Реферат: Научно-популярное издание
Научно-популярное издание
Д.И.АТАЕВ, В.А.БОЛОТНИКОВ
ПРАКТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ
ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННОГО ЗВУКОВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ
© Издательство «Радио и связь», 1986
ПРЕДИСЛОВИЕ
Высококачественное воспроизведение звука получило всеобщее признание за естественность звучания и возможность получения точного представления о музыкально-эстетическом качестве прослушиваемого произведения в домашних условиях.
Современные устройства звуковоспроизведения представляют собой сложный комплекс, состоящий из ряда автономных систем (акустические системы, источники звуковых сигналов, системы усиления сигналов и т. п.), которые непрерывно совершенствуются. Одно из центральных мест в этом комплексе занимает электронный усилитель звуковых сигналов. Усилитель состоит из отдельных функциональных узлов, таких как: предусилитель с частотной коррекцией, фильтры, нормирующие усилители, квадрафонические декодеры, оконечные линейные усилители и т. д. Каждый из этих узлов имеет самостоятельное значение и характеризуется своими показателями качества, влияющими на качество всего усилителя в целом.
Тонкого ценителя высококачественного звуковоспроизведения всегда интересуют схемы практических устройств, позволяющих получить большую выходную мощность при едва заметных искажениях и малых уровнях шумов и тем самым создать аппаратуру с хорошими техническими и эксплуатационными характеристиками. Предлагаемая книга посвящена практическим вопросам построения отдельных функциональных узлов электронных усилителей высшего класса.
Из большого многообразия схем функциональных узлов канала усиления, опубликованных в зарубежных журналах за период с 1970 по 1984 г., а также разработанных авторами, в книге приведены наиболее перспективные, имеющие четкие различительные признаки и обеспечивающие весьма высокие показатели. Схемы, заимствованные из зарубежных публикаций, пересчитаны, доработаны с учетом принципа совместимости и экспериментально проверены на отечественной элементной базе.
Приведенные схемы позволяют создать полный усилитель звуковой частоты с техническими характеристиками, удовлетворяющими требованиям современных Hi — Fi устройств (частотный диапазон не менее 20 Гц... 20 кГц, коэффициент гармоник меньше 0,1%, отношение сигнал-шум больше 60 дБ). Каждая схема снабжена таблицей технических характеристик, полученных в результате испытаний. Если получение высоких технических характеристик для отдельных узлов зависит от конструктивной компоновки схемы, то для таких узлов вместе с электрической схемой приводится чертеж печатной платы.
В основу изложения материала книги положен следующий принцип. Электрическая схема канала усиления звуковых сигналов разбита на девять основных функциональных узлов, каждый из которых выполняет завершенные функции и имеет минимальное число взаимны:; связей. Функциональные узлы выполняются в виде завершенных конструктивных модулей. Для каждого узла номинальное входное напряжение, входное и выходное сопротивления унифицированы таким образом, чтобы обеспечить их электрическую совместимость.
Для получения конструктивной совместимости модулей разводка цепей связи узлов унифицирована, т. е. разводка однотипных сигналов (питание, общего провода, вход, выход и т. п.) выполнена и маркирована одинаково.
Практическая направленность книги определила некоторые особенности изложения материала. Так, описание принципов построения схем и работы устройств базируется только на чисто качественных представлениях. Приводимые формульные соотношения даются без выводов, но с пояснениями их использования на практике.
Книга содержит практические схемы функциональных узлов и рекомендации по достижению высоких показателей качества для отдельных функциональных узлов и всего усилительного тракта в целом. Она может быть полезна широкому кругу квалифицированных радиолюбителей и радиоспециалистоз, разрабатывающих высококачественную бытовую и профессиональную звуковоспроизводящую аппаратуру.
Отзывы о книге просим направлять по адресу: 101000 Москва, Почтамт, а/я 693, издательство «Радио и связь».
ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ И ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ ЗВУКОВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ
^ ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Современные усилители, применяемые для высококачественного звуковоспроизведения, представляют собой сложное радиоэлектронное устройство, состоящее из последовательно включенных функционально завершенных узлов. Структурную схему современного усилителя высококачественного звуковоспроизведения (УВЗ) можно представить в виде совокупности различных модулей, представляющих собой функционально законченные части усилительного устройства (рис. 1). К ним относятся селекторы входных сигналов, предусилите-лн-корректоры, микрофонные усилители, фильтры, регуляторы громкости и баланса, шумоподавители, регуляторы тембра, квадрапреобразователи, усилители мощности, источники питания и различные узлы автоматики. В дальнейшем эти модули условимся называть функциональными узлами (ФУ). Они обеспечивают селекцию сигналов многих первичных источников (микрофонов, электрофонов, магнитофонов, тюнеров и т. п.), корректируют частотные характеристики отдельных источников звуковых сигналов, нормируют уровни сигналов, отделяют полезный сигнал от сопутствующих мешающих составляющих, регулируют уровень и тембр звука, усиливают мощность сигналов, а также выполняют ряд других функций.
^ Рис. 1. Структурная схема усилителя высококачественного звуковоспроизведения
В настоящее время под УВЗ понимают двухканальную стереофоническую или четырехканальную квадрафоническую систему звуковоспроизведения, которая обеспечивает восприятие звуковых колебаний источников сигналов оригинала, расположенных в пространстве, а в случае квадрафонической системы — а сигналов вторичных акустических источников — отражений от стен и других объектов в студии, создавая ощущение «атмосферы зала», т. е. эффект объемного звучания. Это, в свою очередь, заставляет вводить в усилитель новые элементы, такие как регуляторы баланса уровня громкости тыловых акустических систем, квадрапреобразователи.
Разделение УВЗ на ряд функциональных узлов позволяет унифицировать связи между ними и тем самым создавать различную по качеству и техническим возможностям звуковоспроизводящую аппаратуру [1].
На рис. 1 приведена структурная схема составленного из ФУ современного стереофонического звуковоспроизводящего тракта, дополненного квадрапреобра-зователем и двумя каналами усилителей мощности для тыловых акустических систем (для псевдоквадрафонического звуковоспроизведения). Этот вид УВЗ сейчас является наиболее распространенным по двум причинам. С одной стороны, он выгоден из экономических соображений (четырехканальные источники звуковых сигналов весьма дороги), а с другой — он создает хорошую иллюзию объемного звучания, оказывающую сильное эмоциональное воздействие на слушателя.
Усилитель высококачественного звуковоспроизведения (см. рис. 1) состоит из девяти автономных ФУ: предусилителей-корректоров сигнала магнитного звукоснимателя 1А1, 2А1 (ФУ1); фильтров верхних и нижних частот 1Z1, 2Z1 и !Z2, 2Z2 (ФУ2); регулятора стереобаланса А1, тонкомпенсированных регуляторов громкости 1А2, 2А2, нормирующих усилителей 1АЗ и 2АЗ (ФУЗ); шумоподави-телей 1А4 и 2А4 )(ФУ4); темброблоков 1А5 и 2А5 (ФУ5); синтезатора псевдоквадрафонического сигнала А2 |(ФУ6); усилителей мощности 1А6, 2А6, ЗА6, 4А6 (ФУ7); индикаторов выходной мощности 1Р1, 2Р1, ЗР1, 4Р1 (ФУ8); устройства защиты усилителей мощности и громкоговорителей 1А7, 2А7, ЗА7, 4А7 (ФУ9); источника питания G1.
Переключателем S1 выбирают источник сигнала, S2 и S3 коммутируют фильтры верхних и нижних частот, S4 переключает тракт из монофонического режима в стереофонический и наоборот, S5, S6, S7 коммутируют соответственно цепи тоюшмпенсации, шумоподавителя и регулятора тембра, S8 устанавливает псевдоквадрафонический режим работы УВЗ. Технические показатели усилителей, определяемые ГОСТом, ОСТом или другими специальными руководящими материалами, обычно касаются сквозных характеристик всего усилительного тракта. Поэтому для оценки качества каждого ФУ установим самостоятельные технические характеристики.
Примерные нормы на технические характеристики основных ФУ усилительного тракта, разработанные авторами с учетом возможностей современной элементной базы, приведены в табл. I. Для каждого ФУ предлагаются три уровня параметров: начальный — для простых массовых конструкций, средний — для относительно недорогих конструкций достаточно высокого качества и высший — для уникальных конструкций, обеспечивающих весьма высокое качество звучания.
Таблица 1 ^ Техническая характеристика
Уровень
высший
средний
начальный
^ Предусилитель-корректор (ФУ1)
Входное напряжение, мВ:
номинальное
2,5
2,5
2,5
максимальное 1
200
100
25
Выходное напряжение, В:
номинальное
0,2
0,2
0,2
максимальное 1
16
8
1,6
Коэффициент передачи на частоте 1 кГц,
дБ
38
38
38
Перегрузочная способность, дБ, не менее
38
32
20
Отклонение АЧХ от стандартной (RIAA), дБ
±0,2
±0,5
±2
Отношение сигнал-шум (невзвешенное), дБ, не менее
75
65
60
Входное сопротивление, кОм
47
47
47
Выходное сопротивление, кОм
1
1
1
Фильтры верхних и нижних частот (ФУ2)
^ Входное и выходное напряженке, В:
номинальное
0,2
0,2
0,2
максимальное 1
16
8
2
Коэффициент передачи в полосе пропускания
1
1
1
Перегрузочная способность, дБ, не менее
38
32
20
Крутизна АЧХ, дБ на октаву (изменяется переключателем дискретно)
6, 12, 18
6, 12
12
Коэффициент гармоник в диапазоне частот 20...20000 Гц2, %, не более
0,01
0,02
0,1
Отношение сигнал-шум (невзвешенное) , дБ
80
70
60
Входное сопротивление, кОм
100
100
100
Выходное сопротивление, кОм
1
1
1
Нормирующий усилитель (ФУЗ)
^ Входное напряжение, В:
номинальное
0,1
0,1
0,1
максимальное
2
1
0,5
Выходное напряжение, В:
номинальное
0,8
0,8
0,8
максимальное 1
16
8
4
Коэффициент передачи в полосе пропускания
8
8
8
Перегрузочная способность, дБ, не менее
26
20
14
Коэффициент гармоник в диапазоне частот 20...20000 Гц?, %, не более
0,01
0,02
0,1
Отношение сигнал-шум (невзвешенное) , дБ, не менее
80
70
60
Номинальный диапазон частот, Гц Входное сопротивление, кОм
Выходное сопротивление, кОм
10-.. 100000
100
1
10... 100000
100
1
10...20000
100
1
Шумоподавитель (ФУ4)
^ Входное напряжение, В:
номинальное
0,8
0,8
0,8
максимальное 1
16
8
4
Коэффициент передачи в полосе пропус-
кания
1
1
1
Перегрузочная способность, дБ, не ме-
нее
26
20
14
Порог срабатывания 2, дБ
— 30
-30
— 30
Полоса частот (на уровне — 3 дБ), Гц,
не уже
10... 100000
10... 100000
10... 20000
Коэффициент гармоник в диапазоне ча-
стот 20...20000 Гц2, %, не более
0,01
0,02
0,1
Отношение сигнал-шум (невзвешенное),
дБ, не менее 2- в
100
80
70
Входное сопротивление, кОм
100
100
100
Выходное сопротивление, кОм
1
1
1
Темброблок (ФУ5)
^ Номинальное входное напряжение, В
0,8
0,8
0,8
Коэффициент передачи на частоте 1 кГц
1
1
1
Пределы регулирования тембра на ча-
стотах 100 и 10000 Гц, дБ
±12
±10
±8
Перегрузочная способность, дБ, не ме-
нее
20
10
6
Коэффициент гармоник в диапазоне ча-
стот 20.. .20 000 Гц2, %, не более
0,01
0,05
0,1
Отношение сигнал-шум (невзвешенное),
дБ, не менее 2
80
70
60
Входное сопротивление, кОм
100
100
100
Выходное сопротивление, кОм
1
1
1
Синтезатор псевдоквадрафонического сигнала (ФУ6)
^ Входное напряжение, В:
номинальное
0,8
0,8
0,8
максимальное i
16
8
4
Коэффициент передачи в полосе пропус-
кания
0.4...1
0.4...1
0.4...I
Перегрузочная способность, дБ, не ме-
Нее
26
20
14
Коэффициент гармоник в диапазоне ча-
стот 20...20000 Гц2, %, не более
0,01
0,02
0,2
Отношение сигнал-шум (невзвешенное),
дБ, не менее 2- 6
100
80
70
Диапазон частот сдвига фазы на 90°,
Гц
20. ..20000
20. ..5000
20... 2000
Входное сопротивление, кОм
100
100
100
Выходное сопротивление, кОм
1
1
1
Усилитель мощности (ФУ7)
^ Номинальное входное напряжение, В
0,775+0,05
0,775±0,05
0,775±0,05
Номинальная выходная мощность, Вт,
не менее 4
100
50
10
Коэффициент гармоник, %, не более на
частоте, Гц:
1000
0,01
0,05
0,08
20.. .20 000
0,05
0,1
0,2
Полоса частот по выходной мощности
(на уровне — 3 дБ), Гц, не уже
20... 10ОООО
20... 50000
20... 20000
Максимальная скорость нарастания вы-
ходного напряжения, В/мкс, не менее 8
25
7
2
Отношение сигнал-шум (невзвешенное),
дБ, не менее 5,6
ПО
80
60
Входное сопротивление, кОм
10
10
10
1 На частоте 1 кГц при коэффициенте гармоник не более 0,5%.
2. При номинальном входном напряжении.
3. При максимальном подъеме АЧХ в коэффициенте гармоник не более 0,5%.
4 При заданном коэффициенте гармоник.
5. При номинальной выходной мощности.
6. По отношению к собственным шумам усилителя.
Сквозные характеристики аппаратуры, построенной из ФУ начального уровня, удовлетворяют минимальным требованиям к системам высококачественного воспроизведения звука по стандарту DIN 45500; параметры ФУ среднего уровня обеспечивают сквозные характеристики, свойственные лучшим образцам современной отечественной и зарубежной аппаратуры класса Hi — Fi; нормы на параметры ФУ высшего уровня установлены исходя из анализа современного состояния и перспектив совершенствования звуковоспроизводящей техники в будущем. Значения параметров выбраны таким образом, чтобы ни один ФУ в пределах своего уровня не ограничивал характеристики тракта в целом. Использование ФУ с разными уровнями параметров в одном устройстве нежелательно, так как это приведет к снижению характеристик усилителя, которые будут определяться параметрами ФУ худшего качества.
^ Рис. 2. Схема соединения ФУ при объединении их в звуковоспроизводящий тракт
Рис. 3. Схема соединения монтажных плат ФУ при объединении их в звуковоспроизводящий тракт
Схемы соединений ФУ при объединении их в звуковоспроизводящий тракт показаны на рис. 2 и рис. 3 (нумерация выводов ФУ на первом из них соответствует нумерации контактов на торцах монтажных плат на втором). Здесь выход ФУ1 соединен непосредственно с входом ФУ2, выход ФУ2 — с входом ФУЗ и т. д. Питание на каждый ФУ подается с соответствующих шин по отдельным проводам. Чтобы уменьшить помехи (фона и шумов), общие провода сигнальных цепей и питания (средняя точка источника двухполярного питания) разделены. С отдельной шиной (корпусом) соединяют и экраны, в которые помещают чувствительные к наводкам ФУ (см. с. 130).
В предлагаемом исполнении звуковоспроизводящего тракта некоторые ФУ (например, фильтры, нормирующие усилители, темброблоки и т. п.) можно поменять местами, а также исключить отдельные узлы (в этом случае на их место устанавливают короткозамыкающие перемычки, соединяющие выводы входа и выхода исключаемого узла). Это открывает широкие возможности для исследований и оптимального построения разрабатываемого устройства.
Конструкция, построенная на базе модулей ФУ, оказывается весьма работоспособной: вышедший из строя ФУ можно заменять запасным или заглушкой с короткозамыкающими (вход с выходом) перемычками. При этом некоторые параметры ухудшаются, и теряются отдельные эксплуатационные удобства (например, возможность регулирования тембра при выходе из строя темброблока), однако работоспособность тракта сохраняется. Далее будет приведено описание банка испытанных схем различных ФУ, удовлетворяющих перечисленным требованиям. Все ФУ совместимы информационно, электрически и конструктивно,
Под информационной совместимостью подразумевается совместимость сиг-валов, несущих информацию (например, по номинальному диапазону частот, скорости нарастания выходного сигнала, динамическому диапазону и т. п.), под электрической — совместимость по номинальным уровням входных и выходных сигналов соседних по тракту ФУ и по входным и выходным сопротивлениям, под конструктивной — возможность непосредственного конструктивного объединения ФУ в результате одинаковой прокладки линий связи, применения однотипных разъемов и единого порядка соединения контактов с соответствующими цепями ФУ.
^ ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА
Усилители высококачественного звуковоспроизведения должны удовлетворять определенным объективным и субъективным требованиям.
На сегодняшний день не существует полной объективной количественной системы оценок качества звучания, однозначно совпадающих с субъективным впечатлением. Такие характеристики качества звучания, как прозрачность, чистота звука, эффект присутствия, мягкость и естественность звука, до сих пор не имеют объективных оценок. Однако существующие методы объективной оценки технических параметров позволяют во многом количественно измерить и предсказать достижимое качество звучания при субъективном восприятии. Достаточно полные сведения о технических характеристиках усилителя позволяют без электрических испытаний выяснить степень применимости усилителя для конкретного потребителя, быстро и правильно выбрать и спроектировать весь звуковоспроизводящий комплекс с учетом определенных условий эксплуатации, а также оценить предполагаемое качество звучания.
К основным техническим показателям УВЗ относятся входные и выходные ноказатели, коэффициент усиления, потребляемая мощность и КПД, линейные и нелинейные искажения, уровень собственных помех и шумов, амплитудная характеристика, динамический диапазон, стабильность показателей и др. Мы рассмотрим те из них, которые непосредственно отражаются на субъективном восприятии качества звучания, а именно уровни линейных и нелинейных искажений, собственных помех и шумов и динамический диапазон усилителя.
Для количественной оценки этих показателей важным является выбор фор-мы испытательных сигналов. В большинстве случаев напряжение на входе усилителя изменяется по периодическому закону. Форма кривой сигнала при этом может быть весьма разнообразной; она полностью зависит от характера сигналов усиливаемого напряжения.
Периодическое колебание может быть представлено в виде ряда Фурье:
Согласно этому выражению спектр входного сигнала представляется в виде бесконечного ряда гармоник с кратными частотами от w=2пf до оо. Реально же при звукоусилении имеют дело с конечным диапазоном частот, что означает, что за пределами некоторой полосы, ограниченной верхней частотой fв, амплитуды гармоник равны нулю, т. е. Uk — 0 при kw>2пfB.
В общем случае форма напряжения звукового сигнала не является периодической функцией времени и ее можно представить с помощью интеграла Фурье, являющегося распространением ряда Фурье на бесконечно большой период повторения функции. Для звуковых сигналов интервал между частотами гармоник стремится к нулю, и прерывистый спектр сигнала превращается в сплошной. А это значит, что напряжение звукового сигнала имеет непрерывный спектр.
На практике при анализе и испытаниях усилителей звуковой частоты (34) в установившемся режиме часто используют в качестве входного сигнала напряжение синусоидальной формы, что является весьма условной и грубой моделью реальных сигналов, оправданной только с точки зрения методической простоты. Такая идеализация дает практически удовлетворительные результаты для грубой оценки качества усилителей 34.
^ Виды искажений, вносимых усилителем ЗЧ. Основным качественным показателем усилителя ЗЧ является степень неискаженного воспроизведения сигналов на выходе, подведенных ко входу. Под искажением понимается всякое изменение формы сигнала на выходе uвых по сравнению с формой сигнала на входе uвх. В идеальном случае выходное напряжение должно быть точно такой же функцией времени, как и входное, т. е.
uвых(t) = Kвх(t).
где К — постоянный коэффициент, не зависящий от uвх и t.
Обычно при прохождении сигнала через усилитель всегда возможен сдвнв сигнала во времени М, что не является искажением сигнала. Тогда условие неискаженной работы усилителя имеет вид:
uвых(t) = Кuвх(t — Дt).
Для его выполнения необходимо, чтобы в усилителе отсутствовали линейные и нелинейные искажения.
Линейные искажения обусловлены влиянием реактивных элементов усилителя — конденсаторов и катушек, сопротивление которых зависит от частоты. Эти искажения имеются и в линейном усилителе, например, при усилении очень слабых сигналов, когда нелинейность активных элементов усилителя можно не учитывать.
К линейньим искажениям относятся: частотные, фазовые и переходные искажения. Частотные искажения в усилителях являются следствием неодинаковости коэффициента усиления на различных частотах в пределах заданной полосы пропускания. Из-за них нарушаются реальные соотношения между амплитудами компонент сложного колебания, а это значит, что меняется энергетический спектр сигнала, искажается форма звукового сигнала, что приводит к значительному изменению тембра звука. При больших частотных искажениях звучание различных музыкальных инструментов теряет прозрачность, речь делается неразборчивой. Если коэффициент усиления на верхних частотах звукового диапазона больше чем на нижних, то передача становится ненатуральной: звук теряет свою сочность, тембр получается звенящим, металлическим. При сильном подъеме нижних частот тембр передачи становится глухим, все низкие ноты оказываются ненатурально подчеркнутыми. Для неискаженного воспроизведения колебаний звуковой частоты необходимо равномерно усиливать все частоты в пределах некоторой полосы.
Частотные искажения, вносимые усилителем, оценивают по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ). Количественно они определяются нормированным коэффициентом усиления М (его часто называют коэффициентом частотных искажений), равным отношению коэффициента усиления на данной частоте K к коэффициенту усиления на средних частотах Ко:
М = К/К6.
В логарифмических единицах он равен G[дБ]=201gM.
Область АЧХ, в которой G практически не зависит от частоты (на рис. 4 от 200 Гц до 10 кГц), называют областью средних частот. Нижней fa и верхней fB граничными частотами называют такие, на которых G уменьшается до заданного (допустимого) значения GДOП относительно коэффициента усиления на средних частотах. Область частот от fн до fB — рабочий диапазон частот, или полоса пропускания усилителя.
Коэффициенты частотных искажений на низших GH и высших GB частотах:
Gн= 20 lg [К (fн)/Ko], GB= 20 Ig [K (fв)/K0]
В многокаскадном усилителе общий коэффициент частотных искажений на любой частоте равен сумме коэффициентов частотных искажений в отдельных каскадах:
G0БЩ=G1+ G2+... + GN.
Рис. 4. Амплитудно-частотная характеристика усилителя ЗЧ
Их взаимной коррекцией можно добиться, что усилитель в целом будет иметь идеально плоскую АЧХ.
На практике усилители 34, выполненные по большинству схем, имеют некоторый спад усиления в области нижних и верхних частот из-за наличия реактивных элементов и частотных свойств транзисторов. Степень линейных искажений усилителя 34 для отечественной бытовой аппаратуры задается по ГОСТ 24388 — 80. У лучших образцов усилительных узлов неравномерность АЧХ в диапазоне рабочих частот не должна превышать 0,5... 1,5 дБ. Для уменьшения линейных искажений диапазон рабочих частот усилителя выбирают шире диапазона частот, воспроизводимых акустическими системами.
Амплитудно-частотная характеристика усилителей на транзисторах в области верхних частот определяется емкостями эмиттерного и коллекторного переходов, в области нижних частот — емкостью разделительных и блокировочных конденсаторов. Чтобы расширить частотный диапазон в сторону верхних частот, либо уменьшают сопротивления на входе и выходе резистивного каскада» либо выбирают более высокочастотный транзистор. Диапазон усиливаемых частот может простираться до 100 кГц и более, что приводит к исчезающе малым линейным искажениям. Однако без специальных мер это обстоятельство приводит к таким нежелательным явлениям, как усиление низкочастотных помех (20... 100 кГц), создаваемых промышленными установками, генерация на высоких частотах, усиление остаточных напряжений ПЧ с детектора приемника и т. д. Появляются нелинейные искажения, вызываемые интерференцией звуковых и поднесущих частот при работе с тюнером или приемником.
Для борьбы с этими явлениями на входе усилителя включают специальные низкочастотные и высокочастотные фильтры. Этим обеспечивается эффективное подавление составляющих фона, шумов и паразитных сигналов в той части диапазона, где отсутствуют составляющие полезного сигнала. Оптимальная крутизна спада у таких фильтров — 12 дБ на октаву. Фильтры часто делают переключаемыми, что позволяет выбирать ширину воспроизводимых частот в соответствии с качеством музыкальной программы. Искусственно ограничивать полосы отдельных ФУ, особенно усилителей мощности, нецелесообразно, так как это приведет к увеличению линейных искажений, особенно фазо-частотныя и переходных.
Фазовые искажения являются результатом вносимых усилителем фазовых сдвигов между различными частотными компонентами сложного звукового сигнала, вследствие чего искажается его форма. В качестве примера рассмотрим гармонический сигнал, состоящий из основной и третьей гармоник (рис. 5, а). Если в результате прохождения через усилитель третья гармоника получит сдвиг на 90° по отношению к первой, то, как видно из рис. 5,6, форма сигнала изменится. Если же и первая гармоника будет иметь сдвиг фазы 30° (рио. 5, в), то сигнал только сдвинется во времени, но форма его не изменится.
Фазо-частотные искажения будут отсутствовать, когда усилитель на всех частотах полосы пропускания не вносит фазовых сдвигов и если фазовый сдвиг, вносимый усилителем, пропорционален частоте сигнала.
^ Рис. 5. Искажения формы сложного сигнала при сдвиге фазы одной из его составляющих
Фазовые искажения в усилителе оценивают по фазо-частотной характеристике (ФЧХ). Эта характеристика представляет собой зависимость фазового сдвига Дф выходного напряжения (тока) относительно входного от частоты при действии на входе усилителя синусоидального сигнала.
Типичная ФЧХ усилителя изображена на рис. 6 непрерывной линией. При ДФ>0 выходное напряжение опережает входное, при Дф<0 — отстает. Не создающая искажений форма сигнала ФЧХ представляет собой линейную зависимость фазового сдвига от частоты:
ДФ(f)= — 2пt3(f — f0),
где ta — групповое время запаздывания.
Групповое время запаздывания представляет собой производную по частоте ФЧХ, т. е. t3=dф>(t)/(2пdf). При линейной ФЧХ все спектральные составляющие входного сигнала запаздывают на одинаковое время ta, что не вызывает искажения формы сигнала. Если ФЧХ нелинейна, то различные спектральные составляющие входного сигнала будут запаздывать на различное время, форма выходного сигнала исказится, верность воспроизведения музыкального произведения нарушится.
Количественной оценкой фазовых искажений служит нелинейность ФЧХ реального усилителя, равная разности между реальной ФЧХ усилителя и аппроксимирующей ее линейной функцией в рабочем диапазоне частот. Аппроксимировать ФЧХ удобнее ломаной линией, образованной прямолинейными отрезками (на рис. 6 отмечены цифрами 1, 2, 3).
Принято считать, что в широком диапазоне звуков человеческое ухо не реагирует на изменение фазовых соотношений между отдельными гармоническими составляющими спектра сигнала. Отчасти это верно при монофоническом воспроизведении. Однако в высококачественных стереофонических и особенно в квадрафонических системах фазо-частотные искажения существенно влияют на верность воспроизведения музыкальной программы, поэтому эти искажения должны быть нормированы. Следует отметить, что в активных псевдоквадрафонических системах эффект объемности звукового образа достигается формированием специальных фазовых характеристик усилителей тыловых каналов.
^ Рис. 6. Фазо-частотная характеристика усилителя ЗЧ
По абсолютному значению фазовых сдвигов на низшей Дфн и высшей Дфв частотах судят об устойчивости усилителей с глубокой обратной связью. В высококачественных усилителях звуковоспроизведения фазовые искажения бф в рабочем диапазоне частот не должны превышать 4... 5°. Расчеты показывают, чтобы нелинейность фазовой характеристики в пределах рабочего диапазона была меньше 2°, полосу пропускания усилителя нужно расширить в обе стороны в 2,5 раза, т. е. для усилителей высококачественного звуковоспроизведения, имеющих исчезающе малые фазовые искажения, полоса пропускания должна быть 8... 50 000 Гц.
Как отмечалось, реальный звуковой сигнал имеет сложную импульсную форму. В высококачественных усилителях требуется высокая верность сохранения формы входного сигнала. Изменение формы сигнала на выходе усилителя зависит как от амплитудно-частотных, так и фазо-частотных искажений. Ожидаемое изменение формы сигнала может быть легко определено анализом переходных процессов в цепях усилителя, обусловленных наличием реактивных элементов. Поэтому для количественной оценки искажений из-за переходных процессов, приводящих к изменению формы сигнала, удобно проанализировать переходную характеристику (ПХ) усилителя.
Переходная характеристика есть реакция h(t) усилителя на воздействие единичной функции 1 (t) (рис. 7) и представляет собой зависимость мгновенного значения выходного напряжения усилителя uвых(t) от времени при скачкообразном изменении напряжения на входе усилителя. Переходные искажения оцениваются искажениями фронта и плоской вершины импульса. Обычно в усилителях 34 искажения плоской вершины импульса можно не исследовать, так как они связаны с искажениями в низкочастотном участке сигнала, которые легко проанализировать по АЧХ усилителя. Искажения фронта импульса оценивают по его длительности tф и выбросу бф (см. рис. 7). Они приводят к динамическим искажениям, которые проявляются в виде завала фронта резких перепадов уровня реального музыкального сигнала и кратковременного возрастания нелинейных искажений в этот момент из-за запаздывания сигнала отрицательной обратной связи (ООС). Для уменьшения динамических искажений обычно повышают быстродействие усилителя и уменьшают глубину ООС.
^ Рис. 7. Переходная характеристика усилителя ЗЧ
Быстродействие усилителя можно^ 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.
^ Рис. 12. Принципиальная схема цифрового селектора входных сигналов на интегральных аналоговых коммутаторах
Для устранения дребезга контактов SB1 — ^ SB4 используется цепь, состоящая из резистора R6, конденсатора С1 и микросхемы DD7. Светодиоды НЫ — HL4 индицируют, какой из четырех каналов включен. Число каналов при желании может быть увеличено. В качестве исполнительного устройства используются реле РЭС55А (паспорт РС4.569.600-02), подключенные к прямым выходам триггеров через инвертирующий усилитель на микросхемах DD8, DD9. Если его выполнить на дискретных элементах (например, на транзисторе КТ315), то можно будет использовать реле других типов, например РЭС10, РЭС15, РЭС22. Вместо двух микросхем К155ТМ2 можно использовать одну К155ТМ8, содержащую четыре D-триггера.
Для нормальной работы селектора в цепь питания микросхем включены конденсаторы С4 — С7 (КМ-5, К.М-6) емкостью 0,022 ... 0,047 мк (по одному на каждые две из них).
^ Рис. 13. Принципиальная схема цифрового селектора входных сигналов на муль-типлексерах КМОП структуры
Цифровой селектор входных сигналов на интегральных аналоговых коммутаторах. На базе цифровых микросхем МОП-структуры оказалось возможным изготовить не только узел управления селектором, но и переключатель аналоговых сигналов, например на микросхеме К176КТ1. На рис. 12 приведена схема одного канала селектора входных сигналов на аналоговых коммутаторах. Он имеет следующие основные технические характеристики:
Число положений............ 4
Максимальная амплитуда коммутируемого сигнала . . 4,5 В
Полоса частот . . .......... 20... 30 000 Гц
Коэффициент гармоник в полосе частот 20 Гц... 20 кГц 0,2%
Напряжение питания........... -9В
Микросхема К176КТ1 содержит четыре аналоговых ключа DD2.1 — DD2.4, каждый из которых содержит аналоговый вход А, выход и вход С цифрового управления. Аналоговый сигнал можно подавать в любую сторону, т. е. как с входа на выход, так и с выхода на вход.
Ключ имеет два рабочих положения, зависящих от уровня уп
еще рефераты
Еще работы по разное
Реферат по разное
Ния беспоисковой и бесподстроечной двусторонней симплексной радиотелефонной связи подвижных объектов с соответствующими стационарными 52ртс-а2-чм, 53ртс-а2-чм
18 Сентября 2013
Реферат по разное
Комплекс по дисциплине Чебоксары 2007
18 Сентября 2013
Реферат по разное
Общая экология и. В. Змитрович Растительные эпифеномены и их экоморфологическая сущность
18 Сентября 2013
Реферат по разное
Тип хордовых это самостоятельная ветвь животного мира, рано отделившаяся от общего ствола
18 Сентября 2013