Усилитель низкой частоты для наушников

Техника усиления электрических сигналов. Применение усилителей низкой частоты для усиления сигналов, несущих звуковую информацию, и их классификация. Функциональная схема усилителя, его основные технические характеристики и выбор элементной базы.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Введение

За последние 100 лет, значительные изменения во многих областях науки и техники обусловлены быстрым развитием электроники. На сегодняшний день невозможно найти какую-либо отрасль промышленности, в которой не использовались бы электронные приборы или электронные устройства измерительной техники, автоматики, а тем более вычислительной техники. Это связано с многочисленными положительными качествами электронных устройств, такими как: быстродействие, надёжность, помехоустойчивость, а в некоторых случаях и незаменимость. Например, надёжная работа ядерного реактора невозможна была бы без применения вычислительных машин и множества разнообразных датчиков, так как контроль за процессом размножения нейтронов должен быть очень высоким - нельзя допускать превышение этого коэффициента даже на сотые доли процента. Такую точность может обеспечить только автоматика.

В большинстве электронных приборов и устройств необходимо обеспечить усиление электрических сигналов ввиду естественных потерь рассеивания энергии. Усиление представляет собой процесс преобразования энергии внешнего источника под воздействием на него управляющего (усиливаемого) сигнала. Для этих целей используются устройства, называемые усилителями.

Усилитель предназначен для увеличения мощности, напряжения или тока сигнала, подведённого к его входу. Выходной сигнал должен либо соответствовать входному, либо отличаться от него в определённых заданных пределах. В качестве источника сигнала может использоваться любой преобразователь какого-либо вида энергии в электрические колебания, например микрофон, магнитная головка, звукосниматель, датчик, радиотехническое устройство.

Техника усиления электрических сигналов непрерывно развивается и совершенствуется. Это связано в первую очередь с развитием и совершенствованием радиоэлектроники и технологий, разработки принципиально новых усилительных приборов. Появление новых полупроводниковых приборов и технологических процессов позволило объединить множество транзисторов, диодов, резисторов в одно устройство - интегральную микросхему - ИС.

При развитии линейных ИС значительно расширились возможности использования усилительных устройств. Применяя в качестве усилительного устройства ИС, можно решать ряд задач, связанных с аналоговой обработкой сигналов. Наряду с этим не утратили актуальность и многие проблемы проектирования усилителей на дискретных элементах, где в основе усилительного прибора используют транзистор.

Умение проектировать усилители на таких транзисторах позволяет решать многие схемотехнические задачи, возникающие при проектировании самих ИС.

1 Усилители

1.1 Основные параметры усилителей

Усилитель мощности звука низких частот (УНЧ) - прибор (электронный усилитель) для усиления электрических колебаний, соответствующих слышимому человеком звуковому диапазону частот.

Усилители низкой частоты наиболее широко применяются для усиления сигналов, несущих звуковую информацию, в этих случаях они называются, также, усилителями звуковой частоты, кроме этого УНЧ используются для усиления информационного сигнала в различных сферах: измерительной технике и дефектоскопии; автоматике, телемеханике и аналоговой вычислительной технике; в других отраслях электроники. Усилитель звуковых частот обычно состоит из предварительного усилителя и усилителя мощности (УМ). Предварительный усилитель предназначен для повышения мощности и напряжения и доведения их до величин, нужных для работы оконечного усилителя мощности, зачастую включает в себя регуляторы громкости, тембра или эквалайзер, иногда может быть конструктивно выполнен как отдельное устройство. Усилитель мощности должен отдавать в цепь нагрузки (потребителя) заданную мощность электрических колебаний. Его нагрузкой могут являться излучатели звука: акустические системы (колонки), наушники (головные телефоны); радиотрансляционная сеть или модулятор радиопередатчика. Усилитель низких частот является неотъемлемой частью всей звуковоспроизводящей, звукозаписывающей и радиотранслирующей аппаратуры.

Tаким образом к таким усилителям предъявляется требование усиления в диапазоне частот от 20 до 20 000 Гц по уровню -3 дБ, лучшие образцы УЗЧ имеют диапазон от 0 Гц до 200 кГц, простейшие УЗЧ имеют более узкий диапазон воспроизводимых частот.

1.2 Классификация усилителей

Основные признаки классификации усилителей:

- характер входного сигнала;

- назначение;

- режим работы нелинейного активного элемента;

- тип активного элемента;

- полоса усиливаемых частот;

По характеру усиливаемых сигналов различают:

- усилители непрерывных сигналов;

Здесь пренебрегают процессами установления. Основная характеристика - частотная передаточная.

- усилители импульсных сигналов;

Входной сигнал изменяется настолько быстро, что переходные процессы в усилителе являются определяющими при нахождении формы сигнала на выходе. Основной характеристикой является импульсная передаточная характеристика усилителя.

По назначению усилителя делятся на:

- усилители напряжения;

- усилители тока;

- усилители мощности;

Все они усиливают мощность входного сигнала. Однако собственно усилители мощности должны и способны отдать в нагрузку заданную мощность при высоком коэффициенте полезного действия.

С точки зрения выбора режима работы активного элемента различают:

- Режим слабого сигнала. Нелинейный активный элемент работает в квазилинейном режиме;

Применяется в усилителях напряжения или тока.

- Режим большого сигнала;

Применяется в усилителях мощности.

По типу используемых активных элементов усилители делятсяна:

- ламповые;

- транзисторные;

- диодные;

- параметрические;

- СВЧ-усилители, работающие с помощью специальных СВЧ-приборов;

В зависимости от вида частотной передаточной характеристики усилителя и абсолютным значениям полосы частот различают:

- усилители постоянного тока (УПТ);

Такое название обусловлено тем, что они способны усиливать очень медленные изменения сигналов (в том числе постоянные), т.е. рабочая полоса частот начинается от нулевой частоты до некоторой верхней граничной частоты. Величина верхней граничной частоты f_в зависит от вида усиливаемых сигналов. Так, если УПТ используется в канале изображения телевизионной системы, то частота f_в составляет 6 - 6,5 МГц, т.е. УПТ это, как правило, широкополосный усилитель.

- усилители низкой частоты (усилители звуковой частоты);

Название условное, оно подчеркивает, что нижняя граничная частота лежит в области низких частот, несоизмеримо ниже верхней граничной частоты. Само значение верхней граничной частоты может быть разным: от единиц-десятков КГц до сотен МГц.

- усилители радиочастоты (полосовые усилители, усилители высокой частоты, избирательные усилители);

1.3 Примеры схем усилителей низкой частоты

В настоящее время состав элементной базы позволяет собирать высококачественные усилители, используя крайне малое количество элементов, поскольку существуют микросхемы позволяющие создавать усилители для различных областей применения. В данных примерах мы будем рассматривать микросхемы серии TDA, которые получили свою известность, начиная с 1995 г.

Рассмотрим усилители мощность которых составляет 3 - 12 Вт.

1) Усилитель на интегральной микросхеме TDA2021 [2]

Основные характеристики усилителя:

Напряжения питания от 3,7 до 12 В

Потребляемый ток (Vin=0) 90 мА макс.

Выходная мощность 1 Вт тип. при 9В, 4 Ом и d = 0.05%

Выходная мощность 0,5 Вт тип. при 3,7В, 4 Ом и d = 0.5%

Номинальный частотный диапазон 20 - 80000 Гц

Схема усилителя принципиальная представлена на рисунке 1.1 [3]:

Рисунок 1.1 - Функциональная схема усилителя на ИМ TDA2021

2) Микросхема TDA3454 представляет собой УНЧ класса А.

Основные характеристики усилителя:

Напряжения питания от 5 до 14 В

Потребляемый ток (Vin=0) 12 мА макс.

Выходная мощность 0,3 Вт тип. при 5 В, 4 Ом и d = 0.002%

Выходная мощность 0,5 Вт тип. при 14В, 8 Ом и d = 0.5%

Номинальный частотный диапазон 20 - 80000 Гц

Схема усилителя принципиальная представлена на рисунке 1.2 [4]:

Рисунок 1.2 - Функциональная схема усилителя на ИМ TDА3454

2) Микросхема TDA 2343 представляет собой УНЧ класса АВ.

Основные характеристики усилителя:

Напряжения питания от 5 до 12 В

Потребляемый ток (Vin=0) 19...