Как устроен усилитель звука

18

Усилитель звука – что это такое, устройство, принцип работы, зачем нужен, основные характеристики

Во многих аудиосистемах бытового и профессионального назначения используется специальный компонент – усилитель звука. Он необходим для качественного, громкого воспроизведения аудиоинформации без помех и искажений. Устройства отличаются исходными характеристиками, совместимостью с другими приборами и сферой применения.

Что такое усилитель звука?

Качественный аудиоприбор, будь то магнитола в автомобиле или акустическая система для домашнего кинотеатра, практически всегда снабжается усилителем звука. Это специальное электрическое устройство, преобразующее слабый электрический сигнал в более сильный с помощью увеличения мощности тока. Усилитель мощности звука может быть как отдельным прибором, входящим в аудиосистему, так и являться внутренним компонентом, например, колонок, входящим в их гибридную систему.

Устройство усилителя звука

Стандартный усилитель звука для колонок имеет следующие конструкционные особенности:

1. Входная система усилителя звука. К ней подсоединяется сам источник, который может отличаться выходным напряжением.
2. Блок питания, отвечающий за преобразование входящего тока в величину с более высоким напряжением. Основным прибором этой группы является трансформатор.
3. Выходной каскад, главными элементами которого являются транзисторы. Они преобразуют повышенное напряжение от блока питания в нужную форму сигнала, который передается на устройство вывода звука.
4. Блок регулировки настроек присутствует только в автономных устройствах и позволяет тонко настраивать качество получаемого звука на выходе.

Принцип работы усилителя звука

Любой простой усилитель звука вне зависимости от класса и конструктивных особенностей работает по следующей схеме:

1. В блоке питания входящий электрический ток от стандартной сети электропитания или автомобильного аккумулятора преобразуется в постоянный ток.
2. Усилители звука для домашней акустики через входную систему получает сигнал от подключенного устройства (CD-плеера, например) и изменяет (увеличивает) его амплитуду с помощью постоянного тока. Длина звуковой волны остается без изменений.
3. Усиленный звуковой сигнал передается на выходное устройство (колонки), через которые и воспроизводится в новом, улучшенном качестве.

Принцип работы

Из самого обозначения класса АВ нетрудно сделать вывод, что данный режим является гибридом класса А и класса В. Как работают усилители класса А, мы уже разобрались, а с классом В ознакомиться не успели, поэтому начнем с него. И для начала вспомним логику, которой руководствовался создатель усилителя класса А. Для того, чтобы получить возможность воспроизводить и положительную, и отрицательную полуволну с помощью одного активного элемента, он применил смещение средней точки (тока покоя) в середину рабочей зоны лампы.

Создатели усилителей класса В рассуждали по-другому: «Если одна лампа или один транзистор с нулевым смещением способен воспроизвести только одну полуволну сигнала, почему бы не добавить в схему еще один активный элемент, разместив его зеркально, чтобы воспроизводить другую полуволну?».

Это вполне логично, ведь при таком раскладе оба транзистора работают с нулевым смещением. Пока на входе усилителя присутствует положительная полуволна — работает один транзистор, а когда приходит время воспроизводить отрицательную полуволну, первый транзистор полностью закрывается и вместо него в работу включается второй. В английском варианте этот принцип действия получил название push-pull или, говоря по-русски, «тяни-толкай», что в общем-то очень хорошо описывает происходящее.

Если сравнивать класс В с классом А, наиболее очевидным преимуществом является то, что в классе В на каждую волну приходится полный рабочий диапазон транзистора (или лампы), в то время как в классе А обе полуволны воспроизводятся одним активным элементом. Это значит, что усилитель класса В будет вдвое мощнее усилителя класса А, собранного на таких же транзисторах.

Второй, чуть менее очевидный, но очень важный плюс класса В — нулевые токи смещения. Когда сигнал на входе равен нулю, ток, протекающий через транзисторы, тоже равен нулю, а это значит, что напрасного расхода энергии не происходит, и энергоэффективность схемы получается в разы выше, чем в классе А.

Однако из этого же факта вытекает и главный недостаток усилителя класса В. Момент включения транзистора в работу после полностью закрытого состояния сопровождается небольшой задержкой, поэтому при прохождении звуковым сигналом нулевой точки, когда один транзистор уже закрылся, второй транзистор не успевает мгновенно подхватить эстафету, и в этой самой переходной точке возникают небольшие временные задержки.

На практике это выражается в особенной нелюбви усилителя к тихой музыке, а также в плохой передаче микродинамики. И хотя история знает успешные реализации класса В, например — легендарный Quad 405, проблемы данного режима работы никуда не делись. Тот же 405-й не только радовал энергичным и мускулистым звучанием, но также имел явную склонность рисовать звуковую картину крупными мазками, масштабно, не размениваясь на мелочи.

Для того, чтобы сохранить все плюсы класса В и решить проблему переходных процессов, инженеры пошли на хитрость. Они включили оба транзистора со смещением, как это делается в классе А, но величина смещения при этом была выбрана существенно меньшая: так, чтобы покрыть лишь те моменты, когда транзистор близок к закрытию, выводя тем самым переходные процессы из рабочей зоны.

Это позволило усилителю класса АВ незаметно преодолевать нулевую точку, а также дало еще один крайне полезный эффект. При малой амплитуде сигнала, укладывающейся в пределы смещения тока покоя, подобный усилитель работает в классе А и, только когда амплитуда выходит за пределы выбранной производителем величины смещения, он переходит в режим АВ.

Зачем нужен усилитель звука?

Обыватели нередко полагают, что усилить звук стараются непременно для повышения его громкости. Такое утверждение верно лишь отчасти. Усилитель звука в машину или для домашнего, профессионального использования необходим для качественного преобразования слабого электрического сигнала в более мощный. Устройства воспроизведения – плееры, магнитофоны и магнитолы имеют разную величину выходного аудиосигнала, которой не всегда хватает для качественного звучания. После таких метаморфоз исходящий звук:

1. Получается более качественным, без помех и искажений.
2. В разы громче исходного, поэтому регулятор громкости можно не поворачивать на максимум, тем самым продлевая срок службы аудиоколонок.

Характеристики усилителя звука

Основные характеристики, которыми обладает усилитель звука для компьютера или другого прибора:

1. Выходная мощность. Она может быть номинальной, то есть измеряемой при заданном коэффициенте нелинейных искажений и максимальной, которая учитывается при ненормированном коэффициенте.
2. Даже мини усилитель звука для колонок обладает такими параметрами, как коэффициент усиления и коэффициент полезного действия.
3. Частотный диапазон, то есть разнообразие частот, с которыми прибор способен работать. Оптимальный вариант – 20-20000 Гц.
4. Коэффициент гармонических искажений показывает слышимую часть тех самых искажений на частоте 1 кГц и составляет 0,001-0,1%.
5. Отношение сигнал/шум показывает, на сколько собственные шумы усилителя меньше полезного музыкального сигнала.
6. Демпинг-фактор или способность подавлять паразитарные напряжения, влияющие на качество мелодии.

В качестве дополнительных характеристик могут быть указаны:

• коэффициент интермодуляционных искажений;
• скорость нарастания выходного сигнала;
• перекрестные помехи.

Виды усилителей звука

Акустическая аппаратура имеет разнообразные характеристики и области применения, поэтому и усилитель звука имеет несколько разновидностей. По мощности бывают:

• предварительные, являющиеся промежуточным звеном;
• оконечные, непосредственно увеличивающие мощность;
• интегральные, объединяющие две предшествующие разновидности в единый прибор.

По элементной базе различают:

• ламповые;
• транзисторные;
• интегральные устройства.

По количеству подключаемых каналов приборы делятся на:

• одноканальные устройства;
• двухканальный девайсы;
• многоканальные усилители.

Важным критерием классификации является и область применения устройства:

1. Автомобильный усилитель звука.
2. Домашние аудио комплексы.
3. Концертная аппаратура.
4. Студийная аппаратура.

Классы усилителей звука

Выбирая усилитель звука для ноутбука или другого прибора, стоит обратить внимание и на класс понравившейся модели. Он демонстрирует сумму выходного сигнала в зависимости от схемы прибора в течение одного цикла работы при возбуждении входящим синусоидальным сигналом. Все классы можно условно разделить на группы:

1. Классическую, куда входят приборы класса А, В, АВ и С. Они считаются самыми качественными, дающими на выходе максимально «чистый» звук. В основе лежит ламповый или транзисторный способ преобразования, поэтому приборы применяются в домашней и профессиональной акустике.
2. Новую, к которой причисляются устройства класса D, E, F, G, T, D. В них используются цифровые схемы и широтно-импульсные модуляции. Такие устройства чаще применяются в малогабаритных приборах.
3. Отдельно стоит выделить класс H, используемый в автомобильной акустике.

Основные производители

Audient ASP 800 Компания из Великобритании Audient Ltd., основанная в 1997 году, представляет восьмиканальный микрофонный предусилитель модели ASP880. Все параметры, о которых говорилось выше, здесь весьма подробно описывает спецификация: аппарат имеет восемь каналов высококачественных микрофонных предусилителей. Каждый из них построен на дискретных элементах, они работают в режиме класса A. Это позволяет получить расширенную полосу пропускания с границей шумового диапазона, близкой к теоретическому пределу Джонсона. Назван он так в честь Джона Джонсона, который в 1928 году впервые открыл и описал шумы в проводниках. Еще одна модель, этой компании — ASP800. Manley Laboratories, Inc.

Manley Force Four Channel Mic Preamp​

Компания из США Manley Laboratories, Inc. особо выделяет, что все исследования и разработки, сборка, тестирование и контроль качества выполняются с «точностью и гордостью» на заводе Manley, расположенном в 35 милях к востоку от Лос-Анджелеса. Из ее линейки предусилителей посмотрим модель Manley Force Four Channel Mic Preamp, уже название которого сообщает, что аппарат имеет четыре входа с отдельным усилителем на каждый и выполнен на лампах. Так что истинные любители «мягкого» лампового звука будут довольны. Universal Audio, Inc.

Universal audio 4-710d

Компанию Universal Audio, Inc. основал инженер студийной записи и звукорежиссер Билл Патнэм в 1958 году в США. Она остается одной из ведущих фирм, производящих продукцию для звукозаписи: с аппаратурой Universal Audio работают профессиональные звукорежиссеры по всему миру. Prism Media Products Ltd.

Prism Sound Maselec MMA-4XR Four Channel Mic Pre

У одного из аппаратов британской компании Prism Media Products Ltd. довольно длинное название — Prism Sound Maselec MMA-4XR Four Channel Mic Pre. Эта модель имеет четыре микрофонных входа и выполнена на полупроводниках. Forusrite Audio Engineering Ltd.

Восьмиканальный микрофонный предусилитель Forusrite ISA 828 Еще одна британская компания — Forusrite Audio Engineering Ltd. предлагает восьмиканальный микрофонный предусилитель Forusrite ISA 828. В аннотации говорится, что он может буквально все — подарить «вторую жизнь» старым моделям микрофонов или достойно и с высоким качеством передать все лучшее от современных моделей.

Как выбрать усилитель звука?

Перед покупкой понравившуюся модель усилителя стоит внимательно изучить, а лучше протестировать в магазине в режиме реального времени. Лучшие усилители по качеству звука обладают следующими важными параметрами, указанными производителем:

1. Совпадение по мощности и частоте с акустическим прибором. Сначала выбирается акустика, а к ней усилитель, не наоборот.
2. Важно учитывать и площадь помещения, в котором будет работать аппаратура.
3. Лучше брать прибор с запасом мощности от предполагаемой величины при использовании, чтобы не эксплуатировать прибор на предельно возможных характеристиках.
4. Уровень интермодуляционных и переходных искажений в пределах 1-3%.
5. Показатель демпфирования (подавления паразитных колебаний мембран колонок) должен быть не менее 100.
6. Чем выше показатель сигнал/шум, тем качественнее и чище будет звук на максимальной громкости.
7. Частотный диапазон лучше выбирать тот, который переходит за слышимые человеческим ухом границы. Тогда качество воспринимаемой мелодии будет лучше.

Рейтинг усилителей звука

При подборе оптимальной модели усилителя звуковой частоты можно ориентироваться и на отзывы профессионалов акустического дела и обычных пользователей. В рейтинг популярных приборов неизменно входят:

1. SMSL SA-36A Plus
   – компактный прибор класса D с поддержкой беспроводной сети по протоколу Bluetooth. Стоимость – $70.

Подключение акустики

Для согласования усилителя с акустическими системами, а тем самым и для оптимальной эксплуатации всего комплекта аппаратуры, необходимо соблюсти несколько правил. Прежде всего усилитель должен обладать соответствующей мощностью, которая должна быть не меньше рекомендуемой для акустики, но и не больше. В первом случае не удастся раскачать акустику до требуемой громкости, а во втором возможно ее физическое разрушение. Рекомендуется, чтобы акустические системы обладали более высокой номинальной мощностью, чем максимальная мощность усилителя. Еще одним условием оптимальной эксплуатации усилителя является соответствие импеданса громкоговорителей рекомендованному. По этой причине общее сопротивление акустических систем должно быть не меньше указанного рядом с клеммами для подключения громкоговорителей. Даже в высококачественных усилителях иногда возникает проблема, связанная c тем, что рекомендуемая величина сопротивления составляет 8 Ом для одной пары громкоговорителей. Если их владелец захочет последовательно подключить две пары, то сопротивление должно составить 16 Ом, что значительно сужает выбор акустики. Более благоприятной является ситуация, когда усилитель обеспечивает возможность подключения нагрузки до 2 Ом. При выборе акустических систем отпадают заботы, связанные с величиной их сопротивления, поскольку даже самые низкие величины в частотной характеристике сопротивления, как правило, не опускаются ниже 2 Ом. В настоящее время наиболее часто встречаются акустические системы с сопротивлением 8, 6 или 4 Ом. Если есть подозрение, что у усилителя возникнут проблемы, связанные с низким сопротивлением нагрузки, то следует выбрать 8-омную акустику. Поскольку рынок предлагает большое количество таких систем, проблем с выбором не будет. Превышение мощности и плохая работа защиты могут вызвать перегорание силовых транзисторов или повреждение источника питания. Но даже при правильном согласовании подобные результаты могут быть вызваны резким падением сопротивления громкоговорителей на какой-нибудь частоте (наибольший риск представляют частоты собственного резонанса низкочастотной головки). Предпочтение следует отдавать громкоговорителям с минимальным изменением импеданса во всем рабочем диапазоне частот. На практике самым главным условием является согласование собственного вкуса и личной симпатии с качеством усилителя, характеристикой акустических систем и акустическими условиями помещения для прослушивания. Если эти аспекты соблюдены, то это позволит достичь столь желанного чувства удовлетворения. Время, затраченное на поиски “своей” системы, явится временем поиска нашей “правды”. Так что не будем слушать советы типа “Купи это и только это!” То, что отвечает нашим представлениям о хорошем звучании, каждый должен выбрать сам. Поэтому желаем всем много терпения, ясной головы и чистого сигнального тракта!

Усилитель звука своими руками

Некоторые аудиолюбители зная, как сделать усилитель звука, собирают прибор с нужными характеристиками самостоятельно. Для этих целей потребуются навыки работы с радиотехникой и следующие элементы:

1. Аудио штекер для моно сигнала, стерео сигнала или стерео сигнала с микрофоном. Оптимальный вариант – двухпиновый стерео штекер.
2. Динамики с одинаковой мощностью и сопротивлением звуковой катушки.
3. Трансформаторный блок питания нужной мощности, к примеру, 9 или 12 Вт.
4. Микросхема.
5. Электролитические конденсаторы нужного напряжения.
6. Переменный резистор для регулировки уровня громкости.
7. Разводка печатной платы.

Ход работ не представляет сложности для опытного электронщика:

1. Все выбранные элементы располагаются на печатной плате.
2. Соединение элементов проводится с помощью паяльника.
3. Подключаются вводы штекера и динамиков.
4. Устанавливается корпус.

Сравнение с фонокорректором

Фонокорректор необходим для коррекции АЧХ. Это усилитель-корректор с особой амплитудно-частотной характеристикой. Сигнал, поступаемый с магнитного картриджа, более низкий в сравнении с линейными источниками. Встраиваемый фонокоррекор позволяет напрямую подключать проигрыватель винила. С его помощью удается вернуть сигнал к первоначальному значению.

Изначально корректоры встраивали в усилители, отмечая вход надписью PHONO. Сейчас большинство устройств такого типа устарело, поэтому найти их практически невозможно. Платы можно купить отдельно, встроив к приборам с усилителем. Отличие между корректором и предусилителем заключается в том, что он возвращает звук к первоначальному уровню, а усилитель меняет его. В этом и заключается основная разница между устройствами.

Однако фонокорректор необходим при работе со звуком далеко не всегда. Например, если у предусилителя есть специальные входы Phono MM или МС (либо какой-то 1 из них), необходимости в использовании внешнего фонокорректора нет. Однако если устройство снабжено лишь линейными входами, обойтись без фонокорректора не получится. Он обеспечит необходимое звуковое напряжение.

Предусилитель хорош тем, что делает возможным коммутацию разных источников. Также он отвечает за плавность регулировки громкости, регулирование стереобаланса, ВЧ и НЧ, а в некоторых моделях отвечает и за «тонкомпенсацию». Отдельные устройства снабжены встроенными фонокорректорами со входами для ММ или МС (либо с обоими). Встраиваемые фонокорректоры являются атрибутами предусилителей.

Как пользоваться усилителем звука?

Основные правила использования усилителя звука на ПК, в автомобиле и домашней аудиосистеме стандартны:

1. Начинать важно с качественного прибора подходящего по характеристикам к выбранным проигрывателям и колонкам. Диссонанс системных требований приведет к снижению качества звука или поломке устройств.
2. Подключать устройство нужно, строго следуя прилагаемой к каждой модели инструкции.
3. После подключения важно перейти к настройкам прибора, если таковые имеются. Тестирование и подстройка могут проводиться как в ручном, так и автоматическом режиме. После этого можно наслаждаться качественным звучанием любимых мелодий.

Классификация по категориям

Классы интегральных усилителей мы уже рассмотрели

Теперь стоит обратить внимание на основные категории данных устройств. Их всего три

И различаются они по типу используемых компонентов. Естественно, отличается и качество звука в каждой категории. Итак, вот какие типы интегральных усилителей на данный момент имеются:

• Ламповые. По мнению многих, именно эти усилители выдают самый чистый, качественный и «правильный» звук. Их общая мощность не может быть высокой. А еще они очень дорогие, так как основной их компонент — дорогие лампы.
• Транзисторные. Здесь за усиление звука отвечают транзисторы. Они могут обеспечивать высокую удельную мощность и весьма неплохое качество звука. Именно эти модели наиболее популярны в настоящее время.
• Гибридные. Эти устройства сочетают в себе несколько элементов: лампы и транзисторы. Первые отвечают за «правильный» и качественный звук, а вторые его усиливают.

Именно такие типы интегральных усилителей существуют на данный момент. Схема интегрального усилителя, к какому бы типу он ни относился, предполагает, что все его компоненты заключены в один корпус. Это и есть основная особенность устройств такого типа. Однако есть еще такие штуки, как ресиверы, которые тоже формально считаются усилителями. Но у них есть определенные отличия.

Многие пользователи не понимают разницы между усилителями и ресиверами. Более того, они считают, то это одинаковые устройства. Да, они оба предназначены для усиления сигнала. Но принципиальная схема устройств и их начинка кардинально отличается. Для того чтобы осознать этот факт, пользователям необходимо объяснить, что именно представляют собой ресиверы и чем они отличаются от усилителей. Об этом и пойдет речь в следующей главе. Начнем с самых заметных отличий, а потом перейдем к менее очевидным вещам.

Как работает усилитель класса D, или Не такой как все

При всем разнообразии схемотехнических решений, применяемых в усилителях звука, между ними можно без труда проследить преемственность и постепенное, эволюционное развитие. Сначала был класс А, потом В, потом АВ и все следующие за ним, которые по сути своей являются дальнейшим развитием класса АВ или А со всеми прилагающимися к этому достоинствами и недостатками. Но как же хорошо, что среди производителей Hi-Fi есть настоящие новаторы, которые не боятся внедрять смелые технологические решения! Иначе мы с вами никогда бы и не узнали о существовании усилителей класса D.

История

В мире Hi-Fi класс D имеет самую тяжелую судьбу, и его развитие происходило не благодаря объективным преимуществам, а скорее вопреки сложившемуся мнению. Началось все с того, что классу D буквально сразу повесили обидный, по мнению некоторых аудиофилов, ярлык «цифровой усилитель». И хотя некоторые принципы его работы действительно напоминают работу цифровых схем, по своей сути это абсолютно аналоговое устройство.

Еще одно заблуждение сопровождающее класс D — возраст. Есть мнение, что класс D был разработан совсем недавно и является побочным продуктом современных цифровых технологий. На самом деле, класс D имеет богатую историю, и его первые реализации проектировались еще в эпоху радиоламп. Использовать схемотехнику такого типа для усиления звука (класс D в ламповом исполнении) предложил наш соотечественник Дмитрий Агеев, и произошло это в 1951 году. Примерно в это же время над практической реализацией подобного устройства работал английский ученый Алекс Ривз, а в 1955 году их коллега Роже Шарбонье из Франции, создавая аналогичную схему, впервые применил термин «класс D».

В самом начале, когда велись главным образом теоретические изыскания, судьба класса D казалась безоблачной. Его расчетные характеристики в буквальном смысле достигали предела совершенства. Однако, первая коммерческая реализация 1964 года выявила массу слабых мест, главное из которых — невозможность добиться по-настоящему достойного качества звучания на элементной базе того времени.

Производители не оставляли надежд, и в семидесятых годах попытки вывести усилители класса D на рынок предпринимали такие гиганты Hi-Fi-индустрии, как Infinity и Sony. Обе затеи провалились по той же самой причине, что и в первый раз. Подходящие по быстродействию и классу точности транзисторы стали производиться серийно лишь в восьмидесятых годах, после чего качественная реализация усилителей класса D и стала реальностью. В наше время усилители класса D можно встретить в совершенно различных устройствах: от смартфонов и бытовой аппаратуры до студийного оборудования и High End-систем.

Принцип работы

В основе принципа работы усилителей класса D и любых его модификаций, в том числе имеющих самостоятельные буквенные обозначения (классы T, J, Z, TD и другие), лежит принцип Широтно-Импульсной Модуляции или, сокращенно, ШИМ. Модуляция сигнала как метод существует довольно давно и используется как способ хранения и передачи информации. Суть ее заключается в том, чтобы модулировать полезным сигналом некую несущую частоту. Частота выбирается таким образом, чтобы ее было удобно передавать или записывать на носитель. Процесс воспроизведения подразумевает обратную последовательность: выделение полезного сигнала из модулированной несущей частоты. По такому принципу работает и цифровая техника, и радиосвязь, и теле-радиовещание. Тонкость состоит в том, что в случае с ШИМ преследуется совершенно иная цель. Модуляция позволяет привести сигнал в такой вид, чтобы его усиление было максимально простым и эффективным процессом.

В основе схемотехники класса D лежит генератор СВЧ-импульсов (исчисляемых сотнями МГц) несущей частоты и компаратор — устройство, модулирующие эти импульсы, соответственно форме входящего аналогового сигнала. Далее все просто. Модулированный сигнал имеет форму импульсов равной амплитуды, но разной продолжительности, которые усиливаются с помощью пары симметрично включенных быстродействующих транзисторов типа MOSFET. Далее в схеме используется простейший LC-фильтр, демодулирующий усиленный сигнал, а также отсекающий несущую частоту и сопутствующий высокочастотный шум.

Упоминание транзисторов, используемых для усиления порождает резонный вопрос: «а не проще было бы сразу усилить аналоговый сигнал без всяких модуляций?». И именно этот вопрос раскрывает суть усилителей класса D. В обычных усилителях классов A, B, G и прочих их производных транзистор работает с широкополосным сигналом, постоянно меняющимся и по амплитуде, и по частоте. Поведение даже самого лучшего транзистора на разных амплитудах и частотах не 100% одинаково, что неизбежно приводит к искажениям, которые мы знаем как окрашенность или «характер» усилителя. Модулированный сигнал в усилителях класса D меняется дискретно и на полную амплитуду. Таким образом, режим работы транзисторов существенно упрощается и становится куда более прогнозируемым. По сути, они выступают в роли ключа, находясь либо в закрытом, либо в открытом состоянии без промежуточных значений.

Все, что требуется в таком режиме от транзистора — максимально быстро реагировать на изменение уровня сигнала, а поведение его на промежуточных значениях амплитуды не имеет значения. Кроме того, данный режим работы транзистора крайне положительно сказывается на энергоэффективности усилителя, доводя его теоретический КПД до 100%.

Второй наиболее очевидный вопрос касается сходства модулированного аналогового и цифрового сигналов. Обычно это даже не вопрос, а утверждение: «Усилитель класса D — цифровой, а значит правильно подавать на его вход цифровой сигнал, а не аналоговый». Процесс модуляции аналогового сигнала на входе усилителя класса D, действительно, очень напоминает то, что происходит в АЦП при оцифровке звука, однако принцип модуляции принципиально отличается от того, что используется в формате PCM.

Именно по этой причине цифровые входы интегрированных усилителей, работающих в классе D, используют вполне традиционную схему ЦАПа, с аналогового выхода которой сигнал и поступает на вход платы усилителя мощности. Таким образом, аналоговый сигнал является основным и естественным входящим сигналом для усилителей класса D.

Впрочем, существуют и исключения, которые, если разобраться более детально, ничего не меняют в общей картине, а лишь дополняют типовую схемотехнику класса D. Небезызвестный Питер Лингдорф, еще будучи разработчиком в компании NAD, успешно реализовал схему прямого преобразования PCM-потока напрямую в формат ШИМ без традиционной процедуры цифроаналогового преобразования. Эта технология получила название Direct Digital, или говоря по-русски: прямое усиление цифрового сигнала.

Таким образом удалось сократить протяженность и понизить сложность звукового тракта, а единственное цифроаналоговое преобразование в подобной схеме производится непосредственно перед акустическими клеммами. Однако стоит заметить, что для работы такого усилителя с аналоговым сигналом он должен также иметь и классический входной каскад, использующийся в традиционных усилителях класса D.

На текущий момент технология прямого усиления «цифры» еще не стала массовым явлением, вероятно, потому что г-н Лингдорф грамотно оформил патентные права на технологию или просто предпочитает не раскрывать коллегам всех секретов. Но не так давно подобная схема была успешно реализована в портативной технике, что позволяет надеяться на более широкое распространение технологии в будущем. Не исключено, что спустя некоторое время класс D действительно станет цифровым усилителем.

Плюсы

Главный плюс усилителей класса D, ради которого и затевалась история с модуляцией сигнала — энергоэффективность. Причем и в теоретических выкладках, и в реальных цифрах это дает такой прирост КПД, с которым хоть как-то может сравниться разве что переход от класса А к классам В и АВ, а все достижения класса G и прочих на его фоне кажутся довольно слабой попыткой.

Работая в импульсном режиме, половину времени транзистор проводит в полностью закрытом состоянии, а значит имеет нулевой ток покоя и не потребляет энергии. При этом в момент включения транзистор работает на полную мощность, перенаправляя всю энергию, поступающую от блока питания, на выход усилителя.

В итоге, эти самые теоретические 100% КПД при практической реализации дают действительно превосходные значения порядка 90–95%. А поскольку лишь единицы процента энергии расходуются на нагрев транзисторов, радиаторы можно использовать исчезающе малого размера. Для получения на выходе 100–200 Вт на канал усилитель класса АВ должен иметь радиаторы, занимающие одну или обе боковых стенки корпуса, а усилитель класса D обойдется кусочком алюминия размером в один-два спичечных коробка.

Кстати, то же самое можно сказать о размере платы усилителя мощности: в классе D она получается в разы компактнее, даже если собирается не на микросхемах, а на дискретных элементах. Ну и в завершение всего, усилители класса D имеют меньшую себестоимость, нежели сопоставимые по мощности модели других классов. Впрочем, последнее касается скорее DIY-проектов — производители же предпочитают вкладывать сэкономленные деньги в повышение качества звучания и прочие усовершенствования, тем более что в классе D и вправду есть что улучшать.

Минусы

Обладая совершенно убийственными преимуществами, класс D не завоевал рынок Hi-Fi целиком и полностью лишь потому, что имеет свои слабые места, которые для многих ценителей качественного звука выглядят куда более значительными, нежели энергоэффективность. Наличие в схеме высокочастотного генератора само по себе является потенциальным источником электромагнитных помех, негативно влияющих на звучание самого усилителя и на работу соседствующих с ним компонентов звукового тракта.

Неподготовленный слушатель, возможно, не заметит данного эффекта или не придаст ему значения, но в индустрии Hi-Fi и High End, когда всякая мелочь имеет значение, такое соседство не приветствуется и вынуждает инженеров совершенствовать фильтрующие схемы и идти на прочие ухищрения, чтобы исключить влияние вредоносного СВЧ-генератора несущей частоты на воспроизводимый аудиосигнал.

Высокий КПД усилителей класса D стал причиной одной специфической особенности: высокой зависимости качества и характера звучания от блока питания. Если производитель решит использовать импульсный источник питания и не озаботится достаточным количеством фильтрующих схем, часть шумов обязательно проникнет в колонки и подпортит впечатление от звучания. Плохой блок питания, конечно, и классу АВ на пользу не пойдет, но именно в классе D эта проблема проявляется наиболее остро.

Особенности

Описание плюсов и минусов схемотехники класса D дают совершенно недвусмысленные намеки на то, чем в первую очередь должны заниматься разработчики, которые стремятся добиться от усилителей максимального качественного звука.

Проблему питания усилителей класса D разработчики решают двумя способами. Одни идут проверенным путем, используя классические линейные блоки питания с огромными тороидальными трансформаторами и прочими классическими решениями. Но есть и другой путь, которым идет меньшая часть разработчиков. При должном умении вполне можно создать малошумящий импульсный блок питания, пригодный для установки в усилителях высшего класса качества. И именно они способны дать фору самым мощным и солидным линейным блокам питания за счет лучшего КПД и быстродействия, а как следствие — лучшей динамики звучания и мгновенной реакции усилителя на большие перепады уровней сигнала.

Что же касается специфики работы самого усилителя класса D, его схемотехника обеспечивает существенно более высокий коэффициент демпфирования в сравнении с классом АВ и другими схемотехническими решениями. Это гарантирует не только стабильную работу со сложной нагрузкой, быстрый, четкий бас и большой динамический диапазон, но также обеспечивает меньший уровень искажений, отсутствие каши, вялой атаки или смазывания фронтов и самое главное — способность усилителя одинаково справляться с совершенно разноплановой музыкой.

Практика

Почетная обязанность отстаивать честь усилителей класса D в нашем исследовании выпала усилителю Marantz PM-KI RUBY. Этот аппарат имеет образцово-показательную компоновку, демонстрирующую, как нужно создавать современные усилители. Два модуля Hypex NCore 500, работающие в классе D, питаются от специального малошумящего импульсного блока питания. При этом в конструкции усилителя присутствует классический предварительный каскад, выстроенный на дискретных элементах, согласно фирменной технологии HDAM от Marantz, которая использовалась и в традиционных усилителях класса АВ.

Предварительный каскад питается от линейного блока питания, тороидальный трансформатор которого, судя по размерам, имеет многократный запас мощности, чтобы никоим образом не повлиять на динамику и чистоту звучания. Другими словами, в одном корпусе сочетаются два подхода: классический для предварительного усилителя и современный для усилителя мощности.

Все это обильно приправлено типичным для High End-моделей вниманием к мелочам вроде омедненного шасси, улучшенной виброразвязки, сокращения путей сигнала, симметричной топологии плат, строгого отбора деталей по параметрам и т.п.

В результате, мы имеем едва ли не самый совершенный с технической точки зрения аппарат с коэффициентом демпфирования 500, искажениями менее 0,005% и энергопотреблением 130 Вт при выходной мощности до 200 Вт на канал при 4 Ом нагрузки. Впрочем, всякую претензию на совершенство в мире звука надлежит проверить практикой.

Усилитель выдает очень свободное красивое звучание с превосходной детализацией, богатыми тембрами и длинными естественными послезвучиями живых инструментов. Сцена выстраивается максимально точно и масштабно, с достоверной передачей пропорций и местоположения виртуальных источников звука в пространстве. Все вполне соответствует представлениям о том, как должен играть хороший усилитель категории High End. Никакой синтетики, жесткости или «дискретности», которую в звучании класса D обнаруживают некоторые адепты старой школы, не наблюдается. Напротив, Marantz PM-KI RUBY успешно сочетает лучшие объективные характеристики с фирменной утонченной и легкой подачей музыкального материала.

Это типично «марантцовское» звучание проявляется, в первую очередь, в излишней интеллигентности при воспроизведении металла и тяжелого рока. В то же время классика любых составов, джаз и вокал звучат очень живо и натурально. Весьма похожий, возможно, даже чуть более красивый и приторный характер звучания проявляли усилители Marantz прошлых лет, работающие в классе АВ, что позволяет сделать вывод о нейтральном характере звучания усилителей мощности класса D.

Подключение к усилителю Marantz PM-KI RUBY акустики разной мощности, с разной чувствительностью и разным импедансом дало вполне ожидаемый результат: отсутствие какой либо выраженной реакции на изменение этих параметров. С любой стереопарой усилитель справлялся одинаково уверенно.

Даже на самой сложной нагрузке и на высокой громкости на удивление стабильно воспроизводились нижние ноты контрабаса — они звучали абсолютно четко, без гула, с натуральной передачей ощущения вибрирующей струны и откликающейся на эту вибрацию деки инструмента. Одним словом, все происходило ровно так, как и должно происходить с усилителем, имеющим заявленное сочетание мощности и коэффициента демпфирования.

Выводы

Все основные преимущества класса D вполне подтверждаются практикой. Но если с точки зрения энергопотребления и других измеряемых характеристик ситуация абсолютно очевидная и бесспорная, звучание по-прежнему остается вопросом дискуссионным. Класс D в чистом виде дает максимально качественный и, как следствие, — нейтральный, не окрашенный звук. Такое придется по вкусу далеко не всем и с наименьшей степенью вероятности порадует тех, чьи предпочтения формировались через прослушивание ламповой и прочей ретро-техники. С этой точки зрения разработчики Marantz продемонстрировали житейскую мудрость, придав своему усилителю фирменный характер звучания путем установки оригинальных модулей предварительного усиления. Одновременно с этим существуют другие производители, в том числе адепты максимально точного и нейтрального звучания, которые используют потенциал класса D, согласно своим представлениям о прекрасном.

В целом же, вывод такой: если производитель не экономил на ключевых элементах схемы, в результате мы получаем усилитель максимально близкий к совершенству. Остальное — дело вкуса.

Статья подготовлена при поддержке компании «Аудиомания», тестирование усилителей проходило в залах прослушивания салона.

Полезные материалы в разделе «Мир Hi-Fi» на сайте «Аудиомании» и Youtube-канале компании:

Как работает усилитель на транзисторе

Транзистор — это полупроводниковый прибор, который позволяет генерировать, создавать и усиливать электрические колебания. С помощью него можно усилить любой электрический сигнал. Разберем типовую. схему включения биполярного n-p-n транзистора.

Разбор схемы

Это моно-усилитель мощности звуковой частоты.

Транзистор VT1 является главным элементом в схеме усилителя. Поэтому схема называется транзисторный УНЧ (усилитель низкой частоты).

В данном случае используется n-p-n транзистор. Он включен по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Эта схема позволяет выжить максимум из транзистора. Она усиливает и напряжение, и ток одновременно. Итого максимальная мощность.

Как именно определяется схема включения? Входящий сигнал подается на базу и эмиттер, а выходящий снимается с коллектора и эмиттера. То есть, по сути, общий контакт эмиттер. Поэтому схема называется с общим эмиттером. Эмиттер – это силовая часть транзистора, которая позволяет усилить сигнал по максимуму.

Данная схема имеет один каскад усиления.

Что такое каскад

Каскад – это по сути этап усиления, который не зависит от другого. Бывают и двухкаскадные усилители. То есть, например, в схеме есть два транзистора. Один работает как предусилитель, и передает усиленный сигнал на вход второго. Поэтому схема называется двухкаскадной. Они не зависят друг от друга, но первый каскад передает сигнал на второй, что позволяет увеличить мощность сигнала.

Как питаемся схема

От качества питания зависит и качество усиления. С какими бы выдающимися характеристиками не был транзистор, если питание плохо отфильтровано или недостаточное, то усиление будет советующего качества.

На клеммы Х3 и Х4 подключается питание 6 В.

Эта схема может питаться и от аккумулятора. Однако, несмотря на то, что аккумулятор – это источник с минимальным шумом, у аккумулятора тоже есть свое сопротивление.

И чтобы оно не мешало и не влияло на работу усилителя, нужен сглаживающий и накопительный конденсатор.

Электролитический конденсатор С3 накапливает энергию источника питания, что позволяет улучшить качество усиления. Чем выше емкость – тем лучше. Естественно, у такого правила есть ограничения. Если поставить слишком большую емкость, то будет большая нагрузка на источник питания.

Во время проектирования схемы все эти параметры рассчитываются. Здесь в схеме у конденсатора С3 емкость 47 микрофарад – этого достаточно для нашего транзистора, поскольку у него не большая мощность, которую он может выдать. Можно поставить и большую емкость, например, 1000 микрофарад. Главное не нежно ставить конденсатор с меньшим пределом по напряжению. Если поставить конденсатор менее 6 В (питание схемы), то конденсатор начнет нагреваться и даже может взорваться.

Вход усилителя

Вход усилителя – это клеммы Х1 и Х2.

Х2 это минус входа, а Х1 – плюс. Так как схема на один канал, то УНЧ называется моно.

Можно подключить как левый канал, так и правый и оба сразу.

Фильтрация входного сигнала

Электролитический конденсатор С1 позволяет отделить постоянную составляющую входящего сигнала от переменной.

По-простому, он пропускает только переменный сигналю. Если сигнала нет, или вход усилителя замкнут, то без этого конденсатора транзистор может перейти в режим насыщения (максимальное усиление), и на выходе появится неприятный хрип.

Емкость конденсатора подобрана под частоту звукового сигнала. Звук начинается от 20 Гц и до 16 кГц.

Рабочая точка и смещение базы

Для того, чтобы транзистор не искажал входной сигнал, нужно его для начала чуть-чуть приоткрыть.

Это можно сделать при помощи делителя напряжения из двух резисторов R1 и R2. Этот делитель напряжения позволяет приоткрыть транзистор VT1 для того, чтобы входной сигнал не тратил свою электрическую энергию на его открытие.

Ток, который протекает через R1 и R2 поступает на базу транзистора VT1, который потом уходит через эмиттер, тем самым его открывая. Это называется базовое смещение транзистора, то есть его открытие. Напряжение смещения определяет рабочую точку. В данном случае усилитель А класса.

Как определяется класс усилителя

Класс усилителя определяется его рабочей точкой. Рабочая точка выбирается с помощью вольтамперной характеристики транзистора. Чем выше напряжение подается на вход транзистора, тем больше ток, тем выше рабочая точка.

Например, точка по центру это А класс.

А класс самый качественный из усилителей. Он усиливает как положительные, так и отрицательные полуволны входного сигнала. В то же время, у этого класса есть существенный недостаток. Это ограничение мощности и снижение энергоэффективности. Дело в том, что пока на вход УНЧ не поступает входной сигнал, он работает все время, пока он включен.

Получается, что при это расходуется лишняя электроэнергия. Поэтому, еще рабочая точка называется точкой покоя, когда усилитель не усиливает входной сигнал.

Также от рабочей точки зависит и чувствительность усилителя.

Еще есть B класс, AB и D. Они отличаются друг от друга по эффективности усиления и наличию искажений. Все зависит от используемой схемы.

Например. D класс вообще не открывает транзистор, однако с точки зрения энергоэффективности – это самый лучший выбор. Транзистор в покое не потребляет ничего, он включается только при подаче входного сигнала. И при этом если на вход подается аналоговый звуковой сигнал, то он искажается. Такой класс не подойдет для схемы, которую разбираем в этой статье.

А режим АВ применяется в схемах, где есть несколько транзисторов, которые работают на свои полуволны. Есть схемы, где один транзистор усиливает только положительные полуволны, а второй только отрицательные. Такие усилители называются двухтактными.

Стабилизация работы схемы

Когда полупроводник нагревается, его сопротивление уменьшается. Транзистор сделан из полупроводника, и соответственно его p-n переходы тоже.

При работе схемы УНЧ ток течет через транзистор, и он нагревается. Обычно вся мощность рассеивается на коллекторе. И тем не менее, характеристики транзистора резко меняются, поскольку сопротивление его p-n переходом резко снижается по мере повышения температуры.

Чтобы стабилизировать работу транзистора, нужно сбалансировать его сопротивление другим источником. Это можно сделать при помощи дополнительного сопротивления.

Когда сопротивление транзистора VT1 уменьшается, резистор R3 забирает часть напряжения на себя и не позволяет увеличить ток в цепи.

Благодаря этому транзистор:

• не закрывается;
• не переходит в режим насыщения;
• не искажает сигнал;
• и не перегревается.

Это называется термостабилизация работы усилителя.

А чтобы в нормальном режиме работы, когда VT1 не нагревается, резистор R3 не уменьшал мощность схемы, в цепь включен шунтирующий электролитический конденсатор C2. Через него переменная составляющая входного сигнала проходит без потерь.

Выход усилителя

На выход к усилителю можно подключить как другой усилитель, который усилит сигнал еще больше, так и динамическую головку.
Динамическая головка — это обычный динамик. Он воспроизведёт звук с выхода транзистора VT1.

Однако и тут есть много нюансов.

Если сопротивление выхода транзистора намного больше, чем у динамической головки, то он не сможет передать всю мощность. Как минимум большая часть напряжения останется на его контактах.

Для данной схемы нужен динамик с сопротивлением около 1 кОм.

Если поставить меньше, например, на 4 Ома, то и половина мощности не воспроизведется, а коллектор VT1 начнет еще сильнее нагреваться.

Согласование сопротивлений входа, выхода и нагрузки усилителя рассчитывается на этапе проектирования схемы. Поэтому не следует их нарушать.

Как протекает ток по схеме

В начальный момент времени, при подключении питания, электролитический конденсатор С3 заряжается, и начинят питать коллектор и эмиттер транзистора VT1. А также ток проходит через делитель напряжения.

Делитель напряжения R1, R2 смещает базу VT1. Начинает течь ток смещения база-эмиттер (Б-Э), тем самым устанавливается рабочая точка УНЧ.

Когда входной сигнал поступает на клемму Х1, он проходит С1 и через делитель поступает на базу VT1 и частично уходит через эмиттер.

Входной сигнал притягивается коллектором VT1 и тем самым усиливается.

Та часть переменного сигнала, которая перешла на эмиттер транзистора, усиливается эмиттерными током. Он свободно проходит через С2, который в паре с R3 стабилизирует режим работы усилителя от перегрева и искажений.

В итоге входной сигнал усиленный коллекторно-эмиттерным (К-Э) током VT1 поступает на выход, то есть на динамическую головку BF1.

От чего зависит мощность схемы

У этой схемы есть ограничения. Можно поменять VT1 КТ315 на более мощный, у которого коэффициент усиления будет выше, но этот лимит усиления не бесконечный.

В первую очередь, все зависит от используемого транзистора. Если поменять его на более мощный, то и усиление будет выше. Но следует помнить, что чем мощнее транзистор, тем мощнее нужен входной сигнал. К тому же, придется сделать перерасчет всех компонентов. И подключать предусилитель, собирать схему блока питания, а это уже будет совсем другая схема.

У транзисторов есть ряд параметров, которые влияют на схему. Это коэффициент усиления по току (h21э), напряжению, мощности. А также важный параметр — это рассеиваемая мощность на коллекторе. С повышением мощности потребуется радиатор для отвода тепла.

Как собрать схему

Схему можно собрать на текстолите или на макетной плате. Перейдите по ссылке на эту статью, в ней подробнее описывается процесс сборки и проверки схемы.

Используйте качественные детали и хороший припой. Она рабочая. Это вообще классическая схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером.

Также на сайте есть и другие схемы усилителей, которые не сложны в сборке и не дорогие по стоимости деталей.

Как проверить работу схемы

Достаточно прикоснуться до входа УНЧ отверткой, и на выходе послышаться треск. Это переменная наводка, которая усилится схемой.

Как работает усилитель звуковой частоты

Добрый день уважаемый хабраюзер, я хочу рассказать тебе о основах построения усилителей звуковой частоты. Я думаю эта статья будет интересна тебе если ты никогда не занимался радиоэлектроникой, и конечно же она будет смешна тем кто не расстаётся с паяльником. И поэтому я попытаюсь расказать о данной теме как можно проще и к сожалению опуская некоторые нюансы.

Усилитель звуковой частоты или усилитель низкой частоты, что бы разобраться как он всё таки работает и зачем там так много всяких транзисторов, резисторов и конденсаторов, нужно понять как работает каждый элемент и попробовать узнать как эти элементы устроены. Для того что бы собрать примитивный усилитель нам понадобятся три вида электронных элементов: резисторы, конденсаторы и конечно транзисторы.

Резистор

Итак, резисторы у нас характеризуются сопротивлением электрическому току и это сопротивление измеряется в Омах. Каждый электропроводящий металл или сплав металлов имеют своё удельное сопротивление. Если мы возьмём проволоку определённой длинны с большим удельным сопротивлением, то у нас получится самый настоящий проволочный резистор. Для того что бы резистор был компактным, проволоку можно намотать на каркас. Таким образом у нас получится проволочный резистор, но он имеет ряд недостатков, поэтому резисторы обычно изготавливаются из металлокерамического материала. Вот так обозначаются резисторы на электрических схемах:

Верхний вариант обозначения принят в США, нижний в России и в Европе.

Конденсатор

Конденсатор представляет из себя две металлических пластины разделённые диэлектриком. Если мы подадим на эти пластины постоянное напряжение, то появится электрическое поле, которое после отключения питания будет поддерживать на пластинах положительный и отрицательный заряды соответственно.

Основа конструкции конденсатора — две токопроводящие обкладки, между которыми находится диэлектрик

Таким образом конденсатор способен накапливать электрический заряд. Эта способность накапливать электрический заряд называется электрическая ёмкость, что есть главный параметр конденсатора. Электрическая ёмкость измеряется в Фарадах. Что ещё характерно, это то что когда мы заряжаем или разряжаем конденсатор, через него идёт электрический ток. Но как только конденсатор зарядился, он перестаёт пропускать электрический ток, а это потому что конденсатор принял заряд источника питания, то есть потенциал конденсатора и источника питания одинаковые, а если нет разности потенциалов (напряжения), нет электрического тока. Таким образом, заряженный конденсатор не пропускает постоянный электрический ток, но пропускает переменный ток, так как при подключении его к переменному электрическому току, он будет постоянно заряжаться и разряжаться. На электрических схемах его обозначают так:

Транзистор

В нашем усилителе мы будем использовать самые простые биполярные транзисторы. Транзистор изготавливают из полупроводникового материала. Нужное для нас свойство это материала, — наличие в них свободных носителей как положительных, так и отрицательных зарядов. В зависимости от того каких зарядов больше, полупроводники различают на два типа по проводимости: n-тип и p-тип (n-negative, p-positive). Отрицательные заряды — это электроны, освободившиеся с внешних оболочек атомов кристаллической решетки, а положительные — так называемые дырки. Дырки — это вакантные места, остающиеся в электронных оболочках после ухода из них электронов. Условно обозначим атомы с электроном на на внешней орбите синим кружком со знаком минус, а атомы с вакантным местом — пустым кружком:

Каждый биполярный транзистор состоит из трёх зон таких полупроводников, эти зоны называют база, эмиттер и коллектор.

Рассмотрим пример работы транзистора. Для этого подключим к транзистору две батарейки на 1,5 и на 5 вольт, плюсом к эмиттеру, а минусом к базе и коллектору соответственно (смотрим рисунок):

На контакте базы и эмиттера появится электромагнитное поле, которое буквально вырывает электроны с внешней орбиты атомов базы и переносит их в эмиттер. Свободные электроны оставляют за собой дырки, и занимают вакантные места уже в эмиттере. Это же электромагнитное поле оказывает такое же воздействие на атомы коллектора, а так как база в транзисторе достаточно тонкая относительно эмиттера и коллектора, электроны коллектора достаточно легко проходят сквозь неё в эмиттер, причём в гораздо большем количестве чем из базы.

Если же мы отключим напряжение от базы, то никакого электромагнитного поля не будет, а база будет выполнять роль диэлектрика, и транзистор будет закрыт. Таким образом при подаче на базу достаточно малого напряжения, мы можем контролировать большее поданное напряжение на эмиттер и коллектор.

Рассмотренный нами транзистор pnp-типа, так как у него две p-зоны и одна n-зона. Так же существуют npn-транзисторы, принцип действия в них такой же, но электрический ток течёт в них в противоположную сторону, чем в рассмотренном нами транзисторе. Вот так биполярные транзисторы обозначаются на электрических схемах, стрелка указывает направление тока:

Ну что ж, попробуем спроектировать из этого всего усилитель низкой частоты. Для начала нам нужен сигнал который мы будем усиливать, это может быть звуковая карта компьютера или любое другое звуковое устройство с линейным выходом. Допустим наш сигнал с максимальной амплитудой примерно 0,5 вольта при токе 0,2 А, примерно такой:

А что бы заработал самый простой 4-х омный 10 ваттный динамик, нам нужно увеличить амплитуду сигнала до 6 вольт, при силе тока I = U / R = 6 / 4 = 1,5 A.

Итак, попробуем подключить наш сигнал к транзистору. Вспомните нашу схему с транзистором и двумя батарейками, теперь вместо 1,5 вольтовой батарейки у нас у нас сигнал линейного выхода. Резистор R1 выполняет роль нагрузки, дабы не было короткого замыкания и наш транзистор не сгорел.

Но тут возникают сразу две проблемы, во-первых наш транзистор npn-типа, и открывается только при положительном значении полуволны, а при отрицательном закрывается.

Во-вторых транзистор, как и любой полупроводниковый прибор имеет нелинейные характеристики в отношении напряжения и тока и чем меньше значения тока и напряжения тем сильнее эти искажения:

Мало того что от нашего сигнала осталась только полуволна, так она ещё и будет искажена:

Это есть так называемое искажение типа ступенька.

Чтобы избавиться от этих проблем, нам нужно сместить наш сигнал в рабочую зону транзистора, где поместится вся синусоида сигнала и нелинейные искажения будут незначительны. Для этого подают на базу напряжение смещения, допустим в 1 вольт, с помощью составленного из двух резисторов R2 и R3 делителя напряжения.

А наш сигнал входящий в транзистор будет выглядеть вот так:

Теперь нам нужно изъять наш полезный сигнал с коллектора транзистора. Для этого установим конденсатор C1:

Как мы помним конденсатор пропускает переменный ток и не пропускает постоянный, поэтому он нам будет служить фильтром пропускающим только наш полезный сигнал — нашу синусоиду. А постоянная составляющая не прошедшая через конденсатор будет рассеиваться на резисторе R1. Переменный же ток, наш полезный сигнал, будет стремиться пройти через конденсатор, так сопротивление конденсатора для него ничтожно мало по сравнению с резистором R1.

Вот и получился первый транзисторный каскад нашего усилителя. Но существуют ещё два маленьких нюанса:

Мы не знаем на 100% какой сигнал входит в усилитель, вдруг всё таки источник сигнала неисправен, всякое бывает, опять же статическое электричество или вместе с полезным сигналом проходит постоянное напряжение. Это может стать причиной не правильной работы транзистора или даже спровоцировать его поломку. Для этого установим конденсатор С2, он подобно конденсатору С1 будет блокировать постоянный электрический ток, а так же ограниченная ёмкость конденсатора не будет пропускать пики большой амплитуды, которые могут испортить транзистор. Такие скачки напряжения обычно происходят при включении или отключении устройства.

И второй нюанс, любому источнику сигнала требуется определённая конкретная нагрузка (сопротивление). По этому для нас важно входное сопротивление каскада. Для регулировки входного сопротивления добавим в цепь эмиттера резистор R4:

Теперь мы знаем назначение каждого резистора и конденсатора в транзисторном каскаде. Давайте теперь попробуем рассчитать какие номиналы элементов нужно использовать для него.

• U = 12 В — напряжение питания;
• U бэ

• P max = 200 мВт — максимальная рассеиваемая мощность;
• I max = 100 мА — максимальный постоянный ток коллектора;
• U max = 18 В — макcимально допустимое напряжение коллектор-база / коллектор-эмиттер (У нас напряжение питания 12 В, так что хватает с запасом);
• U эб = 5 В — макcимально допустимое напряжение эмиттер-база (наше напряжение 1 вольт ± 0,5 вольта);
• h21 = 75-225 — коэффициент усиления тока базы, принимается минимальное значение — 75;

P ст.max = 0,8*P max = 0,8 * 200мВт = 160 мВт;

I к0 = P ст.max / U кэ, где U кэ — напряжение перехода коллектор-эмиттер. На транзисторе рассеивается половина напряжения питания, вторая половина будет рассеиваться на резисторах:

U кэ = U / 2;

I к0 = P ст.max / (U / 2) = 160 мВт / (12В / 2) = 26,7 mA;

R н = R1 + R4, где R н — общее сопротивление нагрузки;

Отношение между R1 и R4 обычно принимается 1 к 10:

R1 = R4*10;

Рассчитаем сопротивление нагрузки:

R1 + R4 = (U / 2) / I к0 = (12В / 2) / 26,7 mA = (12В / 2) / 0,0267 А = 224,7 Ом;

Ближайшие номиналы резисторов это 200 и 27 Ом. R1 = 200 Ом, а R4 = 27 Ом.

U к0 = (U кэ0 + I к0 * R4) = (U — I к0 * R1) = (12В -0,0267 А * 200 Ом) = 6,7 В;

I б = I к / h21, где I к — ток коллектора;

I к = (U / R н);

I б = (U / R н) / h21 = (12В / (200 Ом + 27 Ом)) / 75 = 0,0007 А = 0,7 mA;

R2 + R3 = U / I дел = 12В / 0,007 = 1714,3 Ом

U э = I к0 * R4 = 0,0267 А * 27 Ом = 0,72 В

Да, I к0 ток покоя коллектора, но этот же ток проходит и через эмиттер, так что I к0 считают током покоя всего транзистора.

U б = U э + U см = 0,72 + 1 = 1,72 В

Теперь с помощью формулы делителя напряжения находим значения резисторов R2 и R3:

R3 = (R2 + R3) * U б / U = 1714,3 Ом * 1,72 В / 12 В = 245,7 Ом;

Ближайший номинал резистора 250 Ом;

R2 = (R2 + R3) — R3 = 1714,3 Ом — 250 Ом = 1464,3 Ом;

Номинал резистора выбираем в сторону уменьшения, ближайший R2 = 1,3 кОм.

Заключение

На выходе каскада мы получаем пропорционально усиленный сигнал и по току и по напряжению, то есть по мощности. Но одного каскада нам не хватит для требуемого усиления, так что придётся добавлять следующий и следующий… И так далее.

Рассмотренный расчёт довольно поверхностный и такая схема усиления конечно же не используется в строении усилителей, мы не должны забывать о диапазоне пропускаемых частот, искажениях и многом другом.