Принципы построения ламповых УНЧ

Усилители низкой частоты (усилители НЧ, или УНЧ) являются непременной составной частью большинства радиоэлектронных устройств, используемых в любой квартире или доме. Такие усилители применяются в телевизорах и радиоприемниках, в проигрывателях CD и DVD, в мобильных и обычных телефонах. Без мощных усилителей низкой частоты практически не могут обойтись певцы и музыканты, в кинотеатре без таких усилителей можно смотреть только немое кино.

До середины прошлого столетия во всех усилителях НЧ в качестве усилительных элементов использовались электровакуумные приборы, то есть обычные радиолампы. Однако за последние полвека, с появлением и развитием полупроводниковых технологий, ситуация изменилась коренным образом. Среди так называемой домашней радиоаппаратуры ламповые УНЧ почти не встречаются. В то же время интерес к ним возрастает, и, в первую очередь, среди профессиональных музыкантов. Именно поэтому многие мировые производители звуковоспроизводящей аппаратуры в последнее время разрабатывают и выпускают ламповые усилители низкой частоты как для домашних аудиокомплексов, так и для профессиональных музыкантов. При этом по своим параметрам предлагаемая аппаратура составляет достойную конкуренцию полупроводниковым аналогам.

Необходимо признать, что основные схемотехнические решения, применяемые в настоящее время при разработке высококачественной ламповой звуковоспроизводящей аппаратуры, за последние десятилетия не претерпели принципиальных изменений. Некоторые особенности схемотехники ламповых усилителей низкой частоты будут рассмотрены в отдельных разделах этой главы.

Под общими сведениями, с которыми заинтересованному читателю желательно ознакомиться перед изучением некоторых особенностей схемотехники ламповых УНЧ, понимается информация о том, какое радиоэлектронное устройство обычно называется усилителем низкой частоты, какую структуру он имеет, из каких каскадов и блоков состоит. Не менее важно представлять, какие параметры являются для ламповых УНЧ определяющими, а также какие виды и типы низкочастотных усилителей существуют.

Необходимо отметить, что приводимые далее определения, расшифровки и разъяснения основных понятий, терминов и сокращений, используемых при разработке и эксплуатации звуковоспроизводящей аппаратуры, не претендуют на академическую точность, поскольку отражают значение отдельных терминов и понятий в общем смысле, в котором они используются в данном издании.

Структурная схема усилителя низкой частоты

Обычно под усилителем низкой частоты подразумевается устройство, предназначенное для усиления сигналов, частоты которых находятся в пределах восприятия человеческого уха. Такие сигналы находятся в диапазоне, приблизительно ограниченном частотами от 16 до 18 ООО Гц. Большинство современных усилителей низкочастотных сигналов работает в диапазоне от 1015 Гц до 1820 кГц.

На вход УНЧ подается сигнал UBX, источником которого могут быть разнообразные устройства, например микрофон или детектор радиоприемника. В зависимости от используемого источника сигнала напряжение на входе усилителя может изменяться от долей микровольта до нескольких вольт. В результате процессов, протекающих в усилителе, на его выходе формируется сигнал UBbIx. К выходу усилителя низкой частоты подключается нагрузка акустические системы, оконечные усилительные устройства и т.п. В высококачественной звуковоспроизводящей аппаратуре в качестве нагрузки применяются специальные акустические системы. Значения напряжения и мощности на выходе усилителя также могут изменяться в широких пределах. В зависимости от назначения усилителя напряжение на его выходе составляет от десятых долей вольта до сотен вольт, а мощность от нескольких милливатт до сотен киловатт. Питание для усилителя низкой частоты формируется источником питания, на выходе которого должно быть напряжение ипиг Для ламповых УНЧ блоки питания должны сформировать не только анодные напряжения, но и напряжения, используемые для накала ламп.

На основании изложенного принцип усиления можно определить как процесс управления с помощью энергии первичного сигнала, поступающего от внешнего источника, энергией вторичного источника, отдающего свою мощность в цепь нагрузки. Таким образом, усилителем может быть только такое радиоэлектронное устройство, в котором мощность, отдаваемая в цепь нагрузки на выходе, превышает мощность, подаваемую на его вход.

На практике редко встречаются УНЧ, содержащие лишь один каскад усиления. Чаще всего применяются многокаскадные усилители, в состав которых входит несколько каскадов усиления, не считая корректирующих. При этом первый каскад, на который подается входной сигнал от источника, называется входным, а последний каскад, с которого сигнал поступает в цепь нагрузки, выходным, или оконечным каскадом.

Основные параметры усилителей НЧ

Основными параметрами, с помощью которых оцениваются физические свойства усилителей сигналов низкой частоты, являются: коэффициент усиления, выходная мощность, отдаваемая в цепь нагрузки, диапазон частот или полоса пропускания, а также искажения сигнала, возникающие в процессе усиления.

Коэффициент усиления К считается одним из важнейших параметров любого усилителя низкой частоты. При этом специалисты различают коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности. Коэффициент усиления по напряжению представляет собой отношение уровня напряжения на выходе УНЧ к напряжению на его входе, а коэффициент усиления по току 1у отношение тока на выходе УНЧ к току на его входе. Соответственно коэффициент усиления по мощности Кр равен отношению мощности, получаемой на выходе усилителя, к мощности, подводимой к его входу. Для многокаскадного усилителя общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления его отдельных каскадов. При этом значение общего коэффициента усиления может достигать нескольких десятков миллионов единиц.

Обычно при оценке физических свойств усилителей низкой частоты используются понятия максимальной и номинальной выходной мощности. Под максимальной выходной мощностью РМАКС понимается наибольшее значение мощности, отдаваемое в цепь нагрузки. Номинальная выходная мощность Рном представляет собой наибольшее значение мощности, отдаваемой в цепь нагрузки, при которой искажения сигнала не превышают установленных пределов. При этом

под динамическим диапазоном мощности понимается интервал значений мощности, от минимальной до максимальной, в пределах которого параметры усилителя соответствуют заданным.

Под диапазоном воспроизводимых частот, или полосой пропускания УНЧ подразумевается область рабочих частот, в пределах которой изменение коэффициента усиления не превышает допустимого значения. Обычно необходимая полоса пропускания определяется сферой применения конкретного усилителя. Для современной высококачественной звуковоспроизводящей аппаратуры рабочий диапазон частот обычно превышает весь спектр воспринимаемых человеческим ухом низкочастотных колебаний и располагается в пределах от единиц до десятков тысяч герц.

В процессе прохождения низкочастотного сигнала через каскады усилителя возникают определенные изменения формы сигнала. Эти изменения, вносимые усилителем, называют искажениями сигнала. На практике различают нелинейные, частотные и фазовые искажения. Причиной возникновения нелинейных искажений являются элементы схемы, имеющие нелинейную характеристику, например электронная лампа, трансформатор и т.п. Частотные искажения обусловлены неравномерностью усиления сигнала в заданной полосе пропускания. Такая неравномерность инициируется наличием реактивных элементов, сопротивление которых зависит от частоты. Под фазовыми искажениями понимается изменение фазовых соотношений между отдельными составляющими сложного сигнала на выходе и входе усилителя.

Классификация усилителей НЧ

Основными особенностями, составляющими основу для классификации современных УНЧ, являются их назначение, структура и режимы работы. Так, например, в зависимости от назначения усилители низкой частоты делятся на усилители напряжения (предварительные усилители) и усилители мощности (оконечные усилители). По количеству каскадов усиления УНЧ подразделяются на однокаскадные, двухкаскадные и многокаскадные. Аналогичным образом можно классифицировать УНЧ и в зависимости от числа каналов, используемых для воспроизведения определенных поддиапазонов частот в пределах полосы пропускания. Помимо этого ламповые УНЧ принято разделять по характеру сопротивления нагрузки и способу ее включения. Часто усилители низкой частоты классифицируются в зависимости от режимов усиления, в которых работают применяемые в оконечных каскадах УНЧ электронные лампы. Эта система классификации будет рассмотрена в разделе, посвященном режимам работы ламп.

Особенности построения структурной и принципиальной схемы любого УНЧ определяются его назначением, на основании которого различаются два основных вида усилителей. Это усилители напряжения и усилители мощности. Под усилителем напряжения обычно понимается УНЧ, предназначенный для повышения напряжения, подаваемого на его вход, до необходимого значения на выходе. Такие усилители часто называют предварительными усилителями. В то же время, под усилителем мощности подразумевается низкочастотный усилитель, главной задачей которого является отдача в цепь нагрузки колебаний требуемой мощности. Такие усилители часто называют оконечными УНЧ.

Обычно ламповый УНЧ содержит несколько каскадов усиления, что объясняется необходимостью получения требуемого уровня выходного сигнала. Упрощенная структурная схема простейшего многокаскадного УНЧ приведена на рис. 3.2. В данной схеме под буквой п понимается количество каскадов в предварительном усилителе, а под буквой m количество каскадов в усилителе мощности. В источнике питания, часто называемом блоком питания, напряжения UnHT, формируемые для цепей и каскадов предварительного и оконечного усилителей, могут иметь различные значения.

Современный высококачественный УНЧ трудно представить без блока регулировок, который обеспечивает не только изменение уровня громкости низкочастотного сигнала, но также позволяет регулировать уровень сигналов определенных частот в пределах полосы пропускания. В бытовой аппаратуре обычно используются регулировки низких и высоких, а иногда и средних частот. В высококачественной аппаратуре многоканальные или многополосные блоки регулировки