Усилитель звуковых частот

Усилитель звуковых частот (УЗЧ), усилитель низких частот (УНЧ), усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) — прибор (электронный усилитель) для усиления электрических колебаний, соответствующих слышимому человеком звуковому диапазону частот, таким образом к данным усилителям предъявляется требование усиления в диапазоне частот от 20 до 20 000 Гц по уровню -3 дБ, лучшие образцы УЗЧ имеют диапазон от 0 Гц до 200 кГц, простейшие УЗЧ имеют более узкий диапазон воспроизводимых частот. Может быть выполнен в виде самостоятельного устройства, или использоваться в составе более сложных устройств — телевизоров, музыкальных центров, радиоприёмников, радиопередатчиков, радиотрансляционной сети и т. д.

Схемотехника и применение

Ламповый усилитель низких частот

Усилители низкой частоты наиболее широко применяются для усиления сигналов, несущих звуковую информацию, в этих случаях они называются, также, усилителями звуковой частоты, кроме этого УНЧ используются для усиления информационного сигнала в различных сферах: измерительной технике и дефектоскопии; автоматике, телемеханике и аналоговой вычислительной технике; в других отраслях электроники. Усилитель звуковых частот обычно состоит из предварительного усилителя и усилителя мощности (УМ). Предварительный усилитель предназначен для повышения мощности и напряжения и доведения их до величин, нужных для работы оконечного усилителя мощности, зачастую включает в себя регуляторы громкости, тембра или эквалайзер, иногда может быть конструктивно выполнен как отдельное устройство. Усилитель мощности должен отдавать в цепь нагрузки (потребителя) заданную мощность электрических колебаний. Его нагрузкой могут являться излучатели звука: акустические системы (колонки), наушники (головные телефоны); радиотрансляционная сеть или модулятор радиопередатчика. Усилитель низких частот является неотъемлемой частью всей звуковоспроизводящей, звукозаписывающей и радиотранслирующей аппаратуры.

Усилитель мощности отдельным блоком, предназначенный для установки в автомобиль

Предварительный усилитель Technics

Классификация

По типу обработки входного сигнала

По типу обработки входного сигнала и схеме построения выходного каскада усилители можно разделить на:

• класс «A» — линейный режим работы усилительного элемента (ток смещения максимален), аналоговая обработка сигнала
• класс «AB» — режим работы с большим углом отсечки (>90°), аналоговая обработка сигнала
• класс «B» — режим работы с углом отсечки равным 90°, аналоговая обработка сигнала
• класс «C» — режим работы с малым углом отсечки (<90°), аналоговая обработка сигнала
• класс «D» — усилительный элемент работает в ключевом режиме, применяется широтно-импульсная модуляция — изменяется (линейно, не имея дискретных значений) скважность импульсов, в соответствии с текущим значением входного сигнала
• класс «T» — усилительный элемент работает в ключевом режиме, также применяется широтно-импульсная модуляция — изменяются (линейно, не имея дискретных значений) как скважность, так и частота импульсов, в соответствии с текущим значением входного аналогового сигнала

По конструктивным признакам

По типу применения в конструкции усилителя активных элементов:

• ламповые — на электронных, электровакуумных лампах. Составляли основу всего парка УНЧ до 70-х годов. В 60-х годах выпускались ламповые усилители очень большой мощности (до десятков киловатт). В настоящее время используются в качестве инструментальных усилителей и в качестве звуковоспроизводящих усилителей. Составляют львиную долю аппаратуры класса HI- END. А также занимают большую долю рынка профессиональной и полупрофессиональной гитарной усилительной аппаратуры.
• транзисторные — на биполярных или полевых транзисторах. Такая конструкция оконечного каскада усилителя является достаточно популярной, благодаря своей простоте и возможности достижения большой выходной мощности, хотя в последнее время активно вытесняется усилителями на базе интегральных микросхем.
• интегральные — на интегральных микросхемах (ИМС). Существуют микросхемы, содержащие на одном кристалле как предварительные усилители, так и оконечные усилители мощности, построенные по различным схемам и работающие в различных классах. Из преимуществ - минимальное количество элементов и, соответственно, малые габариты.
• гибридные — часть каскадов собрана на полупроводниковых элементах, а часть на электронных лампах. Иногда гибридными также называют усилители, которые частично собраны на интегральных микросхемах, а частично на транзисторах или электронных лампах.

По виду согласования выходного каскада с нагрузкой

По виду согласования выходного каскада усилителя с нагрузкой их можно разделить на два основных типа:

• трансформаторные — в основном такая схема согласования применяется в ламповых усилителях. Обусловлено это необходимостью согласования большого выходного сопротивления лампы с малым сопротивлением нагрузки, а также необходимостью гальванической развязки выходных ламп и нагрузки. Некоторые транзисторные усилители (Например, трансляционные усилители, обслуживающие сеть абонентских громкоговорителей, некоторые Hi-End аудиоусилители) также имеют трансформаторное согласование с нагрузкой.

• бестрансформаторные — в силу дешевизны, малого веса и большой полосы частот бестрансформаторные усилители получили наибольшее распространение. Бестрансформаторные схемы легко реализуются на транзисторах. Обусловлено это низким выходным сопротивлением транзисторов в схеме эмиттерного (истокового) повторителя, возможностью применения комплементарных пар транзисторов. На лампах бестрансформаторные схемы реализовать сложнее, это либо схемы, работающие на высокоомную нагрузку, либо сложные схемы с большим количеством параллельно работающих выходных ламп.

По типу согласования выходного каскада с нагрузкой

1. Согласование по напряжению - выходное сопротивление УМ много меньше омического сопротивления нагрузки. В настоящее время является наиболее распространённым, охватывает практически все транзисторные УМЗЧ. Позволяет передать в нагрузку форму напряжения с минимальными искажениями и получить хорошую АЧХ, однако порождает сильные нелинейные искажения (интермодуляция) в динамических головках АС; чувствительно к внешним полям; отличается термической нестабильностью и высокими теплопотерями.
2. Согласование по мощности - выходное сопротивление УМ равно или близко сопротивлению нагрузки. Позволяет передать в нагрузку максимум мощности от усилителя, из-за чего в прошлом было весьма распространённым в маломощных простых устройствах. Сейчас является основным типом для ламповой техники, чем, в первую очередь, и объясняются особенности звучания ламповых систем. По сравнению с предыдущим типом, обеспечивает несколько меньшие искажения формы тока в катушках ГД АС, и меньшие нелинейные искажения в ГД, однако ухудшает АЧХ.
3. Согласование по току - выходное сопротивление УМ много больше сопротивления нагрузки. Наиболее перспективный тип для систем звукоусиления, хотя в настоящее время используется крайне редко. В основе такого согласования - следствие из закона Лоренца, согласно которому звуковое давление пропорционально току в катушке ГД. Позволяет сильно (на два порядка) уменьшить интермодуляционные искажения в ГД и их ГВЗ (групповое время задержки), тепловые искажения пренебрежимо малы. Отличается высокой детальностью и натуральностью звучания, недостижимыми в других типах, расширяет полосу частот ГД (до двух октав). Наиболее распространены аудиосистемы с полосовым усилением (мультиампинг), с соответствующей частотной коррекцией в полосах, что позволяет практически идеально согласовать УМЗЧ с нагрузкой.