Характеристика усилителя низкой частоты

Особенности схемотехники интегральных УНЧ

Здесь мы вкратце напомним основные понятия, необходимые для понимания работы усилительной техники. Говорят, что некоторая система или часть системы охвачены обратной связью по данному параметру (ОС рус. или feedback F), если отклик системы на внешнее воздействие, является, частично или полностью, внешним воздействием для этой системы, по этому же параметру. Для усилителей такими параметрами являются чаще всего ток или напряжение. Различают соответственно общие и местные обратные связи. Могут одновременно существовать несколько обратных связей разного рода. Если воздействие обратной связи направлено на усиление внешнего воздействия, то такая связь называется положительной (ПОС, Positive Feedback, PF), если наоборот, то отрицательной (ООС рус, Negative Feedback, NF). Если воздействие обратной связи равно отклику системы, то такая связь называется 100% (стопроцентной). Существует еще много разновидностей и классификаций обратных связей. Отметим, что, строго говоря, положительной или отрицательной обратная связь может быть названа только в условиях определенного частотного диапазона. При повышении частоты коэффициент обратной связи, являющийся комплексной величиной, может изменить свой характер, положительная связь может стать отрицательной и наоборот.

Если на частоте fT (частота единичного усиления) фазовый сдвиг превышает 180*, то обратная связь на этой частоте становится положительной. Понятно, что система нуждается в коррекции. Видов и способов коррекции очень много. Одним из способов заключается в том, чтобы использовать

усилитель при относительно большом коэффициенте усидения. Для интегральных УНЧ очень характерным является требование минимально допустимого коэффициента усиления, приводимое в технических условиях. Оно вызвано тем, что запас устойчивости при уменьшении коэффициента усиления падает. Для каждого усилителя приводятся оптимальные способы его коррекции, если она необходима, и желательно придерживаться этих рекомендаций. Общепринятым является мнение, что правильно скорректированный усилитель должен иметь запас по фазе порядка 65°. В этом случае его переходная характеристика будет иметь небольшой выброс и оптимальную крутизну фронтов. Значения порядка 90° означают недостаточный запас по частоте и соответствующее затягивание фронтов и спадов. Такие усилители применяются в системах управления, где перерегулирование по каким-то причинам недопустимо, а не в УНЧ. Значения меньшие 45° применять не рекомендуется, т.к. устойчивость легко нарушается при изменении параметров нагрузки, а поскольку она в нашем случае имеет резко выраженный реактивный характер, запас надо иметь как можно больше.

Рассматривая усилитель, не следует забывать о том, что он находится не в абстрактном пространстве, а на печатной плате и окружен навесными элементами и связан с другими устройствами. Проводники печатной платы обладают заметными индуктивностями и емкостями и вполне могут создавать паразитные обратные связи. Источник питания вещь вообще особая и заслуживает специального рассмотрения. Для некоторых усилителей приводятся рекомендуемые разводки печатных плат, для которых все это более менее учтено, в том числе и развязка по питанию. Вполне может оказаться, что при каком-то конкретном рисунке печатной платы придется применять специальные меры для обеспечения устойчивой работы устройства, в то время как для другого рисунка ничего этого не понадобится.

Не следует упускать из виду и навесные элементы, которые часто являются не совсем такими, какими нам бы хотелось их видеть. Так конденсаторы часто обладают заметной индуктивностью, емкость у них часто зависит от частоты. Например, у обычного электролитического конденсатора очень ограничен частотный диапазон, за пределами которого он представляет собой , в основном сопротивление утечки, а бумажные конденсаторы заметно индуктивно. Индуктивностью обладают и резисторы.

Очень важно также применение деталей с высокой температурной стабильностью. В этом смысле надо обращать особое внимание на конденсаторы, так как может оказаться, что при некотором повышении температуры усилитель начнет самовозбуждаться или самовыражаться какими-нибудь другим способом и все это из-за высокого температурного коэффициента какой-нибудь емкости. Подробное обсуждение свойств навесных элементов не входит в нашу задачу, я только хотел призвать к внимательному подбору комплектации. Не случайно во многих описаниях Содержатся рекомендации по подбору комплектующих для усилителя. Делать же окончательные выводы можно лишь после того, как полностью собранное устройство пройдет хотя бы элементарные температурные испытания. Собственно говоря, средства для таких испытаний есть практически у всех -- это холодильник и духовка. Не пренебрегайте этими испытаниями, ведь усилитель может отказать в самый неудобный для вас момент. О профессионалах я не говорю, для них этот вопрос очевиден, но даже дома температура может меняться в значительных пределах, а для автомобильной техники это, наверное, самое главное.

Если вы внимательно просмотрите характеристики представленных уси-лителей, то заметите, что у последних моделей какие либо выводы для кор-рекции и компенсации отсутствуют. Это и хорошо и плохо. Хорошо потому что от разработчика меньше требуется думать, просто взять готовое изделие и поставить его на плату. Плохо же это тем, что потребитель вынужден довольствоваться тем, как кто-то решил эту задачу. Этот неизвестный конструктор, скорее всего, исходил из принципа максимальной универсальности изделия, а этот принцип никогда не мог удовлетворить разработчиков специальной аппаратуры, неважно усилитель это или система лазерного наведения. За вас сделали выбор и теперь для того, чтобы понять, удовлетворяет данное изделие вашим специфическим условиям или нет, вам придется либо ограничиться приводимыми в спецификации данными, либо приобрести изделие и опробовать его. Для УНЧ, к сожалению, приемлемым оказывается только второй путь, потому что объективных критериев для комплексной оценки качества не существует, а по косвенным вы ни за что не сможете понять, в чем разница между двумя усилителями разных фирм, показатели которых примерно совпадают. Эту разницу можно оценить, только прослушав оба усилителя, да и то, скажем, на одной нагрузке лучшим может оказаться один, а на другой нагрузке -- второй.

Для твердотельных УНЧ вопрос применения или неприменения обратной связи даже не ставится -- слишком много различных нелинейностей и нестабильностей. Степень влияния обратной связи на усилитель можно оценить, сравнив соответствующие значения коэффициентов усиления. Разность коэффициентов усиления (выраженных в децибелах) без ООС и с ней, называется глубиной ОС. Эта разность показывает, какая часть ресурсов направляется на линеаризацию общих характеристик системы и компенсацию различных нелинейностей и погрешностей. Само абсолютное значение этого параметра мало что означает и может находиться в диапазоне 20...50 дБ, хотя это тоже лишь типовые значения. Можно предположить, при большом значении этого параметра, что усилитель должен иметь весьма хорошие характеристики по нелинейным искажениям и что приоритет при его разработке был отдан не локальным обратным связям, а общей ОС, что само по себе опять же ни хорошо ни плохо.

Разберем сейчас один из вариантов обратных связей, который очень часто встречается в интегральных УНЧ и довольно часто в усилителях на дискретных элементах, как на биполярных, так и на полевых транзисторах. Рассмотрим схему на рис. 2.

Это типичная схема выходного каскада усилителя с бутстрэпом. От обычной схемы ее отличает наличие двух элементов: резистора R1 и конденсатора С. Питание может быть как одно-, так и двухполярным, Коллекторное сопротивление входного транзистора заменяется суммой двух сопротивлений, и расчет тока покоя каскада производится обычным путем. При питании от одного источника выходных каскадов и предоконечного каскада получается, что на максимальной нагрузке полностью раскачать выходные эмиттерные повторители невозможно. Для этого размах переменного напряжения первого каскада должен быть не меньше полного напряжения питания. Увеличение коэффициента усиления за счет увеличения коллекторного сопротивления, влечет за собой снижение тока покоя. Введение упомянутых добавочных элементов позволяет компенсировать недостаток за счет выходного напряжения усилителя. При закрытом транзисторе рас качки напряжение на его коллекторе превысит напряжение питания за счет напряжения на конденсаторе.

Рис. 2. Параметрическая обратная связь

В нашей литературе этот эффект называется параметрической обратной связью, параллельной обратной связью по питанию или вольтодобавкой, а в зарубежной -- бутстрэпом (bootstrap). В переводе это слово означает шнурок от ботинка и примерно соответствует случаю с бароном Мюнхгаузеном, который вытащил себя из болота за волосы, только у англичан вместо волос использовались шнурки от ботинок. Конечно, физически за все приходится платить, и применение такой схемы вызывает уменьшение амплитуды выходного напряжения от 5 до 20%, в зависимости от емкости конденсатора, но реальный выигрыш в итоге составляет 5...7 дБ на низких частотах. На высоких частотах бутстрэп не нужен, т.к. амплитуда сигналов на них не так велика. В высококачественных усилителях на дискретных элементах такие решения давно не применяются, но для интегральных схем, особенно при жестких ограничениях на питание, такая схема очень эффективна. Настойчиво рекомендую придерживаться значений, приведенных в справочных данных. Не следует ни увеличивать, ни уменьшать рекомендуемую емкость бутстрэпа, т.к. и то и другое приведет к снижению эффективности работы усилителя и может ухудшить его параметры, в частности THD. Бугстрэпом часто называют также управляемое питание выходных каскадов усилителя.

Основных режимов работы усилителя три. Это режим ожидания (STANDBY, STAND-BY, STBY, STB), режим глушений сигнала (MUTE) и режим воспроизведения (PLAY). В режиме ожидания усилитель фактически выключен, но его цепи находятся под напряжением. Все каскады, потребляющие сколько-нибудь значимый ток находятся в запертом состоянии и в таком состоянии могут находиться сколь угодно долго. Ток, потребляемый усилителем, при этом от единиц миллиампер и до единиц микроампер, т.е. находится на уровне токов утечки автомобильного аккумулятора. Поэтому усилитель можно не отключать от источника питания. При этом основной ток потребляет не вывод питания усилителя, а управляющий вывод режима STAND-BY. Такой режим чрезвычайно удобен тем, что вместо мощных реле, выключателей или силовых ключей, включение производится логическим

сигналом уровня КМОП и с той же энергетикой. Выходной сигнал при этом нормируется. Он составляет порядка--100...--120 дБ, что ниже уровня шума усилителя класса HI-END.

Следует вообще иметь в виду, что рассматриваемые УНЧ не предназначены, вообще говоря, для использования в качестве домашнего усилителя, хотя конечно можно применять их и таким образом. Эти усилители рассчитаны, прежде всего, на применение в составе какого-либо устройства, например телевизора, автомобильного радиоприемника, магнитолы и т.п. Поэтому их наделяют соответствующим интерфейсом, пусть и несложным.

При переводе усилителя из режима STAND-BY в режим PLAY возникают практически те же переходные процессы, что и при обычном включении, а значит, возникает соответствующее акустическое сопровождение. Основной ток при этом протекает, как ему и положено по выводам питания. Надо отметить, что сильные щелчки возникают не только и не столько в выходных каскадах усилителя, сколько во входных. Понятно, что подача питания на блок микрофонного предусилителя может вызвать гораздо более громкие щелчки, чем включение выходного каскада. Для исключения этих эффектов применяется функция MUTE, которая характеризуется подавлением входного сигнала на 60...80 дБ. При этом отключаются выходные каскады, так что ток, потребляемый усилителем, снижается до нескольких миллиампер. Это ток, который потребляют маломощные входные каскады.

В большинстве усилителей этот режим реализован аппаратно, но в более старых моделях его может и не быть. В таком случае приводится вариант его реализации с помощью навесных элементов. Как правило, при этом производится заколачивание конденсатора схемы подавления пульсаций CSVR внешним транзистором.

В некоторых вариантах усилителей функция MUTE срабатывает автоматически при уменьшении напряжения питания ниже некоторого предела, как правило, 6...8 В. Это важно для автомобильных усилителей, т.к. например, при включении стартера, напряжение бортовой сети сильно падает. При этом возможны как искажения сигнала, так и посторонние шумы. Кроме того, это удобно, потому что не требуется заранее перед выключением подавать сигнал на вход MUTE.

Поскольку чаще всего схема управления MUTE и STAND-BY использует систему SVR, то CSVR естественно оказывает влияние на временные соотношения этих режимов. Это собственно означает, что выбор конденсатора влияет как на подавление пульсаций, так и на время включения и выключения усилителя. Усилитель перейдет в режим PLAY тогда и только тогда, когда CSVR зарядится до определенного напряжения, поэтому величина его емкости должна удовлетворять противоположным требованиям хорошей фильтрации и небольшого времени включения. Рекомендованное значение этой емкости приводится всегда.

Для управления режимами MUTE и STAND-BY практически во всех случаях требуется применение RC-цепочек. Это нужно, прежде всего, для исключения появления шумов от самих управляющих воздействий, а также для соблюдения необходимой скорости нарастания этих сигналов, которая не должна превышать 2,5 В/мс. Цифровые микросхемы управления имеют быстродействие на 5...6 порядков выше. Необходимо также соблюдать рекомендации по выбору сопротивлений этих цепочек. Слишком высокое сопротивление может нарушить работу схемы из-за высокого падения

напряжения на нем. Тогда подача низкого логического уровня на вход цепочки просто не вызовет необходимого изменения напряжения на самом управляющем входе.

Режим MUTE используется также системой термозащиты некоторых усилителей. При превышении некоторой критической температуры, режим включается принудительно, а затем, после остывания усилителя, включается снова. Еще более продвинутые системы, в случае если температура продолжает повышаться, включают режим STAND-BY. Более простые системы делают это сразу, без MUTE.

Некоторые усилители имеют дополнительный режим, который включается при обнаружении короткого замыкания. Одни могут находиться в этом режиме сколь угодно долго, другие -- несколько часов.

Давайте посмотрим, как и от чего защищают усилитель светлые головы инженеров Запада. Для транзистора главнейшими параметрами, определяющими его работу в мощных каскадах, являются:

максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер UCE;

максимальный ток коллектора 1С МАХ;

максимальная рассеиваемая мощность Ptot.

Есть и другие параметры, связанные с его безопасной работой, но они не связанны напрямую с его внешним окружением и поэтому будем считать, что предыдущие каскады рассчитаны правильно и с этой стороны транзистору никакая опасность не грозит. Максимальные параметры связаны между собой определенной зависимостью, которая графически выглядит примерно как на рис. 3.

Рис. 3. Зона безопасной работы транзистора (SOA) и диаграмма работы в режиме АВ

Сверху зона безопасной работы транзистора (SOA, Safe Operating Area) ограничивается максимальным током коллектора, справа -- максимальным напряжением коллектор-эмиттер, сбоку -- максимальной рассеиваемой мощностью и напряжением вторичного (лавинного) пробоя. Эксплуатация транзисторов при максимальных значениях хотя бы одного из параметров не допускается.

Страницы: 1, 2, 3, 4