Каков принцип действия усилителя

Общие сведения об электронных усилителях

Электронным усилителем называется устройство, преобразующее маломощный входной электрический сигнал в сигнал гораздо большей мощности с минимальными искажениями его формы. Усиление мощности сигнала может осуществляться за счет усиления тока или напряжения.

Эффект усиления возможен только при наличии дополнительного источника энергии, называемого источником питания. Следовательно, усилитель представляет собой устройство, которое под воздействием входного сигнала преобразует энергию источника питания в энергию выходного (полезного) сигнала.

Обобщенная схема включения усилителя приведена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Схема включения электронного усилителя

Источником входного сигнала усилителя может быть любой преобразователь электрической или неэлектрической величины в электрическую: микрофон, фотоэлемент, пьезоэлемент, считывающая магнитная головка, предшествующий усилитель, термоэлектрический датчик, химический источник тока и т. д. В зависимости от типа источника, диапазон мощностей сигналов, поступающих на вход усилителя, достаточно широк. Например, напряжение, поступающее на вход усилителя от передающей телевизионной трубки, составляет всего 2 … 5 мВ при малой мощности. От микрофона на вход усилителя может поступать напряжение, не превышающее десятых – сотых долей милливольта. Однако такие источники, как предшествующий усилитель, могут создавать напряжение, достигающее десятков – сотен вольт при мощности сигнала в единицы ватт.

Выходной электрический сигнал усилителя поступает на устройство, называемое нагрузкой. В качестве нагрузки электронного усилителя могут использоваться различные преобразователи электрической энергии в электрическую или неэлектрическую: телефон, громкоговоритель, гальванометр, реле, последующий усилитель, электродвигатель, осветительные или нагревательные приборы и т. д. Значения потребляемой мощности для различных видов нагрузки лежат в широких пределах. Например, мощность, потребляемая телефоном, составляет сотые доли ватт. В то же время мощность, потребляемая городской сетью проводного вещания, достигает сотен киловатт.

Электронный усилитель может быть однокаскадным, двухкаскадным или многокаскадным. В общем случае усилитель состоит из нескольких каскадов, к первому из которых подключают источник сигнала, а к выходу последнего – нагрузку. Необходимость в использовании нескольких каскадов обусловлена, в первую очередь, тем, что сигнал, передаваемый от источника к нагрузке предварительно необходимо усилить в тысячи – десятки тысяч и более раз. При использовании в усилителе в качестве активного элемента, например, биполярного транзистора с коэффициентом передачи тока базы 50 … 100, задача может быть решена только в том случае, если последовательно включить несколько каскадов усиления. Кроме этого часто возникает необходимость согласовывать выходное сопротивление источника сигнала со входным сопротивлением усилителя, либо выходное сопротивление усилителя с сопротивлением нагрузки.

Обобщенная структурная схема электронного усилителя приведена на рисунке 2.2.

В состав усилителя входят следующие элементы:

— оконечный усилительный каскад (ОК), предназначенный для усиления мощности сигнала и выделения ее в нагрузке (Н);

— предоконечный каскад (ПОК),предназначенный для управления транзисторами оконечного каскада. При большой величине мощности оконечного каскада ПОК должен обеспечивать мощность, достаточную для получения требуемой неискаженной выходной мощности усилителя. Если оконечный каскад является двухтактным, то предоконечный каскад выполняет одновременно инверсию фазы напряжения сигнала;

— каскады предварительного усиления (ПрК) (их количество определяется с учетом обеспечения требуемого коэффициента усиления напряжения), служащие для увеличения уровня сигналов, получаемых от источника (ИС), до величины, необходимой для управления транзисторами предоконечного каскада;

— выходное устройство (ВыхУ), служащее для согласования сопротивления нагрузки с выходным сопротивлением оконечного каскада, симметрирования выходной цепи, а также для изоляции цепи нагрузки от постоянных напряжений и токов, действующих в цепях усилителя;

— входное устройство (ВхУ), служащее для согласования внутреннего сопротивления источника сигналов с входным сопротивлением первого каскада усилителя, симметрирования входной цепи усилителя, а также для изоляции цепи источника сигналов от постоянных напряжений и токов, действующих во входных цепях усилителя;

— цепь общей отрицательной обратной связи (ООС), служащей для снижения искажений и шумов, стабилизации усиления, а также для стабилизации исходных режимов транзисторов (для указанных целей могут быть использованы разделенные цепи ООС по переменному и постоянному току). Цепи ООС могут охватывать или не охватывать выходное устройство, а также охватывать все или частъ каскадов предварительного усиления;

— устройство безынерционной защиты (УБЗ) – для защиты транзисторов оконечного каскада усилителя от перегрузки;

— источник питания и фильтры (ФП)в цепях питания каскадов предварительного усиления.

Рисунок 2.2 – Обобщенная структурная схема усилителя

Однако в каждом частном случае структурная схема усилителя может содержать не все элементы, показанные на рисунке 2.2. Так, в случае использования однотактного оконечного каскада небольшой мощности предоконечный каскад не отличается от обычного каскада предварительного усиления и потому не должен рассматриваться как особый элемент структурной схемы. Кроме того, могут отсутствовать устройства безынерционной защиты или другие элементы, показанные на рисунке 2.2.

2.1.2 Классификация усилителей

Электронные усилители находят применение в самых различных областях науки, техники и производства. Являясь либо самостоятельными устройствами, либо частью более сложных устройств и систем, усилители нашли широкое применение в радиовещании, звуковом кино, технике звукозаписи, телевидении, радиолокации и радионавигации, ядерной физике, медицине и биологии, вычислительной технике, в системах автоматики, в измерительной технике и т. д. Несмотря на такой широкий спектр областей приложения, усилители, предназначенные для совершенно различных целей, могут обладать идентичными свойствами. Поэтому классификация усилителей по назначению, как правило, не применяется, так как дает мало сведений для суждения о свойствах и особенностях таких устройств.

Обычно при классификации усилителей учитывают:

— характер (форму) входного сигнала;

— диапазон усиливаемых частот;

— тип усилительных элементов.

По форме усиливаемых сигналов различают усилители непрерывных и усилители импульсных сигналов. К первым относятся усилители квазигармонических сигналов, например речевых, музыкальных, которые изменяются во времени сравнительно медленно, так что переходные процессы в усилителе почти не проявляются. Свойства таких усилителей оценивают по качеству передачи гармонического колебания. Усилители импульсных сигналов предназначены для усиления импульсов, например радиолокационных, телевизионных, телеграфных и т. д. Здесь проявляются переходные процессы. Поэтому свойства таких усилителей оценивают по форме переходной характеристики.

По диапазону частот усилители делят на усилители постоянного тока (УПТ) и усилители переменного тока. Усилителями постоянного тока называются такие усилители, которые усиливают колебания с частотами, начиная с f_н = 0 до некоторой (обычно не очень высокой) частоты f_в, то есть способны усиливать как переменную, так и постоянную составляющую входного сигнала (рисунок 2.3, а. Буквой K на рисунке 2.3 обозначен коэффициент усиления усилителя). Усилители, способные усиливать только переменную составляющую, называются усилителями переменного тока. Они усиливают колебания в диапазоне частот от нижней граничной частоты f_н до верхней граничной частоты f_в. За пределами этого диапазона частот, ширина которого называется полосой пропускания, усиление падает ниже допустимого уровня (рисунок 2.3, б, в).

Среди усилителей переменного тока выделяют:

— усилители звуковой частоты, рабочий диапазон которых находится в пределах 20 Гц . 20 кГц, причем f_н << f_в (рисунок 2.3, б);

— усилители радиочастоты, у которых отношение f_в / f_н близко к единице, а диапазон частот намного выше звуковых (рисунок 2.3, в). Эти усилители широко применяют в радиоприемных устройствах. В выходные цепи каскадов здесь включаются колебательные контуры, резонансная частота которых f_p » (f_н + f_в) / 2. Поэтому они называются также резонансными усилителями. Их полоса пропускания Df = f_в – f_н << f_р. Остальные усилители, в отличие от резонансных, иногда называют апериодическими;

— широкополосные усилители (ШУ), у которых f_в > 100 кГц, a f_н – десятки герц. К ним относятся усилители видеотракта в телевизионной технике, видеоусилители радиолокационных приемников и т. д.

Рисунок 2.3 – Положение полосы пропускания на оси частот

для разных классов усилителей

По функциональному назначению усилители условно делят на усилители напряжения, усилители тока и усилители мощности. Такое деление в значительной степени является условным. Как отмечалось ранее, усиление мощности может быть достигнуто за счет усиления напряжения, за счет усиления тока, либо за счет усиления и напряжения и тока. Однако принято считать, если главным назначением усилителя является повышение напряжения до необходимого уровня, то он называется усилителем напряжения. Аналогично определяются усилители тока. Усилителями мощности обычно называют выходные каскады многокаскадного усилителя, способные отдавать во внешнюю нагрузку требуемую мощность.

По типу усилительных элементов различают транзисторные, ламповые, диэлектрические, магнитные усилители и усилители на интегральных микросхемах.

Кроме рассмотренных основных признаков классификации могут использоваться и другие, например: по типу питания (батарейные, сетевые и т. д.), по числу каскадов, по конструктивному исполнению (переносные, стационарные) и т. д.

2.1.3 Основные параметры и характеристики усилителей

Сумму сведений, характеризующих основные свойства технического устройства, называют его показателями. Технические показатели электронного устройства характеризуют усиление, искажения, точность преобразования, уровни сигналов на входе и выходе и т. д. и позволяют оценить степень пригодности устройства для того или иного применения.

Рассмотрим основные технические показатели электронных усилителей. Их можно разделить на две отдельные группы – параметры и характеристики.

К основным параметрам усилителя относятся: входное и выходное сопротивления, коэффициент усиления, допустимый уровень линейных и нелинейных искажений, уровень собственных шумов, коэффициент полезного действия, динамический диапазон изменения входного сигнала.

Рассмотрим перечисленные параметры более подробно.

2.1.3.1 Входное и выходное сопротивления. Входное и выходное сопротивления – важнейшие параметры усилительных устройств. Их значения должны учитываться при согласовании усилительного устройства как с источником входного сигнала, так и с нагрузкой. В общем случае значения входного и выходного сопротивлений носят комплексный характер и являются функцией частоты.

Усилитель может быть представлен эквивалентной схемой, изображенной на рисунке 2.4. Как видно из рисунка, такая схема является четырехполюсником – то есть электрической системой с четырьмя внешними зажимами.

Рисунок 2.4 – Представление усилителя в виде четырехполюсника

Входное сопротивление усилителя представляет собой внутреннее сопротивление между его входными зажимами. В большинстве случаев оно определяется параллельным соединением резистивного (активного) сопротивления R_вх и емкости С_вх. Входное сопротивление усилителя может быть представлено в виде отношения комплексных амплитуд напряжения между входными зажимами усилителя и тока , протекающего в его входной цепи:

Величину входного сопротивления выбирают либо в зависимости от характера сопротивления источника сигнала, либо в зависимости от вида согласования усилительного устройства с источником сигнала – по току, по напряжению или по мощности. Обычно желательно обеспечить большое сопротивление R_вх и малую емкость С_вх. В некоторых измерительных усилителях иногда требуется, чтобы R_вх ® 0.

Значения коэффициентов усиления по напряжению, току и мощности зависят от соотношения между и . Если нужно получить максимальный коэффициент усиления по напряжению, то должно выполняться условие . Для получения максимального коэффициента усиления по току необходимо, чтобы , а для максимального усиления мощности нужно выполнить равенство .

Выходное сопротивление усилителя – это внутреннее сопротивление между его выходными зажимами. По отношению к нагрузке усилитель является источником сигнала, внутреннее сопротивление которого равно

где – комплексная амплитуда выходного напряжения в режиме холостого хода (при R_Н ® ¥);

– комплексная амплитуда выходного тока при коротком замыкании в нагрузке (R_Н = 0).

При выборе значения выходного сопротивления усилителя в каждом конкретном случае, как и при выборе входного сопротивления, подходят индивидуально. В общем случае можно использовать те же рекомендации, что и при выборе входного сопротивления, а именно:

— если нужно получить максимальный коэффициент усиления по напряжению, то необходимо выполнить условие

— для получения максимального коэффициента усиления по току необходимо, чтобы

— для максимального усиления мощности нужно выполнить равенство

2.1.3.2 Коэффициент усиления. Коэффициент усиления является одним из наиболее важных параметров усилителя. В зависимости от типа усиливаемой величины, различают коэффициенты усиления напряжения K_U, тока K_I и мощности K_P.

Коэффициент усиления напряжения (передачи напряжения) усилителя – это отношение амплитудных или действующих значений выходного и входного напряжений:

Коэффициент усиления определяют в установившемся режиме при гармоническом (синусоидальном) входном сигнале.

Коэффициентом усиления тока называется отношение амплитудных или действующих значений выходного и входного токов:

Отношение мощности усиленного колебания в нагрузке к мощности сигнала, подаваемого на вход усилителя, называется коэффициентом усиления мощности:

При последовательном соединении нескольких усилительных каскадов общий коэффициент усиления системы определяется как произведение коэффициентов усиления отдельных каскадов:

На практике коэффициенты усиления часто выражают логарифмическими единицами – децибелами. Коэффициент усиления мощности можно представить следующим образом

Если мощности Р_Н и Р_вх выделяются на одинаковых сопротивлениях (R_Н = R_вх = R), то их отношение в децибелах можно выразить через отношение напряжений

Аналогично можно записать и для коэффициента усиления тока

Логарифмические единицы удобны тем, что позволяют перемножение коэффициентов усиления заменить сложением, то есть

При наличии в каскадах усилителя реактивных элементов (индуктивностей, разделительных и блокировочных конденсаторов, емкостей р—п-переходов транзисторов и пр.) коэффициент усиления следует рассматривать как комплексную величину, зависящую от частоты

где K(w) – модуль комплексного коэффициента усиления;

j(w) – аргумент комплексного коэффициента усиления, представляющий собой разность фаз выходного и входного сигналов.

2.1.3.3 Линейные искажения. Предположим, что коэффициент усиления K(w) не зависит от амплитуды входного сигнала. В этом случае при подаче на вход усилителя сигнала синусоидальной формы выходной сигнал также будет иметь синусоидальную форму, но отличаться от входного по амплитуде в K раз и по фазе на угол j.

Периодический сигнал сложной формы согласно теореме Фурье можно представить суммой бесконечно большого числа гармонических составляющих, имеющих разные амплитуды, частоты и фазы. Так как K – комплексная величина, то амплитуды и фазы гармонических составляющих входного сигнала при прохождении через усилитель будут изменяться по-разному и выходной сигнал будет отличаться по форме от входного. Искажения сигнала при прохождении через усилитель, обусловленные зависимостью параметров усилителя от частоты и не зависящие от амплитуды входного сигнала, называются линейными искажениями.

В свою очередь, линейные искажения можно разделить на частотные (характеризующие изменение модуля коэффициента усиления K в полосе частот за счет влияния реактивных элементов в схеме) и фазовые (характеризующие зависимость сдвига по фазе между выходным и входным сигналами от частоты за счет влияния реактивных элементов).

Частотные искажения сигнала можно оценить с помощью амплитудно-частотной характеристики, а фазовые – с помощью фазочастотной характеристики.

2.1.3.4 Нелинейные искажения. Как известно из теоретических основ электротехники, если электрическая цепь содержит хоть один нелинейный элемент, то такая цепь называется нелинейной. В состав усилителей входят элементы (приборы), имеющие нелинейные ВАХ – транзисторы, диоды, магнитопроводы, полупроводниковые конденсаторы микросхем и др. Поэтому, если не обеспечить функционирование названных приборов в пределах линейных участков ВАХ, то коэффициент усиления усилителя будет зависеть от амплитуды входного сигнала, что, в свою очередь, будет вызывать нелинейные искажения усиливаемого сигнала.

Таким образом, под нелинейными искажениями понимают изменения формы усиливаемого колебания, вызванные зависимостью коэффициента усиления усилителя от амплитуды входного сигнала.

При прохождении сигнала через нелинейное устройство (усилитель) происходит изменение его спектрального состава – появляются высшие гармоники в его спектре. Отличительным признаком нелинейных искажений является то, что им подвержено даже гармоническое (синусоидальное) колебание. Нелинейные искажения сигнала в усилителях принято оценивать с помощью коэффициента гармоник.

Коэффициентом гармоник называется отношение действующего значения суммы высших гармоник выходного напряжения к действующему значению его первой гармоники:

Результат не изменится, если в эту формулу подставить не действующие, а амплитудные значения гармоник, причем вместо напряжений можно оперировать токами или мощностями

Линейные и нелинейные искажения характеризуют точность воспроизведения формы входного сигнала усилителем.

В различных по назначению усилителях предъявляют разные требования к величине коэффициента гармоник, который, как правило, выражают в процентах. Так, например, для вещательной аппаратуры с высоким качеством воспроизведения речи и музыки он не должен превышать 1 … 2%, для устройств среднего качества – 5 … 7%. В усилителях звуковых частот класса Hi-Fi обычно обеспечивают K_г = 0,3 … 0,5%. Как показывает практика, если коэффициент гармоник не превышает 0,2 … 0,5 %, то нелинейные искажения на слух практически незаметны.

2.1.3.5 Коэффициент полезного действия. Коэффициент полезного действия (КПД) h усилителя характеризует экономичность расходования энергии источника питания. Обычно он измеряется при усилении гармонического колебания частоты 1 кГц. Общий КПД всего усилителя называется промышленным. Он представляет собой отношение номинальной выходной мощности, отдаваемой в нагрузку, к суммарной мощности, потребляемой усилителем от всех источников питания:

Чем выше КПД усилителя, тем меньше мощность потерь в нем, которая превращается в тепло. Например, для предотвращения перегрева оконечных транзисторов их приходится снабжать радиаторами, размеры которых могут быть тем меньше, чем выше КПД. Таким образом, КПД усилителя косвенно характеризует также его удельные размеры и массу (на единицу выходной мощности).

2.1.3.6 Собственные помехи. Усилитель передает на выход не только усиленный полезный сигнал, подведенный к его входу, но и нежелательные колебания, возникающие внутри него ипоэтому называемые собственными помехами. Основными из них являются фон, наводки и шумы, а в усилителях постоянного тока – еще и дрейф нуля.

Фон – это колебание с частотой питающей сети или кратной ей. Обычно оно попадает в усилитель по цепям питания из-за недостаточного сглаживания пульсаций выпрямителя источника напряжения (при питании от сети переменного тока). В ламповых усилителях дополнительным источником фона являются цепи накала катодов, если они питаются переменным током.

Наводками называются помехи, наводимые на цепи усилителя электрическими и магнитными полями. Источниками этих помех могут быть сетевой трансформатор блока питания, его соединительные провода, провода электросети или какие-либо электроустановки.

Для количественной оценки фона и наводок используют отношение их напряжения на выходе усилителя к выходному гармоническому напряжению, соответствующему номинальной выходной мощности. Для качественных усилителей напряжение фона не должно превышать – 60 . – 70 дБ.

Собственные шумы усилителя представляют собой флуктуационные колебания, обусловленные хаотическим движением свободных носителей заряда (электронов и дырок) во всех электропроводящих материалах, из которых выполнены детали усилителя.

Шумы возникают на микроскопическом уровне строения материалов и поэтому очень слабые. Но, будучи усиленными многокаскадным усилителем, они могут оказаться соизмеримыми с уровнем полезного сигнала. В отличие от фона и наводок, полностью устранить собственные шумы усилителя принципиально невозможно.

Дрейфом нуля называют медленные изменения выходного напряжения усилителя из-за нестабильности напряжения питания и характеристик транзисторов. Дрейф в основном проявляется в усилителях постоянного тока. Количественно его оценивают напряжением или током дрейфа, пересчитанным ко входу. Так же оценивают иногда и уровень фона.

2.1.3.7 Амплитудно- и фазочастотная характеристики. Как показано ранее, в общем случае коэффициент усиления усилителя является комплексной величиной. Поэтому для коэффициента усиления напряжения можно записать:

Как видно из приведенной формулы, модуль и аргумент комплексного коэффициента усиления напряжения усилителя являются функциями частоты.

Зависимость модуля комплексного коэффициента усиления напряжения усилителя от частоты (K(w)) называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) усилителя. Типовая АЧХ усилителя звуковых частот изображена на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 – Типовая амплитудно-частотная характеристика усилителя

Для АЧХ усилителя типичным является наличие так называемой области средних частот,в пределах которой K_U почти не зависит от частоты и принимает свое максимальное значение K_U₀. Его иногда называют номинальным коэффициентом усиления.

В области нижних и верхних частот АЧХ обычно спадает (коэффициент усиления напряжения уменьшается). Частоты, на которых модуль комплексного коэффициента усиления напряжения уменьшается относительно своего максимального значения в раз (на рисунке 2.5 этот уровень показан как 0,707K_U₀), называются граничными частотами усилителя (или частотами среза АЧХ): f_н (w_н)и f_в (w_в) – соответственно нижняя и верхняя граничные частоты. Диапазон частот от w_н до w_в называется полосой пропускания усилителя: .

По АЧХ усилителя можно определить частотные искажения в любом диапазоне рабочих частот. Характеристикой частотных искажений является коэффициент частотных искажений, определяемый из отношения

где K_Uf – коэффициент усиления по напряжению на заданной частоте.

Поскольку наибольшие частотные искажения имеют место на границах полосы пропускания, то при расчете усилителя, как правило, задают коэффициенты частотных искажений на низшей и высшей граничных частотах. Обычно принимают M_н = M_в= , то есть на граничных частотах коэффициент усиления по напряжению уменьшается до уровня 0,707 значения коэффициента усиления на средней частоте. При таких условиях полоса пропускания усилителей звуковой частоты, предназначенных для воспроизведения речи и музыки, лежит в пределах 30 … 20 000 Гц. Для усилителей, применяемых в телефонии, допустима более узкая полоса пропускания 300 … 3400 Гц. Для усиления импульсных сигналов необходимо использовать широкополосные усилители, полоса пропускания которых занимает диапазон частот от единиц герц до десятков или даже сотен мегагерц.

Зависимость аргумента комплексного коэффициента усиления напряжения усилителя от частоты j(w) называется его фазочастотной характеристикой (ФЧХ). Типовая ФЧХ усилительного каскада показана на рисунке 2.6 сплошной линией.

Фазочастотная характеристика показывает, как меняется угол сдвига фаз между выходным и входным сигналами при изменении частоты и определяет фазовые искажения. Фазовые искажения отсутствуют при линейном характере фазочастотной характеристики (штрихпунктирная линия на рисунке 2.6), так как в этом случае каждая гармоническая составляющая входного сигнала при прохождении через усилитель сдвигается по времени на один и тот же интервал Dt. Угол сдвига фаз между входным и выходным сигналами при этом пропорционален частоте

Рисунок 2.6 – Фазочастотная характеристика усилителя

Из рисунка 2.6 видно, что в пределах полосы пропускания усилителя фазовые искажения минимальны, однако резко возрастают в области граничных частот. Вчастности, в усилителе звуковых частот на граничных частотах угол сдвига фаз между входным и выходным сигналами по сравнению с этим параметром в середине полосы пропускания составляет .

В многокаскадном усилителе коэффициент частотных искажений определяется как произведение соответствующих коэффициентов всех каскадов

а фазовый сдвиг между выходным и входным напряжениями – как алгебраическая сумма фазовых сдвигов, создаваемых отдельными каскадами

2.1.3.8 Переходная характеристика. Переходной характеристикой (ПХ) называется зависимость мгновенного значения выходного напряжения и_вых(t) усилителя от времени при подаче на его вход скачкообразного перепада напряжения и_вх(t). Переходная характеристика определяет процесс перехода усилителя из одного стационарного состояния в другое, когда входное воздействие скачком изменилось на некоторую величину, условно принимаемую за единицу.

Переходную характеристику h(t)подобно АЧХ обычно строят в относительном масштабе (рисунок 2.7), откладывая по вертикали отношение выходного напряжения в каждый момент времени t к его значению в установившемся режиме: h(t) = u_вых(t)/U_вых ₀. На практике ПХ, в основном, используют для оценки искажений импульсных сигналов при прохождении ими через усилитель.

Искажения скачкообразного (импульсного) напряжения делят на два вида: искажения связанные с нарастанием напряжения, и искажения его вершины. Первые оценивают временем нарастания (установления) t_нар и выбросом d, вторые – спадом вершины D или ее непостоянством. Временем нарастания называется время, в течение которого фронт нормированной ПХ нарастает от уровня 0,1 до уровня 0,9.

Рисунок 2.7 – Переходная характеристика усилителя

Выбросом называется максимальное превышение мгновенного значения напряжения над установившимся значением. Выброс выражают в процентах от установившегося значения напряжения. При колебательном характере процесса может иметь место несколько заметных выбросов в переходной характеристике. Оценке подлежит обычно наибольший из них.

Спад верхней части нормированной ПХ также измеряется в процентах от установившегося значения выходного напряжения. Он может быть положительным и отрицательным (подъем).

В усилителях для высококачественного воспроизведения импульсных сигналов выброс d и спад D обычно не должны превосходить 10%.

Переходная характеристика усилителя однозначно определяет его АЧХ и ФЧХ. Она представляет собой лишь иной метод оценки качества усилителя, называемый временным методом.

2.1.3.9 Амплитудная характеристика усилителя. Амплитудной характеристикой (АХ) усилителя называется зависимость установившегося значения выходного напряжения от напряжения, подаваемого на вход усилителя. Типовая АХ усилителя показана на рисунке 2.8. Снимают амплитудные характеристики усилителей при синусоидальном входном сигнале для одной из частот, лежащих в полосе пропускания усилителя.

Рисунок 2.8 – Амплитудная характеристика усилителя

Отношение выходного и входного напряжений равно коэффициенту усиления K_U. Поэтому в идеальном случае амплитудная характеристика представляет собой прямую линию, исходящую из начала координат, тангенс угла наклона которой определяет коэффициент усиления K_U₀. Однако в действительности АХ совпадает с прямой только в средней части 2, на участке АВ. Начальный участок 1 АХ отклоняется от прямой из-за наличия на выходе усилителя напряжения собственных помех U_Ш. Верхний загиб АХ обусловлен наступлением перегрузки одного из каскадов усилителя (переход усилительного элемента каскада в режим насыщения), чаще всего оконечного, в результате чего начинается ограничение выходного колебания.

Как видно из рисунка 2.8, при изменении входного напряжения в пределах от U_вх₁ до U_вх₂ усилитель можно считать линейным устройством, для которого существует линейная зависимость между приростами входного и выходного напряжений. Таким образом, АХ дает возможность определить пределы изменения U_вх, для которых усилитель с необходимой точностью можно рассматривать как линейное устройство.

В общем случае уровень сигнала, подаваемого на вход усилителя, не является величиной постоянной. Он может изменяться от некоторой минимальной величины U_{г мин} до максимальной U_{г макс}. Отношение

называется динамическим диапазоном сигнала.

Часто динамический диапазон сигнала выражают в логарифмических единицах:

Динамический диапазон сигналов может изменяться в широких пределах. Так, например, динамический диапазон звучания симфонического оркестра составляет 70 … 80 дБ, речи диктора – 25 … 35 дБ и т. д. Чтобы в усилителе не происходило нелинейных искажений входного сигнала (то есть сохранялся его динамический диапазон), необходимо соблюдение условия , где

представляет собой динамический диапазон усилителя. В (2.22) в качестве U_вх₁ и U_вх₂ выступают соответствующие минимальное и максимальное входные напряжения, полученные из амплитудной характеристики усилителя (рисунок 2.8).

Сигнал, подаваемый на вход усилителя, может быть выделен среди собственных помех усилителя, если его уровень превышает уровень помех. Наиболее существенной шумовой составляющей, которая не может быть полностью скомпенсирована, является тепловой шум сопротивления, вызываемый флуктуационным движением электронов в объеме проводника. Наиболее существенное влияние оказывает шум входного сопротивления усилителя, шумовое напряжение которого U_ш в микровольтах может быть вычислено по формуле

где R_вх – входное сопротивление первого каскада, кОм;

Если принять U_вх₁ = (10 … 20)U_ш, то с достаточной для практики точностью можно полагать, что при этом в нижней части АХ начинается линейный участок.

Тема 2.4. Электронные усилители

Электронным усилителем называется устройство, преобразующее маломощный входной электрический сигнал в сигнал гораздо большей мощности с минимальными искажениями его формы . Усиление мощности сигнала может осуществляться за счет усиления тока или напряжения.

Эффект усиления возможен только при наличии дополнительного источника энергии, называемого источником питания . Следовательно, усилитель представляет собой устройство , которое под воздействием входного сигнала преобразует энергию источника питания в энергию выходного (полезного) сигнала .

Схема включения электронного усилителя

Выходной электрический сигнал усилителя поступает на устройство, называемое нагрузкой . В качестве нагрузки электронного усилителя могут использоваться различные преобразователи электрической энергии в электрическую или неэлектрическую: телефон, громкоговоритель, гальванометр, реле, последующий усилитель, электродвигатель, осветительные или нагревательные приборы и т. д. Значения потребляемой мощности для различных видов нагрузки лежат в широких пределах. Например, мощность, потребляемая телефоном, составляет сотые доли ватт. В то же время мощность, потребляемая городской сетью проводного вещания, достигает сотен киловатт.

Обобщенная структурная схема электронного усилителя приведена на рисунке 2.2.

В состав усилителя входят следующие элементы:

— источник питания и фильтры (ФП)в цепях питания каскадов предварительного усиления.

Как работает усилитель класса «А», или Истинный High End и много тепла

У всего есть свое начало, и, если мы говорим о режимах работы усилителя, у истоков стоит конечно же класс А. Именно с него началась история усилителей в частности и электронного аудио в целом. Все, что было до — к электронике, да и вообще к электричеству отношения не имеет, а все что появилось после проще всего понять, зная как работают усилители класса А. Ну и самый удивительный факт: при том, что данная схемотехника уже успела справить свой столетний юбилей, она по-прежнему востребована и конкурирует на равных с самыми совершенными схемотехническими решениями XXI века.

Принцип работы

В далеком 1916 году шведский ученый Эрнст Александерсон, работавший в американской компании General Electric, получил патент на схему усилителя, которая известна всему миру как класс А. Принцип действия усилителя класса А предельно прост, а для создания усилителя такого типа достаточно одного транзистора или одной лампы. Для того, чтобы понять, как он работает, рассмотрим более классическое решение: лампу.

Непосредственно в процессе усиления звукового сигнала в радиолампе участвуют три конструктивных элемента: анод, катод и сетка. При подаче питания в схему между катодом и анодом возникает поток электронов, а сетка, располагающаяся между ними, выполняет роль регулирующего клапана.

При наличии на сетке электрического потенциала она препятствует свободному прохождению электронов, и, чем выше электрический потенциал на сетке, тем меньше электронов проходит от катода к аноду вплоть до полного закрытия лампы. Таким образом, включив полезную нагрузку (акустическую систему) между катодом и анодом и подав сигнал на управляющую сетку, мы получаем простейшую схему усилителя мощности.

Специфика усилителя, работающего с аудиосигналом, состоит в том, что звуковая волна имеет симметричную форму с положительной и отрицательной составляющими, равными по амплитуде.

При подаче такого сигнала на вход усилителя произойдет следующее: в момент прохождения положительной полуволны лампа будет открываться и закрываться так, что сигнал на выходе будет повторять форму звуковой волны на входе. Но в тот момент, когда на вход поступит отрицательная часть полуволны, сетка уже будет полностью заперта, и вместо воспроизведения звука на выходе усилителя мы получим тишину.

Несмотря на то, что в статье мы говорим преимущественно о ламповом классе А, транзисторы так же способны работать соответствующим образом, и на картинке выше вы видите стандартную схему

Для того, чтобы дать лампе возможность воспроизводить обе половины сигнала, Эрнст Александерсон организовал смещение нулевой точки входящего сигнала относительно нулевой точки (полностью закрытого состояния) лампы примерно на середину ее рабочего диапазона. Таким образом, среднее положение звуковой волны соответствовало полуоткрытому состоянию лампы.

В момент прохождения положительной полуволны входящего сигнала лампа открывалась еще сильнее, а при воспроизведении отрицательной полуволны закрывалась, но частично, не доходя до минимальной отметки.

Плюсы

На первый взгляд, схема довольно симпатична и имеет целый ряд неоспоримых преимуществ. Во-первых, она проста, лаконична и является отличным примером предельно короткого звукового тракта. Во-вторых, лампа или транзистор, работающие в классе А, постоянно находятся в рабочем состоянии и мгновенно реагируют на изменения входящего сигнала — у них нет временных задержек, возникающих в момент выхода из полностью закрытого состояния.

В-третьих, середина рабочего диапазона электронного компонента — это та зона, в которой он работает максимально эффективно и без искажений. Значит, если не увеличивать амплитуду до предельных значений (не выкручивать особенно сильно ручку громкости и не подключать к усилителю тяжелую нагрузку), усилитель будет работать исключительно в комфортном режиме, и сигнал на выходе будет иметь практически идеальный вид.

К сожалению, все эти плюсы без побочных эффектов можно реализовать только в слаботочных цепях предварительного усилителя. А когда речь заходит о работе на мощностях, необходимых для взаимодействия с акустическими системами, класс А проявляет свои не менее очевидные минусы.

Минусы

Главные минусы класса А так же, как и плюсы, вытекают из выбранного создателем принципа работы. Нулевой уровень входного сигнала приходится на середину рабочего диапазона электронного компонента, а это значит, что, когда на входе тишина — транзистор или лампа уже открыты наполовину и работают вполовину своей мощности, расходуя вхолостую много энергии. Реальный же КПД усилителей класса А оказывается существенно ниже теоретических 50%. Из 100% энергии, потребляемой усилителем, акустика получает не более 20–25%, а вся остальная энергия преобразуется в тепло.

Повышение рабочей температуры может негативно сказываться на режиме работы усиливающего элемента, поэтому транзисторные усилители класса А, выдающие хоть сколько-нибудь существенную мощность, обладают огромными радиаторами.

Если же вы хотите получить на выходе не десятки, а сотни ватт мощности, сохранив при этом режим работы усилителя в классе А, готовьте комнату побольше и вентиляцию для отвода тепла помощнее, ведь вследствие низкого КПД сам усилитель будет огромным, а его блок питания и вовсе колоссальным.

За всем этим следует целый ряд сопутствующих проблем. Прежде чем счастливый обладатель усилителя класса А получит свой первый огромный счет за электричество, ему придется потратить немало денег на сам усилитель, ведь большие блоки питания, тяжелые выходные трансформаторы ламповых и массивные радиаторы транзисторных усилителей сами по себе стоят денег.

В ходе эксплуатации вслед за увеличившимися расходами на электроэнергию аудиофил рано или поздно столкнется с еще одной проблемой усилителей класса А — повышенным износом активных элементов схемы. Особенно эта проблема касается ламп. Работая в классе А, они постоянно находятся под большой нагрузкой, что сокращает их и без того малый ресурс работы.

Особенности

Понимая как работает усилитель в классе А, мы можем рассмотреть его и с аудиофильской точки зрения. Ситуация с искажениями на малых уровнях громкости вполне понятна: пока амплитуда сигнала не высока, усилитель работает в идеальных условиях и обеспечивает на выходе если не абсолютно совершенный сигнал, то что-то к нему максимально приближенное. Но возникает вопрос: что же происходит когда мы делаем музыку погромче?

До определенного момента — ничего страшного, но, как только пики сигнала приближаются к пороговым значениям (максимально открытому и закрытому состоянию лампы или транзистора), искажения будут расти существенно, как и у любого другого усилителя, после чего произойдет компрессия с выходом искажений за все мыслимые границы нормы.

Кто-то заметит, что любой усилитель можно перегрузить и загнать в искажения. Это справедливо. Но тонкость момента состоит в том, что усилители класса А по определению маломощны, а значит довести их до предельной нагрузки не составляет труда. Именно это происходит в те моменты, когда усилитель, только что воспроизводивший тихую камерную музыку с невероятным уровнем детализации, вдруг сваливает в неразборчивую кашу более громкое звучание симфонического оркестра.

Следующая специфическая особенность схемотехники касается блока питания. Это, кстати, один из важнейших компонентов любого усилителя, ведь энергия поступающая в акустику — это энергия блока питания, модулированная входящим сигналом. Выражаясь в более понятной автомобильной терминологии, блок питания — двигатель, а схема усилителя — руль.

Так вот, низкий КПД усилителя класса А и высокий ток покоя загоняет блок питания в довольно сложные условия: он должен иметь солидный запас мощности, чтобы, выдавая постоянно высокий ток, быть готовым мгновенно отдать в разы больше. После резкого всплеска сигнала конденсаторам блока питания необходимо зарядиться, т. е. взять дополнительную энергию от трансформатора, который и без того постоянно озадачен тем, чтобы поддерживать высокий ток покоя усилителя.

Далеко не все блоки питания способны справиться с такой задачей без побочных эффектов, поэтому, если звучание мощного усилителя, работающего в классе А, кажется вам медлительным, быстрая музыка смазывается, а бас получается неизменно гулким и размазанным во времени, — не удивляйтесь и не спешите обвинять в этом акустику или ее неудачное расположение в помещении.

Практика

Несмотря на все недостатки и технические особенности, усилители класса А по-прежнему производятся разными производителями и образуют весьма заметную нишу на рынке Hi-Fi техники, а если быть точным — в сегменте High End, где габаритами, энергопотреблением, сложностью эксплуатации и даже ценой можно пренебречь в угоду его величеству звуку.

Кроме того, с 1916 года и по настоящий момент времени на свет родилось немало талантливых инженеров, которые нашли способы существенно компенсировать вышеупомянутые проблемы.

Отличным примером вышесказанному является ламповый усилитель Octave V 16 Single Ended. Слова Single Ended в названии переводятся как «однотактный», что является техническим описанием режима работы ламп и, фактически, выступает синонимом понятия «класс А».

Для того, чтобы взбодрить классическую схемотехнику и приблизить эксплуатационные характеристики усилителя к современным реалиям, разработчики Octave воплотили в жизнь сразу несколько оригинальных решений, корректирующих режим работы. Адаптивная трехступенчатая настройка режима работы усилителя управляет величиной тока смещения сообразно максимальной амплитуде входящего сигнала, чтобы не держать схему усилителя в режиме высокого энергопотребления без необходимости.

А когда сигнал на входе отсутствует более двух минут, включается режим Ecomode, который понижает энергопотребление до 35%. Таким образом, усилитель, оставленный без присмотра, не будет без толку греть помещение.

За качество звучания разработчики боролись не меньше, чем за энергоэффективность, поэтому использовали высокотехнологичные трансформаторы с компенсацией магнитного поля, усовершенствованные каскады предварительного усиления, расширяющие диапазон воспроизводимых частот, а также самые совершенные схемы стабилизации, избавляющие от шумов и гула, которые усилители класса А с удовольствием демонстрируют даже при небольшом отклонении от рабочих параметров.

В результате, усилитель можно использовать с совершенно различной нагрузкой: от низкоимпедансной акустики до высокоимпедансных наушников, — не боясь вывести их из строя или просто выйти за пределы рабочего режима. Следящие электронные схемы перенастраивают выходные каскады автоматически.

Читая это, самое время вдохновиться и решить, что абсолютно все проблемы уже решены современными инженерами. Но не спешите, ведь нужно заглянуть в паспортные данные. А там картина вырисовывается крайне специфическая. При низких показателях шумов и искажения, имея без малого два десятка килограмм живого веса и потребляя от сети до 200 Вт, Octave V16 Single Ended выдает на акустике импедансом 4 Ом не более 8 Вт на канал при использовании самых мощных ламп. Для наушников этого вполне хватит, но где искать подходящие колонки?

Поскольку данный текст является частью большого цикла публикаций, посвященного различным типам усилителей, в процессе его подготовки было проведено одно большое сравнительное прослушивание, в котором участвовали усилители различных классов. Для придания прослушиванию достаточной степени объективности было выбрано две модели напольных колонок.

Одна из них была заведомо тяжелой нагрузкой с низкой чувствительностью — крупным тугим басовиком, и требовала высокой подводимой мощности. Вторая же была призвана стать обратной стороной медали: предельно легкой нагрузкой, способной сработаться с любым, даже маломощным усилителем. И во всех случаях эта схема тестирования была вполне рабочей до того момента пока на сцене не появился Octave V16 Single Ended с его 8 Вт на канал.

На тяжелой нагрузке искажения были столь реальны, что их, казалось, можно было потрогать, а нагрузка, ранее известная как легкая, успешно справилась с ролью тяжелой. За неимением под рукой еще одной пары колонок мощностью в несколько ватт и с чувствительностью выше 100 дБ роль легкой нагрузки выполнили наушники.

С колонками, которым по паспорту требуется не менее 25 Вт, Octave V16 Single Ended сработался на удивление неплохо. Если не злоупотреблять громкостью, можно в полной мере оценить живой, открытый и чистый звук, который на спокойных аудиофильских записях просто превосходен.

Ситуация осложняется, когда дело доходит до более динамичной музыки, а на рок-композициях усилитель с удовольствием сваливает звучание гитар в кашу, давая в качестве бонуса вполне различимую на слух компрессию. Спасает лишь тот факт, что компрессия и искажения в исполнении ламп в отличие от транзисторов придает звучанию довольно приятную окрашенность.

Если же попытаться уменьшить нагрузку на усилитель, понизить громкость, а затем подсесть поближе, чтобы не потерять в звуковом давлении — картина исправляется. И грязи нет, и деталей больше, и компрессия не ощущается. Здесь я замечу, что по габаритам этот усилитель совсем небольшой, его можно поставить не только в стойку, но даже на стол, для использования с наушниками и полочными мониторами ближнего поля.

В полной мере прочувствовать принадлежность усилителя к категории High End удалось в наушниках. Совершенно сумасшедшая детальность, открытое, объемное и тембрально богатое звучание, управляемый и четкий бас — все то, о чем можно мечтать. И, что характерно, даже на быстрой тяжелой музыке усилитель начал вести себя достойно. Никакой вальяжности, никакой каши, никакой гулкости в НЧ-диапазоне. Вот что значит — обеспечить усилителю класса А оптимальный режим работы.

Выводы

Усилитель класса А имеет немало плюсов. Проще говоря — его есть, за что любить. Но в современном мире он занимает особое место. Это тот краеугольный камень, вокруг которого придется выстраивать всю остальную систему и под который, в некотором смысле, даже придется подстраивать свой образ жизни.

В первую очередь, речь идет, конечно, о правильном подборе акустики. Тут самое время вспомнить о рупорной акустике с её высокой чувствительностью, да и о винтаже задуматься не грех. Все же в прошлом у разработчиков было больше понимания, как обеспечить много звука, имея на руках маломощные усилители. Ну и при всем вышесказанном надо понимать, что система неизбежно получится жанровой. Бороться с этим фактом бессмысленно, убеждать себя в обратном глупо. Остается просто получать от этого удовольствие.

Если же мы говорим о применении схемотехники класса А в схемах предусилителя или в усилителях для наушников — ситуация в корне меняется. Там, где от усилителя не требуется выделения высокой мощности, класс А показывает исключительно свои положительные стороны, не пытается заставить пользователя жить по своим правилам и не демонстрирует каких-либо жанровых пристрастий.

Подготовлено по материалам портала «Stereo & Video», июнь 2019 г. www.stereo.ru

Поделитесь статьёй:

Усилитель мощности звука

Усилитель мощности звука (усилитель звуковой частоты, усилитель низкой частоты) — это устройство для усиления электрических сигналов в пределах диапазона частот, которые различает человеческое ухо (в среднем 20 Гц — 20 кГц). Усилитель повышает мощность сигнала источника звука, чтобы при подаче этого сигнала на устройство вывода звук получился громким и без искажений.

История развития усилителей мощности звука

Далёким предком современных усилителей звука можно назвать рупор граммофона. Принцип действия в этом устройстве был следующим: механическая игла движется по бороздкам пластинки и вызывает колебания. Эти колебания передаются специальной мембране, которая и воспроизводит звук, а он многократно (в 16 раз для первых моделей) усиливается с помощью рупора (раструба).

Усилитель мощности звука 1

Граммофон D-298 Victor III (Источник)

Следующий этап развития усилителей пришёлся на распространение ламповой электроники. Ламповые усилители до сих пор используются в Hi-End сегменте аудиосистем. Преимущества такого усилителя — отсутствие т. н. белого шума, который есть в полупроводниковых устройствах и особенное звучание, характерное только для устройств этого типа. Недостатки — низкий КПД, повышенный расход энергии и тепловыделение, подверженность высокочастотным наводкам и высокая цена. Также ламповая электроника требует предварительного “прогрева” устройства перед работой.

Усилитель мощности звука 2

Вакуумные лампы внутри предусилителя современного гитарного усилителя (Источник)

Во второй половине XX века появляются первые транзисторные устройства для усиления звука. Все современные усилители – их прямые потомки.

Усилитель мощности звука 3

Интегральная микросхема (ИМС), применяемая в усилителях мощности звука (Источник)

Ошибочно полагать, что усилитель — это некий отдельный блок, к которому подключается источник звука и устройство вывода. Такой подход действительно распространён в профессиональной среде или у аудиоэнтузиастов, но современный облик усилителя звука в потребительском сегменте — это микросхема внутри автомобильной магнитолы, детской игрушки, mp3-плеера и т. д.

Классификация усилителей мощности звука

Сфера использования

По сфере использования усилители делятся на бытовые и профессиональные:

Бытовые усилители характеризуются сравнительно низкой ценой, малогабаритностью и упором на минимизацию искажений звука. Зачастую они не являются отдельными устройствами, а являются одним из компонентов других устройств в виде микросхем. В бытовых усилителях присутствует темброблок (эквалайзер) — устройство, которое корректирует амплитуду сигнала в определенном диапазоне частот.
Профессиональные усилители фокусируются на увеличении мощности звука с сохранением высокого качества и его передачу на более дальние расстояния. Они применяются в концертных залах, стадионах, студиях звукозаписи т. д. Чаще всего такие усилители представлены в виде отдельных устройств, а их размеры стандартизированы (т. н. рэковое исполнение корпуса). Это удобно при транспортировке и закреплении на специальных телекоммуникационных стойках. Так, ширина корпуса должна быть равна 17,75 дюйма (450,85 мм), а высота кратна 1,75 дюйма (44,45 мм).

Усилитель мощности звука 4

Стереоусилитель Unitra WS-503 (Источник)

Профессиональные усилители звука, в свою очередь, делятся на:

Студийные. Устройства этого типа используются в студиях звукозаписи и при усилении звука отдают приоритет качеству, а не громкости. В отличие от бытовых усилителей, в студийных отсутствует темброблок (для частотной коррекции используются микшерные пульты) и расширен диапазон воспроизведения частот.
Инструментальные. Эти устройства предназначены для усиления электроинструментов (бас-гитар, синтезаторов, электроскрипок, драм-машин и т. д.) Иногда инструментальные усилители звука поставляются в блочном исполнении (например, вместе с предусилителем, регулятором тембра и динамиками). Они используются не для точного усиления сигнала, а скорее, для подчёркивания определённых частот или добавления нужной тональной окраски в музыкальное полотно.
Концертные. Как нетрудно догадаться из названия, такие устройства используются для усиления звука при проведении концертов, фестивалей и других музыкальных мероприятий. Основные требования к ним — надёжность и продолжительная работа при нагрузках, близких к максимальным. Поэтому в концертных усилителях особое внимание уделяется различным видам защиты: от перегрева, перенапряжения, короткого замыкания и воздействия внешней среды.

Усилитель мощности звука 5

Клавишный (инструментальный) усилитель (Источник)

Стоимость и качественное исполнение профессиональных усилителей звука намного выше бытовых.

Количество каналов

Количество каналов, которые поддерживаются усилителями звука, в среднем варьируется от одного до шестнадцати. Большинство усилителей являются двухканальными. Это значит, что к ним можно подключить до двух динамиков в моно- или стереорежиме. Оптимальная конфигурация подключения: один канал — один динамик.

Классы

В традиционной классификации Института инженеров электротехники и электроники (IEEE) используются латинские буквы A, B, C и D для обозначения разных классов (режимов) работы усилителей мощности звука. Единого реестра классов для таких устройств не существует, поэтому вне рамок традиционного стандарта используются и другие режимы. Одна и та же буква в таких классификациях может обозначать совершенно разные характеристики, поэтому они не рассматриваются в статье.

Класс A — в этом режиме работают широкополосные однотактные ламповые усилители. Их КПД очень мал (около 20%), но практически отсутствуют высокие нелинейные искажения.

В класс B входят различные транзисторные усилители. Устройства в этом режиме имеют сравнительно низкий уровень шумов, КПД намного выше, чем в режиме A и составляет 70%. Но звук получается “сухим”, поэтому этот режим непопулярен.

В рамках класса AB инженеры объединили преимущества двух перечисленных выше классов. При максимальной нагрузке задействуется режим B, а при обычной и минимальной — режим A. КПД получается около 60%.

Класс С непригоден для воспроизведения звука и чаще всего используется в усилителях радиопередатчиков из-за высокого КПД (от 78,5%).

Класс D представляет собой усилитель с импульсным управлением. Этот режим был добавлен в традиционную классификацию в 1955 году. Он характеризуется сравнительно высоким КПД (85%), качественным звуком и малогабаритностью, что обеспечивает мобильность устройств этого класса.

Мощность и искажения

Одной из важных характеристик при выборе усилителя является его мощность. Она измеряется в ваттах (Вт) и вы легко найдёте её значение в документации и даже на упаковке. Проблема заключается в том, что производители по-разному трактуют само определение мощности как таковой. Кроме того, существует несколько стандартов её определения. Поэтому при выборе усилителя нередко возникает путаница.

Отметим также, что выдаваемая усилителем мощность напрямую зависит от сопротивления подключённых к нему устройств вывода звука.

Распространённые определения мощности:

Максимальная синусоидальная мощность (RMS, Rated Maximum Sinusoidal) — этот параметр показывает какой уровень нагрузки усилитель выдерживает в течение одного часа работы с сохранением дальнейшей работоспособности. Для замера мощности используется музыкальный, а не частотный сигнал. Любые возможные искажения не учитываются.
Среднеквадратичная мощность (RMS Power, Root Mean Square Power) — максимальная среднеквадратичная мощность усилителя, при продолжительной работе с которой искажения остаются в заданных значениях. Для замера мощности используется сигнал с частотой 1 кГц, а коэффициент нелинейных искажений должен быть равен 10%. Показатель используется в электротехнике и не подходит для оценки звуковых качеств усилителя, т. к. слуховой аппарат человека воспринимает звук амплитудно, а не среднеквадратично (громкие звуки различаются лучше, чем тихие).
Номинальная мощность является одной из наиболее правдоподобных и простых для понимания характеристик: проверяется максимальная мощность работы усилителя без превышения заданного порога искажений. С другой стороны, пороговые значения для искажений указывает сам производитель, что даёт ему определённую свободу манёвра.
Пиковая музыкальная мощность (PMPO, Peak Music Power Output) обозначает максимальную мощность на коротком промежутке времени, которую выдаёт устройство с сохранением работоспособности. Для определения этого показателя не существует единого стандарта (даже сам пиковый интервал варьируется от 10 миллисекунд до 2 секунд), что делает его бессмысленным. Показатель используется только в рекламных целях.
DIN (DIN 45500, DIN POWER, DIN MUSIC POWER) — совокупность стандартов для Hi-Fi аудиоустройств, которая наиболее адекватно описывают их мощность. В DIN Power для измерения используется сигнал с частотой 1 кГц на вход усилителя в течение 10 минут, коэффициент нелинейных искажений — 1%. Для тестирования в DIN Music Power используют музыкальный сигнал и длительную нагрузку на устройство без риска его повреждения. Стандарт DIN 45500 был перенесён с минимальными изменениями в IEC 60581 и ГОСТ 24388-88.

Как выбрать усилитель мощности звука

При покупке как бытового, так и профессионального усилителя звука придерживайтесь следующего правила: усилитель следует выбирать вместе с акустической системой. Это нужно для согласования мощности устройств — слабый усилитель не сможет работать при максимальной нагрузке длительное время, а слишком мощный выведет динамики из строя. Также при расчёте требуемой мощности всегда закладывайте некоторый запас — лучше не эксплуатировать устройство на пределе его возможностей.

Для домашнего использования следует сперва задуматься, а действительно ли вам нужен усилитель? Скорее всего, он уже встроен в устройство воспроизведения звука и его характеристик обычному пользователю хватит с избытком. Если же вы ценитель с особыми требованиями к звучанию — обратите внимание на ламповые усилители.

При выборе профессионального устройства определитесь с условиями использования — в каком месте нужно усиливать звук, при каких условиях и какой именно звук? Усилители звука систем экстренного оповещения работают на совершенно других принципах, нежели усилителя звука в студиях звукозаписи.

Также покупатели часто упускают, что качество работы усилителя не измеряется исключительно мощностью. Не следует забывать об уровне шума, весе и габаритах усилителя, материалах и качестве исполнения.

Где купить усилитель мощности звука

Купить усилитель мощности звука по доступной цене вы сможете на сайте наших партнёров Unitsolutions. Ниже мы составили список наиболее актуальных решений в разных ценовых категориях.

BKR BR-GD350

Усилитель мощности звука 6

Открывает нашу подборку недорогой усилитель класса D, BKR BR-GD350 мощностью 500 Вт. Устройство использует импульсный блок питания и фокусируется на надёжности при эксплуатации: в комплект поставки входит тефлоновый провод, устойчивый к перегреву, а система охлаждения позволяет устройству работать в широких температурных интервалах.

CROWN XLS 1002

Усилитель мощности звука 7

Двухканальный усилитель мощности класса D, CROWN XLS 1002 имеет встроенную защиту от перепадов напряжения в сети, оборудован цифровым процессором с DSP и позволяет настраивать входную чувствительность для каждого из каналов. Выходная мощность — 1100 Вт.

APart CONCEPT1

Усилитель мощности звука 8

APart CONCEPT1 — это двухканальный 100-ваттный усилитель мощности. Устройство способно работать в монорежиме сразу с двумя зонами и регулировкой громкости для каждой из них. Управляется по шине RS232 или с помощью ПДУ (не входит в комплект поставки).

RCF AM 2320

Усилитель мощности звука 9

RCF AM 2320 — одноканальный усилитель мощностью 320 Вт. Предназначен для интеграции в различные системы оповещения или для проведения трансляций. Присутствует 4 микрофонных и 2 AUX входа.

Yamaha PC406-D

Усилитель мощности звука 10

И, наконец, представитель премиальных решений — четырёхканальный усилитель Yamaha PC406-D. Мощность 600 Вт, большая матрица входов (до 20 x 8), 16 входов/выходов Dante, встроенный акустический процессор, поддержка дистанционного управления с помощью ProVisionaire Touch/Control — всё по первому разряду.