной лампы и транзистора

а-о общим катодом (эмиттером), б- с общей сеткой (базой), в - с общим анодом (коллектором) электрод является общим для входного сигнала и нагрузки и соединяется с ними непосредственно или через большую емкость. На рис. 111 изображены три возможных способа включения электронной лампы и соответствующие им три способа включения транзистора: схема с общим катодом и соответствующая ей схема с общим эмиттером, схема с общей сеткой и соответствующая ей схема с общей базой, схема с общим анодом и соответствующая ей схема с общим коллектором.

Схема с общим эмиттером для n-p-n транзистора представлена на рисунке 2.2

Рисунок 2.2 - Схема включения транзистора n-p-n с общим эмиттером

Эмиттер является общим для входа и выхода. Чтобы без расчетов предварительно оценить величины сопротивлений и емкостей, можно принять величину сопротивления в коллекторной цепи в несколько кОм, а сопротивление в цепи базы в 30 – 50 раз больше. Для того, чтобы усилитель работал в линейном режиме, необходимо, чтобы рабочая точка находилась на линейном участке вольт-амперной характеристики (желательно в центре линейного участка). Для этого, смещение на базу надо задавать так, чтобы напряжение на коллекторе составляло половину напряжения питания. Величины разделительных конденсаторов составляют 100пФ – 10 мкФ и зависят от диапазона частот(чем ниже частота, тем больше емкость). Коэффициент усиления данной схемы составляет более 10 – 100, также усиливается и ток, т.е коэффициент усиления по мощности составляет около 10000 раз. Доступным биполярным транзистором структуры n-p-n является КТ315.

Схема включения с ОЭ транзистора p-n-p структуры приведена на рисунке 2.3.

Рисунок2.3 - Схема с ОЭ для транзистора структуры p-n-p

Коэффициент усиления по напряжению можно приблизительно оценить как отношение сопротивлений в базовой и коллекторной цепях.

Схема с общим коллектором представлена на рис.2.4

Рисунок 2.4 - Схема с общим коллектором

Данная схема включения называется также эмиттерным повторителем и применяется для согласования высокого выходного сопротивления источника сигнала с низким входным сопротивлением нагрузки. Коэффициент усиления по напряжению для этой схемы равен 1, а коэффициент усиления по току – около 100. Входное сопротивление схемы высокое (значит в базовую цепь надо ставить большое сопротивление), а выходное - низкое и, следовательно, можно подключать низкоомную нагрузку.

Схема с общей базой представлена на рис.2.5.

Рисунок 2.5 - Схема с общей базой

Схемы с общей базой используются для построения высокочастотных усилителей (имеющих низкое входное сопротивление). В литературе указывается, что сопротивление R2 имеет сопротивление несколько кОм, однако в процессе моделирования схема начинает усиливать сигнал при сопротивлении R2 в сотни Мом. Сопротивление R3 можно менять от 100 Ом до нескольких кОм.

Различают несколько режимов работы транзисторов. Насыщение – транзистор открыт, напряжение на переходе К – Э минимально, ток через переходы максимален. Форма синусоиды искажена, верхушки синусоиды срезаны. Отсечка – транзистор закрыт, напряжение на переходе К-Э максимально, ток через переходы минимален. Активный – промежуточный между этими режимами. Именно этот режим используют для усиления сигналов.

Усилительным транзисторным каскадом принято называть транзистор с резисторами, конденсаторами и другими деталями, которые обеспечивают ему условия работы как усилителя. Для громкого воспроизведения колебаний звуковой частоты транзисторный усилитель должен быть минимум двух - трехкаскадным. В усилителях, содержащих несколько каскадов, различают каскады предварительного усиления и выходные, или оконечные, каскады. Выходным называют последний каскад усилителя, работающий на телефоны или динамическую головку громкоговорителя, а предварительными - все находящиеся перед ним каскады. Задача одного или нескольких каскадов предварительного усиления заключается в том, чтобы увеличить напряжение звуковой частоты до значения, необходимого для работы транзистора выходного каскада. От транзистора выходного каскада требуется повышение мощности колебаний звуковой частоты до уровня, необходимого для работы динамической головки. Для выходных каскадов наиболее простых транзисторных усилителей радиолюбители часто используют маломощные транзисторы, такие же, что и в каскадах предварительного усиления. Объясняется это желанием делать усилители более экономичными, что особенно важно для переносных конструкций с питанием от батарей. Выходная мощность таких усилителей небольшая - от нескольких десятков до 100 - 150 мВт, но и ее бывает достаточно для работы телефонов или маломощных динамических головок. Если же вопрос экономии энергии источников питания не имеет столь существенного значения, например при питании усилителей от электроосветительной сети, в выходных каскадах используют мощные транзисторы. Каков принцип работы усилителя, состоящего из нескольких каскадов?

Схема простого транзисторного двухкаскадного усилителя НЧ показана на рисунке 2.6. В первом каскаде усилителя работает транзистор V1, во втором - транзистор V2. Здесь первый каскад является каскадом предварительного усиления, второй - выходным. Между ними - разделительный конденсатор С2.

Принцип работы любого из каскадов этого усилителя одинаков и аналогичен знакомому принципу работы однокаскадного усилителя. Разница только в деталях: нагрузкой транзистора V1 первого каскада служит резистор R2, а нагрузкой транзистора V2 выходного каскада - телефоны В1 (или, если ыходной сигнал достаточно мощный, головка громкоговорителя). Смещение на базу транзистора первого каскада подается через резистор R1, а на базу транзистора второго каскада - через резистор R3. Оба каскада питаются от общего источника Uи.п., которым может быть батарея гальванических элементов или выпрямитель. Режимы работы транзисторов устанавливают подбором резисторов R1 и R3, что обозначено на схеме звездочками.

Рисунок 2.6 - Двухкаскадный усилитель на транзисторах.

Действие усилителя в целом заключается в следующем. Электрический сигнал, поданный через конденсатор С1 на вход первого каскада и усиленный транзистором V1, с нагрузочного резистора R2 через разделительный конденсатор С2 поступает на вход второго каскада. Здесь он усиливается транзистором V2 и телефонами В1, включенными в коллекторную цепь транзистора, преобразуется в звук. Какова роль конденсатора С1 на входе усилителя? Он выполняет две задачи: свободно пропускает к транзистору переменное напряжение сигнала и предупреждает замыкание базы на эмиттер через источник сигнала. Представьте себе, что этого конденсатора во входной цепи нет, а источником усиливаемого сигнала служит электродинамический микрофон с малым внутренним сопротивлением. Что получится? Через малое сопротивление микрофона база транзистора окажется соединенной с эмиттером. Транзистор закроется, так как будет работать без начального напряжения смещения. Он будет открываться только при отрицательных полупериодах напряжения сигнала. А положительные полупериоды, еще больше закрывающие транзистор, будут им «срезаны». В результате транзистор станет искажать усиливаемый сигнал.

Конденсатор С2 связывает каскады усилителя по переменному току. Он должен хорошо пропускать переменную составляющую усиливаемого сигнала и задерживать постоянную составляющую коллекторной цепи транзистора первого каскада. Если вместе с переменной составляющей конденсатор будет проводить и постоянный ток, режим работы транзистора выходного каскада нарушится и звук станет искаженным или совсем пропадет. Конденсаторы, выполняющие такие функции, называют конденсаторами связи, переходными или разделительными.

Входные и переходные конденсаторы должны хорошо пропускать всю полосу частот усиливаемого сигнала - от самых низких до самых высоких. Этому требованию отвечают конденсаторы емкостью не менее 5 мкФ. Использование в транзисторных усилителях конденсаторов связи больших емкостей объясняется относительно малыми входными сопротивлениями транзисторов.

Конденсатор связи оказывает переменному току емкостное сопротивление, которое будет тем меньшим, чем больше его емкость. И если оно окажется больше входного сопротивления транзистора, на нем будет падать часть напряжения переменного тока, большая, чем на входном сопротивлении транзистора, отчего будет проигрыш в усилении. Емкостное сопротивление конденсатора связи должно быть по крайней мере в 3 - 5 раз меньше входного сопротивления транзистора. Поэтому - то на входе, а также для связи между транзисторными каскадами ставят конденсаторы больших емкостей. Здесь используют обычно малогабаритные электролитические конденсаторы с обязательным соблюдением полярности их включения. Таковы наиболее характерные особенности элементов двухкаскадного транзисторного усилителя НЧ.

Затраты на заработную плату

З п = t * З t (4.2)

Таблица 3 Расчет повременной заработной платы

Повременная заработная плата составляет 379,9 руб.

З п = t * З t (4.2)

где: З п - заработная плата на все операции (руб.);

t – время затраченное на операцию;

З t – повременная заработная плата (руб.).

Затраты на электроэнергию

Таблица 4 – затраты на электроэнергию

Затраты на электроэнергию составила 9,36 руб.

З э = t*1кВт/час (4.3)

где: З э – Затраты на электра энергию (руб.);

t – время работы по операциям;

1кВт/час – 2,08 руб..

Себестоимость создания всех генераторов составила 772,04 руб.

С = Ц э + З р + З п + З э (4.4)

где: С – себестоимость изделия (руб.);

Ц э - цена элемента (руб.);

З р – затраты на материалы (руб);

З п - заработная плата на все операции (руб.);

З э - затраты, на электроэнергию (руб.).

С=6,93+375,95+379,9+13,8=776,58 рублей

Средняя цена усилителя звуковой частоты (800 Гц)по региону составляет 1500 (руб)

Заключение

Темой дипломного проекта является разработка усилителя низкой частоты. Актуальность данной темы определяется широким развитием массового кинопроката и аудиотехники. Широкое применение в аудиотехнике получили усилители звуковой частоты. В последнее время их выполняют, в основном, на микросхемах. Но без знания работы транзисторов, хорошее качество усиления получить нельзя. Поэтому исследование базовых схем усилителей является актуальной задачей, имеющей практическое значение.

Целью проекта являлись анализ усилителей низкой частоты, выбор и разработка схемы усилителя.

Для решения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

Провести анализ литературы по принципам построения усилителей низкой частоты;

Провести компьютерное моделирование различных схем усилителей с целью выбора оптимального варианта;

Изготовить макет усилителя;

Исследовать и сравнить результаты моделирования с результатами измерений на макетах;

Провести расчет себестоимости изготовления схемы усилителя;

В дипломном проекте проведен анализ литературных данных по принципам построения усилителей, выбрана схема усилителя, Проведен ее расчет, изготовлена схема усилителя и проведены его исследования.

В экономической части проекта проведен расчет затрат на изготовление усилителя.

Таким образом, цели, поставленные в работе, достигнуты.

Список литературы

1. Афанасьев А.П., Самохин В.П. Бытовые видеомагнитофоны. М.: радио и связь, 1989г.

2. Голуб В.С.Генераторы гармонических колебаний. Москва «Энергия». 1980г.

3. Виноградов В.А. Зарубежные цветные телевизоры. SONY. Устройство, обслуживание, ремонт. СПб.: «Корона принт», 1999г.

4. Головин О.В. Радиоприемные устройства: учебник для техникумов.- М.: Горячая линия – Телеком, 2002.

5. Гоненко А.П.; Милованов Ю.В.; Лапсарь М.И. Оформление текстовых и графических материалов при подготовке дипломных проектов, курсовых и письменных экзаменнационных работ (требования ЕСКД): Учеб. для нач. проф. образования: Учебное пособ. для сред. проф. образовния- М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 366.

6. Ершов К.Г. Деменьтьев С.Б. Видеооборудования. Справочное пособие. СПб.: Лениздат, 1993г.

7. Зайцев А.А., Миркин А.И., Мокряков В.В..: под ред. Голомедова А.В. «Полупроводниковые приборы. Транзисторы малой мощности» М.:Радио и связь, КУбК-а 1995.- 384с.

8. Изюмов Н.М., Линде Д.П. Основы радиотехники. – М.: Радио и связь, 1983.

9. Изюмов Н.М., Линде Д.П.Основы радиотехника. - 4-е изд. прераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1983.

10. Каганов В. И. Радиопередающие устройства: Учебник для СПО – М: ИРПО: Издательский центр «Академия», 2002 – 288 с.

11. Калихман С.Г., Шехтман Б.И. Цифровая схемотехника в радиовещательных приемниках. - М.: Радио и связь, 1982.

12. Каплун В. А., Браммер С.П. Радиотехнические устройства и элементы радиосистем: Учебное пособие – М.: Высшая школа, 2002.

13. Колонтаевский Ю.Ф. Радиотехника: Учебное пособие для СПТУ-М: Высш. Шк., 1988 – 304 с.: ил.

14. Микросхемы, диоды, транзисторы: Справочник – М.: машиностроение, 1994 г. – 368с.

15. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности: Справочник – 3е изд., стереотип. - / А.А. Зайцев, А.И. Миркин, В.В. Мокряков и др.; Под ред. А.В. Голомедова. М.: КУбК – а, 1995 г. – 640 с.: ил.

16. Полупроводниковые приборы: Диоды высокочастотные. Диоды импульные. Оптоэлектронные приборы. Справочник: под ред. А.В. Голомедова. – М.: КУбК – а, 1996;

17. Практическое руководство по расчетам схем в электронике: Справочник. В 2-х т. Т.1:Пер. с англ./Под ред. Ф.Н.Покровского. – М.: Энергоатолиудат, 1991. – 368 с.: ил.

18. Прянишников В.А.. Электроника. Курс лекций. Учебник для высших и средних учебных заведений. Корона принт, 1998г.

19. Пьезоэлектрические резонаторы. Справочник. Под ред. П. Кандыбы и П. Позднякова. Москва, "Радио и Связь", 1992.

20. Радиоэлектронная аппаратура и приборы: Монтаж регулировка: Учебник для нач. проф. Образования / Галина Владимировна Ярочкина. – 2-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 240 с.

21. Сигова А.С. «Электорорадиоизмерения» Издательство ФОРУМ-ИНФРА-М Москва, 2004.

22. Справочник по радиоизмерительным приборам: В 3-х т.; Под ред. В. С. Насонова - М.: Сов. радио, 1979.

23. Техника кино и телевидения, 1998г.

24. Хотунцев Ю.Л., Лобарев А.С. Основы радиоэлектроники. Учебное пособие для студентов. М.: Агар, 2000. – 288с., ил.

25. Шустов М.А. Практическая схемотехника. Книга 1. 450 полезных схем радиолюбителям. 2-е изд. – М.: Издательский дом «Додэка – ХХ1», «Альтекс», 2007.

Введение. 5

1 Использование усилителей низкой частоты.. 6

2 Принципы построения усилителей. 11

2.1 Основные схемы усилителей. 11

2.2 Основные параметры усилителей. 21

3 Схема усилителя низкой частоты.. 24

4 Расчет затрат на изготовление усилителя. 40

4.1 Затраты на покупные элементы.. 40

4.2 Затраты на расходные материалы.. 41

4.3 Затраты на заработную плату. 41

4.4 Затраты на электроэнергию.. 42

5 Техника безопасности при работе с радиоэлектронной аппаратурой. 44

Заключение. 47

Список литературы.. 48

Введение

Темой дипломного проекта является разработка усилителя низкой частоты. Актуальность данной темы определяется широким развитием усилительной техники в радиоэлектронике и высокими требованиями к их качеству. Особенно актуальны усилители низкой частоты, поэтому в дипломном проекте исследованы именно они. Усилители низкой частоты наиболее широко применяются для усиления сигналов, несущих звуковую информацию, в этих случаях они называются, также, усилителями звуковой частоты, кроме этого УНЧ используются для усиления информационного сигнала в различных сферах: измерительной технике и дефектоскопии; автоматике, телемеханике и аналоговой вычислительной технике; в других отраслях электроники. Поэтому исследование базовых схем усилителей является актуальной задачей, имеющей практическое значение.

Цель дипломного проекта : Провести анализ усилителей низкой частоты, выбрать и разработать схему усилителя.

Для решения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

Провести анализ литературы по принципам построения усилителей низкой частоты;

Провести компьютерное моделирование различных схем усилителей с целью выбора оптимального варианта;

Изготовить макет усилителя;

Исследовать и сравнить результаты моделирования с результатами измерений на макетах;

Провести расчет себестоимости изготовления схемы усилителя;

Использование усилителей низкой частоты

Усилители низкой частоты наиболее широко применяются для усиления сигналов, несущих звуковую информацию, в этих случаях они называются, также, усилителями звуковой частоты, кроме этого УНЧ используются для усиления информационного сигнала в различных сферах: измерительной технике и дефектоскопии; автоматике, телемеханике и аналоговой вычислительной технике; в других отраслях электроники. Усилитель звуковых частот обычно состоит из предварительного усилителя и усилителя мощности (УМ). Предварительный усилитель предназначен для повышения мощности и напряжения и доведения их до величин, нужных для работы оконечного усилителя мощности, зачастую включает в себя регуляторы громкости, тембра или эквалайзер, иногда может быть конструктивно выполнен как отдельное устройство. Усилитель мощности должен отдавать в цепь нагрузки (потребителя) заданную мощность электрических колебаний. Его нагрузкой могут являться излучатели звука: акустические системы (колонки), наушники (головные телефоны); радиотрансляционная сеть или модулятор радиопередатчика. Усилитель низких частот является неотъемлемой частью всей звуковоспроизводящей, звукозаписывающей и радиотранслирующей аппаратуры.

Усилители подразделяются:

По топологии выходного каскада.

однотактный выходной каскад

двухтактный выходной каскад

По режиму работы выходного каскада

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.

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, включенный между ключами и нагрузкой, демодулирует импульсы выходного тока.

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. 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 и немецкими инженерами. В настоящее время являются "забытой" технологией.

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, 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 схемы легко реализуются на транзисторах. Обусловлено это низким выходным сопротивлением транзисторов в схеме эмиттерного (истокового) повторителя, возможностью применения комплементарных пар транзисторов. 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, однако порождает сильные нелинейные искажения (интермодуляция) в динамических головках АС. УМЗЧ хорошо подавляют резонанс низкочастотных громкоговорителей и хорошо работают с пассивными разделительными фильтрами многополосных акустических систем, рассчитанных 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 ламповой техники, чем, в первую очередь, и объясняются особенности звучания ламповых систем. По сравнению с предыдущим типом, обеспечивает несколько меньшие искажения формы тока в катушках ГД АС, и меньшие нелинейные искажения в ГД, однако ухудшает АЧХ.

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.