мистецтво схемотехніки

11.3. Підсилювачі низької частоти

Як працює підсилювач низької частоти

Вимоги до УНЧ. Перш ніж приступити до виготовлення підсилювача низької частоти (УНЧ), торкнемося самим коротким чином основ його роботи. Основну функцію УНЧ можна сформулювати однією фразою - посилити вхідний звуковий сигнал до потужності, необхідної для його відтворення акустичною системою (АС), і при цьому внести в сигнал мінімальні спотворення.

Для виконання цієї функції УНЧ повинен:

• по-перше, мати високий коефіцієнт посилення за проектною потужністю:
• по-друге, мати максимально лінійну передавальний характеристику, т. е. графік залежності величини сигналу на виході підсилювача від величини сигналу на його вході повинен являти собою абсолютно пряму лінію, що проходить через точку (0,0) координатної площини.

На жаль, така характеристика, як і все ідеальне, практично недосяжна, тому що підсилювальні елементи, будь то лампи, транзистори або мікросхеми, мають передавальними характеристиками, часто навіть віддалено не нагадують пряму лінію.

Додатково до всього, форма цих характеристик залежить ще і від частоти сигналу, що подається на вхід, хоча на низьких частотах ця залежність рідко набуває катастрофічних масштабів. Як же в таких умовах домогтися якісної роботи підсилювачів?

Передавальні характеристики:
а - передавальна характеристика транзистора;
б - подана постійна складова

Передавальні характеристики. Розглянемо для прикладу передавальний характеристику транзистора (рис. 11.16, а). Вона являє собою хитромудру криву, яку з масою застережень можна назвати експонентою.

На графіку (рис. 11.16, а) легко можна побачити, що верхня частина кривої більш-менш схожа на пряму лінію (по крайней мере, в порівнянні з нижньою її частиною). Якби нам вдалося для посилення сигналу використовувати тільки верхню частину кривої, то ми отримали б дуже хороше наближення до ідеалу.

Зробити це досить просто - треба подати на вхід транзистора разом з підсилюються сигналом ще додаткову постійну складову, яка змістить підсилюваний сигнал в «майже пряму» область передавальної характеристики (рис. 11.16, б). Ця додаткова складова так і називається - «зсув».

Режими роботи підсилюючих елементів. Залежно від співвідношення величини сигналу і величини зміщення розрізняються кілька режимів роботи підсилюючих елементів:

• режим А - величина зміщення свідомо більше будь-якого можливого сигналу на вході підсилювача;
• режим У - величина зміщення така, що сумарний сигнал може заходити в область початкового вигину передавальної кривої, а часом навіть і в ліву частину графіка, де транзистор зовсім не підсилює сигнал;
• режим С - зміщення як таке відсутнє зовсім.

Звичайно, найкращий в плані наближення до ідеалу - режим А, але за таке наближення доводиться платити дуже дорогу ціну, адже підсилювальний елемент підсилює не тільки корисний сигнал, але і подане зміщення. Посилення ж пов'язано з виділенням теплоти - так вже влаштувала природа. ККД підсилювачів класу А (клас підсилювача визначається режимом роботи його вихідних транзисторів) навіть теоретично не може бути більше 50%, в реальності ж він ще менше.

Неодмінний атрибут підсилювачів класу А - гігантські радіатори. Тому в чистому вигляді клас А в УНЧ застосовується досить рідко, зазвичай це все-таки якийсь різновид класу В.

Головний недолік класу В - то, що вхідний сигнал може часом опинятися в області, де посилення сигналу немає зовсім. У що перетвориться в цьому випадку вихідний сигнал, краще навіть не думати. Як вирішити цю проблему?

До відповіді фахівці додумалися багато десятиліть тому - потрібно, щоб сигнал посилював не один елемент, а два! Один - одну «половину» сигналу, інший - іншу. Зробити це досить просто - потрібно подати вхідний сигнал на два транзистора різної провідності (т. Н. Комплементарная пара) або подати на два однакових транзистора два протифазних сигналу, а посилені сигнали певним чином скласти.

Передатна характеристика такої «парочки» виходить не зовсім прямий, в області невеликих сигналів у неї присутній т. Н. «Сходинка», але її в деякій мірі можна «задавити» зміщенням. Підсилювачі, в яких для посилення сигналу використовується пара підсилюючих елементів, називаються двотактними, на відміну від однотактний, в яких такий елемент один.

Клас С, незважаючи на свою високу економічність, в УНЧ використовується рідко - занадто великі внесені їм спотворення. Зате цей клас з успіхом застосовується в передавачах. Адже в силу специфіки випромінюваного передавачем сигналу в передавальної техніці існують ефективні способи усунення спотворень, що вносяться каскадом, що працюють в класі С. При цьому економічність каскаду при випромінюваної передавачем потужності в одиниці, десятки або навіть сотні кіловат стає занадто серйозним фактором, щоб ним нехтувати.

Втім, інженерна думка і тут не дрімає - в культовому УНЧ «Quad-405» і його клонах розробники шляхом оригінального технічного рішення змусили-таки вихідні транзистори працювати в класі C, і отримати при цьому прекрасний звук!