Struktura

Nízkofrekvenční zesilovače

Nízkofrekvenční zesilovače

Zesilovač je elektronické zařízení, které je schopno transformací elektrické energie z vnějšího napájecího zdroje měnit parametry vstupního signálu. Z hlediska elektroniky bývá považován za aktivní dvojbran (nelineární), který je tvořen zesilovacím prvkem a pomocnými obvody zajišťující nastavení a stabilizaci pracovního bodu.

Obvykle zesilovač slouží především k zesílení amplitudy signálu, nebo jeho úrovně (u stejnosměrných zesilovačů), na požadovanou hodnotu. Používá se ale i v zapojeních, kde je potřeba změnit tvar signálu.

Zesílením rozumíme proces, kdy je analogovému nebo diskrétnímu signálu zvětšena amplituda. Zařízení, které signály zesiluje, se nazývá zesilovač.

V elektrotechnice jsou nejčastěji zesilovány napěťové, proudové a optické signály. Mluvíme pak o zesilovačích napětí, proudu a o optických zesilovačích.

Nízkofrekvenční signály jsou zpracovávány nízkofrekvenčními (nf) zesilovači, které nejčastěji nalezneme v oblasti audiotechniky.

Zesilovat můžeme také výkon signálu. K tomu slouží tzv. výkonové zesilovače. Ty jsou nejčastěji tzv. koncovým prvkem a za nimi následují reproduktor (u nf. signálů), anténa (u vf. signálů) nebo další prvky, které je nutné budit dostatečným výkonem.

Zesilovač ke své práci potřebuje zdroj pro napájení aktivních prvků.

 

Základní parametry zesilovače

Zesílení

Je poměrová veličina a je definováno jako podíl výstupní a vstupní veličiny.

  • Napěťové zesílení

Napěťové zesílení Au je poměr hodnot výstupního (U2) a vstupního (U1) střídavého napětí zesilovače. Častěji se počítá se změnou hodnoty napětí (ΔU), případně proudu (ΔI). Potom změně vstupního napětí (ΔU1) odpovídá změna výstupního napětí (ΔU2).
Napěťové zesílení bývá obvykle udáváno a měřeno jako zesílení otevřené smyčky. Pokud zesilovač obsahuje vnitřní zpětné vazby, popř. je určen výhradně pro funkci s definovaným zesílením, jsou měřeny i hodnoty zesílení uzavřené smyčky. Nízkofrekvenční zesilovač obvykle charakterizujeme modulem zesílení  při středním kmitočtu f akustického pásma (f=1kHz).

  • Proudové zesílení

  • Výkonové zesílení

Dalšími parametry jsou:

  • Nelineární zkreslení

Nelineární zkreslení určuje, do jaké míry je průběh výstupního signálu přesně lineárně zvětšeným obrazem vstupního signálu.
Nelineární zkreslení, např. zvukových (nízkofrekvenčních) zesilovačů, bývá v rozmezí 0,1 až 5 %. Zkreslení větší než 1 % lze rozeznat sluchem. Zesilovače třídy Hi-Fi mají povoleno zkreslení maximálně 0,5 %.

  • Harmonické zkreslení

Harmonické zkreslení je poměr efektivní hodnoty napětí všech harmonických složek výstupního napětí zesilovače bez složky první harmonické k efektivní hodnotě celkového výstupního napětí.
Harmonické zkreslení je měřítkem linearity zesilovače a určuje použitelný dynamický rozsah zesilovače při jeho plném vybuzení.

  • Přechodové zkreslení

Jednou z nejdůležitějších vlastností zesilovače je velikost jeho tzv. přechodového zkreslení To je způsobeno nelinearitou převodní charakteristiky polovodičů, resp. zesilovacího prvku obecně v počátku jeho charakteristiky. Eliminuje se zčásti zpětnou vazbou na nižších kmitočtech, díky její pomalé odezvě na vyšších kmitočtech musí však zesilovač obsahovat i speciální "doplňkové" obvody. Přechodové zkreslení snižuje schopnost zesilovače přenést velmi malé dynamické signály (tranzienty), způsobuje subjektivní "zdrsnění" středů a výšek, zhoršuje prostorovost. Čím slabší signál a vyšší frekvence, tím větší vliv toto zkreslení má. Řešením pro odstranění přechodového zkreslení je zavedení klidového proudu, čímž se posune pracovní bod zesilovacího prvku do lineárnější oblasti.

 
  • Intermodulační zkreslení

Je opět způsobeno nelinearitou převodní charakteristiky zesilovacích prvků. Jeho vznik je možno popsat následovně:
Přivedeme-li na vstup zesilovače dva sinusové signály o frekvencích f1 a f2, objeví se na výstupu zesilovače kromě těchto sinusových signálů ještě jejich kombinace f1+f2, f1-f2, 2f1+f1, 2f1+2f2,...... atd. Postupem doby bylo definováno několik standardních kombinací dvou signálů používaných pro měření. Bývají uváděny kombinace signálů vzdálených (např. 700 + 10000Hz) i blízkých (např. 13000 + 14000Hz). Vyjadřují se nejčastěji činitelem intermodulačního zkreslení TID. Vyhodnocování se nejčastěji provádí pomocí speciálních přístrojů (Audio Precision), nebo pomocí spektrálního analyzátoru. U moderních tranzistorových zesilovačů není problém dosáhnout hodnot menších než 0.01%.

  • Stabilita

Stabilita je odolnost proti rozkmitání.

  • Šířka pásma

Šířka pásma (pro pokles o 3 dB) je dána rozsahem kmitočtů, v němž napěťové zesílení Au neklesne o více než o 3 dB pod úroveň napěťového zesílení při daném kmitočtu (běžně 1kHz) ve středu pásma .

  • Výstupní výkon zesilovače Po

Výstupní výkon zesilovače Po je výkon střídavého signálu odevzdaný do reálné složky výstupní zátěže Rz. Měří se pro danou hodnotu vstupního napětí U1, nebo pro dané harmonické zkreslení Kh.
Podmínky pro měření těchto parametrů zahrnují konkrétní zapojení obvodu, dále hodnotu napájecího napětí Ucc, vstupního napětí U1 a zatěžovacího odporu Rz.

  • Maximální výstupní napětí Uomax

Maximální výstupní napětí Uomax je maximální velikost efektivní hodnoty výstupního napětí bez jeho omezení (nebo pro definované zkreslení). Udává se také jako maximální mezivrcholová hodnota výstupního napětí Uoppmax. Maximální výstupní napětí bývá někdy uváděno v katalogových listech, často např.u výkonových operačních zesilovačů.

  • Limitace

Další velmi důležitou vlastností zesilovače je jeho chování v limitaci.
Chovaní v limitaci posuzujeme sinusovým signálem. Zesilovač přebudíme a pozorujeme, zda nedochází k zákmitům. Tyto nesymetrické zákmity se objevují na spádových liniích sinusovky těsně za maximem. Většina problémů se vyskytne u vyšších kmitočtů. To je částečný důvod ztráty čistoty zvuku při vyšších hlasitostech.

  • Odstup signál/šum

Určující parametr pro dynamický rozsah reprodukovaného signálu. Horní hranice výstupního signálu je dána přebuzením zesilovače - limitace, nastává prudký nárůst zkreslení. Dolní hranice úrovně výstupního signálu je dána hladinou šumu a brumu. Pokud tedy chceme, aby zesilovač přenášel i nejjemnější detaily o malé úrovni, je nutné zajistit minimální hladinu šumu a brumu. Šum je v zesilovačích způsoben mnoha zdroji. Tyto se částečně liší u polovodičových a elektronkových konstrukcí. Jmenujme tedy alespoň některé z nich: výstřelový šum, blikavý šum, tepelný šum, šum rezistorů (obzvláště uhlíkové > správná volba jsou metalizované rezistory). Brum je způsoben indukcí rušivého napětí do užitečného signálu. Nejčastěji se jedná o rušivý signál kmitočtu 50Hz, tedy síťový kmitočet a jeho celistvé násobky. Velikost brumu je dána zejména konstrukčním uspořádáním zesilovače (zemní smyčky) a vlastnostmi komponentů (transformátor, vodiče). Znatelného potlačení brumu se dosáhne řádným zkroucením párových vodičů, které potom nemají tendenci chovat se jako citlivá anténa. Kvantitativní vyjádření brumu a šumu (většinou se popisují dohromady) se nejčastěji vyjadřuje tzv. odstupem signál/šum (SNR, signal to noise ratio), který je definován jako 20log podílu šumu a výstupního signálu.
  • Přeslechy

Měření přeslechů připadá v úvahu pouze u vícekanálového zesilovače (tedy alespoň stereofonního). Hodnota přeslechů určuje, jak ovlivňuje signál jednoho kanálu kanál druhý, tedy jak se signál jednoho kanálu nechtěně přenese do kanálu druhého. Toto je samozřejmě nežádoucí z důvodu znehodnocení stereofonního efektu. Dochází ke ztrátě prostoru a vzdušnosti, zvuk se slévá a degraduje se prostorová lokalizace z důvodu nedodržení fázového posuvu mezi zvukem jednoho a druhého kanálu.

 

 

 

Dílčí lekce

Zdroje

Logolink