Підсилювач відтворення


РадіоХоббі

Як відомо, підсилювач відтворення (ВВ) – найбільш чутливе з підсилювальних пристроїв, тому саме він обмежує (знизу) динамічний діапазон електричного тракту каналу звуковідтворення. Багато конструктори при проектуванні УВ традиційно приділяють основну увагу вирішенню "шумовий" проблеми, практично не піклуючись про інших, не менш важливих параметрах. Такий підхід нерідко призводить до незадовільних результатів: великим нелінійним і особливо інтермодуляціонних спотворень відтворюваних програм, походження яких "за інерцією" помилково приписують нелінійності магнітної стрічки, хоча насправді викривлення вносить, як це не здасться. на перший погляд, дивним, вхідний каскад УВ. Іншими словами, при неправильному проектуванні він же (УВ) може виявитися причиною обмеження динамічного діапазону і зверху.

Пропонований увазі читачів УВ призначений для застосування у високоякісному мережевому магнітофоні. При його розробці автор грунтувався на теоретичних дослідженнях [1, 2], досвід експлуатації і результати вимірювань параметрів великого числа УВ, зібраних з відомих, у тому числі і з опублікованими в журналі, схемами. Завдяки цьому досягнуто низький рівень не тільки власних шумів системи головка відтворення (ГВ *) – УВ, але і нелінійних і інтермодуляціонних спотворень, забезпечена хороша повторюваність.


* Тут і далі під ГВ мається на увазі і універсальна магнітна головка в режимі відтворення.


Принципова схема УВ наведена на рис. 1.

Вхідний каскад виконаний на транзисторі VT1 і ОУ DA1 і охоплений 100%-нойi OOC по постійному струму, напруга якої надходить з виходу ОУ через резистори R10, R4 в ланцюг емітера транзистора VT1. Завдяки цього напруга на його колекторі жорстко стабілізовано, і Один заданому дільником R7R9 напрузі на неінвертіруюшем вході ОП, а струм колектора повністю

визначається опором резистора R3 і не залежить ні від розкиду, ні від дрейфу параметрів транзистора. Більш того, від опору резистора R3 залежить тільки струм колектора, а такі параметри, як напруга колектор – емітер, вхідний опір, коефіцієнт підсилення з замкненою і розімкнутого OOC по змінному струму, глибина OOC, запас стійкості та ін, залишаються постійними. Це дозволяє вибрати оптимальний (з точки зору мінімізації шумів) струм колектора Ік опт, установкою резистора опором RЗ =- U R3 / Ік опт, де U R3 = 3,5 В – падіння постійної напруги на резисторі R3 (воно з точністю до напруги зсуву нуля ОУ DA1 збігається з падінням напруги на резисторі R7). Так, Ік опт можна визначити за формулою |2]:

де fв, fн – верхня і нижня граничні частоти робочого діапазону;

fф – частота зрізу фліккер-шумів транзистора; h 21 – Статичний коефіцієнт передачі струму транзистора;

Lг, Rr – відповідно індуктивність і опір втрат ГВ.

При утрудненнях з вимірюванням Lг-, RГ, h 21е і fф оптимальний режим транзистора VT1 можна встановити експериментально, замінивши резистор R3 підлаштування (опором 220 … 330 кОм), з'єднаним послідовно з постійним резистором опором 24 … 36 кОм, по мінімуму зважених шумів на виході У В при підключеній до його входу ГВ.

Крім оптимізації режиму, мінімізації рівня власних шумів УВ сприяють гальванічна зв'язок з ГВ і застосування транзистора структури р-п-р з максимальним коефіцієнтом передачі струму h 21е малим опором бази rб і низькою частотою зрізу фліккер-шумів fф, (для КТ3107Л типові значення К.; р.) == 300, Іб = 200 Ом, (ф = 2 КГП при Ік = 50 … 100 мкА). У зв'язку з малістю опору rб цього транзистора, в порівнянні з Rr (типове значення RГ = 400 … 2000 Ом), що вживається в деяких УВ [3] паралельне включення транзисторів з великим rб (наприклад, у транзисторів серії КТ3102 rб = 800 … 1400 Ом) в даному випадку не має сенсу [2].

Розглянуті рішення знижують рівень власних шумів УВ майже до теоретичної межі, причому можливість оптимізації режиму дозволяє мінімізувати шуми при використанні будь-якої ГВ – як з малої, так і великої індуктивністю.

Вхідний каскад охоплений ланцюгом загальної OOC по змінному струму C7R13R12R11R4, яка формує АЧХ (у залежності від стану ключа DA4.1) з постійними часу tвч1 = С7R11 або tвч = С7 (R11 + R12) і tнч = С7R13. Як показано в [2], вхідний каскад на біполярному транзисторі, охоплений обший послідовної OOC, є єдино прийнятним для реалізації УВ високої вірності. Іноді використовується на практиці каскад із загальною OOC паралельного типу має гірші шумові властивості [I], а каскад з місцевою OOC або без OOC взагалі – незадовільну лінійність [2]. У якості ілюстрації сказаного на рис. 2 наведені спектрограми вихідного сигналу УВ. вхідний каскад якого має горизонтальну АЧХ і охоплений лише місцевій OOC [3], при різних рівнях вхідної напруги. Частота синусоїдального сигналу дорівнює 1 кГц, рівнем 0 дБ * відповідає вхідна напруга 1 мВ (вихідна 250 мВ). Як видно, рівень другої гармоніки помітно перевищує рівень шумів вже. при вхідному сигналі – 0 Д. Б. При збільшенні його до 0 дБ рівень другої гармоніки нижче рівня першої приблизно на 46 дБ (що відповідає коефіцієнту другої гармоніки Кг2 = 0,5%), при перевантаженні – | -10 дБ її рівень зростає до-З8 lБ, а третьою – до -70 дБ (кг..> = 1,3%, К | д == 0,03%), при перевантаженні 420 дБ – відповідно до 12 дБ і -18 дБ (К, .2 .– 25%, К, з-12, 5%). Необхідно підкреслити, що в спектрі спотворень, що вносяться магнітною стрічкою, парні гармоніки (до речі, їх за-влучність вище помітності непарних) відсутні, тому УВ за схемою [3] помітно погіршує лінійність всього каналу запису – відтворення магнітофону. Особливо це проявляється при роботі з високоомним ГВ (володіють підвищеною чутливістю) і високоякісними магнітними стрічками, які мають високу перевантажувальну здатність.


* Рівень вхідного сигналу, вказаний під спектрограмою (не плутати з рівнем 0 дБ на осі ординат. Характеризує вихідний сигнал). Всі характеристики виміряні спектроаналізатор СК4-56, джерелом сигналів служив генератор Г3-118. Масштаб по осі частот лінійний.


Оскільки ЕРС ГВ з ростом частоти збільшується, прояв нелінійності УВ, вхідний каскад якого має горизонтальну АЧХ, зі зростанням частоти також збільшується (це особливо помітно при відтворенні високоякісних фонограм, записаних з динамічним подмагнічі-ється з грамплатівок, виготовлених за технологією Direct Metal Mastering або компакт-дисків). Виявити такі спотворення методом гармонік важко (з-за значного спаду АЧХ УВ на високих частотах), простіше оцінити їх методом інтермодуляціонних спотворень (різницевого тону).

На рис. 3 наведені спектрограми сигналу на виході УВ [3] при двохтонального вхідному сигналі з частотами 14 і 15 кГц (вхідного рівня 0 дБ відповідає середньоквадратичне значення вихідної напруги 250 мВ). З спектрограм видно, що рівень комбінаційної (різницевої) складовою спотворень частотою 1 кГц вже при рівні вхідного сигналу -10 дБ (вихідна напруга 77,5 мВ) досягає -32 дБ щодо рівня корисних складових (14 і 15 кГц), що відповідає коефіцієнту різно-стноготона (інтермодуляціонних спотворень) Кі == '3%. При номінальному вихідному напрузі (0 дБ) комбінаційна складова досягає рівня -22 дБ (КЦ = 8%), а при перевантаженні +10 дБ – навіть-14дБ (КЦ = 20%), причому в останньому випадку спектр вихідного сигналу надзвичайно багатий комбінаційними складовими вищих порядків незважаючи на те, що вихідна напруга УВ ще не досягло рівня обмеження. Якщо ж врахувати, що інтермодуляціонних перекручування на слух більш помітні, ніж гармонійні (це пояснюється тим, що спектр комбінаційних складових різко відрізняється від спектру вихідного сигналу і не пов'язаний гармонійним поруч), то стає абсолютно очевидним основний недолік УВ за схемою | 3], як, втім, і багатьох інших ВВ з аналогічними схемними рішеннями (УВ магнітофонів 4: Юпітер-202-стерео ", <0рбіта-204-стерео", "Комета-212-стерео", "Маяк-203-стерео" та ін.) На слух він проявляється у вигляді вкрай неприємних низькочастотних призвуків, супроводжуючих гучні звуки "з" або тарілок.

Для порівняння на рис. 4 і 5 наведені спектрограми напруг на виході пропонованого УВ при тих же вхідних сигналах, що і в попередніх випадках (див. рис. 2 і 3). Номінальний коефіцієнт передачі УВ на 6 дБ більше, ніж у описаного в [3], тому рівню 0 дБ на його виході відповідає напруга 500 мВ. З рис. 4 випливає, що навіть при перевантаженні +20 дБ рівні другої і третьої гармонік не перевищують відповідно -70 і -60 дБ (КР2 = = 0,03%, К, з = 0,1%), а при номінальному вхідному сигналі лежать нижче рівня шумів спектроаналізатор (-80 дБ).

Спектрограми на рис. 5 свідчать про те, що рівень найбільш помітною різницевої складової інтермодуляціонних спотворень частотою 1 кГц лежить нижче – 80 дБ при рівнях сигналу 0 і 4-10 дБ, а при перевантаженні +20 дБ не перевищує -68 дБ (К "= 0,04%). Рівень менш помітних інтермодуляціонних складових частотою 13 і 16 кГц (вони маскуються сусідніми корисними складовими) дещо вищі, але і

він не перевищує -56 дБ (0,15%) при перевантаженні +20 дБ. Більш детальний аналіз дозволив встановити, що основний внесок у нелінійність описуваного У В вносить вихідний каскад на ІС DA3 (К157ХПЗ). На виході ж ОУ DA2.1 рівень нелінійних і інтермодуляціонних спотворень приблизно на 10 дБ нижче (спектр сигналу на виході ОП DA2.1 при перевантаженні +10 і +20 дБ показано на рис. 6). Втім, навіть з урахуванням спотворень, що вносяться вихідним каскадом, ВВ з великим запасом задовольняє вимогам до апаратури нисокой вірності.

Кілька слів необхідно сказати про досить поширеному омані, заснованому тільки на отриманих практично результати, що ООС погіршує шумові характеристики. Не зупиняючись докладно на теорії питання, відзначимо, що в роботах [1, 2, 4, 5] доведено, що введення ООС не погіршує (щоправда, й не покращує) шумових властивостей підсилювача при інших рівних умовах. На жаль, експериментатори часто забувають, що введення ООС, окрім зниження коефіцієнта посилення (причому в однакове число разів як для сигналу, так і власних шумів), призводить до розширення смуги ефективно підсилюються частот приблизно в те ж число раз, що і зниження посилення (тобто ООС не змінює "площі" підсилення – параметра, відомого з теорії операційних підсилювачів і чисельно дорівнює добутку коефіцієнта посилення на верхню граничну частоту). Тому при вимірюванні рівня шумів широкосмуговим вольтметром справді виходить, що при збільшенні глибини ООС, наприклад на 20 дБ (у 10 разів), сигнал на виході зменшується в 10 разів, а рівень шумів – тільки в 3 рази, що, здавалося б, свідчить про погіршення відношення сигнал / шум приблизно в 3 рази. Насправді ж рівень шумів при введенні ООС вимірюється в смузі частот, приблизно в 10 разів більш широкої, ніж в підсилювачі без ООС, тобто шуми вхідних каскадів "зважуються" у цих двох випадках різними АЧХ. Оскільки потужність шумів пропорційна смузі частот, на яких вона вимірюється, а середньоквадратичне значення напруги шумів пропорціонально кореню квадратному з ширини смуги, то й виходить, що при введенні ООС напруга шумів збільшується в – \ / 10 "3 рази (з-за розширення смуги) і зменшується в 10 разів (через зменшення коефіцієнта підсилення), тобто в підсумку знижується приблизно в 3 рази при вимірі широкосмуговим вольтметром. Непорозуміння не буде, якщо рівень шуму ВВ з ООС виміряти в колишній смузі частот, тобто включити між його виходом і вольтметром ФНЧ що обмежує спектр тією ж частотою, що і до введення ООС (у звуковідтворення таким фільтром може служити зважують фільтр "МЕК-А"). У цьому випадку вимірювання покажуть, що рівень шумів зменшується при введенні ООС пропорційно рівню сигналу.

Не можна забувати і про те, що введення ООС може призвести (внаслідок зменшення запасу стійкості в петлі ООС) до утворення "горба" на АЧХ УВ в області дуже високих частот (поза звукового діапазону), збільшує шумове напругу в широкій смузі, або навіть до м'якого самозбудження УВ. Таке самозбудження неможливо виявити низькочастотним осцилографом і тим більше на виході фільтра "МЕК-А", оскільки частота паразитних коливань нерідко досягає декількох десятків мегагерц, а їх амплітуда невелика через малу швидкості наростання вихідної напруги УВ. Самозбудження проявиться побічно – У вигляді не піддається поясненню зростання нелінійних спотворень і рівня зважених шумів. У цьому випадку додатковий шум створюється ні чим іншим. як різницевим складовими інтермддуляціонних спотворень сигналу самозбудження, що потрапляють у звуковий діапазон частот.

(Закінчення буде)

М. СУХОВА

м. Київ

ЛІТЕРАТУРА

1. Сухов М. Є., їбать С. Д., Колосов В. В., Чупак А. Г. Техніка висококячсстнечного звуковідтворення. "Київ: Технiкa. 1985.

2. Сухов М. Проектування малошумлячих підсилювачів звукової частоти. – "Радіоежегоднік-86". – М.: ДОСЛАФ. 1986. з. 40 55

3. Лекснни Валентин я Віктор. Вузли мережевого магнітофона. Підсилювач відтворення .- Радіо, 1983. № 8. з. 36-40.

4. Faulkner EA The Design of Low-noise Audio-frequercy Amplifiers .- The Radio and nieclronic Knuineei. 1968, July. Vol. 36, No. I. p. 17-30,

5. Робінсон ф. Н. – X. Шуми та флуктуації в електронних схемах і ланцюгах. Пер. з англ. М.: Атоміздат, 1980. 32.

РАДІО № 6, 1987, c. 31.

Розміщено на нашому сайті з офіційного дозволу Миколи Сухова.