В последнее время внимание разработчиков УМЗЧ все больше привлекают усилители без общей отрицательной обратной связи (ОООС). Для реализации таких усилителей необходимы решения, позволяющие максимально линеаризовать каскады усиления, как напряжения, так и тока, до величины коэффициента гармоник не более 0,5%.
В этом случае усилитель напряжения (УН) желательно запитывать от стабилизированных источников питания с напряжением на 5…15 В большим питания выходного каскада (ВК). Такое решение позволит снизить искажения УН до разумных пределов во всем диапазоне выходных напряжений УМЗЧ.
Коэффициенты усиления по напряжению большинства УМЗЧ находятся в пределах 10…30 (20…30 дБ). Если учесть, что выходной каскад чаще всего работает в режиме буферного повторителя, то этот коэффициент усиления должен обеспечивать усилитель напряжения.
Для того чтобы все исследуемые далее каскады были примерно в одинаковых условиях, в качестве нагрузки используют сопротивление 20 кОм (типовое входное сопротивление выходного каскада УМЗЧ). Полное напряжение питания возьмем также одинаковым и равным 80 В (это напряжение двухполярного источника ±40 В).
Однотактные усилители исследуют с коэффициентом усиления равным 10 раз или 20 дБ. При встречной динамической нагрузке такие каскады дадут усиление вдвое больше, т.е. 20 или 26 дБ.
Для обеспечения средней точки в схемах используют генераторы стабильного тока и стабилитроны в качестве источников опорного напряжения.
Для начала рассмотрим каскады, пригодные для применения в усилителях с однополярным питанием.дифференциальный-каскад
1. Известно, что из всех каскадов усиления напряжения наименьшие искажения вносит дифференциальный каскад (ДК) (рис.1).
Коэффициент усиления по напряжению равен:
Кu=RЗ/(R2+R4)=20к/( 1 к+1 к)=10.
Благодаря глубокой местной ООС нелинейные искажения, вносимые усилителем при выходном напряжении 10 В, равны 0,012% и 0,1 % при выходном напряжении 30 В. Благодаря специфике работы каскада нелинейные искажения на выходах плеч ДК в значительной степени взаимно компенсируются.
2. В качестве следующего каскада усиления рассмотрим каскад с общим эмиттером (ОЭ) (рис.2). При глубокой местной ООС с помощью высокоомного резистора в цепи эмиттера, он вносит искажения при тех же выходных напряжениях, соответственно 0,027% и 0,14%. А это в 1,5-2 раза больше, чем искажения ДК.каскад с общим эмиттером (ОЭ)
При токе коллектора 2 мА на резисторе RЗ происходит падение напряжения около 4 В. Напряжение на конденсаторе С2 с учетом падения напряжения на переходе Б-Э равно около 5 В. При усилении 20 дБ (10 раз) чувствительность усилителя равна примерно 3,5 В (амплитудное или пиковое значение). Таким образом, для отрицательной полуволны сигнала имеем запас почти в 1,5 раза.

Такие же каскады только в зеркальном включении со встречной динамической нагрузкой использованы и в усилителе [1], в котором в качестве выходного каскада использован усилитель с компенсацией нелинейных искажений [2].

 

3. Иногда с целью повышения входного сопротивления вместо одиночного транзистора используют составной транзистор Дарлингтона (рис.3).составной транзистор Дарлингтона

Искажения, вносимые усилителем при выходном напряжении 10 В, равны 0,065%, а при выходном напряжении 30 В — 0,5%. Как видим, вопреки ожиданиям, искажения каскада возросли более чем в 2 раза по сравнению с каскадом на одиночном транзисторе. При попытке увеличить ток коллектора входного транзистора искажения возрастают еще больше.

4.  В [3] приведен способ снижения искажений такого каскада за счет использования второго транзистора в качестве усилителя сигнала ошибки (рис.4). использования-второго-транзистора-в-качестве-усилителя-сигнала-ошибкиВ этом случае сопротивление нагрузки разбивается на 2 резистора и R5. Основным усилителем служит транзистор Q1. Сигнал ошибки снимается с резистора R2, усиливается транзистором Q2 и подается в часть нагрузки на резистор R5.
Для компенсации искажений должно выполняться условие: Кu=Р4/Р2=Р5/ПЗ. Более детально этот прием описан в [3]. Искажения, вносимые модифицированным каскадом, равны 0,006% при выходном напряжении 10 В и 0,07% при напряжении 30 В. Недостатком этого способа компенсации искажений являются определенные трудности для реализации в зеркальном каскаде со встречной динамической нагрузкой.
5. Еще одно решение по мотивам [3] показано на рис.5.каскада усиления с общим эмиттером

Транзистор Q1 выполняет одновременно две функции: каскада усиления с общим эмиттером и сумматора основного тока каскада усиления и тока каскада компенсации искажений на транзисторе 02.
На транзисторе Q3 и стабилитроне D2 организован источник стабилизированного отрицательного напряжения. Ток эмиттера этого транзистора определяет резистор R5
Благодаря тому, что номинал резистора R6 равен номиналу R5, при отсутствии ошибки усиления переменное напряжение на нем будет повторять входное напряжение, которое через конденсатор С1 также поступает и в базу транзистора Q2. При малейшем отклонении тока выхода от номинального на переходе Б-Э транзистора Q2 формируется сигнал ошибки, который им усиливается, и выходное напряжение транзистора Q1 линеаризуется.
Так как искаженный сигнал поступает в эмиттер транзистора Q2, то по сигналу ошибки он работает с общей базой и не инвертирует сигнал. Таким образом, активная компенсация нелинейности усилительного прибора достигается выделением сигнала ошибки с последующим его преобразованием в ток, суммируемый с током выходной цепи каскада.
На работе транзистора Q2 благоприятно сказывается то, что он работает со следящим питанием. С помощью подстроечного резистора R2 выставляют половину напряжения питания на коллекторе транзистора Q1.
Коэффициент усиления по напряжению определяет соотношение сопротивлений резисторов:
Кu=R4/R5.
Искажения, вносимые усилителем, при выходном напряжении 10 В равны 0,02% и 0,055% при выходном напряжении 30 В. Разумеется, это не предел. Для дополнительного снижения искажений необходима кропотливая настройка режимов.

6. В качестве следующего каскада, пригодного для работы в УМЗЧ с двухполярным питанием, рассмотрим комбинацию, состоящую из ДК и каскада с общей базой (ОБ) (рис.6).ДК и каскада с общей базой (ОБ)

Коэффициент усиления по напряжению равен: Кu=RL/(R2+RЗ)=20к/( 1 к+1 к)=10. Несмотря на то, что к ДК добавлен дополнительный каскад усиления, искажения в выходном сигнале такие же, как и в отдельном ДК (рис.1). Причем практически нет разницы, с какого плеча ДК снимать сигнал. В данном варианте УН инвертирующий. Если использовать для снятия сигнала второе плечо ДК, то получим неинвертирующий УН.

7. Более простой УН можно получить, если применить «ломаный каскод» (рис.7). Также, как и в ДК, связь между каскадами токовая. В таком каскаде приращение тока коллектора входного транзистора приводит к такому же уменьшению тока выходного транзистора и наоборот. Минимальных искажений можно ожидать при равенстве токов обоих транзисторов.
Коэффициент усиления по напряжению равен: Кu=R4/R2.
Нелинейные искажения, вносимые этим каскадом, примерно вдвое больше, чем ДК, и при выходном напряжении 10 В равны 0,05% и 0,2% при выходном напряжении 30 В.
К достоинствам рассмотренных каскадов можно отнести их широкополосность, устойчивость к самовозбуждению, чрезвычайно малые искажения при малых уровнях выходного сигнала, а также их плавное нарастание с ростом выходного напряжения. Спектр искажений ограничен гармониками низшего порядка (преимущественно второго и третьего).
Благодаря применению генераторов тока в эмиттерных цепях, режимы большинства каскадов по постоянному току хорошо стабилизированы.
Недостатком таких каскадов является высокое выходное сопротивление, требующее использования высоколинейного ВК с высоким и стабильным входным сопротивлением, а также несимметричное входное сопротивление.
Устранить отмеченные недостатки и получить дальнейшее снижение всех видов искажений позволяет зеркальное выполнение каскадов. Входное сопротивление таких каскадов теоретически стремится к бесконечности и практически определяется резистором, включенным между входом и общим проводом.
8. В качестве примера на рис.8 показано оригинальное решение УН из [3].

УН
Условие компенсации искажений в выходном сигнале выражается равенством:

2Rэ =R5+R6+R7,

где Rэ — эмиттерные резисторы R1-R4.
Резисторы R5, R6 выбраны из условия примерного равенства токов коллектора транзисторов Q9-Q12.
Усиление каскада по напряжению определяется выражением:
Кu=РL/(R5+2R7)=20000(200+2х200)= 20000/600=33,3 раза.
Реальный же коэффициент усиления примерно на 5 дБ выше, так как формула не учитывает вклад в усиление транзисторов 01, 02.
Описанный усилитель имеет искажения при выходном напряжении 10 В равные 0,0016% и при выходном напряжении 30 В — 0,016%.

9. При практической реализации в качестве генераторов тока можно использовать токостабилизирующие диоды [4]. Для поддержания нуля на выходе УМЗЧ необходимо использовать интегратор.
Учитывая, что встречная динамическая нагрузка сама по себе обладает свойствами взаимной компенсации нелинейностей противоположных плеч каскада, был разработан простейший ка­скад на встречном «лома­ном каскоде» (рис.9).каскад на встречном «ломаном каскоде»

При отсутствии токостабилизирующих диодов их можно заменить типовыми схемами генераторов тока (рис.10).

Для поддержания нуля на выходе использован интегратор. В окончательном варианте УМЗЧ сигнал на интегратор следует подавать с выхода УМЗЧ. Помимо поддержания нуля на выходе интегратор обеспечивает низкое выходное сопротивление на инфранизких частотах, что улучшает демпфирование НЧ громкоговорителей.
Коэффициент усиления по напряжению равен соотношению:
Ku=2RL/R1=2x20k/2k=20 или 26 дБ.
Искажения, вносимые усилителем, при выходном напряжении 10 В равны 0,002% и 0,014% при выходном напряжении 30 В, что практически не уступает более сложной схеме [3].вариант-УМЗЧУН-усилителя

10. Теперь исследуем УН усилителя [7] (рис.11). С целью упрощения схемы генераторы тока ДК, выполненные на транзисторах, заменены токостабилизирующими диодами.

Входной каскад выполнен ДК по зеркальной схеме. Входной сигнал преобразуется в ток, который с выхода зеркального ДК поступает на масштабные отражатели тока Вилсона, работающие со встречной динамической нагрузкой. Коэффициент усиления по напряжению равен 34 дБ при полосе пропускания 8 МГц. Так же, как и в предыдущих зеркальных схемах, коэффициент передачи можно регулировать сопротивлением нагрузки RL. В данном случае оно равно 3 кОм.
Литература
1. Хорошев В., Шадров В. УМЗЧ без общей ООС // Радио. — 1989. — №9.
2. M.J. Hawksford, Distortion correction in audio power amplifiers, Journal Audio engineering society, Vol. 29 №1,2, 1981 January/February.
3. Кулиш M. Линеаризация каскадов усиления напряжения без ООС // Радио. — 2005. — №12.

Александр Петров, г. Минск

8 комментариев к “Обзор схемотехнических решений, усилители напряжения без ООС”

  1. петров — дебил. не понимает принципов работы схем, которые описывает. дурит голову новичкам

  2. в силу своей воинствующей безграмотности, портит чужие схемы и называет это модернизацией. а у журнала нет хороших рецензентов, если публикуют такую чушь

    • Журнал крайне рад любым грамотным комментариям и мнениям, с радостью выложим ваши схемы, работы.

  3. симулировать тоже не умеет, поэтому все его циферки искажений — фейк. у него все источники сигнала идеальные и имеют нулевое сопротивление, поэтому его (петрова) выводы расходятся с теорией, но ему пох — у него есть симулятор!

  4. единственное полезное в его статьях — список литературы, поскольку сам он творчески импотентен

  5. хня короче

  6. на веге его темы выносят

  7. и источники питания у него на схемах тоже идеальные

Оставить комментарий

Вы можете использовать следующие теги HTML: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

(обязательно)

(обязательно)

What is 11 + 7 ?
Please leave these two fields as-is:
IMPORTANT! To be able to proceed, you need to solve the following simple math (so we know that you are a human) :-)
© 2011 hifisound.com.ua При использовании материалов с данного сайта, обязательна ссылка на сайт HI-FI sound и первоисточник Поддержка предоставлена компанией www.hifiaudio.com.ua