ОУ 4558 — классика с подвохом
В массовой аппаратуре не высокой стоимости, построенной на ОУ, часто встречается одна и та же импортная микросхема, имеющая наименование ***4558 с некоторыми буквами впереди(***), указывающими на производителя микросхемы. Так же можно встретить 4556, 4559, 4562, 4565 и 4580.
Её работа в звуковом диапазоне вызывает нарекания среди любителей качественного звучания и профессионалов обработки звука — они характеризуют звук, пропущенный через каскад на ОУ 4558 как «замыленный» или «пластиковый». Каскады на основе 4558, как правило, «быстро перегружаются», т.е. придают звуку искажения с Кг =10 %, свойственные каскаду с ограничением амплитуды.
Хотя по характеристикам, данным производителем, Кг = 0,008 % при Ку = 20 дБ и выходном сигнале частотой 1 кГц, размахом 2 В на нагрузке 2 кОм с параллельной емкостью 100 пФ.
При этом глубина ООС на частоте 1 кГц составляет 70-20=50 дБ, а это означает, что искажения микросхемы без ООС составляют Кг'=0,008*300=2,4% при том же уровне выходного сигнала. На частоте 20 кГц уровень искажений, скорее всего такой же, а может и выше, но коэффициент усиления ОУ без ООС Ку' = 40 дБ, а значит запас по ООС всего 20 дБ, т.е. при Ку = 20 дБ и выходном сигнале частотой 20 кГц, размахом 2 В на нагрузке 2 кОм с параллельной емкостью 100 пФ, Кг = 2,4/10 = 0,24 %, что очень даже заметно. Конечно же ее вторая гармоника 40 кГц, третья 60 кГц и т.д., что далеко за границей слышимых человеческим ухом частот. Но есть еще один вид измерений для звуковых усилителей — измерение интермодуляционных искажений, которые, кстати и дают ту самую «замыленность звучания». Так вот, измеряя искажения усилителя двух частотным методом на частотах 19 и 20 кГц, мы получим весьма не красивый пик «выброс» на разностной частоте 1 кГц, к уровню которой наше ухо наиболее чувствительно. Можно предположить, что вторая гармоника от 10 кГц и третья гармоника от 6 кГц дадут паразитный звук на частоте 10*2-6*3 = 2 кГц и так далее. Таким образом, на реальном музыкальном сигнале, который, как известно, является многочастотным, рассматриваемый ОУ даст «кашу из гармоник» в широком частотном диапазоне.
Для сравнения графики THD другой относительно недорогой микросхемы mc33078. Звучание этого ОУ оценивают как «нейтральное», «не вносящее ничего не обычного», т.е. то, что и нужно для ОУ, работающего в звуковом диапазоне.
Давайте рассмотрим схему ***4558 подробнее.
Судя по datasheet, микросхемы серии ***45** построены по одной и той же внутренней схеме и отличаются от 4558 лишь параметрами настройки.
Это классическая схема транзисторного усилителя с дифференциальным усилителем на входе (Q1^Q2), эмиттерным повторителем Q6, усилителем напряжения на каскаде с ОЭ (Q10) и выходной каскад на комплементарной паре эмиттерных повторителей (Q11^Q12), имеющей некоторые вариации. Такое построение каскадов также называют структурой Лина (инженер китайского происхождения из американской компании RCA, подробнее здесь https://ru.wikipedia.org/wiki/Усилитель_Лина).
Если к входному дифференциальному каскаду Q1^Q2, нагруженному на токовое зеркало Q3^Q4, претензий нет — он линеен в широком диапазоне выходных напряжений каскада, то вот усилитель напряжения на Q10 не линеен по ВАХ и по большей части Кг=2,4%, показанный выше, это его заслуга. Эти искажения усугубляются искажениями при уменьшении нагрузки выходного каскада, представляющего собой эмиттерный повторитель на комплементарной паре Q11^Q12, т.к. каскад выходит из линейного режима класса А. Так при размахе выходного сигнала в 2В на нагрузке 2кОм ток каскада составит 1 мА, что сравнимо с током потребления ОУ без нагрузки 2,3мА на два канала, но при нагрузке 600 Ом уже 3,3мА, т.е. выходной каскад уже работает в режиме АВ и есть переключательные искажения транзисторного каскада.
Вот тут то возникает процесс, вызывающий споры среди радиолюбителей, иногда приводящие к крутым разборкам… Одни говорят, что задержка включения второго транзистора выходного каскада, работающего в режиме АВ при переходе сигнала через порог, близкий к нулю дает перегрузку входных каскадов, другие говорят, что перегружается каскад с ОЭ, третьи не согласны ни с первым ни со вторым мнением, считая задержку включения не значительной для звукового сигнала. Но где же истина?
Конечно же дифференциальный каскад достаточно линеен до определенного порога в 18мВ входного напряжения, когда нелинейные искажения возрастают до 1% [https://ru.wikipedia.org/wiki/Дифференциальный_каскад]. 18мВ входного напряжения данного ОУ 4558 соответствуют выходному 1,8В на частоте 20кГц, но на частоте 1кГц ОУ будет перегружен по выходу (18мВ*3000=54В) максимальным выходным напряжением в ±12В. Что означает, что перегрузка входного каскада наступит намного позже перегрузки каскада с ОЭ. Для этого каскада уровень нелинейных искажений в 1% наступает уже при входном напряжении в 1мВ. Тут есть один важный момент, т.к. по datasheet сложно определить ток этого каскада, а значит и Ку не известен, то и уровень его перегрузки установить довольно затруднительно.
А теперь посмотрим на схему mc33078
На входе всё тот же дифференциальный усилитель Q3^Q5, нагруженный на токовое зеркало D2^Q6, но вот последующий каскад другой. И если присмотреться внимательно, то можно разглядеть структуру JLH — Q10^Q11^Q12, впервые представленную в составе усилителя "Simple Class A Amplifier" в журналеWireless World in 1969 году [https://en.wikipedia.org/wiki/John_Linsley_Hood] (Привет Douglas Self).
Транзисторы Q8^Q10 вместе представляют собой каскад составного транзистора Дарлингтон [https://ru.wikipedia.org/wiki/Составной_транзистор], уменьшающий нагрузку на дифкаскад.
По схеме со структурой Лина также построена другая не менее популярная микросхема, там где требуется высокое входное сопротивление и малая входная емкость - это TL07х. Существуют микросхемы с одним (TL071), двумя (TL072) и четырьмя (TL074) ОУ в одном корпусе.
От выше описанной микросхемы 4558 ОУ TL072 отличается входным дифференциальным каскадом на полевых транзисторах структуры JFET с p-каналом, поэтому большинство недостатков для усиления звука, присущих 4558 здесь тоже присутствует, хотя и в меньшей мере, т.к. благодаря полевым транзисторам входной каскад практически не перегружается.
To be continued…
