Galingo Garso Stiprintuvo Amplitudės-Dažninės Charakteristikos Tyrimas
Šiame straipsnyje nagrinėjama galingo garso stiprintuvo, sukurto remiantis ankstesniame darbe [1] aprašytu dizainu, amplitudės-dažninės charakteristikos tyrimas. Ypatingas dėmesys skiriamas skirtingų kaskadų, tokių kaip operacinio stiprintuvo pagrindinis stiprinimas, priešpaskutinė tranzistorių kaskada ir galinė kaskada su žemų dažnių filtru, veikimui, siekiant suprasti jų įtaką bendrai stiprintuvo veikimo kokybei ir dažninėms savybėms. Analizuojamas stiprintuvo konstrukcijos, komponentų pasirinkimo ir įdiegtų sprendimų, skirtų sumažinti iškraipymus ir užtikrinti stabilumą, poveikis.
Pagrindinis Stiprinimas ir Priešpaskutinė Kaskada
Pagrindinį įtampos stiprinimą šioje galingo garso stiprintuvo schemoje užtikrina spartaus veikimo operaciniame stiprintuve DA1 sukonstruota kaskada. Tai yra esminis etapas, kuris parenka ir padidina silpną įeinantį signalą prieš jį perduodant į tolimesnes, didesnės galios kaskadas.
Priešpaskutinė kaskada, surinkta iš tranzistorių VT1-VT4, yra itin svarbi visos sistemos veikimui. Jai ruošiantis, buvo skiriamas ypatingas dėmesys, siekiant sumažinti nelinijinius iškraipymus. Tam tikslui pasirinktas AB režimas, pasižymintis gana didele rimties srove - apie 20 mA. Šis režimas yra kompromisas tarp A klasės, užtikrinančios minimalius iškraipymus, bet mažo naudingumo koeficiento, ir B klasės, kurios naudingumo koeficientas didesnis, bet atsiranda didesni iškraipymai dėl "nulinio taško" efekto. AB režimas leidžia tranzistoriams būti aktyviems net ir esant silpniems signalams, taip sumažinant "laiptelių" tipo iškraipymus.
Temperatūrinis stabilumas šioje kaskadoje pasiektas į tranzistorių VT3, VT4 kolektorių grandines įjungus palyginti didelės varžos rezistorius R19, R20. Šie rezistoriai padeda palaikyti pastovią srovę per tranzistorius, net ir keičiantis aplinkos temperatūrai. Tačiau svarbu pažymėti, kad be 100 %-inio atgalinio neigiamo ryšio, priešpaskutinėje kaskadoje, keičiantis jos temperatūriniam režimui, galimi rimties srovės svyravimai 15…25 mA ribose. Šie svyravimai yra visiškai leistini, kadangi neperžengia stiprintuvo eksploatacinio patikimumo ribų ir neturėtų ženkliai pabloginti garso kokybės.
Dėl galimo tranzistorių VT1, VT2 bazė-emiteris įtampos nestabilumo, kompensacijos tikslu į jų bazių grandines įjungti diodai VD3-VD5. Šie diodai, turintys panašią įtampos-srovės charakteristiką kaip ir tranzistorių emiteriniai perėjimai, kompensuoja temperatūrinius pokyčius, užtikrinant stabilesnį darbą.
Kiekvienas priešpaskutinės kaskados petys yra apimtas ne mažiau kaip 20 dB gylio vietinio atgalinio neigiamo ryšio grandine. Atgalinio neigiamo ryšio įtampa nusiima nuo tranzistorių VT3, VT4 kolektorių apkrovų ir per daliklius R11R14 bei R12R15 pasiduoda į tranzistorių VT1, VT2 emiterių grandines. Toks vietinis grįžtamasis ryšys padeda sumažinti iškraipymus ir pagerinti stabilumą pačioje kaskadoje. Dažninė korekcija ir pastovumas atgalinio neigiamo ryšio grandinėje užtikrinami kondensatoriais C10, C11. Šie komponentai yra svarbūs norint išlaikyti lygią amplitudės-dažninę charakteristiką plačiame dažnių diapazone.
Rezistoriai R13, R16 ir R19, R20 atlieka svarbią apsauginę funkciją. Jie apriboja priešpaskutinės ir galinės stiprintuvo kaskadų maksimalias sroves esant apkrovos trumpajam jungimui. Tai apsaugo jautrius puslaidininkinius komponentus nuo pažeidimų ekstremaliose situacijose.
Galinė Kaskada ir Iškraipymų Mažinimas
Diodas VD6, įjungtas tarp tranzistorių VT5, VT6 bazių, yra svarbus elementas, skirtas sumažinti "laiptelių" tipo iškraipymus galinėje kaskadoje. Kai į jį paduodama įtampa (apie 0,75 V), susiaurėja įtampos intervalas tranzistorių emiteriniuose perėjimuose, kuriems esant jie yra uždaryti. Tai reiškia, kad tranzistoriai pradeda laidumo būseną pereiti esant mažesnei signalo amplitudei, užtikrinant jų atidarymą net esant silpniems signalams ir patikimesnį uždarymą nesant signalo. Esant mažiems signalams, į apkrovą teka priešpaskutinės kaskados srovė, patenkanti per rezistorių R21. Tai užtikrina, kad net ir minimalūs signalai yra tinkamai perduodami į išėjimo kaskadą.
Į galinės kaskados išėjimą pajungtas žemų dažnių filtras L1C14R23. Jo paskirtis - sumažinti staigių signalo pliaukštelėjimų (apie 1 μs ilgumo) amplitudę išėjimo kaskados tranzistorių perjungimo momentu. Šie pliaukštelėjimai, dar vadinami "glitchais", gali atsirasti dėl tranzistorių greito perjungimo ir gali sukelti nepageidaujamus trukdžius. Filtravimas taip pat padeda pašalinti galimos svyravimo procesus galinėje kaskadoje, užtikrinant stabilesnį ir švaresnį išėjimo signalą.
Bendras Atgalinis Neigiamas Ryšys ir Dažninė Korekcija
Didelio harmonikos koeficiento sumažinimo pasiekimui panaudotas bendras, gilus (ne mažiau kaip 70 dB) atgalinis neigiamas ryšys. Šio grįžtamojo ryšio įtampa nusiima nuo stiprintuvo išėjimo ir per daliklį C3-C5R3R4 pasiduoda į invertuojantį operacinio stiprintuvo DA1 įėjimą. Toks gilus grįžtamasis ryšys yra vienas efektyviausių būdų sumažinti iškraipymus ir pagerinti stiprintuvo stabilumą bei dažninę charakteristiką.
Kondensatorius C5 atlieka svarbią funkciją koreguojant stiprintuvo amplitudės-dažninę charakteristiką atgalinio neigimo ryšio grandinėje. Jis padeda išlyginti dažninę charakteristiką ir užkirsti kelią galimiems virpesiams ar nestabilumui platesniame dažnių diapazone.
Griežta pastovios išėjimo įtampos stabilizacija ne daugiau kaip ±20 mV lygyje pasiekta pritaikius stiprintuve 100 %-inį atgalinį neigiamą ryšį pagal pastovią srovę. Tai reiškia, kad net ir be signalo, išėjimo įtampa išlieka labai stabili, kas yra svarbu aukštos kokybės garso atkūrimui.
Stiprintuvo įėjime įjungta grandinė R1C1 apriboja jo dažnių pralaidumo ruožą iki 160 kHz. Toks apribojimas gali būti naudingas siekiant sumažinti aukšto dažnio triukšmą, kuris gali neigiamai paveikti garso kokybę, arba siekiant optimizuoti stiprintuvo veikimą konkrečiame dažnių diapazone.
Paaiškino, ką reiškia Lietuvos pirmininkavimas ES: sritys, kuriomis galime pasigirti
Maitinimas ir Fizinė Konstrukcija
Šis stiprintuvas pasižymi lankstumu maitinimo atžvilgiu. Jis gali maitintis tiek nuo stabilizuoto, tiek nuo nestabilizuoto maitinimo šaltinio. Be to, jo darbingumas išsilaiko net mažėjant maitinimo įtampai iki ±25 V. Žinoma, tokiu atveju atitinkamai mažėja ir išėjimo galia. Šis bruožas leidžia naudoti stiprintuvą įvairiose situacijose, net ir ten, kur maitinimo šaltinio stabilumas nėra idealus.
Stiprintuvas surinktas ant plokštės, pagamintos iš folguoto 2 mm storio stiklotekstolito. Tai standartinė ir patikima medžiaga elektroninių schemų gamybai. Jungtis su išorinėmis grandinėmis atliekama naudojant lizdą MPH32-1.
Siekiant užtikrinti tinkamą temperatūros valdymą, tranzistoriai VT3, VT4 aprūpinti aušintuvais. Šie aušintuvai sulenkti iš 1 mm storio lakštinio aliuminio skardos ir sustatyti plokštėje. Galinės kaskados tranzistoriai VT5, VT6 pritvirtinti už plokštės ant radiatorių, kurių kiekvieno aušinantis paviršiaus plotas siekia 400 cm². Toks didelis aušinimo paviršiaus plotas yra būtinas, siekiant išsklaidyti šilumą, generuojamą galinės kaskados tranzistorių, dirbant aukštos galios režimu, ir taip užtikrinti jų ilgalaikį ir patikimą veikimą.
Stiprintuve naudojami įvairūs komponentai, atitinkantys aukštus kokybės reikalavimus. Rezistoriai yra МЛТ tipo, o kondensatoriai - K73-17 (C1), KM (C2, C8-C11), K53-1 (C3, C4, C6, C7), KД (C5), MБM (C14) ir K73-16B (C12, C13). Toks detalių pasirinkimas prisideda prie bendro stiprintuvo patikimumo ir ilgaamžiškumo.
Svarbu pažymėti, kad stiprintuvas, surinktas iš nesugedusių detalių, beveik nereikalauja derinimo. Tai rodo kruopštų dizainą ir komponentų parinkimą, taupant naudotojo laiką ir pastangas.
Harmonikos koeficientas buvo matuojamas 20…20000 Hz dažnių ruože, naudojant kompensacinį metodą [2]. Tai standartinis ir patikimas metodas, leidžiantis tiksliai įvertinti signalo iškraipymus.
Amplitudės-Dažninės Charakteristikos Matavimai ir Tyrimas
Darbo metu buvo atliekami žemo ir aukšto dažnio filtrų amplitudės ir fazės charakteristikų tyrimai. Siekiant suprasti šių filtrų veikimą, buvo nubraižyta perdavimo koeficiento dažninė charakteristika.
Žemo dažnio filtras pasižymi tuo, kad jo amplitudės-dažninė charakteristika pradeda kristi dažniams pasiekus maždaug 2 kHz. Tai reiškia, kad filtras efektyviai slopina žemesnius nei 2 kHz dažnius, leidžiantis praeiti aukštesniems dažniams. Toks filtras dažnai naudojamas pašalinti nepageidaujamą žemo dažnio triukšmą ar švilpimą.
Aukšto dažnio filtras veikia priešingai. Jo amplitudės-dažninė charakteristika ties 100-200 Hz kyla, o vėliau, didėjant dažniui, pradeda kristi. Tai rodo, kad filtras praleidžia aukštesnius nei tam tikra riba dažnius, tuo tarpu slopina žemesnius. Toks filtras gali būti naudojamas pašalinti žemo dažnio trukdžius, pavyzdžiui, tinklo pulsacijas, arba siekiant suformuoti specifinę garso spektro dalį.
Konkrečiai, atlikus eksperimentus su sinusiniu signalu 10 Hz - 100 kHz dažnių juostoje, buvo matuojamas filtro perdavimo koeficientas K=Uiš/Uin ir apskaičiuojama fazės dažninė charakteristika. Šie matavimai leidžia tiksliai apibrėžti filtro veikimo ribas ir jo įtaką signalo amplitudės bei fazės pokyčiams skirtinguose dažniuose.
Šie tyrimai yra esminiai suprantant bendrą stiprintuvo veikimo principą ir jo gebėjimą atkurti garsą su minimaliais iškraipymais. Atsižvelgiant į tai, kad stiprintuvas sukurtas garso dažnių galios stiprintuvui, jo amplitudės-dažninė charakteristika yra vienas svarbiausių rodiklių, lemiančių garso kokybę.
tags: #filtro #amplitudine #daznine #charakteristika
