Усилитель мощности звуковой частоты

    Усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) является неотъемлемой частью любого звуковоспроизводящего  устройства - будь то приемник, телевизор, музыкальный центр и др. В данной статье УМЗЧ рассматривается как  элемент компонентной аппаратуры, предназначенный  для использования в стойках  домашнего комплекса высококачественного  воспроизведения.    

Все усилители мощности звуковой частоты предназначены для решения  одной задачи - повысить уровень  поступающих на них электрических  сигналов до величины, обеспечивающей нормальную работу громкоговорителей. Источники сигналов для УМЗЧ - проигрыватели  грампластинок и компакт-дисков, магнитофонные деки, тюнеры, а в  ряде случаев и микрофоны, телевизоры, видеокамеры, микшерные пульты и др.    

В этой статье рассмотрим транзисторные  усилители мощности, предназначенные  для домашних стереофонических (двухканальных) звуковых комплексов высокого класса. На потребительском рынке сейчас можно увидеть широкую гамму  стереофонических усилителей: оконечный  усилитель мощности, усилитель мощности с устройством предварительной  обработки сигнала (полный усилитель) в двухкорпусном или однокорпусном  исполнении, полный усилитель с радиовещательным тюнером (ресивер). Наибольшей популярностью  на европейском рынке пользуются однокорпусные полные усилители (92 %) и ресиверы (6,2 %), остальные устройства находят спрос менее чем у 2 % покупателей.    

Одним из важных потребительских  параметров усилителя является его  выходная мощность. Кстати, эта характеристика лежит в основе формирования стоимости  изделия в пределах продукции  одной фирмы. Однако среди группы производителей влияние этого параметра  на цену менее заметно. Большее значение в ценообразовании имеет престиж  самой фирмы, дизайн изделия и  его функциональная насыщенность.    

При выборе полного усилителя  необходимо руководствоваться параметрами  имеющихся у вас громкоговорителей (или тех, которые предполагаете  приобрести), их электрическим сопротивлением, номинальной и паспортной мощностью. Выходная номинальная мощность усилителя  всегда указывается с учетом его  работы на нагрузку определенного сопротивления. Ряд сопротивлений нагрузок нормализован (для облегчения комбинированного применения отечественной и зарубежной аппаратуры) - 2; 4; 6,3; 8; 16; 32; 64 Ом. Чаще используют два  из них - 4 и 8 Ом. Поэтому и характеристики усилителей приводят обычно с указанием  именно этих сопротивлений нагрузок.

    Выходную мощность усилителя на один канал следует выбрать в  пределах 0,5...1 номинальной мощности громкоговорителя. Ее превышение, равно  как и заниженное значение, нежелательно. В первом случае можно непроизвольно  повредить громкоговоритель (наблюдались  выходы из строя элементов механической подвески низкочастотных излучателей), а во втором - не полностью используются возможности громкоговорителя.    

Характеристика, связанная  с выходной мощностью усилителя  и напрямую указывающая на наличие  в нем возможных искажений, так  и называется - коэффициент нелинейных искажений. Этот же параметр называют также коэффициентом гармоник. Он представляет собой отношение эффективного напряжения всех гармоник сигнала к  напряжению основной частоты, выраженное в процентах. Главным источником таких искажений являются мощные выходные каскады, работающие в большинстве  случаев в режиме В или АВ. История развития современного усилителя свидетельствует о непрестанной борьбе за снижение значения этого параметра. Если до 60-х годов конструкторы стремились к наращиванию выходной мощности при коэффициенте гармоник порядка 1% (тогда это считалось весьма приличным показателем, не вызывающим неприятных ощущений дискомфортности звучания), то позже, особенно со времени применения в усилителях биполярных и полевых транзисторов, а также микросхем, борьба велась исключительно за снижение коэффициента нелинейных искажений сначала до десятых долей процента, а затем до сотых. Сколько в это время было сделано открытий и изобретений в схемотехническом и конструкционном плане! Сегодня коэффициентом гармоник 0,005 % уже никого не удивишь, но... борьба продолжается.    

Еще одним качественным показатено-частотная характеристика (АЧХ). Когда-то эта характеристика для ламповых и первых транзисторных усилителей была основной. Но постоянное улучшение качества усилителей привело к тому, что требования к диапазону воспроизводимых ими частот стали ограничивать, учитывая возможности человеческого восприятия (20...20 000 Гц). Сегодня промышленные усилители имеют значения этого параметра, существенно превосходящие установленную норму - в нижней границе звукового спектра от 5...10 Гц и в верхней - до 100...150 кГц. При такой ситуации частотный диапазон очень часто не приводится в сводных таблицах параметров (и в нашем случае тоже), оставаясь только для справки в паспорте на конкретное изделие.

    Но зато на одно из ведущих мест стал выходить параметр - отношение сигнал/шум. Цифровая техника записи звука (компакт-диски, мини-диски) с оптическим считыванием  повысила требования к данному параметру  звукоусилительной аппаратуры до 90 дБ и выше.    

Немалое значение имеют потребительские  свойства усилителя - число регуляторов  и их расположение, наличие выключателя  тонкомпенсации (весьма удобной для подъема низких частот при малых уровнях громкости воспроизведения), число пар входных и выходных гнезд для подключения различной радиоаппаратуры, система переключений источников сигнала, наличие элементов индикации режимов работы, дизайн, габариты.     

Что касается габаритов усилителей, то все фирмы-производители придерживаются единой нормы на ширину изделия (420...440 мм), что позволяет использовать в стойке комплекса любой усилитель. Высота и глубина изделия (они  различны даже в продукции одной  фирмы) в данном случае особой роли не играют. Однако потребители обращают на это особое внимание, так как  дизайн изделия каждой фирмы существенно  различается по цвету, форме ручек  и кнопок управления и других элементов.     

А вот число гнезд для  подключения источников сигнала  и нагрузки и способ их переключения весьма важны для усилителя. Это  показатель универсальности его  использования совместно с другой аппаратурой звуковоспроизведения. В современных усилителях число  входных гнезд от четырех до семи. Чаще всего предусматривают гнезда для подключения тюнера, двух магнитофонных  дек, проигрывателя компакт-дисков, электропроигрывателя грампластинок. Подключение внешнего микрофона  возможно не во всех усилителях. В более  дорогих конструкциях вводят входные  гнезда для подключения устройств предварительной обработки сигналов (например, эквалайзера). Выходные гнезда для подключения нагрузки (громкоговорителей) имеются в большинстве усилителей. Их всего четыре - по два для каждого канала, чтобы для создания эффекта пространственного звучания была возможность подключения фронтальных и тыловых громкоговорителей.    

Переключатели входов и выходов  в менее дорогих изделиях механические кнопочные, в более дорогих - кнопочные  псевдосенсорные, мягкие. В сочетании с элементами индикации в виде светодиодов в моделях усилителей низшей и средней ценовой категории и информационных табло в дорогих моделях - это создает приятный диалог с аппаратом. Большинство моделей уже имеют дистанционное управление и комплектуются универсальными пультами, с которых можно управлять не только самим усилителем, но и другими компонентами звукоусилительной установки (следует заметить, одной фирмы).    

Основные технические  характеристики имеющихся в продаже  усилителей сведены в таблицу. В  ней приведены три их основных электрических параметра (соотношение  сигнал/шум представляет собой дробь, в числителе которой указано  значение этого параметра для  входа проигрывателя компакт-диска (КД), а в знаменателе - магнитофонной  деки (маг)) и даны сведения о некоторых  потребительских свойствах моделей. В этой части в графе "Выход" индексами "Пол.тр." отмечены аппараты, в выходных каскадах которых использованы мощные полевые транзисторы.

Учитывая различное  назначение предварительных и оконечных  усилителей, целесообразно раздельно  обсудить их параметры и характеристики. Начнем с оконечных усилителей мощности. Их основными параметрами являются:

?     номинальная мощность при заданном коэффициенте нелинейных искажений;

?     максимальная мощность, которую усилитель способен отдавать в импульсе;

?     входное напряжение;

?     входное сопротивление;

?     коэффициент нелинейных искажений;

?     коэффициент демпфирования;

?     рабочий диапазон усиливаемых частот при заданной неравномерности;

?     динамический диапазон;

?     максимальная скорость нарастания сигнала на выходе;

?     коэффициент полезного действия (КПД);

?     потребляемая мощность;

?     габаритные размеры и вес;

?     специальные характеристики (дизайн, температурный диапазон, конструктивные особенности и т. д.).

Обычно нелинейные искажения  возрастают по мере роста напряжения на выходе и, соответственно, входного напряжения.

Номинальная выходная мощность обычно определяется как значение мощности Р при подаче на вход усилителя синусоидального сигнала с частотой 1 кГц, при котором коэффициент гармоник дорастает до заданного значения — чаще всего 1%. Нередко указывается и диапазон частот, в пределах которого усилитель отдает номинальную мощность (иногда ее именуют музыкальной). Эту мощность усилитель должен отдавать в течение длительного времени.

Максимальная мощность усилителя - это мощность при возрастании  коэффициента гармоник до 5 или 10 %. Поскольку  о качественном звуковоспроизведении в данном случае речь уже идти не может, то эта мощность характеризует как бы предельную энергетику усилителя. На нее должна быть ориентирована и максимальная мощность звуковых колонок, ибо если она заметно ниже, то при случайной перегрузке усилителя колонки могут выйти из строя.

Некоторые типы усилителей допускают  мостовое подключение нагрузки — она включается между потенциальными (их иногда называют горячими) выходными зажимами. Напомним, что при обычном включении нагрузка каждого канала имеет один горячий и один холодный, т. е. заземленный, зажим. При мостовом включении усилитель способен отдавать в 4 раза большую мощность, но только для монофонического сигнала.

Иногда коэффициент нелинейных искажений (гармоник) задается как самостоятельный параметр. Но его бесполезно указывать без указания мощности, при которой он измеряется. Часто задают эту мощность, равную половине от номинальной. Строго говоря, К_н зависит и от частоты входного сигнала, поэтому его нередко задают на определенной частоте (обычно 1000 Гц) или в определенном частотном диапазоне.

Входное напряжение и входное  сопротивление — параметры достаточно очевидные. О входном напряжении усилителей мощности уже говорилось. А входное сопротивление их обычно невелико — сотни Ом или единицы килоом. Это облегчает получение малых искажений на высоких частотах и делает усилитель некритичным к кабелю, соединяющему его вход с выходом предварительного усилителя.

Следует, однако, отметить, что  сейчас в усилителях высокого класса иногда стали применять два типа входа -обычный (небалансный) и балансный. Балансный вход имеет три провода: два из них сигнальные, а третий — земля. При балансном входе усилитель усиливает разность входных сигналов (т. е. балансный вход — это то же, что и дифференциальный). Поэтому одинаковые наводки на сигнальные провода не создают сигнала шума. Это усложняет схемы устройств, но ради повышения качества усилителей на это идут. В наиболее высококачественных усилителях применяют и оптические входы

Для электромеханического демпфирования  акустических систем желательно иметь низкое выходное сопротивление усилителя R_BbIx. Однако вместо его задания обычно задается коэффициент демпфирования R_H/R_BbIX, где R_H— сопротивление нагрузки. Коэффициент демпфирования иногда задается в децибелах. Практически бесполезны значения коэффициента демпфирования выше 40, поскольку общее сопротивление выходной цепи равно сумме R_BbIXи R_Hи получение очень малых R_Bblxне способно существенно уменьшить общее сопротивление.

Разумеется, важнейшим параметром является рабочий диапазон частот, определяемый видом АЧХ усилителя. Обычно этот диапазон указывают при заданной (в децибелах) неравномерности АЧХ.

Оконечные усилители часто  строятся по схеме усилителя мощности постоянного тока. Такие усилители не имеют завала на низких частотах — считается, что нижняя граничная частота у них равна 0. Для улучшения воспроизведения низких частот это хорошо. Однако при этом требуется построение схемы оконечного каскада с повышенной стабильностью, что удорожает усилители. Есть и опасность выхода из строя дорогих колонок при выходе из строя усилителя мощности или при нарушении его балансировки, ведущей к появлению на выходе усилителя постоянного напряжения.

Динамический диапазон усилителя (или просто отношение сигнал/шум) — это отношение напряжения на выходе при его номинальной мощности U_Hк напряжению всех шумов и помех U_m:

D= 20 log (U_H/U_m).

Он достигает 90—120 дБ у  высококачественных усилителей и 70—80 дБ у усилителей Hi-Fiумеренного качества. Не следует путать его с динамическим диапазоном громкостей — отношением максимальной громкости к минимальной. Минимальная громкость характеризуется уровнем около 30—35 дБ шумов в комнате. Расчеты показывают, что для обеспечения динамического диапазона звуковоспроизводящих устройств до 90—95 дБ необходимо использовать усилители с номинальной мощностью от 40 до 80 Вт.