Основной усилитель — CoderLessons.com

Мы надеемся, что вы получили достаточные знания о рабочей точке, ее стабильности и методах компенсации в предыдущей главе. Давайте теперь попытаемся понять фундаментальные понятия базовой схемы усилителя.

Электронный сигнал содержит некоторую информацию, которую нельзя использовать, если она не имеет надлежащей силы. Процесс увеличения силы сигнала называется усилением . Почти все электронное оборудование должно включать в себя некоторые средства для усиления сигналов. Мы находим применение усилителей в медицинских приборах, научном оборудовании, автоматике, военных инструментах, устройствах связи и даже в бытовой технике.

Усиление в практических приложениях осуществляется с использованием многоступенчатых усилителей. Ряд одноступенчатых усилителей каскадно образуют многоступенчатый усилитель. Давайте посмотрим, как построен одноступенчатый усилитель, который является основным для многоступенчатого усилителя.

Одноступенчатый транзисторный усилитель

Когда для усиления слабого сигнала используется только один транзистор со связанной схемой, схема называется одноступенчатым усилителем .

Анализ работы схемы одноступенчатого усилителя позволяет нам легко понять формирование и работу схем многоступенчатого усилителя. Одноступенчатый транзисторный усилитель имеет один транзистор, схему смещения и другие вспомогательные компоненты. Следующая схема показывает, как выглядит одноступенчатый транзисторный усилитель.

Когда слабый входной сигнал подается на базу транзистора, как показано на рисунке, протекает небольшое количество тока базы. Из-за действия транзистора в коллектор транзистора течет больший ток. (Поскольку ток коллектора в β раз больше базового тока, что означает I _C = βI _B ). Теперь, когда ток коллектора увеличивается, падение напряжения на резисторе R _C также увеличивается, который собирается как выход.

Следовательно, небольшой вход на базе усиливается как сигнал большей величины и силы на выходе коллектора. Следовательно, этот транзистор действует как усилитель.

Практическая схема транзисторного усилителя

Схема практического транзисторного усилителя, как показано ниже, представляет собой схему смещения делителя напряжения.

Различные известные элементы схемы и их функции описаны ниже.

Схема смещения

Резисторы R ₁ , R ₂ и R _E образуют цепь смещения и стабилизации, которая помогает установить правильную рабочую точку.

Входной конденсатор C

_в

Этот конденсатор связывает входной сигнал с базой транзистора. Входной конденсатор C _in допускает сигнал переменного тока, но изолирует источник сигнала от R ₂ . Если этот конденсатор отсутствует, входной сигнал подается напрямую, что изменяет смещение на R ₂ .

Конденсатор связи C

_C

Этот конденсатор присутствует в конце одной ступени и соединяет его с другой ступенью. Поскольку он соединяет две ступени, он называется конденсатором связи . Этот конденсатор блокирует постоянный ток одной ступени для входа в другую, но пропускает переменный ток. Следовательно это также называют блокирующим конденсатором .

Из-за наличия конденсатора связи C _C выходной сигнал через резистор R _L свободен от постоянного напряжения коллектора. Если этого нет, условия смещения следующей стадии будут радикально изменены из-за эффекта шунтирования R _C , так как он будет происходить параллельно с R ₂ следующей стадии.

Обходной конденсатор эмиттера C

_E

Этот конденсатор используется параллельно эмиттерному резистору R _E. Усиленный сигнал переменного тока проходит через это. Если этого нет, этот сигнал будет проходить через R _E, что вызывает падение напряжения на R _E, которое обратится к входному сигналу, уменьшая выходное напряжение.

Нагрузочный резистор R

_L

Сопротивление R _L, подключенное на выходе, называется нагрузочным резистором . Когда используется несколько ступеней, то R _L представляет входное сопротивление следующей ступени.

Различные цепные токи

Давайте пройдемся по различным цепным токам в полной цепи усилителя. Они уже упомянуты на рисунке выше.

Базовый ток

Когда в базовой цепи сигнал не подается, базовый ток I _B постоянного тока протекает из-за цепи смещения. Когда подается сигнал переменного тока, базовый ток переменного тока i _b также протекает. Поэтому при применении сигнала общий базовый ток i _B определяется как

iB=IB+ib

Ток коллектора

Когда сигнал не подается, ток I _C коллектора постоянного тока протекает из-за цепи смещения. Когда подается сигнал переменного тока, ток i _c коллектора переменного тока также протекает. Следовательно, общий ток коллектора i _C определяется как

iC=IC+ic

куда

IC= betaIB = нулевой ток коллектора сигнала

ic= betaib = ток коллектора из-за сигнала

Ток эмиттера

Когда сигнал не подается, течет ток эмиттера I _E постоянного тока. При применении сигнала общий ток эмиттера i _E определяется как

iE=IE+ie

Следует помнить, что

IE=IB+IC

ie=ib+ic

Поскольку базовый ток обычно невелик, следует отметить, что

IE congIC и ie congic

Это важные соображения для практической схемы транзисторного усилителя. Теперь дайте нам знать о классификации усилителей.

Вычисление суммы, разности, интеграла и производной на ОУ / Хабр

В предыдущей публикации цикла мы разобрались, как рассчитать пропорциональное (усилительное) звено на реальном операционном усилителе с учётом его статических и динамических характеристик.

В данной публикации цикла мы научимся с помощью ОУ производить операции сложения и вычитания. Кроме того, мы разберём работу интегрирующих и дифференцирующих звеньев, а также схемы выборки-хранения.

На КДПВ к компании операционных усилителей К140УД708 и К574УД2Б добавлен прецизионный ОУ К140УД1408 – советский аналог LM308.

Для тех, кто присоединился недавно, сообщаю, что это третья из шести публикаций цикла. Содержание публикаций со ссылками на них находится в конце статьи.

Суммирующий усилитель

Операцию сложения на ОУ можно выполнить с помощью суммирующего усилителя. Простейший суммирующий усилитель можно получить добавлением резистора в схему инвертирующего усилителя на ОУ:

Далее аналогично методике расчёта передаточной характеристики инвертирующего усилителя. На инвертирующем входе ОУ присутствует потенциал 0 В. Сумма входных токов через входные резисторы, вследствие наличия на входах напряжений U_вх1 и U_вх2, компенсируется током через резистор обратной связи R2. Падения напряжений на входных резисторах численно равны U_вх1 и U_вх2, падение напряжения на резисторе R2 равно U_вых.

Передаточную характеристику простейшего суммирующего усилителя при равенстве сопротивлений входных резисторов можно представить в виде формулы:

Сопротивление резистора R3, подключённого к неинвертирующему входу ОУ для компенсации тока смещения, равно сопротивлению резисторов в цепи ООС, включённых параллельно.

Для корректной работы суммирующего звена источники сигнала должны иметь как можно более низкое выходное сопротивление, чтобы на результат вычислений не влияло низкое входное сопротивление звена, а источники сигнала не шунтировали друг друга.

Разностный усилитель

Операцию вычитания на ОУ можно выполнить с помощью разностного усилителя. Схему разностного (дифференциального) усилителя тоже можно получить доработкой схемы инвертирующего усилителя на ОУ:

Для сигнала U_вх1 схема ведёт себя как неинвертирующий усилитель, а для сигнала U_вх2 – как инвертирующий. Передаточную характеристику простейшего разностного усилителя при условии попарного равенства сопротивлений R1 = R3 и R2 = R4 можно выразить формулой:

Схема простейшего разностного усилителя проста и наглядна, но не отражает всю сложность поведения этого звена:

1. Входы простейшего разностного усилителя при R1 = R3 и R2 = R4 имеют, тем не менее, разное входное сопротивление, т. е. по-разному влияют на источники входного сигнала.
2. При изменении коэффициента передачи простейшего разностного усилителя требуется тщательный подбор номиналов всех четырёх резисторов, чтобы обеспечить и примерное равенство входных сопротивлений, и нужные коэффициенты передачи по каждому входу.

Измерительный усилитель

Измерительный (инструментальный) усилитель является разностным усилителем с одинаковым сопротивлением входов и возможностью настройки коэффициента передачи изменением номинала только одного резистора в цепи ООС:

По сравнению с простейшим разностным усилителем схема значительно усложнена, но настройка коэффициента передачи сводится к подбору сопротивления только одного резистора R1. Всю остальную схему можно разместить на одном кристалле, что повышает технологичность и упрощает обеспечение равенства сопротивлений остальных резисторов.

Коэффициент передачи измерительного усилителя рассчитывается по формуле:

Измерительный усилитель обладает рядом замечательных особенностей:

1. Если из схемы исключить R1 (R1 = ∞) коэффициент передачи измерительного усилителя становится равным единице, и напряжение на выходе будет равно разности напряжений на входах.
2. Если подать на верхний вход измерительного усилителя напряжение U_вх1 = 0 В, его можно использовать как инвертирующий усилитель с высоким входным сопротивлением.
3. Если подать на нижний вход измерительного усилителя напряжение U_вх2 = 0 В, его можно использовать как «классический» неинвертирующий усилитель.
4. Высокое входное сопротивление позволяет подключить к каждому входу сумматор на резисторах, как в схеме суммирующего усилителя.

Вышеперечисленные особенности позволяют использовать схему в качестве универсального инструмента. Измерительные усилители выпускаются промышленностью готовыми. Сдерживающим фактором применения измерительных усилителей является их повышенная стоимость, поэтому обычно их применяют в критичных высокобюджетных решениях.

Интегрирующее звено

Интегрирующее звено предназначено для вычисления интеграла по времени. Звено является инерционным:

Коэффициент передачи интегрирующего звена при R2 = ∞:

Интегрирующие звенья обычно разрабатывают на основе ОУ с полевыми транзисторами на входе и пренебрежительно малыми входными токами, чтобы минимизировать дрейф выходного напряжения. Если от дрейфа избавиться не удаётся, параллельно конденсатору включают резистор R2 с сопротивлением порядка единиц-десятков МОм для обеспечения ООС по постоянному току.

Резистор R2 ухудшает интегрирующие свойства звена на очень низких частотах и снижает стабильность работы. Если избавиться от ООС по постоянному току в интегрирующем звене не удаётся, имеет смысл попытаться заменить R2 эквивалентным Т-мостом по методике, приведённой в первой публикации цикла.

Дифференцирующее звено

Дифференцирующее звено предназначено для вычисления производной по времени:

Коэффициент передачи дифференцирующего звена при C2 = 0:

Дифференцирующие звенья тоже разрабатывают на основе ОУ с полевыми транзисторами на входе и пренебрежительно малыми входными токами. Конденсатор C2 служит для снижения чувствительности звена к высокочастотным помехам и повышения стабильности работы звена на верхних частотах рабочего диапазона.

Схема выборки-хранения

Схемы выборки-хранения служат для записи и хранения значения аналогового сигнала:

При замыкании контактов S2 производится сброс записанного в конденсатор C1 значения. При замыкании контактов S1 происходит запись в C1 значения U_вх. При размыкании S1 записанное значение хранится в C1.

В качестве DA2 следует применять ОУ с полевыми транзисторами на входе. В качестве C1 следует применять конденсаторы с низким током утечки и низкой абсорбцией заряда в диэлектрике.

ПИД-регулятор

Все рассматриваемые в рамках публикации звенья объединяет то, что они используются в ПИД-регуляторах:

ПИД-регулятор это устройство, формирующее управляющее воздействие

u(t) на объект регулирования по сигналу рассогласования e(t), равного разности заданного значения x(t) и контролируемого значения y(t), получаемого по цепи обратной связи.

Управляющее воздействие u(t) формируется по формуле:

Схема формирования сигнала рассогласования e(t) выбирается исходя из требований точности и бюджета. Зачастую, вместо дорогих интегральных измерительных усилителей, экономически целесообразней использовать схемы простейших разностных усилителей с тщательно подобранными номиналами резисторов.

Поскольку схемы интегрирующего и дифференцирующего звеньев являются инвертирующими, в качестве пропорционального звена следует также использовать инвертирующий усилитель. Если при этом в качестве выходного сумматора применить рассмотренный выше суммирующий усилитель, передаточная функция регулятора будет точно соответствовать формуле (15).

Схемы выборки-хранения обычно применяют для хранения начальных или контрольных значений параметров. Например, сигнала датчика в начальный момент времени и т.п.

Подробней о ПИД-регулировании можно узнать отсюда. Особенное внимание следует обратить на методику подбора коэффициентов.

▍ От автора

Дифференциальный усилитель фигурирует в тексте как «разностный», чтобы его не путали с дифференцирующим звеном.

Вопросы оценки погрешности вычислений остались за рамками публикации, но при необходимости все необходимые для этого методики можно найти в [1].

Из следующей публикации цикла мы узнаем: как реализовать на ОУ функцию умножения, как сравнить по значению два сигнала, как найти наибольшее значение, а также многое другое.

Данный цикл публикаций состоит из шести частей. Краткое содержание публикаций:

1. Предпосылки появления ОУ. «Идеальный» операционный усилитель. Инвертирующий и неинвертирующий усилители, повторитель.
2. Отличия «реального» ОУ от «идеального». Основные характеристики реального ОУ. Ограничения реального ОУ.
3. Суммирующий усилитель. Разностный усилитель. Измерительный усилитель. Интегрирующее звено. Дифференцирующее звено. Схема выборки-хранения. < — Вы тут
4. Активный детектор. Активный пиковый детектор. Логарифмический усилитель. Активный ограничитель сигнала. Компаратор на ОУ. Источник опорного напряжения. Источник тока. Усилитель мощности.
5. Частотно-зависимая обратная связь в ОУ. Активные фильтры на ОУ. Генераторы сигналов на ОУ.
6. Однополярное включение ОУ. Входные помехи, «развязки» и защиты входных цепей, экранирование.

▍ Использованные источники:

1. Гутников. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Энергоатомиздат, 1988
2. Хоровиц, Хилл. Искусство схемотехники. 2-изд. Мир, 1993
3. Титце, Шенк. Полупроводниковая схемотехника. 5-изд. Мир, 1982
4. Шкритек. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. Мир, 1991

Операционный усилители в линейных схемах. Часть 3

Нужна ли нам схема с буферизацией тока?

Операционные усилители, разумеется, универсальны, но их область применения ограничена ограничениями выходного тока. Можно ожидать, что обычный операционный усилитель будет непрерывно выдавать ток не более чем 30 или 40 мА. Хотя некоторые компоненты могут работать с токами, близкими к 100 мА, другие будут пытаться дать вам хотя бы 10 мА. Существует особая категория усилителей с высоким выходным током, ток которых приближается или даже превышает 1000 мА. Если компонент с высоким выходным током совместим с вашим приложением, обязательно используйте его.

Но есть несколько причин, по которым вы можете предпочесть буферизовать выход усилителя более общего назначения. Во-первых, некоторые усилители с высоким выходным током представляют собой сложные компоненты, предназначенные для специализированных применений, и, следовательно, они менее универсальны и более дороги – например, LT1210, компонент от Linear Tech, который может выдавать 1100 мА, обойдется вам в 12 долларов, если вы покупаете в розницу. Кроме того, некоторые компоненты с высоким выходным током (включая LT1210) являются усилителями с обратной связью по току, и вы не можете просто вставить устройство с обратной связью по току в схему, разработанную для топологии с обратной связью по напряжению.

К счастью, на самом деле нет необходимости использовать усилители с высоким выходным током, когда всё, что вам нужно, это простая схема на операционном усилителе плюс мощный выходной каскад. Вы можете использовать один из 75-центовых усилителей общего назначения, которые есть у вас в лаборатории/мастерской/гараже, и объединить его со стандартными компонентами (стоимостью тоже около доллара), и вы получите схему, которая вам нужна.

Всего один биполярный транзистор

Самая простая схема для буферизации выходного тока операционного усилителя выглядит так:

Рисунок 1 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на биполярном транзисторе

А вот соответствующая схема LTspice:

Рисунок 2 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на биполярном транзисторе в LTspice

Давайте получим четкое понимание идеи этой схемы, прежде чем двигаться дальше. Входной сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя, а выход ОУ подключается непосредственно к базе биполярного транзистора. Операционный усилитель и биполярный транзистор могут использовать один и тот же положительный источник питания, но в этом случае мы предполагаем, что доступны два напряжения – источник питания 5 В для маломощных, малошумящих схем и 12 В для мощной части проекта. Значение резистора нагрузки очень низкое, поэтому выходные напряжения более 200 мВ, приложенные непосредственно к нагрузке, потребуют большего выходного тока, чем может обеспечить LT6203. Транзистор, выбранный в схеме LTspice, может работать с токами около 1000 мА, что означает, что он подходит для напряжений на нагрузке до 5 В.

Ключевым моментом этой схемы является соединение обратной связи. Помните «виртуальное короткое замыкание»: при анализе операционного усилителя в схеме с отрицательной обратной связью мы можем предположить, что напряжение на неинвертирующем входе равно напряжению на инвертирующем входе. Уже одно это говорит нам о том, что выходное напряжение (то есть напряжение на нагрузке) будет равно входному напряжению. Но давайте пойдем немного глубже, чтобы убедиться, что мы действительно понимаем, что происходит; виртуальное короткое замыкание – это своего рода суеверие, которое может отвлечь нас от реальной работы операционного усилителя. Операционный усилитель умножает дифференциальное входное напряжение на очень большой коэффициент усиления. Таким образом, с отрицательной обратной связью операционный усилитель быстро достигает равновесия, потому что большие изменения выходного напряжения уменьшают дифференциальное напряжение, которое вызывает эти самые выходные изменения. В этом состоянии равновесия выход стабилизируется при любом напряжении, что устраняет разницу между напряжениями на инвертирующем и неинвертирующем входах – иными словами, операционный усилитель автоматически регулирует свой выходной сигнал любым способом, необходимым для того, чтобы Vвх– было равно Vвх+.

В контексте этой схемы буферизации выходного сигнала операционный усилитель автоматически генерирует любое выходное напряжение, необходимое для того, чтобы сделать напряжение эмиттера биполярного транзистора равным входному напряжению. Подумайте, насколько сложно это было бы в ситуации разомкнутой петли – каким-то образом необходимо было бы рассчитать соотношение между входным и выходным сигналами усилителя, чтобы компенсировать падение напряжения база-эмиттер биполярного транзистора, которое не является ни линейным, ни предсказуемым. Но с операционным усилителем и некоторой отрицательной связью проблема становится тривиальной.

Давайте подкрепим это понимание идеи парой симуляций. Первая не очень захватывающая; она просто подтверждает, что выходное напряжение следует за входным напряжением (график входного напряжения Vin скрыт под графиком выходного напряжения Vout):

Рисунок 3 – График входного и выходного напряжений схемы

На следующем графике показано, что должно быть на выходном выводе операционного усилителя, чтобы обеспечить нужное напряжение на нагрузке.

Рисунок 4 – График входного напряжения схемы, выходного напряжения операционного усилителя и выходного напряжения схемы

Пороговое напряжение

Вот график с входным напряжением VIN и выходным напряжением VOUT схемы.

Рисунок 3 – График входного и выходного напряжений схемы

Проблема очевидна: уровень напряжения нагрузки чуть ниже 2 В, хотя у нас есть 5 В на NMOS транзисторе и операционном усилителе. Следующий график раскрывает причину.

Рисунок 4 – График входного напряжения схемы, выходного напряжения схемы и напряжения, приложенного к затвору MOSFET транзистора (выходного напряжения ОУ)

Как можете видеть, напряжение затвора насыщается положительным напряжением с операционного усилителя, когда напряжение нагрузки составляет всего около 2 В. Основная проблема здесь – это пороговое напряжение MOSFET транзистора: полевой транзистор даже не начинает работать, пока напряжение затвор-исток не будет равно 2,6 В. Это означает, что выходное напряжение операционного усилителя всегда будет как минимум на 2,6 В выше, чем напряжение нагрузки, поскольку разность напряжений будет увеличиваться только по мере увеличения тока стока – как показано на предыдущем графике (рисунок 3), когда уровень выходного напряжения выравнивается, напряжение затвор-исток составляет 3 В. Фактически, напряжения, показанные на графике, представляют типовые характеристики FDC2512; согласно спецификации, пороговое напряжение может достигать 4 В!

Это первое моделирование демонстрирует существенный недостаток использования NMOS транзистора в этой схеме: пороговое напряжение намного выше, чем 0,7–0,9 В, требующееся для перехода база-эмиттер NPN транзистора. Конечно, пороговое напряжение варьируется от модели к модели, поэтому вы наверняка могли бы решить эту проблему, выбрав другой полевой транзистор. Быстрый поиск показывает, что NMOS транзисторы, рассчитанные на непрерывный ток стока 1–2 А, могут иметь пороговое напряжение намного ниже 2,6 В. Тем не менее, здесь необходимо соблюдать осторожность, поскольку пороговое напряжение NMOS транзистора склонно быть выше, чем напряжение база-эмиттер 0,7–0,9 В, которое можно ожидать практически от любого NPN-транзистора. Даже пара Дарлингтона (обсуждаемая во второй статье из серии) обеспечит диапазон напряжений нагрузки, равный или больший, чем некоторые MOSFET транзисторы, и составной транзистор Дарлингтона снижает ток базы до уровней, с которыми может справиться практически любой операционный усилитель.

Еще одна деталь, о которой следует помнить: диапазон напряжений нагрузки становится более ограниченным при больших токах нагрузки, поскольку операционный усилитель, чтобы получить более высокий ток стока, должен создавать более высокое напряжение перегрузки. Если мы установим сопротивление нагрузки 2 Ом, вместо 5 Ом, мы получим следующий график:

Рисунок 5 – График входного напряжения схемы, выходного напряжения схемы и напряжения, приложенного к затвору MOSFET транзистора (выходного напряжения ОУ) при сопротивлении нагрузки 2 Ом

В этом случае напряжение нагрузки выравнивается на уровне 1,75 В вместо 2 В.

Добавление усиления

Эта базовая схема не ограничена конфигурацией с коэффициентом усиления по напряжению, равным 1. Как и в случае небуферизованного операционного усилителя, вы можете вставить резисторы в петлю обратной связи, чтобы увеличить общий коэффициент усиления схемы от входного напряжения до напряжения нагрузки. Вот версия схемы с коэффициентом усиления более единицы:

Рисунок 5 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на биполярном транзисторе с регулируемым коэффициентом усиления по напряжению

А вот новая схема LTspice, за которой следует график с входным напряжением VIN, выходным напряжением VOUT и напряжением, приложенным к базе биполярного транзистора.

Рисунок 6 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на биполярном транзисторе с регулируемым коэффициентом усиления по напряжению в LTspice

Рисунок 7 – График входного напряжения схемы, выходного напряжения схемы (напряжения на нагрузке) и выходного напряжения ОУ (напряжения на базе транзистора)

NPN прочь, NMOS заходи

Вот первая схема буферизации с MOSFET транзистором (а именно, NMOS транзистором, MOSFET транзистором с каналом N-типа) вместо биполярного транзистора:

Рисунок 1 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на MOSFET транзисторе

А вот схема LTspice:

Рисунок 2 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на MOSFET транзисторе. Схема в LTSpice

Я выбрал модель NMOS транзистора на основе максимального тока стока; я хотел что-то похожее по характеристикам на NPN транзистор 2SCR293P, который мы использовали в первой статье из серии, чтобы сравнение было более релевантным. Максимальный непрерывный ток коллектора 2SCR293P составляет 1 А, а максимальный непрерывный ток стока для FDC2512 – 1,4 А. Эти два компонента также имеют одинаковые пределы рассеивания мощности. Как и ожидалось, имеется значительная разница во входной емкости: у 2SCR293P около 90 пФ; у FDC2512 около 375 пф.

Просто, но без «защиты от дурака»

При такой надежной и понятной схеме всегда существует риск самоуспокоения. Вот некоторые потенциальные проблемы, которые вы должны иметь в виду:

1. Это очевидно, но убедитесь, что биполярный транзистор может справиться с вашим током нагрузки. Например, транзистор 2N2222, который вы найдете среди своих запчастей, вероятно, рассчитан только на постоянный ток коллектора 800 мА.
2. Это не так очевидно: не превышаете ли вы максимальную рассеиваемую мощность транзистора? Эта проблема особенно неуловима, потому что это то, что вы можете не заметить в симуляции – например, симуляции, выполненные в этой статье, как-то не предупредили нас о том, что мы сжигали транзистор 2SCR293P. Максимальная рассеиваемая мощность для этого компонента с «каждым выводом, установленным на опорной земле» (я не совсем уверен, что это значит) составляет 0,5 Вт. В нашей схеме, если Vвых = 3 В, ток через нагрузку будет равен (3 В) / (5 Ом) = 600 мА, а напряжение коллектор-эмиттер на транзисторе составляет 12 В — 3 В = 9 В. Таким образом, рассеиваемая мощность составляет около (600 мА) × (9 В) = 5,4 Вт. Хотя ток коллектора находится в пределах допустимого диапазона, мы превысили максимальную мощность в 10 раз! Вы можете исправить это, используя более низкое напряжение питания, если это возможно, и после этого вам нужно выбрать более мощный транзистор.
3. Когда биполярный транзистор работает в активной области, ток, текущий через базу, приблизительно равен току нагрузки, деленному на коэффициент бета, иначе известный как hFE или коэффициент усиления по току. Таким образом, операционный усилитель все еще должен подавать некоторый ток, и вы можете столкнуться с проблемами, если у вас будет высокий ток нагрузки в сочетании с относительно слабым выходным каскадом операционного усилителя. Например, если ваш ток нагрузки составляет 2500 мА, и вы используете транзистор с hFE = 100, вам потребуется ток базы около 25 мА; а некоторые операционные усилители не способны его обеспечить.
4. Имейте в виду, что выходное напряжение операционного усилителя примерно на 0,7–0,9 В выше напряжения нагрузки. Это необходимо учитывать при выборе напряжения питания операционного усилителя. Например, допустим, вам необходимо напряжение нагрузки в диапазоне от 0 до 4 В. Подходит ли вам напряжение питания 5 В? Возможно, нет: напряжение базы может доходить до 4,9 В; и если размах выходного сигнала операционного усилителя ограничен положительной шиной минус 0,8 В, у вас будут проблемы.
5. Биполярный транзистор начинает входить в режим насыщения, когда напряжение базы превышает напряжение коллектора примерно на 0,5 В, а поскольку напряжение базы примерно на 0,7–0,9 В выше напряжения нагрузки, напряжение коллектора биполярного транзистора (которое в этой схеме такое же, как напряжение питания) должно быть как минимум на (0,9 В – 0,5 В) = 0,4 В выше, чем максимально необходимое напряжение нагрузки. (Эти числа приблизительны и будут варьироваться в зависимости от условий эксплуатации и электрических характеристик транзистора.) Насыщение биполярного транзистора приведет к выравниванию напряжения нагрузки, прежде чем оно достигнет напряжения питания транзистора.

Дифференциальный усилитель

В одной из статей я рассказывал о дифференциальных усилителях, выполненных на транзисторах. Одной из особенностей таких усилителей является усиление разности сигналов поступающих на входы дифференциального усилителя. Данная особенность позволяет усиливать слабые сигналы, которые замаскированы более сильными сигналами, а также позволяет значительно уменьшить уровень шумов усилительных приборов.

Кроме транзисторных дифференциальных усилителей существует большой класс дифференциальных усилителей выполненных на ОУ. Схема простейшего дифференциального усилителя на ОУ представлена ниже

Схема дифференциального усилителя на основе ОУ.

Данная схема имеет довольно простое устройство и состоит из ОУ DA1 и четырёх резисторов R1, R2, R3 и R4. ОУ DA1 охвачен обратной связью через резисторы R3, R4, а через резисторы R1, R2 поступает входные сигналы.

Схема дифференциального усилителя на основе ОУ фактически представляет собой два усилителя – инвертирующий и неинвертирующий. Инвертирующий усилитель получится, если заземлить вход UBX2, тогда неивертирующий вход ОУ окажется, заземлён через параллельно соединенные резисторы R2 и R3 и схема превратится в инвертирующий усилитель, а выходное напряжение в данном случае составит, как известно

в случае, если заземлить вход UBX1, а сигнал будет поступать на UBX2, то схема превратится в неинвертирующий усилитель, на входе которого включён делитель напряжения, тогда выходное напряжение составит

Если входные сигналы будут поступать на оба входа UBX1 и UBX2, то выходное напряжение будет иметь вид

Не трудно заметить, что если оптимизировать схему, чтобы выполнялось следующее соотношение

То выходное напряжение будет пропорционально разности входных напряжений

Поэтому данный усилитель и назвали дифференциальным

, то есть
разностным усилителем
.

Как выбрать и настроить стереоусилитель

Хотя нам, как и всем, нравится идея установки plug-and-play, есть нечто большее, чтобы получить максимальную отдачу от стереоусилителей, чем просто включить их на стойке Hi-Fi, подключить динамики и сойти с ума с регулятор громкости. Где его разместить, например? И как лучше его подключить? Доступны ли вам пути обновления?

Если вам интересно, с чего начать работу с вашим совершенно новым стереоусилителем, или вы еще не зашли так далеко и задаетесь вопросом, какой тип усилителя вам больше подходит, позвольте нам познакомить вас с основами…

Встроенный или предварительный/мощный?

Превосходный интегральный усилитель Rega Brio

Если вы уже приобрели усилитель и теперь присматриваетесь к нему с целью начать работу, вы можете сразу перейти к разделу «Подбор системы».

Но если вы читаете это до того, как выбрали двухканальный усилитель, необходимый для управления вашей системой, вам предстоит принять важное решение. Выбираете ли вы интегрированный усилитель или отдельные блоки питания и предусилителя?

Первый вариант является наиболее простым, удобным и компактным, так как в одном корпусе размещаются как предварительный усилитель, так и усилитель мощности. Это означает, что все было настроено вместе, что избавляет вас от работы по согласованию отдельных усилителей.

Двухкорпусные усилители, с другой стороны, включают в себя разделение предварительного усиления (в основном выбор входа и регулировка громкости) от усиления мощности (продолжайте, угадайте). Идея состоит в том, чтобы держать чувствительную схему предусилителя (и тонкие аудиосигналы, проходящие через нее) подальше от электрически шумной секции сильноточного усилителя мощности.

Наличие отдельных блоков питания также способствует улучшению звука. Таким образом, вы удваиваете количество компонентов, но, пока ваши предусилители и усилители мощности работают согласованно, вы должны наслаждаться лучшими характеристиками.

• лучшие стереоусилители которые можно купить в 2022 году

Luxman C-700u/M-700u

Ассортимент одного бренда. Неизменно они будут настроены на совместную работу.

Если вы планируете кататься вне трасс и комбинировать лыжи, имейте в виду, что некоторые пары будут работать вместе лучше, чем другие. Лучший способ узнать, что есть что, — методом проб и ошибок.

И это верно, когда речь идет о согласовании компонентов источника с вашим усилителем. Звуковая близость может быть определена здравым смыслом в некоторой степени. Если ваш источник — например, проигрыватель компакт-дисков — находится на яркой стороне нейтрального, его не следует использовать в паре со стереоусилителем с аналогичными характеристиками.

Соответствие системы очень важно

Сотрудничество усилителя со стереодинамиками чрезвычайно важно, и есть несколько вещей, которые стоит учитывать, чтобы убедиться, что они дополняют друг друга, а также сыр Wensleydale и пшеничные крекеры.

Вы когда-нибудь чесали затылок, когда сталкивались с такими характеристиками, как «75 Вт на 8 Ом»? Позвольте нам объяснить.

Партнерство динамика и усилителя сводится не только к выходной мощности усилителя (сколько ватт он может передать на каждый канал музыкального сигнала), но и к характеристикам импеданса динамика (измеряется в омах) и чувствительности (дБ).

Сопротивление — это мера того, насколько сложно усилителю управлять динамиком, при этом более низкое значение означает, что он более требователен. Чувствительность динамика, тем временем, является мерой того, насколько громким будет динамик для данного входного сигнала (1 Вт при измерении динамика на расстоянии 1 метра).

Стандартный способ измерения выходной мощности усилителя — подключить его к 8-омному резистору и измерить мощность до того, как искажения станут слишком высокими. Тем не менее, электронная нагрузка динамика гораздо более разнообразна, чем простой резистор, поэтому мы должны быть осторожны, оценивая мощность усилителя просто по показателю мощности 8 Ом.

• Как объединить стереозвук и объемный звук в одной AV-системе

Чтобы лучше понять силу усилителя, сравните его выходную мощность на 8 Ом с выходной мощностью на 4 Ом. Идеальный усилитель должен удвоить свою выходную мощность, поскольку сопротивление вдвое меньше; поэтому, хотя большинству это не удастся, чем ближе, тем лучше.

Хотя у вас может возникнуть соблазн купить самый мощный усилитель, который вы можете себе позволить, обычно лучше купить более чувствительный динамик. Это связано с тем, что выходная мощность усилителя должна удваиваться, чтобы соответствовать увеличению чувствительности динамика на 3 дБ.

Но цифры могут рассказать вам не так много, и лучший тест, чтобы оценить, хорошо ли компоненты работают вместе, — это использовать свои уши и послушать.

Куда его поместить?

Стойка Atacama Evoque

Итак, вы нашли подходящий вариант. Это подводит вас к следующему вопросу: куда вы его положили?

Поверхность, на которой стоит ваш стереоусилитель, может кардинально изменить его характеристики. Мебель ИКЕА может быть не в конце нашего списка (это пол), но мы настоятельно рекомендуем разместить ее на специальной стойке для Hi-Fi.

Ваш выбор стойки должен основываться не только на внешнем виде. Разные материалы имеют разные акустические свойства, так что учитывайте и это.

Вообще говоря, стеклянные полки, как правило, стимулируют звучание комплекта вперед, в то время как деревянные опоры создают более теплый и округлый баланс.

Вся эта мощность под его капотом может сильно нагреваться, поэтому также важно оставить усилитель на несколько дюймов передышкой от стены или стойки, чтобы он не перегревался и не перегревался.

• Ознакомьтесь с лучшими стойками Hi-Fi и AV 2022

Соединения

Задняя панель Audiolab M-One чтобы увидеть, какие варианты доступны в отношении подключения источников, дополнительных динамиков и будущих обновлений.

Все обычные стереоусилители имеют входы RCA линейного уровня, которые можно использовать для всех обычных источников — музыкальных стримеров, проигрывателей компакт-дисков и т. д. Одним из таких соединений RCA иногда является фоно-вход, разработанный специально для подключения к проигрывателю и обработки очень низких уровней сигнала и дополнительной коррекции, необходимой для такого источника.

Кроме того, имеются трехконтактные разъемы XLR, по которым передаются сбалансированные аудиосигналы. Обычно их можно найти в студии звукозаписи и в большинстве продуктов более высокого класса. Основное преимущество симметричного соединения заключается в том, что оно подавляет высокие уровни электрических помех и, таким образом, наиболее целесообразно при использовании в средах с электрическими шумами или на очень длинных кабелях, скажем, 10 м и более. Однако сбалансированная работа не всегда звучит лучше, и многое зависит от используемых компонентов.

Rega входит в число брендов, которые придерживаются исключительно аналоговых усилителей, с моделями io, Brio, Elex-R и Elicit-R, получившими множество наград. Не так давно мы выступали за аналог Luxman L-509X. Но даже в бюджетном сегменте рынка многие стереоусилители теперь оснащены цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП) — и, следовательно, цифровыми входами — для повышения их универсальности.

Задняя панель Cambridge CXA81 (Изображение предоставлено Cambridge Audio)

Если это похоже на ваше, вы вполне можете столкнуться с несколькими типами цифровых входов. Оптические соединения передают цифровой сигнал от одного устройства к другому по оптоволоконным кабелям и лазерному излучению, в то время как столь же распространенные коаксиальные кабели передают сигналы электрически. USB-входы, которые бывают различных форм, часто также используются для воспроизведения USB-накопителей, ноутбуков или жестких дисков.

Marantz PM6007, Cambridge CXA81 и Moon 240i являются примерами стереоусилителей с хорошим подключением. Вы можете подключить свой проигрыватель компакт-дисков, стример или ноутбук к усилителям через их многочисленные цифровые входы, но учтите, что, по нашему опыту, производительность встроенного ЦАП, как правило, ниже, чем у внешнего устройства.

Bluetooth все чаще появляется в списке функций многих усилителей, таких как упомянутый выше CXA81.

Что касается выходов, иногда можно добавить внешний сабвуфер для придания системе дополнительного звукового веса. Ленточные выходы — это фиксированные выходы линейного уровня (т. е. не зависящие от регулятора громкости усилителя), которые посылают сигнал полного уровня на подключенную установку — обычно на кассетную деку или какой-либо другой записывающий компонент. Но одним из наиболее распространенных включений является выход для наушников 3,5 мм или 6,3 мм для подключения наушников, который часто находится на передней панели стереоусилителя.

Некоторые стереоусилители также имеют два набора разъемов для динамиков — обычно помеченные как зоны «A» и «B» или «1» и «2» — что позволяет одновременно подключать две пары динамиков (в разных комнатах, например), хотя это может оказать пагубное влияние на производительность, поскольку, по сути, мощность усилителя распределяется несколькими способами.

• Коаксиальный, оптический или HDMI : какое аудиосоединение лучше всего использовать?

Двухполосное усиление

Burmester 099/956 Mk2 предусилитель/мощность

Существует также вариант двухканального усиления, для которого требуется как минимум два стереофонических усилителя мощности (если у вас нет многоканального ресивера с запасными каналами) и еще несколько кабелей.

Идея состоит в том, что каждый усилитель работает с определенными частотами или каналами, а не со всеми сразу.

Уменьшая количество динамиков, необходимых усилителю, вы облегчаете его работу и улучшаете звучание.

Путь обновления?

Обновление не обязательно означает отказ от старого и переход на новое. Ваш усилитель может уже иметь путь обновления.

Некоторые производители, такие как Naim и Cyrus, имеют специальные разъемы для подключения внешних источников питания.

Если встроенный усилитель имеет выходы предварительного усилителя, то использование его исключительно в качестве предварительного усилителя и передача функций усиления другому усилителю мощности — еще один отличный способ модернизации.

Существует также возможность обновить сетевой кабель вашего усилителя, поэтому мы воспользуемся тем фактом, что большинство дилеров позволят вам попробовать перед покупкой.

• 10 доступных способов обновить вашу Hi-Fi систему

Интегрированный усилитель Moon 240i

Какими бы ни были остальная часть вашей Hi-Fi системы и ваши планы на будущее, внедрение нового стереоусилителя требует определенных размышлений и некоторого предварительного планирования.

Если вы принимаете во внимание все, от типа оборудования, с которым будет работать ваш усилитель, до типа стойки, на которую вы его поставите, и рассматриваете варианты будущих обновлений, то вам суждено сделать большая часть вашего усилителя.

ПОДРОБНЕЕ:

• Проведите исследование! Как правильно выбрать колонки
• Начать с нуля? Как собрать идеальную Hi-Fi систему
• Классика! Лучшие стереоусилители 21 века

Бекки — главный редактор журнала What Hi-Fi? и, после ее недавнего переезда в Мельбурн, также редактор Australian Hi-Fi 9. журнал 0182. За восемь лет работы в индустрии Hi-Fi ей посчастливилось путешествовать по миру, чтобы рассказывать о крупнейших и самых захватывающих брендах в области Hi-Fi и потребительских технологий (и у нее были смены часовых поясов и похмелье, чтобы помнить их по ). В свободное время Бекки часто бегает, смотрит футбольный клуб «Ливерпуль» и фильмы ужасов, а также охотится за безглютеновым тортом.

Что такое усилитель? — Amplifier Gear

Итак, вы знаете, что усилители существуют, и, возможно, вы даже знаете, что они важны не только в мире аудио, но и во многих других приложениях, таких как радиочастота, видео и вплоть до радиовещания и электроники в Генеральная.

Не волнуйтесь, это не будет вычурным научным объяснением теории усиления. Эта статья — просто ваше введение в волшебный мир усилителей и то, как они изменили мир, в котором мы живем, без фанатизма! Без усиления у нас не было бы телефонии, интернета, живой и записанной музыки, компьютеров, и это даже не касаясь мира медицинских технологий. Изобретение усилителей имело решающее значение для всего, что может предложить современный технологический мир. Итак, что делает усилитель и для чего он используется?

По сути, усилитель — это устройство, которое увеличивает мощность электронного сигнала. Большинству из нас знакома роль усилителей в их способности усиливать звук музыкальных инструментов, таких как гитары и фортепиано, а также вокал. Усилители также используются в некоторых типах динамиков. Усилитель может сделать звуки низкой громкости громче или звуки высокой громкости тише, соответственно увеличивая или уменьшая их мощность. Термин «усилитель» часто применяется как к электрическим, так и к акустическим устройствам, выполняющим эту функцию.

Содержание

Для чего используется усилитель?

Электрические усилители используются в самых разных продуктах и ​​отраслях. К ним относятся электронное и стереооборудование, студии звукозаписи, концерты и концертные площадки, компьютерные колонки или наушники, а также некоторые типы систем домашнего кинотеатра.

Электроусилители можно разделить на две основные группы: аналоговые усилители и цифровые усилители. В технологии аналоговых усилителей используются различные типы усилителей для управления потоком электрического сигнала в цепи. В самых простых конструкциях усилителей используются транзисторы, электронные лампы и другие электрические компоненты. С другой стороны, технология цифровых усилителей использует цифровые схемы, которые обычно сочетаются с конструкциями аналоговых усилителей.

Технология цифрового усилителя используется в таких продуктах, как проигрыватели компакт-дисков (которые могут быть изготовлены только с использованием схем цифрового усилителя), компьютерах, телевизорах и многих других вещах — список бесконечен! Цифровые усилители в некоторых случаях заменяют старые ламповые усилители, особенно там, где требуется высококачественный звук, а также минимальное тепловыделение от самого усилителя. Схемы усилителей также могут быть встроены в оборудование для обработки звука, такое как кассетные деки с катушкой или даже кассетные проигрыватели (например, тот, который был у вас, когда вы были моложе!).

Технология цифровых усилителей была разработана отчасти из-за ее способности хранить и обрабатывать аудиозаписи в памяти до того, как они будут усилены транзисторами. Это может производить звук гораздо лучшего качества, чем усилитель, который просто реагирует на входящий сигнал. Усилительное устройство обычно усиливает уровень мощности входного электрического сигнала в режиме реального времени, действуя как своего рода сквозной канал для любого сигнала, который он получает, работая на высокой скорости, без какой-либо обработки или задержки. Как аналоговые, так и цифровые конструкции усилителей способны создавать очень высокие напряжения, что увеличивает их ценность для таких вещей, как системы усиления электрогитары (хороший усилитель будет достаточно громким, чтобы противодействовать высоким уровням шума, создаваемому усилителем с искажениями).

Как работают усилители, чтобы усилить звуковой сигнал и сделать его громче

Чтобы попытаться понять простыми словами, как усилитель усиливает и делает звуковой сигнал громче, попробуйте представить его в виде черного ящика, принимающего низкое напряжение или форму волны тока (звуковой волна), а затем увеличивает амплитуду этой формы волны. При этом громкость этого при воспроизведении через громкоговорители увеличивается. Это называется увеличением усиления сигнала. Это также вносит артефакты, такие как повышенный уровень шума, искажения и т. д. Хороший усилитель будет работать, чтобы уменьшить худшие из этих артефактов, но в зависимости от приложения некоторые из них приветствуются. Спросите рок-гитариста об уровнях искажения!

instructables.com

Все усилители имеют определенный импеданс, который указывает на их эффективность в передаче мощности сигнала и сопротивлении протеканию электрического тока. Чем эффективнее усилитель в этом, тем лучше он будет выполнять свою работу. Это означает, что обычно предпочтение отдается конструкциям усилителей с низким импедансом, поскольку они, как правило, создают более низкий уровень шума.

Усилитель действует как усилитель напряжения, помогая увеличить мощность сигнала, и делает это с помощью таких технологий, как резисторы в сочетании с трансформаторами. Если вы очень интересуетесь электроникой, то знаете, что эти два метода обычно используются в усилителях, потому что они помогают снизить уровень шума усилителя за счет ограничения тока, протекающего через схему усилителя.

Что такое усиление усилителя? Усилители переменного тока имеют неотъемлемую часть своей конструкции, называемую петлей обратной связи, которая используется для обеспечения стабильности устройства усилителя и саморегулирующегося действия в зависимости от уровня его производительности. Он работает, пропуская часть выходного сигнала из канала усилителя обратно на его вход, так что любые аномальные изменения могут быть устранены до того, как они станут проблематичными либо для работы схемы, либо для внешнего качества звука.

Различные типы усилителей

Усилитель мощности — это устройство, в котором используются активные устройства, такие как транзисторы, для увеличения амплитуды электронного сигнала перед передачей. Эти усилители используются как в коммуникационных, так и в радиовещательных приложениях, поскольку они могут усиливать сигналы до высокого уровня мощности, прежде чем они будут переданы в эфир.

Аудиоусилитель представляет собой электронное устройство, которое увеличивает амплитуду звуковых волн, чтобы заставить громкоговоритель воспроизводить громкие звуки в музыке, а также в кино- и телепрограммах. В основном аудиоусилители используются для музыкальных представлений или систем домашнего кинотеатра. Аудиоусилители можно использовать с такими инструментами, как гитара, микрофон или проигрыватель компакт-дисков, для воспроизведения звуков неслышимых частот, которые может слышать человеческое ухо.

ВЧ-усилитель предназначен для работы в широком диапазоне частот, обычно от менее одного мегагерца (МГц) до сотен и выше. В коммуникационных приложениях эти усилители являются последним этапом в цепи питания. Они используются для преобразования низкоуровневого мощного микроволнового сигнала в радиочастотный (РЧ) сигнал, который можно передавать по радиоволнам.

Преимущества использования усилителя сигнала

Основная задача усилителя — увеличить мощность сигнала, чтобы его можно было передавать на большие расстояния без ухудшения качества и чтобы слабый сигнал мог заполнить большую площадь. Это означает, что усилитель обеспечивает множество преимуществ:

• Усилители используются в системах связи для увеличения усиления на низких уровнях

• Передача телевизионных и радиосигналов на большие расстояния

• Усилители обеспечивают большое усиление без искажений, что делает их идеальными для музыкальных инструментов, таких как гитары или микрофоны, потому что они улучшают уровень звука, не добавляя нежелательных шумов или статического электричества, например: студии звукозаписи или концертные площадки.

Недостатки использования усилителя для сигнала

Усилители иногда могут вызывать нежелательные искажения или добавлять шум к усиливаемому сигналу. Это особенно верно для более высоких уровней усиления, которые используются в системах связи. Чтобы противодействовать этим нежелательным искажениям, производители создали линейный усилитель, способный обрабатывать сигналы без добавления шума или статического электричества.

Использование современного усилителя в средствах связи

Каждый раз, когда вы включаете телевизор, смотрите телешоу или слушаете радио, вы используете усилитель для усиления сигнала на больших расстояниях, чтобы его могли принимать сотни людей. Эти усилители используются в телевизионных передачах, радиосигналах, а также в башнях передачи сотовой связи.

Вышка сотовой связи использует микроволновые усилители сигнала дальней связи, чтобы усилить передачу теле- или радиостанций до более сильного сигнала, который может быть уловлен антеннами вашего сотового телефона. В крупных коммерческих зданиях используются усилители с микроячейками для обеспечения покрытия внутри больших сооружений, таких как торговые центры.

Когда не следует использовать усилитель для сигнала

В некоторых случаях вам следует избегать использования усилителя для сигнала, в том числе:

• У вас слишком громкие или тихие звуковые частоты для восприятия целевой аудиторией . Аудиоусилитель может помочь усилить эти слабые сигналы, увеличив их коэффициент усиления. Однако некоторые низкие частоты могут стать настолько громкими, что искажаются до более высокого уровня шума — это называется перегрузкой. В этом случае лучше всего поддерживать умеренную громкость звука и использовать только чистое усилительное оборудование.

• Вы усиливаете сигнал с очень низкими звуковыми частотами. Усилители сложнее построить на очень низких дозвуковых частотах, и большая часть звукового оборудования сегодня не имеет мощности или типа усиления, необходимого для этих типов сигналов. You

• Если вы используете звуковую систему, в которой вы хотите усилить общий уровень всей системы, лучше вместо этого использовать линейный усилитель. Эти типы усилителей имеют небольшой акцент на каком-либо одном частотном диапазоне, что приводит к меньшему искажению при объединении звуков друг с другом. Предварительный усилитель также позволяет упростить обработку сигнала, поскольку его выходной сигнал можно переключать между различными частотами, которые усиливаются или обрезаются во время выступления.

Краткий обзор

Учитывая многочисленные преимущества усилителей, неудивительно, что они используются в различных проектах. Усилители имеют решающее значение для повышения мощности сигнала для передачи сигналов на большие расстояния или для заполнения области сильным сигналом, и они могут сыграть важную роль в улучшении качества звука. Несмотря на их удобство и полезность, вы должны знать, как усилитель может повлиять на определенный тип приложений (аудио, видео, связь), и основывать свои решения о покупке на надлежащих исследованиях.

Звуковая сцена! Макс дБ Что упускается из виду? Часть первая (09/1998)

Сентябрь 1998

Усилитель: что внутри? В чем разница? Что упускается из виду? 3 Часть первая

В этом месяце начинается то, что будет состоять из двух частей: взгляд на усилитель и то, как он делает то, что делает — блок за блоком, компонент за компонентом. Я собираюсь сделать это полезно для начинающих, а также наводит на размышления для вас. эксперты, в том числе дизайнеры усилителей. Первое, что нужно сделать, это посмотреть на блок-схема усилителя.

На рисунке все входы выделены красным цветом. Выходы желтые. входы — питание переменного тока, левый аудиовход от предусилителя и правый аудиовход от предусилителя. выходы — это сигналы, поступающие на громкоговорители. Достаточно легко.

Внутри каждой подсистемы усилителя имеется ряд компонентов. Вот краткое описание этих компонентов:

Блок питания переменного тока

• Шнур питания
• разъем шнура питания IEC (некоторые усилители имеют постоянно шнуры)
• Проводка от разъема питания IEC к трансформатору
• Выключатель питания
• Предохранитель(и) или автоматический выключатель(и)
• Мостовой выпрямитель

Блок питания постоянного тока

• Конденсаторы фильтра
• Устройства регулирования
• Прочие фильтрующие устройства
• + и напряжения питания («рейки»)
• Подключение к низкоуровневым каскадам усиления
• Подключение к выходному каскаду (каскад усиления по току)

Низкоуровневые каскады усиления

• Левый и правый входные разъемы RCA
• Проводка от входных разъемов RCA к печатной плате(ам)
• Подключение к выходному каскаду (каскад усиления тока)
• Транзисторы или лампы
• Конденсаторы
• Резисторы
• Катушки индуктивности

Выходной каскад

• Транзисторы или лампы — большие
• Резисторы — скорее всего большие
• Конденсаторы
• Катушки индуктивности
• Если используются лампы, возможно, потребуется выходной трансформатор для преобразовать усиление напряжения от ламп в усиление тока, необходимое для привода громкоговорителей. Твердотельные устройства имеют адекватный коэффициент усиления по току, поэтому выходные трансформаторы не нужны.
• Проводка к клеммам
• Сами стойки крепления

Механический блок

• Корпус/шасси
• футов
• Винты, гайки, болты, шайбы
• Стойки для печатных плат
• Радиаторы (если твердотельные)
• Трубные муфты
• Методы монтажа и материалы для трансформатора и других механических части
• Проволочные стяжки и т. д.

Схемы ламповых усилителей можно найти в справочниках которым 50 лет и более. Если вы построили эту схему, используя высококачественные детали которые доступны сегодня, у вас был бы усилитель, который звучал бы не так уж плохо. — возможно, это не идеальный современный звук, но вы бы неплохо справились с этой задачей. путь. Создание твердотельного усилителя с нуля не сильно отличается. Выберите устройства вывода осторожно комбинируйте с другими хорошими резисторами и конденсаторами, доступными сегодня и вы могли бы получить довольно хороший звук даже от старых схем.

Однако сборка high-end версии одного из этих усилителей с производительность, расширяющая границы возможного, когда мы смотрим на смену тысячелетий намного сложнее. Намного больше нужно подумать над схемой, деталями, характеристики, субъективная производительность, внешний вид и механическая упаковка. Несмотря на внимание к некоторым деталям в high-end усилителях, есть вещи, которые можно было бы сделать для улучшения характеристик усилителя, которые в основном или полностью игнорируются разработчиками и производители. Давайте начнем рассматривать усилители подсистема за подсистемой. Сначала подсистема питания переменного тока.

Блок питания переменного тока

Если у вас ламповый усилитель, первое, о чем вам стоит побеспокоиться Напряжение сети переменного тока . Напряжения в усилителе увеличиваются, если напряжение сети переменного тока высокое. Это приводит к тому, что лампы работают за пределами их расчетного диапазона, потому что напряжения на трубках выше напряжения сети переменного тока. Повышающие трансформаторы повышают напряжение в сети. Допустим, разработчик сделал так, чтобы усилитель лучше всего работал с сетью переменного тока 117 В. Кто-то, кто живет там, где напряжение сети составляет 125 В, увидит, что оно увеличилось до 375 В в 3 раза. повышающий трансформатор. Разработчик усилителя ожидал 351 вольт (117 вольт умножить на 3). Этот сценарий увеличивает разницу в линейном напряжении. Некоторые ламповые усилители предпринимают шаги для чтобы эта разница не влияла на напряжение, подаваемое на лампы, но многие не надо. Более высокое напряжение в сети — не единственная проблема. Если вы живете в некоторых регионах Европы или некоторые районы США (особенно в столичном районе Нью-Йорка), линия переменного тока ниже идеальной напряжение может быть частой проблемой. Это также может поставить ламповые усилители вне их идеальные рабочие диапазоны. Серьезный коммерческий продукт должен быть относительно невосприимчив к эти сдвиги линейного напряжения. Как справиться с этим высоким или низким линейным напряжением переменного тока, критический. Вы должны беспокоиться обо всем мире — различных напряжениях переменного тока и различных величина дрейфа сетевого напряжения переменного тока.

У твердотельных усилителей меньше проблем со стабильностью сетевого напряжения, в первую очередь потому, что их рабочее напряжение ниже сетевого напряжения переменного тока, что делает разница в линейном напряжении переменного тока меньше при понижении через силовой трансформатор.

Силовой трансформатор . Я имел дело с большим количеством льгот и недостатки тороидальных силовых трансформаторов и рамных трансформаторов EI в колонке Максимум дБ пару месяцев назад. Я не буду снова вдаваться в подробности. Тем не менее, монтаж Метод и расположение трансформатора — один из ключей к созданию великолепно звучащего усилителя. Я расскажу о методах монтажа трансформатора во второй части этой статьи в следующем месяце. Одна вещь, о которой я не слишком много говорил в предыдущей колонке «Максимальные дБ» о трансформаторов была сила и направление магнитного поля, исходящего от трансформатор.

Большой квадратный трансформатор в корпусе EI имеет большой, но не очень сильное магнитное поле, выходящее из изогнутых «раструбных» концов трансформатора в широкие круги с обмотками трансформатора (под «колокольчиками», закрывающими обмотки), действующей как точка крепления. Поле, излучаемое жиром, мало или отсутствует металлические ламинаты. Вы должны быть осторожны, когда магнитное поле рамки EI Трансформатор нацелен. Вы хотите держать его подальше от печатных плат низкого уровня и от входные RCA и проводка.

Тороид, круглый трансформатор в виде пончика, почти не имеет магнитного поля. поля, расходящегося от него, за исключением почти прямой линии прямо через отверстие в центр тороида. В этом центральном отверстии и простираясь вверх и вниз (тороиды почти всегда монтируется плоско из-за этого магнитного поля) из него получается один массивно сильный магнитное поле. Оно имеет ту же относительную силу, что и более слабое поле большего размера. который излучается трансформатором рамки EI, но он так сконцентрирован формой тороидальный трансформатор, что плотность потока энергии в поле, излучаемом Тор действительно очень высокий. Чем больше тороид, тем сильнее это излучаемое поле. Представьте себе миниатюрный дротик, проходящий через отверстие в тороидальном трансформаторе; это довольно хорошее представление диаграммы направленности магнитного поля (хотя поле немного расширяется по мере удаления от тороида). Размещение некоторых других компонент выше или ниже усилителя с большим тороидальным трансформатором внутри просит на беду. Вы можете получить гул или иным образом ухудшить звук. Только большое количество железный материал, такой как чугун, выше и ниже тороидального силового трансформатора блокирует магнитное поле. Алюминиевое или тонкое стальное шасси в большинстве аудиокомпонентов практически прозрачным для магнитного поля трансформатора. Так же дерево или стекло стеллажные полки. Даже второе шасси другого соседнего компонента не уменьшит сила магнитного поля слишком велика. Помимо чугунной пластины толщиной в дюйм, лучшая защита от этих сильных магнитных полей от тороидальных трансформаторов — это расстояние или размещение других компонентов рядом с компонентом с тороидальным силовым трансформатором а не выше или ниже его.

Даже небольшой тороид в проигрывателе или источнике питания предусилителя может вызвать гул в других компонентах, если они приближаются к излучающему копье магнитному полю из отверстия в центре тороида.

Чтобы преобразовать мощность переменного тока в мощность постоянного тока, вы используете четыре диода в определенном ориентация называется мостовым выпрямителем . Чтобы сэкономить деньги и ускорить сборку, вы можете используйте модуль выпрямителя, который имеет все четыре диода в одном «упаковке» с четырьмя от него отходит. Два вывода для входящего переменного тока и два вывода для постоянного тока (с пульсацией) сходит с выпрямителя. Как выпрямление (преобразование переменного тока во что-то близко к постоянному току) слышно влияет на то, что вы слышите из динамиков. Стандарт диоды, которые являются наименее дорогими типами, являются устройствами с худшим звучанием, К сожалению. Следующим шагом вверх по лестнице исправления является то, что называется диоды со сверхбыстрым восстановлением. Стоимость в пять-семь раз выше стандартной диоды со сверхбыстрым восстановлением делают компоненты, в том числе усилители, более чистыми и быстрыми. звук. Фоновая тишина темнее, переходные процессы обретают новую жизнь, и улучшение воспринимаемой ясности. К сожалению, сверхбыстровосстанавливающиеся диоды для усилителей иногда трудно найти в требуемых сильноточных номиналах, особенно для мощных твердотельные усилители.

Следующим шагом вверх по лестнице исправления являются HEXFRED, которые обычно в 7-12 раз дороже стандартных диодов. HEXFRED, похоже, расширяют огибающая улучшений, выполненных диодами со сверхбыстрым восстановлением. Это не совершенно революционное улучшение по сравнению с диодами со сверхбыстрым восстановлением, но есть небольшая, стоящая прибыль, которую нужно иметь. К счастью, высокопроизводительные сильноточные HEXFRED становится все более распространенным, и HEXFRED можно будет найти практически в любой современной рейтинг вам может понадобиться для усилителя. Но из-за стоимости запчастей по сравнению с стандартные диоды, вы пока не видите HEXFRED во многих амперах, но вы должно быть видеть их почти везде. Все они являются преимуществом и не являются недостатком для аудио усилитель по звучанию.

Стоимость HEXFRED выше, конечно, и то, что вы используете четыре дискретных HEXFRED с восемью выводами вместо одного модульного выпрямителя часть с четырьмя выводами делает сборку немного более трудоемкой. Но это для усилители высокого класса. Мы платим неплохие деньги за эти усилители, поэтому они должны включать лучшие по звучанию доступные части. Здесь я сделаю наспех обдуманную оценку: Использование HEXFRED в усилителе мощности вместо стандартных диодов или стандартного модульного выпрямитель добавит 150 +/- 50 долларов к розничной цене большинства усилителей. Удвойте это оценка для пары моноблоков или для двухканальных усилителей, где есть два трансформаторы и два выпрямителя.

Шнур питания является неотъемлемой частью подсистемы питания переменного тока усилитель. Разные шнуры питания влияют на звучание усилителя потому что каждый из них построен по-разному, и каждый из них имеет разные механические резонансные свойства. Материалы, геометрия (физическое расположение материалов) и электрические свойства составляют около половины звуковой характеристики шнура питания. другая половина «звука» шнура исходит от его механического резонанса. характеристики. (Я намеренно консервативен здесь; лично я думаю, что различия в механическом резонансе могут составлять 75% или более звуковых различий между шнурами питания. )

Услышать эффект механического резонанса собственного шнура питания (даже штатный, который шел с усилителем) поэкспериментируйте с ним. Поднимите его с пола с помощью чашки из пенопласта, картон, стаканы, книги в мягкой обложке или деревянные бруски — все эти материалы будут звучать немного по-другому, потому что они имеют разные резонансные характеристики. Затем попросите кого-нибудь пережать шнур питания рядом с тем местом, где он подключается к усилителю. пока вы сидите и слушаете музыку. Пока вы слушаете полнодиапазонную музыку, пусть ваш ассистент убирает пальцы с усилителя (вниз по шнуру), сохраняя при этом давление на шнур. Когда пальцы человека скользят вниз по шнуру, вы услышите изменение звука; обычно это тоже не тонко. Что вы услышите, так это меньшее внимание к средние частоты и скользящий акцент, уходящий все глубже и глубже в басовую область по мере того, как сжимающие пальцы уходят все дальше и дальше от усилителя.

Другой тест: ваш помощник должен поддерживать шнур питания с помощью небольшой брусок дерева. Пусть ваш помощник начнет с деревянного бруска под шнуром питания, рядом с разъемом IEC на конце усилителя. Пока играет музыка, что-то относительно полный диапазон, попросите вашего помощника отодвигать деревянный брусок все дальше и дальше от разъема IEC до тех пор, пока блок не окажется на расстоянии 3 футов или около того. Вы услышите верхние средние частоты сначала упор, и по мере того, как блок перемещается дальше от разъема IEC, упор скользит плавно спустить частотный спектр в бас и глубокий бас, именно поэтому вам нужно немного полнодиапазонной музыки, чтобы услышать, что происходит в этом эксперименте. Сменить породу дерева используется здесь, и вы измените звук, который слышите — каждое дерево имеет свой звуковой подпись.

Для другого эксперимента по настройке механики пусть ваш помощник держит Оболочку разъема IEC на конце кабеля питания усилителя слегка между пальцами. Пока вы слушаете музыку, пусть ваш ассистент медленно увеличивает давление на разъем IEC (работает лучше, если оболочка полая, а не сплошная формованная пластмасса, а будет работать даже с цельнолитым типом). То, что вы услышите, это растущий акцент на максимумах по мере увеличения давления сжатия. Если у вас нет помощника доступен, для этого подойдет небольшой регулируемый С-образный зажим из хозяйственного магазина. поэкспериментируйте, есть ли для него место вокруг вилки IEC на шнуре питания/усилителе. Эти звуковые изменения от регулировки силы сжатия на разъеме IEC являются результатом механически-резонансные изменения в шнуре питания — ничего волшебного, ничего мистическое, ничего сверхсекретного.

Эти эксперименты могут не выявить звуковых изменений при определенных видах шнуры питания с очень сильным внутренним демпфированием. Обычно эти шнуры будут довольно большие/толстые и состоять из слоев демпфирующего материала и слоев проводников. Эти шнуры в значительной степени устраняют резонансы. Я не могу сказать, что они обязательно звучат лучше, но они звучат более стабильно, независимо от того, где вы размещаете шнур или как вы поддерживаете это.

Mike VansEvers использует эту механическую резонансную настройку мощности. шнуры в его новой Pandora и Double Pandora (включая более дорогие и производительные Эталонные версии) шнуры питания, которые имеют скользящие механические демпферы на шнурах и винты с накатанной головкой для регулировки натяжения разъема IEC. Обзор шнуров питания Pandora будет быть предстоящим.

Майк также создает и продает наборы деревянных блоков с различными номера и размеры, которые будут использоваться для настройки системы. Они предназначены не только для шнуров питания — они работают практически везде. Вы используете деревянные блоки, чтобы улучшить звучание вашей системы. время. Использование разных типов и размеров древесины так же, как если бы вы использовали разные цвета в коробке Crayola или в палитре художника вы точно настраиваете звук своей системы быть именно там, где вы хотите, чтобы это было. Вам не нужно использовать деревянные блоки Майка либо, и он первый, кто признал это. Любой может вырезать деревянные блоки и эксперимент. Наборы Майка предлагаются для удобства людей, которые хотят заниматься тюнинг без хлопот, связанных с поиском различных пород дерева, обрезкой их по размеру и отшлифовать их до однородной поверхности.

В то время как каждая древесина имеет свою звуковую подпись, каждый размер блока также имеет другую подпись. Меньшие и более тонкие размеры больше влияют на высокие частоты, в то время как более длинные а более толстые куски больше влияют на нижнюю середину и бас. Стандартный блок Майка — это немного короче и немного толще, чем транзисторная батарея 9В. Самые маленькие блоки он делает немного толще, чем половина палочки жевательной резинки. Самые большие размеры достигают примерно Длина 4 дюйма (немного толще 9-вольтовой батареи).

После многих лет экспериментов я считаю, что все, что вы кладете на или под шнур питания влияет на звук из-за изменений механического резонанса, а не из-за каких-либо существенные электрические свойства. К ним относятся ферриты. Когда-то я был большим сторонником электрические/электронные преимущества ферритов – способность поглощать радиочастотные и электромагнитные помехи от электрическое поле вокруг шнура питания. Сегодня, хотя я и верю, что ферриты все еще делают это, я вопрос, имеет ли звуковое изменение от использования ферритов какое-либо отношение к поглощение радиопомех/электромагнитных помех. С другой стороны, мне сейчас знаю ферриты меняют звук шнур механически. Вы можете сдвинуть ферритовый шнур вдоль шнура питания и получить такой же звук. подпись, которую вы получаете, сжимая шнур питания или перемещая по нему деревянный брусок.

Предохранители и автоматические выключатели — плохие новости для усилители. Они действительно нужны вам для безопасности в случае отказа компонентов в усилителе. а также для безопасности, если неосторожный аудиофил сделает что-то неожиданное или непреднамеренное. Однако предохранители и автоматические выключатели обычно звучат плохо. Вы хотите услышать, как плохо? если ты В усилителе есть предохранители, снимите предохранители, оберните их медной лентой и вставьте обратно. В качестве альтернативы установите временные перемычки для обхода предохранителей. (Стандартный отказ от ответственности информация: «Не пытайтесь делать это, не зная, что вы делаете», и Звуковая сцена! не несет ответственности за любой ущерб, причиненный этим экспериментом. Так что не делайте этого тогда».) Это НЕ то, что вы должны оставить таким образом — это очень опасно так делать. Если вы не знакомы с мерами предосторожности, которые необходимо соблюдать, смело заходите внутрь усилителя мощности, чтобы внести подобные изменения, даже не думайте об этом. этот эксперимент. Слышимое изменение от извлечения предохранителей из цепи будет довольно значительным, если только производитель/разработчик вашего усилителя не принял меры для уменьшить слышимость предохранителей. Это возможно. Некоторые производители усилителей знают, как сделать это, но большинство этого не делает. Те, кто умеет это делать, считают это одним из своих фирменные конструктивные особенности. Так как я научился делать это на одном из этих нескольких усилителей производителей, к сожалению, я не вправе раскрывать технику(ы).

Автоматические выключатели

тоже звучат не очень хорошо, за одним исключением. Есть довольно дорогой тип магнитного автоматического выключателя, который звучит неплохо. К сожалению, для больших размеров, необходимых для усилителей мощности, они дороги. Один пара качественных магнитных автоматических выключателей добавит к розничной цене около 200 долларов. усилителя. Удвойте эту цифру для двойных моноусилителей или моноблоков.

Источник постоянного тока

Конденсаторы фильтра : Мы имеем дело с ними веками и производители усилителей все еще упускают что-то очень важное. Наличие нескольких разных размеров фильтрующие конденсаторы всегда звучат лучше, чем один огромный конденсатор или четыре (или шесть) меньшие конденсаторы одинакового размера. Это связано с разницей импедансов. в шапках разного размера. Если вы поставите одну огромную крышку в качестве фильтра, вы застрянете с этот колпачок лучше всего работает в одном конкретном диапазоне частот из-за емкости конденсатора. импедансные характеристики. Если поставить четыре конденсатора одинакового размера, получится та же проблема, но в другом диапазоне частот. По этой причине распространение значения конденсаторов фильтра имеют логический и акустический смысл, но вы редко кто-либо из производителей усилителей делает это. Вы увидите, как они используют пленку и колпачки из фольги в параллельно с большими электролитами, что, безусловно, хорошо, но редко, если когда-либо видели, как они распределяют значения колпачков, чтобы улучшить звуковые характеристики в более широкий спектр частот.

Что это означает на практике? Возьмем усилитель дизайн, который требует 40 000 мкФ емкости фильтра для каждой «шины» (+ и источники питания в усилителях часто называют «рельсами»). Какой-то усилитель дизайнеры выберут один большой конденсатор на 40 000 мкФ и, возможно, обойдут его с помощью конденсатора на 2 мкФ. пленочный и фольгированный конденсатор на 4 мкФ. Другой разработчик усилителя может выбрать четыре конденсатора по 10 000 мкФ. затем используйте где-то между нулем и четырьмя пленочными и фольгированными шунтирующими конденсаторами. Что вы видите в усилители сегодня почти всегда один из этих двух подходов.

Я собираюсь порекомендовать что-то другое. конденсатор «массив», который составляет 40 000 мкФ (или близко к этому), где ни один из конденсаторов не имеет такое же значение. Массив может состоять из конденсатора 37 000 мкФ, конденсатора 4 700 мкФ, конденсатора 470 мкФ. крышка, крышка 47 мкФ, которая может быть электролитической. Затем добавьте пленку 4,0 мкФ, 0,47 мкФ и 0,01 мкФ. и крышки из фольги параллельно. Простое наличие этих разных значений колпачков сделает большой разница на слух. Есть небольшая опасность создания «танкового контура» при параллельном использовании множества разных конденсаторов, как в этой схеме. Однако это довольно очевидно, если и когда это начнет происходить, и дизайнер будет знать, что есть проблема сразу из-за возрастающего объема убегающих колебаний, которые вполне слышно. Сборка конденсаторов, подобная предложенной, будет стоить дороже, стоит немного больше, чтобы собрать и немного больше, чтобы сделать оригинальный инжиниринг. Массив таких конденсаторов на удивление мало что добавило бы к розничной цене усилителя. От 25 до 100 долларов достаточно для многих усилителей, в зависимости от выбранных конденсаторов и цены, которые мог получить производитель. Удвойте эту стоимость для двойных моноусилителей или моноблоков.

Я не ожидаю никакой похвалы за идею массива конденсаторов. Это был вокруг в течение длительного времени. Я просто не могу понять, почему то, что предлагает лучшее качество звука и доступен бесплатно (кроме стоимости деталей/изготовления, конечно) просто лежит на столе и не используется дизайнерами, которые должны знать, что они из себя представляют делает.

Внутренняя проводка часто упускается из виду. я d осмелюсь сказать, что большинство производимых сегодня усилителей (возможно, 90%) не потейте слишком сильно детали внутренней проводки. Они либо используют что-то хорошего качества, но не аудиофил, или используйте фирменный аудиофильский провод, подключите все и почти забудьте об этом. Остальные 10% потеют над этой деталью со значительными усилиями. Они могут закончиться с двумя, тремя или четырьмя различными типами проводов в компоненте для каждой отдельной работы это нужно сделать. По общему признанию, вы вряд ли получите огромные изменения от различия проводов, но вы можете получить значимые. Как и в шнурах питания, отличия в звуке различных соединительных проводов вызвано не только электрическими свойствами, но и механические свойства тоже.

Есть вещи, которые производители делают с проводкой, чтобы повысить безопасность, внешний вид и транспортабельность. К сожалению, эти вещи часто ухудшают звучание усилитель Некий обитатель рая рассказывает историю об одном из легендарных усилителей класса high-end. Бренды значительно улучшены в акустике за счет удаления проволочных стяжек , используемых для связывания все провода вместе. Я слышал то же самое для себя. Красивые проводные аранжировки со всем, что все плотно стянуто вместе, может выглядеть полностью немецким точным проектированием и отполирован до блеска, но лабиринт из отдельных проводов произвольной формы будет звучать лучше, если только что-то должно быть витая пара или что-то в этом роде, конечно.

Мне нечего сказать о правиле и других типы фильтрующих устройств (типа катушек индуктивности) на стороне постоянного тока усилителя мощности поставлять. Они в основном хорошо реализованы большинством дизайнеров. В разных усилителях используются разные подходит. Механические проблемы, связанные с установкой этих устройств, могут повлиять на их звук. производительность, а также их технические характеристики и конструкция. Одна область в спецификации в некоторых усилителях мощности это размер дорожек на плате блока питания. В в некоторых случаях необходимые размеры трасс занижены. Если это произойдет, вы обратите внимание на улучшение качества звука, если вы добавите параллельные провода 18-го или 20-го калибра с слишком маленькие следы печатной платы. Это увеличивает пропускную способность по току и может сделать вяло звучащий усилитель заиграет чуть больше.

Последняя область источника питания постоянного тока, которую я прокомментирую, связана с низкочастотное воспроизведение. Я должен обсудить это, не выдавая слишком много. Это еще один предмет, который был продемонстрирован и объяснен знающим разработчиком усилителя. Он считает, что его решение проблемы — это одна из фирменных черт, которые определяют его усилители производительность отдельно от других. Поэтому, хотя я не могу говорить слишком конкретно, я можно сказать, что чем ниже диапазон звуковых частот, который вы пытаетесь воспроизвести, тем усилителю труднее высвобождать достаточное количество мощности для воспроизведения низких частот.