МЕНЮ САЙТА
Новости
Админ интересуется
Какой у Вас спутниковый ресивер


Всего ответов: 344
Статистика



УМЗЧ с малыми интермодуляционными искажениями



В статье подробно описана схемотехника усилителя, при которой достижимы малые интермодуляционные и динамические искажения в широкой полосе частот. В процессе отработки устройства автор уделял большое внимание и слуховой экспертизе. Эта конструкция автора, как и его УМЗЧ на полевых транзисторах, описанный в «Радио» № 8 за 2002 г., также обеспечивает высокую верность звуковоспроизведения.

В конструировании высококачественных УМЗЧ с общей ООС многие неудачи вызваны недооценкой требуемого от УМЗЧ быстродействия, а также неоптимальным выбором частотной коррекции. Под термином «быстродействие» здесь подразумевается не столько широкая полоса пропускания усилителя, сколько время задержки сигнала внутри контура ООС (это не совсем одно и то же). В предлагаемом здесь УМЗЧ число каскадов, находящихся в контуре общей ООС, сведено к минимуму. Особенностью устройства является управление выходным повторителем от источника тока, что позволило практически полностью устранить «ступеньку».

Схема усилителя практически симметрична (рис. 1). Основным преимуществом «вертикальной симметрии» является повышенная линейность, достигаемая за счет трех основных факторов [1]:

компенсация входного тока и нелинейностей первого каскада;
идентичные условия возбуждения обоих плеч выходного каскада;
компенсация нечетных гармонических искажений.

В УМЗЧ используется раздельное питание каскадов, причем выходной каскад питается пониженным напряжением. Такой подход хорошо себя зарекомендовал в усилителях промышленного производства. Основные его преимущества следующие:

дополнительная развязка по питанию сильноточной и слаботочной цепей УМЗЧ;
снижение рассеиваемой мощности транзисторами выходного каскада;
повышение исходной линейности УМЗЧ.

Последний пункт нуждается в дополнительном разъяснении. Линейность улучшается за счет следующих факторов. В УМЗЧ с общим питанием (предварительные и оконечные каскады питаются от общих выпрямителей) на пиках выходной мощности транзисторы усилителя напряжения входят в насыщение и/или ограничение гораздо раньше, чем выходной повторитель, на котором в таком случае только бесполезно расходуется мощность.
 

 


В предлагаемом варианте усилитель напряжения имеет достаточный запас линейности по амплитуде и фазе из-за того, что питается повышенным напряжением. В этом случае выходной каскад работает с меньшими перегрузками по мощности и его линейность также возрастает.
Технические характеристики

Номинальная выходная мощность на нагрузке 4 Ом, Вт ...................100
Входное сопротивление, кОм...................................................................10
Входное напряжение, В............................................................................0,57
Коэффициент усиления, дБ ......................................................................30
Полоса частот при неравномерности АЧХ 0,5 дБ
(при Рвых=100 Вт без фильтров), Гц....................................................2...800000
Частота единичного усиления, МГц ......................................................... .10
Глубина ООС на частоте 20 кГц, дБ ........................................................ .40
Ток покоя, мА..............................................................................100
Коэффициент интермодуляционных искажений
(при Рвых=100 Вт на частотах 20+21 кГц), %.........................................0,003
Отношение сигнал/шум в полосе до 30 кГц, дБ, не менее.....................102

Входной сигнал поступает на ФНЧ R2C1 с частотой среза 160 кГц и далее поступает на вход парафазного дифференциального усилителя, выполненного на транзисторах VT1, VT2 и VT3, VT4. На транзисторах VT5, VT6 выполнены генераторы тока. Их питание осуществляется напряжением с фильтрацией пульсаций стабилитронами VD1, VD2. Танталовые конденсаторы С2, СЗ блокируют шумы, создаваемые стабилитронами. Применение высокочастотных полевых транзисторов в генераторах тока не только упрощает устройство, но и сводит к минимуму проявления нелинейностей.

Дроссели L1 (L2) являются элементами частотной коррекции УМЗЧ. АЧХ внутрипетлевого усиления этого УМЗЧ имеет два основных частотных полюса: «ближний» (относительно низкочастотный) — на частоте f, и «дальний» (более высокочастотный) — на f2. Ближний полюс определяется частотой среза усилителя напряжения на VT8, VT9, нагруженного на корректирующую емкость С11, дальний — выходным повторителем. Чем выше будет частота f1 тем эффективнее будет действовать обратная связь на высших частотах звукового диапазона. Но для обеспечения устойчивости приходится искусственно снижать f] до такого значения, при котором на частоте f2 усиление в контуре ООС было минимально. Чтобы не снижать частоту f1 увеличением емкости С11, между эмиттерами транзисторов дифференциального каскада включены дроссели L1, L2. Их индуктивность совместно с сопротивлениями резисторов в этих цепях, снижая усиление на частотах ниже f2, не оказывает никакого влияния на более высоких частотах.

Таким образом, применение индуктивной коррекции «дальнего» полюса позволило выбрать частоту первого среза f1 более высокой, в результате чего повысить эффективность ООС. Положительной стороной применения дросселей является и то, что линейность дифференциальных каскадов с ростом частоты существенно увеличивается.

Коррекция на опережение в этом УМЗЧ не применена, так как использованный выше метод двухзвенной коррекции (каждая из которых отвечает за свой частотный участок) позволил получить достаточно высокие параметры, подтверждаемые слуховой экспертизой. К тому же подъем на ВЧ приводит к обострению высокочастотных гармоник (которыми и без того богаты транзисторные усилители) и на практике почти всегда подразумевает снижение исходной линейности с увеличением частоты. Поэтому не удивительно, что большого выигрыша от такого вида коррекции не происходит.

Ограниченный объем статьи не позволяет углубиться в теорию частотной коррекции, поэтому автор рекомендует обратиться к статье [3], где доступно изложены основные ее принципы.

Следует обратить внимание на то, что сигнал для дальнейшего усиления снимается с того же плеча дифференциального усилителя, на которое приходит сигнал обратной связи. Таким образом, в петле ООС сокращено число активных элементов, находящихся в контуре общей обратной связи.

Усилитель напряжения на VT7—VT10 построен по схеме каскода ОК—ОБ вместо традиционной структуры ОЭ— ОБ. Он отличается высоким входным сопротивлением, исключающим влияние на предыдущие каскады, имеет более высокую линейность и широкую полосу. Резисторы R20, R21 создают местную ООС по току. Низкоомные резисторы R3, R4, R17, R18 предотвращуют вспышки ВЧ генерации транзисторов, исключают детектирование высокочастотных радиопомех.

С выхода усилителя напряжения сигнал поступает на вход трехэлементного составного эмиттерного повторителя выполненного на транзисторах VT16— VT21. Ограничительные диоды VD5, VD6 предотвращают деградацию коллекторных переходов транзисторов VT16, VT17.

Как уже вкратце упоминалось в начале статьи, особенностью схемы является управление выходным составным повторителем от источника тока, которым является усилитель напряжения. С этой целью традиционный нагрузочный резистор был исключен.

Низкоомные резисторы R32, R36, R37, R39, R40, R42 выполняют сразу несколько функций. Они снижают уровень резонансных явлений составного повторителя на близких к граничным частотах, предотвращают высокочастотные возбуждения транзисторов, повышают токовую перегрузочную способность и таким образом способствуют увеличению надежности.

На транзисторе VT15 и элементах R33—R35, С10 выполнено устройство температурной стабилизации тока покоя. Транзистор VT15, выполняющий роль термодатчика, установлен на одном общем для мощных транзисторов теплоотводе. Конденсатор С10 блокирует модуляцию тока покоя усиливаемым сигналом. На транзисторах VT11—VT14 и VT22 выполнено триггерное устройство защиты от короткого замыкания в нагрузке, аналогичное примененному в [2]. При возникновении короткого замыкания VT11 (VT12) шунтируют стабилитроны VD3 (VD4), что приводит к закрыванию выходных транзисторов. Светодиод HL1 индицирует аварийный режим, резистором R45 устанавливается порог срабатывания. Триггер возвращается в исходное состояние после выключения питания.

Для исключения постоянного напряжения на выходе усилителя при отсутствии конденсаторов в сигнальных цепях используется неинвертирующий интегратор на прецизионном ОУ DA1. Особенностью схемы является то, что интегратор участвует в формировании нижней граничной частоты усиления, равной 2 Гц. Таким образом удалось избежать разного рода явлений, связанных с так называемым «дыханием» усилителя на инфранизких частотах.

Схема блока питания приведена на рис. 2. Он имеет два независимых трансформатора и отдельные выпрямители на каждый канал. Термистор с отрицательным температурным коэффициентом RK1 ограничивает бросок тока в момент включения усилителя в сеть. Конденсаторы фильтров выпрямителей С6—С11 емкостью по 4700 мкФ на 50 В — так называемый «народный номинал», выбранный по наименьшей стоимости за микрофараду.

 

 

 

 


В качестве сетевых трансформаторов использованы трансформаторы питания усилителя «Радиотехника У-7111», дополнительные повышающие обмотки (крайние по схеме секции обмотки II) намотаны поверх остальных проводом ПЭТВ 0,27 и содержат на каждой катушке по 24 витка. Можно применить и более мощные трансформаторы.

Немного о деталях для усилителя и их приобретении.
При покупке дорогостоящих импортных компонентов следует иметь в виду, что российский рынок насыщен подделками южно-азиатского производства и разного рода браком, поэтому следует по возможности приобретать детали в наиболее известных крупных фирмах.

Следует иметь в виду, что диоды КД521А, выпущенные в советское время, и диоды последних лет выпуска имеют различную маркировку, причем в настоящее время в продаже встречаются и те, и другие. Особенно опасно перепутать полярность у диодов VD5, VD6, так как это приведет к выходу из строя выходных транзисторов.

О резисторах. Лучшие результаты можно получить, если использовать в сигнальных цепях высококачественные точные (отклонение ±0,5...1 %) резисторы С2-29В, С2-14, в крайнем случае МЛТ. В остальных несигнальных цепях целесообразно применять наиболее дешевые углеродные резисторы типа С1 -4. Резисторы R33, R45 — СПЗ-16. Резисторы R43, R44 должны иметь как можно меньшую индуктивность, поэтому их целесообразно составить из четырех параллельно соединяемых резисторов МЛТ-1 по 1 Ом.

Конденсаторы: неполярные могут быть К73-9, К73-17, блокировочные — КД-2; все они заменяемы импортными аналогами. Конденсатор С1 — К31-11-ЗГ, С11 — КСО-1Г на 250 В; оба слюдяные с обкладками из серебра; С2, СЗ — К53-4 на 20 В, СЮ — К53-4 на 6,3 В. Остальные оксидные конденсаторы в усилителе и блоке питания — алюминиевые импортные фирмы Jamicon группы SK либо аналогичные.

Дроссели L1, L2 — ДМ-0,1. В качестве индуктивности L3 использована катушка аналогичного назначения от усилителя «Радиотехника У-7111С». Эта бескаркасная катушка высотой 2 см содержит 30 витков провода ПЭВ-2 1 мм, намотанного виток к витку в два слоя на оправке диаметром 4 мм.
Печатная плата для данного УМЗЧ не разработана. Был изготовлен двухканальный макет усилителя с применением объемного монтажа. При его повторении или самостоятельной разводке печатной платы следует учесть ряд важных моментов.

Слаботочный (сигнальный) общий провод отделен от общего провода питания и нагрузки резистором R55, который лучше расположить на плате ближе к входному каскаду. При монтаже надо стараться, чтобы все проводники имели минимальную длину (особенно это касается сильноточных цепей выходного каскада), а шины питания и общего провода были толще (шире).

Транзисторы VT15, VT18—VT21 нужно установить на общий теплоотвод с суммарной площадью ребер не менее 2000 см2. Следует иметь в виду, что транзисторы 2SA1306 и 2SC2238 выпускаются как в изолированных, так и в обычных корпусах ТО-220. Предпочтение следует отдать именно неизолированным корпусам с меньшим тепловым сопротивлением кристалл—корпус.

Заявленные характеристики УМЗЧ могут быть обеспечены только при тщательном и грамотном монтаже, особенно выходного каскада. В частности, для минимизации паразитных индуктивностей и наводок от цепей мощных транзисторов. Выходные транзисторы необходимо установить на печатную плату. Блокировочные конденсаторы С14—С19 должны быть присоединены непосредственно к выводам коллекторов выходных транзисторов. Другими выводами конденсаторы соединяются с шиной общего провода, симметрично по обе стороны от центра, которым должна являться точка нулевого потенциала. Эта точка — место соединения кабеля общего провода БП и нулевого провода нагрузки с фольгой общего провода на плате. От этой же точки необходимо разводить и общий провод предварительных каскадов. Поскольку высокоомный выход усилителя напряжения связан с корпусом транзистора VT15 (термодатчика), то он оказывается чувствительным к дополнительным паразитным емкостям. Поэтому провода, идущие kVT15, следует сделать короче и расположить дальше от остальных проводников. Можно пойти и несколько иным путем: пропорционально уменьшить емкость С11, например, до 56 пФ. Необходимо принять меры по недопущению магнитных наводок от сильноточных цепей на дроссели L1, L2; для этого достаточно разместить их ка тушки подальше от наводящих цепей.

При повторении УМЗЧ его нужно дополнить устройством защиты АС от постоянного напряжения на выходе и задержки подключения АС на время переходного процесса при включении. Схемы подобных устройств неоднократно печатались в журнале и поэтому здесь не приводятся.

О налаживании. До установки на плату элементов R25, R28, R53 подбором резисторов R11, R12 устанавливают ток, вытекающий из коллекторов соответственно VT8, VT9, одинаковым для каждого плеча (5 мА). Эту операцию следует проделать, подключая миллиамперметр одним выводом к общему проводу, а другим — поочередно к коллектору VT8 и VT9.

Далее следует установить недостающие элементы и, вращая движок переменного резистора R33, установить требуемый ток покоя, контролируя его по падению напряжения на резисторах R43, R44. Следует иметь в виду, что при нулевом токе покоя выходного каскада существует опасность возникновения самовозбуждения УМЗЧ из-за ухудшения частотных свойств выходных транзисторов и в результате набега фазы в цепи контура общей ООС.

Подстройкой резистора R45 добиваются, чтобы узел защиты не срабатывал на пиках музыкального сигнала.

Измерения искажений проводились при следующих условиях. Функцию спектроанализатора и генератора испытательных сигналов выполнял модуль DRIVE-II совместно со звуковой картой SBLive Platinum (16 бит 48 кГц) под управлением программы SpectraLab 4.32.14 с FFT 65536 pts. Здесь FFT 65536 pts — количество точек быстрого преобразования Фурье, определяющих точность спектрального графика из заданного числа частотных составляющих.

Следует отметить, что встроенный в программу SpectraLab 4.32.14 «генератор сигнала» имеет недостаточную спектральную чистоту, поэтому измерительный сигнал был синтезирован в программе CoolEditPro1.2 со следующими установками:

GenerateTones: MONO 16 bit 48000 Hz BaseFreqiency = 20000, Modylate By = 0 FreqiencyComponents Ox 1 и 1.05 с амплитудами по 50 %, остальные = 0 DCOffset 0 % Flavor = Sine Duration = 30 sec

При сквозном включении (без УМЗЧ) модуль показал достаточно высокие характеристики; уровень разностного тона оказался ниже -96 дБ.

К выходу УМЗЧ был подсоединен безындуктивный резистор с сопротивлением 4 Ом и простейший резисторный делитель, с выхода которого сигнал поступал на вход Lineln2 модуля DRIVE-II. Следует заметить, что на высоких частотах резистивная нагрузка является более жестким тестом в сравнении с реальным громкоговорителем, импеданс которого на высоких частотах, как правило, возрастает.

На время измерений емкость конденсатора С1 увеличена до 6800 пФ для ослабления надтональных помех, способных увеличить интермодуляционные искажения УМЗЧ с глубокой ООС. При выходной мощности 100 Вт уровень разностного тона не превысил -90 дБ.

Поскольку измерение разностного тона двухтонального сигнала нельзя считать всеобъемлющим показателем качества, проводилась проверка на белом шуме с использованием тех же программно-аппаратных средств и того же эквивалента нагрузки. У белого шума (White Noise) цифровым ФВЧ 66-го порядка (Cool Edit Pro, Sientific Filters) были срезаны все частотные составляющие, лежащие ниже 6100 Гц, контролировалась степень засорения средних и низких частот продуктами интермодуляции компонентов шума. Тест не выявил ничего, что позволило бы усомниться в достоверности приведенных в статье цифр (никакого существенного различия между спектром при сквозном соединении ЦАП—АЦП и ЦАП—УМЗЧ—АЦП не наблюдалось).

Более того, проводилась также проверка корректности работы УМЗЧ на реальном сигнале и реальной нагрузке в виде двух соединенных параллельно громкоговорителей сопротивлением по 8 Ом. Для этого сигнал от низкоомного источника — выход Head Phones аналоговой кассетной деки (такой источник сигнала был выбран специально по соображениям отсутствия в его сигнале высокочастотных надтональных помех), временно подавался на нижний по схеме вывод резистора R19, отсоединенный от общего провода. К верхнему по схеме выводу R19 был подсоединен активный щуп и осциллограф С1 -112А. При работе УМЗЧ на значительной громкости напряжение в этой точке не превышало 3 мВ. Это позволяет судить о том, что слежение по цепи общей ОС УМЗЧ в реальных условиях не нарушается.

Частота единичного усиления была измерена для сигнала амплитудой 0,5 В на нагрузке 4 Ом. Так как большие значения опасны для выходных транзисторов из за того, что на частоте 10 МГц возникает значительный сквозной ток, на время измерения конденсатор С1 был отключен, а нагрузка подключена к точке соединения резисторов R43, R44.

 

 



Автор разработки: Я. ТОКАРЕВ



Источник материала
Поделиться в социальных сетях
Категория: Усилители НЧ | Просмотров: 3220 | Добавил: vladnat4 | Теги: НЧ, усилитель | Рейтинг: 0.0/0




Похожие материалы на "УМЗЧ с малыми интермодуляционными искажениями"
Материалы выбраны по тегам: НЧ, усилитель

Всего комментариев: 0
avatar
Авторизация

Реклама
Яндекс.Метрика
Рейтинг@Mail.ru
Рейтинг и каталог сайтов ElectroTOP