Аннотация: Для разработчиков и радиолюбителям конструкторам усилителей.
Способы снижения искажений сигнала и помех в усилителях
с возможностью защиты нагрузки.
Как известно, основным способом снижения уровня искажений сигнала в усилителях мощности является применение общей отрицательной обратной связи,
в дополнение к которой используют местные обратные связи, с учетом необходимости линеаризации характеристик в возможно широком диапазоне частот. Практически обязательным является ограничение полосы частот входного сигнала и применение дифференциальных каскадов. Широко применяются полевые и быстродействующие компоненты с одновременным увеличением перегрузочной способности всего усилителя, включая и блок питания.
Для уменьшения уровня шума используют схемотехнические решения с применением малошумящих элементов, а для уменьшения уровня фона часто приходится применять высококачественные источники питания. Одним из компромиссных вариантов решений являются полностью симметричные схемы построения усилителей, хорошо согласовывающих порой противоречивые требования возникающие при этих способах снижения искажений.
Линейные и нелинейные искажения сигнала снижаются пропорционально петлевому усилению усилителя, но полностью не устраняются.
Альтернативным является способ "прямого" регулирования, (current dumping), схема с комбинацией ПОС и ООС , который теоретически позволяет избавиться от искажений. В этих усилителях, обычно работающих в режиме В и АВ, подавление переходных искажений осуществляется в предварительных каскадах, являющихся одновременно и усиливающими и корректирующими.(3,4,5).
На протяжении почти 3-х десятков лет в "Радио" печатались статьи об использовании селектора сигнала искажений и помех для контроля работы усилителей и поиска причин возникновения помех и искажений сигнала.
Работа селектора основана на сложении входного, скорректированного по фазе сигнала, с инвертированным выходным, выровненного по уровню с входным. Селекция сигнала искажений и помех легко выполняется в инвертирующем усилителе с применением селектора сигнала искажений и помех, который образуют 4 резистора и конденсатор, (R3,R4,R5,R6 и C1), соединяющих вход усилителя с выходом. ( Рис.1) Однако, выделенным сигналом искажений и помех пользуются только специалисты, при наличии приборов, для оценки качества работы усилителей, определения причин искажений сигнала и настройки.(1,2).
Желание применить выделенный сигнал искажений и помех для постоянного, автоматического снижения уровня искажений и помех сигнала в усилителях привело автора этой статьи к разработке способа. На него 6 лет тому была оформлена заявка на изобретение, но экспертиза по существу в ФИПСа заключила, что заявку нужно переоформить, так как здесь два изобретения, переоформлять не было времени и денег жалко, может кому сгодится.
Минимальность искажений усиленного сигнала является основным требованием к усилительной технике, и выполнить его можно только двумя способами: недопущением возникновения этих искажений или отделением возникающих в усилителе искажений и помех от выходного сигнала.
Основные способы, применяемые для недопущения возникновения искажений и помех в усилителях, вкратце перечислены в начале статьи. Теоретически эти способы исследованы хорошо и конструкции существующих усилителей рассчитаны и работают только с применением этих способов.
Суть предлагаемого способа состоит в отделении усиленного сигнала от возникших в усилителе искажений. Анализ схем усилителей показывает, что двухтактные и мостовые усилители имеют параллельные ветви усиления, как минимум тока, каждая со своей частью усиливаемого сигнала, который имеет свой сигнал искажений и помех. Следовательно, если есть возможность выделить сигналы искажений и помех ветвей по отдельности и подать перекрестно на входы параллельных ветвей они могут усиливаться в сумме или разности с сигналами этих ветвей.
В мостовом усилителе два противофазных, усиливаемых сигнала одновременно проходят по ветвям, а нагрузка не воспроизводит синфазные, равные по величине сигналы ветвей и, следовательно, при достаточном быстродействии усилителя и обратной связи, обеспечив выделение, передачу, равенство и синфазность сигналов искажений и помех обеих ветвей, можно получить на нагрузке усилителя сигнал, "очищенный" от возникших в усилителе искажений.
В двухтактном усилителе уничтожаются, складываясь на выходе, противофазные, равные по величине сигналы ветвей. Усиливаемый сигнал проходит по одной ветви, а по второй ветви можно пропустить выделенный сигнал искажений и помех и, обеспечив передачу, равенство и противофазность сигналов искажений и помех в ветвях, можно получить на выходе менее искаженный сигнал. Остаточные искажения сигнала являются следствием искаженного усиления сигналов искажений и помех в ветвях и некоторого запаздывания их по фазе. Применение такого способа вызывает долговременную защиту нагрузки от постоянного напряжения из-за неисправности одной ветви усиления на выходе мостового усилителя. Это напряжение выделяется селектором как искажение
или помеха, и передается для выработки равного и синфазного напряжения в исправной ветви.
В двухтактном усилителе в исправной ветви создается противофазное напряжение, которое будет противодействовать постоянному напряжению неисправной ветви, защищая нагрузку. Таким образом, в предложенных способах снижение уровня искажений совмещается с защитой нагрузки от постоянного напряжения на выходе усилителя. Необходимо отметить, что снижение уровня искажений и помех осуществляется в выходном каскаде, а правильнее, отделение усиленного сигнала от искажений, в отличие от усилителей работающих по схеме с разгрузкой по току, в которых используется предварительный каскад, и притом,
с целью недопущения возникновения искажений и помех в усилителе.
Примеры схемотехники усилителей с применением предлагаемого способа приведены на рис.2-6. Мостовой усилитель изображенный на рис.2 работает следующим образом; операционные усилители DA1 и DA2 вырабатывают противофазные сигналы в ветвях усилителя. Резисторы R10, R11, R12, R13 и конденсатор C1 образуют селектор сигнала искажений и помех верхней, по схеме, ветви, а резисторы R14, R15, R16, R17 и конденсатор C2 образуют селектор сигнала искажений и помех нижней, по схеме, ветви. Важным обстоятельством является то, что выделенный сигнал искажений меньше сигнала искажений на выходе усилителя в К раз, где К - коэффициент усиления DA5 и DA8. В связи с применением селекторов сигналов искажений и помех в качестве оконечных усилителей мощности используются инвертирующие усилители DA5 и DA8 с дифференциальным входом. Сигнал искажений, выделенный из верхней ветви, через повторитель напряжения DA6 подается на неинвертирующий вход усилителя DA8 нижней ветви. Соответствующий подбор величины сигнала искажений и помех, резистором R21 по неинвертирующему входу DA8 приводит к возникновению равного, синфазного сигнала искажений в нижней ветви, которые не воспроизводятся нагрузкой R24. Аналогичный процесс происходит с сигналом искажений, выделенным из нижней ветви. Операционные усилители DA3 и DA7 предназначены для того, чтобы селекторы сигналов искажений и помех ветвей выделяли искажения только своих ветвей. Происходит это следующим образом: сигнал искажений нижней ветви, пройдя на выход DА5, поступает на селектор сигнала искажений и помех верхней ветви, и далее на вход ОУ DА6, но туда же поступает и выровненный по величине и противофазный, сигнал искажений и помех нижней ветви с ОУ DА3.
В итоге вход ОУ DА6 не воспринимает сигналы искажений нижней ветви. Аналогичный процесс происходит с сигналом искажений, выделенным из верхней ветви, и соответственно на нагрузку R24 подаются противофазные, усиленные два входных сигнала и синфазные, равные попарно по величине, четыре сигнала искажений и помех ветвей. В действительности искажений сигнала и помех в усилителе стало больше, но стало возможным отделить усиленный сигнал от искажений и помех на выходе (нагрузке) усилителя сложением или вычитанием.
Настройка мостового усилителя, в котором используется предлагаемый способ, производится в определённой последовательности и содержит простые операции.
Настройка проводится без подключения нагрузки R24, при помощи генератора сигналов и широкополосного вольтметра с большим входным сопротивлением.
Вначале необходимо токосъёмы сопротивлений R6 и R21 установить в среднее положение, заземлить вход усилителя и точки А и В (выход селекторов сигналов искажений), а затем произвести последовательно от входа к выходу балансировку всех ОУ и усилителей мощности цепями их коррекции для минимизации постоянного напряжения на выходе ветвей усилителя. Затем вход усилителя подключается к генератору синусоидальных колебаний и подается сигнал равный 0.1 Uвх с частотой 20кГц и выравнивают относительно земли амплитуду колебаний на выходах DA1 и DA2 (подбором R3), а затем и на выходе ветвей усилителя подбором R8 или R23. Далее проводится настройка селекторов сигналов искажений. Для этого необходимо снять заземления с точек А и В, и отключить от выходов ОУ DA3 и DА7 выводы сопротивлений R9 и R18 и присоединить их к земле. Затем на вход усилителя подается сигнал равный 0.9 Uвх частотой 20кГц и при помощи вольтметра, подбором R13,R17,С1 иС2, добиваются минимума в показаниях вольтметра в точках А и В. Далее проводится настройка коэффициентов усиления DA5 и DA8 по неинвертирующим входам. Для этого вход усилителя заземляется, а вывод R13 отсоединяется от выхода усилителя DA5. На свободный вывод R13 подается сигнал равный 0,9 Uвых с частотой 20кГц и при помощи R21на выходе DA8 устанавливают напряжение в точности равное напряжению генератора, а затем при помощи R6 на выходе DA5 устанавливают такое же напряжение. Восстановив соединение R13 с выходом DA5 для проверки можно проделать аналогичные операции с R17 и результат должен быть одинаковым. Далее проводится подбор величин входных сигналов DA3 и DA7. Для этого необходимо вновь подключить выводы сопротивлений R9 и R18 к выходам DA3 и DA7,а выводы сопротивлений R6 и R21 необходимо отключить от выходов ОУ DA4 и DА6, присоединить их вместе к генератору и подать сигнал равный 0.1 Uвых с частотой 20кГц. В точках А и В необходимо добиться минимума показаний вольтметра изменением входных напряжений ОУ DА3 и DА7. Если постоянное и переменное напряжение между точками А и В равно нулю коэффициенты усиления DA5, DА6,ОУ DА3 и DА7 подобраны правильно. После подключения выводов сопротивлений R6 и R21 проверяем выходные напряжения ОУ и ветвей усилителя. Для этого вновь заземляем точки А и В и не трогая R6,R17 R13,R21 проверяем постоянные напряжения на выходах ОУ и усилителей ветвей по возможности добиваясь максимальной точности балансировки. Настройка заканчивается снятием заземления с точек А и В.
Схема может быть встроена в любой имеющийся мостовой усилитель в виде отдельного блока, если усилители мощности ветвей инвертирующие. При этом коэффициент усиления ОУ DA3 и DА7должен быть примерно равен коэффициенту усиления усилителей мощности ветвей.
Схема двухтактного инвертирующего усилителя, выполненная с применением предлагаемого способа, изображена на рис.3
На DA1выполнен инвертирующий усилитель напряжения, а усилители тока положительных и отрицательных полуволн А1иА2 неинвертирующие.
Резисторы R14, R15, R16, R17 и конденсатор C1 образуют селектор сигнала искажений и помех. DA5,VD2,R12 и R13 образуют схему идеального диода с регулируемым усилением для выделения и подачи сигнала искажений и помех положительных полуволн сигнала, а DA4,VD1,R9 и R10 отрицательных полуволн. Сигнал искажений и помех положительных полуволн, с инвертированием и усилением, подается в ветвь усиления отрицательных полуволн и соответственно, сигнал искажений и помех отрицательных полуволн, с инвертированием и усилением, подается в ветвь усиления положительных полуволн, при помощи DA2 и DA3.В каждый момент времени, при прохождении сигнала по одной из ветвей, по другой ветви проходит противофазный сигнал искажений и помех.
И в этой схеме, выделенный сигнал искажений, по уровню, меньше сигнала искажений на выходе усилителя и необходим соответствующий подбор коэффициентов усиления DA4 и DA5, при котором происходит подавление сигнала искажений и помех на нагрузке R18. Для настройки этого усилителя необходимо отключить сопротивления (R3, R8) инвертирующих входов DA2 и DA3 от выводовVD1иVD2 и присоеденить к земле усилителя. Далее производится настройка основного усилителя по традиционной методике, проводимая после балансировки всех ОУ. Затем проводится настройка селектора сигнала искажений и помех, после которого восстанавливают соединения R3 и R8. Установив минимальное усиление ОУ в схемах "идеальных" диодов, подают на вход усилителя сигнал 0,9 Uвх и подбором R10 и R13 добиваются минимума сигнала искажений на выходе усилителя, который, в крайнем случае можно контролировать вольтметром на выходе селектора.
Схема двухтактного неинвертирующего усилителя, выполненная с применением предлагаемого способа, изображена на рис.4. По принципу работы она аналогична схеме на рис.3, но выполнена несколько иначе. Отличие состоит в добавлении инвертирующего усилителя входного сигнала на операционном усилителе DA6, необходимого для работы селектора сигнала искажений и помех. Дополнительный ОУ DA6 усиливает входной сигнал до уровня выходного сигнала и эти два противофазных сигнала суммируются цепочкой R16, R17 и R18. Далее процессы работы усилителя и настройки аналогичны описанию на рис.3.
Интересные возможности появляются при использовании выходного разделительного конденсатора или трансформатора и снятии сигнала искажений непосредственно с нагрузки с последующим отделением всех выявленных искажений и помех, возникающих в усилителе из-за наличия емкости или трансформатора, реакции динамика и соединительных проводов. Применяя трансформатор нужно помнить о фазировке выводов, а применяя конденсатор об изменении полярности регистрируемых сигналов. Учитывая, что выходная емкость или трансформатор хорошо защищает акустическую систему, самую дорогую часть звуковоспроизводящего комплекса такие схемотехнические решения вполне применимы.
Я собрал и сравнил звучание более десяти усилителей опубликованных в "Радио" и две собственные конструкции и самое высокое мнение сложилось о (7и8).
К недостаткам двух этих конструкций можно отнести относительно большое число дискретных элементов, что ведет к трудоемкости изготовления. Автору представляется возможным применение предлагаемого способа и для снижения искажений в усилителях, не имеющих параллельных ветвей усиления, при условии создания дополнительной ветви для сигнала искажений и помех. Дополнительный усилитель должен иметь высокое быстродействие и выходную мощность всего лишь равную мощности сигнала искажений и помех в режиме максимального усиления основного усилителя.
Источники информации:
1.Журнал "Радио",1977,Љ6, с. 42, Акулиничев И. "Векторный индикатор искажений"
2.Журнал "Радио", 1983, Љ10, с.42, Акулиничев И. "Селекция сигнала искажений"
3.П.Шкритек "Справочное руководство по звуковой схемотехнике", Москва издательство "Мир" 1991
4.В.С.Гутников, "Интегральная электроника в измерительных устройствах" издательство "Энергоатомиздат"1988.
5.А.Г.Алексеенко и др. "Применение прецизионных аналоговых микросхем" издательство " Радио и связь"1985
6.Журнал "Радио",1986,Љ12, с. 34, Мельниченко А. " Простой усилитель мощности"
7.Журнал "Радио",1980,Љ7, с. 36," Витушкин А.,Телеснин В."Устойчивость усилителя и естественность звучания"
8.Журнал "Радио",1984,Љ5, с. 29, Солнцев Ю. "Высококачественный усилитель мощности"