Общие сведения об усилителях звуковых частот

Понимаю безумное желание сразу же собирать усилки, минуя теорию, нафиг она нужна. Вот побыстрей бы собрать какой-нибудь мощный усилок, как дать ему мощи, чтоб вся улица охреневала. Помню это по себе. Но всё же, хотя бы немного о принципах построения схем усилителей надо знать. Поэтому кратенько рассмотрим, из чего же состоит усилитель, в каких режимах работает, чего куда необходимо втыкать.

Для начала разберемся в обобщенной структуре типичного усилителя (причем не только звуковых частот). Структурная схема ниже.

Рис. 1 - Структурная схема усилительного устройства

Итак, ИС - это источник сигнала, т. е. это что-то, что необходимо усилить, ВхУ - входное устройство предназначено для передачи сигнала от источника во входную цепь первого усилительного элемента. Входное устройство используется, когда непосредственное подключение источника сигнала к усилителю невозможно или нецелесообразно. КПУ - каскад (или каскады) предварительного усиления. Его основное назначение - усиление сигнала до величины, необходимой для работы мощного усилителя. КМУ - каскад (каскады) мощного усиления. Мощный усилитель предназначен для отдачи в нагрузку необходимой мощности. ВУ - выходное устройство, служит для передачи сигнала от каскада мощного усиления в нагрузку, когда непосредственное подключение нагрузки к мощному усилителю невозможно или нецелесообразно.

Теперь поговорим о наиболее часто встречаемых характеристиках - АЧХ, ФЧХ и АХ. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) - это графическое изображение зависимости коэффициента K усиления от частоты f. По вертикальной оси откладывается коэффициент усиления в линейном или логарифмическом масштабе, или выходное напряжение, соответствующее неизменному входному, по горизонтальной оси откладывается частота (или угловая частота ω = 2πf), опять же в линейном или логарифмическом масштабе. Логарифмический масштаб на оси частот применяют вследствие широкого диапазона рабочих частот. Кстати, диапазоном рабочих частот называют полосу частот от нижней f_н до верхней f_в, в пределах которой абсолютная величина (модуль) коэффициента усиления, иногда и его фаза не должны выходить за пределы заданных допусков. Что такое коэффициент усиления, думаю помнят все - это отношение, скажем так, сигнала на выходе (т. е. напряжение, ток, мощность и пр.) к сигналу на входе.

Так вот, АЧХ является графическим изображением того самого отношения. По виду АЧХ можно определить очень многое, к примеру, диапазон рабочих частот, коэффициент усиления, нижнюю граничную частоту, верхнюю граничную частоту и многое другое. До наиболее догадливых видимо дошло, что чем ровнее (т. е. линейней) АЧХ в рабочем диапазоне, тем точней устройство передает исходный сигнал. Для тех, кто в такне, АЧХ идеального усилителя имеет вид прямой линии в полосе частот от 0 до бесконечности, или по крайней мере в рабочем диапазоне частот. Опять же, самые догадливые додумались, что изменяя форму АЧХ, т. е. меняя коэффициент усиления на определенных частотах, можно менять тембр звучания или осуществлять корректировку звука. Это явление как раз и используется в регуляторах тембра и эквалайзерах. Для тех, кто в танке, изменение формы АЧХ приводит к изменению окраски звука. На словах не так понятно, поэтому посмотрим на рисунок 2, где изображена АЧХ идеального и реального усилителя. Там же покакзано, как определяется диапазон рабочих частот.

Рис. 2 - АЧХ идеального и реального усилителя

Вот такой вид бугра имеет реальный усилитель. Загиб вниз кривой называется спадом частот, загиб вверх - подъемом. В действительности речь идет о подъеме и спаде уровня сигналов на соответствующих частотах. А что это за фигня, типа 0,707К₀? А это относительный коэффициент усиления по уровню 0,707 или единица на корень из 2. Почему 0,707 (единицу разделить на корень из 2-х равно 0,707), хрен его знает, но именно по этому уровню определяется нижняя и верхняя границы диапазона частот. Относительный коэффициент усиления определяется, как отношение коэффициентов усиления на всех частотах к коэффициенту усиления на средней частоте. Для звукотехники принято значение средней частоты, равное 1 кГц. По идее, на частоте 1 кГц должно быть максимальное усиление, поэтому на других частотах вроде как должен быть небольшой спад, хотя в идеале значения коэффициентов усиления на всех частотах должны быть одинаковыми. Таким образом, относительный коэффициент усиления будет равен 1. Ну, например, есть усилок с коэффициентом усиления на частоте 100 Гц, равным 4,8, 500 Гц - 4,9, 1 кГц - 5, 2 кГц - 4,9, 5 кГц - 4,8. На частоте 1 кГц относительный коэффициент усиления составит 1 (5/5=1), 500 Гц - 0,98, 100 Гц - 0,96 и т. п. Другими словами образуется тот самый бугор с подъемом и спадом. За 1 принимается максимальный коэффициент усиления, а на уровне 0,707 определяются граничные частоты или полоса пропускания - промежуток между нижней и верхней рабочими частотами на уровне 0,707 относительного коэффициента усиления.

Фазо-частотная характеристика (ФЧХ) - это зависимость угла сдвига фазы φ между выходным и входным напряжениями от частоты. Ухо человека не реагирует на изменения фазы гармонических сигналов, поэтому ФЧХ редко используется для описания электроакустических усторйств. А вот зря, так как искажения фазы могут привести к искажению формы звуковых колебаний, более сложных, нежели гармонический сигнал. Ниже на рисунке показана типичная ФЧХ усилителя.

Рис. 3 - Типичная ФЧХ усилителя

Идеальный вид ФЧХ представляется прямой линией.

Амплитудная характеристика (АХ) - зависимость амплитуды или действующего значения напряжения сигнала на выходе от амплитуды или действующего значения напряжения сигнала на входе. Точно так же поределяется коэффициент усиления, и поскольку для усилителя эта величина постоянна, то и амплитудная характеристика будет иметь вид прямой линии, проходящей через начало координат, а ее наклон, точнее угол наклона, будет определять усиление усилителя (на рис. 4 показана пунктиром). У реального усилителя АХ не проходит через начало координат (на рис. 4 сплошная), а изгибается при малых входных напряжениях, пересекая вертикальную ось в точке U_ш, поскольку при отсутствии входного напряжения выходное равно напряжению шумов в выходной цепи (не "шумит" лишь идеальный усилок). Ну и при слишком больших входных напряжениях реальная АХ также изгибается вследсвтие прегрузки нелинейных элементов усилителя, поскольку амплитуда сигнала на выходном усилительном элементе выходит за пределы рабочего участка его характеристик.

Рис. 4 - Амплитудная характеристика усилителя