Разработка усилителя низкой частоты
Музыка представляет собой один из самых универсальных языков мира. Любой человек может выразить через нее свои мысли и чувства, при этом все остальные смогут это понять, независимо от их расы, национальности, культуры или происхождения. Разумеется, ничто не сравнится со звучанием живой музыки, но в силу многих обстоятельств, нам чаще всего доступно прослушивние фонограмм на компакт‑дисках или цифровых копиях, загруженных из интернета. В зависимости от предпочтений человека, он будет наслаждаться музыкой либо на портативном устройстве либо на акустической системе. Лично мне второй вариант нравится больше. А какое устройство необходимо для того, чтобы ваша акустика смогла воспроизвести звук? Я думаю вы уже догадались, что мой индивидуальный раздел посвящен личному опыту по сборке усилителя низкой частоты.
Краткий экскурс в историю создания усилителей низкой частоты (УНЧ)
История появления усилителей тесно связана с историческими этапами развития радиоэлектроники [1–3]. Еще в XIX веке появилась необходимость в устройствах, способных значительно увеличивать мощность электрических сигналов, связанная с изобретением телеграфа и радио. В начале XX века был изобретен способ преобразования акустического сигнала в электрический, который основывался на способности угольного порошка менять свое электрическое сопротивление под воздействием вибраций. В 1903 году специалисты телефонной компании Bell построили первый телефон, а в 1911 году заработала первая телефонная линия между Нью‑Йорком и Чикаго.
Скоро стало понятно, что для передачи информации на большие расстояния электрическим сигналам нужна большая мощность. Эра усилителей мощности началась уже в 1912 году, когда корпорация Western Electric выпустила первый телефонный усилитель. Это стало возможным благодаря американскому инженеру Ли де Форесту, который из своих интересов к беспроводной телеграфии изобрел трехэлектродную лампу (триод) в 1906 году и на его основе разработал более совершенный приёмник для беспроводного телеграфа, положив начало развитию научных основ и принципов построения электронных приборов.
Ламповые усилители в первой половине XX века получили стремительное развитие. Первый магнитный звукосниматель появился в 1924 году, его сконструировал Ллойд Лоэр, инженер‑изобретатель, работавший в компании Gibson, а первые электрогитары для массового рынка произвела в 1931 году Electro String Company, образованная Полом Бартом, Жоржем Бошамом и Адольфом Рикенбакером. Благодаря этим изобретениям появилось множество различных музыкальных направлений, большая часть из которых существует в наши дни.
Следующий прорыв был связан с изобретением транзистора американскими физиками Уильямом Брэдфордом Шокли, Уолтером Хаузером Браттейном и Джоном Бардиным. Браттейн собрал первый работоспособный точечный транзистор 16 декабря 1947 года, а 23 декабря продемонстрировал руководству Bell Labs, в том числе Шокли, транзисторный усилитель. Следует отметить, что не смотря на несовершеннство первых транзисторов в виде высокого уровеня шума, значительного разброса параметров и низкую надежность, в отличии от ламп, развитие которых довольно быстро остановилось, транзисторы стремительно совершенствовались.
В начале 1954 года Шокли предложил использовать диффузию по Фуллеру для формирования p‑n‑переходов с заданной глубиной и профилем концентрации примесей, а в августе 1958 года Fairchild Semiconductor представила разработанный Гордоном Муром 2N696 — первый кремниевый меза‑транзистор и первый меза‑транзистор, продававшийся на открытом рынке США. Затем появилась перспективная замена меза‑технологии — планарная технология изготовления и компания Fairchild Semiconductor выпустила первые серийные планарные транзисторы 2N1613 в апреле 1960 года
Параллельно с совершенствованием биполярного транзистора продолжалась и работа по полевым транзисторам. В течение десяти лет (1948–1958) она оставалась безрезультатной из‑за отсутствия подходящих диэлектриков. Затем события резко ускорились. В 1958 году Станислав Тезнер выпустил на французском отделении General Electric Технитрон
(Technitron) — первый серийный, сплавной полевой транзистор. А уже в 1959 году Аттала и Дион Канг создали первый работоспособный МОП‑транзистор. В 1963 году Чин‑Тан Са и Фрэнк Уонлес предложили комплементарную МОП‑схемотехнику. Первые серийные МОП‑транзисторы RCA и Fairchild вышли на рынок в 1964 году, в том же году General Microelectronics выпустила первую МОП‑микросхему, в 1970‑е годы МОП‑микросхемы завоевали рынки микросхем памяти и микропроцессоров, а в начале XXI века доля МОП‑микросхем достигла 99 % от общего числа выпускаемых интегральных схем (ИС).
Структура УНЧ собственного изготовления
Из вышеизложенного можно сделать вывод, что транзисторные усилители будут значительно превосходить свои ламповые аналоги практически по всем параметрам. Но по сей день можно встретить тысячи приверженцев теплого лампового звука
со всеми его недостатками. В этом нет ничего дурного, просто не стоит превращать это в культ. У любого усилителя есть свои технические характеристики, к основным можно отнести такие как: выходная мощность, частотный диапазон, коэффициент гармонических искажений, отношение сигнал/шум, демпинг‑фактор (или коэффициент демпфирования). Дополнительно могут указываться коэффициент интермодуляционных искажений, скорость нарастания выходного напряжения, перекрестные помехи. Если усилитель выпускается серийно, то к нему прикладывается паспорт, в котором указываются: напряжение питания, максимальная потребляемая мощность, масса и габаритные размеры.
За основу моего собственного усилителя была взята известная топология Лина [4], разработанная им еще в 1956 году в Radio Corporation of America. Преимуществом схемы является разделение элементарных функций всех каскадов, что позволяет целенаправленно управлять различными характеристиками усилителя. По данной топологи Лина реализовано, вероятно, 90 % всех полупроводниковых усилителей мощности звуковой частоты.
Первый каскад схемы на рисунке 1 является усилителем — преобразователем проводимости (то есть преобразует напряжение в ток). Он буферизует, усиливает входной сигнал и преобразует его в пропорциональный ток, приложенный к низкому входному сопротивлению второго каскада. Первый каскад усилителей практически всегда является дифференциальным, что обеспечивает инвертирующий вход для отрицательной обратной связи (ООС) и относительно высокое подавление пульсаций питающего напряжения. Первый каскад обычно называется входным каскадом.
Второй каскад является усилителем — преобразователем сопротивления (то есть преобразует ток в напряжение). Он получает токовый сигнал от входного каскада и преобразует его в напряжение сигнала высокого уровня, обеспечивая частотную коррекцию, требуемую для устойчивости усилителя с ООС. По сути, второй каскад обеспечивает большую глубину ООС, и это свойство значительно повышает линейность усиления. Второй каскад обычно называется каскадом усиления напряжения (КУН).
Третий каскад усилителя на рисунке 1, или выходной каскад (ВК), является усилителем тока. Он принимает высоковольтный сигнал от КУН и обеспечивает коэффициент усиления около единицы при большом выходном токе в нагрузке. Третий каскад обычно является двухтактным усилителем с общим коллектором, существуют и другие варианты реализации.
Рисунок 1 — Упрощенная схема усилителя Лина
В своем усилителе я построил выходной каскад на полевых транзисторах, что позволило существенно снизить искажения, вносимые им при работе, а так же повысить линейность амплитудно‑частотной характеристики (АЧХ). Получились следующие параметры:
- Выходная мощность при уровне входного сигнала 1 В (0,707 В среднеквадратичного): на нагрузку 4 Ом —100Вт, на нагрузку 8 Ом — 50Вт;
- Полоса пропускания по уровню −3 дБ: 10–20000 Гц;
- Скорость нарастания выходного сигнала: 50 В/мкС;
- Оптимальный ток покоя: 20–50 мА;
- Коэффициент гармоник на частоте 1 кГц на нагрузке 4 Ом: 0,006 %;
- Напряжении питания: +40 В.
Ниже приведена схема усилителя, а также скриншоты из программы моделирования электронных схем NI Multisim, демонстрирующие работу усилителя на частоте 1 кГц.
Рисунок 2 — Принципиальная схема усилителя
Рисунок 3 — Частота среза усилителя — 127кГц, отличный результат.
Рисунок 4 — Синусоидальный сигнал
Рисунок 5 — Треугольный сигнал
Рисунок 6 — Маендр
Рисунок 7 — Амплитуда 3‑ей гармоники в анализаторе спектра. Важный показатель двухтактных усилителей мощности
Из характеристик видно, что усилитель получился качественный. Меандр на рисунке 6 у многих существующих усилителей напоминает прямоугольный треугольник, это связано с плохим пропусканием низких частот, а здесь такой проблемы нет. Если же есть необходимость срезать часть низких частот, например, для акустических систем с фазоинвертором, то можно рассчитать частоту среза и установить на входе конденсатор определенной емкости. Разводку печатных плат делал в известной программе EAGLE, получилось довольно неплохо.
Рисунок 8 — Принципиальная схема усилителя в программной среде EAGLE
Рисунок 9 — Вид печатной платы усилителя в программной среде EAGLE
А вот и сами печатные платы. Заказал их изготовление в одной местной конторке, все сделали по науке и с паяльной маской, текстолит выбрал FR4‑1 толщиной 1,5мм.
Рисунок 10 — Готовая печатная плата
Затем была моя самая любимая часть — монтаж и пайка. Фотографий процесса не осталось из‑за одной досадной случайности, о которой предпочту умолчать. Так что сразу перейдем к результату моих трудов.
Рисунок 11 — А вот и он — красавец!
Рисунок 12 — Вид одного из каналов вблизи
Рисунок 13 — Вид собранного усилителя со стороны печатных проводников
Все это добро вместе с качественным блоком питания, заказанным предварительно из Китая, поместилось в симпатичном корпусе. По причине указанной выше, фотографий не осталось, но не беда! Усилитель был отдан одному очень хорошему человеку и сейчас исправно служит ему, доставляя удовольствие от прослушивания любимой музыки.
По вопросам получения схем и печатных плат можете обращаться ко мне на почту, указанную в разделе Резюме, помогу чем смогу. А если тема сборки собственного усилителя приглянулась читателю, то ниже будет список полезных источников.
Список использованной литературы
1. Усилитель низкой частоты.
2. История и параметры УНЧ.
3. Изобретение транзистора.
4. Сайт о домашней акустике.
Дополнительные источники
1. Радио Кот. Очень приятный форум по радиоэлектронике.
2. Аудиокиллер. Интересный сайт про усилители на микросхемах серии TDA и не только.
3. Сайт Паяльник. Множество статей и информации по различным устройствам.
4. Схема ру. Портал радиолюбителей.
5. Радиоэлектроника ру. Сайт радиолюбителей и форум.
6. Сайт для начинающих радиолюбителей.
7. Каталог с различными сайтами по радиоэлектронике.