Виды искажений и способы их снижения
Снижение нелинейных искажений звуковоспроизводящего тракта и, в частности повышения линейности УМЗЧ постоянно интересует многих радиолюбителей. О том, какое значение коэффициента гармоник можно считать допустимым для высококачественного УМЗЧ, высказано множество мнений, порой весьма противоречивых.
Однако известно, что наибольший вклад в искажения тракта обычно вносят акустические системы (Кг ≥ 3%).
При использовании ленточных изодинамических излучателей и цифровых проигрывателей суммарный Кг тракта (без УМЗЧ) снижается примерно до 1...2%, причём доминирующими в спектре искажений являются вторая и третья гармоники.
Можно полагать, что УМЗЧ с таким же спектральным составом нелинейных искажений и коэффициентом Кг ≤ 0,1% заметного влияния на качество звучания не окажет.
Значительно ухудшают звучание, придавая ему «металлический» оттенок, высшие гармоники, возникающие при ограничении амплитуды сигнала, искажения центральной отсечки, а также так называемые кроссоверные и коммутационные искажения, возникающие в УМЗЧ в момент перехода из режима А в режим В, динамические интермодуляционные искажения и, наконец, самовозбуждение во время переходных процессов и при работе на комплексную нагрузку.
УМЗЧ, вносящий в усиливаемый сигнал искажения хотя бы одного из этих видов, характеризуется «транзисторным» звучанием даже при ничтожно малом коэффициенте гармоник.
Традиционный способ устранения искажений, обусловленных ограничением амплитуды сигнала – создание запаса мощности, однако это ведёт к неоправданному усложнению транзисторного УМЗЧ.
Другой способ – создание условий для «мягкого» (как у ламповых усилителей) ограничения амплитуды.
Кроссоверные и коммутационные искажения можно ликвидировать переводом УМЗЧ в режим А или Super А.
Снизить нелинейные искажения можно и иначе, например, введением глубокой (более 30 дБ) ООС, в том числе многопетлевой, использованием прямой связи и применением специальной коррекции нелинейных искажений (как у QUAD 405).
Следует, однако, отметить, что глубокая ООС нередко становится причиной возникновения динамических искажений и неустойчивой работы УМЗЧ. Кроме того, глубокая ООС эффективно снижает только «гладкие» искажения, а наиболее заметные кроссоверные она уменьшает в недостаточной мере.
Изменение глубины ООС в одном и том же УМЗЧ с 20 до 40 дБ заметного влияния на качество звучания не оказывает, несмотря на значительное уменьшение коэффициента гармоник, а дальнейшее увеличение её глубины влечёт за собой ухудшение звучания из-за снижения устойчивости. Качество звучания УМЗЧ определяется главным образом не глубиной ООС, а линейностью исходного (не охваченного ею) усилителя.
Несколько лучшие результаты даёт применение многопетлевой ООС, однако она значительно усложняет УМЗЧ.
Резюмируя сказанное, можно считать, что для высококачественного УМЗЧ с разомкнутой петлёй ООС вполне допустим Кг 0,5 %.
Что же касается двух последних способов снижения нелинейных искажений, то они свободны от недостатков, присущих глубокой ООС, и отличаются один от другого тем, что при использовании прямой связи сигнал ошибки вычитается из полезного сигнала на выходе УМЗЧ, а при коррекции – на его входе.
С учётом всего сказанного выше был разработан УМЗЧ без общей ООС, схема которого представлена ниже.
Схема электрическая
Технические характеристики:
- Режим работы выходного каскада – AB;
- Начальный ток (ток покоя) – 25 мА;
- Напряжение питания – 45 В;
- Номинальное входное напряжение – 1 В;
- Номинальная выходная мощность (4 Ом) – 35 Вт;
- Полоса пропускания по уровню -3 дБ – 10…63000 Гц;
- THD при номинальной выходной мощности (35 Вт) на частотах:
1 кГц – 0,1%;
20 кГц – 0,4%.
Схема состоит из трёх каскадов: двухтактного эмиттерного повторителя, усилителя напряжения и выходного каскада с узлом компенсации нелинейных искажений.
Эмиттерный повторитель (VT1, VT2) работает в режиме А и служит для обеспечения требуемого входного сопротивления УМЗЧ. Цепи R1C4 и R8C5 образуют ФНЧ второго порядка с частотой среза около 60 кГц.
Усилитель напряжения сигнала (VT3…VT6) представляет собой двухтактное токовое зеркало, нагруженное резисторами R13, R14. Коэффициент передачи тока этого каскада определяется отношением сопротивлений резисторов в эмиттерных цепях, входящих в него транзисторов.
Режим работы токового зеркала по постоянному току задан резистором R11. Необходимо отметить, что вносимые каскадом нелинейные искажения зависят от разброса сопротивлений резисторов R9, R10, R12, R15, поэтому их необходимо попарно подобрать.
Особенностью выходного каскада (VT7…VT14) является наличие узла компенсации нелинейных искажений. Поскольку схема каскада симметрична, рассмотрим работу верхнего (по схеме) плеча узла, которое вы полнено на транзисторах VT11, VT9.
Входной сигнал одновременно поступает на базу транзистора VT13 оконечного каскада и (через резистор R19) на эмиттер транзистора VT9. Выходной сигнал, пройдя резистор R29, подводится через делитель R24R25 к базе транзистора VT9, который в результате выделяет напряжение ошибки и подаёт его на вход эмиттерного повторителя, собранного на транзисторе VT11. Из искаженного сигнала напряжение ошибки вычитается на резисторе R22.
Цепи R18C8, R21C9 и конденсатор С10 устраняют самовозбуждение, возникающее вследствие перекомпенсации на высших частотах.
Благодаря отсутствию общей ООС УМЗЧ не вносит динамических искажений и абсолютно устойчив при переходных процессах и работе на комплексную нагрузку. Кроссоверные, коммутационные и нелинейные искажения снижаются узлом компенсации.
К недостаткам описываемого УМЗЧ следует отнести не большую выходную мощность, низкий коэффициент использования питающего напряжения, высокие требования источнику питания (во избежание роста четных гармоник он должен быть стабилизированным).
Печатная плата усилителя показана на рисунке ниже. На ней размещены все детали схемы, кроме конденсатора C12. Площадь теплоотвода для выходных транзисторов должна быть не мене 600 см^2.
