Меню

Настройка усилителя по постоянному току

Усилители напряжения, тока и мощности. Расчет параметров усилителей.

Часть I. Усилитель напряжения. Схема усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе.

Усилительный каскад на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОЭ, является одним из наиболее распространенных асимметричных усилителей. Принципиальная схема такого каскада, выполненная на дискретных элементах, изображена на рисунке ниже.

В этой схеме резистор , включенный в главную цепь транзистора, служит для ограничения коллекторного тока, а также для обеспечения необходимого коэффициента усиления. При помощи делителя напряжения R1R2 задается начальное напряжение смещения на базе транзистора VT, необходимое для режима усиления класса А.

Цепь RэСэ выполняет функцию эмиттерной термостабилизации точки покоя; конденсаторы С1 и С2 являются разделительными для постоянной и переменной составляющих тока. Конденсатор Сэ шунтирует резистор по переменному току, так как емкость Сэ значительна.

При подаче на вход усилителя напряжения сигнала неизменной амплитуды при различных частотах выходное напряжение в зависимости от частоты сигнала будет изменяться, так как сопротивление конденсаторов C1, C2 на разных частотах различно.

Зависимость коэффициента усиления от частоты сигнала получило название амплитудно-частотной характеристики усилителя (АЧХ).

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.

Анализ работы каскада усилителя производят с помощью эквивалентной схемы (на рис. ниже), в которой транзистор заменен Т-образной схемой замещения.

В этой эквивалентной схеме все физические процессы, происходящие в транзисторе, учитываются при помощи малосигнальных Н-параметров транзистора, которые приведены ниже.

Для питания усилителей используются источники напряжения с малым внутренним сопротивлением, поэтому можно считать, что по отношению к входному сигналу резисторы R1 и R2 включены параллельно и их можно заменить одним эквивалентным Rб = R1R2/(R1+R2).

Важным критерием для выбора номиналов резисторов Rэ, R1 и R2 является обеспечение температурной стабильности статического режима работы транзистора. Значительная зависимость параметров транзистора от температуры приводит к неуправляемому изменению коллекторного тока , вследствие чего могут возникнуть нелинейные искажения усиливаемых сигналов. Для достижения наилучшей температурной стабилизации режима надо увеличивать сопротивление . Однако это приводит к необходимости повышать напряжение питания Е и увеличивает потребляемую от него мощность. При уменьшении сопротивлений резисторов R1 и R2 также возрастает потребляемая мощность, снижающая экономичность схемы и уменьшается входное сопротивление усилительного каскада.

Часть II. Усилитель постоянного тока в интегральном исполнении.

Операционный усилитель (ОУ) в интегральном исполнении является наиболее распространенной универсальной микросхемой (ИМС). ОУ – это устройство с высокостабильными качественными показателями, которые позволяют производить обработку аналоговых сигналов по алгоритму, задаваемому с помощью внешних цепей.

  • коэффициент усиления по напряжению стремится к бесконечности;
  • входное сопротивление стремится к бесконечности;
  • выходное сопротивление стремится к нулю;
  • если входное напряжение равно нулю, то выходное напряжение также равно нулю Uвх = 0, Uвых = 0;
  • бесконечная полоса усиливаемых частот.

Дрейфом нуля (нулевого уровня) называется самопроизвольное отклонение напряжения или тока на выходе усилителя от начального значения. Этот эффект наблюдается и при отсутствии сигнала на входе. Поскольку дрейф нуля проявляется таким образом, как будто он вызван входным сигналом УПТ, то его невозможно отличить от истинного сигнала. Существует достаточно много физических причин, обусловливающих наличие дрейфа нуля в УПТ. К ним относятся нестабильности источников питания, температурная и временная нестабильности параметров транзисторов и резисторов, низкочастотные шумы, помехи и наводки. Среди перечисленных причин наибольшую нестабильность вносят изменения температуры, вызывающие дрейф. Этот дрейф обусловлен теми же причинами, что и нестабильность тока коллектора усилителя в режиме покоя изменениями Iкбо, Uбэо. Поскольку температурные изменения этих параметров имеют закономерный характер, то в некоторой степени могут быть скомпенсированы. Так, для уменьшения абсолютного дрейфа нуля УПТ необходимо уменьшать коэффициент нестабильности Sнс. Абсолютным дрейфом нуля Uвых, называется максимальное самопроизвольное отклонение выходного напряжения УПТ при замкнутом входе за определенный промежуток времени. Качество УПТ обычно оценивают по напряжению дрейфа нуля, приведен­ного ко входу усилителя:

едр=Uвых / Ku

Приведенный ко входу усилителя дрейф нуля не зависит от коэффициента усиления по напряжению и эквивалентен ложному входному сигналу.

Способы уменьшения дрейфа нуля:

  • Термостатирование. Схема помещается в термостат, где поддерживается постоянная температура.
  • Температурная компенсация. Применяются все способы температурной компенсации нестабильности рабочего режима.
  • Использование ООС.
  • Применение специальных параллельно-балансных каскадов, имеющих малый дрейф нуля.

Усилители постоянного тока предназначены для усиления сигналов, медленно изменяющихся во времени, т. е. сигналов, эквивалентная частота которых приближается к нулю. Поэтому УПТ должны обладать амплитудно-частотной характеристикой в виде, изображённой на рисунке слева. Поскольку коэффициент усиления ОУ очень велик, то использование его в качестве усилителя возможно лишь при охвате его глубокой отрицательной обратной связью (при отсутствии ООС даже крайне малый сигнал «шума» на входе ОУ даст на выходе ОУ напряжение, близкое к напряжению насыщения).

Часть III. Усилители мощности .

  • Входной каскад
  • Промежуточный каскад
  • Выходной каскад (усилитель мощности)

1. Трансформаторные усилители мощности.

Рассмотрим однотактный трансформаторный УМ, в кото­ром транзистор включен по схеме с ОЭ (рис. слева).

Трансформаторы ТР1, и ТР2 предназначены для согласования нагрузки и выходного сопротивления усилителя и входного сопротивления усилителя с сопротивлением ис­точника входного сигнала соответственно. Элементы R и D обеспечивают начальный режим работы транзистора, а С увеличивает переменную составляющую, поступающую на транзистор Т.

Поскольку трансформатор является нежелательным элементом усилителей мощности, т.к. имеет большие габариты и вес, относительно сложен в изготовлении, то в настоящее время наибольшее распространение получили бестрансформаторные усилители мощности.

2. Бестрансформаторные усилители мощности.

Рассмотрим двухтактный УМ на биполярных транзисторах с различным типом проводимости. Как уже отмечалось выше, необходимо увеличить мощность выходного сигнала без изменения его формы. Для этого берется постоянный ток питания УМ и преобразуется в переменный, но так, что форма сигнала на выходе повторяет форму входного сигнала, как показано на рисунке ниже:

Если транзисторы обладают достаточно высоким значением крутизны, то возможно построение схем, работающих на нагрузку величиной единицы Ом без использования трансформаторов. Питается такой усилитель от двухполярного источника питания с заземленной средней точкой, хотя возможно построение схем и для однополярного питания.

Принципиальная схема комплементарного эмиттерного повторителя — усилителя с дополнительной симметрией — приведена на рисунке слева. При одинаковом входном сигнале через транзистор n-p-n-типа протекает ток во время положительных полупериодов. Когда же входное напряжение отрицательно, ток будет течь через транзистор p-n- p -типа. Объединяя эмиттеры обоих транзисторов, нагружая их общей нагрузкой и подавая один и тот же сигнал на объединенные базы, получаем двухтактный каскад усиления мощности.

Рассмотрим более подробно включение и работу транзисторов. Транзисторы усилителя работают в режиме класса В. В данной схеме транзисторы должны быть абсолютно одинаковы по своим параметрам, но противоположны по планарной структуре. При поступлении на вход усилителя положительной полуволны напряжения Uвх транзистор Т1, работает в режиме усиления, а транзис­тор Т2 — в режиме отсечки. При поступлении отрицатель­ной полуволны транзисторы меняются ролями. Так как напряжение между базой и эмиттером открытого транзи­стора мало (около 0,7 В), напряжение Uвых близко к напря­жению Uвх. Однако выходное напряжение оказывается искаженным из-за влияния нелинейностей входных ха­рактеристик транзисторов. Проблема нелинейных искажений решается подачей начального смещения на базовые цепи, переводящей каскад в режим АВ.

Читайте также:  Что означает ток предохранителя

Для рассматриваемого усили­теля максимально возможная амплитуда напряжения на нагрузке Um равна E . Поэтому максимально возможная мощность нагрузки определяется выражением

Можно показать, что при максимальной мощности нагрузки усилитель потребляет от источников питания мощность, определяемую выражением

Исходя из вышесказанного, получаем максимально возможный коэффици­ент полезного действия УМ: nmax = P н.max / P потр.max = 0,78.

Источник

Настройка автоусилителя

Настройка автоусилителя-01

Настройка автоусилителя и подключение аудиосистемы

Настройка автоусилителя — именно грамотная настройка усилителя гарантирует вам качественную его работу. Однако если у вас нет определенных знаний, то произвести настройку прибора будет довольно сложно. Но если вы обладаете хотя бы небольшим опытом в работе с музыкальной аппаратурой в автомобиле, то тогда вам возможно помогут следующие советы.

Настройка автоусилителя-1

Иногда наступают такие моменты, когда вам необходимо повысить качество звучания установленной в машине аудиосистемы или вы приобрели новый усилитель. Теперь нужно понять как грамотно подключить его к головному устройству и акустике и конечно правильно настроить, чтобы получить качественное звучание.

Предварительная настройка автоусилителя перед первоначальным включением

Для удобства выполнения первоначальной настройки усилителя ее можно сделать до того как он будет размещен в автомобиле при этом зная конструкцию и назначения имеющихся электронных элементов аудиосистемы:

1. ручка регулятора входного сигнала GAIN устанавливается на минимум;

2. низкочастотный фильтр LP служащий для работы в сабвуферном тракте необходимо включить заранее на 80 Гц, а фильтр средних частот установить на 20-30 Гц, это в случае применения сабвуфера выполненного в корпусе с фазоинвертором;

3. высокочастотный фильтр HP, предназначенный для динамиков установленных в дверях либо на задней полке, нужно предварительно установить в позицию FULL, а в случае подключения аппарата к динамикам размером 3-4 дюйма установленными в торпедо, то тога необходимо включение фильтра низких частот (High Pass Filter) на 120 Гц;

4. В случае применения режима по канального включения акустики, высокочастотный фильтр НР для «пищалок» и LP для излучателей среднего баса нужно предварительно установить на 4 кГц;

5. положение переключателя режимов Hi\Low Level должно быть сопоставимо с вариантом подключения. В случае если усилитель будет получать звуковой сигнал с проводов акустики, тогда ручка регулятора должна быть в позиции Hi Level. В позицию Low Level регулятор устанавливается, когда сигнал поступает с линейных выходов автомагнитолы;

6. в период предварительной настройки устройства, усиление низких частот (Bass Boost), а также эквалайзер необходимо выключить;

В основном на всех конструкциях усилителей, органы управления на панели находятся в несколько «утопленном» положении, дабы исключить возможность случайного изменения установленных параметров, а есть модели у которых панель управления закрыта предохранительной крышкой, которая легко снимается при необходимости.

Первоначальное включение автоусилителя

После того как включили аппарат, сразу же нужно смотреть на индикаторы отображающие состояние усилителя, если светится зеленый светодиод, значит схема вошла в рабочее состояние, следовательно, все собрано правильно и без ошибок. В случае, когда в момент подачи сетевого напряжения начинает светиться красный светодиод, то явно имеются проблемы. Нужно внимательно проверить правильность подключения проводов к модулям, а также посмотреть на наличие или отсутствие короткого замыкания в схеме. Настройка автоусилителя возможно только тогда, когда устройство нормально работает на холостом ходу без нагрузки.

Одной из первых настроек, которую нужно произвести с самого начала — это установить при помощи регулятора GAIN чувствительность звукового сигнала по входу. Чтобы это сделать, для этого необходимо предварительно отключить эквалайзер и LOUD, то есть функцию прослушивания музыки на малой громкости, а затем на автомагнитоле постепенно увеличиваем громкость до пикового значения, это когда появятся искажения звука типа своеобразных хрипов и шумов. После этого начинаем понемногу возвращать уровень громкости назад до состояния, когда слышимые ухом посторонние искажающие хрипы исчезнут.

Теперь оставив регулятор звука на этом значении громкости, приступаем к установке параметров усилителя с помощью регулятора GAIN либо LEVEL. Здесь проделываем такую же процедуру — вычисляем на слух максимально громкое, но без искажений звучание динамиков расположенных во фронте. То же самое проделываем с уровнем звучания оставшихся каналов и корректируем их под установленное раннее значение громкости фронтальной акустики.

Настройка автоусилителя-2

Панель автоусилителя с расположенными на ней органами управления и настройки звука

Настройка в режиме по канального включения акустики сначала осуществляется с установки не искаженного звучания для твиттеров, учитывая то, что они труднее всех переносят пиковые сигналы усилителя.

Необходимость применения фильтра низких частот (HPF) для установленных в дверях 65 дюймовых излучателей или овалах в фронтальной полке, опять же вычисляем по слуху. Исходя из теоретических соображений в акустических системах, в которых задействован сабвуфер нужно давать возможность динамикам работать без низкого баса, без которого они лучше воспроизводят сигналы средней частоты, а также для снижения хода диффузора. Как показывает практика, в иных аудиосистемах звучание на низкой частоте слышится каким то не натуральным с включенным HPF. Вполне возможно, что отключив фильтр басы приобретут свойственную им плотность, естественность и прочее.

Как видно из всего изложенного, методика подключения автоусилителя и его настройка в отличии от обычного усилителя установленного в аудиосистеме, является довольно сложным процессом, требующим определенных навыков и знаний. Однако, если придерживаться данных советов и все выполнять по инструкции приложенной к устройству, то должно все получится.

Источник

Усилитель: что мешает звучать правильно? (часть 1) (страница 3)

Усилитель работает не в вакууме, он нагружается на динамическую головку (или звуковую колонку из нескольких динамиков). Рассматривать одно без другого было бы ошибочным. Качество работы усилителя зависит от того, что представляет собой нагрузка, но верно и обратное – функционирование динамика зависит от усилителя.

Для упрощения рассуждений предположим, что усилитель нагружен на один динамик без каких-либо фильтров и согласующих элементов, соединительные провода минимальной длины, достаточного сечения и качества исполнения. Надуманная ситуация? Отнюдь, существуют же активные колонки для воспроизведения только низких частот.

Поговорим немного о динамической головке. Зачастую, из электрических характеристик указывается только её номинальное сопротивление, но это же далеко не всё! Эффективность или отдача, эквивалентный объем, частота механического резонанса, его добротность… много чего полезного остается за кадром. Обратим внимание на такую характеристику, как добротность – она состоит из механической и электрической составляющих.

Механическая зависит от эластичности подвеса диффузора, его веса и сопутствующего объема воздуха и изменена быть не может. Вообще говоря, может применяться акустическое демпфирование, но не стоит на это сильно рассчитывать. А вот другая составляющая, электрическая добротность, зависит от выходного сопротивления усилителя. Если динамическая головка не слишком удачно подходит для выбранного акустического оформления, то изменением электрического демпфирования (выходным сопротивлением усилителя) можно немного подправить дело.

реклама

Основной источник проблемы – механическая система излучателя, у которой есть резонанс в самом начале низкочастотного диапазона рабочей полосы частот. Если по диффузору легонько стукнуть, то он издаст звук низкой частоты, причем основные колебания будут на частоте механического резонанса, длительность самого звучания будет зависеть от добротности. Есть такое понятие «призвук» – вот это оно и есть, когда динамик продолжает издавать звук уже после того, как электрически звук должен был прекратиться. Для изменения величины призвука можно варьировать выходное сопротивление усилителя.

Для симулирования используется следующая модель:

347x397 11 KB

Гирлянда элементов L2… R22 в центральной части схемы эмулируют низкочастотную динамическую головку диаметром 25 см.

Графики: красный – выходное напряжение усилителя, зеленый – реактивная составляющая динамической головки. Увы, электрическая модель слабо соотносится с акустической, поэтому в тесте интересны общие закономерности, а не конкретные численные вычисления и правильность воспроизведения. Очень трудно совместить графики с настолько различными условиями работы, поэтому параметры подбирались так, чтобы амплитуда зеленого графика (реактивная часть динамика) оставалась постоянной, 1 вольт.

Читайте также:  Что надо чтобы возник электрический ток

Вначале обычный режим, точка соединения R29 и C7 соединяется с землей, что переводит усилитель в обычный режим работы.

377x337 5 KB

Ничего необычного, на вход усилителя подается прямоугольный сигнал, он же получается на выходе. Изменим условия игры, соберем схему так, как на рисунке – при этом появится ПОС («положительная обратная связь») по току нагрузки и выходное сопротивление усилителя станет отрицательным.

Форма сигнала для схемы с отрицательным выходным сопротивлением:

377x337 5 KB

реклама

Различия видны невооруженным взглядом – на выходе усилителя напряжение уже не столь похоже на требуемое, фронты претерпели существенное изменение. Идея здесь в том, что если механическая система динамика резко увеличивает отдачу на резонансной частоте, то надо так формировать форму напряжения, чтобы на резонансной частоте оно было соответствующе понижено. В результате, при излучении произойдет взаимная компенсация и звуковая картинка будет восприниматься корректнее.

Рассмотрим и третий вариант, с большим выходным сопротивлением. Обычно у усилителя очень низкое выходное сопротивление, но что мешает его увеличить? Нет, банальная установка дополнительного последовательного резистора между выходом усилителя и динамиком использоваться не будет, для этого просто следует откорректировать принцип обратной связи. Конкретно – обратную связь надо брать не с выхода усилителя, а с резистора, включенного последовательно с динамиком в цепь «земля» (резистор R28). При этом выходное сопротивление усилителя станет очень большим.

Форма сигнала для схемы с токовым выходом:

377x337 6 KB

М-да. Форма выходного напряжения получила явный колебательный характер, как и напряжение на реактивной части модели динамика.

Теперь сравните характер поведения зеленого графика для всех трёх случаев – как видите, можно оказывать влияние на время колебаний динамика, а значит, подстройкой работы усилителя регулировать время призвука, обычную «болезнь» динамиков большого диаметра.

Когда говорят об усилителе, то, кроме демпфирования, представляет интерес еще один момент – нагрев катушки. Динамическая головка преобразует электрическое воздействие в механическое перемещение диффузора с помощью катушки, которая перемещается в магнитном зазоре. Последняя наматывается медным проводом и при нагреве должна увеличивать свое сопротивление. Это актуально? Проверим.

Для теста использован советский динамик с неизвестной маркировкой (похожий на 4ГД8Е) и «китайский» вкладной наушник «за 100 рублей». Издеваться над хорошими вещами мне совершенно не хочется, а полученные результаты интересуют больше как тенденции, потому элементная база не столь важна.

Для измерения девиации сопротивления динамика от мощности можно строить схему по принципу: генератор сверхнизких и высоких частот + усилитель + динамик + микрофон, в результате получаются неинформативные картинки с сильным эмоциональным подтекстом. Нет уж. Нудно и некачественно. Сделаем иначе – снимем напряжение на датчике тока при подаче на динамик фиксированного напряжения постоянного тока. При этом сразу можно будет оценить и величину изменения сопротивления и скорость этого изменения (время теплового процесса).

320x234 3 KB

Время переходного процесса порядка трёх секунд, изменение (увеличение) от нагрева составило 1/5 номинального сопротивления.

320x234 3 KB

Время переходного процесса здесь меньше, порядка 0.7 секунды, а вот девиация сопротивления порядка 1/8. Но здесь необходимо пояснение, измерения проводились при напряжении на наушнике около 3 В. Вы слушали когда-нибудь подобный наушник при напряжения, близких к этому? При положительном ответе я начну завидовать, если после этого вы сохранили слух. У меня с этим беда, для тестового наушника нормальный уровень громкости получился при напряжении 0.3 вольта. Если повторить тест измерения на нагрев для напряжения 0.3 вольта, то девиация сопротивления вообще не должна быть заметна, ведь тепловая мощность уменьшится в 100 раз. Поэтому график для пониженного напряжения не приводится, смысла в нем нет.

реклама

Если по наушникам всё сильно запутано, то по динамикам довольно прозрачно. Их катушка нагревается и сопротивление возрастает. Причем, тест производился над советской динамической головкой, современные динамические головки обладают более «мощными» характеристиками при примерно таком же исполнении, в чём подвох?

Всё просто, материал изоляции провода и каркас катушки выполняется из материалов с повышенной теплостойкостью, что обеспечивает им большую рабочую мощность. По некоторым данным, в профессиональных динамиках катушка нагревается до 190-200 градусов. А что, довольно логично, я встречал обсуждения в конференциях вопросов вида – нормально ли, что магнитная система нагревается выше 60 градусов? Тепловое сопротивление медной обмотки меняется порядка 0.4 процента на каждый градус нагрева, далее простые расчеты.

В моем тесте динамика температура катушки вряд ли превысила 100 градусов по Цельсию, скорее не было и шестидесяти. Это означает, что сопротивление динамика может меняться значительно больше, чем на 1/5 номинального сопротивления. Впрочем, многое зависит и от слушателя – если не возникает желания озвучивать стадион, то сия проблема не столь актуальна. Хотя, есть применения типа ЭМОС, и там сложности умножаются.

Для среднечастотных динамических головок свойственна другая проблема, но со схожими последствиями. При колебании диффузора катушка перемещается вдоль магнитного зазора, со всеми его неоднородностями, что несколько меняет ее индуктивность. Если подать на динамик пару сигналов, низкой и высокой частоты, то низкочастотная составляющая будет сдвигать диффузор, и катушка будет смещаться в магнитном зазоре, что приведет к изменению ее индуктивности. В сильно упрощенной форме, эквивалентная схема динамической головки представляется в виде последовательного соединения активного сопротивления и индуктивности катушки. Для низких частот импеданс головки будет определяться активным сопротивлением, но на высоких частотах уже начнет сказываться собственная индуктивность катушки.

Коль скоро эта индуктивность не постоянна во времени, то и ток через катушку не останется постоянным, что означает интермодуляционные искажения. По некоторым разрозненным данным, собственная индуктивность катушки может меняться на 10-30 процентов, в зависимости от конструкции динамика. Это приведет к уровню интермодуляционных искажений 5-12 процентов. Подробнее этот вопрос рассмотрен в работе «Должен ли УМЗЧ иметь малое выходное сопротивление?», автор С. Агеев.

реклама

Чтобы не быть совсем уж голословным, простенькая проверка – возьмем тот же тестовый динамик и подадим на него постоянный ток, который вызовет смещение диффузора, после чего останется только измерить его индуктивность.

В моем случае динамик показал изменение индуктивности на 4 процента при подаче постоянного тока, соответствующего 25 процентам номинальной мощности. При одной полярности тока следовало увеличение индуктивности, при другой – уменьшение. Если же убрать управление током и просто нажать пальцем на диффузор, то индуктивность возрастет в 1.7 раза, а обратный процесс приводит к ее уменьшению до 0.8 от первоначального варианта. Замеры индуктивности проводились с использованием прибора Е7-8, на частоте 10 кГц.

Заметность искажений

Проверка усилителя дает численную характеристику «коэффициент гармоник», но отражает ли она реальное качество звучания? С одной стороны, это объективный параметр и при малом значении подразумевает неплохое качество звука. Так, что же характеризует коэффициент гармоник? Вообще-то, «сферического коня», увы. Важен не только уровень искажений, вносимый усилителем, но его состав и частотный диапазон.

Человек воспринимает разную частоту звука с различной чувствительностью, наибольшая восприимчивость приходится на диапазон средних частот, 0.5-1 кГц, выше и ниже чувствительность падает. Хуже другое, на этих зависимостях сказывается уровень звука – при уменьшении громкости низкие и высокие частоты воспринимаются хуже. Для устранения этого эффекта, в нормальных усилителях в регулятор громкости встраивают тонкомпенсацию.

реклама

Кривые равной громкости:

463x352 58 KB

Второй момент со схожей проблемой – большая часть мощности спектра типичных источников (фильмы, музыка) приходится на низкие частоты. Чтобы не загромождать статью не самой второстепенной информацией, ознакомиться с распределением энергии можно в статье «Спектр музыкального сигнала». В зависимости от частот разделения, для звуковой колонки на базе НЧ, СЧ и ВЧ динамических головок, принято распределять их мощность как 70%, 50% и 30% от полной. Или можно воспользоваться методикой из той же статьи:

Читайте также:  Утечка тока в it сетях 220в

Технология расчета представлена на третьей странице.

реклама

Давайте возьмем абстрактный усилитель с уровнем гармоник 0.01 процента. Предположим, данная цифра была получена измерением уровня искажений классическим способом — на частоте 1 кГц и с номинальным уровнем громкости. Неплохой усилитель?… Но продолжим анализ. Основную часть времени усилитель работает при низкой или очень низкой громкости, поэтому измерения на номинальной мощности не являются столь уж значимыми. Обычно при снижении уровня сигнала относительный уровень гармоник повышается. Больше или меньше, но все транзисторные усилители класса AB страдают эффектом «ступеньки».

Предположим, сей абстрактный усилитель был спроектирован достойно, а потому уменьшение уровня не привело к катастрофической деградации свойств и уровень гармоник повысился всего до 0.1 процента. Чтобы не быть голословным, обратимся к довольно распространенному интегральному усилителю TDA2050:

320x334 18 KB

Повысился уровень искажений, но ведь это относительный уровень и он не так заметен, как при полной громкости. Впрочем нет, если в комнате долго тихо, то происходит эффект адаптации и чувствительность восстанавливается. Проблема в другом, если у усилителя большой спектр гармоник (спектр, а не уровень!), то основной сигнал не может «замаскировать» все гармоники и они могут стать заметными. Давайте проанализируем заметность искажений для сигнала трех диапазонов – низкие частоты (до 200 Гц), средние и высокие (выше 5 кГц).

Низкие и сверхнизкие частоты характерны тем, что ухо их воспринимает не как звук, а скорее как вибрацию. Поэтому, «заметность» их низкая. Но, хотя их не так отчетливо слышно, это вовсе не означает, что они не приносят проблем. Искажения в динамической головке из-за ограниченной механической прочности диффузора и неоднородности магнитного поля в зазоре магнитопровода можно опустить, речь идет о более простых вещах – в этой полосе частот рассеивается бо́льшая часть всей мощности, что означает значительную амплитуду сигнала.

реклама

Отягощает ситуацию то, что сам сигнал данной частоты плохо слышен и не может маскировать собственные искажения высокого порядка. Прикинем, что будет с искажениями. Возьмем частоту сигнала 100 Гц, характерную для низкочастотных колонок, при низком уровне громкости. Это означает коэффициент гармоник порядка 0.1 процента. Положим, тестовой усилитель хороший, только со спектром искажений, характерным для интегральных решений – четверть искажений приходится на гармоники высокого порядка (с номером 5 и больше).

Расклад следующий – порядка 0.05 процента искажений приходится на частоты 0.5-2 кГц, которые «слышны» в 2-5 раз лучше. Кроме того, я не зря говорил о низком уровне громкости и тонкомпенсации – из-за последнего низкие частоты поднимаются в 5-15 раз… что увеличивает и их сопутствующие искажения в той же пропорции. Если всё просуммировать, то уровень искажений можно разбить на две составляющие:

  • С низким номером гармоник, порядка 0.07 процента, они частично маскируются полезным сигналом.
  • С высоким уровнем гармоник, порядка 0.05 процента. Они плохо маскируются и хорошо прослушиваются в среднечастотном диапазоне. Если перевести с учетом тонкомпенсации и «слышимости», то их уровень будет порядка 0.05*3*10=1.5 процента.

Вывод – для низкочастотного звена лучше делать отдельный усилитель.

Средние частоты характеризуются высокой восприимчивостью человеческого уха, поэтому и полезный сигнал, и гармоники одинаково заметны, при расчетах переводить в «слышимость» нужды не возникает.

В высокочастотной части спектра звукового диапазона вроде бы всё просто – гармоники выше 20 кГц не слышны. Что ж, с ними и не нужно бороться? Отнюдь, появление искажений в ультразвуковом диапазоне приводит к двум последствиям:

  • Возникает помеха высокой частоты, которую старается устранить общая обратная связь усилителя. Как следствие, появляются наведенные искажения из-за изменения условий работы входного каскада.
  • Сами искажения не слышны, но факт их появления влияет на амплитуду первой гармоники (полезный сигнал), что воспринимается ухом как «странное» плавание уровня. Обычно, величина гармоник на верхнем диапазоне зависит от сопутствующих факторов – уровня и характера высокочастотных и низкочастотных составляющих, и при медленном изменении уровня происходит как бы скачкообразная модуляция громкости высоких частот.

Источник



Параметрический поиск по компонентам

  • 21.02.2018 10:40Приемопередатчики интерфейса CAN с единым напряжением питания 3.3 В и защитой от перегрузок на шине до ±36 В
    Устройства также отличаются высокой пропускной способностью, функцией регулировки скорости нарастания выходного сигнала и малопотребляющим режимом ожидания
    Производитель: Exar Группа компонентов: CAN

  • 21.02.2018 10:22Миниатюрный модуль зарядного устройства малой мощности для работы в системах накопления энергии из окружающей среды
    Устройство, выполненное в виде готового решения с минимальным числом внешних компонентов, отличается низкой стоимостью, высокой эффективностью и чрезвычайно компактными размерами
    Производитель: Silvertel Группа компонентов: PoE-модули питания

  • 21.02.2018 10:08Низковольтный модуль драйвера светодиодов Ag201 с программируемой величиной выходного тока
    Благодаря возможности пользовательской установки максимального тока нагрузки, драйвер способен управлять различными типами светодиодов
    Производитель: Silvertel Группа компонентов: Контроллеры Дисплеев

  • 21.02.2018 09:53Коммутаторы Ethernet BCM56980 серий StrataXGS® Tomahawk® 3 с пропускной способностью 12.8 Tбит/с
    Семейство StrataXGS Tomahawk 3 с поддержкой до 32 портов стандарта 400GbE может использоваться для построения высокомасштабируемых распределительных, объединительных и масштабирующих коммутаторов
    Производитель: Broadcom Limited Группа компонентов: Ethernet

  • 21.02.2018 09:44Компактный DC/DC преобразователь в исполнении µModule® с током нагрузки 20 А в 1-канальной и 10 А на канал в 2-канальной конфигурации,
    ИС предназначена для каскадов питания ПЛИС, графических процессоров, специализированных микросхем и системного энергообеспечения
    Производитель: Analog Devices Группа компонентов: Понижающие преобразователи напряжения

  • 28.11.2017 06:05Скидки от 50% на ПО для проектирования печатных плат от Mentor Graphics
    ЗАО «Нанософт», официальный дистрибьютор компании Mentor Graphics, объявляет о старте специального предложения на приобретение программных решений для разработки электроники – PADS
    Производитель: Группа компонентов:
  • 24.09.2016 08:15Компания АВИТОН — официальный представитель Regatron (Швейцария)
    Компания Regatron осуществляет разработку и производство источников питания
    Производитель: Группа компонентов: Источники питания
  • 15.09.2016 08:42Arrow Electronics проводит в жизнь технологии краудфандинга с Indiegogo
    Их деятельность направлена на оптимизацию цепочки краудфандинг — продукт и должна ускорить темпы внедрения инноваций для технологии интернета вещей (IoT)
    Производитель: Arrow Electronics Russia Группа компонентов:
  • 08.08.2016 08:41«Новости Электроники + Светотехника» №01/2016: LED-освещение для промышленных объектов

    Производитель: Группа компонентов:

  • 22.07.2016 08:31Прошивка Serial Extender упрощает работу с модулями MBee
    Два радиомодуля MBee-868 с прошивкой Serial Extender позволяют заменить проводное последовательное соединение между двумя любыми устройствами с интерфейсом UART
    Производитель: Группа компонентов: Модули

  • 29.07.2015 10:24Компания Altera присоединилась с проекту OPNFV с целью привнести преимущества ПЛИС FPGA в технологию виртуализации сетевых функций
    Решения на базе ПЛИС FPGA и Систем-на-Кристалле уже ускоряют работу серверов дата-центров в области предоставления поисковых сервисов и свёрточных нейронных сетей
    Производитель: Altera Группа компонентов: FPGA
  • 29.07.2015 10:14Пример разработки хранилища данных на базе ПЛИС FPGA удваивает срок службы NAND FLASH памяти
    Архитектура ПЛИС FPGA со встроенным процессорным ядром предлагает инновационный метод создания устройств хранения данных для облачных приложений и высокопроизводительных вычислительных систем
    Производитель: Altera Группа компонентов: SoC FPGA
  • 08.07.2015 13:41Компания Pentair предлагает новые трехмерные чертежи и услуги для конструкторов на портале Traceparts
    Чертежи Schroff на портале Traceparts
    Производитель: Schroff Группа компонентов:
  • 13.04.2015 14:37Cypress Semiconductor: CySmart™ — приложения для устройств Bluetooth® с низким энергопотрбелением (BLE)

    Производитель: Cypress Группа компонентов: Bluetooth

  • 28.01.2015 09:43Audi выбрала Системы-на-Кристалле компании Altera для применения в автомобилях с функцией «Автопилот»
    Altera и TTTech Deliver Industry, лидер в области разработки продвинутых систем помощи водителю (ADAS), приступили к разработке систем управления автопилотируемых автомобилей для компании Audi
    Производитель: Altera Группа компонентов: Программируемая Логика

Источник