Материал: МРБ 1109.(1986).[doc]

Допустимое значение K_им.и<0,1 ... 1%. Исследования авторов показывают, что K_им.и= (3... 5) Кг. Учитывая это и сложность измерения коэффициента интер­модуляционных искажений, авторы не измеряли K_им.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 K_г.

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 K_г<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 К_т 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 Е_ш. 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 Р_Ном 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 K_г:

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 U_вх.ном, обеспечивающему номинала ную выходную мощность усилителя при заданном коэффициенте гармоник, т. е.

U_{вх max}= U_вх.ном.

Минимальное входное напряжение U_{Вх 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} ⁼ Kп U_{Z ш.вх}, где K_n = U_Bxmin/U_Zш.вх>1 — коэффициент помехозащищенности.

Отсюда динамический диапазон усилителя

D_у ⁼ U_вх.ном/(K_пU_{Z ш.вх}).

Видно, что отношение сигнал-шум, равное U_Вх.ном/U_Zш-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 E_{и max} и минимального Е_{л min} ЭДС источника сигнала; D_С=Е_{И mах}/E_{и min} и в логарифмических единицах D_c [дБ] = 201gD_c.

Динамический диапазон звучания симфонического оркестра может превы­шать 80 дБ, художественного чтения — 30 дБ.

Для усиления сигнала с допустимыми нелинейными искажениями и поме­хозащищенностью необходимо, чтобы D_y>D_c.

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 K_п 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 XS1 — XS4 поступает на переключатель источников программ SA1. Узел А1 корректирует АЧХ, если усилитель соединяется с электромагнитной головкой звукоснимателя. К разъемам XS5, XS6 подключают два магнитофона как на запись, так и на воспроизведение. При наличии у них сквозного тракта переключатель SA2 позволяет прослушивать через усилитель записываемую программу или уже сделанную запись (так на­зываемый режим «мониторинг»). Переключателем SA3 коммутируют магнитофо­ны в режиме «Запись». Они либо соединяются с разъемами XS1 — XS4 (и ведет­ся запись любой из программ), либо между собой (при перезаписи). Переклю­чателем SA4 устанавливают режим работы усилителя «Стерео» или «Моно». Резистор R5 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 XS1 и переключателем SB1.1. Через контакты переключателей SB1.2 и SB1.3 входные сигналы соответственно с разъемов XS2 и XS3 поступают на вход основного усилителя. К разъему XS4 подключают магнитофон как в режиме записи, так к воспроизведения. Переключателем SB2 подают на усилитель любую из зву­ковых программ, выбранную переключателем SB1 и поступающую одновременно для записи в магнитофон, или с магнитофона в режиме воспроизведения. Пе­реключателем SB3 устанавливают стерео- или монофонический режим работы усилителя.

Резистор R3 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 SB1 используется блок из трех переключателей П2К с зависимой фиксацией. Переключатели SB2 и SB3 — 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 DD1 — DD7 (цифровой пере­ключатель).

Собственно цифровой переключатель управляется кнопками SB! — SB4 (на­пример, КМ-1). Если переключатель SB5 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 DD5, DD6, формируется одновибратором DD7 при нажатии любой из кнопок SB1 — SB4. Длительность этого импульса значительно меньше времени нажатия на кнопку. Этим достигается то, что вначале все триггеры (DD5, DD6) 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.