Качество и схемотехника УМЗЧ

Изготовление высококачественного УМЗЧ — еще не решение проблемы, так как он — лишь одно из звеньев цепи устройств, образующих звуковоспроизводящий комплекс. И создавать такой комплекс следует системно, начиная с разработки требований, основанных как на желаемых результатах, так и на имеющихся возможностях. При этом в расчет должны приниматься не только технические характеристики звуковоспроизводящего тракта, но и параметры громкоговорителей, акустические параметры помещения, вопросы эргономики и надежности. Многие из этих требований взаимно противоречивы, поэтому решение такой задачи под силу только большому, связанному общей идеей коллективу конструкторов, каким является армия радиолюбителей.

Хотелось бы продолжить разработку идей, способствующих достижению высоких результатов при изготовлении высококачественных комплексов различной степени сложности. И начать не с их электрических характеристик, а с состава и конструктивного оформления.

По мнению автора, в радиокомплекс, кроме усилительно-коммутационного устройства, должны входить ЭПУ, кассетный магнитофон-приставка и тюнер с основными параметрами, обеспечивающими суммарный эффект, соответствующий акустическим характеристикам громкоговорителей. В комплекс может входить и катушечный магнитофон с более высокими параметрами, чем другие блоки, для перезаписи программ с кассет и катушек. Конструктивно названные части радиокомплекса должны быть объединены в неделимый музыкальный центр. Существующее мнение о возможном дальнейшем развитии радиокомплекса, блоки которого соединены между собой многочисленными кабелями, не разделяется автором. Дело в том, что при согласованных характеристиках блоков, обеспечивающих заданное качество вуковоспроизведения, улучшение параметров одного из них не приведет к улучшению суммарного эффекта. Последний может быть получен только в том случае, если радио-комплекс состоит из элементов с различными, заведомо худшими параметрами качества, а это в корне неверно. Но если даже такой радиокомплекс удовлетворяет по звучанию своего владельца при работе на громкоговорители низкой группы сложности, то он немедленно перестанет его удовлетворять после замены их акустической системой более высокой группы: сразу начнут проявляться недостатки слабых звеньев.

Таким образом, при замене громкоговорителей неминуемо возникает необходимость замены и других блоков, а в случае согласованности их характеристик — и всего радиокомплекса. Поэтому-то и целесообразно выполнять его в виде объединенных в музыкальный центр блоков, согласованных по основным параметрам. Такая конструкция комплекса обеспечивает повышение надежности, улучшение качественных и эргономических характеристик. Выигрыш в надежности обусловливается отсутствием соединительных кабелей и невозможностью неправильных соединений, в технических характеристиках – облегчением борьбы с фоновыми наводками, в эргономике -возможностью целесообразного размещения органов управления и самих узлов при компоновке музыкального центра в целом.

Тезис: громкоговорители — важнейший компонент радиокомплекса, вряд ли требует особых пояснений. Можно говорить о качестве любого звена звуковоспроизводящего тракта, о влиянии его параметров на качество звуковоспроизведения, но если электроакустический, преобразователь не может преобразовать электрические сигналы в звуковые в определенном диапазоне частот с приемлемым уровнем искажений, то никакое улучшение других узлов тракта, как правило, не приведет к пропорциональному улучшению звучания. Конечно, степень демпфирования громкоговорителей выходным сопротивлением УМЗЧ может в некоторой степени влиять на качество воспроизведения, но только до тех пор, пока она не достигнет предельного для данного электроакустического преобразователя значения. Частотной коррекцией усилителя можно расширить диапазон воспроизводимых акустической системой частот, но в ущерб другому параметру — динамическому диапазону усиливаемых без нелинейных искажений сигналов.

Громкоговорители приходится выбирать не только по параметрам и стоимости, но и с учетом возможности их размещения в жилом помещении, где они, видимо, не должны являться главным элементом интерьера. Последнее обстоятельство часто является определяющим: далеко не каждая семья рискнет сделать главным украшением своей квартиры два громоздких и не всегда изящно оформленных громкоговорителя.

Для ликвидации разрыва между желаемым качеством звуковоспроизведения и возможностями размещения громкоговорителей в квартире основные усилия промышленности и радиолюбителей-конструкторов следует, видимо, направить на создание достаточно высококачественных малогабаритных, эстетически грамотно оформленных и доступных но цене акустических систем. Их частотный диапазон, по мнению автора, должен быть не уже 30…16 000 Гц. Дальнейшее его расширение для бытовой радиоаппаратуры вряд ли целесообразно. Коэффициент гармоник в указанном диапазоне частот не должен превышать 3 % при номинальной мощности 25 Вт.

Практически такие же требования по частотной характеристике следует предъявить н ко второму по значимости звену радиокомплекса — УМЗЧ: оптимальным диапазоном частот дли него можно считать 20-20000 Гц (при спаде АЧХ на краях не более – 3 дБ). Не принципиальным был бы и коэффициент гармоник, который вполне мог бы достигать 0,5-1%, если бы нелинейность амплитудной характеристики УМЗЧ не приводила к появлению негармонических составляющих в спектре усиливаемого сигнала, называемых нитермодуляционными искажениями. Именно они, а не гармонические составляющие, являются источником неприятных призвуков. Частотные компоненты, лежащие за верхней границей звукового .диапазона и, следовательно, не слышимые ухом, при близком их расположении на частотной оси могут порождать комбинационные частоты, попадающие в область максимальной чувствительности человеческого уха [6]. Высокая крутизна характеристик биполярных транзисторов, а следовательно, и кривизна (нелинейность) приводят к появлению комбинационных составляющих довольно высокого (6-го – 10-го) порядка со значительными уровнями.

Борьба с интермодуляционными искажениями, возникающими при ограничении сигнала, довольно проста: достаточно правильно выбрать амплитуду напряжения на входе УМЗЧ.

Пикфактор многочастотного сигнала близок, к пикфактору шума и наиболее вероятно равен 3. Следовательно, величина входного напряжения для неискаженного звуковоспроизведения должна быть в 3 раза меньше максимального значения, при котором выходной синусоидальный сигнал еще не искажается. Требуемый уровень входного напряжения подбирают при установке регулятора громкости в положение, соответствующее максимальной громкости. Следует, однако, учесть, что средняя мощность на выходе при этом будет примерно равна 0.1 от номинальной, и громкость звучании для выбранной акустической системы и конкретного помещения будет определяться именно ею. Учитывая, что наиболее типичный объем жилого помещения, составляющий 40-60 м³, требует подведения средней мощности около 4 Вт, номинальная суммарная мощность стереофонического УМЗЧ должна составлять 40 Вт – по 20 Вт на канал. Это значение и следует, по мнению автора, считать минимальным для высококачественного звуковоспроизведения.

Очевидно, что при указанной выходной мощности интермодуляционные искажения должны быть ниже уровня шумов УМЗЧ. Однако измерить интермодуляционные искажения с уровнем -70 дБ (0,03%) в присутствии основного сигнала большого уровни можно только при наличии анализатора спектра с динамическим диапазоном не менее 80 дБ. К сожалению, такие приборы практически недоступны большинству радиолюбителей. Косвенно о величине интермодуляционных искажений можно судить по коэффициенту гармоник, однако измерить и этот параметр на уровне -70 дБ также практически нечем: подходящего измерителя нелинейных искажений среди доступных радиолюбителю нет.

Правда, существует известный метод взаимной компенсации входного и выходного сигналов УМЗЧ. Оценка искажений таким способом наиболее приемлема для радиолюбителей, однако при уровнях -70 дБ и в этом случае возникают определенные трудности. Поэтому первоочередной задачей радиолюбителей-конструкторов, по мнению автора, следует считать разработку доступных для повторения интермодулометров. А до их появления придется пользоваться менее объективными, но более доступными методами.

Метод экспертиз, дает хорошие результаты и доступен широкому кругу радиолюбителей. Наблюдения Ю. Солнцева хорошо согласуются с наблюдениями автора. Некоторые выводы из них стоит повторить, придав им смысл критериев оценки качества. Это, во-первых, достижение наилучшего звучания высококачественных фонограмм при установке органов регулировки АЧХ предварительного усилителя в среднее положение. Всякое желание придать АЧХ форму, отличную от линейной, особенно в области высших частот, всегда свидетельствует о нелинейности амплитудной характеристики УМЗЧ, приводящей к появлению интермодуляционных и гармонических составляющих в спектре выходного сигнала.

Во-вторых, испытание усилителя сигналом того же музыкального содержания, но с внесенными в него гармоническими искажениями, например, при записи на магнитофон относительно невысокого качества. Чем линейнее УМЗЧ, тем менее будет кажущееся отличие от оригинала. Наличие в спектре фонограммы гармонических составляющих, еще не очень снижающих качество при воспроизведении через УМЗЧ с линейной амплитудной характеристикой, приводит к интермодуляционным искажениям и негармоническому засорению выходного сигнала при прослушивании через усилитель с недостаточно линейной характеристикой, что сразу улавливается даже не очень искушенным слухом.

К объективным методам оценки качества УМЗЧ, как, впрочем, и любого радиоэлектронного устройства, следует отнести экспертизу схемотехнических решений. Конечно, такая оценка требует определенных знаний в области радиоэлектроники и не под силу радиослушателям без радиотехнической подготовки, однако она вполне доступна радиолюбителям, способным сравнить схемотехнические особенности того или иного усилителя по предлагаемой ниже методике.

Прежде всего следует обратить внимание на выходной каскад УМЗЧ. Известно, что добиться приемлемого уровня нелинейных искажений в усилителях, работающих в режиме В, при малой выходной мощности очень трудно.

Известно также, что режим А в УМЗЧ приводит к недопустимому снижентю КПД и существенным конструктивным затратам на отвод тепла от выходных транзисторов.

Промежуточный режим АВ тоже нелишен недостатков: он требует тщательного выбора режима транзисторов выходного каскада и температурной стабилизации их тока покоя. Применение различных тепловых ООС конструктивно сложно и недопустимо инерционно. Токосъемы подстроечных резисторов, с помощью которых устанавливают ток покоя выходных транзисторов, со временем окисляются и могут стать причиной выхода транзисторов оконечного каскада из строя.

Наиболее удачным решением, по мнению автора, является сочетание усилителей, работающих в режимах А и В (и даже А и С), причем такое, в котором при малой выходной мощности работает только первый из них, а при большой мощности — оба (маломощный усилитель, работающий в режиме А, является одновременно возбудителем выходного каскада, транзисторы которого работают в режиме В и закрыты при малых уровнях сигнала). Это позволяет отказаться от стабилизации рабочей точки транзисторов оконечного каскада, обеспечив постоянство режима только маломощного усилителя. ООС в подобных усилителях работает в режимах как малого, так и большого сигналов, что достигается прямой связью входа и выхода оконечного каскада.

Для повышения линейности амплитудных характеристик предварительных усилителей напряжение питания должно значительно (в 5-10 раз) превосходить амплитуду необходимого выходного напряжения. Это особенно важно для усилительных каскадов темброблоков и эквалайзеров, в которых линейность усиления должна обеспечиваться при максимальном подъеме АЧХ в соответствующих областях звукового диапазона частот.

С этой же целью предварительные усилители должны быть выполнены на основе дифференциальных каскадов в комбинации с эмиттерными повторителями. Преимущество первых – значительно большая линейность по сравнению с каскадом ОЭ (для получения коэффициента гармоник, равного 1%, на вход каскада ОЭ достаточно подать напряжение 1 мВ тогда как дифференциальный каскад вносит такие искажения при уровне, в 18 раз большем), вторых — 100 %-ная ООС по току, исправляющая искажения, и низкое выходное сопротивление, уменьшающее наводки.

Очень существенно распределение усиления по тракту радиокомплекса. С одной стороны, номинальное входное напряжение УМЗЧ должно гарантировать отсутствие фоновых наводок и значительное превышение сигнала над шумом (те же 70 дБ), с другой стороны – оно не должно приводить к искажениям сигнала в предварительных усилителях из-за захода пиков сложного сигнала в область ограничения.

Наиболее правильным было бы выбрать чувствительность УМЗЧ максимально возможной (по превышению над шумами), а с фоновыми наводками бороться схемотехническими и конструктивными решениями. Одним из них дожег быть, например, применение симметричного входного каскада УМЗЧ с заключением обоих проводов, идущих к нему от предварительного усилителя, в общий экран и соединением этого экрана и одного из сигнальных проводов с общим проводом на плате предварительного усилителя. К чисто конструктивным решениям следует отнести объединение блоков радиокомплекса в музыкальный центр, где все они питаются от одного сетевого трансформатора; рациональное размещение узлов (в первую очередь, сетевого трансформатора, двигателей ЭПУ и магнитофона) по отношению один к другому, входам, усилителей, коммутационным устройствам, регуляторам громкости и тембра; правильное выполнение экранировки и шины общего провода.

По мнению автора, номинальное входное напряжение УМЗЧ целесообразно уменьшить и установить равным 0,25 В.

Все названные схемотехнические условия обеспечения высокого качества усилительной части радиокомплекса, на первый взгляд, требуют существенного его усложнения. Однако применение ОУ во всех звеньях тракта позволяет добиться нужных результатов при простоте реализации.

Рис. 1

Принципиальная схема этого усилителя (на отечественных деталях) приведена на рис. 1. Его первый каскад выполнен на ОУ DA1, включенном вместе с транзисторами VT1 и VT2 таким образом, чтобы, во-первых, увеличить скорость нарастания напряжения на выходе усилителя, а во-вторых, обеспечить номинальное напряжение питания ОУ. Предоконечный каскад (VT3 и VT4) работает в режиме А, выходной (VT5 и VT6) – в режиме В. Диоды VD1 и VD2 гарантируют отсутствие тока покоя выходного каскада при изменении тока через транзисторы VT3 и VT4 (за счет их нагрева) в 1,5-2 раза. Цель ООС, общая для постоянного и переменного токов, не содержит конденсатора большой емкости и обладает малой постоянной времени для переходных процессов. Элементы R10, R11 C5 и L1 корректируют ФЧХ цепи ООС, обеспечивая при правильной настройке малый уровень интермодуляционных искажений и коэффициента гармоник. Параметры этих элементов связаны простым соотношением (L1 = R10R11C5) и могут быть легко рассчитаны для каждого конкретного случая.

При напряжении питания ±30 В, сопротивлении нагрузки 4 Ом и входном напряжении 100 мВ УМЗЧ отдает максимальную мощность 100 Вт. При номинальной мощности 60 Вт коэффициент гармоник на частоте 1000 Гц не превышает 0,006 %.

Автором этот УМЗЧ испытан при напряжении питания ±20 В и сопротивлении нагрузки 4 Ом (были изменены номиналы элементов R5, R6, С5, R11). Номинальное входное напряжение было выбрано равным 0,75 В (при желании его можно изменить в любую сторону подбором резистора R3). Налаживание свелось к установке тока покоя транзисторов VT3 и VT4 (в пределах 10-20 мА) подбором резисторов R7 и R8 при отсутствии тока через транзисторы VT5 и VT6. При питании от стабилизированного источника УМЗЧ в диапазоне частот 20-20000 Гц обеспечивал максимальную выходную мощность 40 Вт, от нестабилизированного — около 35 Вт. Коэффициент гармоник на частоте 1000 Гц при выходной мощности 20 Вт, измеренный векторным индикатором нелинейных искажений, не превышал 0,01 %. Испытания проводились совместно с И. T. Акулиничевым. Субъективно усилитель обеспечивает более высокое качество звуковоспроизведения, чем УМЗЧ музыкального центра «Вега-115-стерео», удовлетворяя критериям оценки. Полученные результаты подтвердили возможность создания простого в схемотехническом отношении высококачественного УМЗЧ.

Рис. 2

Возможный вариант печатной платы показан на рис. 2. Она рассчитана на установку резисторов МЛТ и конденсаторов КМ (о назначении элементов, изображенных штриховыми линиями, будет сказано далее). Катушка L1 намотана в два слоя (9+7 витков) проводом ПЭВ-2, 0,8 на оправке диаметром 7 мм и для жесткости пропитана клеем «Момент-1».

Описанный УМЗЧ не имеет защиты от короткого замыкания в нагрузке и не содержит устройств, защищающих громкоговорители при пробое одного из его транзисторов. По мнению автора, эти функции вполне способны выполнить калиброванные плавкие предохранители.

Схемотехнические решения, примененные в усилителе, гарантируют отсутствие щелчков в громкоговорителях при включении и выключении питания.

Рис. 3

При использовании совместно с УМЗЧ предварительного усилителя, у которого на выходе присутствует постоянное напряжение, возможно появление щелчков по его вине. В этом случае можно применить устройство защиты акустической системы, выполненное по схеме рис. 3. Срабатывает оно при появлении на выходе УМЗЧ напряжения более 1,2 В любой полярности, в том числе и в случае, если напряжения на выходах каналов имеют разную полярность. Задержка подключения громкоговорителей — 1,5-2 с. Применение стабилитронов VD5 и VD6 с малым напряжением стабилизации предохраняет ОУ DA1 от перегрузок по входу при значительных уровнях постоянного напряжения на выходах каналов стереоусилителя. Для питания устройства необходима отдельная обмотка сетевого трансформатора напряжением 5-6 В.

Для получения нулевого потенциала на выходе рокот-фильтра необходимо через резисторы сопротивлением 68-82 кОм подать на базу транзисторов V1 и V1′ дополнительное смещение от источника положительного напряжения.

В заключение несколько слов о выборе деталей. Параметры усилительного тракта в значительной мере зависят от элементной базы. В частности, ОУ которые предполагается использовать в предварительном или корректирующем усилителях, не должны содержать в выходном каскаде транзисторов, работающих в режиме В, как это, например, имеет место в К153УД1. ОУ, предназначенные для УМЗЧ, аналогичных по схеме приведенному на рис. 1, обязательно должно иметь двухтактный выходной каскад, работающий в режиме АВ (К140УД6, К154УД1, К154УД2, К154УДЗ, К140УД7, К544УД2 и т. п.). Кроме того, желательно использовать ОУ со скоростью нарастания выходного напряжения не менее 2 В/мкс.

Некоторые из названных ОУ требуют балансировки или включения корректирующей цепи. На этот случай в печатной плате (рис. 2) предусмотрены отверстия для установки балансировочных резисторов R15, RI6 (их суммарное сопротивление — около 10 кОм) и корректирующего конденсатора С13. Печатный проводник, к которому припаяны выводы резисторов R15, R16, соединяют с соответствующим выводом питания ОУ. При использовании ОУ К544УД2, К154УД1—У154УДЗ на входе УМЗЧ рекомендуется включить ФНЧ. состоящий из резистора R14 (10 кОм) и конденсатора С12 (150 пФ).

В усилителях с. входным и выходным потенциалом, близким к 0, нельзя использовать в качестве переходных оксидные конденсаторы, в том числе и неполярные. Все оксидные конденсаторы требуют подачи поляризующего напряжения, в 410 раз превышающего амплитуду приложенного переменного напряжения. Невыполнение этого условия снижает надежность усилителя и может привести к дополнительным искажениям.

Все транзисторы, через которые проходит сигнал в усилительном тракте, обязательно должны быть высокочастотными, а используемые во входных каскадах — малошумящими. В усилителях мощности желательно применять транзисторы с металлическим корпусом, так как обеспечить хороший отвод тепла при существующей конструкции металло-пластмассовых корпусов удается с большим трудом.

Используемая литература:

Лексины Валентин и Виктор. О заметности нелинейных искажений усилителя мощности.— Радио, 1984, .№ 2, с. 33—35.
Солнцев Ю, Высококачественный усилитель мощности.—Радио, 1984, № 5, с. 29—34
Солнцев Ю. Какой же Кг допустим? —Радио, 1985, .№ 2, с. 26—28.
Атаев Д.. Болотников В. Как снизить уровень помех в тракте ЗЧ.— Радио, 1984, № 4, с. 43—45; № 5, с. 35, 36.
Атаев Д., Болотников В. Унификация в радиолюбительских конструкциях.— Радио, 1983, № 12, с. 32—35.
Пикерсгнль А., Беспалов И. Феномен «транзисторною» звучания.— Радио, 1981, № 12, с. 36—38.
Ефимов А., Ефимов Б., Томас Г. Выбор мощности стереофонических усилителей.— Радио, 1977, № 6, с. 39-41.
Акулиинчев И. Селекция сигнала искажений.— Радио. 1983, № 10, с. 42—44.
Тнтце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника.— М.: Мир, 1982.
Schmidt G. Current dumping amplifier.— Elector. 1978, .№ 7/8.
Роганов В. Устройство защиты громкоговорителей.— Радио, 1981. № 11, с. 44. 45.
Агеев А. Усилительный блок любительского радиокомплекса.— Радио, 1982, № 8, с. 31—35.
Солнцев Ю. Высококачественный предварительный усилитель.— Радио, 1985, № 4, с. 32—35.
Лексины Валентин и Виктор. Предусилитель-корректор с рокот-фильтром,— Радио. 1983, № 7, с. 48—50.