Шаг за шагом. Усилители и радиоузлы

Сворень Рудольф Анатольевич

Казалось бы, нет никаких трудностей для того, чтобы воспроизвести большой динамический диапазон. Есть самый громкий звук, соответствующий номинальной мощности усилителя (например, 10 вт), и самый тихий звук должен просто быть на 70 дб тише, то есть должен соответствовать в 10 миллионов раз меньшей мощности (1 мквт). Однако при большом динамическом диапазоне самый слабый звук оказывается слишком слабым — его вообще невозможно услышать. С одной стороны, этому мешает внешний шум — шум, проникающий из соседних помещений, с улицы. С другой стороны, сигналы, соответствующие самым тихим звукам, просто теряются в усилителе — их перекрывают собственные шумы усилителя и, в частности, фон переменного тока.

Фон может появиться из-за плохой фильтрации выпрямленного (анодного) напряжения. Но особенно опасным источником фона являются наводки от сети переменного тока. Провода, по которым переменный ток с частотой 50 гц течет к лампочке, к электроплитке и, наконец, к самому усилителю, — это своего рода передающие антенны. Они излучают

электромагнитные волны и наводят во всех металлических предметах, в том числе и в электрических цепях усилителя, слабые переменные напряжения с частотой сети 50 гц. Обычно эти напряжения очень малы — десятки и сотни микровольт. В тех цепях, где проходит достаточно сильный сигнал, эти наводки вообще не заметны, но во входных цепях усилителя, где напряжение сигнала очень мало, наводки уже сравнимы с сигналом. Попав во входную цепь, наводки и весь дальнейший путь по усилителю проходят вместе с сигналом; в итоге громкоговоритель воспроизводит их в виде отвратительного монотонного гула. Это и есть фон переменного тока (рис. 31, д, 34).

Рис. 34. Наиболее опасный источник фона — наводки переменного (сетевого) тока в цепях с низким уровнем сигнала. Для защиты от наводок входные цепи усилителя тщательно экранируют. Нужно снизить фон до такого уровня, чтобы на слух трудно было определить, включен ли усилитель.

Принято считать, что даже самый слабый сигнал (Р_мин) должен на 10–20 дб превышать уровень шумов и фона усилителя НЧ. В этом случае фон и собственные шумы практически уже не слышны. Во всяком случае, они оказываются неуловимо слабыми в сравнении с сигналом. Но, к сожалению, мы не можем бесконечно уменьшать наводки — существует какой-то предел, ниже которого опуститься очень трудно. Даже для высококачественных усилителей допускается уровень фона на 46 дб ниже номинальной мощности, а для усилителей третьего класса допускается еще более сильный фон — на 32 дб ниже уровня Р_ном.

Если принять, что самый слабый сигнал должен хотя бы на 10 дб превысить уровень фона, то получится, что усилитель первого класса способен воспроизвести динамический диапазон 36 дб (Р_мин меньше Р_ном в 4000 раз), а усилитель третьего класса — всего 22 дб (по мощности около 200 раз).

Как видите, даже у хороших усилителей динамический диапазон оказывается значительно меньше, чем динамический диапазон воспроизводимых звуков (оркестр до 70 дб). Поэтому звуковые программы, в первую очередь музыкальные, приходится искусственно сжимать, уменьшать интервал между самым громким и самым тихим звуками, между форте-фортиссимо и пиано-пианиссимо. Для грамзаписей принят динамический диапазон 45 дб, для радиовещания 35 дб, для радиовещания на УКВ с частотной модуляцией 40 дб. И хотя по сравнению с естественным динамическим диапазоном (70 дб) эти цифры представляются не очень-то большими, но для их реализации, для воспроизведения сжатого диапазона приходится весьма тщательно налаживать усилитель, принимать всевозможные меры для снижения фона и других электрических шумов.

К основным характеристикам относят также входное и выходное сопротивления усилителя. Входное сопротивление R_вх шунтирует источник сигнала — микрофон, звукосниматель, магнитную головку — и определяет отбираемую от этого источника мощность Р_вх. Чем меньше R_вх тем больше мощность, потребляемая во входной цепи (рис. 30, 8, г).

Для каскада, работающего без сеточных токов, а именно так и работают все усилители напряжения, входное сопротивление R_вх практически равно сопротивлению утечки и составляет сотни тысяч килоом. Почти такую же величину имеет входное сопротивление оконечного каскада (усилитель мощности) тогда, когда выбор его рабочей точки (рис. 30, 21, а) исключает появление сеточных токов. Правда, в некоторых случаях оконечный каскад работает с сеточными токами, и в этом случае его R_вх заметно снижается. Здесь действует старый добрый закон Ома: чем больше ток при неизменном напряжении, тем, следовательно, меньше сопротивление цепи.

Выходное сопротивление R_вых каскада определяется двумя параллельно включенными сопротивлениями — нагрузкой R_a(для выходного каскада пересчитывается в анодную цепь) и внутренним сопротивлением лампы R_i.

Чем меньше каждое из этих сопротивлений, тем меньше R_вых. Внутреннее сопротивление R_i лампы усилителя мощности (оконечный каскад), работающего на громкоговоритель, подключено (через выходной трансформатор) к звуковой катушке. Мы заинтересованы, чтобы R_i было как можно меньше — в этом случае лампа будет сильнее шунтировать звуковую катушку, будет лучше осуществлять электрическое демпфирование. А это, в свою очередь, срежет резонансные пики на частотной характеристике.

Фильтры и тембры

Почти все регуляторы тембра работают по одному и тому же принципу. Подбираются такие RС-цепи, которые за счет емкостного сопротивления конденсатора имеют разное сопротивление на различных частотах и благодаря этому создают завал или подъем какого-либо участка частотной характеристики. Затем, изменяя R, уменьшают или увеличивают удельный вес, долю емкостного сопротивления в общем сопротивлении цепи и таким образом регулируют степень завала или подъема.

Простейший регулятор тембра можно найти на схеме рис. 35, 1, а. Он в большей или меньшей степени заваливает частотную характеристику в области высших частот.

рис. 35, 1

Можно построить корректирующие цепи для подъема частотной характеристики как в области высших, так и в области низших частот. На схеме рис. 35, 2, а показана простейшая корректирующая цепь, включенная на пути сигнала между усилительными каскадами (участок АБ). Сопротивление R_Т несколько снижает уровень сигнала, так как на этом сопротивлении теряется часть U_T выходного напряжения первого каскада (U_вых1). Шунтирующий конденсатор С_Т подобран так, что на низших и средних частотах его сопротивление намного больше, чем R_Т и поэтому общее сопротивление участка АБ примерно равно R_Т.

рис. 35, 2

На высших частотах R_Т уже заметно шунтировано емкостным сопротивлением, и общее сопротивление участка АБ становится меньше. При этом, естественно, на участке АБ теряется меньшая часть напряжения U_вых1 и на частотной характеристике в области высших частот появляется некоторый подъем (рис. 33).

На схеме рис. 35, 3, а анодная нагрузка первого каскада составлена из двух сопротивлений: R_a и R_T, причем одно из них зашунтировано конденсатором С_Т. Для начала поясним, почему здесь нужно говорить о шунтировании, каким образом С_Т оказывается подключенным параллельно R_T. Один конец С_Т непосредственно подключен к R_T, а другой вывод конденсатора заземлен (соединен с корпусом). Но для переменного тока с корпусом соединен и верхний (по схеме) вывод R_T. На этот вывод с выпрямителя подается «плюс» выпрямленного напряжения (+U_в), а «плюс» выпрямителя всегда заземлен через конденсатор фильтра С_{ф. в} (например, рис. 44 и 46). Емкость конденсатора фильтра достаточно велика, и можно считать, что верхний по схеме вывод R_T для переменного тока соединен непосредственно с шасси, а значит, и с С_Т (рис. 35, 3, б).