Усилитель: что мешает звучать правильно? (часть 2) (страница 2)
реклама
Элементы схемотехники
Сравнивать радиолампы и транзисторы в абстрактных цифрах бессмысленно, транзисторы победят с явным отрывом. Пройдемся по основным узлам и элементам усилителя и посмотрим, что может дать переход на что-то типа радиолампы и почему следует столь неочевидный провал транзисторов. В данном разделе будут участвовать довольно большие модели, поэтому я буду прилагать файлы проектов, можете их исследовать самостоятельно. Формат OrCAD 10.5, используются только комплектные библиотеки.
Хочу специально обратить ваше внимание – в данном разделе будет проводиться анализ и формулироваться выводы, но это лично мои суждения и они могут страдать изрядной долей субъективизма. Не верьте «на слово», проверяйте логику рассуждений и приведенные аргументы самостоятельно.
Повторюсь, сравнивать радиолампы и транзисторы в абстрактных цифрах бессмысленно, транзисторы лучше. Но любому бриллианту нужна оправа, без этого он просто кусок прозрачного стекла. Так и с транзисторами (микросхемами). Пройдемся по ключевым элементам и сравним влияние элементной базы и искусства разработки.
Большинство усилителей низкой частоты строят из последовательного соединения следующих узлов:
1. Устройство сравнения
2. Линейный усилитель ошибки
3. Выходной каскад.
С точки зрения проблем, основной вред вносит первая и последняя ступень этой цепочки. Но термин «вред», измеренный в коэффициенте гармоник, содержит мало смысла, поскольку кроме абстрактных цифр важны сопутствующие параметры – характер и заметность вносимых искажений, а они сильно рознятся для каждой из трех позиций. Аналогично различаются и способы повышения качества работы этих узлов.
Устройство сравнения
реклама
Традиционно, усилитель низкой частоты «начинается» с дифференциального каскада. Он может быть явный, из двух транзисторов, или неявный.
Начнем с традиционного:
Резисторы в эмиттерах чисто номинальные, они пригодятся чуть позже. Считайте, что их просто нет. Подадим сигнал в 25-50-100 мВ и посмотрим на результат.
Схема одна и та же, меняется величина входного сигнала:
- Красный = 25 мВ.
- Зеленый = 50 мВ.
- Синий = 100 мВ.
Даже на первый взгляд, по картинке хорошо видно, что следует ограничение сигнала. Для соблюдения порядка приведу спектр сигнала на выходе:
реклама
Чем больше величина воздействия на дифференциальный усилитель, тем больше он вносит искажения. Давайте оценим «вредность» этих искажений. Обычно низкий уровень гармоник во всём усилителе достигается за счет общей обратной связи. То есть, если элемент с искажениями находится внутри петли обратной связи, то его «вредностное» действие значительно ослабляется.
В нашем случае дифференциальный каскад является узлом сравнения обратной связи, а поэтому не входит внутрь цепи коррекции и не может быть исправлен обратной связью. Даже хуже, чем глубже обратная связь, тем сильнее проявляются искажения от дифференциального усилителя. Это значит, что в данном тесте «чересчур» не только уровень 50 и 100 мВ, когда следует явное ограничение уровня, но и 25 мВ тоже.
Попробуем иначе, в схеме присутствуют «декоративные» резисторы R3 и R5. Увеличим их до разумного значения. Сопротивление эмиттерного перехода при токе 0.5 мА порядка 50 Ом, значит, есть смысл поставить дополнительный резистор, скажем, 330 Ом.
Спектр выходного сигнала для эмиттерных резисторов R3 = R5 = 330 Ом:
В схеме поменялся коэффициент усиления, поэтому список величин исходного сигнала будет расширен.
- Красный = 25 мВ.
- Зеленый = 50 мВ.
- Синий = 100 мВ.
- Фиолетовый = 250 мВ.
- Черный = 500 мВ.
Последние два значения выбраны из условия обеспечения примерно такого же выходного напряжения, что и в предыдущем тесте для 50 и 100 мВ.
Добавление резисторов снижает коэффициент усиления дифференциального каскада и немного уменьшает уровень искажений при низком входном сигнале (сравните пик на частоте 5 кГц для графика синего цвета последнего теста и красный предыдущего), но никак не влияет на уровень выходного сигнала. В обоих тестах ограничение наступало при напряжении 3 вольта.
Очевидно, что выходное напряжение здесь не при чём, ограничение вызвано другим элементом или параметром. И этот элемент – источник тока I1, величиной 1 мА. Нагрузочными сопротивлениями дифкаскада являются резисторы R2, R4 номиналом 3.3 кОм, что при токе I1 = 1 мА может обеспечить уровень полезного сигнала не более 3.3 К * 1 мА = 3.3 В, что и произошло.
Ну хорошо, а что будет, если поменять транзисторы на заведомо лучшие, с большим hFE и частотным диапазоном? А ничего, совершенно ничего. Дело в том, что величина управляющего напряжения зависит от эмиттерного сопротивления (Re), которое довольно точно считается по формуле 26 мВ / Ie, где Ie – ток эмиттера. Само максимальное значение управляющего напряжения считается как Re * Ie, где Ie = величине источника тока в эмиттере дифкаскада. Путем приведения сопротивления к напряжению получится, что максимальное управляющее напряжение составляет 26 мВ.
Эти рассуждения были про один транзистор пары, но поскольку их два, то это напряжение надо умножить на два, или 52 мВ. Симулирование схемы показало примерно такой же результат, при управляющем напряжении 50 мВ идут сильные искажения, а при 100 мВ наступает явное ограничение уровня. Почему нет точного совпадения? Все просто, под Ie следует понимать мгновенное значение тока эмиттера, который изменяется очень сильно, в десять и более раз, в пределах величин управляющего сигнала.
Кроме обычного дифференциального каскада на двух транзисторах, узел сравнения может быть выполнен и на одном транзисторе, например, так:
Форма сигнала на выходе:
реклама
При нехватке тока наступает ограничение (насыщение), как и в обычном дифкаскаде, но и есть и отличие – однотранзисторный вариант не сможет отдать ток ниже 0, поэтому следует ограничение снизу, а вот повышать ток выше критического он способен – при положительной полуволне никаких видимых искажений не наблюдается.
Перейдем к анализу спектра:
В отличие от симметричного дифференциального каскада, рассмотренного ранее, в спектре подобного включения наблюдаются четные гармоники – схема обладает явной асимметрией… Но если отбросить эту мелочь, то результаты совпадают.
Вывод – обычный дифкаскад получил очень узкий рабочий диапазон напряжений. Но, при чём здесь это, если усилитель ошибки и так должен работать только с очень маленьким сигналом – на дифкаскаде усиливается только разностный сигнал, полученный вычитанием напряжением обратной связи из входного сигнала, то есть мизерная величина. К этому вопросу вернемся чуть позже, а пока давайте поговорим о другой, но связанной проблеме – обратной связи.
Общая обратная связь
Этот раздел является прямым продолжением предыдущего и тесно с ним связан. Обратная связь (если говорить точнее - общая отрицательная обратная связь) призвана уменьшать уровень гармоник, создаваемых усилителем, но она сама создает проблемы. Попробуем сделать модель всего усилителя и посмотрим сигналы в контрольных точках. (Файл проекта).
При рассмотрении работы схемы часто забывают о задержках в каскадах усилителя. Увы, у транзисторов есть паразитные емкости, да и быстродействие их не бесконечно, даже для такого медленного устройства, как усилитель низкой частоты. Для эмуляции этого дефекта, в схему добавлена задержка 1 мкс, создаваемая двумя RC цепочками на элементах R9-R12 и C2, C3. Кроме того, усилитель должен обладать внутренней частотной коррекцией, для чего добавлен конденсатор С1, ограничивающий частоту единичного усиления цифрой 5 мГц. В качестве входного сигнала применяется прямоугольной формы частотой 4 кГц с затянутыми фронтами по 10 мкс.
Интерес представляет напряжение ошибки, формируемой на входе дифкаскада, между его «+» и «-» входами (на схеме отмечено красным маркером, показывается разностное напряжение).
В предыдущем разделе было показано, что дифкаскад на двух транзисторах вносит большие искажения в усиливаемый сигнал при его амплитуде порядка 10 мВ, а при 50 – 100 мВ искажения просто недопустимые. Приведенная модель усилителя показывает амплитуду 90 мВ. Это означает, что усилитель будет вносить дикие искажения на нестационарном сигнале.
Что надо сделать для устранения дефекта? Да почти ничего, установить добавочные резисторы в эмиттеры транзисторов дифкаскада, что увеличит рабочий диапазон в несколько раз и исключит ограничение сигнала во входном каскаде. Конечно, это потребует сохранения большего рабочего диапазона и в последующих каскадах, до узла частотной коррекции. Да и самих усилительных каскадов станет больше. Ну а раз деталей больше, то это производителю невыгодно.
Потребителю представляются цифры для стационарного сигнала и в этой, извините, «цифири» между схемными решениями разница мало заметна. К тому же, усилители в интегральном исполнении должны работать в широком диапазоне питающих напряжений и чувствительности усилителя, поэтому ограничение коэффициента усиления входного каскада применяется крайне-крайне редко.
С радиолампами проще, у них довольно низкий коэффициент усиления, поэтому этой проблемы нет в принципе.
Вообще-то, существует ряд усилителей, в которых пытались уменьшить вред от общей обратной связи, или убрать ее вовсе. Осуществлялось сие использованием местной обратной связи в каждом каскаде, что рассмотрено в данном разделе входного каскада усилителя – резисторы R3 и R5.
Как показали прослушивания, у таких усилителей лучше передача сигнала при заведомо худших технических характеристиках (уровне гармоник). Нюанс в том, что технические характеристики измеряются на стационарном сигнале, чаще всего 1 кГц. Стоит отметить, что отсутствие общей обратной связи, в ряде композиций, отмечалось как негативный момент. Лично мое мнение – улучшение связано не с отсутствием общей обратной связи, а с тем, что каждый элемент усилителя получил большую перегрузочную способность.
По поводу общей обратной связи есть еще одна проблема. Она напрямую не связана с перегрузочной способностью входного каскада, но приводит к тем же неприятным последствиям – в усилителе должна присутствовать частотная коррекция. Для получения малой величины напряжения ошибки во входном каскаде, что крайне желательно с точки зрения минимизации в нем искажений, необходимо обеспечить высокий коэффициент усиления всех каскадов усилителя. Увы, это неизбежно приведет к неустойчивой работе вплоть до самовозбуждения.
Лекарство одно – частотная коррекция, уменьшающая общий коэффициент усиления по мере роста частоты сигнала. Как следствие данной топологии – с повышением частоты сигнала растет уровень сигнала ошибки в дифференциальном усилителе, что увеличивает коэффициент гармоник этого каскада. Кроме того, с повышением частоты падает усиление в цепи, охваченной обратной связью, что уменьшает эффект подавления искажений усилителя.
Применение местной обратной связи снижает коэффициент усиления каскадов, и это уменьшает усиление всего устройства, но из-за требования устойчивости в усилителе должна применяться частотная коррекция. Последняя ограничит усиление на высоких частотах примерно тем же значением, что и без применения местной обратной связи. Как следствие, усилитель только с общей обратной связью лучше передает низкие и средние частоты, но зато у него есть потенциальные проблемы с передачей высоких частот – повышенная вероятность появления интермодуляционных искажений.
Усилитель с местной обратной связью проигрывает по уровню гармоник редакции с общей обратной связью для низких (и средних) частот.
реклама
Страницы материала
Лента материалов раздела
Соблюдение Правил конференции строго обязательно!
Флуд, флейм и оффтоп преследуются по всей строгости закона!
Комментарии, содержащие оскорбления, нецензурные выражения (в т.ч. замаскированный мат), экстремистские высказывания, рекламу и спам, удаляются независимо от содержимого, а к их авторам могут применяться меры вплоть до запрета написания комментариев и, в случае написания комментария через социальные сети, жалобы в администрацию данной сети.
Комментарии Правила