Не стоит, наверное, возвращаться к временам изобретения радио (Попов нас, надеюсь, простил бы), а лучше сразу посмотрим, какие усилители звуковых частот (УЗЧ) “нужны народу”. К электронным усилителям относятся устройства, в которых усиление электрических сигналов выполняют всевозможные полупроводниковые приборы.

Как сделать качественный усилитель звука

В недалеком прошлом этим “занимались” электронные лампы. Главное преимущество ламп — они не боятся радиации, а фанаты Hi-End по-прежнему утверждают, что ламповые усилители мощности звучат “чище”, “прозрачнее”… и еще “куча” подобных эпитетов. Но все это, в конце концов, не стало определяющими факторами, поскольку ламповые усилители “страдают” низким КПД, большими габаритами и массой.

В затяжной “борьбе” победил “песок” (основной его компонент — кремний). Есть еще и другие полупроводниковые материалы, из которых можно делать различные электронные элементы, но они либо хуже кремния по некоторым параметрам (например, германий), либо слишком дороги (арсенид галлия). В общем, все “построено на песке” ввиду его дешевизны и больших запасов.

Другие материалы тоже находят применение, но, как правило, там, где нужны их специфические свойства. Например, арсенид галлия используют для изготовления СВЧ-генераторных диодов (Ганна), а антимонит индия — для изготовления полупроводниковых приемников инфракрасного излучения, работающих при температуре 77°К (-196°С), то есть при охлаждении их жидким азотом.

Радиолюбителям это пока не надо, поэтому рассмотрим “песчаные” элементы. На рис.1 показана схема одного из первых операционных усилителей LM709 (К153УД1). Вся эта достаточно “приличная” схема вместе со всеми своими транзисторами и резисторами изготавливается на одном маленьком кристаллике кремния.

“Творить” такой усилитель на дискретных элементах, надеемся, никто не будет, а при необходимости воспользуется готовой микросхемой, тем более, что помимо этой, есть еще “тьма” операционных усилителей с лучшими параметрами, и вообще выбор интегральных операционных усилителей настолько широк, что может удовлетворить любого конструктора.

Давайте посмотрим, на что способен LM709, на примере, надеюсь, уже знакомого всем инвертирующего усилителя [1]. Но на всякий случай (а вдруг кто-нибудь забыл) его схема показана на рис.2. Возьмем амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) ОУ при заданном коэффициенте усиления К=1000 (60 дБ), показанную линией 1 на рис.З, и попробуем внимательно рассмотреть. Напомним, что коэффициент усиления задается отношением:

К=R2/R1

и в нашем случае будет равен 1000. Минус означает, что выходной сигнал будет проинвертирован. Однако картина, скажем прямо, не радостная. Получается, что усилитель имеет верхнюю рабочую частоту (по уровню 0,7) всего-то 1 килогерц. Такой “хоккей”, скорее всего, никому не нужен. Однако давайте не забывать, что этот усилитель содержит (если не “лезть”, конечно, внутрь микросхемы) всего три элемента, да и взяли мы далеко не лучший операционный усилитель.

Но не будем спешить. Посмотрим, что будет с его АЧХ, если в этом же усилителе установить коэффициент усиления К=100 (40 дБ). Для этого в схеме на рис.2 всего лишь необходимо номинал резистора R2 сделать равным 100 кОм. То, что произошло с АЧХ в результате такой манипуляции, показывает линия 2 на рис.3. Получилось, что верхняя граничная частота (по уровню 0,7) возросла и стала уже равной 10 килогерц. Посмотрим еще АЧХ, получающуюся при К=10, а потом попробуем сделать выводы.

АЧХ усилителя при К=10 (20 дБ) показана на рис.3 линией 3. Обратите внимание на то, что, имея различные коэффициенты усиления на низких частотах, высокие частоты он усиливает практически одинаково, хотя и слабовато. Получается, что более широкая полоса пропускания одновременно с большим коэффициентом усиления на одном “операционнике” не достигается.

Конечно, можно взять какой-нибудь более высокочастотный усилитель, но это, как говорится, решение задачи “в лоб”. А если у кого-то такой микросхемы просто нет, а “сильно усилить” звуковой сигнал очень надо? Чтобы решить эту задачу и получить коэффициент усиления около 1000 (60 дБ) с приемлемой полосой пропускания, попробуем включить последовательно два каскада с К=33 и верхней граничной частотой fв = 45 кГц. Такой усилитель показан на рис.4. Получившийся двухкаскадный усилитель будет иметь усиление немного больше 1000 при такой же верхней граничной частоте, как и один его каскад.

Чтобы наглядно представить разницу в частотных характеристиках однокаскадного (рис.2) и двухкаскадного (рис.4) усилителей с практически одинаковыми коэффициентами усиления, “нарисуем” их характеристики на одном рисунке (рис.5, кривые 1 и 2 соответственно). Даже бегло взглянув на эту картинку, можно сказать, что наша затея получить что-нибудь хорошее из чего-нибудь не очень хорошего удалась!

Итак, включив последовательно два ОУ (далеко не “самых-самых”), нам удалось сделать усилитель с коэффициентом усиления около 1000 (60 дБ) и верхней рабочей частотой приблизительно 45 кГц. Конечно, мы рисовали упрощенную схему включения операционного усилителя. В нем нет внутренней частотной коррекции, и при небольших коэффициентах усиления ОУ может “завестись”, т.е. самовозбудиться. Поэтому на рис.6 приведены внешние корректирующие цепи и номиналы элементов К153УД1 в зависимости от коэффициента усиления. А можно взять ОУ с внутренней коррекцией, например, К140УД7. Цоколевка у них одинаковая.

Теперь надо оговориться, что все это справедливо для усиления сигналов по напряжению, т.е. для небольшой мощности. Чтобы получить на выходе мощность, достаточную для подключения какой-нибудь динамической головки, необходимо заставить усилитель звука работать на низкоомную нагрузку и обеспечивать в этой нагрузке “приличный” ток.

Обычно для этой цели используется транзисторный каскад, в котором транзисторы включены по схеме с общим коллектором или, еще говорят, как эмиттерные повторители. Но если включить на выходе просто двухтактный эмиттерный повторитель на транзисторах различной проводимости, как показано на рис.7, то ничего хорошего из этого не получится.

На рис.8а показано, что если на вход такого каскада подать красивое синусоидальное напряжение амплитудой 1 В, то на выходе такого каскада получится нечто такое, что назвать синусоидой язык не повернется (рис.86). Виновата в этом входная характеристика транзистора.

Ведь если на базу кремниевого транзистора подать сигнал с амплитудой, меньшей чем 0,6В, то транзистор его просто “не заметит”, поскольку у него, как и у диода, существует барьерный потенциал, не преодолев который нечего и думать чего-нибудь там усиливать.

В общем, нам ничего не остается, кроме как с помощью каких-то схемных ухищрений попробовать “выравнять” выходной сигнал и вернуть ему “красоту”. То, что сигнал уменьшился, не так страшно, его можно просто усилить, а вот для того чтобы “победить” получившуюся “ступеньку”, придется добавить в схему несколько дополнительных деталей. Рассмотрим простой усилитель звуковой частоты, в котором все это уже сделано (рис.9).

Выходная мощность этого усилителя — около 0,5 Вт. Но не это главное. Посмотрите еще раз на рис.8. Обратите внимание, что сделал с сигналом выходной каскад, изображенный на рис.7, и сравните с тем, как “обходится” с сигналом каскад с рис.9. Результаты его работы показаны на рис.10. Пришлось, правда, усложнить схему, но зато что подали на вход каскада, то и получили на выходе, только значительно мощнее.

Не забывайте, что используемый здесь выходной двухтактный эмиттерный повторитель работает при достаточно большом начальном токе (токе покоя), т.е. в так называемом классе А, и совсем “не обязан” усиливать сигнал по напряжению. Он просто не может этого делать “по определению”, поскольку повторитель! В каскаде можно использовать диод КД522А, транзисторы КТ6116Б и КТ6117Б (КТ815 и КТ814).

В общем, мы подошли к рассмотрению усилителя мощности звуковой частоты (УМЗЧ). Но чтобы разговор получился более осмысленным, и начинающие радиолюбители могли реализовать прочитанное с пользой для себя на практике, необходимо для начала разобраться, что же понимать под выходной мощностью усилителя и как определить, какую максимальную выходную мощность можно получить при заданном напряжении питания в конкретной схеме. В этом нам поможет разобраться рис.11.

Ни для кого не секрет, что мощность, рассеиваемая в резисторе при прохождении через него тока
I, можно выразить формулой

P = U*I или P= U²/R

Ничего, вроде, сложного нет, но вот только что считать максимальным выходным напряжением? Мы имеем дело с переменным напряжением, и для расчетов, как учат умные книги, необходимо использовать его эффективное значение Uэ:

Uэ=UA/1,4

где UА — амплитудное значение переменного напряжения синусоидальной формы. Выходное напряжение любого усилителя не может быть больше его напряжения питания. То есть синусоида должна “вмещаться” в промежуток между минимальным (в нашем случае 0) и максимальным (у нас это +Uпит) напряжениями.

На рис. 11 показано, как это должно выглядеть. Правда, здесь синусоида не доходит ни до нуля, ни до напряжения питания. Но это потому, что выходные транзисторы имеют определенное напряжение насыщения, и поэтому у них (транзисторов) никак не получится идеально подключить нагрузку ни к нулю, ни к питанию. На рисунке эти напряжения обозначены: U1— максимальное напряжение и U2 — минимальное. Положим

Uпит – U1 = U2 = 1,5 (В)

В различных схемах эта величина может быть и другой, но для примера возьмем эту. В данном случае удвоенное амплитудное значение (размах) максимального выходного напряжения усилителя при питании его от 15В равно

2UBыx max = Uпит – 3В = 15 – 3 = 12 (В)

Но так как амплитудное значение размаха больше удвоенного эффективного размаха в 2,8 раза, получим

Uэф = 12/2,8 = 4,3(В)

Тогда максимальная выходная мощность на нагрузке 50 Ом:

P=4,3²/50=0,37 (Вт)

Нетрудно догадаться, что если нагрузка усилителя с напряжением питания 15В будет 5Ом, то его максимальная выходная мощность может быть равна 3,7 Вт. Это, конечно, немного, и хотелось бы при небольшом напряжении питания получить что-нибудь “посущественней”.

Начала статьи: Как собрать усилитель звука

Конец статьи: Как собрать усилитель звука своими руками