Аудио појачавач

Сигнал представља физичку величину чија вриједност или промјена током времена садржи неку информацију. У електротехници се информација често преноси помоћу напона или струје, па имамо напонски или струјни сигнал. На примјер, величина напона из микрофона показује колико је звук био јак, а учестаност тог напона показује колика је била висина тона.

Појачавач је електронско коло на чији се улаз доводи неки сигнал и на његовом излазу се добије сигнал истог облика,али веће вриједности и веће снаге. На примјер, на улаз појачавача се доводи наизмјенични напон од 1mV, а на његовом излазу се добије такође наизмјеничан напон истог облика од 100mV.

Појачавач снаге треба да обезбеди велику снагу на његовом излазу и да ту снагу преда потрошачу, тј. звучнику. Транзистори се напајају из једносјмерног електричног извора (трансформатор, Грецов спој и електролит), а служе за појачање наизмјеничног сигнала(сигнал из цд плејера, касетофона, грамофона…) који се доводи на улаз појачавача. Приликом рада транзистор узима електричну енергију из једносмјерног извора напајања и један њен дио претвара у наизмјеничну енергију сигнала на излазу. То значи да транзисторски појачавач приликом свог рада не производи електричну енергију,него претвара енергију једносмјерног извора у енергију појачаног сигнала на излазу.

Аудио појачавачи припадају специфичној области електронике. Карактеристике које треба да имају ови појачавачи морају бити веома строге. Прва карактеристика је да се обезбиједи адекватно појачање сигнала који се састоји од мноштво компоненти чије су фреквенције у опсегу од 20Хз-20кХз. Наравно, појачавач може имати разне фреквентне карактеристике. На пример, неки појачавачи имају фреквентну карактеристику од 5Hz-100kHz, други од 10Hz-80kHz. Важно је да појачавач има што већи фреквентни опсег,ради бољег квалитета и да појачање у опсегу од 20Hz-20kHz не опадне за више од 3dB, најбоље би било да у том опсегу појачање буде 0dB ради што ширег опсега. При овоме амплитуда сигнала може бити реда неколико стотина микроволти па до неколико волти са изузетно наглим преласком од малих ка великим амплитудама. Појачање мора да се обави без додатног уношења изобличења било које врсте (хармонијског, амплитудног или фазног) и уношења додатног шума.Када би се шум помијшао са корисним сигналом, корисни сигнал би био “загађен” и при репродукцији се теже добија информација, тј. шум омета разумљивост. Важно је напоменути да су шумови непожељни у појачавачима јер су штетни и отклањају се брижљивом конструкцијом, тј. узимају се елементи са што мањим толеранцијама и обраћа се пажња на распоред елемената. Узимају се металфилм отпорници, тантал кондензатори.

Подјела појачавача снаге

Појачаваче снаге можемо подијелити на двије врсте. Прва је у односу на тип излазног степена, а друга у односу на режим рада појачавача.

Подјела појачавача у односу на тип излазног степена

Интегрисани (са ИЦ колима)

У новије вријеме све се више производе појачавачи у интегрисаној техници, тј. са ИЦ колима који посједују такве карактеристике да омогућују реализацију појачавача добрих перформанси. Сва интегрисана кола која се уграђују у аудио појачавачима имају пропусни опсег од 20Hz-20kHz, велики дозвољени напон и знатну струју, имају висок степен искоришћења и потискивања шума, термичку заштиту која дјелује на 100-150 степени целзијуса. Због технологије, све се више производе ова кола која у једном чипу имају отпорнике, диоде, кондензаторе, транзисторе. Зато је најбоље због једноставности израде појачала направити прве пројекте са ИЦ колима као што су СТК, ТДА.

Неинтегрисани тип

Може бити остварен са:

Разлика између биполарних и ФЕТ-ова је у томе што се биполарни транзистор понаша као елемент за струјно појачање, гдје мала струја управља великом вриједношћу, а ФЕТ као промјенљиви отпор управљан напоном. Код биполарних транзистора, струја тече ка бази, а код ФЕТ-а управљање је “без енергије”. Потребан је само побудни напон при чему је струја гејта занемарљива. На први поглед, са ФЕТ-овима се могу реализовати једноставна решења, јер је непотребна трансформација аудио сигнала у струју базе за биполарни трансистор. Типицна особина ФЕТ-а је капацитивност између гејта и дрејн/сорс-канала, која је реда неколико нанофарада. Код високих фреквенција потребна је и већа струја побуде ради одржавања што ширег опсега излазне секције. Укратко, са ФЕТ-овима је лакше остварити велики напон, струју I широк преносни опсег I мање загријевање него са биполарним транзисторима.

Подјела појачавача у односу на режим рада

Појачавач који ради у класи А

Појачавачи који раде у класи А посједују такве радне услове (радна тачка и величина улазног сигнала) да радна тачка увек остаје у активној области преносне карактеристике и струја излазног сигнала тече и изазива загријевање, тј. електрична енергија се претвара у топлотну.Треба још напоменути да један транзистор ради у току обије полупериоде улазног сигнала.Радна тачка се налази на средини најлинеарнијег дијела радне праве. Излазни сигнал је пропорционалан улазном,при чему је ова пропорционалност линеарна. Појачавачи који раде у класи А имају врло мали степен корисног дејства.Максимални теоријски степен корисног дејства је 25% ,а ако се дода трансформатор као веза између звучника и транзистора степен корисног дејства је 50% максимално. Али, поред свих наведених ових мана, они имају и добру особину,а то је квалитет звука који је изузетан.

Појачавач који ради у класи Б

Појачавачи који раде у класи Б базирају се на принципу провођења транзистора у току само једне полупериоде. Значи,за рад су неопходна барем два транзистора, један за позитивну а други за негативну полупериоду у такозваној push-pull вези да би на звучнику добили синусни облик струје и напона. Када нема улазног сигнала, кроз излазне транзисторе не тече струја, што значи да нема ни загријевања. Радна тачка се налази на радној прави гдје престаје да тече струја. Степен корисног дејства је 78.5% максимално што је одлично у односу на А класу, тј. при коришћењу истих транзистора, појачавач у класи Б може дати пет пута већу снагу него појачавач у А класи. Али, предност овог степена је само у степену искоришћења, јављају се знатна изобличења за напон мањи од прага провођења транзистора.

Појачавач који ради у класи АБ

Појачавачи који раде у АБ класи заснивају се скоро на истом принципу као и појачавачи у Б класи, са тим што струја тече када нема улазног сигнала. Изобличења су знатно мања него у Б класи па се зато ова класа појачавача употребљава свуда гдје је потребан велики степен искоришћења(скоро исти као у Б класи) и квалитетан звук.

Примјер појачивача Универсал

Т11 и Т12 су улазни диференцијални пар. Улазни сигнал је прикључен на базу Т11 преко R29 и C9. Негативна повратна спрега је прикључена на базу Т12.Т11 и Т12 појачавају разлику између улаза и негативне повратне спреге па се добија појачани излазни сигнал на својим колекторима.

Т14 и Т13 су извор константне струје за улазни диференцијални пар и обезбеђује им велико појачање.Следећи степен је напонски степен, тј. коло за појачање напона. Ту је диференцијални пар Т9 и Т10, он се побуђује напоном колектора Т11 и Т12. У овом степену се налази још и активно оптерећење или струјно огледало, које се састоји од Т8 и Т7.

Излаз Т10 побуђује гејтове излазних транзистора Т1, Т2, Т3, Т4, Т5, Т6 који представљају излазни степен и комплементарне парове. Значи, Т10 је драјвер који побуђује све излазне а не само П-каналне МОСФЕТ-ове, Т7 представља само елеменат активног отперећења и он не побуђује Н-каналне МОСФЕТ-ове већ све то ради само Т10. Гејтови Т1, Т2, Т3 нису директно спојени са базама Т4, Т5, Т6 већ су одвојени тримером (R14) и R32.

Тример обезбеђује малу струју гејта за излазне транзисторе,што значи да са њим подешавамо мирну струју појачавача.Сигнал који се појављује на гејтовима МОСФЕТ-ова је лимитиран на 12,6V постојањем диода Д1,Д2,Д3,Д4.Ове диоде служе да заштите МОСФЕТ-ове од превеликог напона гејта, тј. служе да не би дошло до разарања излазних транзистора.

Отпорници R8, R9, R10, R11, R12, R13 у серији са гејтовима излазних транзистора служе да спрече паразитне осцилације на веома високим фреквенцијама и да смање разлике у карактеристикама МОСФЕТ-ова ако се разликују. Кондензатори C10, C11, C12 служе да изједначе гејт капацитивност Н-каналног са већом гејт капацитивносћу П-каналног МОСФЕТ-а.

Емиторски отпорници R1, R2, R3, R4, R5, R6 служе да побољшавају дијељење струје у сваком пару МОСФЕТ-ова и доприносе термичкој стабилности појачавача.

На излазу се налази “Зобел” компонента која се састоји од Р7 и Ц1,служи да обезбиједи ниску импедансу када импеданса звучника расте на вишим фреквенцијама.Укупно појачање је одређено негативном спрегом R19 и R28 и постављено је на 34dB. C7 одређује доњу граничну фреквенцију која износи 3.5Хз.Ипак,главни утицај на доњу граничну учестаност има C9 и R30 који постављају доњу границу од 10Hz на -3dB. Горња гранична учестаност зависи од R29 и C5 и постављају горњу граничну учестаност на 160kHz на -3dB.