Высококачественный усилитель мощности

Усилители мощности
Качество усилителей мощности 34 оценивают обычно несколькими основными, наиболее важными параметрами: номинальным диапазоном частот (как правило, по уровню -3 дБ), коэффициентом гармоник и скоростью нарастания выходного напряжения. Значительно реже пользуются коэффициентом интермодуляционных искажений, выходным сопротивлением и т. п. характеристиками.

Считается, что набор указанных параметров достаточно полно характеризует качество усилителей мощности. Что касается норм на эти параметры, то здесь в последнее время наметились два основных направления. Сторонники одного из них считают, что необходимо совершенствовать аппаратуру практически беспредельно, и создают, исходя из этого, ультралинейные усилители с коэффициентом гармоник порядка десятитысячных долей процента, усилители со скоростью нарастания выходного напряжения несколько сотен вольт в микросекунду. Сторонники другого направления вполне резонно отмечают, что качество звучания зависит от характеристик всех звеньев звуковоспроизводящего тракта и определяется тем из них, которое имеет наихудшие параметры [1|. Исходя из этой предпосылки, они считают допустимым коэффициент гармоник 0,3...1 %, а скорость нарастания выходного напряжения либо вовсе не нормируют, либо ограничивают ее сравнительно невысоким значением 1...2 В/мкс. Основанием для таких норм являются стандартизированные параметры основных источников сигнала - проигрывателей и магнитофонов. Известно, например, что даже студийные магнитофоны могут иметь коэффициент гармоник до 1...2 % [1]. Практика работы со звуковоспроизводящими установками показывает, что усилители с примерно одинаковыми параметрами (полосой рабочих частот, коэффициентом гармоник, скоростью нарастания выходного напряжения) при субъективной оценке «звучат» по-разному (естественно, при использовании одних и тех же источников сигнала и акустических систем). В некоторых случаях разницу в звучании обусловливают такие параметры, как коэффициент демпфирования динамический диапазон и т. п., в других - «микронелинейность» амплитудной характеристики, вызванная, например, самовозбуждением на высоких частотах [2|. Во многих случаях разница в звучании не находит удовлетворительного однозначного объяснения и не подтверждается объективными измерениями. Из этого можно сделать, по крайней мере, два вывода:

- на качество звуковоспроизводящего тракта влияет один или несколько еще малоизученных параметров усилителя мощности, поэтому судить о его качестве можно только по результатам субъективной (обязательно квалифицированной!) экспертизы, сопоставляя звучание вновь разработанного усилителя со звучанием какого-либо хорошо
- изученного высококачественного, принятого за эталон;
нет смысла беспредельно улучшать такие объективные показатели усилителя мощности, как полоса рабочих частот, скорость нарастания выходного напряжения и т. п. Эти параметры имеют вполне определенные пороговые значения, и дальнейшее их улучшение не влияет на субъективное восприятие фонограммы.

Каковы же пороговые значения основных параметров? Естественно, они зависят от характеристик акустической системы, источника сигнала и т. д. Оценим пороговые значения скорости нарастания выходного напряжения, коэффициента гармоник и рабочего диапазона частот для звуковоспроизводящего тракта, состоящего, например, из громкоговорителей 35АС-1 или им подобных, усилителя мощности и проигрывателя, реализующего характеристики грампластинок по ГОСТу 7893-72, или студийного магнитофона с параметрами, приведенными в [1]. Для нормальной работы указанных громкоговорителей усилитель должен развивать мощность не менее 50Вт на нагрузке сопротивлением 4 Ом. При такой мощности выходное напряжение Umax=14,14В, что соответствует амплитудному значению 20В. Будем считать, что спектр фонограммы, не спадая, простирается до частоты 20кГц, что представляется вполне достаточным. Следовательно, верхняя частота полосы пропускания сигнала максимальной амплитуды для рассматриваемого усилителя может быть принята равной 20кГц. (Мало сигнальная полоса пропускания усилителя при этом может быть значительно шире). Минимальную скорость нарастания выходного напряжения, обеспечивающую требуемую полосу пропускания сигнала максимальной амплитуды 20В можно определить как максимум производной от напряжения гармонического сигнала частотой 20кГц, она равна 2,5В/мкс.

При таком значении параметра VU выходное напряжение усилителя возрастает от нуля до максимальной амплитуды за 8 мкс. Для сравнения отметим, что в усилителе со скоростью нарастания выходного напряжения 100В/мкс это время равно 0,2мкс. Маловероятно, чтобы реальные источники сигналов (даже электронные синтезаторы!) могли сформировать музыкальные переходы с такими фронтами, и еще менее вероятно, чтобы громкоговорители их воспроизвели.

Сложнее оценить пороговое значение коэффициента гармоник, который, как уже отмечалось, у основных источников сигнала может достигать 1...1,5 %. Однако, по мнению автора, это не вполне достаточное основание считать допустимым для высококачественного усилителя мощности коэффициент гармоник 0,2...0,5 %. Более логично установить норму на этот параметр усилителя исходя из того, что все побочные компоненты выходного сигнала, обусловленные нелинейностью его амплитудной характеристики (т. е. нелинейные и интермодуляционные искажения) либо вовсе не должны восприниматься на слух, либо должны лежать ниже нижней границы динамического диапазона, на уровне собственных шумов (фона) усилителя. Очевидно, что в этом случае пороговое значение коэффициента гармоник усилителей высокого класса должно составлять примерно -70 дБ, т. е. около 0,03 %, что близко к норме, приведенной в [3].

Особо нужно подчеркнуть, что коэффициент гармоник высококачественного усилителя мощности не должен превышать порогового значения во всем диапазоне звуковых частот, т. е., по крайней мере, до частоты 20кГц.

Что касается малосигнальной полосы пропускания усилителя мощности, то ее влияние не столь существенно, как рассмотренных выше параметров. Действительно, задав полосу пропускания сигнала полной амплитуды, мы тем самым устанавливаем диапазон частот, за пределами которого начинается спад АЧХ при больших сигналах (или, иными словами, уменьшается максимальная амплитуда неискаженного сигнала). Однако спектр входного сигнала в этой области спадает достаточно быстро, поэтому сколько-нибудь заметные частотные искажения отсутствуют.

Уже отмечалось, что малые нелинейные искажения и высокая скорость нарастания выходного напряжения необходимы, но еще недостаточны для высококачественного звуковоспроизведения. Что же требуется еще?

В обычном усилителе мощности эффективность ООС, благодаря которой обеспечиваются высокие значения основных параметров, падает с ростом частоты. Графически это показано на рис. 1, где заштрихованная область характеризует эффективность ООС (граничные частоты полосы пропускания усилителя без ООС и с ООС обозначены соответственно f, и f2). На высших частотах полосы пропускания и тем более за ее пределами параметры обычного усилителя мощности ухудшаются, в частности, возрастает уровень искажений. К тому же они в этой области частот значительно заметнее, так как хуже маскируются полезным сигналом (в реальных фонограммах вблизи границы полосы пропускания спектр сигнала спадает). В результате наблюдается явление, которое разные авторы называют по-разному (хриплость, призвуки, отсутствие прозрачности звучания, неестественное звучание и т. д.), но означает оно одно и то же: ухудшение звучания на высших частотах. Чтобы как-то поправить положение, часто просто поднимают уровень высших частот регулятором тембра. При этом амплитуда высокочастотных компонентов полезного сигнала увеличивается, а среднечастотных, которые порождают гармоники, лежащие вблизи верхней границы полосы пропускания, остается практически неизменной. В результате гармоники в области высших частот маскируются полезным сигналом и субъективно звучание высших

частот улучшается. Гармоники высокочастотных компонентов усиленного сигнала лежат за пределами звукового диапазона, порождаемые ими интермодуляционные продукты хорошо маскируются более мощными среднечастотными составляющими сигнала, поэтому подъем усиления на высших частотах дает эффект улучшений качества звуковоспроизведения. В высококачественном усилителе уровень гармоник меньше, и они могут маскироваться без подъема АЧХ в области высших частот. Сказанное объясняет тот факт, что одинаковое, субъективно сбалансированное по тембру звучание в разных усилителях получается при различных положениях регуляторов тембра.

Очевидно, что для снижения уровня искажений на высших частотах необходимо увеличивать либо частоту f,, что чревато потерей устойчивости, либо общую глубину ООС, что, в свою очередь, может вызвать динамические искажения.

Однако существуют способы снижения искажений на высших частотах, не связанные с использованием ООС. Один из них, получивший название «feedforward error correction» (коррекция искажений с использованием прямой связи), применен в промышленном усилителе «Квод 405» [4]. Этот способ снижения искажений подробно описан в [5], здесь же отметим только, что его схемная реализация, проста, а эффект компенсации искажений на высших частотах хорошо выражен.

Несомненно, что на качество звуковоспроизведения влияет форма ФЧХ тракта. В диапазоне звуковых частот ФЧХ должна быть линейной, ее форма не должна зависеть от амплитуды входного сигнала. Этот вопрос изучен пока недостаточно, поэтому установить какие-либо нормы на ФЧХ не представляется возможным, хотя очевидно, что необходимо принимать меры по ее линеаризации.

Одной из важнейших) для любого усилителя является переходная характеристика, т. е. его реакция на скачок входного напряжения. Два возможных вида переходной характеристики изображены на рис. 2. Одна из них (кривая 1) отличается большей скоростью нарастания выходного напряжения и колебательным характером его установления, другая (кривая 2) - меньшей скоростью нарастания, отсутствием выброса на фронте и монотонным характером установления напряжения. Очевидно, что характеристика 1 нежелательна, так как любой скачок входного напряжения в этом случае сопровождается паразитными колебаниями диффузора громкоговорителя.

При экспериментах с усилителями мощности неожиданно выяснилось, что качество звучания существенно зависит от характеристик блока питания. Если один и тот же усилитель питать вначале от нестабилизированного источника с достаточно большой емкостью фильтра, а затем - от стабилизированного, то во втором случае качество звучания, оцениваемое субъективно, улучшается как на низших, так и на высших частотах. Вероятно, «просадки» напряжения на пиках сигнала, неизбежные в нестабилизированном блоке питания, вносят свою лепту в ухудшение качества звучания, несмотря на большой коэффициент подавления флюктуации питающих напряжений, свойственный всем современным усилителям.

На качество звуковоспроизведения в известной мере влияет и стабильность режима транзисторов выходного каскада, в частности, его тока покоя. Поскольку стабилизация тока покоя - довольно сложная задача [6], наиболее предпочтительными для повторения следует считать усилители с выходными каскадами, работающими в режиме В.

Резюмируя все сказанное выше, можно сформулировать следующие основные требования к усилителю мощности современного высококачественного звуковоспроизводящего комплекса. Диапазон частот при выходном, напряжении, соответствующем номинальной выходной мощности, должен быть не уже 20...20 000 Гц, коэффициент гармоник в этом диапазоне не более 0,03 %, скорость нарастания выходного напряжения не менее 2,5 В/мкс. Переходная характеристика усилителя должна быть гладкой (без выбросов), а ФЧХ линейной во всем звуковом диапазоне частот.

При проектировании описываемого ниже усилителя за основу был взят уже упоминавшийся «Квод 405> [4, 5], удачно сочетающий в себе высокие технические характеристики и схемную простоту. Структурная схема усилителя в основном осталась неизменной, исключены лишь устройства защиты транзисторов выходного каскада от перегрузки. Практика показала, что устройства такого рода не исключают полностью отказов транзисторов, но вносят нелинейные искажения при максимальной выходной мощности. Ток же транзисторов можно ограничить иначе, например, используя защиту от перегрузки по току в стабилизаторах напряжения. В то же время представляется целесообразной защита громкоговорителей при выходе из строя усилителя или источников питания.

Для улучшения симметрии усилителя выходной каскад выполнен на комплиментарной паре транзисторов (рис. 3). Учитывая, что основные параметры усилителя улучшаются с ростом коэффициента передачи тока h21Э. в выходном каскаде применены составные транзисторы КТ827А (VT9) и КТ825Г (VT10), в оконечном каскаде линейного усилителя (VT5) - составной транзистор КТ825Г. Для уменьшения нелинейных искажений типа «ступенька» между базами транзисторов VT9, VT10 включены диоды VD5 и VD6. При этом обеспечивается достаточно надежное закрывание транзисторов выходного каскада в отсутствие сигнала.

Незначительно изменена входная цепь. В качестве сигнального использован не инвертирующий вход ОУ DA1, что позволило увеличить входное сопротивление усилителя (оно определяется сопротивлением резистора R1 и равно 100 кОм). Если большое входное сопротивление не требуется, входную цепь лучше выполнить в соответствии с [5]. Входное сопротивление при этом уменьшится до 22 кОм, но усилитель станет инвертирующим и менее склонным к самовозбуждению при возникновении обратной связи между его выходом и входом (эта связь будет отрицательной). Следует, однако, отметить, что и в не инвертирующем варианте устойчивость усилителя остается высокой.

Для предотвращения щелчков в громкоговорителях, обусловленных переходными процессами при включении питания, а также для защиты громкоговорителей от постоянного напряжения при выходе из строя усилителя или источников питания применено простое, хорошо зарекомендовавшее себя устройство (VT6-VT8), используемое в промышленном усилителе «Бриг-001». При срабатывании этого устройства загорается одна из ламп HL1, HL2, сигнализируя о наличии на выходе усилителя постоянного напряжения той или иной полярности.

В остальном схема описываемого усилителя не отличается от схемы усилителя «Квод 405».

Печатная плата усилителя (на рис. 4 приведен ее чертеж для стереофонического варианта) изготовлена из фольгированного стеклотекстолита толщиной 2 мм. Все цепи каналов полностью разделены. Как показала проверка, это облегчает достижение низкого уровня фона, уменьшает проникание сигнала из канала в качал. Из этих же соображений рекомендуется каждый из каналов усилителя питать от отдельного двухполярного стабилизированного источника.

Для соединения с внешними цепями применены три стандартных разъема МРН:
через один из них (МРН4-1) поступают входные сигналы,
через два других (МРН22-1) подключаются транзисторы выходных каскадов, источники питания и громкоговорители. Разводка цепей по контактам разъемов приведена в таблице.

Адрес Контакты разъемов
канал А канал В
Входные цепи
Источник сигнала 1 4
Общий провод 2 3
Выходные цепи
Общий провод 1,2,7 21,22
-27В 5, 6, 9. 20 3, 19.20
+ 27 В 13, 14 9. 10
Коллектор VT10 Коллектор VT9 3,4 II, 12 17. 18 II, 12
Эмиттеры VT9, VT10 18, 19 4,5
База VT10 21 2
База VT9 22 1
Громкоговоритель 15, 16 7,8
Индикатор неисправного источника питания 17 6


Остальные детали следующих типов: резисторы - МЛТ, конденсаторы - КМ-6б (С1, СЗ-С6, С8, С9, С12), МКР (C11), МБМ (C13, C16, C17 ), K50-29 (С14, C15), K53-16 (C18, C19), К53-18 (С2, С7), подстроечные конденсаторы КТ2-19, реле РЭС-48А [паспорт РС4.590.201 (К1)]. Катушки намотаны проводом ПЭВ-2 1,0 на каркасах диаметром 10 мм и содержат: L1 и L3 - по 50 витков (индуктивность - 5...7 мкГн), L2 - 30 витков (3 мкГн). Для уменьшения взаимной связи катушки L1 и L3 установлены перпендикулярно одна другой и параллельно плате, a L2 - перпендикулярно ей.

Вместо указанных на схеме в усилителе можно использовать ОУ К574УД1Б, К574УД1В, К544УД2, а также (при некотором ухудшении параметров) К544УД1 и К140УД8А - К140УД8В; транзисторы КТ312В, КТ373А (VT2), КТ3107В, КТ3107И, КТ313Б, КТ361В, КТ361К (VT1, VT3, VT4), КТ315В (VT6, VT8), КТ801А, КТ801Б (VT7). Каждый из транзисторов КТ825Г можно заменить составными транзисторами КТ814В, КТ814Г + КТ818В, КТ818Г, а КТ827А - составным транзистором КТ815В, КТ815Г + КТ819В, КТ819Г. Диоды VD3-VD6, VD11, VD12 - любые кремниевые с максимальным прямым током не менее 100 мА, VD7-VD10 - то же, но с максимальным током не менее 50 мА. При отсутствии стабилитронов КС515А допустимо использовать соединенные последовательно стабилитроны Д814А, Д814Б или КС175А.

Печатная плата с помощью винтов с надетыми на них трубчатыми стойками установлена на дюралюминиевой задней стенке усилителя, выполняющей одновременно и функции теплоотвода транзисторов выходных каскадов (VT9, VT10). Последние закреплены на ней через слюдяные прокладки толщиной 0,05 мм. Транзисторы VT5 установлены без прокладок на отдельных игольчатых теплоотводах. закрепленных на плате.

Смонтированный из исправных деталей усилитель налаживания почти не требует. Необходимо лишь подобрать резистор R30 (по надежному срабатыванию реле К1 через несколько секунд после включения питания) и суммарную емкость конденсаторов С10, С11 (по минимуму нелинейных искажений на частоте 20 кГц). Рекомендуемая в [5] методика подбора этой емкости по минимуму искажений формы выходного сигнала на частотах 50...100 кГц не всегда дает нужный результат, поэтому ею целесообразно пользоваться только при отсутствии измерителя нелинейных искажений.

Несколько экземпляров описываемого усилителя мощности были подвергнуты всесторонним испытаниям. Их основные технические характеристики оказались следующими:

Максимальная выходная мощность, Вт, на нагрузке сопротивлением 4 Ом 2x70
Номинальное входное напряжение, В 0,2
Верхняя граница диапазона частот при максимальной амплитуде выходного сигнала, кГц 50
Скорость нарастания выходного напряжения, В/мкс 5,5
Отношение сигнал/шум (невзвешенное), дБ 80
Коэффициент гармоник, %, не более, в диапазоне 20...20 000 Гц 0,05

Последний из этих параметров измерялся прибором С6-5. Источником сигнала служил измерительный генератор ГЗ-102 с коэффициентом гармоник 0,05 %. Измеренные значения коэффициента на входе и выходе усилителя практически были одинаковы, из чего можно сделать вывод, что уровень вносимых им нелинейных искажений значительно меньше 0,05 %. Кстати, при испытаниях первого из собранных усилителей наблюдалось интересное явление: коэффициент гармоник существенно зависел от места подключения соответствующего провода громкоговорителя к общему проводу усилителя. При подключении громкоговорителя к общему проводу непосредственно на разъеме печатной платы коэффициент гармоник оказался примерно втрое меньше, чем в том случае, когда тот же провод громкоговорителя был соединен с общим проводом в источнике питания.

Особое внимание было уделено субъективным экспертизам. Качество звучания усилителей сопоставлялось с качеством звучания таких известных радиолюбителям конструкций, как промышленный усилитель высшего класса «Электроника T1-002-стерео» [7], усилитель мощности на основе так называемого «параллельного» усилителя [8], усилитель с выходным каскадом на МДП-транзисторах [9] и некоторые другие. Источники сигналов и акустические системы, естественно, во всех случаях были одними и теми же.

В ходе экспертиз отмечено более естественное звучание описываемого усилителя. При воспроизведении одной и той же фонограммы для получения примерно одинаково сбалансированного по тембру звучания в большинстве сравниваемых усилителей требовался подъем АЧХ в области высших частот от 3 до 10 дБ.

Интересно, что фонограммы, которые при прослушивании через другие усилители воспринимались как одинаковые по качеству, с новым усилителем стали звучать по-разному. Еще более интересно то, что преимущества описываемого усилителя отмечались даже при использовании источника сигнала среднего качества. В частности, оценивалось звучание при работе от кассетного магнитофона с электрическими характеристиками, соответствующими второму классу. Несмотря на то, что его параметры были значительно хуже, чем у любого из сравниваемых усилителей (коэффициент гармоник - около 2 % на частоте 1 кГц, рабочий диапазон частот - 40...14 000 Гц, отношение сигнал/шум, взвешенное по кривой МЭК-А, - около 56 дБ), при включении в тракт описываемого усилителя мощности явственно ощущалось улучшение звучания. В большинстве случаев оказалось возможным слушать фонограммы, не пользуясь темброблоком, подавая сигнал непосредственно на усилитель мощности.

Естественно, что наиболее полно возможности разработанного усилителя реализуются в том случае, если и остальные звенья тракта имеют соответствующие высокие характеристики.

Результаты объективных и субъективных проверок подтвердили правильность выбранного подхода к проектированию усилителей мощности, необходимость и достаточность норм, установленных на основные параметры.






Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.