Audio pojačavači su uredjaji kojima se audio signal dobijen sa različitih uredjaja za proizvodnju zvuka (bilo da su to muzički instrumenti npr. električna gitara, uredjaji za reprodukovanje zvuka sa prenosivih medija npr. CD player-i ili najobičnijih mikrofona) prilagodjava uredjajima za reprodukovanje zvuka tj. zvučnicima.
Sve važnije osobine audio pojačavača možemo prikazati kroz sledeće parametre:
1. Izlazna snaga pojačavača je maksimalna snaga koju pojačavač sa svoga izlaza može predati potrosaču (zvučniku – nominalnom opterećenju), pri reprodukciji bilo kojeg tona iz zvučnog spektra (20Hz–20kHz), uz izobličenje ne veće u odnosu na neko zadano (obično od 0.5 do 1%);
2. Frekventni opseg predstavlja propusni opseg koji pojačavač može preneti bez većih promena u pojačanju pri nekoj unapred definisanoj snazi (tipično nekoliko W) na nominalnom opterećenju. Promene u pojačanju redovno nastaju na krajevima propusnog opsega i izražavaju se u decibelima (dB). Na primer, tipičan propusni opseg (20Hz–20kHz uz slabljenje od As≤±3dB.);
3. Izobličenja možemo podeliti na harmonijska i intermodulaciona. Ova izobličenja posledica su nelinearnosti pojačavača. Harmonijska se manifestuju pojavom 2,3,4… harmonika u odnosu na osnovnu učestanost. Intermodulaciona nastaju modulacijom dva tona različitih učestanosti f1 i f2, a kao posledica javlja se učestanost odredjena izrazom kf1+nf2. Stepen izobličenja uobičajno se izražava preko parametra THDU;
4. Odnos Signal/Šum predstavlja odnos snage šuma koje pojačavač sam generiše i njegove maksimalne izlazne snage, a ovaj podatak nam govori kakvu dinamiku pojačavač može verno preneti (subjektivno nam govori o odnosu najmanje amplitude koju još verno možemo čuti i maksimalne amlitude). Postoji veliki broj standarda po kojima se daje specifikacija odnosa signal/šum od kojih se često koriste sledeći: DIN, IEC, CCIR itd;
5. Damping faktor predstavlja odnos izmedju nazivnog otpora zvučnika (4 ili 8Ω) i izlazne otpornosti pojačala. Veći damping faktor daje čistiji i jasniji zvuk. Obično se kod poznatijih proizvodjača audio opreme ovaj faktor kreć oko 100;
6. Zvuk pojačavača ili soničnost je čisto subjektivni parametar u opisu kvaliteta zvuka nekog pojačavača i daje ga sam slušalac. Ovaj terimin uglavnom upotrebljavaju audiofili, a nastao je još pri prelasku sa cevnih na tranzistorske pojačavače kada je primećeno da cevni bolje zvuče od tranzistorskih i pored lošijih osobina u odnosu na tranzistorske.
1. Izlazna snaga pojačavača je maksimalna snaga koju pojačavač sa svoga izlaza može predati potrosaču (zvučniku – nominalnom opterećenju), pri reprodukciji bilo kojeg tona iz zvučnog spektra (20Hz–20kHz), uz izobličenje ne veće u odnosu na neko zadano (obično od 0.5 do 1%);
2. Frekventni opseg predstavlja propusni opseg koji pojačavač može preneti bez većih promena u pojačanju pri nekoj unapred definisanoj snazi (tipično nekoliko W) na nominalnom opterećenju. Promene u pojačanju redovno nastaju na krajevima propusnog opsega i izražavaju se u decibelima (dB). Na primer, tipičan propusni opseg (20Hz–20kHz uz slabljenje od As≤±3dB.);
3. Izobličenja možemo podeliti na harmonijska i intermodulaciona. Ova izobličenja posledica su nelinearnosti pojačavača. Harmonijska se manifestuju pojavom 2,3,4… harmonika u odnosu na osnovnu učestanost. Intermodulaciona nastaju modulacijom dva tona različitih učestanosti f1 i f2, a kao posledica javlja se učestanost odredjena izrazom kf1+nf2. Stepen izobličenja uobičajno se izražava preko parametra THDU;
4. Odnos Signal/Šum predstavlja odnos snage šuma koje pojačavač sam generiše i njegove maksimalne izlazne snage, a ovaj podatak nam govori kakvu dinamiku pojačavač može verno preneti (subjektivno nam govori o odnosu najmanje amplitude koju još verno možemo čuti i maksimalne amlitude). Postoji veliki broj standarda po kojima se daje specifikacija odnosa signal/šum od kojih se često koriste sledeći: DIN, IEC, CCIR itd;
5. Damping faktor predstavlja odnos izmedju nazivnog otpora zvučnika (4 ili 8Ω) i izlazne otpornosti pojačala. Veći damping faktor daje čistiji i jasniji zvuk. Obično se kod poznatijih proizvodjača audio opreme ovaj faktor kreć oko 100;
6. Zvuk pojačavača ili soničnost je čisto subjektivni parametar u opisu kvaliteta zvuka nekog pojačavača i daje ga sam slušalac. Ovaj terimin uglavnom upotrebljavaju audiofili, a nastao je još pri prelasku sa cevnih na tranzistorske pojačavače kada je primećeno da cevni bolje zvuče od tranzistorskih i pored lošijih osobina u odnosu na tranzistorske.
Pojačavačko kolo klase A
Jednostavno pojačavačko kolo klase A prikazano je na slici 1. Pomoću jednosmerne baterije i otpornika, bipolarni tranzistor se predpolariše postavljanjem mirne radne tačke u željeni položaj u polju statičkih karakteristika. Time se tranzistor dovodi u aktivan režim u kome pokazuje pojačavačka svojstva i ima približno linearne karakteristike. Da bi posmatrani pojačavač radio u klasi A, potrebno je pravilno odabrati predpolarizacione otpornike R1 i R2. Oni obezbedjuju postavljanje mirne radne tačke na sredinu statičke radne prave zajedno sa otpornicima Rc i Re. Ovakvom predpolarizacijom obezbeđeno je podjednako pojačanje, kako pozitivne tako i negativne poluperiode ulaznog signala, što nam je i cilj kod posmatranog kola.
Slika 1. Pojačavač klase A
Signal sa generatora koji poseduje neku svoju unutrašnju otpornost Rg, preko kondenzatora C1 stiže do baze tranzistora. Uloga kondenzatora C1 je da spreči prolazak jednosmerne komponente na generator i time poremeti rad kako samog generatora tako i našeg posmatranog pojačavačkog kola. Napon na bazi tranzistora odredjen je razdelnikom kojeg čine R1 i R2, pri čemu ovi otpornici ujedno i utiču na struju emitera. Jednosmerna struja emitera približno, ali dovoljno tačno, može se odrediti iz izraza Ie=((R2/(R1+R2))Vcc-Vbe)/Re pri čemu je zanemarena struja baze, koja se kod ovakvih pojačavača kreće u granicama od nekoliko μA. Sa Vbe je obeležen napon provodnog spoja baza-emiter koji iznosi ≈0.6V. Zbog toga što je struja baze zanemarljiva naspram struje emitera (Ie≈nxmA) dobijene korišćenjem navedene formule, možemo prihvatiti da je struja kolektora Ic≈Ie, čime je i odredjen jednosmerni napon na kolektoru kao Vc=Vcc-RcIc.
Naš ulazni signal se superponira sa jednosmernim naponom baze. Promenjiv napon baze menja i struju baze tranzistora. Ovakva promenljiva struja pojačava se za vrednost parametara strujnog pojačanja tranzistora β i na otporniku Rc dobijamo pojačani ulazni signal i do nekoliko stotina puta. Faza izlaznog napona kod ovog pojačavača pomerena je za 180º u odnosu na ulaz. Kondenzator C2 propušta naizmeničnu komponentu izlaznog signala, tako da na potrosaču imamo samo pojačani ulazni naizmenični signal. Kondenzator Ce je relativno male impedase, tako da je on prekid za jednosmernu struju, a kratak spoj za naizmeničnu. Ovim je omogućeno veliko pojačanje nezavisno od predpolarizacionog kola. Otprnik Re je neizostavni otpornik kod savkog ozbilnijeg pojačavača klase A, jer eleminiše uticaj promene temperature na karakteristike pojačavačkog kola, odnosno obezbeđeno je pouzdano funkcionisanje kola u širem temperaturnom opsegu.
Pojačanje ovakvog pojačavačkog kola uz pretpostavku da su impedanse kondenzatora dovoljno male u posmatranom audio opsegu, smatrajući da je Rg malo, a R1 i R2 dovoljno veliko, tako da se njihov uticaj može zanemariti, dobijamo aproksimativnu formulu za naponsko pojačanje: Au=vp/vg≈β (RcIIRp)/rπ. Sa rπ je obeležena otpornost spoja baza emiter za datu jednosmernu struju baze. Vrednost dinamičke otpornosti rπ može se odrediti korisćenjem izraza rπ=βVt/Icqo, gde je Vt temperaturni napon (Vt=75mV), a Icqo vrednost struje kolektora u mirnoj radnoj tački.
Stepen korisnog dejstva pojačavača klase A
Radi dobijanja teoretski maksimalnog stepena korisnog dejstva pojačavača klase A, koristićemo šemu sa slike 1, ali sa izostavljenim otpornikom R, kondenzatorom Ce i pravilno odabranim otpornicima R1, R2 i Rc. Tada je ukupna uložena snaga, koju pojačavač uzima u toku jedne periode, data sa:
gde Icq predstavlja struju kolektora tranzistora u mirnoj radnoj tački. Maksimalna korisna snaga se dobija pri amplitudi jednakoj vp=Vcc/2 i ip=vp/Rp=Vcc/2Rp=Icq/2, odnosno nalazimo da je:
Na kraju dobijamo stepen korisnog dejstva η:
Iz prethodne formule vidimo da je koeficijent korisnog dejstva mali, pri čemu on dodatno opada sa smanjenjem amplitude ulaznog signala. Zbog toga prilikom projektovanja pojačavača klase A, moramo voditi računa da mirna radna tačka sa statičke radne prave, leži ispod parabole snage za korišćeni tranzistor. Na ovaj način sprečavamo termičko uništenje tranzistora usled prevelike disipacije. I pored ovako malog koeficijenta korisnog dejstva, u praksi je on još manji. Prvi razlog je u tome što pri navedenim maksimalnim aplitudama napona potrošača vp i struje ip, dolazi do velikih izobličenja izlaznog signala. Drugi razlog je u činjenici što posmatrano kolo, zbog temperaturne stabilnosti moraju posedovati otpornik Re, koji dodatno ograničava maksimalnu izlaznu amplitudu napona, odnosno struje. Iz navedenih razloga, ovakva kola se u praksi ne koriste kao pojačavači snage, već isključivo kao naponski pojačavači signala malih amplituda.
Realizacija pojačavača klase A
Pojačavačko kolo sa slike 1. ima niz nedostataka i u praksi se retko koristi u prikaznom obliku. Razlog za to je u konačnim kapacitativnostima sprežnih kondenzatora, pa se njihov uticaj ne može zanemariti na niskim učestanostima. Zbog toga, pojačanje nije ravnomerno u celom audio opsegu. Dodatni problem je i mala ulazna otpornost ovog kola ≈rπ, koju još dodatno smanjuju predpolarizacioni otpornici. Tada se otpornost Rg ne sme zanemarivati, a naročito u slučaju kada nam je otpornost generatora bliska ili veća od ulazne otpornosti samog pojačavačkog kola sa slike 1. što je u praksi čest slučaj. Sledeći problem je povezan sa uglom gubitaka samih kondenzatora tgα, koje koristimo. Da bi pojačanje bilo ravnomernije u našem audio opsegu, zbog potrebe za što većim vrednostima kapacitativnosti, moramo koristiti elektrolitske kondenzatore, a njihov tgα gubitka je velik na visokim učestanostima, što je još jedana otežavajuća okolnost.
Svaki ozbiljniji audio predpojačavač ili pojačavač snage realizuje se sa povratnom reakcijom. Takvo kolo možemo predstaviti jednostavnom blok šemom sa slike 2.
Slika 2. Blok šema kola sa povratnom spregom
Prenosna funkcija kola sa povratnom reakcijom, određena je formulom: Ar=A/1-βA. U slučju da je kružno pojačanje Aβ>>1=>Ar=1/β. β označava prenosnu funkcija kola povratne reakcije, a A prenosnu funkciju osnovnog pojačavačkog kola. Pri određivanju pojačanja Ar mora se voditi računa i o fazi kružnog pojačanja Aβ. Uvodjenjem negativne povratne sprege ostvarili smo niz poboljšanja, smanjuje se nelinearnost pojačavača, proširuje se propusni opseg, ostvaruje se bolje potiskivanje smetnji, možemo uticati na ulaznu i izlaznu otpornost izborom odgovarajućeg tipa reakcije itd.
Pri projektovanju kvalitetnih audio predpojačavača klase A, gde nam je cilj ostvariti što ravnomernije pojačanje duž propusnog opsega i odgovarajuću ulaznu otpornost, usaglašenu sa Rg, neophodno je uvesti negativnu reakciju u pojačavačko kolo. U slučaju potrebe za većim naponskim pojačanjem često se koriste i dvostepeni direktno spregnuti pojačavački stepeni. Ova kola su prikazana na slikama 3a, 3b i 4.
(a)
(b)
Slika 3(a) i 3(b) Pojačavačka kola sa negativnom povratnom spregom
Predpojačavačka kola sa slike 3a i 3b, koriste se u slučaju kada nam nije potrebno veliko naponsko pojačanje, ali nam je važan parametar ulazna otpornost i ravnomeran propusni opseg. Kolo negativne reakcije kod prvog kola čini otpornik Re, a kolo sa druge slike ima čak dve negativne reakcije i to: otpornik Re i Rpredpol.
Ulazna otpornost prvog predpojačavačkog kola data je sa Rul=R1 II (rπ+(1+β)Re), dok je za drugo kolo pronalaženje Rul nešto komplikovanije, zbog dvostruke negativne reakcije.Njegova ulazna otpornost je približno ista kao i kola sa prve slike. Često uticaje otpornika R1 i Rpredpol možemo zanemariti, jer su reda nx100k. Zbog velike ulazne otpornosti kondenzator C1 može biti blok kondenzator, sačinjen od materjala sa malim tgα. Na taj način, znatno smo poboljšali propusni opseg u pogledu ravnomernosti pojačanja.
Drugo kolo ima prednost u odnosu na položaja mirne radne tačke, pošto ga automatski namešta u okolini željene vrednosti na statičkoj radnoj pravi, bez obzira na pojačanje tranzistora. Pojačanje oba kola približno možemo odrediti sa Au=Rc/Re i ono se u praksi krece i do 10 puta, što naravno zavisi od konkretne realizacije i potreba.
U slučaju potrebe za velikim pojačanjem koristimo direktno spregnuto pojačavačko kolo sa dva tranzistora, prikazanog na slici 4. Ulazno kolo je prilagodno kolo i ima višestruku ulogu, obezbeđuje veliku ulaznu otpornost, vrši automatsku predpolarizaciju drugog stepena pri čemu ne koristimo sprežni kondenzator, obezbeđuje neko malo naponsko pojačanje. Drugi deo ima ulogu naponskog pojačavača tako da je ukupno pojačanje i do nekoliko stotina puta. Pri tome, zadovoljeni su svi potrebni gore navedeni uslovi. U posmatranom kolu preko otpornika R3, ostvarena je negativna povratna sprega.
Slika 4. Direktno spregnuti pojačavač
