Разработка усилителя мощности звуковой частоты

--PAGE_BREAK--ГЛАВА 4 НОРМИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ

Номинальное выходное напряжение источников звуковых программ, таких как магнитофон или тюнер, составляет около 200 мВ. Таким же обычно делают и выходное напряжение микрофонного усилителя и предусилителя корректора. Проходя через цепи регулировок громкости и баланса, оно, как правило, несколько уменьшается. Вместе с тем номинальное входное напряжение таких уз­лов усилителя, как регуляторы тембра, квадрапреобразователи, усилители мощности, обычно выбирают около 800 мВ.

Для согласования источников звуковых программ со входами предвыходных и выходных каскадов усилителя 3Ч применяют нормирующие усилители. К основным его техническим показателям относятся входное и выходное сопротивления, коэффициент усиления, перегрузочная способность, линейные и нелинейные искажения, отношение сигнал-шум, динамический диапазон, стабиль­ность показателей. Нормирующий усилитель имеет плоскую АЧХ в диапазоне рабочих частот. Он часто является первым каска­дом в тракте усилителя 3Ч, поэтому его шумовые свойства существенно влияют на достижимый динамический диапазон всего усилителя в целом.

Как было отмечено, получить более качественные показатели при отсутствии специализированных микросхем можно, если собрать функциональные узлы усилителя на дискретных компонентах, основываясь на схемотехнике ОУ По схемам, описанным в предыдущих разделах, усилитель можно вы­полнить, изменив цепи ООС и нормируюшие усилители Здесь приведено описание еще одной схемы ОУ на дискретных ком понентах, использованной для нормирую­щего усилителя, обладающего следующими основными   техническими   характеристиками

Входное   номинальное   напряжение

0,1 В

Входное максимальное напряжение

18
В

Выходное максимальное напряжение

14 В

Перегрузочная    способность неменее

25 дБ

Коэффициент гармоник, не более   

0,01 %

Отношение  сигнал шум   (невзвешенное)

78 дБ

Номинальный диапазон частот

10   100000 Гц

Напряжение   питания

±24 В

Ток потребления

15 мА

Схема нормирующего усилителя, приведен­ная на рисунке 5, сложная, так как требуемые характеристики здесь достаточно высокие гармонические искажения гораздо ниже 0,01 % при выходном напряжении 14 В, что на 25 дБ выше номинального уровня.
Входной каскад усилителя состоит из диф­ференциального усилителя (на транзисторах VT2 и VT4), в котором для улучшения параметров используются источники тока на транзисторах VT1 и VT3. Коллекторный ток каскада оптимизирован, чтобы иметь хоро­шую шумовую характеристику. Кроме того, в качестве входных использованы транзис­торы структуры р-п-р типа, имеющие мень­шее объемное сопротивление базы по срав­нению с транзисторами структуры п-р-п. Эмиттерный повторитель на транзисторе VT5 согласует входной каскад с последующей частью узла.

Основное усиление обеспечивает каскад на транзисторе VT6, в котором, чтобы получить максимальное усиление при минималь­ных искажениях, применяется источник тока на транзисторе VT7. Выходной эмиттерный повторитель на транзисторе VT8 с активной нагрузкой на транзисторе VT9 устраняет влияние нагрузки на параметры нормирую­щего усилителя. Для улучшения темпера­турной стабильности узла в качестве образ­цов источников напряжения используются светодиоды HL1 и HL2. Диод VDIзащищает конденсатор С6 от положительного напря­жения. Цепь ООС С6, R10, R11, охваты­вающая усилитель, обеспечивает его необ­ходимый коэффициент усиления. Конденса­торы С7 и С8 предотвращают самовозбуждение нормирующего усилителя.

Налаживание усилителя заключается в установке необходимого коэффициента уси­ления подбором резистора R10.



Рис. 5

    продолжение
--PAGE_BREAK--ГЛАВА 5 РЕГУЛЯТОР ГРОМКОСТИ


Для наиболее комфортного прослушивания, АЧХ регулятора громкости должна иметь вид, представленный на рисунке 6.



Рис. 6 АЧХ при трех положениях регуляторах громкости, a– максимальную, b– среднюю, c– минимальную.
Реализовать такие кривые электронно довольно сложно. При снижении уровня громкости, хуже воспринимаются НЧ и ВЧ составляющие звука (по кривым равной громкости). Частотно – зависимые регуляторы громкости выравнивают громкость звучания звуковой картины в соответствии с субъективными особенностями слуха человека.

Тон компенсацию почти во всех устройствах можно исключить, т.к. её применение не всегда оправдано, по причинам:

1.     Для данного положения регулятора громкости и заданного им уровня тонкомпенсации, реальные уровни входного сигнала могут меняться.

2.     Практическая реализация АЧХ отличается от желаемой по экономическим параметрам.

3.     Нелинейные характеристики чувствительного слуха, теоретически требуют дополнительного сжатия сигнала, зависящего от его уровня.

4.     Вносятся дополнительные фазовые искажения в сигнал

5.     Для многих инструментов тембральная окраска меняется с уровнем громкости на них.
Пассивный цифровой регулятор громкости изображен на рисунке 7.
Регулятор используют совместно сселек­тором входных сигналов. Регулятор громкости состоит из элект­ронного переключателя на 32 положения и цифрового узла управления им. До­стоинством этого регулятора также является большая точность совпадения каналов, определяемая допуском резисторов делителя.

Цифровой регулятор громкости имеет следующие основные технические ха­рактеристики:

Номинальное входное напряжение.

200 мВ

Номинальное выходное напряжение.

200 мВ

Максимальное входное напряжение.

6 В

Глубина регулировки громкости.

64 дБ

Напряжение питания.

15 и 7,5 В

Ток потребления.

30 мА

Рис. 7. Принципиальная схема цифрового регулятора громкости
Собственно электронный переключатель выполнен на микросхемах DD
1,
DD
2 и DA
1. Управляется он цифровой частью на микросхемах DD
3— DD
9. Пе­реключатель состоит из двух секций: одной (на микросхеме DD
2 и резисторах R
13 — R
16) на четыре положения с шагом 2 дБ, второй (на микросхеме DD
1 и резисторах R
3— R
10) на восемь положений с шагом 8 дБ.

Между ним» установлен развязывающий усилитель на микросхеме DA
1.1 с коэффициентом передачи около 1. Такое построение позволяет создать переключатель на 32 положения, используя всего 12 резисторов делителя. Состояние секций пере­ключателя определяется пятиразрядным кодом, вырабатываемым цифровым узлом управления, собранным на микросхемах DD
3— DD
9.

Узел управления содержит задающий генератор (на элементах DD
3,3,
DD
3.4,
DD
5.2), вырабатывающий сигнал с частотой около 4 Гц, и реверсив­ный счетчик (DD
4.1,
DD
9), вырабатывающий пятиразрядный код управления.

Элементы DD
6.2,
DD
6.3,
DD
8.1,
DD
8.2,
DD
5.3,
DD
3.5,
DD
3.6,
DD
7.1 —
DD
7.3 обеспечивают реверсирование счетчика и ограничение счета снизу и сверху. Элементы DD
6.1,
DD
3.2,
DD
5.1,
DD
5.2 необходимы, чтобы задающий генератор работал при нажатии любой из кнопок SB
1 или SB
2. Триггер DD
4.2 устраняет дребезг их контактов. С помощью кнопок SB
3— SB
6 дела­ют предварительную установку счетчика DD
9 и тем самым задают любой на­чальный уровень громкости. Элемент DD
3.1 совместно с резисторами Rl
,
R
2 и конденсатором С1 формирует импульс установки счетчика в нулевое состо­яние.

Особенностью регулятора является то, что при разомкнутых контактах кнопок SB
1 и SB
2 весь электронный переключатель находится в статическом положении и не вносит в усиливаемый аналоговый сигнал дополнительных по­мех. Это позволяет монтировать аналоговую и цифровую части регулятора на одной плате.

Узел управления общий для двух каналов. Стереобаланса добиваются из­менением усиления выходного каскада в селекторе входных сигналов. Если сделать цифровое управление раздельным для левого и право­го каналов, то баланс устанавливают раздельной регулировкой громкости.

Регулятор смонтирован на унифицированной монтажной плате с примене­нием переходных панелей для микросхем серии К564. В устройстве исполь­зованы резисторы МЛТ-0,25 (с точностью 5% в делителе и 10% — остальные) и конденсаторы КМ-4, КМ-5, К53-1. В качестве кнопок SB
1,
SB
2 можно при­менять переключатели без фиксации любого типа (например МП-3), вместо SB
3— SB
6 — переключатели любого типа с фиксацией.

Учитывая сложность устройства, необходимо обратить внимание на пра­вильность монтажа. Для проверки работоспособности регулятора необходим стабилизированный источник питания с напряжением 15 В и током не менее 30 мА. Напряжение 7,5 В берется с селектора входных сигналов. Налаживание устройства состоит в попарном подборе резисторов делителя R
3 —
R
10 и R
13 —
R
16.



ГЛАВА 6 РЕГУЛЯТОР ТЕМБРА

Регулятор тембра является, как правило, обязательным узлом совре­менного высококачественного устройства звуковоспроизведения. Основное его назначение — обеспечить такое регулирование АЧХ усилительного устройства, чтобы компенсировать частотные искажения, вызванные несовершенством акус­тических систем, или сформировать АЧХ под конкретную фонограмму с учетом акустических свойств помещения и дефектов записи фонограммы и тем самым восстановить естественный тембр звучания. Регулировка тембра звучания осно­вана на изменении АЧХ усилителя в определенной области частот. Коррекция АЧХ усилителя 34 достигается в основном с помощью цепей, содержащих кон­денсаторы и переменные резисторы и влияющих на АЧХ на краях рабочего диапазона частот.

В последнее время для регулировки АЧХ усилителя все чаще используют многополосные регуляторы тембра — эквалайзеры с LCR-элементами, которые позволяют изменить АЧХ на нескольких участках частотного диапазона. Точ­ность коррекции АЧХ усилителя обычно повышается при увеличении числа час­тотных полос, в которых происходит раздельная коррекция.

Для повышения плавности и глубины регулирования тембра, все чаще ис­пользуют активные элементы — транзисторы и ОУ, а также включают регулиру­ющие элементы в цепь ООС. В отличие от пассивных регуляторов (имеющих только цепи формирования АЧХ и согласующие каскады) активные регуляторы обеспечивают большее отношение сигнал — шум и больший диапазон регулиров­ки тембров примерно при том же количестве элементов.




Регулятор тембра на ОУ К153УД2 имеет следующие основные технические характеристики:



Номинальное входное напряжение.

0,15 В

Коэффициент передачи на частоте

1 кГц -15 дБ

Пределы регулирования тембра на частоте, Гц:



100.

±12 дБ

10000.

±13 дБ

Перегрузочная способность (относительно уровня 12 дБ),

не менее10 дБ

Коэффициент гармоник в диапазоне частот 20… 20 000 Гц

не более  0,1%

Отношение сигнал-шум (невзвешенное),

не менее  70 дБ

Входное сопротивление.

100 кОм

Выходное сопротивление.

1 кОм

Напряжение питания.

±15 В

Ток потребления.

10 мА



Такой активный регулятор тембра с RCмостом в цепи ООС (рис. 8), не­смотря на простоту, обеспечивает достаточную глубину изменения АЧХ усили­теля в области низших и высших частот. Пределы регулировки АЧХ на часто­тах 50 Гц и 15 кГц составляют около ±16 дБ. Наличие ОУ DA1 позволяет по­лучить коэффициент передачи напряжения регулятора больше единицы.

В поло­жении максимального подъема АЧХ в области низших и высших частот (ре­зисторы R
5 и R
3 в крайнем левом по схеме положении) АЧХ на частотая 350 Гц и 1,5 кГц имеет подъем на 3 дБ. Для обеспечения приведенных характе­ристик внутреннее сопротивление источника входного сигнала должно быть не более 1 кОм.



Рис. 8  Принципиальная схема регулятора тембра на ОУ 153УД2
Регулятор смонтирован на унифицированной монтажной плате методом объ­емного монтажа. Резисторы R
3,
R
5 могут быть любого типа с линейной зависимостью (типа А), остальные — МЛТ-0,25, конденсаторы — КМб. Кроме микро­схемы К153УД2 можно использовать К153УД1, К140УД7, К140УД8 и другие Q
соответствующими цепями коррекции.

Для питания темброблока можно использовать любой стабилизированный Двухполярный источник напряжения ±15 В, обеспечивающий ток в нагрузке не менее 20 мА. Перед настройкой проверяют правильность монтажа схемы. Затем подбором конденсаторов С5 и С6 устраняют возможное самовозбуждение узла при крайних положениях регуляторов тембра.



ГЛАВА 7 УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ

Еще один пример построения усили­теля с высоким питающим напряжением показан на рис.9. Его коэффи­циент усиления — 10, амплитуда вы­ходного напряжения — 29,5 В, макси­мальная выходная мощность — 30 Вт при сопротивлении нагрузки 4 Ом, коэффициент гармоник — 0,4 %, полоса пропускания по мощности — 30 кГц. Величину напряжения питания ОУ за­дают делители R1-R2 и R5-R6. Частотную коррекцию усилителя осуществляют конденсаторы Cl, C2. Высокая линей­ность усилителя гарантируется при равенстве сопротивлений резисторов R7 и R8 и подборе транзисторов VT3, VT4 с. близкими параметрами (параметры транзисторов VT1, VT2 на величину не­линейных искажений существенного влияния не оказывают). Недостаток усилителя — зависимость напряжения питания ОУ от стабильности общего питающего напряжения. Поэтому, если используется нестабилизированный источник, резисторы R2, R5 лучше заме­нить стабилитронами.

В усилителе использован принцип тем­пературной стабилизации тока покоя выходных транзисторов при помощи об­ратной связи по току. Элементы R6, R10, R12—R15, С2—С4 предотвращают самовозбужде­ние.

Усилители на ОУ, содержащие вы­ходные каскады усиления по напря­жению, имеют одну примечательную особенность. Известно, что скорость на­растания выходного напряжения прямопропорциональна его амплитуде, а поскольку последняя в К раз (К — коэффициент усиления выходного кас­када) больше амплитуды напряжения на выходе ОУ, то и скорость его на­растания в К раз превышает ско­рость нарастания напряжения па выходе ОУ. Казалось бы, что повышения скорости нарастания выходного напря­жения можно достигнуть, увеличивая коэффициент усиления каскада, однако делать это можно только до вполне определенной величины, пока сохра­няется устойчивость усилителя.

Рис. 9

По заданию требуется рассчитать резистивные цепи усилителя, задающие режим работы и смещение на транзисторах для питающего однополярного напряжения 70В.
Преобразуем схему, используя следующие методы.

— Сопротивления R2, R5 на рис. 9, присоединенные к общему выводу, соединим вместе R6,R7 рис. 10

— Добавим блокирующую емкость к резистору R12

— Добавим и рассчитаем разделительные емкости на входе и выходе усилителя.

— Вывод схемы, который при двухполярном питании подключался к отрицательному выводу источника питания, подадим на отрицательный вывод однополярного источника питания.

— Поднимем вдвое, по сравнению с двухполярным питанием, напряжение источника.

— Добавим делитель напряжения и подключим к нему вывод 3 ОУ.


                                                 Рис. 10
Рассчитаем ток делителя R5-R6-R7-R8

После изменения питающего напряжения до значения 70В, ток делителя должен оставаться неизменным, поэтому пересчитаем сопротивления делителя.

 примем по ГОСТ 33 кОм.

Сопротивление каждого из резисторов будет равно Rд/4=7кОм. Примем R2 = R3 = R5 = R6 = 6,8 кОм по ГОСТ.
Разделительные емкости рассчитаем по формуле:

 примем по ГОСТ 4,7 мкФ

 примем по ГОСТ 1000 мкФ

Примем С4=10 мкФ
Ток делителя примем 10мА. Рассчитаем делитель напряжения R1,R2
, следовательно, R1=R2=7кОм/2=3,5 кОм. Примем по ГОСТ R1=R2=3,3 кОм.

    продолжение
--PAGE_BREAK--ГЛАВА 8 ИНДИКАТОР ВЫХОДНОЙ МОЩНОСТИ

Контроль уровня сигналов звукового тракта имеет важное значение для получения высококачественного воспроизведения. Большое внимание этому уделяют, например, в магнитной звукозаписи, где сигнал должен иметь оптимальное значение. Если он будет больше, резко возрастают нелинейные искажения, если меньше — ухудшается отношение сигнал-шум. Необходимость контроля уровня выходных сигналов высококачественных усилителей также не вызывает сомнений, поскольку это значительно облегчает балансировку каналов и предотвращает перегрузку усилителей и акустических систем (а значит, и возрастание нелинейных искажений и возможный выход из строя динамических головок).

Основными параметрами измерителей уровня являются время интеграции и время обратного хода. Время интеграции определяет, насколько правильно ото­бражает измеритель реальный уровень сигнала в данный момент. Чем меньше время интеграции, тем лучше реагирует измеритель на мгновенные изменения уровня сигнала. Время обратного хода, наоборот, выбирают достаточно большим в пределах 1...3 с, что позволяет отслеживать за изменениями среднего уровня сигнала и исключает утомляемость от мелькания отображающих элементов (стрелки измерителя или светодиодов).

В бытовой аппаратуре для контроля уровня широкое распространение получили измерители уровня средних значений (как говорит само название, они измеряют среднее значение сигнала). За рубежом аналогичные измерители называются волюметрами. Основным недостатком таких измерителей является большое время интеграции (около 200 мс), что не позволяет регистрировать кратковременные изменения уровня сигнала.

Реальная звуковая программа имеет ярко выраженный импульсный характер и часто содержит сигналы с длительностью значительно меньше чем 200 мс. Поэтому для исключения перегрузок и более точной регистрации пиковыхуровней ГОСТ 21186-75 рекомендует квазипиковые измерители уровня с временем интеграции 5 мс. Иногда также применяют измерители с временем интеграции 60 мс.

В качестве отображающих элементов в измерителях уровня до недавнего времени использовались в основном стрелочные приборы. В настоящее время все чаще применяют газоразрядные, люминесцентные и светодиодные индика­торы. По сравнению со стрелочными такие индикаторы практически безынерционны и позволяют регистрировать кратковременное превышение допустимого значения уровня выходного сигнала.

Рассмотрим индикатор на 8 диодах.
Измеритель (рисунок 11) имеет следующие основные технические характеристики:



Число индицируемых уровней

8

Время интеграции

60 мс

Время обратного хода

1,7 с

Диапазон индицируемых уровней

(0,14-5)В

Напряжение питания

5 В

Ток потребления (при   свечении восьми светодиодов)

100 мА

                                  

Здесь транзисторы VTl—VT8 формируют первоначальный логический уровень для работы микро­схем DD1, DD2. Один из входов логических элементов 2И-НЕ соединяется таким обра­зом, что появление напряжения низкого уровня (лог 0) на одном выходе автома­тически поддерживает напряжение низкого логического уровня на выходах всех предыдущих логических элементов.



Рис. 11 Индикатор выходной мощности.

ГЛАВА 9 РАСЧТЕ РАДИАТОРОВ УМЗЧ

Мощность, рассеиваемая каждым выходным транзистором КТ818 и  КТ819, составляет 50% от суммарной рассеиваемой мощности – 12,5 Вт.

Из табл. 6.5 [3]: ТПmax= 125°С, R
П
K
= 1,8°С/Вт, RKP
— 0,5°С/Вт.

Радиатор из пластины толщиной 5 мм.

Выберем крепление транзисторов прижимом на винтах с пастой. Тогда, в соответствии с табл. 6.3:

R
KP
= 0,5 • 0,5 = 0,25С/Вт, т.к. к = 0,5.

Тепловое сопротивление переход-радиатор

Rnp
=
RnK
+
RKP
= = 1,8 + 0,25=2,05С/Вт.

Предельно допустимая температура радиаторов



Допустимый перегрев радиатора:





Из соображений надежности выберем = 50°С. Рассеиваемая радиатором мощность

RPC
= /Р = 50/12,5 = 4 С/Вт.

Тепловое сопротивление равностороннего радиатора из пластины

R
РС
= R
1 +
R
2
= 4°С/Вт,

где Rt
= 475/0,945Sдля вертикальной установки радиатора;

R
2
=0,25/d
= 0,25/0,5 = 0,5°С/Вт.

Откуда площадь радиатора S
равна:

S
= 475/(0,94*(4 — 0,5)) = 143,61 см2.

    продолжение
--PAGE_BREAK--