Сборка УМЗЧ - на каком коэффициенте гармоик остановиться?

Уже давно разработчики УМЗЧ задают себе вопрос: до какого уровня необходимо снижать нелинейность усилителя? [1-3]. Если проанализировать рекламные журналы по аудиотехнике, то гармонические искажения даже “топовых” моделей УМЗЧ в основном лежат в диапазоне 0,003...0,05%.

Но в последнее время стали публиковаться схемы УМЗЧ, укоторых заявленный Кг составляет десятитысячные доли процента. А как, собственно, определить, что вот этого достаточно, и лучшего уже не надо? Может, это должен быть какой-то уж совсем “фантастический звук”, лучше которого ничего не бывает?

Или когда ухо перестанет замечать дальнейшее улучшение технических характеристик усилителя? А может, надо просто “напугать глаза” количеством нулей после запятой в Кг?

Это, по-моему, хорошая идея! В одной из статей я писал, что воспринимаю программу MicroCap (МС) как компьютерную игру-тренажер, а каждая игра имеет несколько уровней сложности.

Эксперименты

При моделировании УМЗЧ в МС главным критерием качества является коэффициент гармоник, выраженный на первом уровне в процентах (%), на втором уровне - в миллипроцентах (m=10^-3%), на третьем - в микропроцентах (ц=10^-6%) и т.д. Каждый “игрок” стремится достичь высшего уровня и получить моральное удовлетворение. Я это и сделал!

В качестве объекта для экспериментов выбраны опубликованные в [4] схемы усилителей тока (УТ) и напряжения (УН). Понятно, чтобы “добавить нулей” в Кг, необходимо увеличить глубину ООС и, соответственно, петлевое усиление. Для этого в каждый из усилителей добавлены по два дополнительных ОУ, включенных как параллельный канал усиления сигнала искажений.

А после каждого добавления ОУ снимались параметры искажений на максимальной амплитуде выходного сигнала и АЧХ. Первой модернизировалась схема усилителя тока. На рис.1 приведена полная схема усилителя тока с двумя добавленными ОУ DA1.1 и DA1.2.

Схема усилителя тока с двумя добавленными ОУ

Рис. 1. Схема усилителя тока с двумя добавленными ОУ.

Коэффициенты гармоник в табл.1 приведены при амплитуде выходного сигнала 26 В для варианта без DA1.2. Недостатком этого варианта является рост гармоник высокого порядка.

Добавление в схему DA1.2 улучшило линейность и понизило суммарный Кг на частотах 1 кГц и 10 кГц, что видно из табл.2.

Сборка УМЗЧ - на каком коэффициенте гармоик остановиться?

Табл. 1. Коэффициенты гармоник.

Сборка УМЗЧ - на каком коэффициенте гармоик остановиться?

Табл. 2. суммарный Кг для частоты 1 кГц со всеми нулями.

Подавление ВЧ-гармоник произошло за счет расширения линейного участка АЧХ с 20 до 400 кГц. Высшего уровня пикопроцентов в схеме усилителя тока мне достичь не удалось, но учитывая, что это - мощный выходной каскад, то даже микро- и нано-уровень - очень неплохо! Для лучшего “воздействия на глаза” внизу табл.2 приведен суммарный Кг для частоты 1 кГц со всеми нулями.

Те же действия проведены и со схемой усилителя напряжения из [4] путем добавления ОУ DA1.1 и DA1.2. В результате, получена схема на рис.2. В табл. 3 - коэффициенты гармоник для схемы без DA1.2 при амплитуде выходного сигнала 30 В.

Как видно из табл.З, сразу же был достигнут “высший уровень пикопроцентов” для частот 100 Гц и 1 кГц. Добавление в схему DA1.2 привело к дополнительному улучшению линейности на частотах 1 кГц и 10 кГц, о чем свидетельствуют данные табл.4. Внизу таблицы приведен суммарный Кг для частоты 1 кГц со всеми значащими нулями.

На рис.З показан спектр гармоник для частоты 10 кГц, из которого видно, что основной вклад в суммарный Кг вносят 7-я и 9-я с уровнями по 40-10:-9.

Новый вариант схемы

Рис. 2. Новый вариант схемы.

Сборка УМЗЧ - на каком коэффициенте гармоик остановиться?

Табл. 3. Коэффициенты гармоник для схемы без DA1.2 при амплитуде выходного сигнала 30 В.

Спектр гармоник для частоты 10 кГц

Рис. 3. Спектр гармоник для частоты 10 кГц.

Сборка УМЗЧ - на каком коэффициенте гармоик остановиться?

Табл. 4. Улучшенная линейность.

После ряда неудачных попыток подавить уровень этих гармоник я решил протестировать в МС прецизионный композитный усилитель Джона Йевена [5]. Сначала была проверена схема авторского варианта с ОУ типа LF358, а затем они были заменены на NE5532 (рис.4). Спектры гармоник для частоты 10 кГц приведены на рис.5 и 6 соответственно.

И здесь видим аналогичную картину: наряду с низкими уровнями первых шести гармоник, наблюдаются достаточно высокие уровни 7-ой и 9-ой, причем независимо от примененных ОУ.

Схема с заменой ОУ

Рис. 4. Схема с заменой ОУ.

Спектры гармоник для частоты 10 кГц у новой схемы

Рис. 5. Спектры гармоник для частоты 10 кГц у новой схемы.

Схемные решения из [4] и данной статьи могут быть использованы для улучшения линейности не только отдельных УН и УТ, но и УМЗЧ с ООС.

Проще всего это сделать в случае инвертирующего усилителя, но можно и в неинвертирующем, как это сделано в УТ. Особенно эффективна такая схемотехника для улучшения характеристик мощных интегральных УМЗЧ типа TDA7293 и LM3886, так как внутри микросхем ничего изменить нельзя.

Продолжение рисунка 5

Рис. 6. Продолжение рисунка 5.

Хочу особо отметить, что по приведенным в статье схемам не проводилось макетирование и прослушивание. Это был чисто виртуальный проект для “расширения диапазона мышления”.

А. Копысов, д.Климушино Костромской обл. РМ-07-12.

Литература:

  1. Ю.Солнцев. Какой же Кг допустим? - Радио, 1985, №2, С.26.
  2. А.Агеев. УМЗЧ с малыми нелинейными искажениями. - Радио, 1987, №2, С.26.
  3. В.Хорошев, А.Шадров. УМЗЧ без общей ООС. - Радио, 1989, №9, С.65.
  4. А.Копысов. Применение селектора искажений для компенсации нелинейности УМЗЧ. - Радиомир, 2012, №3, С.6.
  5. J.Yewen. High-precision composite op-amps. - Electronics&wireiess world.
1 919 Транзисторные УНЧ
УНЧ УМЗЧ усилитель
Написать комментарий:

cashback