Мощный стереофонический усилитель

Введение

Стереофонический усилитель является неотъемлемым элементом аудиосистем любых классов сложности. К числу основных электрических параметров и характеристик усилителей, определяющих их работу и эксплуатационные свойства, относятся: коэффициент усиления; динамическая, частотная, фазовая (частотно-фазовая) и амплитудная характеристики; уровень линейных и нелинейных искажений; коэффициент полезного действия; входные параметры (входные сопротивление, напряжение, ток и мощность, сопротивление источника сигнала); выходные данные (выходные мощность, ток, напряжение, сопротивление нагрузки): динамический диапазон: собственный уровень шумов и предельно допустимые режимы. Одним из основных параметров мощных стереофонических усилителей является коэффициент усиления (по мощности, по току или напряжению – в зависимости от назначения).

Коэффициент усиления по напряжению (A_u ) определяется как отношение между полезным выходным и приложенным к входу напряжением (током, мощностью). Он может быть представлен как в прямом отношении (V/mV). так и в децибелах. Коэффициент усиления зависит от параметров внешних элементов, в частности от сопротивления внешней нагрузки R_L и входного сопротивления R_IN , а также от изменения напряжения питания V_CC , частоты и температуры.

Динамическая характеристика определяет зависимость выходного напряжения от входного; в идеальном случае эта зависимость линейная.

Частотная характеристика выражает зависимость коэффициента усиления от частоты, а фазовая – зависимость сдвига фазы между выходным и входным напряжениями от частоты.

Частотно-фазовая характеристика объединяет две последние при изменении частоты от 0 до F_h . Все эти характеристики, а также амплитудная (зависимость выходного напряжения от входного), определяют частотные и фазовые, то есть линейные и нелинейные, искажения по сравнению с идеальными характеристиками в пределах диапазона рабочих частот.

Нелинейные искажения в усилителях обусловлены нелинейностью динамической характеристики их полное отсутствие принципиально невозможно вследствие нелинейности реальных характеристик активных элементов (обычно из-за нелинейной входной характеристики и зависимости коэффициентов усиления транзисторов от тока). На такие искажения оказывает влияние схема построения и режим работы усилителя.

Количественно степень нелинейных искажений оценивается коэффициентом гармоник K_d , который определяет относительную интенсивность гармоник. Допустимое значение THD различается в зависимости от типа усилителей; для измерительных оно составляет сотые доли процента и менее, для акустических – десятые доли процента (при THD равном 0.2 – 0.3% для широкого диапазона частот нелинейные искажения почти не ощущаются на слух). При повышении уровня входного (Uin) сигнала увеличиваются выходные мощность (Р_OUT ), ток (Iout) и напряжение (U_OUT ), но возрастaeт и уровень нелинейных искажений. Такого рода искажения можно уменьшить, снизив снимаемую выходную мощность по сравнению с той, которую можно было бы получить от данного усилителя.

Искажения менее 0.1% для определенной мощности на выходе считаются небольшими и вполне допустимыми для качественного воспроизведения звука. Для мощных стереофонических усилителей в интегральном исполнении используются как пластмассовые корпуса типа DI L, DIP (в последнее время – малогабаритные корпуса типа SO для поверхностного монтажа (SMD), так и корпуса с основанием из металлической пластины (SIP, TABS) или металлические – типа ТО‑3, ТО‑5.

К схеме усилителей низкой частоты предъявляются также требования хорошего сглаживания пульсаций напряжений, то есть часто приводится значение коэффициента подавления пульсации.

Я выбрал эту тему поскольку не могу поверить, что при такой маленькой элементной базе, на двух микросхемах можно раскачать мощность 200 Вт, и хочу проверить на практике его работоспособность.

1. Технологическая часть

1.1. Структурная схема и ее описание

Структурная схема представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Структурная схема усилителя низкой частоты

Входной каскад собран на биполярных транзисторах. Каскад предварительного усиления и выходной каскад собран на мощных полевых транзисторах. Основная задача выходного каскада – обеспечение минимального коэффициента гармоник во всем диапазоне частот при максимальной выходной мощности и минимальном потреблении. Приведенная схема, включающая линеаризующий дифференциальный усилитель, успешно справляется с поставленными требованиями. Значительное снижение уровня нелинейных искажений достигается за счет компенсационной схемы, использующей прямую связь