Использование печатных плат в схемах усилителей низкой частоты

Эта статья рассматривает специальные вопросы проектирования и использования печатных плат применительно к усилителям мощности, особенно для тех, которые работают в классе В. Все усилители мощности имеют в своем составе каскады усиления мощности как таковые и связанные с ними схемы управления и защиты. Большинство усилителей также имеет малосигнальный НЧ каскад, выходные усилители с симметричным выходом, фильтр дозвуковых частот, измерители выходного сигнала и т.д.

Также рассматриваются и другие вопросы, относящиеся к проектированию печатных плат, такие как заземление, вопросы безопасности, надежности и т. д. Рабочие характеристики низкочастотного усилителя мощности зависят от большого количества факторов, во всех случаях тщательная проработка печатной платы является определяющей, прежде всего из-за опасности возникновения искажений, вызываемых индуктивными помехами; возможное взаимодействие между цепями прохождения сигнала и шинами питания очень легко может явится причиной ограничения линейности характеристик усилителя, поэтому очень трудно переоценить важность данной проблемы. Выбранная схема (расположения компонентов и рисунка токопроводящих дорожек) печатной платы будет в значительной степени определять как уровень искажений, так и уровень перекрестных помех усилителя.

Помимо изложенных соображений относительно рабочих характеристик усилителя схема печатной платы будет оказывать значительное влияние на технологичность монтажа, простоту проверки, доступность для ремонта и надежность. Все из вышеперечисленных аспектов проблемы рассматриваются ниже.

Успешная разработка схемы печатной платы усилителя требует определенных знаний по электронике, позволяющих понимать все тонкости описанных ниже эффектов, чтобы процесс разработки печатной платы проходил гладко и эффективно. Уже считается общепринятым при разработке печатных плат для различных областей электроники отдаваться во власть профессионалов, которые, будучи весьма осведомлены в тонкостях работы с автоматизированными системами проектирования, имеют весьма смутное или даже полнейшее отсутствие понимания тонкостей работы электронных схем. Для некоторых областей такой подход оказывается приемлемым; при проектировании усилителя мощности он оказывается полностью неадекватным из-за того, что основные характеристики, такие как перекрестные помехи и уровень искажений, весьма сильно зависят от монтажной схемы. Чуть ниже проектировщик печатной платы окажется в состоянии понять, о чем, собственно, идет речь.

Перекрестные помехи

Перекрестная помеха (или явление «перетекания» сигнала из одного канала в другой, электрические наводки, вызванные прохождением сигнала в соседних проводах) характеризуется, прежде всего, источником сигнала (которым может служить любое комплексное сопротивление) и приемником, обычно имеющим более высокое значение комплексного сопротивления, или потенциал виртуальной, «плавающей» земли. Когда обсуждаются перекрестные помехи в каналах связи, обычно передающий и принимающий каналы называются соответственно речевым и неречевым каналами.

Перекрестные помехи возникают и проявляются в различном облике:

Емкостные перекрестные помехи являются следствием близкого расположения в пространстве двух электрических проводников и могут быть представлены с использованием виртуального ( или эффективного) конденсатора, соединяющего две цепи. Емкость такого конденсатора возрастает с увеличением частоты пропорционально значению 6 дБ/октаву, хотя возможны и более высокие скорости увеличения емкости. Экранирование проводников любым проводящим материалом полностью решает проблему, хотя увеличение расстояния между такими проводниками оказывается менее дорогостоящим способом.
Резистивные перекрестные помехи возникают по той простой причине, что сопротивление шин заземления отличается от нулевого значения. Медь при комнатной температуре не является сверхпроводником. Резистивные перекрестные помехи не зависят от частоты.
Индуктивные перекрестные помехи редко представляют проблему при разработке аудиоаппаратуры; они могут возникать при опрометчивой установке двух низкочастотных трансформаторов слишком близко друг к другу, но помимо этого случая об этой проблеме обычно можно и забыть. Существенным исключением из этого правила является низкочастотный усилитель мощности класса В, в котором токи, протекающие по шинам питания, имеют форму полусинусоид и которые могут серьезно отразиться на уровне искажений усилителя, если им будет позволено взаимодействовать с цепями входного сигнала, контуром обратной связи или цепями выходного каскада.

В большей части линейных низкочастотных цепей основной причиной перекрестных помех является нежелательная емкостная связь между различными цепями схемы, и в подавляющем большинстве случаев она определяется рисунком (трассировкой) проводов и токопроводящих дорожек печатной платы. В противоположность этому усилители мощности класса В страдают практически в незначительной или даже в пренебрежимо малой мере от перекрестных помех, вызванных емкостными эффектами, так как полные комплексные сопротивления цепей стремятся сделать небольшими, а расстояния между ними достаточно большими; гораздо большую проблему представляет индуктивная связь между шинами, по которым протекают токи питания, и цепями, по которым проходит сигнал. Если такая связь возникает между цепями одного канала, то она проявляется в виде искажений и может привести к значительной нелинейности характеристик усилителя. Если это взаимодействие распространяется на другой (неречевой) канал, то она проявится в виде перекрестных помех искаженного сигнала. В любом случае такая связь крайне нежелательна и для предотвращения ее появления должны быть предприняты специальные меры.

Трассировка печатной платы только один элемент этой борьбы, так как перекрестные помехи должны каким-то образом не только излучаться, но также и где-то приниматься. Как правило, источником максимального излучения будут собственные, внутренние электрические провода благодаря их общей длине и распространенности, схема трассировки проводов, возможно, будет наиболее критичной для достижения наилучших рабочих характеристик, поэтому для их закрепления необходимо использовать различные фиксаторы, кабельные зажимы и т.п. В качестве принимающего устройства выступают чаще всего входные цепи и цепи обратной связи, которые также располагаются на печатной плате. Для хорошей работы устройства необходима проработка этих вопросов с точки зрения максимальной защищенности от излучения.

Искажения, вызванные наводками шин питания

По шинам питания усилителя мощности класса В протекают очень большие и очень искаженные по форме токи. Как уже подчеркивалось ранее, если за счет индукции будет допущено их взаимодействие на цепи, по которым проходит акустический сигнал, то уровень искажений резко возрастет. Это относится к проводникам печатной платы, а точно так же к кабельным соединениям, грустная правда заключается в том, что достаточно просто изготовить печатную плату усилителя, которая будет абсолютно идеальной во всех отношениях, за исключением только этого одного требования, и единственным решением будет использование второй платы. Все же для получения оптимального результата следует руководствоваться следующими требованиями:

Необходимо свести у минимуму электромагнитное излучение от шин питания, расположив шины положительного и отрицательного напряжений настолько близко друг от друга, насколько это возможно физически. Их следует располагать как можно дальше от входных цепей каскада усилителя и соединительных выходных клемм; лучшим методом будет подводить провода шин питания к выходному каскаду с одной стороны, а остальные провода усилителя – с другой. Затем следует проложить провода от выхода, чтобы питать остальную часть усилителя; по ним уже не будет проходить ток, имеющий однополупериодную форму, поэтому он не вызовет проблем.
Необходимо свести у минимуму поглощение электромагнитного излучения шин питания, сведя к минимуму площадь контуров, охватываемых проводами входной цепи и цепи обратной связи. Они образуют замкнутые контуры через землю, поэтому площадь контуров, охватываемых ими, должна быть минимальной. Достаточно часто наилучший результат может быть получен путем максимального пространственного разнесения и прокладывания проводов входных цепей и контура обратной связи поперек дорожки НЧ заземления, которая проходит через центр печатной платы от входной до выходной точки контура заземления. Индуктивные искажения также могут встречаться при взаимодействии с выходными проводами и проводами выходного заземления. Последний случай представляет достаточно серьезную проблему, так как обычно трудно изменить его положение в пространстве без обновления самой печатной платы.

Установка выходных полупроводниковых приборов

Наиболее важное принципиальное решение заключается в том, стоит ли устанавливать мощные выходные приборы на основной печатной плате усилителя. Существует ряд сильнейших аргументов в пользу такого решения, но, тем не менее, не всегда такой выбор является наилучшим.

Преимущества:

Печатная плата усилителя может быть рассчитана таким образом, чтобы сформировать конструктивно законченный блок, который может быть тщательно проверен до того, как он будет установлен на шасси. Такой подход значительно облегчает тестирование, так как обеспечен доступ к различным точкам схемы со всех сторон; он также устраняет вероятность поверхностных повреждений самой печатной платы (царапины и т.п.) во время проверки.
Исключено неправильное подключение выходных полупроводниковых приборов при условии, что необходимые полупроводниковые приборы установлены в правильных положениях. Это достаточно существенный аргумент, так подобные ошибки обычно выводят из строя выходные полупроводниковые приборы, а также приводят к другим негативным эффектам, развивающихся по принципу падающих костяшек домино, и на исправление которых потребуется большое количество времени (и средства).
Все соединительные провода, ведущие к выходным полупроводниковым приборам, должны быть как можно короче. Это помогает увеличить устойчивость выходного каскада и противостоять возникновению ВЧ колебаний.

Недостатки:

Если выходные приборы усилителя требуют частой замены (что со всей очевидностью говорит о какой-то очень серьезной недоработке), то повторяющаяся операция по перепаиванию повредит дорожки печатной платы. Однако если случилось самое худшее, то поврежденный участок может быть всегда заменен коротким проводником, поэтому нет необходимости отправлять печатную плату в утиль; будьте уверены, всегда возможно осуществление подобного варианта ремонта.
Вполне возможно, что выходные полупроводниковые приборы могут нагреваться очень сильно, даже если они работают в номинальных режимах; для приборов типа ТО3 температура корпусов 90 °С не является чем-то необычным. Если используемый метод монтажа не допускает некоторой степени упругости, то тепловое расширение может привести к возникновению механических усилий, которые способны оторвать крепежные прокладки печатной платы.
Теплоотводящий радиатор будет иметь, как правило, значительные размеры и массу. Поэтому необходимо применять достаточно жесткую конструкцию, крепящую печатную плату и радиатор. В противном случае вся конструкция из-за отсутствия достаточной жесткости будет при транспортировке вибрировать, создавая избыточные усилия в местах пайки соединений.

Автор: Douglas Self (из книги Audio Power Amplifier Design Handbook, 3 edition)