Особенности УНЧ с высоким выходным сопротивлением (теория)
категория Аудиотехника материалы в категории
Подкатегория Схемы усилителей на транзисторах
А. СЫРИЦО, г. Москва
Радио, 2002 год, № 2
По многим эксплуатационным параметрам превосходство УМЗЧ на интегральных микросхемах над УМЗЧ на лампах ныне вне сомнения. Однако не всегда их превосходство подтверждается экспертными оценками качества звучания. Не случайно наши читатели проявляют повышенный интерес к мерам, уменьшающим интермодуляционные искажения в транзисторных усилителях. В предлагаемой статье рассмотрены структуры усилителей с высоким выходным сопротивлением, снижающих эти искажения. Рекомендуем также ознакомиться с содержанием двух первых статей, указанных в литературе.
Анализ статей, опубликованных в [1] и [2], показывает полное совпадение сделанных в них выводов о возможности улучшения качества звуковоспроизведения при возбуждении электродинамического громкоговорителя (ЭДГ) от УМЗЧ с высоким выходным сопротивлением (Rвых) за счет уменьшения интермодуляционных искажений (ИИ). Однако источники возникновения ИИ, описанные в упомянутых статьях, принципиально различны. Если в первой из них основной причиной искажений предполагаются изменения импеданса ЭДГ, то во второй утверждается, что источником ИИ является и УМЗЧ, где возникает интермодуляция усиливаемого сигнала и отклика от ЭДГ, поступающего по цепи общей ООС с выхода усилителя.
Рассмотрим возможные принципы построения УМЗЧ с высоким выходным сопротивлением в соответствии с рекомендациями в [1] и [2].
Наиболее простая модификация усилителя для снижения чувствительности системы УМЗЧ — громкоговоритель к изменению импеданса, как указано в [1], возможна путем замены в УМЗЧ общей ООС по напряжению на ООС по току. Так как при этом необходимое значение Rвых достигается за счет глубокой ООС по току, то выходное сопротивление УМЗЧ без ООС может быть достаточно мало. Это создает широкие возможности для доработки самых распространенных УМЗЧ как в интегральном исполнении, так и на биполярных или полевых транзисторах с эмиттерным (истоковым) повторителем в выходном каскаде.
Упрощенный вариант структуры цепи общей ООС приведен на рис. 1, где датчиком ООС по току служит резистор Rоcз. включенный последовательно с ЭДГ В этой схеме увеличение импеданса ЭДГ с повышением частоты приводит к уменьшению глубины ООС и соответствующему подъему АЧХ с крутизной, не превышающей 6 дБ на октаву. При этом необходимая коррекция АЧХ достигается применением простейшей цепи Rк1Cк1, показанной на рис. 1 пунктиром.
К особенностям УМЗЧ с высоким выходным сопротивлением относится необходимость увеличения напряжения питания на 20...30 % для обеспечения повышенного выходного напряжения из-за изменений импеданса ЭДГ [1].
Оценим применимость УМЗЧ со структурой по схеме на рис. 1 для снижения ИИ, рассмотренных в [2], где основным требованием является исключение условий для воздействия отклика от ЭДГ на усиление других сигналов в петле ООС. Как следует из свойств выходного каскада А1 (см. рис. 1), это требование не выполняется из-за проникновения отклика ЭДГ (в виде ЭДС) в цепь ООС через малое выходное сопротивление исходного усилителя.
Анализ различных схемотехнических решений УМЗЧ показывает, что удовлетворение изложенных в [2] требований к УМЗЧ с низкими интермодуляционными искажениями возможно только при применении выходного каскада УМЗЧ с высоким значением собственного выходного сопротивления (без общей ООС). Это обычно достигается в УМЗЧ с выходным каскадом на транзисторах, включенных по схеме с общей базой (ОБ) или общим эмиттером (ОЭ). То же относится и к каскадам на полевых транзисторах — соответственно для схем с общим затвором (ОЗ) и общим истоком (ОИ).
Известно, что схема включения транзисторов с ОБ (ОЗ) обеспечивает наиболее высокое значение Rвых каскада. При этом, однако, малая величина его входного сопротивления и отсутствие усиления по току существенно ограничивают возможности ее применения. Пример такой структуры выходного каскада предложен в [3]. На рис. 2показан фрагмент выходного каскада усилителя. Здесь мощные транзисторы VT1, VT2 усиливают сигнал лишь по напряжению. Транзисторы VT4, VT5 вместе с эмиттер-ными резисторами каскада стабилизируют его ток покоя в температурном диапазоне, а транзисторы VT3, VT6 ограничивают максимальный ток базы выходных транзисторов. Существенным недостатком этого варианта является двухканальный источник напряжения питания, не соединенный с общим проводом.
Использование в выходном каскаде транзисторов, включенных по схеме с ОЭ (ОИ), имеет большее распространение вследствие достаточно больших значений входного сопротивления каскада и усиления по току и напряжению. При необходимости увеличения Rвых каскада возможно применение дополнительной местной последовательной ООС по току путем включения резисторов в эмиттерные (истоковые) цепи, как, например, в [4] и [5].
Использование исходного УМЗЧ с высоким Rвых не исключает возможности одновременного применения и общей ООС по току при соответствующем увеличении Rвых и повышении точности преобразования входного напряжения в выходной ток.
В этом случае упрощенный вариант схемы УМЗЧ, отвечающей изложенным в [2] условиям, совпадает со схемой УМЗЧ на рис. 1. Таким образом, принципиальное различие в параметрах УМЗЧ для версий по [1] и [2] заключается только в величине Rвых исходного усилителя и необходимости увеличения напряжения питания на 20...30 %. Это необходимо для исключения искажений отклика ЭДГ. Если возникает недостаток напряжения питания, происходит ухудшение качества звуковоспроизведения.
При практической реализации УМЗЧ для решения задач, изложенных в [2], следует учитывать некоторые из его особенностей. Например, лучшая устойчивость в работе достигается в УМЗЧ с инвертирующим входом при минимальном числе каскадов усиления с местной ООС. При возможности следует исключать применение интегральных ОУ или использование их для усиления по напряжению не более 20 дБ.
Не нужно стремиться к получению тысячных долей процента нелинейных искажений, достаточно ограничиться их значением около 0,1...0,2%. Основные усилия необходимо направить на сокращение спектра и частотной зависимости гармонических искажений, их монотонное снижение при уменьшении уровня выходного сигнала.
Глубину общей ООС по току целесообразно ограничить значением 20...30 дБ, так как достаточно высокие параметры УМЗЧ обычно достигаются при коэффициенте преобразования входного напряжения в выходной ток не более 1... 1,5 А/В для выходной мощности 25...40 Вт при импедансе ЭДГ, равном 8 Ом.
Для уменьшения потерь по мощности сопротивление резистора ROC3 рекомендуется выбирать относительно малым. При этом может возникнуть необходимость включения дополнительного усилителя в цепь общей ООС с соответствующим усилением. Тогда коррекцию АЧХ в области высоких частот лучше производить в цепи его местной ООС.
С целью уменьшения искажений при воспроизведении атаки звукового сигнала следует выбирать параметры элементов коррекции Rk2, Ск2 исходя из необходимого запаса по устойчивости, а коррекцию АЧХ в активных громкоговорителях проводить другими средствами.
Выбор схемы УМЗЧ производится по результатам сравнения достигнутых качественных характеристик, объективные измерения которых выполняют стандартными методами. При этом измерения выходного тока могут быть заменены измерениями напряжения, пропорционального выходному току, например, на резисторе ROC3. Бели необходимо прогнозирование результатов субъективной оценки качества (СОК) звуковоспроизведения, измерение нелинейных искажений УМЗЧ следует производить на шумовом сигнале [6], используя в качестве нагрузки реальный ЭДГ.
Оценку изменения качества звуковоспроизведения удобнее производить, пользуясь оперативным переключателем режимов работы УМЗЧ — с высоким или низким значением Rвых. При этом переключении ООС по току замещается обратной связью по напряжению, а элементы коррекции АЧХ отключаются.
ЛИТЕРАТУРА
1. Агеев С. Должен ли УМЗЧ иметь малое выходное сопротивление? — Радио, 1997, № 4, с. 14 — 16.
2. Алейнов А., Сырицо А. Улучшение звуковоспроизведения в системе УМЗЧ — громкоговоритель. — Радио, 2000, № 7, с. 16 — 18.
3. Mills P. G. L., Hawksford М. О. Trans-conductance Power Amlifier System for Current-Driven Loudspeakers. — JAES, vol. 37, 1989, № 10, p. 809 — 822.
4. Жбанов В. Высоколинейный термбста-бильный усилитель НЧ. — Радио, 1983, № 10, с. 44 — 46.
5. Петров А. Два усилителя мощности 3Ч. — Радио, 2000, № 10, с. 14 — 16.
6. Сырицо А. Измерение нелинейных искажений на шумовом сигнале. — Радио, 1999, № 4, с. 29, 30.