Правда об "абсолютном" УМЗЧ С.Шпака
Написать эту статью
подтолкнула амбициозная публикация [1], бросающая вызов всем мировым производителям
аудиотехники. Автор обижается, что никто в мире его не понимает. Но, судя по
полученным патентам (например, [2]), в патентном бюро РФ его идеи восприняли.
Скоро 60 лет, как
конструкторы и радиолюбители всего мира "блуждают" в поисках
структуры "идеального транзисторного усилителя звуковой частоты".
За это время наработано множество решений отдельных узлов и структур УМЗЧ в
целом, получено немало патентов, порой самых нелепых. Некоторые авторы
настолько уверены в своей правоте, что, размахивая подобными патентами,
объявляют на весь мир: их усилители являются "абсолютными", и лучше
ничего сделать нельзя!
В [3] предпринята
попытка сделать обзор наиболее часто встречающихся узлов УМЗЧ, которые под
силу повторить начинающим радиолюбителям, хотя в статье не ставилась задача
рассмотрения схемотехники усилителей всех существующих классов. Требования к
УМЗЧ, которые там изложены, стоит дополнить следующими:
- УМЗЧ должен иметь минимум настроек (лучше
обходиться вообще без них);
- температурная стабильность режимов должна
быть высокой;
- выход на рабочий режим должен быть
коротким;
- УМЗЧ должен быть неприхотлив к элементной
базе и разбросу параметров транзисторов. Сама элементная база должна быть
доступной и иметь достаточно "демократическую" стоимость;
- схема УМЗЧ должна быть легко читаема и
понятна (тогда повышается и ремонтопригодность изделия).
Сегодня, когда
существует ряд удачных схемотехнических решений, конечный результат часто определяется
конкретным исполнением усилителя: разводкой печатной платы, подбором
транзисторов как по типу, так и по коэффициенту передачи тока в
противоположных плечах каскадов, монтажом, качеством источника питания, типом
конденсаторов, резисторов и пр.
Автором одного из
признанных во всем мире "безупречных" усилителей является Дуглас
Селф [4]. Его схема чрезвычайно популярна во всем мире, особенно у австралийских
радиолюбителей. Только в дайджестах журнала "Радиохобби" (в разных
модификациях) она повторялась четыре раза (№2/01, С.19; №3/03, С.10; №6/08,
С.24; №1/12, С.23), не считая упрощенной модификации (№4/10, С.22).
Схема этого УМЗЧ,
который имеет достаточно высокие технические характеристики, предельно
прозрачна, усилитель легко повторяем и неприхотлив к разбросу параметров транзисторов.
Благодаря нагрузке дифференциального каскада (ЦК) в виде токового зеркала, ДК
автоматически находится в оптимальном сбалансированном режиме. В последней модификации
использована двухполюсная коррекция, о которой в своих книгах (а их более 5)
неоднократно упоминал Д.Селф, что дополнительно снизило искажения в верхней
части звукового диапазона. Большую роль для обеспечения хороших характеристик
играют примененные высокостабильные генераторы тока (ток ГТ мало зависит от
изменения напряжения питания, а значит, и от его пульсаций) — один задает
режим ДК, а второй является нагрузкой усилителя напряжения (УН). Единственное, на
мой взгляд, слабое место в этой структуре - выходной каскад в виде "двойки"
(Дарлингтона или Шиклаи). Хотя с современными выходными транзисторами и для
нагрузки в виде
АС сопротивлением 8 Ом — это не такой уж большой недостаток.
Популярная
структура Холтона (Хафлера) с нагрузкой УН в виде отражателя тока с разными
модификациями выходного каскада постепенно сдает позиции и уступает место
симметричным структурам УМЗЧ типа "Ланзар", хотя и среди них есть
немало достаточно "музыкальных" модификаций, в том числе, и первый
вариант усилителя фирмы TOSHIBA со спаренными
транзисторами типа Lateral.
Некоторые
разработчики в погоне за глубокой ООС предпочитают композитные структуры УМЗЧ.
Одна из первых таких структур была предложена М.Апександером в начале 80-х
[5]. По похожей, упрощенной, схемотехнике выполнен и усилитель "Stonecold" Грэма Шмидта (Германия). Аналогичными структурами занимался и Е.Гумеля
[6].
У меня есть друг,
"легкий на подъем", который сразу поверил в эту схемотехнику и тут
же, по выходе статьи, переделал свой УМЗЧ. Этот факт мне запомнился тем, что
звучание его аудиосистемы вдруг стало каким-то другим: "сухим",
"колючим" что ли! Одним словом, раздражающим, долго не послушаешь!
Я поинтересовался, в чем тут дело? Он с удовольствием поделился новостью:
сделал апгрейд своей аудиосистеме. Не хочу сказать ничего плохого об этой
схеме, возможно, она была неудачно выполнена, но для себя это направление я
закрыл.
С применением ОУ в
составе УМЗЧ есть и удачные разработки: С.Агеева, модификации усилителя
Н.Сухова, усилитель "Натали" со своими модификациями и ряд других.
Казалось бы, все варианты схем исчерпаны. Но, нет-нет, да и появляются
амбициозные "революционные" идеи. Например, выходной каскад (ВК) из
[1], показанный на рис.1. Не буду описывать принцип его работы, кого
заинтересует, пусть обращается к оригиналу.
При нулевом
потенциале на входе и низком сопротивлении источника сигнала постоянное
напряжение на выходе составляет 554 мВ (равно напряжению базо-эмиттерного
перехода), что обусловлено каскадом с общей базой на входе (транзистор VT2). Если сопротивление источника сигнала увеличить
до 10 кОм, что может быть при использовании этого ВК в УМЗЧ без ООС, смещение
на выходе возрастает до 2,5 В. При дальнейшем росте сопротивления источника сигнала смещение
выхода стремится к +ипит.
Диаграмма Боде упомянутого ВК при изменении сопротивления источника
сигнала от 100 Ом до 10 кОм с шагом 2 кОм и изменении сопротивления нагрузки
от 2 до 8 Ом показана на рис.2. Выходной каскад имеет узкую полосу пропускания
(на уровне -3 дБ), которая, несмотря на глубокую ООС, "пляшет" от
90 кГц при нагрузке 2 Ом до 350 кГц при нагрузке 8 Ом, в то время как коэффициент
передачи в полосе до 20 кГц до- статочно стабилен. Девиация фазы на частоте 20
кГц превышает 13°. Причудливые формы АЧХ и ФЧХ, очевидно, связаны с использованием
параллельного ВЧ-канала.
Подадим на вход
каскада с помощью моделирующей программы сигнал частотой 20 кГц и посмотрим,
как он усиливается (рис.3).
Верхняя осциллограмма — сигнал на выходе УМЗЧ,
нижняя — на нагрузке. Как видно, даже индуктивности на выходе не спасают от
коммутационных искажений. Да это и не удивительно, выходные транзисторы
работают с глубокой отсечкой в классе В.
Исследование
нелинейных искажений (рис.4) показывает, что на частоте 1 кГц усилитель имеет
искажения 0,01%, на частоте 10 кГц — 0,6% ("частокол" гармоник по
0,2%), а на частоте 20 кГц — 1,4%.
Если учесть
сложность этого ВК, а также низкую частоту среза (90...350 кГц), что потребует
серьезной ВЧ-коррекции для обеспечения устойчивости УМЗЧ в целом,
использовать в разработках такие ноу-хау я бы не рекомендовал.
А что же второй
патент на драйвер (рис.5) [2], также использованный в [1]? Как видим, и эта
схема с параллельным ВЧ-каналом. Очевидно, автор
разрабатывал ее под впечатлением от прецизионных усилителей низкой частоты
А.Данилова, которые к звуку не имеют отношения.
Снимем диаграмму Боде усилителя
при коэффициенте усиления 30 дБ (рис.6). И этот усилитель имеет
"перелет" фазы на частоте единичного усиления около 30° (рассмотренные
в [1] типовые схемы имеют запасы по фазе не менее 60...90°).
Проверка драйвера на нелинейные
искажения на частоте 20 кГц (рис.7) дает около 1,5%, из них вторая гармоника —
1,3%, третья — около 0,4%. Из-за несимметричной структуры он имеет и
несимметричное ограничение сигнала (рис.8).
Попытка объединить
рассмотренные драйвер и выходной каскад в единый УМЗЧ с общей ООС ни к чему
хорошему не привела: программа отказалась его моделировать. Возможно, автор их
использует последовательно, без общей ООС. Но с таким смещением по
постоянному напряжению, которое имеет ВК, сигнал можно снимать только через
неполярный конденсатор большой емкости. Думаю, при макетировании проблем у
автора было более чем достаточно, и удалось ли их все устранить — большой
вопрос!
Литература
1. С.Шпак. Архитектура абсолютного УМЗЧ. —
Радиолюбитель, 2011, №12; 2012, №№1-4.
2. С.Шпак. Линейный широкополосный усилитель. —
Патент RU2387074C1, H03F1/42 (2006.01).
3. А.Петров. Эволюция транзисторных УМЗЧ. —
Радиомир, 2011, №№4-12; 2012, №№2-6.
4. Дуглас СелФ. Проектирование усилителей
мощности звуковой частоты. — М, 2009.
5. Mark
Alexander. "A Current Feedback Audio Power Amplifier", 88th Convention
of the Audio Eng. Soc. — Reprint #2902, March 1990.
6. Е.Гумеля. Качество и схемотехника УМЗЧ. —
Радио 1985, №9.
А.ПЕТРОВ, г.Могилев.