УСТОЙЧИВОСТЬ УСИЛИТЕЛЯ И ЕСТЕСТВЕННОСТЬ ЗВУЧАНИЯ

                                                   -------------------------------------  A. ВИТУШКИН , B. ТЕЛЕСНИН г Москва ------------------------------------------

Иногда бывает так, что хороший, с точки зрения привычных па­раметров, усилитель (с широ­ким диапазоном воспроизводимых час­тот, малым коэффициентом гармоник и т. д.) звучит неестественно:- звук ка­жется «жестким», «сухим», «металли­ческим». Одной из причин этого может быть самовозбуждение на высоких час­тотах (мы имеем в виду паразитные ко­лебания с малой — иногда доли милли­вольта — амплитудой и любой — вплоть до многих мегагерц — частотой), воз­никающее в каких-либо режимах рабо­ты усилителя. Возникает оно чаще все­го в выходных каскадах в моменты открывания или закрывания одного из транзисторов. Причина этого явле­ния — плохо скорректированная отри­цательная обратная связь (ООС). , Мы хотим обратить внимание чита­телей на связь «жесткости» звучания с такого рода самовозбуждением уси­лителей мощности и предложить схему усилителя, продуманную с этой точки зрения. На примере усилителя мы рас­скажем также о некоторых способах повышения стабильности подобных уст­ройств.

Механизм взаимосвязи паразитного самовозбуждения с качеством звучания выглядит следующим образом: паразит­ные колебания детектируются на нели­нейных элементах усилителя, и их оги­бающая в той или иной форме прони­кает в нагрузку. Кроме того, продетектированный сигнал изменяет режим работы транзисторов, что в конечном счёте также приводит к искажению вос­производимого сигнала. Возникающие при самовозбуждении искажения могут быть малыми, поэтому их трудно обна­ружить при наблюдении выходного си­гнала на экране осциллографа. Однако, если из выходного сигнала вычесть входной, скорректированный по ампли­туде и фазе таким образом, чтобы раз­ность оказалась по возможности малой, и подать разностный сигнал на осцил­лограф, то искажения, вызванные пара­зитными колебаниями, будут хорошо видны. Осциллограммы разностного сигнала с искажениями могут иметь вид, показанный на рис 1 (частота сигнала — 400 Гц, частота паразитных колебаний — несколько мегагерц).

 На первой осциллограмме (рис. 1,а) само­возбуждение проявляется в виде размы­того пятна, на второй (рис. 1,6) — ви­ден лишь вызванный им выброс, так как составляющие с частотой самовоз­буждения отфильтрованы.

 Из рис. 1.6 видно также, что искаженный сигнал содержит высокочастотные гармоники, а они, как известно, в большей степени, чем низкочастотные, снижают естест­венность звучания. Именно поэтому вносимые паразитными колебаниями искажения заметны на слух даже в тех случаях, когда их вклад в общий коэф­фициент гармоник мал. Этим можно объяснить тот факт, что иногда после устранения самовозбуждения уменьше­нием глубины ООС звучание, по субъективным оценкам, становится более естественным, несмотря на увеличение коэффициента гармоник.

Часто бывает так, что самовозбужде­ние возникает лишь в некоторых режи­мах работы усилителя, и поиск их тре­бует различных методов проверки. Рас­смотрим еще одни способ выявления самовозбуждения (им, кстати, часто пользуются для измерения выходного сопротивления усилителей). На выход проверяемого усилителя через резистор сопротивлением 5... 10 Ом подают си­нусоидальный ток большой амплитуды (допустимой по тепловому режиму уси­лителя). Вход усилителя во избежание наводок лучше всего замкнуть накорот­ко. Поскольку напряжение на выходе усилителя равно произведению выход­ного сопротивления на подаваемый ток, то при достаточно малом выходном сопротивлении сигнал на выходе усили­теля оказывается значительно меньше, чем в обычном режиме, и на его фоне хорошо видны следы самовозбуждения. Этот сигнал выглядит почти так же, как и сигнал ошибки, полученный методом компенсации (см рис. 1).

Рассмотрим теперь на примере кон­кретного усилителя (рис. 2), какими средствами можно предотвратить само­возбуждение.

 Как уже указывалось, оно чаше всего возникает в выходном каскаде. Происходит это потому, что выходной каскад, будучи самой нели­нейной частью усилителя, охватывается обычно глубокими ООС. В данном слу­чае, например, суммарная глубина ООС, охватывающих выходной каскад, на звуковых частотах составляет 65... 70 дБ. При столь большой глубине ООС наиболее существенным обстоятельст­вом, определяющим стабильность уси­лителя, является правильное распреде­ление их глубины по каскадам и согла­сование АЧХ каскадов. Местные ООС расширяют полосу пропускания от­дельных каскадов усилителя, а это поз­воляет ввести ООС, охватывающую весь усилитель и имеющую необходи­мую глубину в нужном (более узком) диапазоне частот.

Выходной каскад охвачен местной па­раллельной ООС, осуществляемой че­рез транзистор V13. Ее глубина опре­деляется делителем напряжения R25R26. Цепи L4R.48 и C12.R49 вырав­нивают нагрузку выходного каскада на высоких частотах и позволяют сделать местную ООС достаточно глубокой. Этому способствует также большой ток покоя транзисторов выходного каскада (40... 50 мА для транзисторов VI5. VI6 и 220... 250 мА для транзисторов V17, V18). Ток покоя транзисторов V17, VI8 выбран столь большим еще и с целью снижения нелинейных искажений на малых сигналах.

Введение местной ООС расширило полосу пропускания выходного каскада до I... 2 МГц. При увеличении глубины этой ООС на 10... 15 дБ выходной каскад становится склонным к самовозбужде­нию. Выражается это в том, что на его АЧХ в диапазоне 5... 20 МГц появля­ются локальные максимумы. Поэтому остальная часть усилителя построена с таким расчетом, чтобы глубина всех других ООС, охватывающих выходной каскад, на этих частотах была малой.

На вход второго каскада (транзисто­ры V7, V8) с выхода усилителя через резистор R23 подано напряжение ООС, глубина которой составляет около 15 дБ. Цепь C8.R27.C9 ослабляет эту ООС на высоких частотах. В области критических для выходного каскада частот (5... 20 МГц) она практически не работает, и охваченные ею каскады не могут самовозбуждаться. Цепь C8.R27.C9 сужает общую полосу про­пускания второго и выходного каскадов до 300... 350 кГц. Критический интер­вал частот для второго и выходного каскадов — 1... 7 МГц, а это значит, что при большей глубине ООС через резистор R23 они могут самовозбу­диться на этих частотах.

 Исходя из этого, полоса пропускания первого кас­када (транзисторы VI, V2, V5) и глуби­на ООС по общей петле (через делитель напряжения R13,R14) выбраны с таким расчетом, чтобы общая ООС на часто­тах выше 1 МГц не работала. Полоса пропускания первого каскада выбрана равной 30 кГц. а глубина ООС в диапа­зоне звуковых частот — около 30 дБ. Сужение полосы пропускания первого каскада достигнуто включением в эмиттерную цепь транзисторов VI, V2 катушки L1 и отделением базы тран­зистора V2 от выхода усилителя резисторами R12, RI5. Резисторы в цепи базы V2 увеличивают спад АЧХ первого каскада.

 Выбранный способ суже­ния полосы пропускания удобен тем, что входной каскад, а следовательно, и весь усилитель оказываются защи­щенными от перегрузок при быстром изменении входного сигнала.

Малые нелинейные искажения и ста­бильность усилителя получены в ос­новном благодаря введению несколько необычной ООС, охатывающей выход­ной каскад. Обычно местную ООС в вы­ходном каскаде осуществляют с по­мощью эмиттерного повторителя, вклю­ченного между предоконечным и оконечным каскадами. Лучшие результаты по линейности и стабильности дала параллельная ООС, однако она потребо­вала увеличения тока покоя транзисто­ра V8. В описываемом усилителе ток покоя транзисторов V8, V13 выбран равным 25 мА, поэтому они так же, как и транзисторы выходного каскада, уста­новлены на теплоотводе.

Цепь C7,R15 осуществляет фазовую коррекцию в области высших частот звукового диапазона. Терморезистор R20 (КМТ-17) введен для термокомпенсации дрейфа нуля выходного напряжения. Постоянную составляющую вы­ходного напряжения устраняют подстроечным резистором R17, требуемый ток покоя транзисторов V17, VI8 уста­навливают подбором резистора R35. Соответствующим выбором сопротивле­ния резистора R13 можно получить любой коэффициент усиления напря­жения Кu в пределах от 2 до 300. При Ku<1,5 усилитель может самовозбу­диться.

В заключение приводим основные технические характеристики усилителя.

   выходная мощность на нагрузке 8 Ом — 35 Вт;

   коэффициент усиления напряже­ния — 8;

   относительный уровень шума и фона при замкнутом накоротко вхо­де — 104 дБ;

   коэффициент гармоник в диапазоне 20 Гц... 20 кГц — не более 0,002% (при выходном напряжении до 2 В);

    0,005% (при выходном напряже­нии ЗВ);

    0,007% (4 В), 0,02% (8 В); 0,05% (17 В);

    выходное сопротивление в точке а — 0,002. 0,003 Ом;

    полоса воспроизводимых частот при замкнутой накоротко катушке L4 — 5... 500 000 Гц.

Устойчивость усилителя характери­зуется тем, что при увеличении на 10 дБ глубины любой из ООС, идущих с выхо­да, он не самовозбуждается.