Как влияет сопротивление усилителя на звук? / Soundpal corporate blog / Habr

Как и наушники, усилитель имеет свое собственное сопротивление. Очень часто, пропуская этот параметр, оценивая одни и те же наушники, слушатели приходят к противоположным мнениям относительно их звучания, касаемо их громкости и частотного баланса.

Рассмотрим подробно влияние сопротивления усилителя но общее звучание.

В упрощенном виде электрическая схема выглядит так:

Условно, мы имеем дело с дополнительным сопротивлением R(Amplifier), которое многие не учитывают и потом удивляются, почему их ожидания от звучания наушников не оправдываются. В зависимости от величины сопротивления, усилители делятся на усилители напряжения (низкое значение сопротивления) и усилители тока (высокое сопротивление).

Само сопротивление принято называть импедансом или полным выходным сопротивлением усилителя. Более сложное название подчеркивает, что сопротивление может быть непостоянным и меняться в зависимости от частоты.

Из результатов измерений более 100 усилителей в проекте Reference Audio Analyzer можно выделить основные типы импедансов: равномерные и с повышением сопротивления в области низких частот.

Зависимость импеданса наушников и полного выходного сопротивления усилителя

Из прошлых материалов уже знаем, что когда наушники подключаются к усилителю, то их АЧХ меняется из-за индивидуального согласования импеданса наушников, сопротивления проводов и полного выходного сопротивления усилителя.

Закономерный вопрос, а от чего же меняется АЧХ наушников? Возвращаясь в электрической схеме и школьному курсу физики, можно увидеть, что из-за сопротивления усилителя будет дополнительное падение напряжения в цепи, зависящее от сопротивления нагрузки (в данном случае наушников). Чем ниже будет сопротивление нагрузки, тем выше будет падение напряжения на нагрузке.

Условно говоря, включаем усилитель, выставляем уровень равный 1 В. Если у усилителя выходное сопротивление 300 Ом, то при подключении наушников с сопротивлением в 32 Ом на выходе будет не 1 В, а всего 0.096 В (или -20 dBV).

У наушников зачастую импеданс неравномерный. Например, у Grado GR 10 сопротивление в области низких и средних частот равно 16 Ом, а в области высоких частот достигает 150 Ом.

При подключению к усилителям с разным выходным сопротивлением, АЧХ снижается по уровню, однако просадка неравномерна, в области низких частот снижение максимально, а в области высоких не так значительно.

Пользователь обычно никогда не знает, какой уровень напряжения он подал на наушники, и если громкость недостаточная, то регулятор громкости исправляет ситуацию. Однако из-за того, что первоначально частоты снизились неравномерно, то подъем громкости возвращает их суммарный уровень, но уже в измененной АЧХ.

На графике в примере видно, что при выравнивании громкости разница наблюдается в области высоких частот и достигает 12 дБ.

Усилители с характерными графиками полного выходного сопротивления

Усилители с ровным выходным сопротивлением

На графике показаны типовые линии импедансов с сопротивлением в 20, 50, 100 и 300 Ом.

При сопротивлении менее 3 Ом сопротивление называется «нулевым». К усилителям с «нулевым» сопротивлением относятся усилители Violectric.

К токовым усилителям можно отнести усилители Erzetich, где выходное сопротивление выше 60 Ом.

Близкое к нулю с повышением в области низких частот

Такую кривую импеданса можно наблюдать у усилителей с однополярным питанием, где постоянное смещение напряжение ликвидируется конденсатором на выходе. При подключении низкоомных наушников к такому усилителю на АЧХ обычно наблюдается снижение низких частот по уровню. Такие усилители относятся к категории усилителей с «нулевым» сопротивлением. Чаще всего такие усилители встречаются в плеерах и других мобильных устройствах.

Усилители «напряжения» против «токовых»

Что лучше и качественнее, усилители с низким сопротивлением или высоким?

В усилителях для колонок предпочтение отдается усилителям напряжения с высоким демпинг-фактором. Высокий демпинг-фактор обеспечивает лучший контроль низких частот в области резонансных частот у низкочастотного динамика. У многих наушников нет столь выраженных проблем с низкочастотным резонансом и можно использовать преимущества токового режима усилителя.

Напряжение на выходе усилителя с низким выходным сопротивлением зависит в величины сопротивления наушников. Сопротивление наушников в свою очередь зависит от температурного режима (если подать излишне высокую мощность, то температура окажется критической, достаточной для расплавления лакового покрытия изоляции или разрушения провода). В штатном режиме температура катушки индуктивности не приводит к разрушению, но при этом меняет свое сопротивление.

Из-за малой массы и габаритов, изменения температуры меняются очень быстро, что приводит к постоянным резким изменениям амплитуды сигнала и сказывается на общих искажениях.

При использовании токового усилителя с высоким выходным сопротивлением, изменения сопротивления наушников практически никак не отражается на амплитуде сигнала, что позволяет существенно снизить влияние температурных процессов и делает усилители с высоким выходным сопротивлением предпочтительными.

Подробно это исследовал профессор Агеев Д. В., в публикации «ДОЛЖЕН ЛИ УМЗЧ ИМЕТЬ МАЛОЕ ВЫХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ?» РАДИО №4, 1997 г.

Выводы

Какие можно сделать выводы? Гнаться за нулевым сопротивлением в большинстве случаев нет смысла. Для наушников с ярко выраженным резонансом в области низких частот может подойти как усилитель напряжения, так и токовый, и это будет компромисс между контролем низких частот и прозрачности звучания в остальном диапазоне.

Для ряда наушников, где производитель постарался снизить зависимость сопротивления от температуры, может вообще не быть разницы, с каким выходным сопротивлением усилитель используется.

У высокоомных наушников (таких как Sennheiser HD 650, HD 800, Beyerdynamic DT 880 Pro) есть преимущество, их колебания сопротивления мало отражаются на амплитуде сигнала и возможно поэтому за высокоомными наушниками закрепилась ассоциация как «качественный звук».

А в конечном итоге, связка «усилитель + наушники» выбирается по субъективному звучанию, где технически характеристики дают первичную информацию и на какие особенности стоит обратить внимание в первую очередь. Например, при оценке токового усилителя надо обратить внимание на качество низких частот, в то время как при использовании усилителя напряжения – нет ли излишней резкости или ощущения «мутности» в звучании. При использовании арматурных или гибридных наушников – подходит ли конечный частотный баланс.

Автор Кузнецов Роман romanrex

Входное и выходное сопротивления усилителя (БТ, BJT)

1. Радиоэлектроника
2. Схемотехника
3. Основы электроники и схемотехники
4. Том 3 – Полупроводниковые приборы

Добавлено 26 января 2018 в 06:04

Сохранить или поделиться

Входное сопротивление усилителя значительно варьируется в зависимости от конфигурации схемы, как показано на рисунке ниже. Оно также зависит от смещения. Здесь не учитывается, что входной импеданс является комплексной величиной и зависит от частоты. Для схем с общим эмиттером и общим коллектором он равен сопротивлению базы, умноженному на коэффициент β. Сопротивление базы по отношению к транзистору может быть как внутренним, так и внешним. Для схемы с общим коллектором:

\(R_{вх} = \beta R_Э\)

Для схемы с общим эмиттером немного сложнее. Нам необходимо знать внутреннее сопротивление эмиттера r_Э. Оно вычисляется по формуле:

\(r_Э = KT/I_Э m\)

где

• K=1.38×10-23 Дж·К−1 – постоянная Больцмана;
• T – температура в Кельвинах, берем ≅300;
• IЭ – ток эмиттера;
• m – для кремния изменяется от 1 до 2.

\(r_Э = 0,026 В/I_Э = 26 мВ/I_Э\)

Таким образом, R_вх для схемы с общим эмиттером равно:

\(R_{вх} = \beta r_{Э}\)

Например, входное сопротивление усилителя на транзисторе с β = 100, на схеме с общим эмиттером и смещением 1 мА равно:

\(r_Э = 26 мВ/ 1 мА = 26 \;Ом\)

\(R_{вх} = \beta r_Э = 100 \cdot 26 = 2600 \;Ом\)

Для более точного определения R_вх для схемы с общим коллектором необходимо учитывать R_Э:

\(R_{вх} = \beta (R_Э + r_Э)\)

Формула выше также применима и для схемы с общим эмиттером с резистором эмиттера.

Входной импеданс схемы с общей базой равен R_вх = r_Э.

Высокий входной импеданс схемы с общим коллектором согласовывается с источниками с высоким выходным сопротивлением. Одним из таких источников с высоким импедансом является керамический микрофон. Схема с общей базой иногда используется в RF (радиочастотных) схемах для согласования с источником с низким импедансом, например, с коаксиальным кабелем 50 Ом. С источниками со средним импедансом хорошо согласуется схема с общим эмиттером. Примером может служить динамический микрофон.

Выходные сопротивления трех основных типов схем приведены на рисунке ниже. Средний выходной импеданс схемы с общим эмиттером сделал ее самой популярной в использовании. Низкое выходное сопротивление схемы с общим коллектором хорошо подходит для согласования, например, для бестрансформаторного соединения с 4-омным динамиком.

Характеристики схем усилителей на биполярных транзисторах

Подведем итоги

Смотрите рисунок выше.

Оригинал статьи:

Теги

Биполярный транзисторВходной импедансВыходной импедансКаскад с общей базойКаскад с общим коллекторомКаскад с общим эмиттеромКаскодный усилитель

Коэффициент усиления по напряжениюКоэффициент усиления по токуУчебникЭлектроника

Сохранить или поделиться

На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.

В случае комментирования в качестве гостя (без регистрации на disqus.com) для публикации комментария требуется время на премодерацию.

Основные технические характеристики усилителей

5

Гершунский с.233

Важнейшими техническими показателями усилителя являются:

коэффициенты усиления (по напряжению, току и мощности), входное и выходное сопротивления, выходная мощность, коэффициент полезного действия, номинальное входное напряжение (чувствительность), диапазон усиливаемых частот, динамический диапазон амплитуд и уровень собственных помех, а также показатели, характеризующие нелинейные, частотные и фазовые искажения усиливаемого сигнала.

Коэффициенты усиления. Коэффициентом усиления по напряжению или просто коэффициентом усиления К, называется величина, показывающая, во сколько раз напряжение сигнала на выходе усилителя больше, чем на его входе:

К = .

Значение коэффициента усиления К у различных усилителей напряжения может иметь величину порядка десятков и сотен. Но и этого в ряде случаев недостаточно для получения на выходе усилителя сигнала требуемой амплитуды. Тогда прибегают к последовательному включению ряда усилительных каскадов:

К = К1∙ К2∙ Кn.

Коэффициент усиления представляет собой безразмерную величину. Учитывая, что в современных усилительных схемах коэффициент, выраженный в безразмерных единицах, получается довольно громоздким числом, в электронике получил распространение способ выражения усилительных свойств в логарифмических единицах – децибелах (дБ). Коэффициент усиления, выраженный в децибелах, равен

К= 20lg = 20lgК

Обратный переход от децибел к безразмерной величине производится при помощи выражения

К = .

Если принять К= 1, то

К = =10= 1,12.

Следовательно, усиление равно одному децибелу, если напряжение на выходе усилителя в 1,12 раза (на 12%) больше, чем напряжение на входе. Коэффициент усиления многокаскадного усилителя, выраженный в децибелах, представляет собой сумму коэффициентов усиления отдельных каскадов усиления, выраженных в тех же единицах:

20lgК = 20lgК1 + 20lgК2 + …+20lgКn

Кроме коэффициента усиления по напряжению, пользуются коэффициентами усиления по току и по мощности, которые также могут быть выражены в децибелах. Например, если мощность сигнала на входе усилителя имела значение Рвх, а затем повысилась до Рвых, то коэффициент усиления по мощности в децибелах можно найти по формуле

.

Следует помнить, что для перехода к децибелам при логарифме отношения мощностей ставится множитель 10, а при логарифме отношения напряжений или токов ставится множитель 20. Это объясняется тем, что мощность пропорциональна квадрату напряжения или квадрату тока

.

Входное и выходное сопротивления

Усилитель можно рассматривать как активный четырехполюсник, к входным зажимам которого подключается источник усиливаемого сигнала, а к выходным сопротивление нагрузки. На рисунке показана одна из возможных эквивалентных схем усилительного каскада. Источник входного сигнала показан в виде генератора напряжения с э.д.с. Евх, имеющего внутреннее сопротивление Rг. Со стороны выхода усилитель представлен в виде генератора напряжения с э.д.с. Евых и внутренним сопротивлением Rвых. Усилитель одновременно является нагрузкой для источника сигнала и источником сигнала для внешней нагрузки Rн, причем нагрузкой усилителя может быть не только оконечное устройство (потребитель), но и вход следующего каскада усилителя.

Входное сопротивление усилителя в любом случае представляет собой сопротивление между входными зажимами усилителя. Оно равно

Выходное сопротивление Rвых определяют между выходными зажимами усилителя при отключенном сопротивлении нагрузки Rн.

В зависимости от соотношения внутреннего сопротивления источника Rг и входного сопротивления усилителя Rвх источник сигнала может работать в режиме:

холостого хода (Rвх >> Rг), короткого замыкания (Rвх << Rг), согласования (Rвх ≈ Rг).

Аналогичные режимы работы возможны и для выходной цепи:

(Rн >> Rвых) – холостой ход; (Rн << Rвых) – короткое замыкание; (Rн >> Rвых) – согласование.

В соответствии с этим различают как для входной, так и для выходной цепи режимы усиления напряжения, тока и мощности.

Выходное сопротивление лампового усилителя — Техподдержка для начинающих

Не претендую на правильность, но внутреннее сопротивление лампы, приведенное к вторичной обмотке выходного трансформатора, совместно с активным сопротивление вторички, в усилителе без ООС составит единицы-десятки Ом, примерно то, о чем Вы и говорите. Применение ООС позволяет снизить выходное сопротивление в некоторых пределах (в зависимости от глубины ООС), и при относительно небольшой глубине обратной связи 8-10Дб получить приемлемое выходное сопротивление в елиницы Ом (около 2х, в общем случае)

Суть — основной вклад в выходное сопротивление усилителя вносит внутреннее сопротивление ламп выходного каскада, активное сопротивление вторички редко когда больше 0.5-1 Ом.

Еще раз повторяюсь, это не более чем ИМХО

 

Вы почти правы, добавлю только от себя. Обратные связи в усилителях с очень малыми коэффициентами усиления , какими и являются ламповые, в отличие от интегральных — очень сложная вешь.

Что говорит теория ОС — ? если глубина ООС = -6дб = значит снижение чувствительности в два раза, верно? А вот с выходным спротивлением не

совсем так : делал схему Гэгэна, SE на 6Н7С+2х6Ф6С — без ООС выходное сопротивление порядка 80 Ом, на выводах транса для нагрузки 8 Ом. Транс 3200вит/152вит/8Ом. Ктр, Ra и проч — не сложно посчитать , не суть здесь. при охвате ООС согласно схеме — резистор между анодами, и добавлении выходной обмотки в катоды выходных ламп — катодная ООС. Снижение чувствительности — в два раза, гдето с 0.8 до 1.5 В, а выходное сопротивление — падает с 80 Ом до 2.87 Ом, почти в 40 раз — измерялось методом двух уравнений, для двух значений нагрузки : 8 Ом и 51 Ом ( не люблю х.х, и другим не советую ), на мощности 10 % от максимальной. При этом активное вторички — около 1 Ом. и как тогда правильно считать глубину ООС — по чувствительности или выходному сопротивлению.?

 

Поэтому, для пентодных усилителей, предлагаю считать, что введение ООС = — 6дБ по чувствительности — возможно, повлечёт снижение выходного сопротивления в 40 раз — и позволит превзойти, или сравняться по выходному сопротивлению со многими триодами. ИМХО.

Даже не представляю, насколько снизится выходное сопротивление при ООС в -12 — 15 дБ, как встречал где-то…. .

Ох ,не всё так просто…

что мешает звучать правильно? (часть 2) (страница 3)

Линейный усилитель

Следующим звеном, после входного каскада, следует линейный усилитель. Качество его работы оказывает влияние на функционирование всего устройства и при неудачном схемном решении можно всё «легко и непринужденно» испортить. Эта часть усилителя охватывается общей обратной связью и искажения, возникающие в нём, компенсируются. Вот только не стоит возлагать на последнее повышенные ожидания – единожды возникнув, искажения уже никогда не исчезнут. Существует множество схемных решений подобного узла, поэтому вынести какую-то одну общую рекомендацию затруднительно. Просто перейдем к третьей части.

Выходной каскад

Выходной каскад оканчивает усилитель, поэтому он должен обеспечивать хорошее согласование с нагрузкой. Это означает работу с большими напряжениями и токами, причем нагрузка обладает довольно большой реактивной составляющей, как по электрическим, так и по механическим характеристикам. Кроме того, геометрические размеры усилителя и тепловая мощность, рассеиваемая на радиаторах, ограничивает его максимальную мощность. Всё это накладывает весьма жесткие требования к возможным схемным решениям, а потому наиболее распространен двухтактный выходной каскад класса АВ.

Идея работы каскада заключается в разделении положительной и отрицательной полуволн на два плеча и формирование тока от положительного или отрицательного источника питания в соответствующие моменты времени. Это хорошо работает с большой амплитудой сигнала, но если уровень уменьшается, то всё более значимым становится момент перехода через нуль – именно тогда происходит переключение выходных транзисторов. Для уменьшения вносимых искажений, в усилителе устанавливается некоторый минимальный ток покоя выходного каскада, что обеспечивает одновременную работу плеч (положительной и отрицательной полуволн) для небольшого уровня сигнала.

То есть, фактически вводится небольшой режим А, отсюда и появилась эта буква в названии класса AB. Увы, делать очень уж большой ток покоя нельзя, страдает эффективность усилителя – фактически, эта мощность будет тратиться всегда, есть ли сигнал или нет. При увеличении амплитуды сигнала наступает момент, когда ток покоя исчерпывается, и могут последовать коммутационные искажения.

Для обхода этого дефекта можно задать небольшой фоновый ток через неиспользуемый транзистор, что линеаризует рабочую точку (важно для низкого уровня гармоник высокого уровня) и обеспечит рассасывание заряда (устраняет дефект коммутации для высокочастотного сигнала). Или можно пойти дальше, использовать режим ЭА – ‘экономичный А’ (Non switching , Super A). В этом случае ток транзистора неиспользуемого плеча будет плавно уменьшаться по мере увеличения выходного напряжения противоположной полярности.

Для моделирования классов AB и ЭА следующая схема:

Подробнее можно ознакомиться с моделью и выполнить анализ можно над файлом проекта.

Посмотрим ток выходного каскада. На всех картинках верхний рисунок относится к классу AB, нижний ЭА. Данные снимались для случая:

• AB – ток покоя уменьшался от 250 мА до 80 мА.
• ЭА – ток покоя оставался неизменным, 150 мА, менялась агрессивность управления током неактивного плеча – от наиболее активного до полного отключения управления током транзистора.

Возьмем два случая – амплитуда сигнала 1 вольт (слева) и 10 вольт (справа):

При низком уровне сигнала класс AB работает в режиме A и потому не вносит каких-либо видимых искажений. У класса ЭА с этим несколько сложнее, потенциально присутствуют четные гармоники из-за очевидной несимметрии тока. Но это только «потенциально», избыточный ток протекает через транзистор противоположного канала и не попадает в нагрузку. Проще говоря, через источники питания течет ток с относительно небольшим уровнем гармоник, что не приводит к негативным последствиям.

При увеличении уровня сигнала класс AB фактически отключает неактивное плечо, а ЭА продолжает пытаться им управлять. Взглянем подробнее на место переключения:

Фактически, в классе ЭА оба плеча одновременно формируют выходное напряжение. Теперь обратимся к спектру гармоник. В данном тесте частота сигнала будет снижена до 100 Гц, что обеспечит большее количество гармоник в слышимом диапазоне, напряжение 10 вольт.

Для класса AB характер спектра гармоник мало зависит от величины тока покоя, а у ЭА лучшие результаты достигаются при средней степени агрессивности управления током. Скорее всего, неудачность красного и зеленого графика следует из идеологии управления током транзистора – на момент перехода транзистора из рабочего состояния в нерабочее его ток меняется довольно резко, что порождает больше гармоник, чем устраняется компенсацией управления током в противоположном плече.

В схемотехнике усилителей звуковой частоты на радиолампах применяется либо класс А, либо класс AB, который в пристальном рассмотрении оказывается классом ЭА с низким или отсутствующим током управления (фиолетовый и серый график). Если сравнить с классом AB, реализуемым в большинстве усилителей на транзисторах (и, конечно же, в интегральном исполнении), то спектр его помех интенсивнее и шире.

Выходное сопротивление усилителя

Обычный усилитель обладает крайне низким выходным сопротивлением, обусловленным эффективной работой общей отрицательной обратной связи. Как-то сложилось, что данное решение считается правильным и под него проектируют фильтры акустических систем и динамические головки. Но действительно ли это хорошо? Рассмотрим два дефекта, свойственных акустическим системам – потери и искажения в проводах, соединяющих усилитель и динамики, а также искажения в самих динамических головках при перемещении диффузора.

Довольно давно обнаружен эффект изменения сопротивления медного проводника при воздействии током разной силы и частоты, так называемый «полупроводниковый эффект». Величина изменения незначительна и никак не проявляет себя в обычных областях применения – передача электроэнергии, блоки питания, но приводит к искажениям при использовании его для передачи сильноточного звукового сигнала от усилителя к акустическим системам. Для обхода этой проблемы выпускают проводники из меди со специальной технологией изготовления, «бескислородная медь». Кроме того, соединители и разъемы тоже обладают свойством вносить искажения в передаваемый сигнал, ведь их сопротивление сочленения непостоянно во времени, хоть и мало по величине.

В тесте будут участвовать идеальные усилители с тремя типами выходного сопротивления:

• С крайне низким выходным сопротивлением.
• Выходное сопротивление усилителя в четыре раза больше сопротивления нагрузки.
• Усилитель работает в режиме ‘источник тока’ и его выходное сопротивление крайне велико.

(Файл проекта).

В симуляции будет использована следующая модель:

Для эмуляции искажений в нагрузку введен нелинейный элемент из низкоомного резистора и диода Шоттки. Можно было создать искажения линейной нагрузки любым другим способом, для теста это не существенно. В данной симуляции измеряются токи через нагрузки, а не напряжения. Это вызвано тем, что именно ток через катушку вызывает перемещение диффузора обычной динамической головки (и что совершенно не так для электростатических излучающих элементов).

Хотелось бы остановиться на цветной идентификации графиков:

• Зеленый – контрольный, идеальный случай. Во всех остальных вариантах в нагрузку внесен нелинейный элемент.
• Красный – обычный усилитель с крайне низким выходным сопротивлением.
• Черный – усилитель с выходным сопротивлением в четыре раза больше, чем сопротивление нагрузки.
• Синий – выходное сопротивление очень большое, усилитель работает в режиме источника тока.

Нет смысла приводить полученный сигнал, все осциллограммы практически совпадают. Гораздо интереснее посмотреть на спектр:

Вы видите здесь зеленый график? Я – нет, его полностью закрыл синий (режим источника тока). Это означает, что увеличение выходного сопротивления усилителя уменьшает вред от нелинейных элементов, которые присутствуют в соединительных элементах между усилителем и динамической головкой.

Теперь перейдем к другой проблеме – изменение индуктивности обмотки катушки динамика при перемещении в поле магнитного зазора. В тесте будут участвовать всё те же три усилителя, а эмуляцию нелинейной индуктивности выполним на дросселе с материалом 4C6. Схема выглядит следующим образом:

Соображения по данной схеме полностью изложены в предыдущем тесте и специальных комментариев не требуется. Посмотрим на спектр:

Налицо явные интермодуляционные искажения. Как и в предыдущем тесте, по мере увеличения выходного сопротивления усилителя уменьшаются негативные последствия изменения свойств дросселя (то есть индуктивности катушки динамика).

Существует еще один нюанс, связанный с выходным сопротивлением усилителя – импеданс акустической системы непостоянен в рабочей полосе частот. В области низких частот вносятся резонансные эффекты от собственной механической системы динамика и фазоинвертора, для средних частот – разделительный фильтр оказывает влияние в областях раздела рабочих полос динамиков.

Кроме того, зачастую акустические системы проектируются под усилитель с низким выходным сопротивлением, а потому никто не заботится о сохранении постоянного импеданса акустической системы. Если одна из головок с повышенной чувствительностью, то последовательно с ней устанавливают дополнительный постоянный резистор, что увеличивает импеданс колонки в области рабочих частот этого динамика. Если такую колонку подключить к усилителю с повышенным выходным сопротивлением, то характер звучания станет другим.

Впрочем, тщательной отстройкой элементов фильтра это дефект можно устранить или в значительной степени уменьшить, но вот резонансные явления в низкочастотной части компенсировать нельзя. Поправка – можно, но крайне неприятно – придется ставить высокодобротный и тщательно настроенный LC контур параллельно низкочастотной динамической головке.

Естественно, в серийных конструкциях никто такого делать не будет, да и в любительской аппаратуре встречается крайне редко, поэтому подключение колонки к усилителю с высоким выходным сопротивлением неизбежно приведет к изменению характера звучания басов – возрастет уровень сигнала с частотой механического резонанса и увеличится время призвука. Этот эффект можно частично уменьшить акустическим демпфированием – помещением материала с пониженной акустической прозрачностью и вязкостью в окна с обратной стороны динамика.

От себя хочу добавить, что такой прием не слишком хорош, и у него есть возможные неприятные последствия, поэтому лучше менять тип выходного сопротивления усилителя в зависимости от частоты сигнала, чем «издеваться» над динамическими головками. В этом вопросе важно то, что переход на усилитель с токовым выходом меняет характер звучания и кому-то это может нравиться или не нравиться, но у него нет ничего общего с устранением искажений в акустической системе, озвученных в последних двух тестах.

Итак, речь идет о радиолампах, так при чем здесь выходное сопротивление? Увы, прямо следует из технологии. В усилителе выходное сопротивление достаточно велико и маленьким его делает общая обратная связь. Чем она мощнее, чем больший запас петлевого усиления, тем лучше компенсируются все искажения в усилителе… в том числе и выходное сопротивление. В усилителях на радиолампах глубина обратной связи мала, да и сами регулирующие элементы обладают значительным внутренним сопротивлением (радиолампы вообще, по своей природе, являются скорее источниками тока, чем сопротивлениями).

Как следствие, ламповые усилители обладают отнюдь не низким выходным сопротивлением, а потому – смотрите раздел – в некоторой степени компенсируют негативные элементы в акустической системе и соединении с усилителем. Что мешает такое же реализовать в «транзисторном» исполнении?…

Знаете, эта история с развитием схемотехники очень напоминает эволюцию советского общественного транспорта. В «застойные» времена автобусы благодаря слабым моторам медленнее набирали скорость, на дорогу у меня уходило 25-40 минут. В постперестроечный период парк автомобилей сменился, повысилась мощность мотора и эффективность тормозной системы. Как следствие, на дорогу стало уходить от получаса до нескольких часов, но речь не о том. Увеличение мощности двигателя привело к тому, что отчаянно ощущаешь себя «дровами».

Понимание того, что водители этого вида транспорта являются профессионалами своего дела, плохо скрашивают ощущения старт-стопного режима в пробке. Быстрый разгон и малое время торможения – отличный способ двигаться в потоке, вот только о дровах забыли? Более мощная динамика автобуса позволяет быстрее доставить до места, но кому нужна экономия пяти процентов времени такой ценой?

Со схемотехникой усилителей схожая беда. Да, транзисторы эффективнее и лучше радиоламп. При конструировании аппаратуры можно получить сверхнизкий уровень гармоник и других характеристик усилителя (выходное сопротивление, скорость нарастания выходного сигнала, максимальная частота и прочие), но с какими последствиями? Дело не в количестве компонентов, SOT-23 или интегральные решения занимают мизерное место, по сравнению с одной единственной радиолампой. Проблема кроется в подходе – в борьбе за «красивые цифры» часто забывают о главном — качестве звучания.

Довольно показательно отношение разных фирм к схемотехнике усилителей – японские модели обладают лучшими техническими характеристиками, чем европейские разработки, но звучат хуже. Данное мнение было высказано авторитетным источником, но довольно давно, поэтому ссылки привести не могу. Впрочем, я с ним согласен, мои аргументы изложены в этой статье. Радиолампы – атавизм, которому пора уходить. Просто надо использовать нормальные схемные решения, учитывать всё нюансы и проблемы, а не гнаться за красивыми цифрами. Согласны вы с этим или нет, выбор за вами. Пожалуйста, сделайте его осмысленно.

Serj

7.2.2. Входное сопротивление усилителя

Входное сопротивление усилителя зависит от способа подачи сигнала обратной связи ко входу усилителя.

Рассмотрим усилитель с последовательнойООС.

Без обратной связи R_вх=U₁/I₁=U₁/I_вх.

С отрицательной ОС R_{вх о.с}=U_вх/I_вх=U_вх/I_вх.

Учитывая, что U_вх=U₁+U_о.с=U₁(1+K_u), получим

R_вхо.с= U₁(1+K_u)/I₁=R_вх(1+K_u).

Входное сопротивление возрастает в (1+А) раз, так в этой схеме при одном и том же входном токе, а значит, и напряженииU₁, значение входного напряженияU_вхбольше, чем без обратной связи.

Усилитель с параллельной ООС.

В этой схеме входной ток I_вх=I₁+I_о.с больше, чем без обратной связи.

Если R_вх=U₁/I₁=U_вх/I₁, тоR_{вх о.с}=U_вх/I_вх=U_вх/I₁(1+А)=R_вх/(1+А).

Входное сопротивление уменьшается в (1+А) раз.

Входное сопротивление не зависит от способа получения сигнала ОС: по напряжению или по току.

7.2.3. Выходное сопротивление усилителя с оос

Выходное сопротивление усилителя с ООС зависит от способа получения сигнала связи.

Усилитель с ООС понапряжению

При изменении тока нагрузки изменяется выходное напряжение:

U_вых=I_нR_вых.

По петле ОС изменение U_выхсоздает компенсирующее слагаемое

U_{вых о.с}=I_нR_вых-K_uU_{вых о.с}, откуда

U_{вых о.с}=I_нR_вых/(1+K_u)=I_нR_{вых о.с}.

Следовательно, выходное сопротивление усилителя уменьшается:

R_{вых о.с}=R_вых/(1+K_u).

Усилитель с ООС по току

При изменении тока нагрузки I_вых=U_вых /R_выхв петле ОС появляется противодействие:

I_{вых о.с}=U_вых /R_вых–KI_{вых о.с}, откуда

I_{вых о.с}=U_вых /R_вых(1+K)=U_вых /R_{вых о.с}, то есть выходное сопротивление усилителя увеличиваетсяR_{вых о.с}=R_вых(1+K).

Выходное сопротивление не зависит от способа подачи сигнала ОС ко входу усилителя.

7.3. Влияние оос на искажение сигнала

7.3.1. Нелинейные искажения

Амплитуда гармоники на выходе усилителя пропорциональна амплитуде сигнала:

U_вых=U_{вых.сигн}+U_вых.,

причем U_вых.=U_{вых.сигн}, где- коэффициент гармоник.

В схеме с ООС выходное напряжение паразитной гармоники при том же выходном сигнале будет уменьшено:

U_вых.= U_{вых.сигн}— KU_вых.

U_вых.= U_{вых.сигн}/(1+K)

Это равносильно уменьшению коэффициента нелинейных искажений

_о.с=/(1+K)

Аналогично происходит ослабление помех, которые появляются в усилителе по паразитным каналам, например, по цепям питания (“фон”).

7.3.2. Частотные и фазовые искажения

Приведенная АЧХ усилителя с ООС.

M_о.с()=K_о.с()/K_0.о.с=

Так как на любой частоте <=K₀, то М_о.с()М() , т.е. АЧХ равномерна в более широкой полосе частот. Это лучше оценить по величине потерь1–М():

I-М_о.с()=(1- М())/(1+K()).

Полоса частот расширяется во столько раз, во сколько уменьшается усиление.

Аналогично уменьшается дополнительный фазовый сдвиг

_о.с()=()/(1+K()).

И ФЧХ становится ближе к линейной.

На практике применяют не только частотно независимую ООС, т.е. ()==const, но и частотно зависимую ООС, при которойзависит от. Это позволяет получить желаемую форму АЧХ усилителя, т.к. при глубокой ООС (K_u>>1)

K_u(j)1/(j).

7.3.3. Устойчивость усилителя с оос

Неустойчивость в работе проявляется в возникновении собственных колебаний на выходе усилителя даже при отсутствии сигнала на входе — самовозбуждение. Усилитель перестает реагировать на внешний сигнал. Причина самовозбуждения в том, что на некоторой частоте отрицательная ОС превращается в положительную.

В усилителе с ростом частоты появляется дополнительный сдвиг фазы () (отставание), в цепи обратной связи тоже может быть дополнительный сдвиг_().

Таким образом, с увеличением частоты уменьшается модуль петлевого усиления | K_u()()| (даже, если- частотно независима), и растет дополнительный фазовый сдвиг

_о.с()=()+_().

Из-за этого обратная связь будет отрицательной только в определенном диапазоне частот , в котором вектор сигнала U_о.с.=вычитается из вектораU_вх, при этомU₁< U_вх .

Найдется такая частота, на которой обратная связь становится положительной, т.е. вектор U_о.ссуммируется с векторомU_вх.

При этом U₁ >U_вхт.е. усиление возрастает по сравнению с усилителем без ОС. Если на этой частотеK_u<1 условие колебаний не выполняется, если же на частоте, где_о.с ()=180⁰, K_u>1, то происходит самовозбуждение.

Для устойчивой работы нужен запас по усилению и по фазе. На частоте, где K_uдостигает 1, дополнительный фазовый сдвиг должен быть меньше 180⁰(не меньше , чем на 60⁰), а на частоте, где фазовый сдвиг равен 180⁰, петлевое усиление должно быть меньше 1, напр. 0,7.

На АЧХ устойчивого усилителя возможен подъем на частоте, где _о.с ()=-180⁰,но есть запас по усилению.

Теоретически в одном каскаде дополнительный фазовый сдвиг при не превышает -90⁰. Чем больше число каскадов, тем больше и дополнительный фазовый сдвиг, поэтому опасность самовозбуждения выше в многокаскадном усилителе, охваченном общей ООС. Для исключения самовозбуждения ограничивают коэффициент петлевого усиления на средней частоте. В однокаскадном усилителе ограничения нанет, приN=2 допускается<10..20, приN=3<3..5. Усилитель с большим, чем 3 числом каскадов не рекомендуется охватывать общей ООС, применяют местную ООС. Для повышения устойчивости многокаскадного усилителя с общей глубокой ООС применяют коррекцию фазо–частотной характеристики как самого усилителя, так и цепи обратной связи.

2 Входное сопротивление усилителя с обратной связью.

а) Входное сопротивление усилителя с последовательной обратной связью (рис. 3, а).

Для последовательной отрицательной обратной связи

.

Последовательная отрицательная обратная связь увеличивает входное сопротивление в (1 + К_u) раз, что дает возможность эффективно усиливать сигналы источника с большим внутренним сопротивлением.

б) Входное сопротивление усилителя с параллельнойобратной связью рис. 3, б.

Для параллельной отрицательной обратной связи

т. е. входное сопротивление усилителя с параллельной отрицательной обратной уменьшается.

Полученное соотношение справедливо для любого способа получения напряжения обратной связи на выходе усилителя. Необходимо лишь в каждом конкретном случае определять величину .

Входное сопротивление усилителя с обратной связью зависит от способа подачи напряжения обратной связи, вида обратной связи и ее глубины, но не зависит от способа получения напряжения обратной связи.

Выходное сопротивление усилителя с обратной связью.

Выходное сопротивление усилителя с обратной связью по напряжению (рис. 3, а).

.

Отрицательная обратная связь по напряжению уменьшает величину выходного сопротивления в (1 + К_u) раз:

.

б) Выходное сопротивление усилителя с обратной связью по току(рис. 3,

Выходное сопротивление усилителя, охваченного отрицательной обратной связью по току возрастает:

,

Выходное сопротивление усилителя с обратной связью зависит от способа получения напряжения обратной связи, от вида обратной связи и ее глубины и не зависит от способа подачи напряжения обратной связи.

15.Нелинейные искажения в усилителе с обратной связью.

.

Отрицательная обратная связь в (1 + К_u) раз снижает сигнал гармоник, возникающий из-за нелинейных искажений в тех каскадах усилителя, которые охвачены обратной связью. Аналогичное влияние отрицательная обратная связь оказывает на напряжение помех (фон, наводки и др.).

С целью снижения нелинейных искажений отрицательная обратная связь широко применяется в выходных каскадах, имеющих наибольший диапазон выходных напряжений.

16. Источники тока и источники напряжения

Источники напряжения. К источникам напряжения относят источники электромагнитной энергии, в которых напряжения на зажимах источника мало зависит от тока (рис. 1).

Рис. 1. Источник напряжения и вольт-амперные характеристики

Если R_внусловно вынести за пределы источника, то получим идеальный источник напряжения.

Источники тока– это источники электромагнитной энергии, в которых ток слабо зависит от напряжения, которое создается на зажимах источника (нагрузки) (рис. 2). Предполагается, что источник тока имеет малую внутреннюю проводимостьI_н=IUg_вн,I_нмало зависит отUприg_вн0. Если условно вынестиg_вн за пределы источника, то получим идеальный источник тока.

Рис. 2. Источник тока и вольт-амперные характеристики

Существуют управляемые источники, как напряжения, так и тока (рис. 3).

Источник ЭДС, управляемый

током

Источник ЭДС, управляемый напряжением

Источник тока, управляемый током

Источник тока, управляемый

напряжением

Рис. 3. Управляемые источники

Источники тока наиболее просто реализуются на биполярных транзисторах, включенных по схеме с ОЭ (рис. 4). Если БТ работает при постоянном значении базового тока, то I_к мало зависит от напряженияU_к-э. Именно на этом принципе строятся транзисторные схемы источников тока.

Рис. 4. Источник тока на БТ

Для стабилизации I_бмежду базой и эмиттером включаетсяp-n-переход (рис. 5).

Рис. 5. Стабилизация тока базы