УМЗЧ на микросхеме LM3886 с глубокой ООС

Рейтинг:  0 / 5

Подробности

Категория: УМЗЧ на микросхемах

Опубликовано: 10.01.2019 12:55

Просмотров: 3177

А. Литаврин, г. Березовский Кемеровской обл.
В статье предложен усилитель мощности на популярной микросхеме, отличающийся использованием ИТУН в качестве входного буферного каскада и параллельной ООС, Эта особенность позволила получить в рабочей полосе частот максимально возможную глубину обратной связи, достигаемую для микросхемы и существенно уменьшить её нелинейные искажения и шумы в сравнении с типовым включением.

В этой статье продолжается тема максимизации отрицательной обратной связи (ООС) в УМЗЧ с учётом их схемотехнических особенностей. Как отмечено в [1], основная идея такого подхода состоит в том, чтобы обеспечить максимальное снижение нелинейных искажений в мощных каскадах усилителей.
Напомним, что для кардинального снижения нелинейных искажений глубина ООС должна быть максимальной при очень большом запасе усиления внутри петли. В пределе ООС может быть стопроцентной, что, например, для мощного ОУ означает прохождение искажений сигнала на инвертирующий вход без ослабления. Сама ООС должна обеспечивать крайне малое время реакции в петле ООС (ВРП ООС) [1, 2].
Подобные принципы, по сути, являются фундаментом, на котором базируются прочие параметры усилителя. Однако в явном большинстве УМЗЧ эти условия выполняются лишь частично.
Автором этой статьи на протяжении ряда лет опубликовано несколько схем УМЗЧ различной степени сложности [1—3], в которых достаточно полно реализованы достоинства многоканальных усилительных структур (МКУС), в том числе с усилением мощности на микросхеме LM3886 [2], однако упрощённым такой усилитель назвать сложно.
Если же в УМЗЧ не использовать структуру МКУС, то можно реализовать только один из трех важных критериев — стопроцентную ООС в рабочей полосе частот, охватывающую каскады, вносящие заметные нелинейные искажения. Структура такого усилителя показана на рис, 1 (рис. 2 в [1]).

Здесь входной источник токa,управляемый напряжением (ИТУН), создаёт входной ток для инвертирующего усилителя. Этим и создаются условия для получения стопроцентной ООС. Сразу заметим, что для минимизации общих нелинейных искажений ИТУН должен работать в малосигнальном режиме (на уровне не более -40 дБ от максимального). Его практическая схема может быть реализована на основе различных полупроводниковых приборов, в том числе и высококачественных ОУ.
В целом это универсальная структура, которая подходит для любых микросхем УМЗЧ, в том числе и мощных ОУ, но среди них очень мало скорректированных для коэффициента усиления по напряжению К_U = 1, хотя многие маломощные ОУ имеют такую же фазово-частотную коррекцию. Не обладает такой коррекцией и микросхема усилителя мощности LM3886 [4), способная обеспечить выходную мощность до 68 Вт на нагрузке сопротивлением 4 Ом.
Устойчивая, без признаков возбуждения, работа та кого усилите л я возможна только при K_U ≥10. Но уже при K_U = 5 микросхема может проявлять неустойчивость при перегрузке, а при K_U= 2 микросхема LM3BB6 явно склонна к самовозбуждению. То есть получается, что при попытке уменьшать коэффициент ослабления а петле ООС усилитель становится неустойчивым.
Понятно, что здесь устойчивость необходима именно а области высоких частот (выше 100 кГц). Поэтому можно создать необходимый коэффициент передачи по петле ООС на высоких частотах» а на низких, звуковых, получить ООС почти без ослабления. Такой компромиссный вариант реализован в структурной схеме, показанной на рис. 2.
В такой структуре микросхема УМ3Ч охвачена частотно-зависимой ООС в виде RC-делителя из звеньев R2C1 и R3C2. причём R3/R2 - С1/С2 = 10, На звуковых частотах этот делитель не действует, и ООС осуществляется через резистор R1. Благодаря этому и получается стопроцентная OOC, без ослабления. По такому принципу и работает УМ3Ч, схема которого показана на рис. 3, где входной ИТУН и усилитель мощности на микросхеме LM3886 представлены как два каскадно-соединяемых узла.

Глубина ООС в такой структуре возрастёт на 26 дБ (в 20 раз) относительно значения [4] для типовой схемы включения. Но на высоких частотах она будет менее глубокой, т. е. усилитель будет обладать меньшим запасом усиления внутри петли. В этом случае применительно к микросхеме LM3886, помимо снижения уровня нелинейных искажений, улучшаются шумовые характеристики (отношение сигнал/ шум), Время реакции петли ООС (ВРП ООС) будет, однако, связано с частотой среза частотно-корректирующего делителя.
Основные
технические характеристики
Выходная мощность, 8т, на нагрузке
8 Ом........................29
4 Ом........................51
Коэффициент гармоник в полосе 3Ч, %, не более .......0,01
Выходное сопротивление, Ом .......,.................0,01
Полоса рабочих частот, кГц. ,....................0...20
Выходное сопротивление цепи ООС в типовой схеме включения [4] приблизительно равно сопротивлению резистора, замыкающего цепь ООС на общий провод, — 1 кОм. В предлагаемой версии выходное сопротивление петли ООС приблизительно равно сопротивлению резистора 2R1 (5,1 кОм), который выбран относительно низкоомным с целью уменьшения влияния входной нелинейности и шумового тока микросхемы и самого резистора.
Немного о каскаде ИТУН, выполненного на комплементарных транзисторах. Они образуют симметричную усилительную структуру ОЭ—ОЭ с местной ООС, повышающей выходное сопротивление каскада. Сигнал, поступающий на вход усилителя, приходит на базы транзисторов VT1 и VT2, которыми усиливается по напряжению в соотношении К_U1 = R7/R5 = R8/R2. .Далее с коллекторов VT1, VT2 сигнал поступает на базы транзисторов VT3, VT4, образующих в коллекторной цепи источник переменного (двунаправленного) тока. Токовые сигналы ИТУН с этих транзисторов суммируются и поступают на вход микросхемы LM3886, охваченной параллельной ООС через резистор 2R1 сопротивлением 5,1 кОм, В этом случае крутизна передачи этого ИТУН равна 5 мА/В. В результате коэффициент передачи по напряжению в этом УМЗЧ получается равным 25 (К_U = 2R1 x 5 мА/В).
Ток коллектора транзисторов VT1, VT2 задан резисторами R5, R6 и R1, R2, а также питающим напряжением (+/-12 В). Соответственно, изменение питающего напряжения ИТУН приводит к изменению его электрического режима. Как следствие, постоянная состав-ляющан выходного тока ИТУН сильно зависит от точности и стабильности питающего напряжения, поэтому стабильность напряжения питания должна быть высокой.
При настройке ИТУН его удобно подключить к отдельному нагрузочному резистору сопротивлением 200 Ом. В
этом случае при крутизне ИТУН 5 мА/В выходное напряжение на этом резисторе (К_U = 1 = 200 Ом х 5 мА/В) будет равно входному. Диоды VD1, VD2 при налаживании ИТУН следует отключить. В качестве входного ИТУН возможно применение и других вариантов схемы, например, по рис. 4 в [1].
При больших уровнях ВЧ- сигнала (с амплитудой фронта импульса на выходе мощного ОУ более 30 В) фазово-частотная коррекция ОУ может оказаться недостаточной. Но здесь следует отметить, что звуковые сигналы, где присутствовали бы мощные ВЧ-импульсы, отсутствуют. Как следствие, при работе УМЗЧ в линейном режиме (т. е. без перегрузки) его устойчивость к возбуждению сохраняется высокой, что обусловлено достаточным для такого режима запасом фазово-частотной коррекции микросхемы.
Но также понятно, что при выходе из режима перегрузки УМЗЧ сигналом большого уровня его низкая перегрузочная способность по входу приводит к его кратковременной неустойчивости. На рис. 4 показаны осциллограммы входного сигнала частотой 5 кГц (жёлт,), выходного сигнала (красн.) при нагрузке сопротивлением 4 Ом и без нагрузки (голуб., смещено на полпериода для удобства наблюдения).

В целом это явление связано с конечным значением ВРП ООС (особенно при работе на низкоомную нагрузку) и отсутствием достаточного запаса фазово-частотной коррекции для отработки скачка напряжения при выходе из ограничения. Последнее означает, что для сохранения устойчивости усилителя и при выходе из ограничения можно рекомендовать увеличение коэффициента ослабления на ВЧ в цепи ООС до 26 дБ.
В реальной конструкции усилителя, работающего от различных источников сигналов, в том числе и с постоянной составляющей выходного напряжения, следует применить входной разделительный RC-фильтр из плёночного конденсатора ёмкостью не менее 2,2 мкФ и резистора сопротивлением 47 кОм.
Акустическую систему, присоединяемую через акустический кабель, следует подключать к выходу УМЗЧ через параллельную RL-цепь с резистором сопротивлением 10 Ом (мощность 1—2 Вт) и катушкой индуктивностью 1...1,5мкГн, намотанной обмоточным проводом диаметром 0.8...1 мм.
ЛИТЕРАТУРА
1 Литаврин А. МКУС в УМЗЧ с биполярными и полевыми транзисторами (универсальная структура). — Радио, 2015, № 10, с. 12-16; № 11. с. 7-9.
2. Литаврин А. МКУС в усилителях с интегральными микросхемами мощных УМЗЧ (универсальная структура). — Радио. 2016, №4, с 13-18.
3. Литаврин А. Многоканальная усилительная структура в УМЗЧ класса D. — Радио, 2017, №6, с. 8—10, №7, с. 7-11.
4. LM3886 — Audio Power Amplifier. — URL: http://www.ti.com/lit, ds/symlink/ Im388e.pdf (10.07.18).
Радио №11 2018
Ссылки
Усилитель мощности на TDA7294 (2x100 Вт)
300-ваттный (на 4 Ома) УМЗЧ Владимира Горева
Ламповый двухтактный усилитель с нетрадиционным питанием
УМЗЧ на TDA7250 мощностью 100 Вт
АВТОМОБИЛЬНЫЙ УМЗЧ