Наверное не меньше, чем "расщепитель" питания, о котором я рассказал раньше, знаком радиолюбителям простейший усилитель мощности для динамиков и наушников. Обычно он выглядит так и содержится в схемах приемников, радиостанций, гуделок, сирен, звонков и т. п. устройств, где качество усиления звука находится на втором плане.
Достоинство – простота, в том числе изготовления. Можно не использовать радиаторы. Ведь музыка и речь состоит в основном из пауз и тихих звуков. Поэтому выделяемая на транзисторах мощность будет в среднем совсем небольшой. Радиаторы понадобятся для сирены или звонка. Там пауз и тихих звуков нет, придется выделяемую мощность учитывать.
Недостаток – очень низкое качество звука при малой громкости. Это называется "проблемой первого ватта" усилителей класса Б (это именно такой усилитель). На слух ощущается как неприятный трескучий призвук тихих звуков. Бывает, что тихие звуки совсем не слышно. Поскольку тихих звуков в речи и музыке большинство, слышен этот призвук будет почти всегда.
Когда-то лично убедился в этом. Оказалось, что в старинном телевизоре нет выхода для наушников. Зато нашелся линейный выход звука. Быстро сделал что-то такое и услышал именно то, о чем писал выше.
Тем не менее, схема широко распространена как простейший вариант усилителя. Встречался даже такой вариант. Причем автор предлагает его как качественный усилитель звука для наушников.
Посмотрим на него в симуляторе.
"Подключим" нагрузку R5 = 8 Ом. И определим, какое максимальное напряжение может развить усилитель. Для этого подадим на вход сигнал, заведомо большей амплитуды. Коэффициент усиления усилителя примерно равен K=1+(R4/R3) ~ 6. Зададим выходное напряжение – 6 В, это половина напряжения питания, усилитель не сможет такое развить. Тогда входное напряжение будет 6000мВ/6=1000мВ. И с помощью инструмента Analisys => Probe Transient посмотрим, какой сигнал окажется на выходе:
Ограничение наступает всего лишь при амплитуде 2,4 В. Этому будет соответствовать сигнал 2400 мВ/6=400 мВ. Подадим на вход даже несколько меньший сигнал – 300 мВ. И увидим на выходе практически неискаженный сигнал амплитудой около 2 В. Вблизи нуля видны небольшие зубчики. Это и есть остатки неподавленных обратной связью коммутационных искажений.
Начнем уменьшать входной сигнал от 100 мВ до 3 мВ каждый раз вдвое. Получится вот что:
Хорошо видно, что зубчики почти постоянны по размеру. И когда сигнал становится меньше, в конце концов он среди них потеряется. Последний график соответствует сигналу 18 мВ на выходе. Это хорошо слышимый сигнал и он уже ненамного больше искажений.
На графике искажений это выглядит так:
Смотрим на 3-ю гармонику сигнала 3 кГц Величиной от 30 мВ до 1800 мВ. Амплитуда третьей гармоники почти постоянна, и равна примерно 3 мВ. Но для 1800 мВ, большого сигнала, это меньше процента. А для 30 мВ – почти 10% - тот самый "первый ватт" и его сильные искажения.
Еще посмотрим на график гармоник целиком.
Они не уменьшаются с ростом частоты (номера). Это даёт хорошо слышимый царапающий призвук. Слушать такое неприятно.
Кажется - всё понятно, такой усилитель годится только для звонка. Но я решил посмотреть еще и его устойчивость. С помощью инструмента Stability и зонда Loop Gain Probe.
Получились странные графики. Всё ясно. Инструмент Stability исследует схему при очень маленьком сигнале. Выходные транзисторы двух каскадов при этом закрыты, и тракт усиления фактически разорван. Ну что ж, сместим их, подключив на выход резистор.
Почему-то я сразу задал довольно большой ток смещения ~ 30 мА. Рассуждал так. Нагрузка 8 Ом. Значит, смещение должно давать ток хотя бы 1/20 от выходного. Иначе его влияние мало. Учитывая, что выходное напряжение 1/3 от половины питания ….. 180 Ом будет даже много. Ладно, хватит.
Получились характеристики устойчивого усилителя.
Вообще-то усилитель без смещения тоже можно исследовать на устойчивость – по усилению прямоугольного сигнала. Если устойчивость мала, на переломах фронтов и полок будут колебания. Если хотите, можете сделать это самостоятельно.
Меня заинтересовало другое – изменится ли характер тех самых коммутационных искажений при наличии заметного смещения? Для этого применил инструмент Harmonic distorsion и тут же получил удивительный результат. Коротко – во всем диапазоне амплитуд выходного сигнала 30 – 1800 мВ искажения стали меньше процента. А при амплитудах меньше 300 мВ даже 0,1 %.
Еще больше удивил результат подключения наушников сопротивление 32 Ома.
Вплоть до выходного напряжения 0,5 В искажения составляют меньше 0,001% . По достижении полувольта коммутационные искажения по-видимому появляются. Но на фоне сигнала такой величины они составляют не более 0,5 %.
Неожиданно из мусорного усилителя для звонка получился неплохой усилитель для наушников. До 0,5 В он будет работать в классе А с очень маленькими искажениями. А при большем напряжении, это уже очень громкий звук, искажения вырастут до полпроцента.
И даже если вам попадутся такие наушники, с сопротивлением 8 Ом
или вы захотите сделать как описано в статье:
https://ldsound.info/dostupnye-stereonaushniki-svoimi-rukami-na-1-gd-18/
такой усилитель не спасует и с ними. Зона малых искажений уменьшится до 0,3 В, дальше искажения возрастут. Но на фоне громкого сигнала они нигде не буду относительно большими, как в исходном усилителе.
Такими возможностями не обладают однотактные усилители класса А с током покоя ок. 50 мА. Они могут работать только с обычными наушниками сопротивлением 32 Ома. С низкоомными просто будут входить в ограничение.
На этом можно закончить. Добавлением одного резистора получен удивительный результат. И его можно еще улучшить. Об этом в следующий раз.