"... Но можно этого и не делать, если вас не интересует результат."

М. Жванецкий

А. ЛИТАВРИН, г. Березовский Кемеровской обл.

Оригинальные схемные решения с использованием двухка-нальных усилительных структур получают новое развитие в статьях автора. В предлагаемых здесь УМЗЧ он использует максимальную (стопроцентную) ООС для компенсации нелинейности каскадов с высоким уровнем сигнала в широкой полосе частот без существенных фазовых погрешностей.

Монтаж одного из этих усилителей выполнен на печатных платах, где расположены почти все элементы усилителя.

Вцелом эта статья продолжает тему многоканальных усилительных структур (МКУС) в звуковых усилителях мощности, поднятую в публикациях [1 — 4]. Там же даны теоретические аспекты и обоснованы минимальные требования, предъявляемые к высококачественному УМЗЧ.

Описываемые здесь усилители отличает стопроцентная глубокая (или крайне глубокая) ООС и на ВЧ, и на 34. То есть она действует во всей полосе частот без ослабления выходного сигнала в цепи обратной связи. Это позволяет получить предельно высокую эффективность во всём динамическом диапазоне сигналов. Первый из предлагаемых усилителей по сложности можно отнести к классу упрощённых версий УМЗЧ с МКУС.

Следует отметить, что самой идее многоканального усиления уже более полувека, но тем не менее о её большой популярности, к сожалению, говорить не приходится. Ряд публикаций [1—4] и эта новая статья способствуют устранению такого упущения. Ведь именно МКУС способны резко улучшить ряд основных (ключевых) параметров УМЗЧ — обеспечить крайне малое время реакции петли ООС (ВРП ООС), широкую полосу и большой запас усиления внутри петли, высокие перегрузочные характеристики каскадов.

В некоторых кругах (адепты Hi-Fi/ High End) сформировалось устойчивое мнение о том, что "любая обратная связь портит звук"; тем самым сформировался и "вердикт" о неприемлемости применения ООС в усилительных устройствах. О глубокой, а тем более о крайне глубокой обратной связи даже и речь не идёт. Конечно, от всего этого можно было бы отшутиться в стиле М. Жванецкого, что "...полторы тысячи тупых сговорились...", однако более правильно всё-таки разобраться в причинах подобного отношения к ООС резонно полагая, что "дыма без огня не бывает"

Главной причиной этих заблуждений следует считать то, что подавляющее большинство разработок аудиоаппаратуры (как любительской, так и профессиональной), по сути, не соответствуют критериям качества ООС. Это ведёт к

массовым ошибкам и просчётам в схемотехнике и, как следствие, к некорректному действию ООС; в результате наблюдается рост атипичных искажений [2, 4]. Вследствие подобных негативных проявлений некоторые разработчики вообще отказываются от применения обратной связи, оказываясь в плену других эффектов, связанных с нелинейностями различного характера активных и пассивных элементов.

Итак, основным критерием оценки качества действия ООС следует считать параметр ВРП ООС, который должен быть крайне малым [1—4]. Далее полоса пропускания УМЗЧ (определяемая частотой среза Fcpe3a петли ООС) должна быть относительно неширокой (50...100 кГц по уровню -3 дБ) и определённым образом связанной с частотой единичного усиления Ft в УМЗЧ. Скорость нарастания напряжения на выходе усилителя [2] окажется также относительно невысокой. Это достигается введением глубокой (или крайне глубокой) стопроцентной ООС на ВЧ [2—4] при большом отношении F3aM/FCpe3a, что и обеспечивает высокое качество усиления.

Основным критерием эффективности следует считать охват усилителя (или каскадов) глубокой ООС, действующей в широкой полосе частот. Большой запас усиления внутри петли — совершенно необходимое условие для обеспечения высокой перегрузочной способности и линейности характеристик усилителя (каскадов) в полосе действия обратной связи. Можно сказать, что линейность усилительных каскадов в основном обусловлена запасом усиления в этих каскадах. Вследствие этого в УМЗЧ наиболее высокого качества целесообразно применять именно крайне глубокую ООС [1,4]. Именно это и есть тот важнейший инструмент, грамотное применение которого позволяет получить исключительно высокие технические характеристики усилительных устройств.

Между тем существует ещё один очень серьёзный аспект качества действия обратной связи, которому в предыдущих публикациях [1—4] уделялось мало внимания, так как впрямую он не связан с МКУС. Речь идёт об усилении

УМЗЧ или, в случае использования общей ООС, о коэффициенте деления (ослабления) в петле. Итак...

О максимализации обратной связи в УМ

Как сказано в первой статье цикла [1], чем меньше коэффициент усиления, тем больше отношение сиг-нал/шум+помеха и пропорционально меньше частота единичного усиления УМЗЧ при фиксированной частоте среза петлевого усиления. Собственно коэффициент усиления и чувствительность определяются коэффициентом деления в цепи ООС.

Следует обратить внимание, что ослабление полезного сигнала в цепи ООС одновременно означает и ослабление помех и искажений, чем существенно снижается её эффективность. При малом ослаблении сигнала в цепи ООС искажения снижаются как бы дважды: за счёт меньшего ослабления в цепи обратной связи и вследствие соответствующего роста усиления внутри петли. Большое же ослабление сигнала, помех и искажений в этой цепи приводит к тому, что усилитель в целом "мелкие" сигналы (а также помехи и искажения) попросту не замечает, и о высоком качестве говорить не приходится, особенно когда петля ООС охватывает наиболее нелинейные каскады, — это фактически нереализованная возможность.

Когда в 70-х гг. в СССР появился первый ОУ 140УД1 (аналог импортного |iA702), многими это было встречено "на ура", хотя своими характеристиками он явно не блистал. Однако этот ОУ обладал относительно низким уровнем шума (4 нВ/л(Гц) и выходным каскадом, работающим в классе А. Позже было подмечено, что и иные малошумящие ОУ — AD797 (11ш = 1 hB/VFU), ОР27, ОР37, К140УД22, К140УД23 (иш = 3 нВ/л/Гц), NE5532 (иш = 5 hB/VTlO и др. зарекомендовали себя достаточно хорошо. Усилители, собранные на основе широкополосных ОУ К140УД11, К574УД1, К544УД2 с относительно большим уровнем шума (около 20 нВ/^Гц), показывали неплохие технические параметры по результатам измерений узкополосных сигналов, однако субъективные оценки качества звука оказывались неоднозначными.

Получается, что зачастую качество ОУ и самого усилителя некоторым образом связано с уровнем шума, точнее, с отношением сигнал/шум. Если рассмотреть достоинства выходного каскада в ламповом УМЗЧ с местной ООС, то, как правило, качество его работы

весьма высокое. Это связано с высоким уровнем сигнала, достигающим сотен вольт, или, что более правильно, с большим отношением сигнал/шум.

Если оценить действие шума в каскадах усилителя, то окажется, что уровень шума (по мощности) пропорционален полосе пропускания усилителя. Поэтому отсутствие мер, ограничивающих полосу пропускания усилителя, резко увеличивает (на 20...30 дБ) уровень шума и ВЧ помех [2]. Если ещё учитывать и большой пик-фактор шумовых компонент (до 20 дБ), то получится весьма неприглядная картина. Положение ещё более ухудшается при существенном ВРП ООС [1], соизмеримом с периодом частоты В совокупности это ведёт к существенному увеличению искажений, в особенности атипичных [4]. Если учесть, что у реального звукового сигнала спектральные составляющие могут быть ниже максимального уровня на 40...80 дБ, то можно констатировать, что степень ухудшения реальных звуковых характеристик усилителей (УМЗЧ) весьма высока.

Введение в усилитель глубокой, стопроцентной ООС на ВЧ — наиболее эффективный метод снижения уровня высокочастотных компонент; тем самым резко снижается (предотвращается) и появление низкочастотных интермодуляционных помех. Разумеется, что крайне глубокая ООС [4], с запасом усиления в 120 дБ и более, компенсирует любые искажения. В этом случае коэффициент деления в цепи обратной связи (как на ВЧ, так и на НЧ) должен быть небольшим или вообще отсутствовать. Именно из-за данного обстоятельства все усилители [1—4], ранее опубликованные автором, обладают относительно низким коэффициентом деления в цепи ООС (около 10), т.е. имеют невысокое усиление (20 дБ) на звуковых частотах. Минимальное ос-

лабление во всей полосе частот и есть тот ключевой фактор, позволяющий получить максимальную эффективность действия ООС.

Наиболее просто низкий коэффициент деления реализуется в местной ООС, охватывающей отдельные каскады УМЗЧ. Например, в неинвертирую-щем (для сигнала) усилителе целесообразно применять структуру на основе двух каскадов, как показано на рис. 1.

Здесь первый каскад (в виде маломощного высоколинейного усилителя А1) усиливает сигнал по напряжению, а второй (мощный и нелинейный усилитель А2) охвачен стопроцентной (или близкой к 100 %) ООС, т. е. работает как повторитель, усилитель тока. Следует заметить, что именно подобная структура применяется в многочисленных УМЗЧ.

В инвертирующем усилителе целесообразно применять аналогичную структуру также на основе двух каскадов усиления, как, например, показано на рис. 2. Здесь первый усилитель

(маломощный и высоколинейный) усиливает сигнал по напряжению, а второй (мощный и нелинейный) охвачен ООС, которая близка к стопроцентной, т. е. сопротивления резисторов RBX и Rooc приблизительно равны.

Итак, мы рассмотрели две схемы (см. рис. 1 и 2), где деление (ослаб-

ление) сигнала цепью обратной связи минимально, т. е. выходные каскады усилителей охвачены ООС, близкой к стопроцентной. Однако у подобных структур имеется общий недостаток: первый каскад должен обеспечить при минимальных искажениях напряжение, сравнимое с выходным напряжением мощного каскада.

Токовое управление УМ

В инвертирующих усилителях с ООС возможен ещё один вариант (рис. 3), у которого подобный недостаток отсутствует. Здесь первый усилитель выполнен в виде источника тока, управляемого напряжением (ИТУН), а второй (мощный и нелинейный) охвачен стопро-

центной ООС на ВЧ и какое-либо ослабление (деление) сигнала в цепи обратной связи отсутствует, что обусловлено высоким выходным сопротивлением источника (генератора) тока. То есть сигнал искажений, приходящий по цепи обратной связи на вход ОУ, не ослаблен (не уменьшен), соответственно, и ООС

может максимально эффективно его подавить (компенсировать). По сути, применение источника (генератора) тока (ИТУН на рис. 3) эквивалентно улучшению шумовых характеристик А2 по сравнению с типовой структурой ООС. Причём отношение сигнал/шум можно улучшить во столько раз, во сколько уменьшается усиление (до 10...30 раз). Во столько же раз увеличивается запас усиления внутри петли. Можно сказать, повышается разрешающая способность или, говоря "цифровым" языком, как бы увеличивается битрейт.

Само собой разумеется, подобные источники тока (т. е. ИТУН) можно применять и в прочих устройствах, например, в сумматорах сигнала для микшеров. Причём, несмотря на то что самих источников сигнала может быть много, какое-либо шунтирующее (ослабляющее) действие на сигнал ООС это не оказывает, чем и достигается весьма высокое качество усиления.

Итак, можно сделать обобщающий вывод, что сам источник сигнала в усилителе, охваченном ООС, целесообразно выполнять на основе источника (генератора) тока. Иное название усилителя—источника (генератора)тока — усилитель с токовым выходом, т. е. с высоким выходным сопротивлением. В

этом случае ООС максимально эффективна и превращается в стопроцентную во всём диапазоне частот. Причём уровни сигналов должны быть максимально возможные, а шумовые характеристики — предельно низкими. Разумеется, должны соблюдаться и прочие критерии качества действия ООС.

Усилитель с токовым выходом часто имеет более сложную схему в сравнении с обычным усилителем. Возможно использование и упрощённых их версий, однако, как правило, у них имеются некоторые недостатки. Общий анализ этой темы достаточно объёмный и выходит за рамки данной статьи. Кратко с этим вопросом можно ознакомиться, например, в [5].

Один из вариантов усилителя с токовым выходом на основе ОУ показан на рис. 4. Для работы этого узла в качестве источника тока следует выполнить условие

R1 = R2, R3 = R4+R5.

Эта схема усилителя с токовым выходом достаточно хорошо известна, но, несмотря на определённые достоинства, у него имеются и некоторые недостатки. Первый недостаток — это относительно низкое (причём нестабильное) входное сопротивление. Второй недостаток связан с тем, что такой усилитель, по существу, не обладает высоким выходным сопротивлением, а всего лишь эмулирует его. Другими словами, его высокое выходное сопротивление обусловлено применением местной обратной связи (ОС), причём её следует рассматривать как положительную обратную связь (ПОС). В этой цепи сигнал также ослабляется, тем самым усилитель фактически обладает недостатками, о которых шла речь выше. Введение ПОС весьма негативно сказывается и

на линейности усилителя. Поэтому для достижения высококачественных параметров здесь желательно применять ОУ, выходной каскад которых обладает высокой линейностью и при отсутствии ООС. Как вариант, можно рекомендовать дополнительный (буферный) эмит-терный повторитель, работающий в классе А.

На рис. 5 приведена структурная схема усилителя (УМЗЧ) с токовым управлением, которая аналогична схеме на рис. 3. Схема усилителя с токовым выходом реализована на ОУ DA1 и идентична усилителю на рис. 4, соответственно, DA2 — это мощный усилитель (УМЗЧ), охваченный глубокой стопроцентной ООС на ВЧ. В общем случае, качество работы УМЗЧ во многом определяется качеством источника тока на ОУ DA1. Исходя из этого, в качестве DA1 целесообразно применять наиболее высококачественные ОУ (например, AD743).

УМЗЧ со стопроцентной параллельной ООС

Принципиальная схема УМЗЧ приведена на рис. 6. Его структура повторяет структуру рассмотренных ранее (см. рис. 3 и 5) усилителей. Фактически он представляет собой модификацию многоканального усилителя, опубликованного в [2], где в качестве резистора R1 применён усилитель с токовым выходом, схема которого реализована на ОУ DA1.1 и аналогична усилителю на рис. 4. Элементы усилителя с токовым выходом имеют отдельную нумерацию, она начинается с дополнительного префикса (индекса) цифры 1. В результате замены резистора R1 на источник тока обратная связь становится стопроцент-

ной во всём диапазоне частот. В том случае, если вместо усилителя на ОУ DA1.1 установить резистор R1, то, соответственно, получится УМЗЧ, аналогичный [2].

По существу, УМЗЧ структурно состоит из двух частей: входного усилителя с токовым выходом и выходного мощного усилителя на основе МКУС, который охвачен глубокой стопроцентной ООС на ВЧ. В качестве этих состав-

ных частей возможно применение других усилителей.

На рис. 7 приведена схема входного усилителя с токовым выходом, реализованного на дискретных полевых транзисторах. Несмотря на простоту, он свободен от недостатков усилителя, изображённого на схеме рис. 4. Однако имеются другие недостатки: наличие разделительного конденсатора СЗ, более низкое выходное сопротивление, возможный разброс параметров транзисторов; к достоинствам же можно отнести очень высокое входное сопротивление. Ввиду малости выходного напряжения отсутствует и умножение

входной (нелинейной) ёмкости. Относительно высокая линейность усиления достигается при токе покоя транзисторов, который в 10 (или более) раз больше выходного тока. Тем не менее, как правило, искажения такого каскада (усилителя) больше искажений выходного усилителя мощности. Однако следует подчеркнуть, что их спектр иной — это искажения полевого транзистора, работающего в глубоком классе А. При уменьшении сопротивления резисторов R2, R3 увеличивается усиление (крутизна) и ток покоя транзистора VT1. Причём резистор R2 в основном увеличивает усиление, a R3 — ток покоя VT1. На рис. 8 показано подключение этого каскада к усилителю мощности в соответствии со структурной схемой на рис. 5.

На рис. 9 приведена схема входного каскада, реализованная на полевых транзисторах КП903. Его можно реко-

мендовать для наиболее качественных УМЗЧ. Возможно, что этот вариант понравится разного рода адептам High End. На рис. 10 ещё один вариант схемы, но с транзисторами КП501. На основе усилителя по схеме на рис. 7 разработан и вариант предварительного усилителя с токовым выходом на рис. 11. В данном случае отсутствует раздели-

тельный конденсатор, а с целью повышения линейности каскада ток покоя и крутизна увеличены за счёт параллельного включения маломощных транзисторов.

В свою очередь, в качестве выходного усилителя тока может быть применён любой другой усилитель (УМЗЧ), допускающий работу со стопроцентной ООС на ВЧ. Однако рекомендуемые автором УМЗЧ имеют многоканальную структуру [2, 3]. Помимо прочего, они отличаются крайне малым ВРП ООС (2 не) и широкой полосой действия ООС (до 200 МГц). Входные каскады этих усилителей идентичны, там же подробно пояснена и работа их выходных каскадов.

Принцип работы усилителя мощности с МКУС (см. рис. 6) состоит в том, что два канала усиления, для которых задано частотное разделение в широкой полосе действия многоканальной ООС, объединяются в сумматоре (в точке соединения элементов L2, С2, СЗ согласующего устройства). Результирующий сигнал приходит на выход УМЗЧ (верхний вывод L1). Соответственно, к этой точке и подключена цепь ООС (R2, С1).

По сравнению с прототипом [2], в этой версии усилителя имеются некоторые изменения: повышено сопротивление цепи ООС, а также увеличен ток покоя предвыходного каскада каждого транзистора до 10 мА. Для улучшения термостабильности выходного каскада введены диоды VD1, VD2. Применение вольтодобавки (элементы VD9—VD14,

С20, С21, R33—R38) позволило исключить дополнительный источник питания. Снижено напряжение питания выходного каскада и, соответственно, уменьшено число выходных транзисторов (до двух в плече). Выходная мощность УМЗЧ — 50 Вт Усиление усилителя по напряжению равно 15.

Как отмечалось в [2—4], катушка индуктивности, соединяющая выход мощного усилительного канала с нагрузкой, должна быть низкодобротной. В этом УМЗЧ для снижения добротности индуктивности L2 используется низкодобротная ферритовая индуктивность L3 с очень малым числом витков. Конструктивно L3 представляет собой

ферритовую "бусинку" с одним витком. В качестве феррита используется половина длины трубки от заводского дросселя Д-0,25 индуктивностью 200 мкГн.

В этом УМЗЧ вместо микросхемы AD8056 с двумя ОУ можно применить AD8055 (DA1.2) с одним ОУ, а в качестве усилителя с токовым выходом (DA1.1) можно рекомендовать другие, например, NE5534, NE5532 (напряжение шума иш = 5 нВ/^Гц) при напряжении питания +/-12 В. В позиции DA1.1 не следует применять микросхемы К140УД11, К574УД1, К544УД2 — эти ОУ имеют повышенный уровень шума (1)ш — около 20 нВ/Vfu) и значительно меньший выходной ток.

ЛИТЕРАТУРА

1. Литаврин А. Многоканальное усиление в УМЗЧ с крайне глубокой ООС. — Радио, 2004, №3, с. 18—20; №4, с. 19—21.32.

2. Литаврин А. Простой усилитель или МКУС в УМЗЧ с глубокой стопроцентной ООС. — ftp://ftp.radio.ru/pub/2007/06/ mkus.zip

3. Литаврин А. УМЗЧ с параллельным каналом и максимально глубокой ООС. — Радио, 2007, № 6, с. 19—22.

4. Литаврин А. УМЗЧ с крайне глубокой ООС. - Радио, 2011, № 4, с. 17—20; № 5, с. 17—19.

5. Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. — М.: Энергоатомиздат, 1988, с. 65—74.