Смысл и понятие дифференциального усилителя.

- дифференциальный (операционный) усилитель.

· V₊ - не инвертирующий вход

· V_- - инвертирующий вход

· V_out - выход

· V_S+ - плюс напряжения питания

· V_S- - минус напряжения питания

 

В общих словах, дифференциальный (операционный) усилитель - слаботочное устройство, усилитель сигнала с коэффициентом усиления по напряжению К, который имеет положительный (не инвертирующий) и отрицательный (инвертирующий) вход. Усиливает разность между + и – входами. Является самым распространенным активным элементом в схемотехнике аудио устройств.

 

Симметричные линии передачи сигналов.

В симметричных линиях (часто называют балансными) передача сигнала осуществляется по двум проводникам («плюс» и «минус»), а экран играет роль общего провода. По плюсовому проводнику (по- английски hot) передается сигнал в одной фазе с исходным, а по минусовому проводнику (по-английски cold) передается зеркальный сигнал, перевернутый по фазе на 180°,то есть по двум проводникам передается сигнал в противофазе относительно общего провода. Амплитуда сигнала представляет собой разность амплитуд сигнала на двух проводниках.

 

Принцип подавления синфазной помехи на симметричном входе: помеха наводится одновременно на + и - проводнике длинной линии и, поскольку приходит в фазе на + и - входы симметричного (балансного) входа, она взаимоуничтожается. При симметричном выходе источника и входа приемника экран является не "сигналонесущим", и может быть отключён, но, чтобы выполнить дополнительную защиту от электромагнитных помех его заземляют. Подключение экрана с обоих сторон соединительного кабеля при балансном входе-выходе выполняется только для унификации коммутационных кабелей.

 

 

Например (рисунок), если на одном проводнике амплитуда равна 0,5 В, а на другом -0,5 В, то результирующая амплитуда будет равна 0,5 В — (-0,5 В) = 1В. Такой вид передачи сигнала устойчив к наведенным помехам, так как сигнал помехи наводится на оба проводника в одной фазе и взаимно компенсируется на входах дифференциального усилителя: 0,12 — 0,12 = 0

 

Симметрирование линии передачи сигналов можно реализовать с помощью звуковых трансформаторов. К плюсам такого метода относится полная гальваническая развязка источника и приемника сигнала.

Усилители мощности.

Усилители мощности (оконечные усилители) предназначены для увеличения мощности звуковых сигналов до такого уровня, чтобы они могли возбуждать мембраны (диффузоры) громкоговорителей.

Принцип работы усилителя состоит в том, что они преобразуют подводимую к ним от источника питания мощность (напряжение питания) в переменный ток в нагрузке, причем форма сигнала на выходе полностью повторяет сигнал на входе. Выходной каскад усилителя мощности является усилителем тока и согласует предварительные каскады (усилители напряжения) с низкоомной нагрузкой громкоговорителя акустической системы. Основные характеристики выходного каскада - его выходная мощность, которая ограничивается, главным образом, возможностями источника питания (способностью отдавать большой ток без снижения выходного напряжения) и коэффициент усиления.

Именно от величины коэффициента усиления зависит на сколько "громко" усилитель будет звучать с той или иной акустической системой, при одинаковом входном сигнале.

Мощность усилителя (максимальная выходная мощность) показывает лишь то, сколько энергии он может отдать без искажений и ограничения (лимитирования) в акустическую систему с определенным сопротивлением.

В случае «идеального» усилителя коэффициент усиления может быть любым, сколько угодно большим.

На практике выходное напряжение и выходной ток реального усилителя мощности ограничены напряжением питания выходных каскадов и их схемотехникой.

При достижения амплитудных значений выходного тока или выходного напряжения происходит жесткое ограничение амплитуды. На примере синусоидального сигнала: в режиме «Clip» синус превращается в прямоугольник. Резко возрастает RMS уровень сигнала и количество гармоник, что может вывести акустическую систему из строя («жесткое клиппование»).

 

Для обеспечения защиты от таких «экстремальных» случаев в большинство усилителей мощности встроено устройство Лимитер (Clip Limiter). Это устройство снижает общий уровень сигнала (уменьшает коэффициент усиления) в момент «клипа» так, что бы выходные амплитудные значения напряжения и тока не выходили за предельные значения, снижая выходную мощность («мягкое клиппование»)

Но, даже при наличии и срабатывании Лимитера, форма выходного сигнала несколько искажается, появляются лишние гармоники и искажения.

Максимальная выходная мощность в техническом паспорте усилителя, как правило, указана как среднеквадратичное RMS значение выходной мощности. К примеру: если в техническом паспорте на усилитель указано значение выходной мощности, допустим, 300 Вт на сопротивлении нагрузки 4 Ом и указан метод измерения этой мощности (допустим на 1 кГц при искажении формы (коэффициент гармоник) 0,5% THD), то пиковые значения выходной мощности (мгновенные амплитудные значения) для данного электрического сопротивления нагрузки будут достигать 600 Вт, так как пик-фактор синусоидального тестового сигнала равен 3 дБ (два раза по мощности, 1,41 по напряжению).

Следует понимать, что каждый усилитель не является идеальным устройством, передающим и преобразующим энергию. При работе некоторая часть мощности рассеивается и переходит в тепло.

Мощность рассеивания - это мощность потерь в выходном каскаде, превращающаяся в тепло и нагревающая выходные транзисторы. Существует такой параметр, как КПД (коэффициент полезного действия). Величина мощности рассеяния и КПД зависят от класса работы усилителя и уровня сигнала.

потребляемая мощность = выходная мощность + мощность рассеивания

При подаче напряжения питания на усилитель, в отсутствии сигнала на входе, все равно происходит некоторое потребление электроэнергии, которое характеризуется как Ток Холостого Хода.

В усилителях мощности с трансформаторными блоками питания начальные броски тока при включении могут в десятки раз превышать ток холостого хода.

При появлении полезного сигнала на входе, усилитель начинает свою работу (увеличивать отдаваемую мощность пропорционально входному сигналу умноженному на коэффициент усиления) и соответственно начинает потреблять больше энергии от сети питания. Это потребление не является постоянной величиной.

Это не лампочка или утюг, который имеет резистивную (активную) нагрузку и потребляет постоянно с течением времени одну и ту же мощность.

Мощность усилителя, которую он потребляет, пропорционально зависит от параметров входного сигнала (формы, амплитуды). Некоторое усреднение тока потребления происходит на электролитических конденсаторах большой емкости, которые установлены во вторичные цепи блоков питания усилителей (по постоянному напряжению). В моменты всплесков входного сигнала (например, удар большого барабана) они как бы играют роль дополнительного источника питания на пиках мощности. Но, накопленная в них энергия не безгранична.

Таким образом, если вспомнить о том, что кабель питания имеет погонное сопротивление по всей своей длине, и при протекании тока на нем образуется падение напряжения, нужно понять, что напряжение питания на распределительном устройстве звукового комплекса (силовой дистрибьютор) модулируется музыкальным сигналом, который мы воспроизводим. И при недостаточном сечении вводного кабеля (большое значение его сопротивления) эта модуляция может достигать десятки вольт.

Соответственно, например при ударе большого барабана, в моменты просадки напряжения питания (поданное напряжение минус падение напряжения на кабеле) мощность усилителей падает. Мы получаем своего рода компрессор (устройство, понижающее динамический диапазон), что негативно отображается на динамическом характере звучания звукового комплекса в целом.

Хотя, современные усилители мощности имеют многоступенчатую защиту, короткое замыкание на выходе может повлечь за собой выход прибора из строя. Следует следить за состоянием кабелей коммутации и не допускать КЗ (короткого замыкания).

Помните, что использование акустических систем (АС) с импедансом меньше рекомендованного может вывести усилитель из строя, а с большим - не принесет вреда, но выходная мощность пропорционально снизится.

Но это не линейная пропорция:

Например: у усилителя максимальная выходная мощность на нагрузку 4Ом равна 1000Вт.

По Закону Ома вроде бы на нагрузку в 2Ома максимальная мощность должна быть 2000Вт., а на нагрузку 8Ом - 500Вт…. Но эти утверждения ошибочны.