Взгляд на искажения, вносимые УМЗЧ изнутри (часть вторая)

Рейтинг: 5 / 5

Подробности: Категория: Все о УЗЧ; Опубликовано: 20.03.2017 15:38; Просмотров: 5436

Понравилась статья - поделись с друзьями

Александр Петров, г. Могилев
(Продолжение. Начало см. Новый взгляд на искажения, возникающие в УМЗЧ (часть первая)

На рис.6 показаны графики АЧХ и ФЧХ, доработанного усилителя Lanzar с буфером, двухполюсной коррекцией в соответствии с [6] и «двойкой» Дарлингтона со спаренными выходными транзисторами, на рис.7 - те же графики усилителя с выходным каскадом [7].

Как видно на рис.5, испытуемый усилитель имеет большие «дрожания» фазы, начиная с частоты 500 Гц, достигающие 96° на частоте 20 кГц, а также амплитуды сигнала как на входе УН, так и на выходе усилителя в звуковом диапазоне.
У разных схем эти зоны распределяются по-разному, в том числе зависит и от частоты первого полюса.
В отличие от рис.5, на рис.6 показаны характеристики УМЗЧ, повторюсь, собранного по аналогичной схемотехнике и также с «двойкой» Дарлингтона, но со спаренными выходными транзисторами. При этом перед выходным каскадом включен буферный каскад (эмиттерный повторитель) с генератором тока 20 мА в цепи эмиттера [6]. Параллельно входу буфера подключен резистор сопротивлением 68 кОм для стабилизации нагрузки УН. В усилителе использована двухполюсная коррекция (Т-образная RC-цепь [6]), которая расширяет линейность и фазовой характеристики. В результате получаем усилитель с минимальными искажениями, как фазы, так и амплитуды сигнала, что благоприятно сказывается на снижении всех видов искажений.
На рис.7 показана «непоколебимость» характеристик усилителя по схеме, аналогичной [7]. Надо полагать, что в этом значительная заслуга «железобетонного» выходного каскада с высокой нагрузочной способностью и стабильным входным сопротивлением, не зависящим ни от нагрузки, ни от амплитуды выходного напряжения. Правда и в этом усилителе есть небольшое дрожание амплитуды сигнала на входе усилителя напряжения (небольшой подъем нижней кривой на частотах 200 кГц...2 МГц на рис.7,а).
Если сравнить характеристики, показанные на рис.6 и рис.7, то можно обнаружить, что характеристики рис.6 мало уступают характеристикам «монстра» рис.7.
Выводы
По результатам исследования ряда схем можно сделать следующие выводы:
1. Так как фазовый сдвиг фильтра первого порядка достигает 45 на частоте среза, а сам сдвиг начинается и того раньше, то, начиная с этой области частот, возникают фазовые искажения в усилителях с нестабильным сопротивлением нагрузки УН. С этой точки зрения в более выгодном положении оказываются усилители с частотой первого полюса за полосой звукового диапазона, т.е. выше 20 кГц (для современных УМЗЧ выше 100 кГц - прим. ред.).
2. Стабильная нагрузка УН способствует минимизации фазовых искажений. Для этой цели часто используют два резистора сопротивлением 6,8... 150 кОм, включенные параллельно входам выходного каскада. Помимо стабилизации нагрузки эти резисторы повышают и частоту первого полюса. Однако у этого способа есть и минус: имеет место увеличение нелинейных искажений из-за уменьшения глубины ООС.
3. Выходной каскад со стабильным входным сопротивлением и высокой нагрузочной способностью -- гарант минимальных фазовых искажений независимо от частоты первого полюса. Как правило, это усилители с «тройкой» Дарлингтона или их эквивалентом (трехкаскадный ВК с различными вариантами каскада Шиклаи) со спаренными выходными транзисторами, а также выходные каскады типа «двойки Дарлингтона» с дополнительным буфером на входе, как в рассмотренном примере. С такими ВК стабилизация входного сопротивления возможна резисторами более высокого сопротивления (100 кОм и более), что способствует увеличению коэффициента усиления УН и в конечном итоге дальнейшему снижению нелинейных искажений.
4. Оптимальная фазовая коррекция способствует не только снижению фазовых искажений, но и нелинейных, особенно на высоких частотах. Для этой цели можно использовать схему двухполюсной коррекции [6].
5. Для стабилизации нагрузки усилителя на высоких частотах (выше 100 кГц) и повышения, таким образом, их устойчивости при работе на комплексную нагрузку (в частности, на емкостную составляющую нагрузки) последовательно с выходом часто используют дроссели индуктивностью 1...10 мкГн, зашунтированные сопротивлением 10...20 Ом. Для большинства схем эти дроссели действительно стабилизируют нагрузку усилителя и стабилизируют кривые АЧХ и ФЧХ вплоть до единичного усиления и далее. Однако ряд схем усилителей оказывается критичным к номиналам этих индуктивностей - с использованием дросселя появляются дополнительные зоны повышенного «дрожания» фазы в звуковом диапазоне.
Практическая схема УМЗЧ
Руководствуясь выше изложенными принципами, был разработан усилитель (рис.8).

В качестве прототипа использована схема усилителя с токовой обратной связью [8]. Отличие состоит в номиналах резисторов и применении в качестве генераторов тока токостабилизирующих диодов типа Е-202, S-202 [9]. При отсутствии CRD-диодов генераторы тока можно выполнить по схеме [8], скорректировав токозадающие резисторы для тока 2 мА. По сравнению с усилителями, охваченными ООС по напряжению, усилители с токовой ООС более широкополосны и более устойчивы к возбуждению. В подавляющем большинстве усилителей, охваченных ООС по напряжению, имеет место фазовый сдвиг выходного сигнала, уже начиная с 10 кГц, что в итоге приводит к синтезу высших гармоник. В предлагаемом усилителе применена двухполюсная коррекция [6], поэтому фазовый сдвиг сигнала начинает появляться только на частотах выше 100 кГц (без конденсатора С2). Для поддержания нуля на выходе усилителя применен интегратор. Величина ООС на инфранизких частотах выбрана минимально необходимой и зависит от номинала резистора R3.
Выходной каскад усилителя выполнен на комплиментарных полевых транзисторах. По сути, выходной каскад представляет собой операционный усилитель со 100% ООС, выполненный по зеркальной схеме на полевых транзисторах. На стабилитронах D5-D8 типа КС156 выполнена схема сдвига уровня.
Входные дифкаскады выполнены на комплиментарных полевых транзисторах типа IRF510, IRF9510 (IRF610, IRF9610). Ток покоя дифкаскада 20 мА и зависит от номинала резисторов R16, R17. Схема сдвига уровня выполнена на диодах D7, D8. Эти стабилитроны также защищают выходные транзисторы от перенапряжения. Частотная коррекция усилителя выполнена на конденсаторах СЗ-С5, С8.
На входе усилителя установлен уже ставший традиционный RC-фильтр R1C2 с частотой среза 240 кГц. Питание усилителя напряжения выполнено от отдельного двуполярного источника напряжения. Такое решение благоприятно сказывается на снижении искажений. АЧХ и ФЧХ УМЗЧ при изменении сопротивления нагрузки от 1 до 8 Ом показаны на рис.9.

Как видно из рис.9, ни в одной точке АЧХ и ФЧХ усилителя нет ни малейших «дрожаний» ни фазы, ни амплитуды, что является залогом отсутствия частотной модуляции.

На рис.10 и рис.11 показаны спектры гармоник на частоте 20 кГц при выходной мощности 1 Вт и 100 Вт, как видно на рис.10 и рис.11, в спектре полностью отсутствуют высшие гармоники до 400 кГц, на малой мощности присутствует только вторая гармоника, а на полной мощности - вторая и третья. В то же время, в большинстве транзисторных усилителей уровень высших гармоник, при увеличении выходной мощности, имеет тенденцию к росту.
Усилитель имеет следующие характеристики:
1. Коэффициент усиления без ООС - 72 дБ;
2. Коэффициент усиления с ООС -24 дБ;
3. Частота среза без ООС -12 кГц;
4. Выходная мощность на нагрузке 4 Ом - 100 Вт;
5. Чувствительность - 1,2 В;
6. Входное сопротивление - 47 кОм;
7. Коэффициент нелинейных искажений на частоте 1 кГц -0,003% (100 Вт), 0,0004% (1 Вт);
8. Коэффициент нелинейных искажений на частоте 20 кГц -0,01% (100 Вт), 0,0008% (1 Вт).
Детали УМЗЧ
При нагрузке 8 Ом в качестве выходных транзисторов в УМЗЧ можно использовать любые транзисторы из указанных в таблице.

При нагрузке 4 Ом желательно использовать транзисторы большей мощности и с большим максимальным током. Ток покоя выходного каскада в пределах 40...60 мА задается резистором R19.
При использовании транзисторов 2SK1529, 2SJ200, 2SK1530, 2SJ201 последовательное резистором R19 необходимо включить диод типа КД522 и закрепить его на теплоотводе транзистора. В качестве операционного усилителя можно использовать К544УД1, К544УД2 или аналогичный с полевыми транзисторами на входе. В качестве VT1-VT4 можно использовать любые маломощные транзисторы с допустимым напряжением не менее 50 В, их желательно отобрать по коэффициенту передачи тока. В качестве VT5, VT6 можно использовать BD139, BD140 или аналогичные. Резистор ООС R31 мощностью 2 Вт можно составить из трех последовательно включенных резисторов номиналом 120 Ом и мощностью по 0,5 Вт каждый.
РА 4'2011
(Продолжение следует)