Фильтры верхних и нижних частот (ФУ2)
Нормирующий усилитель (ФУЗ)
Шумоподавитель (ФУ4)
Темброблок (ФУ5)
Синтезатор псевдоквадрафонического сигнала (ФУ6)
Усилитель мощности (ФУ7)
1 На частоте 1 кГц при коэффициенте гармоник не более 0,5%.
2. При номинальном входном напряжении.
3. При максимальном подъеме АЧХ в коэффициенте гармоник не более 0,5%.
4 При заданном коэффициенте гармоник.
5. При номинальной выходной мощности.
6. По отношению к собственным шумам усилителя.
Сквозные характеристики аппаратуры, построенной из ФУ начального уровня, удовлетворяют минимальным требованиям к системам высококачественного воспроизведения звука по стандарту DIN 45500; параметры ФУ среднего уровня обеспечивают сквозные характеристики, свойственные лучшим образцам современной отечественной и зарубежной аппаратуры класса Hi — Fi; нормы на параметры ФУ высшего уровня установлены исходя из анализа современного состояния и перспектив совершенствования звуковоспроизводящей техники в будущем. Значения параметров выбраны таким образом, чтобы ни один ФУ в пределах своего уровня не ограничивал характеристики тракта в целом. Использование ФУ с разными уровнями параметров в одном устройстве нежелательно, так как это приведет к снижению характеристик усилителя, которые будут определяться параметрами ФУ худшего качества.
Рис. 2. Схема соединения ФУ при объединении их в звуковоспроизводящий тракт
Рис. 3. Схема соединения монтажных плат ФУ при объединении их в звуковоспроизводящий тракт
Схемы соединений ФУ при объединении их в звуковоспроизводящий тракт показаны на рис. 2 и рис. 3 (нумерация выводов ФУ на первом из них соответствует нумерации контактов на торцах монтажных плат на втором). Здесь выход ФУ1 соединен непосредственно с входом ФУ2, выход ФУ2 — с входом ФУЗ и т. д. Питание на каждый ФУ подается с соответствующих шин по отдельным проводам. Чтобы уменьшить помехи (фона и шумов), общие провода сигнальных цепей и питания (средняя точка источника двухполярного питания) разделены. С отдельной шиной (корпусом) соединяют и экраны, в которые помещают чувствительные к наводкам ФУ (см. с. 130).
В предлагаемом исполнении звуковоспроизводящего тракта некоторые ФУ (например, фильтры, нормирующие усилители, темброблоки и т. п.) можно поменять местами, а также исключить отдельные узлы (в этом случае на их место устанавливают короткозамыкающие перемычки, соединяющие выводы входа и выхода исключаемого узла). Это открывает широкие возможности для исследований и оптимального построения разрабатываемого устройства.
Конструкция, построенная на базе модулей ФУ, оказывается весьма работоспособной: вышедший из строя ФУ можно заменять запасным или заглушкой с короткозамыкающими (вход с выходом) перемычками. При этом некоторые параметры ухудшаются, и теряются отдельные эксплуатационные удобства (например, возможность регулирования тембра при выходе из строя темброблока), однако работоспособность тракта сохраняется. Далее будет приведено описание банка испытанных схем различных ФУ, удовлетворяющих перечисленным требованиям. Все ФУ совместимы информационно, электрически и конструктивно,
Под информационной совместимостью подразумевается совместимость сиг-валов, несущих информацию (например, по номинальному диапазону частот, скорости нарастания выходного сигнала, динамическому диапазону и т. п.), под электрической — совместимость по номинальным уровням входных и выходных сигналов соседних по тракту ФУ и по входным и выходным сопротивлениям, под конструктивной — возможность непосредственного конструктивного объединения ФУ в результате одинаковой прокладки линий связи, применения однотипных разъемов и единого порядка соединения контактов с соответствующими цепями ФУ.
ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА
Усилители высококачественного звуковоспроизведения должны удовлетворять определенным объективным и субъективным требованиям.
На сегодняшний день не существует полной объективной количественной системы оценок качества звучания, однозначно совпадающих с субъективным впечатлением. Такие характеристики качества звучания, как прозрачность, чистота звука, эффект присутствия, мягкость и естественность звука, до сих пор не имеют объективных оценок. Однако существующие методы объективной оценки технических параметров позволяют во многом количественно измерить и предсказать достижимое качество звучания при субъективном восприятии. Достаточно полные сведения о технических характеристиках усилителя позволяют без электрических испытаний выяснить степень применимости усилителя для конкретного потребителя, быстро и правильно выбрать и спроектировать весь звуковоспроизводящий комплекс с учетом определенных условий эксплуатации, а также оценить предполагаемое качество звучания.
К основным техническим показателям УВЗ относятся входные и выходные ноказатели, коэффициент усиления, потребляемая мощность и КПД, линейные и нелинейные искажения, уровень собственных помех и шумов, амплитудная характеристика, динамический диапазон, стабильность показателей и др. Мы рассмотрим те из них, которые непосредственно отражаются на субъективном восприятии качества звучания, а именно уровни линейных и нелинейных искажений, собственных помех и шумов и динамический диапазон усилителя.
Для количественной оценки этих показателей важным является выбор фор-мы испытательных сигналов. В большинстве случаев напряжение на входе усилителя изменяется по периодическому закону. Форма кривой сигнала при этом может быть весьма разнообразной; она полностью зависит от характера сигналов усиливаемого напряжения.
Периодическое колебание может быть представлено в виде ряда Фурье:
Согласно этому выражению спектр входного сигнала представляется в виде бесконечного ряда гармоник с кратными частотами от w=2пf до оо. Реально же при звукоусилении имеют дело с конечным диапазоном частот, что означает, что за пределами некоторой полосы, ограниченной верхней частотой fв, амплитуды гармоник равны нулю, т. е. Uk — 0 при kw>2пfB.
В общем случае форма напряжения звукового сигнала не является периодической функцией времени и ее можно представить с помощью интеграла Фурье, являющегося распространением ряда Фурье на бесконечно большой период повторения функции. Для звуковых сигналов интервал между частотами гармоник стремится к нулю, и прерывистый спектр сигнала превращается в сплошной. А это значит, что напряжение звукового сигнала имеет непрерывный спектр.
На практике при анализе и испытаниях усилителей звуковой частоты (34) в установившемся режиме часто используют в качестве входного сигнала напряжение синусоидальной формы, что является весьма условной и грубой моделью реальных сигналов, оправданной только с точки зрения методической простоты. Такая идеализация дает практически удовлетворительные результаты для грубой оценки качества усилителей 34.
Виды искажений, вносимых усилителем ЗЧ. Основным качественным показателем усилителя ЗЧ является степень неискаженного воспроизведения сигналов на выходе, подведенных ко входу. Под искажением понимается всякое изменение формы сигнала на выходе uвых по сравнению с формой сигнала на входе uвх. В идеальном случае выходное напряжение должно быть точно такой же функцией времени, как и входное, т. е.
u вых ( t ) = K вх ( t ).
где К — постоянный коэффициент, не зависящий от uвх и t .
Обычно при прохождении сигнала через усилитель всегда возможен сдвнв сигнала во времени М, что не является искажением сигнала. Тогда условие неискаженной работы усилителя имеет вид:
u вых ( t ) = К u вх ( t — Д t ).
Для его выполнения необходимо, чтобы в усилителе отсутствовали линейные и нелинейные искажения.
Линейные искажения обусловлены влиянием реактивных элементов усилителя — конденсаторов и катушек, сопротивление которых зависит от частоты. Эти искажения имеются и в линейном усилителе, например, при усилении очень слабых сигналов, когда нелинейность активных элементов усилителя можно не учитывать.
К линейньим искажениям относятся: частотные, фазовые и переходные искажения. Частотные искажения в усилителях являются следствием неодинаковости коэффициента усиления на различных частотах в пределах заданной полосы пропускания. Из-за них нарушаются реальные соотношения между амплитудами компонент сложного колебания, а это значит, что меняется энергетический спектр сигнала, искажается форма звукового сигнала, что приводит к значительному изменению тембра звука. При больших частотных искажениях звучание различных музыкальных инструментов теряет прозрачность, речь делается неразборчивой. Если коэффициент усиления на верхних частотах звукового диапазона больше чем на нижних, то передача становится ненатуральной: звук теряет свою сочность, тембр получается звенящим, металлическим. При сильном подъеме нижних частот тембр передачи становится глухим, все низкие ноты оказываются ненатурально подчеркнутыми. Для неискаженного воспроизведения колебаний звуковой частоты необходимо равномерно усиливать все частоты в пределах некоторой полосы.
Частотные искажения, вносимые усилителем, оценивают по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ). Количественно они определяются нормированным коэффициентом усиления М (его часто называют коэффициентом частотных искажений), равным отношению коэффициента усиления на данной частоте K к коэффициенту усиления на средних частотах Ко:
М = К/К6.
В логарифмических единицах он равен G[дБ]=201gM.
Область АЧХ, в которой G практически не зависит от частоты (на рис. 4 от 200 Гц до 10 кГц), называют областью средних частот. Нижней fa и верхней fB граничными частотами называют такие, на которых G уменьшается до заданного (допустимого) значения GДOП относительно коэффициента усиления на средних частотах. Область частот от fн до fB — рабочий диапазон частот, или полоса пропускания усилителя.
Коэффициенты частотных искажений на низших GH и высших GB частотах:
G н = 20 lg [К ( f н )/ Ko ], GB = 20 Ig [ K ( f в )/ K 0 ]
В многокаскадном усилителе общий коэффициент частотных искажений на любой частоте равен сумме коэффициентов частотных искажений в отдельных каскадах:
G0 БЩ =G1 + G2+... + GN .
Рис. 4. Амплитудно-частотная характеристика усилителя ЗЧ
Их взаимной коррекцией можно добиться, что усилитель в целом будет иметь идеально плоскую АЧХ.
На практике усилители 34, выполненные по большинству схем, имеют некоторый спад усиления в области нижних и верхних частот из-за наличия реактивных элементов и частотных свойств транзисторов. Степень линейных искажений усилителя 34 для отечественной бытовой аппаратуры задается по ГОСТ 24388 — 80. У лучших образцов усилительных узлов неравномерность АЧХ в диапазоне рабочих частот не должна превышать 0,5... 1,5 дБ. Для уменьшения линейных искажений диапазон рабочих частот усилителя выбирают шире диапазона частот, воспроизводимых акустическими системами.
Амплитудно-частотная характеристика усилителей на транзисторах в области верхних частот определяется емкостями эмиттерного и коллекторного переходов, в области нижних частот — емкостью разделительных и блокировочных конденсаторов. Чтобы расширить частотный диапазон в сторону верхних частот, либо уменьшают сопротивления на входе и выходе резистивного каскада» либо выбирают более высокочастотный транзистор. Диапазон усиливаемых частот может простираться до 100 кГц и более, что приводит к исчезающе малым линейным искажениям. Однако без специальных мер это обстоятельство приводит к таким нежелательным явлениям, как усиление низкочастотных помех (20... 100 кГц), создаваемых промышленными установками, генерация на высоких частотах, усиление остаточных напряжений ПЧ с детектора приемника и т. д. Появляются нелинейные искажения, вызываемые интерференцией звуковых и поднесущих частот при работе с тюнером или приемником.
Для борьбы с этими явлениями на входе усилителя включают специальные низкочастотные и высокочастотные фильтры. Этим обеспечивается эффективное подавление составляющих фона, шумов и паразитных сигналов в той части диапазона, где отсутствуют составляющие полезного сигнала. Оптимальная крутизна спада у таких фильтров — 12 дБ на октаву. Фильтры часто делают переключаемыми, что позволяет выбирать ширину воспроизводимых частот в соответствии с качеством музыкальной программы. Искусственно ограничивать полосы отдельных ФУ, особенно усилителей мощности, нецелесообразно, так как это приведет к увеличению линейных искажений, особенно фазо-частотныя и переходных.
Фазовые искажения являются результатом вносимых усилителем фазовых сдвигов между различными частотными компонентами сложного звукового сигнала, вследствие чего искажается его форма. В качестве примера рассмотрим гармонический сигнал, состоящий из основной и третьей гармоник (рис. 5, а). Если в результате прохождения через усилитель третья гармоника получит сдвиг на 90° по отношению к первой, то, как видно из рис. 5,6, форма сигнала изменится. Если же и первая гармоника будет иметь сдвиг фазы 30° (рио. 5, в), то сигнал только сдвинется во времени, но форма его не изменится.
Фазо-частотные искажения будут отсутствовать, когда усилитель на всех частотах полосы пропускания не вносит фазовых сдвигов и если фазовый сдвиг, вносимый усилителем, пропорционален частоте сигнала.
Рис. 5. Искажения формы сложного сигнала при сдвиге фазы одной из его составляющих
Фазовые искажения в усилителе оценивают по фазо-частотной характеристике (ФЧХ). Эта характеристика представляет собой зависимость фазового сдвига Дф выходного напряжения (тока) относительно входного от частоты при действии на входе усилителя синусоидального сигнала.
Типичная ФЧХ усилителя изображена на рис. 6 непрерывной линией. При ДФ>0 выходное напряжение опережает входное, при Дф<0 — отстает. Не создающая искажений форма сигнала ФЧХ представляет собой линейную зависимость фазового сдвига от частоты:
ДФ (f)= — 2 п t3(f — f0),
где ta — групповое время запаздывания.
Групповое время запаздывания представляет собой производную по частоте ФЧХ, т. е. t 3 = d ф>( t )/(2пdf ). При линейной ФЧХ все спектральные составляющие входного сигнала запаздывают на одинаковое время ta , что не вызывает искажения формы сигнала. Если ФЧХ нелинейна, то различные спектральные составляющие входного сигнала будут запаздывать на различное время, форма выходного сигнала исказится, верность воспроизведения музыкального произведения нарушится.
Количественной оценкой фазовых искажений служит нелинейность ФЧХ реального усилителя, равная разности между реальной ФЧХ усилителя и аппроксимирующей ее линейной функцией в рабочем диапазоне частот. Аппроксимировать ФЧХ удобнее ломаной линией, образованной прямолинейными отрезками (на рис. 6 отмечены цифрами 1, 2, 3).
Принято считать, что в широком диапазоне звуков человеческое ухо не реагирует на изменение фазовых соотношений между отдельными гармоническими составляющими спектра сигнала. Отчасти это верно при монофоническом воспроизведении. Однако в высококачественных стереофонических и особенно в квадрафонических системах фазо-частотные искажения существенно влияют на верность воспроизведения музыкальной программы, поэтому эти искажения должны быть нормированы. Следует отметить, что в активных псевдоквадрафонических системах эффект объемности звукового образа достигается формированием специальных фазовых характеристик усилителей тыловых каналов.
Рис. 6. Фазо-частотная характеристика усилителя ЗЧ
По абсолютному значению фазовых сдвигов на низшей Дфн и высшей Дфв частотах судят об устойчивости усилителей с глубокой обратной связью. В высококачественных усилителях звуковоспроизведения фазовые искажения бф в рабочем диапазоне частот не должны превышать 4... 5°. Расчеты показывают, чтобы нелинейность фазовой характеристики в пределах рабочего диапазона была меньше 2°, полосу пропускания усилителя нужно расширить в обе стороны в 2,5 раза, т. е. для усилителей высококачественного звуковоспроизведения, имеющих исчезающе малые фазовые искажения, полоса пропускания должна быть 8... 50 000 Гц.
Как отмечалось, реальный звуковой сигнал имеет сложную импульсную форму. В высококачественных усилителях требуется высокая верность сохранения формы входного сигнала. Изменение формы сигнала на выходе усилителя зависит как от амплитудно-частотных, так и фазо-частотных искажений. Ожидаемое изменение формы сигнала может быть легко определено анализом переходных процессов в цепях усилителя, обусловленных наличием реактивных элементов. Поэтому для количественной оценки искажений из-за переходных процессов, приводящих к изменению формы сигнала, удобно проанализировать переходную характеристику (ПХ) усилителя.
Переходная характеристика есть реакция h ( t ) усилителя на воздействие единичной функции 1 ( t ) (рис. 7) и представляет собой зависимость мгновенного значения выходного напряжения усилителя uвых(t) от времени при скачкообразном изменении напряжения на входе усилителя. Переходные искажения оцениваются искажениями фронта и плоской вершины импульса. Обычно в усилителях 34 искажения плоской вершины импульса можно не исследовать, так как они связаны с искажениями в низкочастотном участке сигнала, которые легко проанализировать по АЧХ усилителя. Искажения фронта импульса оценивают по его длительности tф и выбросу бф (см. рис. 7). Они приводят к динамическим искажениям, которые проявляются в виде завала фронта резких перепадов уровня реального музыкального сигнала и кратковременного возрастания нелинейных искажений в этот момент из-за запаздывания сигнала отрицательной обратной связи (ООС). Для уменьшения динамических искажений обычно повышают быстродействие усилителя и уменьшают глубину ООС.
Рис. 7. Переходная характеристика усилителя ЗЧ
Быстродействие усилителя можно оценить как по длительности фронта, так и по полосе пропускания или максимальной скорости нарастания выходного сигнала umax. Максимальная скорость нарастания для линейных систем связана с полосой пропускания (ее верхней границей) соотношением:
um а x = 2 п fm а x U 0 m ах ,
где fmaх — максимальная частота, передаваемая усилителем без искажений; Uо mах — максимальная неискаженная амплитуда выходного синусоидального сигнала.
Однако оконечный усилитель очень редко можно считать достаточно близким к линейной системе, особенно на высоких частотах, поэтому ытах для усилителей мощности 34 оценивают по ПХ.
Значение «max определяют по ПХ (см. рис. 7) как максимальную производную h ( t ), т. е.
Чем больше скорость нарастания выходного напряжения, тем качественнее воспроизводится звуковая панорама. Характерное значение umax для высококачественных усилителей мощности составляет 8... 80 В/мкс. Именно такие усилители получают высокую оценку со стороны экспертов при определении качества звуковоспроизведения [2].
Выброс фронта бф (см. рис. 7) есть относительная разность между максимальным значением выходного напряжения Umax и его установившимся значением Uу:
Наличие выброса в ПХ приводит к «звонам», к «металлическому» звуку. В высококачественных усилителях выброс бф не должен превышать 4... 6%.
Между АЧХ, ФЧХ и ПХ усилителя существует сложная зависимость, связанная с тем, что все три характеристики обусловлены наличием одних и тех же реактивных элементов. Однако существующие графические методы, позволяющие по известным АЧХ и ФЧХ определить ПХ, довольно громоздки и не наглядны. На практике проще получить ПХ на экране осциллографа, при необходимости подкорректировать ее и оценить параметры.
Нелинейные искажения вызваны прохождением сигнала через элементы, имеющие нелинейные характеристики, например, через транзисторы, вследствие чего искажается форма колебания и меняется его спектральный состав. Поскольку усилитель вносит нелинейные искажения, то на его выходе появляются новые компоненты (гармоники), отсутствующие на входе, что вызывает искажение тембра звука. Количественной оценкой нелинейных искажений является коэффициент гармоник Кг:
где Рг — суммарная мощность гармоник; pi — мощность полезного сигнала.
Из всех гармоник наиболее интенсивны вторая и третья. Остальные имеют гораздо меньшую мощность и мало влияют на форму выходного сигнала.
Коэффициент гармоник многокаскадного усилителя обычно близок к сумме коэффициентов гармоник отдельных каскадов. Поэтому если нелинейные искажения в предварительных каскадах соизмеримы с искажениями в оконечном ка-
скаде, то общий коэффициент гармоник тракта звуковоспроизведения можно оценить по формуле:
K р.общ = K г1 + K г2 + ...+ K г n ,
Однако коэффициент Кг дает неполное представление о нелинейных искажениях в усилителе, так как он не учитывает сигналы комбинационных частот, образующиеся в результате интерференции между отдельными составляющими сложного колебания. Наиболее заметны нелинейные искажения из-за комбинационных частот, возникающие при подаче на усилитель двух и большего числа синусоидальных сигналов. Особенно заметны комбинационные частоты вида f 1 — f2, f1 — 2f2, 2f1 — f 2, так как они, как правило, не содержатся в спектре даже сложного входного сигнала.
Для высококачественных усилителей часто вводят еще один показатель, характеризующий их нелинейность, — коэффициент интермодуляционных искажений Kим.и. При измерении Kим.и на вход усилителя подают два гармонических колебания с частотами: f1=50... 100 Гц и f2=5... 10 кГц при отношении амплитуд UBX(f1)/UBX(f2)=4/l. Коэффициент Kим., равен отношению амплитуды выходного напряжения разностной частоты fz — fi к амплитуде выходного напряжения частоты f1:
Допустимое значение Kим.и<0,1 ... 1%. Исследования авторов показывают, что Kим.и= (3... 5) Кг. Учитывая это и сложность измерения коэффициента интермодуляционных искажений, авторы не измеряли Kим.к в усилителях, схемы которых приведены в книге.
Нелинейные искажения значительно зависят от амплитуды подаваемого на вход сигнала. На рис. 8 показан характер зависимости коэффициента Kг от мощности на выходе усилителя. Эта кривая является основной характеристикой для оценки нелинейных искажений. Она служит также для определения максимальной полезной мощности усилителя по заданному Kг.
Коэффициент гармоник задается, как правило, для большого уровня входного сигнала. Для транзисторных усилителей мощности характерно увеличение нелинейных искажений при весьма малых уровнях входного сигнала, что вызвано искажениями типа «ступенька» или «центральная отсечка». Поэтому для полной оценки качества усилителя целесообразно контролировать Кг также при малых уровнях входных сигналов. В устройствах, схемы которых даны в книге, коэффициент гармоник измерялся на малых уровнях входного сигнала при выходной мощности 50 мВт.
Рис. 8. Зависимость коэффициента нелинейных искажений от мощности на выходе усилителя ЗЧ
В основном нелинейные искажения возникают в оконечном и предоконечном каскадах. Для оконечных усилителей вносимые нелинейные искажения различны на разных частотах. В области граничных частот полосы пропускания они возрастают (при неизменной амплитуде входного сигнала). Это объясняется реактивным характером сопротивления нагрузки оконечных транзисторов и связанным с этим изменением формы динамической характеристики на крайних частотах полосы пропускания.
Допустимые нелинейные искажения зависят от назначения усилителя. Так, в усилителях 34, используемых в радиовещании и бытовой звуковоспроизводящей аппаратуре, коэффициент гармоник по ГОСТ 11157 — 74 должен составлять 1... 2%. В высококачественной профессиональной аппаратуре Kг<0,05%.
В последние годы резко улучшились параметры высококлассной звуковоспроизводящей аппаратуры. Особенно заметна тенденция к снижению нелинейных искажений. Появились усилители 34, у которых коэффициент Kг< 0,0005%. Достижение чрезвычайно малых нелинейных искажений связано с применением большого количества транзисторов с высоким коэффициентом усиления и установлением глубокой ООС. Последнее обстоятельство приводит к ухудшению динамических (скоростных) характеристик, заключающемуся в том, что резкий скачок напряжения на выходе запаздывает по отношению к вызывающему его скачку на входе. Это приводит к «жесткому», «транзисторному» звучанию, исчезает мягкость, бархатистость звука при субъективном восприятии музыкальной программы.
Проблема заметности коэффициента гармоник в диапазоне 1... 0,0005% не имеет однозначного толкования. Можно лишь утверждать, что если получены малые нелинейные искажения, и они достигнуты не за счет ухудшения других параметров усилителя, то это говорит о совершенстве усилительного тракта.
Однако следует отметить, что испытание усилителей со сверхмалыми нелинейными искажениями предъявляет весьма высокие требования к нелинейным искажениям источника испытательных сигналов. Лучшие отечественные звуковые генераторы типа ГЗ-102 обеспечивают Кг не менее 0,05%, т. е. имеют тот же порядок, что и нелинейные искажения, вносимые самим усилителем. Разрешающая способность измерителей нелинейных искажений С6-5 также составляет от 0,02 до 0,03%. Поэтому точные измерения сверхмалых нелинейных искажений весьма затруднительны.
Для испытаний сверхлинейных усилителей следует пользоваться прецизионными звуковыми генераторами и анализаторами спектра. Хорошие результаты при оценке сверхмалых нелинейных искажений дает метод компенсации [4].
При испытании описанных в книге усилителей использовался генератор ГЗ-102, предварительно испытанный анализатором спектра и обеспечивающий Кг <0,02%, и измеритель нелинейных искажений С6-5 с разрешающей способностью 0,02%. Если иногда указывается значение Kг, меньшее или равное разрешающей способности измерений, то значит Кт усилителя и входного испытательного сигнала не отличались друг от друга.
При отсутствии сигнала на входе усилителя на его выходе действует некоторое (обычно небольшое) напряжение. Это напряжение обусловлено в оо« новном его собственными помехами, среди которых различают фон, наводки, микрофонный эффект, тепловые шумы резисторов и пассивных элементов в активными потерями, шумы усилительных элементов.
Фон обычно появляется в результате недостаточной фильтрации пульсирующего напряжения источника питания, работающего от сети переменного тока. Гармонические составляющие фона кратны частоте питающей сети.
Наводки образуются из-за паразитных электрических, магнитных, гальванических или электромагнитных связей цепей усилителя с источниками помех.
Микрофонный эффект представляет собой результат преобразования механических колебаний элементов усилителя в электрические, проходящие на выход усилителя. Спектр этих колебаний занимает диапазон 0,1 — 10000 Гц. Он заметно проявляется у интегральных усилителей с большим коэффициентом усиления, выполненных на одной подложке. Чтобы устранить его, используют рациональную конструкцию элементов усилителя, более надежное их крепление, демпфирование, применяют амортизирующие устройства.
Тепловые шумы обусловлены тепловым беспорядочным (случайным) движением в объеме проводника (или полупроводника) свободных носителей зарядов (например, электронов). В результате на концах проводника, обладающего некоторым сопротивлением, действует случайная, флуктуационная ЭДС, называемая ЭДС шума Еш. Поскольку она периодическая функция времени, то ее спектр является сплошным и практически равномерным в диапазоне частот от нуля до сотен мегагерц. Шум с подобным спектром называют белым.
Фон, наводки и микрофонный эффект в усилителе можно, в принципе, уменьшить до любых заданных значений. Тепловые же шумы и шумы усилительных элементов принципиально неустранимы. Обычно удается лишь минимизировать долю шумов, создаваемых усилительными элементами [5]. Практические способы подавления помех и снижения шумов в усилителях 34 будут описаны далее.
Шумовые свойства высококачественных усилителей оценивают отношением сигнал-шум. Под этой величиной понимают отношение выходного напряжения сигнала при номинальной выходной мощности усилителя РНом к суммарному напряжению шумов на выходе. Обычно его выражают в децибелах. В усилителях высшего класса отношение сигнал-шум достигает 60... 110 дБ.
Динамический диапазон усилителя — это отношение максимального и минимального входного сигнала усилителя при заданном уровне Kг:
D у = U вх max / U вх min .
Для высококачественного усилителя максимальное значение входного сигнала ограничивается нелинейностью амплитудной характеристики и принимается рав-вым номинальному входному напряжению Uвх.ном, обеспечивающему номинала ную выходную мощность усилителя при заданном коэффициенте гармоник, т. е.
U вх max = U вх.ном .
Минимальное входное напряжение UВх min должно выбираться таким образом, чтобы собственные помехи и шумы усилителя не маскировали выходной сигнал.
В предельном случае основными помехами в усилителе являются шумы, при этом
U вх min = K п UZ ш.вх , где Kn = UBxmin / UZ ш.вх >1 — коэффициент помехозащищенности.
Отсюда динамический диапазон усилителя
D у = U вх.ном /( K п UZ ш.вх ).
Видно, что отношение сигнал-шум, равное UВх.ном/UZш-В1, определяет достижимый динамический диапазон усилителя. Динамический диапазон является важным техническим показателем усилителя и обычно задается ГОСТ. Для лучших высококачественных усилителей Dy>110 дБ. Источники звуковых сигналов имеют собственный динамический диапазон, равный отношению максимального Eи max и минимального Ел min ЭДС источника сигнала; DС =ЕИ mах/Eи min и в логарифмических единицах Dc [дБ] = 201gDc.
Динамический диапазон звучания симфонического оркестра может превышать 80 дБ, художественного чтения — 30 дБ.
Для усиления сигнала с допустимыми нелинейными искажениями и помехозащищенностью необходимо, чтобы Dy>Dc.
Для увеличения динамического диапазона усилителя необходимо уменьшать уровень собственных помех, использовать усилительные элементы с более линейной характеристикой (применить высоковольтные мощные выходные транзисторы) и применять ручную или автоматическую регулировку усиления.
В приведенных в книге показателях для динамического диапазона коэффициент помехозащищенности Kп принят равным единице. Поэтому в технических характеристиках описанных функциональных узлов приводятся только значения отношения сигнал-шум.
СЕЛЕКТОРЫ ВХОДНЫХ СИГНАЛОВ
На вход современного звуковоспроизводящего комплекса подают сигналы от самых разных источников звуковых программ, таких как электрофон, магнитофон, тюнер, радиоприемник, радиотрансляционная сеть, телевизор, микрофон и др. Каждый из источников подключают к усилителю с помощью отдельного разъема. Как правило, для этого используют унифицированные штепсельные соединители ОНЦ-ВГ-4-5/16-Р ,(прежнее название СГ-5) и ОНЦ-ВГ-4-5/16-В (прежнее название СШ-5). Разводка цепей в них унифицирована и осуществляется в соответствии с ГОСТ 12368 — 68, учитывающим международные нормы.
На вход предварительного усилителя звуковой сигнал с входных разъе-ков поступает через селектор входного сигнала, назначение которого — избирательное подключение на вход усилителя 34 выбранного слушателем источника звуковой программы. Часто с помощью селектора коммутируют источники звуковых сигналов, чтобы обеспечить запись на магнитофон, наложение сигналов с микрофона на отдельные звуковые программы и т. д.
В селекторах входного сигнала используются механические или электронные коммутаторы. Механические коммутаторы проще по конструкции, не имеют нелинейных цепей. Однако их громоздкость, расположение органов управления и коммутации вдали от переключаемых малосигнальных цепей, дребезг контактов создают большие проблемы в получении хорошей помехозащищенности и минимума наводок. К тому же они являются источником тресков и щелчков. Для электронных коммутаторов свойственно разделение органов управления и коммутации и разнесение их в пространстве, что предоставляет конструктору большую свободу в компоновке проектируемого аппарата, позволяет приблизить элементы коммутации непосредственно к переключаемым малосигнальным цепям и входам предварительных чувствительных каскадов усилителя, упрощает настройку коммутируемых цепей.
Исполнительные устройства электронных коммутаторов могут быть выполнены как на электромагнитных реле, так и на чисто электронных узлах, построенных на аналоговых переключателях (например, на микросхеме К564КТЗ) или мультиплексерах аналоговых сигналов (например, на К564КШ, К564КП2 и т.п.) или на полевых транзисторах. В случае применения электромагнитных реле конструкция получается громоздкой и дорогой, а когда используются электронные узлы, возникают проблемы, связанные с прохождением слабых сигналов через нелинейные элементы.
Цепи управления аналоговым переключателем строятся либо на базе механического переключателя, либо на базе цифровых микросхем.
При конструировании селекторов входных сигналов стремятся уменьшить переходные помехи, т. е. просачивание сигнала из одного канала в другой. Для высококачественного звуковоспроизведения достаточно получить затухание переходных помех примерно 50 дБ на частоте 1 кГц. Затухание измеряют как отношение выходного напряжения селектора к напряжению другого, неподключенного канала.
Общим показателем качества селекторов входных сигналов также является число коммутируемых источников сигналов. Кроме того, каждому типу селектора (механическому или электронному) присущи свои технические характеристики. Они приводятся при описании конкретной схемы.
Селектор входных сигналов на переключателе галетного типа. Рассматриваемый селектор позволяет подключать до шести источников звуковых программ (из них два проигрывателя и два магнитофона), вести перезапись с магнитофона на магнитофон или записывать любую из программ на два магнитофона с одновременным ее прослушиванием.
Принципиальная схема одного канала селектора входных сигналов приведена на рис. 9. Сигнал с одного из разъемов XS 1 — XS 4 поступает на переключатель источников программ SA 1. Узел А1 корректирует АЧХ, если усилитель соединяется с электромагнитной головкой звукоснимателя. К разъемам XS 5, XS 6 подключают два магнитофона как на запись, так и на воспроизведение. При наличии у них сквозного тракта переключатель SA 2 позволяет прослушивать через усилитель записываемую программу или уже сделанную запись (так называемый режим «мониторинг»). Переключателем SA 3 коммутируют магнитофоны в режиме «Запись». Они либо соединяются с разъемами XS 1 — XS 4 (и ведется запись любой из программ), либо между собой (при перезаписи). Переключателем SA 4 устанавливают режим работы усилителя «Стерео» или «Моно». Резистор R 5 уменьшает взаимное влияние каналов при их параллельном включении в режиме «Моно».
В качестве входных разъемов можно использовать пятиконтактные штепсельные соединители ОНЦ-ВГ-4-5/16-Р или ОНЦ-КГ-4-5/16-Р, предназначенные для печатного монтажа. Для переключателей входов и рода работ практически можно использовать любые имеющиеся галетные переключатели, например, типа пгз.
Селектор входных сигналов: на кнопочных переключателях типа П2К. В селекторах входных сигналов широко используются переключатели П2К. В качестве примера на рис. 10 приведена схема одного из них. Этот селектор позволяет подключить четыре источника звуковых программ и вести запись любой программы на магнитофон с одновременным прослушиванием либо самого источника сигнала, либо фонограммы с магнитофона. Предусилитель-корректор для магнитного звукоснимателя А1 включен между входным разъемом XS 1 и переключателем SB 1.1. Через контакты переключателей SB 1.2 и SB 1.3 входные сигналы соответственно с разъемов XS 2 и XS 3 поступают на вход основного усилителя. К разъему XS 4 подключают магнитофон как в режиме записи, так к воспроизведения. Переключателем SB 2 подают на усилитель любую из звуковых программ, выбранную переключателем SB 1 и поступающую одновременно для записи в магнитофон, или с магнитофона в режиме воспроизведения. Переключателем SB 3 устанавливают стерео- или монофонический режим работы усилителя.
Резистор R 3 служит для развязки каналов при их параллельной работе в режиме «Моно».
Рис. 9. Принципиальная схема селектора входных сигналов на переключателе галетного типа
Рис. 10. Принципиальная схема селектора входных сигналов на кнопочных переключателях типа П2К
В качестве переключателя SB 1 используется блок из трех переключателей П2К с зависимой фиксацией. Переключатели SB 2 и SB 3 — одиночные с независимой фиксацией.
Рис. 11. Принципиальная схема селектора с управлением на цифровых микросхемах
Простой селектор с управлением на цифровых микросхемах. На рис. 11 показана схема простого селектора, в которой в качестве аналогового переключателя используются, как наиболее доступные, электромагнитные реле К1 — К4. Узел управления ими выполнен на микросхемах DD 1 — DD 7 (цифровой переключатель).
Собственно цифровой переключатель управляется кнопками SB ! — SB 4 (например, КМ-1). Если переключатель SB 5 находится в левом по схеме положении, то он выполняет функции переключателя с зависимой фиксацией, если в противоположном — то с независимой фиксацией. В первом случае импульс общего сброса, поступающий на вход R триггеров на микросхемах DD 5, DD 6, формируется одновибратором DD 7 при нажатии любой из кнопок SB 1 — SB 4. Длительность этого импульса значительно меньше времени нажатия на кнопку. Этим достигается то, что вначале все триггеры ( DD 5, DD 6) устанавливаются в нулевое состояние, а затем один из них, соответствующий нажатой кнопке, переводится в единичное. Во втором случае импульс сброса блокируется, и каждый триггер переключается при каждом нажатии связанной с ним кнопки.
Рис. 12. Принципиальная схема цифрового селектора входных сигналов на интегральных аналоговых коммутаторах
Для устранения дребезга контактов SB 1 — SB 4 используется цепь, состоящая из резистора R 6, конденсатора С1 и микросхемы DD 7. Светодиоды НЫ — HL 4 индицируют, какой из четырех каналов включен. Число каналов при желании может быть увеличено. В качестве исполнительного устройства используются реле РЭС55А (паспорт РС4.569.600-02), подключенные к прямым выходам триггеров через инвертирующий усилитель на микросхемах DD 8, DD 9. Если его выполнить на дискретных элементах (например, на транзисторе КТ315), то можно будет использовать реле других типов, например РЭС10, РЭС15, РЭС22. Вместо двух микросхем К155ТМ2 можно использовать одну К155ТМ8, содержащую четыре D-триггера.
Для нормальной работы селектора в цепь питания микросхем включены конденсаторы С4 — С7 (КМ-5, К.М-6) емкостью 0,022 ... 0,047 мк (по одному на каждые две из них).
Рис. 13. Принципиальная схема цифрового селектора входных сигналов на муль-типлексерах КМОП структуры
Цифровой селектор входных сигналов на интегральных аналоговых коммутаторах. На базе цифровых микросхем МОП-структуры оказалось возможным изготовить не только узел управления селектором, но и переключатель аналоговых сигналов, например на микросхеме К176КТ1. На рис. 12 приведена схема одного канала селектора входных сигналов на аналоговых коммутаторах. Он имеет следующие основные технические характеристики:
Число положений............ 4
Максимальная амплитуда коммутируемого сигнала . . 4,5 В
Полоса частот . . .......... 20... 30 000 Гц
Коэффициент гармоник в полосе частот 20 Гц... 20 кГц 0,2%
Напряжение питания........... -9В
Микросхема К176КТ1 содержит четыре аналоговых ключа DD 2.1 — DD 2.4, каждый из которых содержит аналоговый вход А, выход и вход С цифрового управления. Аналоговый сигнал можно подавать в любую сторону, т. е. как с входа на выход, так и с выхода на вход.
Ключ имеет два рабочих положения, зависящих от уровня управляющего напряжения на входе С. При подаче на вход С напряжения низкого уровня (лог. 0) он разомкнут. При этом сопротивление между входным и выходным выводами обычно более 10 МОм, а ток утечки между ними не превышает 2 мкА. Емкость разомкнутых контактов составляет примерно 0,2 пФ. Когда на вход С поступает напряжение высокого уровня :(лог. 1), ключ переходит во включенное состояние. При этом сопротивление замкнутого ключа составляет примерно 300 Ом. Это значение нелинейно изменяется в зависимости от амплитуды входного напряжения. При напряжении сигнала, близком к нулю, она минимальна, а при напряжении сигнала, близком к половине напряжения питания, — максимальна. Нелинейные искажения получаются минимальными, когда диапазон изменений сопротивлений ключа значительно меньше сопротивления нагрузки, которое должно быть не менее 100 кОм. При использовании микросхемы К176КТ1 необходимо, чтобы уровень входного сигнала не превышал напряжения источника питания, иначе резко возрастут нелинейные искажения.
В данном случае при питании от однополярного источника напряжением 9 В нужное смещение на входах создается с помощью стабилитрона VD 1. Состояние аналогового переключателя DD 2 определяется двумя RS триггерами DD 3, которые управляются с помощью кнопочных переключателей SB 1 — SB 4 через шифратор на элементах DD 1.1 — DD 1.4. Состояние триггеров дешифрируется микросхемой DD 4. В зависимости от нажатой кнопки на одном из выходов DD 4 появляется напряжение высокого уровня, которое подается на вход С соответствующего ключа, и он открывается. При подаче напряжения питания конденсатор С1 закорачивает кнопку SB 4, и селектор коммутирует вход 4. Подключенный вход индицируется одним из четырех светодиодов HL 1 — HL 4.
При монтаже микросхем серии КД76 следует обратить внимание, чтобы свободные информационные входы были соединены или с задействованными входами того же элемента или с одной из шин питания согласно логике работы микросхемы. Кроме того, необходимо соблюдать меры предосторожности для исключения случайного пробоя микросхемы статическим электричеством. Напряжение питания в устройстве с использованием микросхем серии К176 должно соответствовать напряжению входного сигнала.
Цифровой селектор входных сигналов на мультиплексерах КМОП структуры. В составе КМОП микросхем ряда серий, например, К564, есть мульти-плексер аналоговых и цифровых сигналов (К564КП1). Применение его в качестве переключателя аналоговых сигналов позволяет заметно улучшить параметры селектора входных сигналов. Схема одного канала селектора приведена на рис. 13. Он имеет следующие основные технические характеристики:
Число положений............ 4
Максимальная амплитуда коммутируемого сигнала . . 7,5 В
Полоса частот............ 20 ... 40 000 Гц
Коэффициент гармоник в полосе частот 20 Гц... 20 кГц 0,1%
Напряжение питания........... 15 В
Как видно из рис. 13, узел цифрового управления аналогичен примененному в предыдущем селекторе (ом. рис. 12). Двоичный код сигнала, управляющего мультиплексером DD 1, снимается с выходов RS триггеров на элементах DD 3.1 — DD 3.4. В зависимости от кода на входах Al , A 2 микросхемы DD 1 к ее выходу (вывод 3) подключается один из входов. Чтобы обеспечить нужный режим работы мультиплексера по постоянному току, на входы 0 — 3 через резисторы R 5 — R 8 подано напряжение со стабилизатора на стабилитроне VD 1. Для развязки по постоянному току на входах селектора включены конденсаторы С1 — С4.
Микросхемы серии К564 имеют защиту от статических зарядов. Для дополнительной защиты на входах установлены резисторы Rl — R 4. Для лучшего согласования сигнал с выхода мультиплексера на последующие каскады поступает через развязывающий каскад на операционном усилителе DA 1. Его усиление в пределах 5 — 10 раз можно регулировать подстроечным резистором R 11.
ПРЕДУСИЛИТЕЛИ-КОРРЕКТОРЫ
Дата: 2018-09-13, просмотров: 654.
