1. Назначение и область применения

Усилитель звуковой частоты (УЗЧ), усилитель низкой частоты (УНЧ), усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) -- прибор (электронный усилитель) для усиления электрических колебаний, соответствующих слышимому человеком звуковому диапазону частот, таким образом к данным усилителям предъявляется требование усиления в диапазоне частот от 20 до 20 000 Гц по уровню -3 дБ, лучшие образцы УЗЧ имеют диапазон от 0 Гц до 200 кГц, простейшие УЗЧ имеют более узкий диапазон воспроизводимых частот. Может быть выполнен в виде самостоятельного устройства, или использоваться в составе более сложных устройств--телевизоров, музыкальных центров, радиоприёмников, радиопередатчиков, радиотрансляционной сети.

Усилители низкой частоты наиболее широко применяются для усиления сигналов, несущих звуковую информацию, в этих случаях они называются, также, усилителями звуковой частоты, кроме этого УНЧ используются для усиления информационного сигнала в различных сферах: измерительной технике и дефектоскопии; автоматике, телемеханике и аналоговой вычислительной технике; в других отраслях электроники.

Усилитель звуковых частот обычно состоит из предварительного усилителя и усилителя мощности (УМ). Предварительный усилитель предназначен для повышения мощности и напряжения и доведения их до величин, нужных для работы оконечного усилителя мощности, зачастую включает в себя регуляторы громкости, тембра или эквалайзер, иногда может быть конструктивно выполнен как отдельное устройство. Усилитель мощности должен отдавать в цепь нагрузки (потребителя) заданную мощность электрических колебаний. Его нагрузкой могут являться излучатели звука: акустические системы(колонки), наушники (головные телефоны); радиотрансляционная сеть или модулятор радиопередатчика. Усилитель низких частот является неотъемлемой частью всей звуковоспроизводящей, звукозаписывающей и радиотранслирующей аппаратуры.

Классификация:

По режиму работы выходного каскада

В зависимости от режима работы выходного каскада усилители делятся на:

· класс, или режим «A» -- режим работы, в котором каждый активный прибор (лампа или транзистор) выходного каскада всегда работает в линейном режиме. При воспроизведении гармонических сигналов угол отсечки активного прибора равен 360°: прибор никогда не закрывается и, как правило, никогда не переходит в режим насыщения или ограничения тока. Все линейные однотактные усилители работают в режиме А.

· класс «AB» -- режим работы двухтактного каскада, промежуточный между режимами А и В. Угол отсечки каждого активного прибора существенно больше 180°, но меньше 360°.

· класс «B» -- режим работы двухтактного каскада, в котором каждый активный прибор воспроизводит с минимальными искажениями сигнал одной полярности (либо только положительные, либо только отрицательные значения входного напряжения). При воспроизведении гармонических сигналов угол отсечки активного прибора равен 180° или несколько превышает это значение. Для уменьшения нелинейных искажений при переходе сигнала через ноль выходные лампы или транзисторы работают с небольшими, но не нулевыми токами покоя. Установка нулевого тока покоя переводит каскад из режима B в режим С: угол отсечки уменьшается до менее 180°, при переходе через ноль оба плеча двухтактной схемы находятся в отсечке. Режим С в звуковой технике не применяется из-за недопустимо высоких искажений.

· класс «D» -- режим работы двухтактного каскада, в котором каждый активный прибор работает в ключевом режиме. Управляющая схема преобразует входной аналоговый сигнал в последовательность импульсов промодулированных по ширине (ШИМ), управляющих мощными выходными ключами. Выходной LC-фильтр, включённый между ключами и нагрузкой, демодулирует импульсы выходного тока.

Режиму А свойственны наилучшая линейность при наибольших потерях энергии, режиму D -- наименьшие потери при удовлетворительной линейности. Совершенствование базовых схем в режимах А, AB, B и D породило целый ряд новых «классов», от «класса АА» до «класса Z». Одни из них, например, конструктивно схожие усилители звуковых частот «класса S» и «класса АА», подробно описаны в литературе, другие («класс W», «класс Z») известны только по рекламе производителей.

По типу применения в конструкции усилителя активных элементов:

· ламповые -- на электронных лампах. Составляли основу всего парка УНЧ до 70-х годов. В 60-х годах выпускались ламповые усилители очень большой мощности (до десятков киловатт). В настоящее время используются в качестве инструментальных усилителей и в качестве звуковоспроизводящих усилителей. Составляют львиную долю аппаратуры класса HI- END. А также занимают большую долю рынка профессиональной и полупрофессиональной гитарной усилительной аппаратуры.

· транзисторные -- на биполярных или полевых транзисторах. Такая конструкция оконечного каскада усилителя является достаточно популярной, благодаря своей простоте и возможности достижения большой выходной мощности, хотя в последнее время активно вытесняется усилителями на базе интегральных микросхем.

· интегральные -- на интегральных микросхемах (ИМС). Существуют микросхемы, содержащие на одном кристалле как предварительные усилители, так и оконечные усилители мощности, построенные по различным схемам и работающие в различных классах. Из преимуществ -- минимальное количество элементов и, соответственно, малые габариты.

· гибридные -- часть каскадов собрана на полупроводниковых элементах, а часть на электронных лампах. Иногда гибридными также называют усилители, которые частично собраны на интегральных микросхемах, а частично на транзисторах или электронных лампах.

· на магнитных усилителях. В качестве усилителей звуковых частот большой мощности предлагались, как альтернатива электронным лампам в 30 - 50 годы американскими и немецкими инженерами. В настоящее время являются "забытой" технологией.

По виду согласования выходного каскада усилителя с нагрузкой их можно разделить на два основных типа:

· трансформаторные -- в основном такая схема согласования применяется в ламповых усилителях. Обусловлено это необходимостью согласования большого выходного сопротивления лампы с малым сопротивлением нагрузки, а также необходимостью гальванической развязки выходных ламп и нагрузки. Некоторые транзисторные усилители (Например, трансляционные усилители, обслуживающие сеть абонентских громкоговорителей, некоторые Hi-End аудиоусилители) также имеют трансформаторное согласование с нагрузкой.

· бестрансформаторные -- в силу дешевизны, малого веса и большой полосы частотбестрансформаторные усилители получили наибольшее распространение. Бестрансформаторные схемы легко реализуются на транзисторах. Обусловлено это низким выходным сопротивлением транзисторов в схеме эмиттерного (истокового) повторителя, возможностью применения комплементарных пар транзисторов. На лампах бестрансформаторные схемы реализовать сложнее, это либо схемы, работающие на высокоомную нагрузку, либо сложные схемы с большим количеством параллельно работающих выходных ламп.

По типу согласования выходного каскада с нагрузкой:

· Согласование по напряжению -- выходное сопротивление УМ много меньше омического сопротивления нагрузки. В настоящее время является наиболее распространённым, охватывает практически все транзисторные УМЗЧ. Позволяет передать в нагрузку форму напряжения с минимальными искажениями и получить хорошую АЧХ, однако порождает сильные нелинейные искажения (интермодуляция) в динамических головках АС; чувствительно к внешним полям; отличается термической нестабильностью и высокими теплопотерями.

· Согласование по мощности -- выходное сопротивление УМ равно или близко сопротивлению нагрузки. Позволяет передать в нагрузку максимум мощности от усилителя, из-за чего в прошлом было весьма распространённым в маломощных простых устройствах. Сейчас является основным типом для ламповой техники, чем, в первую очередь, и объясняются особенности звучания ламповых систем. По сравнению с предыдущим типом, обеспечивает несколько меньшие искажения формы тока в катушках ГД АС, и меньшие нелинейные искажения в ГД, однако ухудшает АЧХ.

· Согласование по току -- выходное сопротивление УМ много больше сопротивления нагрузки. Наиболее перспективный тип для систем звукоусиления, хотя в настоящее время используется крайне редко. В основе такого согласования -- следствие из закона Лоренца, согласно которому звуковое давление пропорционально току в катушке ГД. Позволяет сильно (на два порядка) уменьшить интермодуляционные искажения в ГД и их ГВЗ (групповое время задержки), тепловые искажения пренебрежимо малы. Отличается высокой детальностью и натуральностью звучания, недостижимыми в других типах, расширяет полосу частот ГД (до двух октав). Наиболее распространены аудиосистемы с полосовым усилением (мультиампинг), с соответствующей частотной коррекцией в полосах, что позволяет практически идеально согласовать УМЗЧ с нагрузкой.

В конструировании высококачественных УМЗЧ с общей ООС многие неудачи вызваны недооценкой требуемого от УМЗЧ быстродействия, а также неоптимальным выбором частотной коррекции. Под термином «быстродействие» здесь подразумевается не столько широкая полоса пропускания усилителя, сколько время задержки сигнала внутри контура ООС (это не совсем одно и то же). В предлагаемом здесь УМЗЧ число каскадов, находящихся в контуре общей ООС, сведено к минимуму. Особенностью устройства является управление выходным повторителем от источника тока, что позволило практически полностью устранить «ступеньку».

Между точными цифровыми значениями гармонических искажений и субъективно воспринимаемым качеством звучания практически не существует никакого прямого соответствия - по крайней мере, ниже определённого порога, который находится на удивление высоко.

Нелинейными искажениями называются любые искажения, в составе которых присутствуют такие частоты, которые изначально отсутствовали во входном сигнале.

Например, если взять волну синусоидальной формы, то вследствие привносимых нелинейных искажений её форма изменяется, становится другой, и синусоидальный сигнал какой-то определённой частоты в результате этих искажений начинает содержать также сигналы других частот. Другими словами, если форма колебания не синусоидальна, значит, в его составе обязательно есть ещё какие-то иные частоты. Если с помощью спектр анализатора просмотреть получаемый в итоге выходной сигнал с усилителя, мы увидим гармоники, частота которых в 2 раза, 3 раза, 4 раза и так далее выше основной частоты волны синусоидальной формы. Точно таким же образом прогрессирующая нелинейность громкоговорителей создаёт другие (возможно более утончённые и менее заметные) искажения, которые постепенно нарастают по мере увеличения громкости. Однако музыкальные сигналы не являются синусоидальными. Они содержат одновременно большое количество разных частот, и степень их присутствия в сигнале постоянно изменяется во времени. Когда сигнал, состоящий из двух частот, подаётся на вход усилителя с не очень линейной характеристикой, это приведёт к генерированию гармоник (обертонов) не только от этих двух частот (гармонические искажения), но также и от частот, являющихся их математической суммой и математической разницей (интермодуляционные искажения).

Например, если у нас есть сигнал, состоящий из двух частот - 1000Hz и 1100Hz, - то на выходе усилителя будут также генерироваться сигналы частотой 2100Hz (1000Hz плюс 1100Hz) и частотой 100Hz (1100Hz минус 1000Hz). Причём это лишь производные гармоники первого порядка. Если же мы берём две частоты, которые отстоят друг от друга на квинту - например, сигналы частотой 1000Hz и 1500Hz, - то первыми парами гармонических искажений будут сигналы на частотах 2000Hz и 3000Hz (гармоники второго порядка), а также сигналы на частотах в 3000Hz и 4500Hz (гармоники третьего порядка). Относительно сигнала частотой 1000Hz гармоники частотой в2000Hz, 3000Hz и 4500Hz являются соответственно октавой, квинтой через октаву (дуодецимой - А.К.), и секундой через две октавы (ноной через октаву - А.К.). Относительно сигнала частотой 1500Hz гармоники частотой в 2000Hz, 3000Hz и 4500Hz являются соответственно квартой, октавой и квинтой через октаву. Таким образом, производные гармоники обеих частот в музыкальном смысле соотносятся с обоими основными тонами. Это не удивительно, потому что все музыкальные инструменты создают естественные гармоники (обертоны).

Теперь, если мы рассмотрим интермодуляционные составляющие, то они будут представлять собой на просто генерирование сигналов с увеличением частот в определённое количество раз (что, собственно, и является обертонами), а генерирование сигналов, частоты которых являются суммой и разностью частот генерируемых обертонов, например: f1 + f2, f1 - f2, 2*f1 - f2, 2*f2 + f1, и т.д. Эти комбинации могут производить интермодуляционные частоты, которые в музыкальном смысле не всегда соотносятся с основными частотами. Более того, когда создаётся или воспроизводится комплексный музыкальный сигнал, то сложное спектральное распределение результатов интермодуляции не только не способствует обогащению гармонической структуры музыки (как это происходит за счёт проявления гармонических искажений, по крайней мере, гармоник-обертонов низших порядков), но и всё больше начинает напоминать обычное добавление шума.