Качество и схемотехника УМЗЧ
Многие вопросы высококачественного звуковоспроизведения ещё не всеми и не окончательно осмыслены. Погоня за сверхлинейными, сверхмощными и, в результате, сверхсложными усилителями мощности звуковой частоты (УМЗЧ) продолжается и далеко не всегда обоснованно.
Изготовление высококачественного УМЗЧ – ещё не решение проблемы, так как он лишь одно из звеньев цепи устройств, образующих звуковоспроизводящий комплекс. И создавать такой комплекс следует системно, начиная с постановки требований, основанных как на желаемых результатах, так и на имеющихся возможностях.
При этом в расчёт должны приниматься не только технические характеристики звуковоспроизводящего тракта, но и параметры громкоговорителей, акустические параметры помещения, вопросы эргономики и надёжности.
Бывает так, что музыкальный комплекс удовлетворяет по звучанию своего владельца при работе на громкоговорители низкой группы сложности, а потом, он немедленно перестанет его удовлетворять после замены их акустической системой более высокой группы: сразу начнут проявляться недостатки слабых звеньев.
При замене громкоговорителей неминуемо возникает необходимость замены и других блоков, а в случае согласованности их характеристик – и всего музыкального комплекса. Т.е. то, что громкоговорители – важнейший компонент музыкального комплекса, вряд ли требует особых пояснений.
Можно говорить о качестве любого звена звуковоспроизводящего тракта, о влиянии его параметров на качество звуковоспроизведения, но если электроакустический преобразователь не может преобразовать электрические сигналы в звуковые в определённом диапазоне частот с приемлемым уровнем искажений, то никакое улучшение других узлов тракта, как правило, не приведёт к пропорциональному улучшению звучания.
Конечно, степень демпфирования громкоговорителей выходным сопротивлением УМЗЧ может в некоторой степени влиять на качество воспроизведения, но только до тех пор, пока она не достигнет предельного для данного электроакустического преобразователя значения.
Частотной коррекцией усилителя можно расширить диапазон воспроизводимых акустической системой частот, но в ущерб другому параметру – динамическому диапазону усиливаемых без нелинейных искажений сигналов.
Громкоговорители приходится выбирать не только по параметрам и стоимости, но и с учётом возможности их размещения в жилом помещении, где они, видимо, не должны являться главным элементом интерьера. Последнее обстоятельство часто является определяющим: далеко не каждый рискнёт сделать главным украшением своей квартиры несколько громоздких акустических систем.
Для ликвидации разрыва между желаемым качеством звуковоспроизведения и возможностями размещения громкоговорителей в квартире основные усилия конструкторов направлены на создание достаточно высококачественных малогабаритных, эстетически грамотно оформленных и доступных по цене акустических систем. Их частотный диапазон должен быть не уже 30...16000 Гц. А коэффициент гармоник в указанном диапазоне частот не должен превышать 3% при номинальной мощности 25 Вт.
Практически такие же требования по частотной характеристике следует предъявить и ко второму по значимости звену музыкального комплекса – УМЗЧ: оптимальным диапазоном частот для него можно считать 20...20 000 Гц (при спаде АЧХ на краях не более – 3 дБ).
Не принципиальным был бы и коэффициент гармоник, который вполне мог бы достигать 0,5...1%. если бы нелинейность амплитудной характеристики УМЗЧ не приводила к появлению негармонических составляющих в спектре усиливаемого сигнала, вызываемых интермодуляционнымп искажениями.
Именно они, а не гармонические составляющие, являются источником неприятных призвуков. Частотные компоненты, лежащие за верхней границей звукового диапазона и, следовательно, не слышимые ухом, при близком их расположении на частотной оси могут порождать комбинационные частоты, попадающие в область максимальной чувствительности человеческого уха.
Высокая крутизна характеристик биполярных транзисторов, а следовательно, и кривизна (нелинейность) приводят к появлению комбинационных составляющих довольно высокого (6-го…10-го) порядка со значительными уровнями.
Борьба с интермодуляционнымп искажениями, возникающими при ограничении сигнала, довольно проста: достаточно правильно выбрать амплитуду напряжения на входе УМЗЧ.
Пик-фактор многочастотного сигнала близок к пик-фактору шума и наиболее вероятно равен 3. Следовательно, величина входного напряжения для неискажённого звуковоспроизведения должна быть в 3 раза меньше максимального значения, при котором выходной синусоидальный сигнал ещё не искажается.
Требуемый уровень входного напряжения подбирают при установке регулятора громкости в положение, соответствующее максимальной громкости. Следует, однако, учесть, что средняя мощность на выходе при этом будет примерно равна 0,1 от номинальной, и громкость звучания для выбранной акустической системы и конкретного помещения будет определяться именно ею.
Учитывая, что наиболее типичный объем жилого помещения, составляющий 40…60 м^2 требует подведения средней мощности около 4 Вт, номинальная суммарная мощность стереофонического УМЗЧ должка составлять 40 Вт – по 20 Вт на канал. Это значение и следует, по мнению автора, считать минимальным для высококачественного звуковоспроизведения. Очевидно, что при указанной выходной мощности интермодуляционные искажения должны быть ниже уровня шумов УМЗЧ.
К объективным методам оценки качества УМЗЧ, как, впрочем, и любого радиоэлектронного устройства, следует отнести экспертизу схемотехнических решений. Конечно, такая оценка требует определённых знаний в области радиоэлектроники и не под силу слушателям без радиотехнической подготовки, однако она вполне доступна радиолюбителям, способным сравнить схемотехнические особенности того или иного усилителя по предлагаемой ниже методике.
Прежде всего следует обратить внимание на выходной каскад УМЗЧ. Известно, что добиться приемлемого уровня нелинейных искажений в усилителях, работающих в режиме В, при малой выходной мощности очень трудно.
Известно также, что режим А в УМЗЧ приводит к недопустимому снижению КПД и существенным конструктивным затратам на отвод тепла от выходных транзисторов.
Промежуточный режим АВ тоже не лишён недостатков: он требует тщательного выбора режима транзисторов выходного каскада и температурной стабилизации их тока покоя. Применение различных тепловых ООС конструктивно сложно и недопустимо инерционно.
Наиболее удачным решением, по мнению автора, является сочетание усилителей, работающих в режимах А и В (и даже А н С), причём такое, в котором при малой выходной мощности работает только первый из них, а при большой мощности – оба (маломощный усилитель, работающий в режиме А, является одновременно возбудителем выходного каскада, транзисторы которого работают в режиме В и закрыты при малых уровнях сигнала).
Это позволяет отказаться от стабилизации рабочей точки транзисторов оконечного каскада, обеспечив постоянство режима только маломощного усилителя. ООС в подобных усилителях работает в режимах как малого, так и большого сигналов, что достигается прямой связью входа и выхода оконечного каскада.
Схема электрическая
Технические характеристики:
- Режим работы выходного каскада – A (малый сигнал) и B;
- Напряжение питания – ±30 В;
- Номинальное входное напряжение – 840 мВ;
- Номинальная выходная мощность (4 Ом) – 60 Вт;
- Полоса пропускания по уровню 0 дБ – 20…20000 Гц;
- THD при номинальной выходной мощности (5 Вт) на частотах:
1 кГц – 0,01%;
20 кГц – 0,5%; - THD при номинальной выходной мощности (60 Вт) на частотах:
1 кГц – 0,005%;
20 кГц – 0,7%.
Первый каскад выполнен на ОУ DA1, включённым вместе с транзисторами VT1 и VT2 таким образом, чтобы, во-первых, увеличить скорость нарастания напряжения на выходе усилителя, а во-вторых, обеспечить номинальное напряжение питания ОУ.
Предоконечный каскад (VT3 и VT4) работает в режиме А, выходной (VT5 и VT6) – в режиме В. Цепь ООС, общая для постоянного и переменного токов, не содержит конденсатора большой ёмкости и обладает малой постоянной времени для переходных процессов.
Элементы R8, R9, С7 и L1 корректируют ФЧХ цепи ООС, обеспечивая при правильной настройке малый уровень интермодуляционных искажений и коэффициента гармоник. Параметры этих элементов связаны простым соотношением (L1 = R8×R9×С7) и могут быть легко рассчитаны для каждого конкретного случая.
Конструкция, детали и наладка
Чертёж печатной платы показан на рисунке выше.
Катушка L1 намотана в два слоя (12+12 витков) проводом ПЭВ-2, 0,8 на оправке диаметром 7 мм и для жёсткости пропитана клеем типа «Момент».
Налаживание сводится к установке тока покоя транзисторов VT3 и VT4 в пределах 10...12 мА подбором резисторов R5 и R6 при отсутствии тока через транзисторы VT5 и VT6.
