Labai tiesiškas garso stiprintuvas su giliu grįžtamuoju neigiamu ryšiu (II dalis)

»  I dalis »  II dalis »  III dalis »  IV dalis »  V dalis »  VI dalis

Parengė Andrius Vaičeliūnas (red. pastaba: kalba netaisyta).
Агеев С. Сверхлинейный УМЗЧ с глубокой ООС. – Радио, 1999, № 10, с. 15–17, № 11, с. 13–16, № 12, с. 16–19, 2000, № 1, с. 18–20, № 2, с. 40, 41, № 4, с. 40–42, № 5, с. 22, 23, 40, № 6, с. 11–15.
„Сверхлинейный УМЗЧ с глубокой ООС“ (Возвращаясь к напечатанному). - Радио, 2000, № 9, с. 39–41, № 10, с. 17, № 11, с. 16, 17.

4 pav. pateikta principinė garso stiprintuvo schema. Įėjimo žemų dažnių filtras padarytas su OS (DA1), kuris pajungtas kaip inverteris. Signalas po žemų dažnių filtro eina per „minkštą ribotuvą“ („soft clipper“), realizuotą tranzistoriuose VT1–VT4 ir dioduose VD3–VD14, o po to patenka į galios stiprintuvo įėjimą, įgyvendintą OS‘e DA3. Už jo stovi simetrinis kaskadinis tranzistorinis įtampos stiprintuvas su VT5–VT8, VT13–VT15 ir srovės stiprintuvas (išėjimo kartotuvas) su tranzistoriais VT16–VT45. OS DA2 atlieka signalo stiprintuvo funkciją sumuojančiame garso stiprintuvo taške iškraipymų indikatoriaus darbui.

Įtampos stiprintuvas, stovintis po OS DA3, yra labai tiesiškas dėka struktūros simetrijos ir labai gilaus (daugiau kaip 40 dB) vietinio NGR. Šio NGR grandinės kartu su R71C46 ir DA3 taip pat panaudotos viso garso stiprintuvo kilpinio stiprinimo reikalaujamos ADCh formavimui.

Tokioje kaskadoje yra vienas niuansas: stiprinimo nuostolių minimizacijai įtampos kritimas ant rezistorių paskutinių kaskado tranzistorių emiterio grandinėse (4 pav. tai – R59, R63) turi būti ne mažiau kaip 2,5 V, arba šiuos rezistorius reikia pakeisti į srovės šaltinį. Priešingu atveju suprastėja įtampos stiprintuvo tiesiškumas. Pastebėsime, kad garso stiprintuvų, aprašytų [5] ir ypač [3] ši sąlyga neišpildoma. Su tikslu dar padidinti tiesiškumą (ypatingai aukštuose dažniuose) stiprintuvo maitinimo įtampa parinkta 10...12 V didesnė, nei išėjimo kaskados maitinimo įtampa. Diodai VD17–VD19 skirti pagreitinti perėjimo procesus, kai stiprintuvas išeina iš perkrovos, o taip pat apsaugoti nuo degradacijos tranzistorių VT5–VT8 emiterių sandūras.

Grandinės R64C41, R66C42 panaikina parazitinį VT13 ir VT14 žadinimąsi, o diodai VD26, VD27 užkerta kelią išėjimo kaskados tranzistorių įsisotinimui (šie diodai turi atlaikyti ne mažiau kaip 100 V atgalinę įtampą esant 10 μA srovei; daugelis КД521А arba 1N4148 egzempliorių šią sąlygą tenkina). Neįprasta tranzistorių lygiagretaus jungimo schema pirmose dviejose kartotuvo kaskadose užtikrina efektyvų srovių išlyginimą per tranzistorius, atkrenta būtinybė juos parinkinėti. Kondensatoriai C45, C47–C49 užkerta kelią išėjimo kaskados dinaminės asimetrijos atsiradimui.

Stabilitronas VD25 užlaiko tranzistorių VT13 ir VT14 įjungimą maitinimo šaltinio kaupiamųjų kondensatorių krovimosi metu, kad jų pajungimo momentu OS maitinimo įtampa būtų ±5...7 V ir jie įeitų į normalų režimą. Ši priemonė užkerta kelią išėjimo įtampos šuoliui įjungus maitinimą. Su tuo pačiu tikslu apribotas nulio autopaderinimo diapazonas garso stiprintuvo išėjime iki ±0,7 V.

Gali pasirodyti neįprastas nuoseklus rezistorių jungimas NGR grandinėse (R23, R24, grandinės R27C17 ir R28C18, o taip pat R45, R46). Tai padaryta norint sumažinti NGR grandinių netiesiškumą (rezistorių varžos ir kondensatorių talpos reikšmės, nors ir labai mažai, tačiau priklauso nuo ant jų esančios įtampos). Dėl tos pačios priežasties rezistoriai R23, R24, o taip pat R122 ir R123 paimti su didele išsklaidomos galios atsarga.

Tarp kitų dėmesio vertų ypatybių reiktų pastebėti pradinio priešįtampio įtaisą ant trijų kaskadų kartotuvo bazių, realizuotą su VT15 (jis sumontuotas ant išėjimo tranzistorių radiatoriaus) ir rezistoriais R60–R62 ir R65. Priešįtampio temperatūrinis koeficientas parinktas truputį didesnis nei įprastai įskaičius radiatoriaus ir galingų tranzistorių kristalų temperatūrų skirtumą.

Ne visai įprastas kondensatoriaus C40 naudojimas. Šios detalės nebuvimas daugumoje konstrukcijų priveda prie dinaminio priešįtampio pokyčio ir stiprintuvo netiesiškumo padidėjimo signaluose, kurių įtampos užaugimo arba nuosmukio greitis daugiau kaip 0,2...0,5 V/μs. O tai iš esmės atsiliepia intermoduliacinių iškraipymų dydžiui aukštųjų dažnių srityje. Beje, „lėto“ tranzistoriaus (КТ502 arba КТ209 tipo) naudojimas VT15 vietoje užkerta kelią dar vienam dažnai iškylančiam, bet retai pastebimam defektui – tranzistoriaus generacijai 50...200 MHz eilės dažniuose dėl laidų induktyvumo. Tokios generacijos buvimas pasireiškia padidintu triukšmo ir intermoduliacinių iškraipymų lygiu garso dažniuose.

„Minkšto ribojimo“ įtaisas tranzistoriuose VT1–VT4 ir dioduose VD3–VD14 skiriasi tuo, kad jo slenkstis priklauso nuo išėjimo kaskados maitinimo įtampos, tuo pačiu pasiekiamas maksimalus stiprintuvo išėjimo galios naudojimas.

Patikimo garso stiprintuvo darbo užtikrinimui apsaugos įtaisas fiksuoja ne tik srovę, tekančią per galingus tranzistorius, bet ir ant jų esančią įtampą. Trigerinis variantas panaudotas todėl, kad įprasto tipo srovės ribotuvai („pridengiantys“ išėjimo tranzistorius avarinėse situacijose) negarantuoja stiprintuvo apsaugos, o be to pablogina išėjimo kaskados darbą aukštuose dažniuose. Nemažai svarbus ir diagnostinis efektas: apsaugos suveikimas byloja apie tai, kad sistemoje kažkas netvarkoje.

5 pav.

Apsaugos suveikimo indikatorius „Perkrova“ ir apsaugos atstatymo mygtukas SB1 patalpinti už stiprintuvo plokštės ir prijungti prie jos sujungimu XP1 (XS1 – 5 pav.).

Kiekvieno išėjimo kaskados tranzistorių VT28–VT35, VT36–VT43 rimties srovė parinkta 80...100 mA ribose, kadangi esant mažesnei reikšmei neleistinai pablogėja galingų tranzistorių dažninės savybės.

Kaip matyti iš schemos, maitinimo šaltinio lygintuviniai diodai ir kaupiamieji kondensatoriai yra kartu su stiprintuvu ant tos pačios plokštės – žr. 2 pav. pirmoje straipsnio dalyje. Tai leido žymiai (dešimtis kartų) sumažinti maitinimo grandinių parazitinį induktyvumą, o tai reikalinga, kad užtikrinti mažą triukšmų išspinduliavimą išėjimo kaskada, o taip pat padidinti stiprintuvo greitaveiką.

Kaupiamųju kondensatorių bendra talpa stiprintuvo maitinimo bloke yra 56 400 μF kiekviename petyje ir gali pasirodyti per daug didelė palyginti su įprastai sutinkamomis reikšmėmis (10...20 000 μF). Tačiau tai ne prabanga – kad užtikrinti pulsacijas 1,5...2 V ribose esant 9 A srovei reikalinga ne mažesnė kaip 45...60 000 μF (energetinė talpa – 75...100 J kanalui). Nepakankama kondensatorių talpa daugelio komercinių stiprintuvų maitinimo blokuose aiškinama išskirtinai ekonominėmis priežastimis.

Išėjimo grandinių (kabelių ir kitko) poveikis signalo perdavimui iš stiprintuvo į garsiakalbį praktiškai visai panaikintas. Šiam tikslui panaudotas keturlaidis apkrovos prijungimas, pasiskolintas iš matavimo technikos (įprastas jungimas galimas sudėjus trumpiklius tarp kontaktų S2 ir S3). Be to stiprintuvo išėjime įrengta RLC grandinė, optimizuota su kompiuterio pagalba ir efektyviai izoliuojanti stiprintuvo išėjimo kaskadą nuo bet kokių parazitinių poveikių aukštesniuose kaip 100...200 kHz dažniuose. Tai viena iš priemonių, leidusių praktiškai realizuoti tokį didelį NGR plačiajuostiškumą (6...7 MHz).

Priešingai paplitusiam nusistatymui, reiktų pasakyti, kad tarp NGR gylio ir stiprintuvo polinkio dinaminiams iškraipymams tiesioginio ryšio faktiškai nėra. Dar daugiau, pralaidumo juostos išplėtimas NGR kilpoje ir jo gylio padidinimas už garso dažnių diapazono ribų iš tikrųjų palengvina dinaminių iškraipymų ir įėjimo kaskadų perkrovos nebuvimo sąlygų užtikrinimą. Jų perkrovimas dideliu skirtuminiu signalu nutraukia sekimą grįžtamojo ryšio kilpoje ir priveda prie NGR „išjungimo“. Norint panaikinti šį reiškinį būtina sumažinti skirtuminio signalo dydį. Geriausia priemone reiktų pripažinti NGR gylio padidinimą aukštuosiuose dažniuose.

Dabar apie NGR naudojimą tiesiškumui padidinti. Analizuojant daugelio stiprintuvų schemotechniką prieinama išvada, jog dauguma gamintojų, matyt, nekreipia dėmesio, kad NGR gebėjimas sutvarkyti iškraipymus priklauso ne tik nuo jo gylio, bet ir nuo tų iškraipymų susidarymo vietos.

Apžvelkime paprasčiausią trijų kaskadų stiprintuvo modelį su NGR (6 pav.), kur viršuje pavaizduota jo struktūrinė schema su triukšmų (e_n) ir iškraipymų (e_d) EVJ šaltiniais kiekvienoje kaskadoje. Apačioje pateikta jai ekvivalenti schema, kur visi triukšmų ir iškraipymų šaltiniai perskaičiuoti į įėjimą (t. y. į sumuojantį stiprintuvo tašką). Tada tampa akivaizdu, kad absoliutus į įėjimą atvestų iškraipymų produktų lygis įvedus NGR lieka nepakitęs, o iškraipymų ir triukšmų nuslopimo laipsnis tiesiogiai proporcingas stiprinimui nuo sumuojančio taško iki tų iškraipymų ir triukšmų atsiradimo vietos. Santykinio iškraipymų lygio sumažėjimas įvedus NGR vyksta sąskaita to, kad bendras („išorinis“) sistemos stiprinimas sumažėja ir santykinė triukšmų ir iškraipymų dalis krenta. Jeigu iškraipymai, įnešami išėjimo kaskada, turinčia vienetinį stiprinimą, iš tikrųjų nusilpsta tiek kartų, koks yra NGR gylis atitinkamo iškraipymų produkto dažnyje, tai pirmosios kaskados iškraipymai, atvesti į jos įėjimą, neslopsta visiškai. Būtent ši aplinkybė verčia iki ribos pakelti pradinį visų stiprintuvo, apimto NGR, kaskadų tiesiškumą, ypač įėjimo. Priešingu atveju gali atsitikti taip, kad įvedus NGR įvyks žymus intermoduliacinių iškraipymų spektro išsiplėtimas. Šio reiškinio mechanizmas paprastas: skirtuminio signalo, patenkančio į grynai stiprintuvinių kaskadų įėjimą, spektras visada yra išplėstas iškraipymo produktų sąskaita. Dėl to, jeigu NGR gylis didėjant dažniui užmuša greičiau, negu krinta iškraipymų produktų lygiai (tai charakteringa daugumai stiprintuvų), tai aukštadažnių iškraipymų produktų dalis skirtuminėje įtampoje įėjime esant uždaram NGR viršija naudingo signalo dalį. Kadangi didėjant dažniui stiprintuvinių kaskadų tiesiškumas paprastai sumažėja, pasirodo masė intermoduliacijos produktų, dalis iš kurių patenka į garso dažnių sritį. Būtent dėl to, kad šis reiškinys neišlystų, ir būtina pakankama įėjimo kaskadų tiesiškumo atsarga, ypač asimetrinių netiesiškumų atžvilgiu.

Stiprintuve panaudoto OS КР140УД1101 tiesiškumo diapazonas (pagal diferencialinę įėjimo įtampą) yra ±0,8 V, o tai daugiau, nei praktiškai visų OS, turinčių įėjimą iš lauko tranzistorių. КР140УД1101 įėjimo diferencialinės kaskados tiesiškumas dėka gilaus vietinio NGR (palyginti didelės varžos rezistoriai emiterių grandinėse) taip pat žymiai didesnis, o įėjimo talpa keletą kartų mažesnė, nei OS su lauko tranzistoriais įėjime. Tuo metu signalo įtampa OS DA3 įėjime (kai stiprintuvas dirba be perkrovos) neviršija 1 mV.

Signalų amplitudė DA3 išėjime esant normaliam stiprintuvo darbui neviršija 0,5 V nuo piko iki piko. Pagal matavimų duomenis šiose sąlygose OS КР140УД1101 dar iki apėmimo NGR dažniuose iki 50 kHz turi mažesnį kaip 0,05 % netiesiškumą. Sekantis po OS įtampos stiprintuvas tranzistoriuose VT5–VT14 taip pat pasižymi labai dideliu tiesiškumu – jo intermoduliaciniai iškraipymai viduriniuosiuose dažniuose esant pilnai signalo amplitudei sudaro maždaug 0,02...0,03 %.

To pasekoje bendras NGR šiame stiprintuve, skirtingai nuo daugelio kitų, yra įgalus efektyviai slopinti harmoninius ir intermoduliacinius iškraipymus, įnešamus išėjimo kaskados ir neįneša kokių nors pastebimų šalutinių efektų. Lieka iškraipymai, susieti su garso stiprintuvo konstrukcijos ypatybėmis, beveik pilnai nulemiami montažo sklaidos laukų nuo išėjimo kaskados srovių į stiprintuvo įėjimo grandines. Šių sklaidos laukų pavojingumas glūdi tame, kad srovių, tekančių išėjimo kaskados, dirbančios AB klasės režime, pusių maitinimo grandinėmis, formos žymiai iškraipytos palyginti su srove apkrovoje. To pasekoje, jeigu šių srovių sklaidos laukai patenka į įėjimo grandines nevisai simetriški (ko praktikoje vis tiek pasiekti neįmanoma), tai atsiranda pastebimi iškraipymai, ypatingai aukštuose dažniuose, kur parazitiniai ryšiai yra stiprinami.

Kovai su šiuo reiškiniu projektuojant spausdintinę plokštę buvo panaudota eilė priemonių, kai kurios iš jų neturi precedento garso technikoje ir būdingos precizinės matavimo aparatūros gamyboje. Pavyzdžiui, su tikslu kiek galima labiau minimizuoti jėgos grandinių induktyvumus maitinimo grandinėse vietoj tradicinių „skardinių“ panaudoti paskirstyti po plokštę mažesnės talpos kondensatoriai, o vienos pusės plokštės folija atlieka bendro laido funkciją (schemoje sujungimai su juo pavaizduoti prailgintomis linijomis). Išėjimo kaskados galios tranzistorių grandinės įrengtos kiek galima kompaktiškiau, o tai kartu su po plokštę paskirstytu bendru laidu daugiau nei eile sumažino išėjimo kaskados triukšmų išspinduliavimą palyginti su tradicine konstrukcija. Toliau, siekiant išvengti problemų su sklaidos laukų poveikiu sujungiamiesiems laidams, vienoje plokštėje sumontuotos visos stiprintuvo grandinės, įskaitant netgi maitinimo lygintuvo diodus (VD38–VD41).

Visos šios priemonės leido sukurti stiprintuvą, išsiskiriantį ne tik labai aukšta kokybe, bet ir aukštų charakteristikų rinkiniu. Šios savybės nekinta plačiame eksploatacijos sąlygų diapazone (aplinkos temperatūra, apkrova, signalų šaltiniai ir t. t.). Tokios aukštos klasės stiprintuvų aprašymų arba pramoninių pavyzdžių autoriui aptikti nepavyko.

Apie puslaidininkių prietaisų keitimus. Vietoj tranzistorių КТ818Г1 tinka КТ818Г kiekybiniu santykiu 2:3 (t. y. 12 vnt. vietoj 8), o taip pat КТ864А, 2Т818А, КТ818ГМ, 2SA1302, КП964А, 2SA1294, 2SA1215, 2SA1216; vietoj КТ819Г1 – tranzistoriai КТ819Г (taip pat kiekybiniu santykiu 2:3) ir КТ865А, 2Т819А, КТ819ГМ, 2SC3281, КП954А, 2SC3263, 2SC2921, 2SC2922. Naudojant komplementarius importinius tranzistorius 2SA1302 ir 2SC3281, 2SA1294 ir 2SC3263, o taip pat КП964 ir КП954 su ±40 V maitinimo įtampa, jų skaičių galima sumažinti iki keturių ant peties, dvigubai padidinus kiekvieno tranzistoriaus rimties srovę ir sumažinus rezistorių nominalą emiterių grandinėse iki 0,5 Om.

Naudojant tranzistorius 2SA1215 ir 2SC2921 su ta pačia įtampa (±40 V), jų pakanka statyti po tris į petį, o tranzistorius 2SA1216 ir 2SC2922 ant didelio radiatoriaus galima dėti tik po du, žinoma, atitinkamai sumažinus paminėtų rezistorių varžą. Bendras radiatoriaus briaunų plotas kiekvienam kanalui turi būti ne mažiau 1500...2000 cm².

Tranzistorių porą КТ961, КТ639 galima pakeisti į BD139 ir BD140, КП961А(Б) ir КП965А(Б), 2SD669 ir 2SB649, 2SA1837 ir 2SC4793. Porą КТ969, КТ9115 pilnai atstoja КП959А(Б) ir КП960А(Б) arba BF871 ir BF872.

Kalbant apie tranzistorius КТ632Б ir КТ638А, juos keisti nėra prasmės. Vienaip ar kitaip VT8 pozicijoje leistina naudoti КТ9115, КП960, 2SA1538, 2SA1433, КТ9143, VT7 pozicijoje – 2N3906, VT10, VT45 pozicijose – 2N5401. Tranzistorius КТ638А VT6 pozicijoje pakeičiamas į КТ969А, КП959, 2SC3953, 2SC3504, КТ9141, VT5 pozicijoje – į 2N3904, VT9, VT44 pozicijose – į 2N5551, КТ604, КТ605, КТ602. Tranzistorius КТ3102А galima pakeisti į bet kokius iš šios serijos arba į BC546 – BC550 (su bet kokiu indeksu), o jiems komplementarius КТ3107А – į КТ3107 su bet kokiu indeksu ir į BC556 – BC560.

OS КР140УД1101 garso stiprintuve (DA3) leistina pakeisti tik į К(Р)140УД11 arba LM118/218/318 (tėvyninis, tiesa, dirba geriau), likusiose vietose – į AD841 (kas nepateisinamai brangu). OS КР140УД1408 galima keisti į К140УД14, LM108/208/308 arba į AD705, OP-97. Įėjimo žemo dažnio filtre triukšmo sumažinimui naudinga naudoti LF356 (КР140УД22), OP-176. OS КР140УД23 analogas yra LF357, galima pritaikyti ir OP-37 (КР140УД26).

Tęsinys: Labai tiesiškas garso stiprintuvas su giliu grįžtamuoju neigiamu ryšiu (III dalis)

Literatūra

1. Агеев С. Должен ли УМЗЧ иметь низкое выходное сопротивление? – Радио, 1997, № 4, с. 14–16.
2. Витушкин А., Телеснин В. Устойчивость усилителя и естественность звучания. – Радио, 1980, № 7, с. 36, 37.
3. Сухов Н. УМЗЧ высокой верности. – Радио, 1989, № 6, с. 55–57; № 7, с. 57–61.
4. Alexander M. A Current Feedback Audio Power Amplifier. 88-th Convention of the Audio Eng. Society, reprint #2902, March 1990.
5. Wiederhold M. Neuartige Konzeption fur einen HiFi-Leistungsfersterker. – Radio fernsehen elektronik, 1977, H.14, s. 459–462.
6. Акулиничев И. УМЗЧ с широкополосной ООС. – Радио, 1989, № 10, с. 56–58.
7. Baxandal P. J. Technique for Displaying the Current and Voltage Output Capability of Amplifiers and Relating This to the Demands of Loudspeakers. – JAES, 1988, vol. 36, p. 3–16.