МКУС в УМЗЧ с биполярными и полевыми транзисторами (универсальная структура)

Предложено два варианта УМЗЧ, выполненных с многоканальной усилительной структурой (МКУС), которая минимизирует многие виды нелинейных искажений и помех в широкой полосе частот.

В этой статье продолжается тема о многоканальных усилительных струк­турах (МКУС) и важных критериях отри­цательной обратной связи (ООС), кото­рая была поднята ранее в авторских публикациях [1, 2]. Основная идея та­кой схемотехники состоит в том, что па­раметры усилителей должны быть весь­ма высокими и базироваться на опре­делённых критериях ООС, только в этом случае можно подавить искажения в усилителях до исчезающе малых значе­ний. Однако в абсолютном большинст­ве усилителей, используемых в аудио­аппаратуре, весьма плохо выдержива­ются некоторые критерии ООС.

Рассмотрим типовую структуру зву­кового усилителя мощности (рис. 1), который может быть реализован на основе мощного операционного усили­теля (ОУ). Принцип работы такого уси­лителя достаточно прост. Входной сиг­нал сравнивается с выходным, возвра­тившимся на вход ОУ с резисторного делителя напряжения сигнала Rooc/R1. который задаёт коэффициент передачи усилителя. Но при этом и сигнал иска­жений, который поступает на вход ОУ, необходимый для подавления искаже­ний самого усилителя, аналогичным образом ослаблен. Чтобы компенсиро­вать (подавить) эти искажения в выход­ном сигнале, усилителю необходимо усилить этот сигнал искажений в соот­ветствующее число раз. Таким обра­зом, в делителе напрасно теряется и без того относительно низкий запас усиления внутри петли ООС. Создаётся весьма странная ситуация, когда сиг­нал, который предназначен для компен­сации искажений, сначала уменьшают в десятки раз, а потом, наоборот, его уси­ливают.

Фактически получается, что усили­тель с большими сигналами работает весьма прилично. Но вот с низкоуров­невыми сигналами качество работы подобного усилителя оставляет желать лучшего, так как из-за шумов и помех качественно их усилить он не может. Соответственно и характеристики уси­лителя, в зависимости от уровня сла­гаемых компонент сигнала, получаются относительно разные.

При измерениях подобных усилите­лей на основе узкополосных (или моно­тонных) сигналов с большой спектраль­ной плотностью (с размерностью В²/Гц), параметры получаются вполне удовлетворительные. При измерениях этих усилителей на основе техники широкополосных сигналов, к примеру, шумоподобных, имеющих низкую спек­тральную плотность, результаты полу­чаются весьма спорными.

Слуховые субъективные оценки каче­ства работы усилителей со структурой, показанной на рис. 1, как правило, также характеризуются зависимостью от уровня сигнала. Эти усилители, рабо­тающие с большой выходной мощ­ностью, в основном ведут себя вполне достойно, например, на дискотеках и при озвучивании разного рода уличных мероприятий. В то же время, при работе с малой выходной мощностью, напри­мер при прослушивании музыкальных произведений на высокочувствитель­ную АС в небольшом помещении, субъ­ективные оценки зачастую оказываются неоднозначными, а то и удручающими.

Считается, что приведённая выше структура обладает очень низким вы­ходным сопротивлением. Это необхо­димо для демпфирования основного резонанса динамических головок и аку­стической системы (АС) в целом. В об­щем, так оно всё и есть, но опять-таки это выполняется именно для мощных узкополосных (монотонных) сигналов. Если же ориентироваться на малосиг­нальные компоненты с распределён­ным спектром, то для них характер вы­ходного сопротивления будет весьма сложным, а взаимодействие с самой АС трудно предсказуемо.

Положение сильно усугубляется ещё и тем, что усилитель по схеме мощного ОУ зачастую отличается существенным временем реакции по петле ООС, что обусловлено определённым числом последовательных каскадов усиления с ограниченной полосой пропускания (и эквивалентным временем задержки). Это снижает точность и эффективность компенсации статической и динамиче­ской нелинейности в широкой полосе частот.

Получается, что подобная классиче­ская структура усилителя на основе мощного ОУ, которая в массовом по­рядке применяется в усилителях раз­личной аудиоаппаратуры, не может обеспечить высококачественного уси­ления. То есть такие усилители весьма далеки от идеала и не способны удов­летворить запросы искушённых аудио­филов.

Структура усилителей по принципам МКУС

Между тем избавиться от ключевого недостатка структуры по схеме на рис. 1 относительно просто [1, 2]. Для этого следует заменить входной резистор R1 на источник тока, как показано на рис. 2. Соответственно в этой схеме мы полу­чим стопроцентную ООС. Это означает, что сигнал искажений проходит на вход мощного ОУ без ослабления (деления). Конкретно, если ориентироваться на типовой для УМЗЧ коэффициент усиле­ния в 30 дБ (30 раз), то по отношению к схеме на рис. 1 устройство по схеме на рис. 2 обладает на 30 дБ большим соот­ношением сигнал/шум+помеха внутри петли ООС. Это очень улучшает качест­во работы ООС, особенно для малых сигналов! И это не частный случай, а общее свойство решения проблемы в соответствии с одним из критериев оптимизации ООС.

Но устройство по схеме на рис. 2 имеет небольшой запас усиления и, как правило, существенное время задерж­ки по петле ООС. Чтобы снизить влия­ние этих и ряда других негативных фак­торов, следует применять усилители на основе МКУС [1, 2]. В этом случае отно­сительно легко получить как крайне малое время реакции петли ООС (ВРП ООС), так и гиперглубокую ООС. Чтобы как-то ранжировать определения уси­ления и глубины ООС, будем условно считать, что крайне глубокая ООС обеспечивается двумя радиочастотными ОУ с совокупным усилением по петле око­ло 150 дБ. В свою очередь, гиперглубокая ООС достигается посредством трёх (или более) радиочастотных ОУ при усилении по петле ООС более 200 дБ.

В предыдущей публикации [1] также было введено понятие многоядерности. Суть этого термина состоит в том, что, проходя от одного «внутреннего” усили­теля к другому, сигнал каждый раз последовательно уточняется усилите­лем со своей ООС. Соответственно и ошибка внутри петли каждой последую­щей ООС становится всё меньше и меньше. В свою очередь, дополнитель­ный мощный усилительный канал также может быть представлен в виде отдель­ного усилителя со своей общей ООС.

В целом это ничего не меняет в принципах и логике работы МКУС. При­менение же функционально законченного усилителя (ядра) со своей ООС в качестве дополнительного канала дела­ет подобные структуры весьма универ­сальными. В качестве мощного канала следует использовать отдельный мощ­ный усилитель со своей ООС. Именно такая структурная схема УМЗЧ и пред­ставлена на рис. 3. Применение мощ­ного усилителя, охваченного своей ООС, позволяет получить высокие ста­бильные технические характеристики такой многоканальной структуры.

Схемы узлов УМЗЧ по принципам МКУС

На основании сказанного выше была разработана новая версия УМЗЧ, где реализованы по максимуму заданные критерии работы ООС (см. начало статьи [1]), которые имеют основополагающее влияние на качество и эффективность работы УМЗЧ в целом. Предлагаемая версия УМЗЧ сохраняет принципы ра­боты усилителя, представленного в [2], но построен он с принципиально дру­гим выходным каскадом. Сама структу­ра УМЗЧ акцентирована на универсаль­ность ее применения с различными ва­риантами выходного каскада (см. да­лее), и это — важное свойство такого усилителя.

Описываемый УМЗЧ функционально реализован на основе пятиканальной двухъядерной усилительной структуры последовательного приближения и со­стоит из двух последовательно вклю­чённых многоканальных усилителей. Каждый из этих усилителей обладает своей стопроцентной на ВЧ ООС, контролирующей ошибку в фазовой ком­пенсации искажений, и состоит из глав­ного канала [1] и дополнительного мощ­ного канала (усилителя), который конт­ролируется главным каналом. Приме­нение стопроцентной ООС на ВЧ обеспечивает приоритет этих главных кана­лов по петле ООС в отношении прочих сигналов, которые на ВЧ принудитель­но ослаблены.

В качестве главных каналов в этих усилителях применены радиочастотные ОУ [3, 4]. Это позволяет получить край­не малое время реакции петли ООС и её работу в широкой полосе частот (до 200 МГц) в каждом из этих каналов и, как следствие, в целом во всём усилителе. Стопроцентная (как на ВЧ, так и на НЧ) ООС реализована применением вход­ного ИТУН в дополнительном преци­зионном канале. Совокупное усиление всех трёх каналов превышает 200 дБ, т. е. УМЗЧ охвачен гиперглубокой ООС.

Конструктивно УМЗЧ состоит из двух устройств: прецизионного усилителя сигналов (ПУС), где действует преци­зионная, стопроцентная на НЧ и ВЧ общая ООС, и выносного усилителя мощности (ВУМ), где имеется своя от­дельная ООС. На рис. 3 показана общая структура УМЗЧ, в которой использова­ны позиционные обозначения элемен­тов соответствующих узлов, на рис. 4 — схема входного ИТУН, на рис. 5 — схема блока ПУС, а на рис. 6 и 7 — две версии схем блока ВУМ. Схемы входно­го ИТУН (рис. 4) и блоков ВУМ1 и ВУМ2 (рис. 6, 7) имеют свою нумерацию эле­ментов, которая начинается с цифрово­го префикса 2, 3 и 4 соответственно.

Угловые стрелки на схемах указыва­ют направление следования сигнала, причём маломощный сигнал показан одиночной стрелкой, а мощный — двой­ной. Внутренний выход каждого много­канального усилителя (т. е. точка, к которой подключена их ООС или общая ООС) обозначен на схеме как контроль­ная точка (КТ1, КТ2), которая выделена утолщением.

В каждом блоке (усилительном ядре) имеется свой главный канал и сумматор сигнала. Соответственно ОУ DA3 — это главный канал самого УМЗЧ (блок ПУС), а ОУ 3DA1 — главный канал блока ВУМ. Усилители с этими главными каналами охвачены своими идентичными ООС. В качестве мощного канала усилителя в блоке ПУС используется блок ВУМ.

Усилитель ПУС выполнен по двухка­нальной структуре. Он состоит из пред­варительного усилителя (ОУ DA1 и DA2), главного канала на ОУ DA3 со своей ООС (С16, R30), сумматора сигнала (С18, L1) дополнительного прецизион­ного усилительного канала и интеграто­ра на ОУ DA5. Дополнительный преци­зионный канал состоит из входного ИТУН и прецизионного усилителя на ОУ DA4, со своей прецизионной (С17, R33) стопроцентной на ВЧ и на НЧ ООС.

На рис. 4 показана схема входного ИТУН с генераторами стабильного тока (ГСТ). Один ГСТ на транзисторе 2VT5 подключён к плюсовой шине питания, два других на 2VT8 и 2VT7 — к минусо­вой шине. Причём ГСТ на 2VT5 и 2VT7 сделаны каскодными, т. е. вместо токо­задающего резистора применены ис­точники тока на 2VT3, 2VT4 и 2VT9 соот­ветственно. Это существенно улучшает их параметры, а также делает мало­чувствительными к качеству питания.

Ток ГСТ на 2VT5 равен сумме токов нижних источников тока (на 2VT8 и 2VT7). ГСТ на 2VT8 и 2VT9 задают токи покоя входного (2VT1) и выходного (2VT7) каскадов. На ОУ 2DA1 и транзис­торах 2VT1, 2VT2 собран внутренний ИТУН, он и осуществляет преобразова­ние входного переменного напряжения в переменный ток. Эти транзисторы и ОУ охвачены стопроцентной ООС, тем самым ОУ линеаризует проходную характеристику транзисторов.

Структура входного ИТУН весьма близка к варианту ИТУН, применённого в [1]. Однако за счёт применения улуч­шенных ГСТ и глубокой ООС, которой ох­вачен ОУ, параметры этого узла су­щественно улучшены. Выходное сопро­тивление этого ИТУН превышает 100 кОм на частоте 20 кГц, что намного больше сопротивления цепи ООС (R33 = 10 кОм).

В блоке ПУС интегратор на ОУ DA5.1 (на рис. 5) исключает появление посто­янной составляющей на выходе УМЗЧ (в точке КТ2) посредством регулировки напряжения смещения на конденсаторе 2С6. Это напряжение изменяет началь­ный ток транзистора 2VT1, тем самым устраняется выходной постоянный ток на выходе входного ИТУН. Благодаря дополнительной цепи 2С6 и 2R11 интег­ратор представляет собой фильтр вто­рого порядка, что существенно снижает его влияние на звуковой сигнал.

Дополнительный мощный эмиттерный повторитель на транзисторе VT1 обладает относительно высоким быст­родействием и работает в классе А. Он собран по экономичной схеме, суть ко­торой состоит в том, что транзистор VT2 отслеживает ток VT1, Соответственно сигнал на эмиттере VT2 идентичен сиг­налу на коллекторе VT 1. Как следствие, при токе покоя в 35 мА этот повтори­тель может отдать в нагрузку ток до 70 мА.

Такой повторитель облегчает работу ОУ DA3, уменьшая его выходной ток при наличии мощного сигнала на ВЧ. Это положительно влияет на работу главного канала на ОУ DA3. При жела­нии этот повторитель может быть ис­ключён. В этом случае удаляют элемен­ты R5—R12, С7—СЮ, VT1, VT2, а резис­тор R26 (верхний вывод) подключают напрямую к выходу ОУ DA3. Номиналы R3, R4 в этом случае следует умень­шить до 120 Ом.

На выходе мощных усилителей (бло­ки ПУС и ВУМ) имеются сумматоры сиг­нала С18, L1 и ЗС4, 3L1. Эти сумматоры объединяют маломощные сигналы, приходящие от главных каналов (т. е. ОУ DA3 и 3DA1), и мощные сигналы, посту­пающие от мощных усилителей. Эле­менты С19, R26 и R37 (3С5, 3R5 и 3R9) снижают добротность, подавляя резо­нансные явления в этих сумматорах. Сами катушки индуктивности также должны иметь низкую добротность [1].

Перед уточняющими входами уси­лителей (т. е. перед неинвертирующи­ми входами ОУ DA3, 3DA1, 4DA1) вклю­чены делители сигнала (R28/R24 и (R36+3R3)/3R4 и (R36+4R3)/4R4). Их основная функция — уменьшение уров­ня сигнала на ВЧ. Тем самым обеспечи­вается приоритет этих главных каналов (т. е. самих ОУ DA3 и ОУ 3DA1) на замы­кание петли своей ООС.

Усилитель ВУМ выполнен по трёхка­нальной структуре. Он состоит из глав­ного канала на ОУ 3DA1 (4DA1) со своей ООС (3СЗ, 3R7 или 4СЗ. 4R7), суммато­ра сигнала (3С4, 3L1 или 4С4. 4L1) и мощного канала. Усилитель имеет два входа — основной (инвертирующий) и уточняющий (неинвертирующий). В этом усилителе в качестве мощного канала в первом (по ходу распростране­ния мощного сигнала) многоканальном усилителе используется мощный усили­тель на транзисторах.

Мощный канал в блоке ВУМ собран на транзисторах (3VT1 — 3VT9) по двух­канальной структуре. В нём имеется своя цепь ВЧ-коррекции, которая обра­зует делитель сигнала (3С6, 3R10)/ /(3С8, 3R12) Выход этого делителя подключен к входу мощного повторите­ля (3VT6—3VT9). Соответственно на ВЧ сигнал напрямую (через 3С6, 3R10 и 3С7, 3R11) подводится к входу мощного повторителя в обход драйверного кас­када. На звуковых частотах сигнал уси­ливается вначале драйверным каска­дом (3VT1— 3VT5) и затем поступает на вход мощного повторителя (3VT6— 3VT9)

В этой статье, как сказано выше, представлены два варианта выходного каскада — с биполярными (рис. 6) и по­левыми транзисторами (рис. 7). Схем­ные различия касаются в основном мощного выходного каскада (повтори­теля). В выходном каскаде усилителя по схеме на рис. 7 имеется дополнитель­ная цепь вольтдобавки, которая уве­личивает напряжение питания в драйверном каскаде на пиках сигнала.

Здесь следует особо подчеркнуть, что в качестве усилителя ВУМ возможно применение любого усилителя мощно­сти с нужной АЧХ вне зависимости от его внутреннего содержания. Коэффи­циент передачи (АЧХ) и цепи его ООС должны быть идентичны коэффициенту передачи (АЧХ) и цепи ООС главного канала самого УМЗЧ (ОУ DA3), что обу­словлено цепью R29R30C16. Схемотех­ника и организация ООС подобного УМЗЧ должны в обязательном порядке удовлетворять требованиям быстро­действия, широкополосности и стопро­центности обратной связи на ВЧ.

Входной сигнал одновременно по­ступает на вход повторителя на ОУ DA1 и на входной ИТУН. С выхода повтори­теля на ОУ DA1 сигнал приходит на уси­литель на ОУ DA2, тем самым ОУ DA1 и DA2 образуют предварительный инвер­тирующий усилитель. С его выхода (от DA2) сигнал одновременно поступает на инвертирующий вход ОУ ОАЗ (основной вход усилителя) и на основной вход ВУМ, т. е. на инвертирующий вход ОУ 3DA1.

Главный канал на ОУ DA3 контролиру­ет в области ВЧ сигнал на выходе УМЗЧ в точке КТ2. Соответственно ВЧ-сигнал проходит через конденсаторы С18 и С19 напрямую на выход УМЗЧ и далее по петле ООС возвращается на вход ОУ. Этим замыкается петля ООС УМЗЧ на ВЧ. Одновременно главный канал на ОУ DA3 (блок ПУС) контролирует сигнал на выходе УМЗЧ в точке КТ2, управляя бло­ком ВУМ. Это осуществляется с помо­щью уточняющего сигнала, поступаю­щего с выхода ОУ DA3 на уточняющий вход ВУМ, т. е. на неинвертирующий вход ОУ 3DA1. С выхода блока ВУМ (КТ1) мощный сигнал через катушку L1 посту­пает на выход УМЗЧ (КТ2). Этим замы­кается петля ООС УМЗЧ на НЧ. Таким об­разом, сигналы на выход УМЗЧ поступа­ют разными путями: через конденсато­ры С18 и С19 частотой выше 2 МГц, а от блока ВУМ и L1 — частотой ниже 2 МГц.

Дополнительно разностный сигнал ошибки, поступивший от входного ИТУН и цепи прецизионной ОООС, усиливает­ся прецизионным усилителем на ОУ DA4 и поступает на уточняющий вход усили­теля (т. е. на неинвертирующий вход ОУ DA3). Соответственно именно ОУ DA4 окончательно формирует выходной сиг­нал УМЗЧ (в точке КТ2), исходя из кри­терия своей прецизионной, стопро­центной и на ВЧ, и на НЧ общей ООС.

Каждый из ОУ DA4, DA3, 3DA1 стаби­лизирует сигнал в точке подключения своей ООС и обладает усилением в 70 дБ на частоте 20 кГц. Соответственно общий коэффициент усиления в петлях ООС с учётом трёх радиочастотных ОУ и мощного выходного каскада достигает 3 х 70 + 20 = 230 дБ.

Коэффициент передачи УМЗЧ фор­мируется прецизионным усилителем на ОУ DA4 и задаётся крутизной передачи входного ИТУН и сопротивлением пре­цизионной общей ООС. т. е. равенству их токов в точке соединения. Высокая точность преобразования входного на­пряжения в выходной ток ИТУН обу­словлена стопроцентной ООС в усили­теле на ОУ 2DA1. Соответственно коэф­фициент передачи самого УМЗЧ равен 25 (К_{ус умзч} = R33/2R10).

Усилители в блоках ПУС и ВУМ долж­ны иметь идентичные коэффициенты пе­редачи, причём с учётом усиления пред­варительного усилителя общее уси­ление должно быть равно _тзч. Соот­ветственно получаем для блока ПУС (R17 / ((R15 х R16) / (R15 + R16))) х (R30 / R29) = К_{ус умзч} = R33 / 2R10, а для блока ВУМ (R17 / ((R15 х R16) / (R15 + R16))) x (3R7/(R31 + 3R6)) = К_{ус умзч} = R33/2R10.

В этих формулах отношение R17 / ((R15 х R16) / (R15 + R16)) задаёт коэф­фициент передачи (усиление) предвари­тельного усилителя (ОУ DA1 и ОУ DA2).

Частоты среза петли ООС (блок ВУМ) и ООС (блок ПУС) должны быть равны, т. е. R33 C17 = R30 C16 = 3R7 3C3. Со­ответственно в УМЗЧ частота среза F_среза= 1 / (2π·R33·C17) = 100 кГц.

Ограничительные диоды VD3, VD4 выполняют функцию уменьшения сигна­ла на входе интегратора в случае выхо­да его из линейного режима. Диоды VD5-VD12 включены по схеме Т-образ­ного моста и при перегрузке усилителя выполняют функцию ограничения сиг­нала по входу и по выходу ОУ, включая местную ООС. В нормальном состоянии диоды закрыты, а при появлении слиш­ком большого уровня сигнала на выхо­дах ОУ диоды VD5-VD8 и VD9—VD12 открываются и создают местную ООС, резко снижая усиление в петле ООС. Сами ОУ (DA3, DA4, 3DA1) при этом не входят в режим перегрузки, т. е. рабо­тают в линейном режиме.

В электрических соединениях между узлами и блоками с прецизионной об­ратной связью очень важно исключить наводимые на общие провода паразит­ные помехи и наводки.

Общие провода ОП1-ОП4 от блока ПУС подсоединены к общей точке «за­земления», которая находится в непо­средственной близости от блока ПУС. «Силовой» общий провод ОП5 из блока ВУМ также подсоединён к общей точке «заземления».

Назначение общих проводов: ОП1 — сигнальный (прецизионный) «нулевой» провод для входных каскадов: ОП2 — «нулевой» провод цепи питания входных каскадов: ОПЗ — «нулевой» провод цепи питания ОУ DA3 и повторителя на тран­зисторе VT1; ОП4 — «нулевой» провод выходного фильтра УМЗЧ; ОП5 — «си­ловой» общий провод питания в блоке ВУМ.

В качестве источников питания +/-9 В, +20 В могут быть применены лю­бые достаточно качественные источни­ки питания. Соответственно схемы ста­билизаторов напряжения +/-9 В, +20 В в статье не приведены. Как вариант можно рекомендовать схемы стабили­заторов напряжения +/-12 В, +/-25 В на рис. 13, 14 из [1]. напряжение стаби­лизации которых следует соответствен­но уменьшить.

Напряжение питания мощного вы­ходного каскада — 25…30 В. Выходная мощность усилителя при этом составит 60…80 Вт соответственно.

ЛИТЕРАТУРА

1. Литаврин А. МКУС в УМЗЧ с гиперглу- бокой ООС. — Радио, 2013, № 9, с. 8—12; № 10, с. 15—19: № 11, с. 8-10.
2. Литаврин А. МКУС в УМЗЧ с токовым управлением и крайне глубокой ООС — Радио, 2011, № 10, с. 17—20; № 11. С. 15—18
3. AD8055 — URL: http://www.analog. com/st a tic/imported-files/da ta_sheets/ AD8055_8056.pdf (29.04.15).
4. URL: http://www.analog. com/sta tic/imported-files/data_sheets/ AD8065 8066.pdf (29 04 15).

Автор: А. ЛИТАВРИН, г. Березовский Кемеровской обл.

Источник: журнал Радио №10, 2015