УМЗЧ с малыми интермодуляционными искажениями

Теперь, если мы рассмотрим интермодуляционные составляющие, то они будут представлять собой  на просто генерирование сигналов с  увеличением частот в определённое количество раз (что, собственно, и является обертонами), а генерирование сигналов, частоты которых являются суммой и разностью частот генерируемых обертонов, например: f1 + f2, f1 - f2, 2*f1 - f2, 2*f2 + f1, и т.д. Эти комбинации могут  производить интермодуляционные частоты, которые в музыкальном смысле не всегда соотносятся с основными частотами.

Более того, когда создаётся  или воспроизводится комплексный  музыкальный сигнал, то сложное спектральное распределение результатов интермодуляции не только не способствует обогащению гармонической структуры музыки (как это происходит за счёт проявления гармонических искажений, по крайней  мере, гармоник-обертонов низших порядков), но и всё больше начинает напоминать обычное добавление шума.

 

 

1.2 Анализ технических  характеристик

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. Основным преимуществом «вертикальной симметрии» является повышенная линейность, достигаемая за счёт трёх основных факторов:

компенсация входного тока и нелинейностей первого каскада;

идентичные условия возбуждения  обоих плеч выходного каскада;

компенсация нечётных гармонических искажений.

В УМЗЧ используется раздельное питание каскадов, причём 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 счёт 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.

 

 

 

 

 

Технические характеристики

Номинальная выходная мощность на нагрузке 4 Ом, Вт ...............................100 
Входное сопротивление, кОм...............................................................................10 
Входное напряжение, В.....................................................................................0,57 
Коэффициент усиления, дБ .................................................................................30 
Диапазон частот Гц..................................................................................2...100000 
Ток покоя, мА .....................................................................................................100 
Коэффициент интермодуляционных искажений %......................................0,003 
Отношение сигнал/шум в полосе до 30 кГц, дБ, не менее..............................102

 

Номинальная выходная мощность - это мощность на выходе УЗЧ, при которой обеспечивается заданное среднее звуковое давление; при этом коэффициент нелинейных искажений не должен превышать допустимого значения. 

Входное напряжение – минимальное напряжение которое может усилить усилитель в заданном допустимом коэффициенте нелинейных искажений.

Коэффициент усиления– это отношение  выходной мощности к входной мощности сигнала. Коэффициент усиления показывает, на какую величину в децибелах вырастает уровень выходного сигнала по сравнению с его входным уровнем после прохождения через усиливающее устройство. Коэффициент усиления это разность входного и выходного уровней.

Диапазон частот — полоса излучаемых источником частот, после усиления в УМЗЧ

Коэффициент интермодуляционных искажений (от 1.9E-4 до 1.0 %) — КИИ вместе с коэффициентом гармоник является показателем нелинейных искажений усилителя. 
При подаче на вход усилителя двух гармонических сигналов, отличающихся частотой, на выходе помимо них появятся дополнительные сигналы. Их частоты равны сумме и разности частот основных сигналов. КИИ показывает, какую часть от основного сигнала составляют появившиеся дополнительные сигналы.  
 Чем меньше коэффициент интермодуляционных искажений, тем выше верность звучания. У усилителей высокого класса этот показатель составляет сотые доли процента и меньше.

Отношение сигнал/шум — безразмерная величина, равная отношению  мощности полезного сигнала к мощности шума.

 

2. Описание принципиальной схемы

Входной сигнал поступает на ФНЧ R2C1 с частотой среза 160 кГц и далее  поступает на вход парафазного дифференциального  усилителя, выполненного на транзисторах VT1, VT5 и VT2, VT6. На транзисторах VT3, VT4 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 ёмкость 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 ёмкости 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.

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 предотвращают вспышки ВЧ генерации транзисторов, исключают детектирование высокочастотных радиопомех.

С выхода усилителя напряжения сигнал поступает на вход трёхэлементного составного эмиттерного повторителя выполненного на транзисторах VT16— VT21. Ограничительные диоды VD7, VD8 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 исключён.

Низкоомные резисторы R38, R39, R41, R43, R44, R45 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 надёжности.

На транзисторе VT15 и элементах R34—R36, С12 выполнено устройство температурной стабилизации тока покоя. Транзистор VT15, выполняющий роль термодатчика, установлен на одном общем для мощных транзисторов теплоотводе. Конденсатор С12 блокирует модуляцию тока покоя усиливаемым сигналом. На транзисторах VT11—VT14 и VT22 выполнено триггерное устройство защиты от короткого замыкания в нагрузке. При возникновении короткого замыкания VT11 (VT12) шунтируют стабилитроны VD5 (VD6), что приводит к закрыванию выходных транзисторов. Светодиод HL1 индицирует аварийный режим, резистором R49 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.

 

 

Описание элементной базы системы усилителя мощности [4]

Микросхемы

В качестве операционного  усилителя DA1 используется операционный

усилитель К140УД17,представляющий собой прецизионный ОУ,

предназначенный для использования  в радиоэлектронной

аппаратуре народнохозяйственного  назначенияс расширенным 

 

Диапазоном рабочих температур.

Напряжение питания, В (Ucc)        ±16,5

Синфазное входное напряжение, В       ±10

Сопротивление нагрузки, кОм        2,0

Максимальное выходноенапряжение, В      ± 12

Коэффициент усилениянапряжения       200000

Коэффициент ослаблениясинфазных  входных напряжений, дБ  106

 

В качестве операционного  усилителя DA2 используется операционный

усилитель КР1040УД1 – сдвоенный  операционный усилитель с 

внутренней частотной  коррекцией и широким диапазоном

напряжений однополярного  питания.

Напряжение питания, В (Ucc)        5 - 33

Синфазное входное напряжение, В       Ucc-2

Выходной ток, мА            15

Максимальное выходноенапряжение, В      Ucc-1,5

Коэффициент усилениянапряжения       250000

Коэффициент ослаблениясинфазных  входных напряжений, дБ  65

 

 

Транзисторы

BC546B – структураNPN

Макс. напр. к-б (Uкбо макс),В        80

Макс. напр. к-э (Uкэо макс),В        65

Максимально допустимый ток к ( Iк макс.А)     0.1

Статический коэффициент передачи тока h21э мин    240

Граничная частота коэффициента передачи тока fгр.МГц   150

Максимальная рассеиваемая мощность ,Вт      0.63

 

BC556B – СтруктураPNP

Макс. напр. к-б (Uкбо макс),В        80

Макс. напр. к-э (Uкэо макс),В        65

Максимально допустимый ток к ( Iк макс.А)     0.1

Статический коэффициент передачи тока h21э мин    75

Граничная частота коэффициента передачи тока fгр.МГц   300

Максимальная рассеиваемая мощность ,Вт      0.5

 

КП307Г – полевой транзистор с управляющим Р-N переходом, N-типа

Максимальное напряжение сток-исток Uси,В     25

Максимальный ток стока Ic макс при 25С, мА     0.027

Максимальное напряжение затвор-исток Uзи макс.,В    27

Максимальная рассеиваемая мощность Pси макс.,Вт    0.25

Крутизна характеристики S,мА/В       6…12

BC550C – СтруктураNPN

Макс. напр. к-б (Uкбо макс),В        50

Макс. напр. к-э (Uкэо макс),В        45

Максимально допустимый ток к ( Iк макс.А)     0.1

Статический коэффициент передачи тока h21э мин    100

Граничная частота коэффициента передачи тока fгр.МГц   300

Максимальная рассеиваемая мощность,Вт      0.5

BC560C – СтруктураPNP

Макс. напр. к-б (Uкбо макс),В        40

Макс. напр. к-э (Uкэо макс),В        50

Максимально допустимый ток к ( Iк макс.А)     0.1

Статический коэффициент передачи тока h21э мин    330

Граничная частота коэффициента передачи тока fгр.МГц   250

Максимальная рассеиваемая мощность,Вт      0.625

 

2SA1380E – СтруктураPNP

Макс. напр. к-б (Uкбо макс),В        200

Макс. напр. к-э (Uкэо макс),В        200

Максимально допустимый ток к ( Iк макс.А)     0.1

Статический коэффициент передачи тока h21э мин    40

Граничная частота коэффициента передачи тока fгр.МГц   150

Максимальная рассеиваемая мощность,Вт      5

 

2SC3502E – СтруктураNPN

Макс. напр. к-б(Uкбо макс),В        200

Макс. напр. к-э (Uкэо макс),В        130

Максимально допустимый ток к ( Iк макс.А)     0.1

Статический коэффициент передачи тока h21э мин    125

Граничная частота коэффициента передачи тока fгр.МГц   150

Максимальная рассеиваемая мощность,Вт      5

КТ502А – СтруктураPNP

Макс. напр. к-б (Uкбо макс),В        40

Максимально допустимый ток к ( Iк макс,А)     0.15

Статический коэффициент  передачи тока h21э мин    40

Граничная частота коэффициента передачи тока fгр,МГц   5.00

Максимальная рассеиваемая мощность к (Рк,Вт)     0.35