poster333

МКУС в УМЗЧ с биполярными и полевыми транзисторами (универсальная структура)

А. ЛИТАВИН, г. Березовский Кемеровской обл.

В этой статье предложено два варианта УМЗЧ выполненных с многоканальной усилительной структурой (МКУС), которая минимизирует многие виды нелинейных искажении и помех в широкой полосе частот.
Терминология и основные положения организации МКУС опубликованы в нашем журнале в ряде статей автора в период с 2004 г.

В этой статье продолжается тема о многоканальных усилительных структурах (МКУС) и важных критериях отрицательном обратной связи (ООС), которая была поднята ранее в авторских публикациях [1 2]. Основная идея такой схемотехники cocroni в том что параметры усилителей должны быть весьма высокими и базироваться на определённых критериях ООС, только в этом случае можно подавить искажения в усилителях до исчезающе малых значений Однако в абсолютном большинстве усилителей, используемых в аудиоаппаратуре весьма плохо выдерживаются некоторые критерии ООС.

Рассмотрим типовую структуру звукового усилителя мощности (рис. 1), который может быть реализован на основе мощного операционного усилителя (ОУ) Принцип работы такого усилителя достаточно прост. Входной сигнал сравнивается с выходным возвратившимся на вход ОУ с резисторного делителя напряжения сигнала Rooc/RC, который задает ко эффициент передачи усилителя, но при этом и сигнал искажений который поступает на вход ОУ 13 необходимый для подавления искажений самого усилителя, аналогичным образом ослаблен. Чтобы компенсировать (подавить) эти искажения в выходном сигнале усилителю необходимо J а усилить этот сигнал искажений в соответствующее число раз. Таким образом в делителе напрасно теряется и без того относительно низкий запас усиления внутри петли ООС. Создается весьма странная ситуация, когда сигнал, который предназначен для компенсации искажение. сначала уменьшают в десятки раз, а потом наоборот, его усиливают.

Фактически получается, что усилитель с большими сигналами работает весьма прилично. Но вот с низкоуровневыми сигналами качество работы подобного усилителя оставляет желать лучшего, так как из-за шумов и помех. Фактически получается, что усилитель с большими сигналами работает весьма прилично. Но вот с низкоуровневыми сигналами качество работы подобного усилителя оставляет желать лучшего, так как из-за шумов и помех качественно их усилить он не может Соответственно и характеристики усилителя в зависимости от уровня слагаемых компонент сигнала, получаются относительно разные.

При измерениях подобных усилителей на основе узкополосных (или монотонных) сигналов с большой спектраль ной плотностью (с размерностью) параметры получаются вполне удовлетворительные. При измерениях этих усилителей на основе техники широкополосных сигналов к примеру, шумоподобных имеющих низкую спектральную плотность, результаты получаются весьма спорными.


Слуховые субъективные оценки качества работы усилителей со структурой показанной на рис. 1, как правило также характеризуются зависимостью от уровня сигнала Эти усилители работающие с большой Выходной мощностью. в основном ведут себя вполне достойно, например на дискотеках и при озвучивании разного рода уличных мероприятий В то же время, при работе с малой выходной мощностью, например при прослушивании музыкальных произведений на высокочувстчительную АС в небольшом помещении субективные оценки зачастую оказываются неоднозначными а то и удручающими Считается, что приведенная выше струю ура обладает очень низким выходным сопротивлением. Это необходимо для демпфирования основного резонанса динамических головок и акустической системы (АС) в целом В общем, так оно все и есть, но опять-таки это выполняется именно для мощных узкополосных (МОНОТОННЫХ) сигналов. Если же ориентироваться на малосигнальные компоненты с распределенным спектром, то для них характер входного сопротивления будет весьма сложным а взаимодействие с самой АС трудно предсказуемо

Положение сильно усгубляется еще и тем, что усилитель по схеме мощного OV зачастую отличается существенным временем реакции по петле ООС, что обусловлено определенным числом' последовательных каскадов усиления с ограниченной полосой пропускания (и эквивалентным временем задержки). Это снижает точность и Эффективность компенсации статической и динамической нелинейности в широкой полосе частот.

Получается, что подобная классическая структура усилителя на основе мощного ОУ, которая в массовом порядке применяется в усилителях раз личной аудиоаппаратуры, не может обеспечить высококачественного усиления. Го есть такие усилители весьма далеки от идеала и не способны удовлетворить запросы искушенных аудиофилов.

Структура усилителей по принципам МКУС

Между гем избавился от ключевого недостатка стругтуры по схеме на рис. 1 относительно просто [1, 2]. Для этого следует заменить входной резистор R1 на источник тока, как показано на рис. 2 Соответственно в этой схеме мы получим стопроцентную ООС Это означает, что сигнал искажений проходит на вход мощного ОУ без ослабления (деления; Конкретно если ориентироваться на типовой для УМЗЧ коэффициент усиления в 30 дЬ (30 раз), го по отношению к схеме на рис. 1 устройство по схеме на рис. 2 обладает на 30 дБ большим соотношением сигнал/шум+помеха внутри петли ООС Это очень улучшает качество работы ООС, особеньо для малых сигналов' И эго не частный случай, а общее свойство решения проблемы в соответствии с одним из критериев оптимизации ООС.

Но устройство по схеме на рис. 2 имеет небольшой запас усиления и, как правило, существенное время задецж ки по петле ООС. Чгооы снизить влияние этих и ряда других негативных факторов. следует применять усилители на основе МКУС [1 2) . В этом случае относительно легко получить как крайне малое время реакции петли Оис (ВРП ООС), так и rnnepi лубокую ООС Чтобы как то ранжировать определения усиления и глубины ООС будем условно считать, что крайне глубокая ООС обеспечивается двумя радиочастотными Ov с совокупным усилением по петле около 150 дБ В свою очередь гиперглубокая ООС достигается посредством трех (или более) радиочастотных ОУ при усилении по петле ООС более 200 дБ.

В предыдущей публикации [ 1 ] также было введено понятие многоядерности Суть этого термина состоит в том, что, проходя от одного 'внутреннего" усилителя к другому, сигнал каждый ра) последовательно уточняется усилителем со своей ООС Соответственно и ошибка внутри петли каждой последующей ООС становится все меньше и меньше В свою очередь дополнительный мощный усилительные канал также может быть представлен в виде о iдельного усилителя со своей общей ООС.

В целом это ничего не меняет в принципах и логике работы МКУС Применение же функционально законченного усилителя (ядра? со своей ООС в качестве дополнительного канала делает подобные структуры весьма универсальными В качестве мощного канала следует использовать отдельный мощный усилитель со своей ООС Именно такая структурная схема УМЗЧ и представлена на рис 3 Применение мощного усилителя, охваченного своей ООС позволяет получить высокие cтaбильные технические характеристики такой многоканальной структуры.

Схемы узлов УМЗЧ по принципам МКуС

На основании сказанного выше была разработана новая версия УМЗЧ, где реализованы по максимуму заданные критерии работы ООС (см. начало статьи [1 ]). которые имеют основополагающее влияние на качество и эффективность работы УМЗч в целом Предлагаемая версия УМЗЧ сохраняет принципы работы усилителя, представленного в [2) но построен он с принципиально другим выходным каскадом Сама структура УМЗЧ акцентирована на универсальность ее применения с различными вариантами выходного каскада (см. далее), и это — важное свойство такого усилителя.

Описываемый УМЗЧ функционально реализован на основе пятиканальной двухъядерной усилительной структуры последовательного приближения и состоит из двух последовательно включенных многоканальных усилителей. Каждый из этих усилителей обладает своей стопроцентной на ВЧ ООС контролирующей ошибку в фазовой компенсации искажений, и состоит из главного канала (1J и дополнительного мощного канала усилителя), который контролируется главным каналом. Применение стопроцентной ООС на ВЧ обеспечивает приоритет этих главных каналов по петле ООС в отношении прочих сигналов, которые на ВЧ принудительно ослаблены.


В качестве главных каналов в этих усилителях применены радиочастотные ОУ [3, 4]. Это позволяет получить крайне малое время реакции петли ООС и ее работу в широкой полосе частот (до 200 МГц! в каждом из этих каналов и, как следствие, в целом во всем усилителе Стопроцентная (как на ВЧ, так и на НЧ) ООС реализована применением входного ИТУН в дополнительном прецизионном канале. Совокупное усиление всех трех каналов превышает 200 дБ, т, е. УМЗЧ охвачен гиперголубой ООС.

конструктивно УМЗЧ состоит из двух устройств: прецизионного усилителя сигналов (ПУС), где действует прецизионная стопроцентная на НЧ и ВЧ общая ООС и выносного усилителя мощности (ВУМ1 где имеется своя отдельная ООС На рис. 3 показана общая структура УМЗЧ, в которой использованы позиционные обозначения элементов соответствующих узлов, на рис. 4 — схема входного ИТУН, на рис 5 — схема блока ПУС а на рис. б и 7 — две версии схем блока БУМ Схемы входного ИТУН (рис. 4) и блоков ВУМ1 и ВУМ2 (рис. 6, 7) имеют свою нумерацию элементов, которая начинается с цифрового префикса 2 3 и 4 соответственно.

Угловые стрелки на схемах указывают направление следования сигнала, причем маломощный сигнал показан одиночной стрелкой, а мощный — двойной. Внутренний выход каждого многоканального усилителя (т. е. точка, к которой подключена их ООС или общая ООС' обозначен на схеме как контрольная точка (КТ 1, КТ2). которая выделена утолщением.

В каждом блоке (усилительном ядре) имеется свои главный канал и сумматор сигнала Соответственно OV DA3 — это главный канал самого УМЗЧ (Олок ПУС), а ОУ 3DA1 — главный канал блока ВУМ Усилители с этими главными каналами охвачены своими идентичными ООС В качестве мощного канала усилителя в блоке ПУС используется блок ВУК.


Усилитель ПУС выполнен по двухканальной структуре. Он состоит из предварительного усилителя (ОУ DA1 и DA2) главного канала на ОУ UA3 со своей ООС (С’6 R30), сумматора сигнала (С 18 L1) дополнительного прецизионного усилительного канала и интегратера на ОУ 0А5 Дополнительный прецизионный канал состоит из входного ИТУН и прецизионного усилителя на Ov DA4 со своей прецизионной (С 17 R33j стопроцентной на ВЧ и на НЧ ООС.

На рис 4 показана схема входного Итун с генераторами стабильного тока (ГСТ). Один ГСТ на транзисторе 2VT5 подключен к плюсовой шине питания два других на 2VT8 и 2VT7 — к минусовой шине Причем ГСТ на 2VT5 и 2VT7 сделаны каскадными т. е. вместо токозадающего резистора применены источники тока на 2VT3. 2VT4 и 2VT9 соответственно. Это существенно улучшает их параметры, а также делает малочувствительными к качеству питания Ток ГСТ на 2VT5 равен сумме токов нижних источников тока (на 2^8 и 2VT7) ГСТ на 2VT8 и 2^9 задают токи покоя входного (2VT1) и выходного [2УТ 7) каскадов На ОУ 2UA1 и транзисторах 2УТ1 2\Л2 собран внутренний ИТУН. он и осуществляет преобразование входного переменного напряжения в переменный ток Эти транзисторы и ОУ охвачены стопроцентной ООС, тем самым ОУ линеаризует проходную характеристику транзисторов.

Структура входного ИТУН весьма близка к варианту ИТУН примененного в [1) Однако за счет применения улучшенных ГСТ и глубокий ООС, которой охвачен ОУ параметры этого узла существенно улучшены. Выходное сопротивление это1 о ИТУН превышает 100 кОм на частоте 20 кГц что намного больше сопротивления цепи ООС R33 = 10 кОм, В блоке ПУС интегратор на ОУ ОАб 1 (на рис 5) исключает появление постоянной составляющей на выходе УМЗЧ (в точке КТ2) посредством peгулировки напряжения смещения на конденсаторе 2С6 Это напряжение изменяет начальный транзистора 2VT1, тем самым устраняется выходной постоянный ток на выходе входного И ГУН Благодаря дополнительной цепи 2С6 и 2R11 интегратор представляет собой фильтр второго порядка, что существенно снижает его влияние на звуковой сигнал.

Дополнительный мощный эмиттерный повторитель на транзисторе VT1 обладает относительно высоким быстродействием и работает в классе А Эн собран по экономичной схеме, суть которой состоит в гом что транзистор VT2 отслеживает ток VT1 Соответственно сигнал на эмиттере VT2 идентичен сигналу на коллекторе VT1. Как следствие при токе покоя в 35 мА этот повторитель может отдать в нагрузку ток до 70 мА.

Такой повторитель облегчает работу ОУ DA3. уменьшая его выходной ток при наличии мощного сигнала на Ви Это положительно влияет на работу главного канала на ОУ DA3. При желании этот повторитель может быть ис ключей. В этом случае удаляют элементы R5—R12, С7—СЮ, VT1 VT2, а резне тор R26 ,верхний вывод, подключают напрямую к выходу ОУ DA3 Номиналы R3, R4 в этом случае следует уменьшить до 120 Ом.

На выходе мощных усилителей (блоки ПУС и ВУМ) имеются сумматоры сигнала С18. L1 и ЗС4 3U1. Эти сумматоры объединяют маломощные сигналы, приходящие от главных каналов (т. е. ОУ DA3 и 3DA1), и мощные сигналы, поступающие 01 мощных усилителей Элементы С19, R26 и R37 (ЗС5 3R5 и 3R9) снижают добротное подавляя резонансные явления в этих сумматорах Сами катушки индуктивности также должны иметь низкую добротность [1].

Перед уточняющими входами усилителей т. е перед неинвертирующими входами ОУ ОАЗ, 3DA1,4DA1) включены делители сигнала (R28R24 и (R36+3R3)/3R4 и (R36+4R31/4R4). Их основная функция — уменьшение уровня сигнала на ВЧ. Тем самым o6еспечивается приоритет этих главных каналов (т е. самих OV DA3 и ОУ 3DA1' на замыкание петли своей ООС.


Усилитель ВУМ выполнен по трехканальной структуре. Он состоит из главного канала па ОУ 3DA1 (4UA1) со своей ООС (ЗСЗ, 3R7 или 4СЗ 4R7). сумматора сигнала (ЗС4 311 или 4С4, 4L1) и мощного канала. Усилитель имеет два входа — основной (инвертирующий) и уточняющий (неинвертирующий). В этом усилителе в качестве мощного канала в первом (по ходу распространения мощного сигнала) многоканальном усилителе используется мощный усилитель на транзисторах.

Мощный канал в блоке ВУМ собран на транзисторах (3VT1— 3VT9) по двух канальной структуре. В нем имеется своя nenD ВЧ-коррекции. которая образует делитель сигнала (ЗС6, 3R10)/ /(ЗС8, 3R12) Выход этого делителя подключен к входу мощного повторителя (3VT6-3V79). Соответственно на ВЧ сигнал напрямую (через ЗС6, 3R10 и ЗС7 3R11) подводится к входу мощнее повторителя в обход драйверного каскада. На звуковых частотах сигнал усиливается вначале драйверным каска дом (3VT1 — 3VT5) и затем поступает на вход мощного повторителя (3VT6— 3\Л9;

В этой статье как сказано выше, представлены даа варианта выходного каскада — с биполярными (рис. 6) и полевыми транзисторами (рис. 7). Схемные различия касаются в основном мощного выходного каскада (повторителя). В выходном каскаде усилителя по схеме на рис. 7 имеется дополнительная цепь вольтдобавки, которая увеличивает напряжение питания в драй-верном каскаде на пиках сигнала Здесь следует особо подчеркнуть, что е качестве усилители ВУМ возможно применение любого усилителя мощности с нужной АЧХ вне зависимости от его внутреннего содержания. Коэффи циент передачи (АЧХ; и цепи его ООС должны быть идентичны коэффициенту передачи (АЧХ) и цепи ООС главного канала самого УМЗЧ (ОУ DA3' что обу словлено цепью H29R3UC16 Схемотехника и организация ООС подобного УМЗЧ должны в обязательном порядке удовлетворять требованиям быстро действия широкополосности и стопроцентности обратной связи на ВЧ

Входной сигнал одновременно поступает на вход повторителя на ОУ DA1 и на входной ИТУН. С выхода повторителя на ОУ DA1 сигнал проиходит на уси литель на ОУ DA2 тем самым ОУ DA1 и DA2 образуют предварительный инвертирующий усилитель С его выхода (от ОА2' сигнал одновременно поступает на инвертирующий вход ОУ DA3 (основной вход усилителя) и на основной вход ВУМ т. е. на инвертирующий вход ОУ 3DA1

Главный канал на ОУ DA3 контролирует в области ВЧ сигнал на выходе УМЗЧ в точке КТ2. Соответственно ВЧ-сигнал проходит через конденсаторы С1Ь и С19 напрямую на выход УМЗи и далее по петле ООС возвращается на вход ОУ. Этим замыкается петля ООС УМЗЧ на ВЧ Одновременно главный канал на ОУ DA3 блок ПУС) контролирует сигнал на выходе уМЗ1-1 в точке КТ2 управляя блоком ВУМ Это осуществляется с помощью уточняющего сигнала поступающего с выхода ОУ DA2 на уточняющий вход ВУМ, т. е. на неинвертирующий вход ОУ 3DA1. С выхода блока ВУ М (КТ 1) мощный сигнал через катушку L1 поступает на выход УМЗЧ (КТ2). Этим замы ■ кается петля ООС УМЗЧ на НЧ. Таким образом, сигналы на выход УМЗЧ поступают разными путями- через конденсаторы С18 и С19 частотой выше 2 МГц, а от блока ВУМ и L1 — частотой ниже 2 МГц.

Дополнительно разностный сигнал ошибки, поступивший от входного ИТУН и цепи прецизионной ОООС, усиливается прецизионным усилителем на ОУ DA4 и поступает на уточняющий вход усилителя (т. е на неинвертирующий вход ОУ DAMi Соответственно именно ОУ DA4 окончательно фирмируе1 выходной сигнал УМЗЧ (в точке КТ2), исходя из критерия своей прецизионной, стопроцентной и на ВЧ и ьа НЧ общей ООС.

Каждый из ОУ DA4 DA3, 3DA1 стабилизирует сигнал в точке подключения своей ООС и обладает усилением в 70 дБ на частоте 20 кГц. Соответственно общий коэффициент усиления в петлях ООС с учетом трех радиочастотных ОУ и мощного выходного каскада достигает 3 х 70 + 20 - 230 дБ.

Коэффициент передачи УМЗЧ формируется прецизионным усилителем на ОУ DA4 и задается круп изной передачи входного ИТУН и сопротивлением прецизионной общей ООС, т. е. равенству их токов в точке соединения. Высокая точность преобразования входного напряжения в выходной ток ИТУН обусловлена стопроцентной ООС в усилителенаОУ20А1 Соответственно коэффициент передачи самого УМЗЧ равен 25 ()


Усилители в блоках ПУС и ВУМ должны иметь идентичные коэффициенты передачи, причем с учетом усиления пред верительного усилителя общее усиление должно быть равно Соответственно получаем для блока ПУС


Ограничительные диоды VD3, VD4 выполняют функцию уменьшения сигнала на входе интегратора в случае выхода его из линейного режима Диоды VD5—VD12 включены по схеме 1 -образного моста и при перегрузке усилителя выполняют функцию ограничения сигнала по входу и по выходу ОУ, включая местную ООС. В нормальном состоянии диоды закрыты, а при появлении слишком большого уровня сигнала на выходах ОУ диоды VD5—VD8 и VD9—VD12 отбываются и создают местную ООС, резко снижая усиление в петле ООС Сами ОУ 'DA3. DA4, 3DA1) пои этом не входят в режим перегрузки т е. работают в линейном режиме.

В электрических соединениях между узлами и блоками с прецизионной обратной связью очень важно исключить наводимые на общие провода паразит ные помехи и наводки.

Общие проводе ОП1—ОП4 от блока ПУС подсоединены к общей точке "заземления", которая находится в непосредственной близости от блока ПУС "Силовой общий провод ОП5 из блока ВУМ также подсоединен к обшей точке "заземления"

Назначение общих проводов: ОП1 — сигнальный (прецизионный) "нулевой" провод для входных каскад; ОП2 — "нулевой" провод цепи питания входных каскадов; ОПЗ — нулевой провод цепи питания ОУ DA3 и повторителя на транзисторе VT1; ОП4 — "нулевой1 провод выходного фильтра УМЗЧ; ОП5 — “силовой" общий провод питания в блоке ВУМ.

В качестве источников питания +/-9 В, +20 В могут быть поменены любые достаточно качественные источники питания. Соответственно схемы стабилизаторов напряжения +/-9 В, +20 В в статье не приведены. Как вариант можно рекомендовать схемы стабилизаторов напряжения +/-12В, +/-25 В на рис 13, 14 из [1], напряжение стабилизации которых следует соответствен но уменьшить.

Напряжение питания мощного выходного каскада — 25...30 В Выходная мощность усилителя при этом составит 60 80 Вт соответственно.

ЛИТЕРАТУРА

1. Литаврин А. МКУС л УМЗи с гиперглубокой ООС — Радио 20,3 N° 9. с С—12 N» 10, с 15—19: № 1,. с. 8—10

2. Литаврин А. МКУС i УМЗЧ с токовым управлением и крайне глубокой ООС — Радио 2011, No ,0. с. 17-20 № 11с. 15—18

3. AD3055 — URL h„p://www.anaioo com static Imported-,Met data sheets AD8055_8056.Dd, ;29 04 15)

4. AD8065 — URI http://www.analoa. com/static 'importo-fil data sheets AD8065_8066.pdf (29 04 15.