Усилитель воспроизведения

Я радиолюбитель

Как известно, усилитель воспроизведения (УВ) — наиболее чувствительное из усилительных устройств, поэтому именно он ограничивает (снизу) динамический диапазон электрического тракта канала звуковоспроизведения. Многие конструкторы при проектировании УВ традиционно уделяют основное внимание решению “шумовой” проблемы, практически не заботясь о других, не менее важных параметрах. Такой подход нередко приводит к неудовлетворительным результатам: большим нелинейным и особенно интермодуляционным искажениям воспроизводимых программ, происхождение которых “по инерции” ошибочно приписывают нелинейности магнитной ленты, хотя на самом деле искажения вносит, как это не покажется. на первый взгляд, странным, входной каскад УВ. Иными словами, при неправильном проектировании он же (УВ) может оказаться причиной ограничения динамического диапазона и сверху.

Предлагаемый вниманию читателей УВ предназначен для применения в высококачественном сетевом магнитофоне. При его разработке автор основывался на теоретических исследованиях [1, 2], опыте эксплуатации и результатах измерений параметров большого числа УВ, собранных по известным, в том числе и опубликованным в журнале, схемам. Благодаря этому достигнут низкий уровень не только собственных шумов системы головка воспроизведения (ГВ*) - УВ, но и нелинейных и интермодуляционных искажений, обеспечена хорошая повторяемость.

*Здесь и далее под ГВ подразумевается и универсальная магнитная головка в режиме воспроизведения.

Принципиальная схема УВ приведена на рис. 1.

Входной каскад выполнен на транзисторе VT1 и ОУ DA1 и охвачен 100%-нойi OOC по постоянному току, напряжение которой поступает с выхода ОУ через резисторы R10, R4 в цепь эмиттера транзистора VT1. Благодаря этому напряжение на его коллекторе жестко стабилизировано и равно заданному делителем R7R9 напряжению на неинвертируюшем входе ОУ, а ток коллектора полностью

определяется сопротивлением резистора R3 и не зависит ни от разброса, ни от дрейфа параметров транзистора.

Более того, от сопротивления резистора R3 зависит только ток коллектора, а такие параметры, как напряжение коллектор - эмиттер, входное сопротивление, коэффициент усиления с замкнутой и разомкнутой OOC по переменному току, глубина OOC, запас устойчивости и др., остаются постоянными. Это позволяет выбрать оптимальный (с точки зрения минимизации шумов) ток коллектора Iк опт, установкой резистора сопротивлением RЗ=-UR3/Iк опт, где UR3=3,5 В - падение постоянного напряжения на резисторе R3 (оно с точностью до напряжения смещения нуля ОУ DA1 совпадает с падением напряжения на резисторе R7). Так, Iк опт можно определить по формуле |2]:

где fв, fн — верхняя и нижняя граничные частоты рабочего диапазона;

fф — частота среза фликкер-шумов транзистора; h21 - статический коэффициент передачи тока транзистора;

Lг, Rr — соответственно индуктивность и сопротивление потерь ГВ.

При затруднениях с измерением Lг-, Rг, h21э и fф оптимальный режим транзистора VT1 можно установить экспериментально, заменив резистор R3 подстроечным (сопротивлением 220...330 кОм), соединенным последовательно с постоянным резистором сопротивлением 24...36 кОм, по минимуму взвешенных шумов на выходе У В при подключенной к его входу ГВ.

Кроме оптимизации режима, минимизации уровня собственных шумов УВ способствуют гальваническая связь с ГВ и применение транзистора структуры р-п-р с максимальным коэффициентом передачи тока h21э малым сопротивлением базы rб и низкой частотой среза фликкер-шумов fф, (для КТ3107Л типовые значения К.; г.) ==300, Iб=200 Ом, (ф=2 кГп при Iк=50...100 мкА). В связи с малостью сопротивления rб этого транзистора, по сравнению с Rr (типовое значение Rг=400...2000 Ом), используемое в некоторых УВ [3] параллельное включение транзисторов с большим rб (например, у транзисторов серии КТ3102 rб =800... 1400 Ом) в данном случае не имеет смысла [2].

Рассмотренные решения снижают уровень собственных шумов УВ почти до теоретического предела, причем возможность оптимизации режима позволяет минимизировать шумы при использовании любой ГВ - как с малой, так и большой индуктивностью.

Входной каскад охвачен цепью общей OOC по переменному току C7R13R12R11R4, формирующей АЧХ (в зависимости от состояния ключа DA4.1) с постоянными времени tвч1=С7R11 или tвч=С7 (R11+R12) и tнч=С7R13. Как показано в [2], входной каскад на биполярном транзисторе, охваченный обшей последовательной OOC, является единственно приемлемым для реализации УВ высокой верности. Иногда используемый на практике каскад с общей OOC параллельного типа имеет худшие шумовые свойства [ I ], а каскад с местной OOC или без OOC вообще — неудовлетворительную линейность [2]. В качестве иллюстрации сказанному на рис. 2 приведены спектрограммы выходного сигнала УВ. входной каскад которого имеет горизонтальную АЧХ и охвачен только местной OOC [3], при разных уровнях входного напряжения. Частота синусоидального сигнала равна 1 кГц, уровню 0 дБ* соответствует входное напряжение 1 мВ (выходное 250 мВ). Как видно, уровень второй гармоники заметно превышает уровень шумов уже. при входном сигнале - 0 Д.Б. При увеличении его до 0 дБ уровень второй гармоники ниже уровня первой примерно на 46 дБ (что соответствует коэффициенту второй гармоники Кг2=0,5%), при перегрузке -|-10 дБ ее уровень возрастает до —З8 lБ, а третьей - до -70 дБ (Кг..>=1,3%, К|д==0,03%), при перегрузке 420 дБ - соответственно до 12 дБ и -18 дБ (К,.2.--25%, К,з-12,5%). Необходимо подчеркнуть, что в спектре искажений, вносимых магнитной лентой, четные гармоники (кстати, их за-меткость выше заметности нечетных) отсутствуют, поэтому УВ по схеме [3] заметно ухудшает линейность всего канала записи - воспроизведения магнитофона. Особенно это проявляется при работе с высокоомными ГВ (обладающими повышенной чувствительностью) и высококачественными магнитными лентами, имеющими высокую перегрузочную способность.

* Уровень входного сигнала, указанный под спектрограммой (не путать с уровнем 0 дБ на оси ординат. характеризующим выходной сигнал). Все характеристики измерены спектроанализатором СК4-56, источником сигналов служил генератор Г3-118.

Масштаб по оси частот линейный. Поскольку ЭДС ГВ с ростом частоты увеличивается, проявление нелинейности УВ, входной каскад которого имеет горизонтальную АЧХ, с ростом частоты также увеличивается (это особенно заметно при воспроизведении высококачественных фонограмм, записанных с динамическим подмагничи-ванием с грампластинок, изготовленных по технологии Direct Metal Mastering или компакт-дисков). Выявить такие искажения методом гармоник трудно (из-за значительного спада АЧХ УВ на высоких частотах), проще оценить их методом интермодуляционных искажений (разностного тона).

На рис. 3 приведены спектрограммы сигнала на выходе УВ [3] при двухтональном входном сигнале с частотами 14 и 15 кГц (входному уровню 0 дБ соответствует среднеквадратичное значение выходного напряжения 250 мВ). Из спектрограмм видно, что уровень комбинационной (разностной) составляющей искажений частотой 1 кГц уже при уровне входного сигнала —10 дБ (выходное напряжение 77,5 мВ) достигает —32 дБ относительно уровня полезных составляющих (14 и 15 кГц), что соответствует коэффициенту разно-стноготона (интермодуляционных искажений) Ки=='3%. При номинальном выходном напряжении (0 дБ) комбинационная составляющая достигает уровня —22 дБ (Кц=8%), а при перегрузке +10 дБ - даже —14дБ (Кц=20 %), причем в последнем случае спектр выходного сигнала чрезвычайно богат комбинационными составляющими высших порядков несмотря на то, что выходное напряжение УВ еще не достигло уровня ограничения. Если же учесть, что интермодуляционные искажения на слух более заметны, чем гармонические (это объясняется тем, что спектр комбинационных составляющих резко отличается от спектра исходного сигнала и не связан гармоническим рядом), то становится совершенно очевидным основной недостаток УВ по схеме |3], как, впрочем, и многих других УВ с аналогичными схемными решениями (УВ магнитофонов 4:Юпитер-202-стерео”, <0рбита-204-стерео”, “Комета-212-стерео”, “Маяк-203-стерео” и др.). На слух он проявляется в виде крайне неприятных низкочастотных призвуков, сопровождающих громкие звуки “с” или тарелок.

Для сравнения на рис. 4 и 5 приведены спектрограммы напряжений на выходе предлагаемого УВ при тех же входных сигналах, что и в предыдущих случаях (см. рис. 2 и 3). Номинальный коэффициент передачи УВ на 6 дБ больше, чем у описанного в [3], поэтому уровню 0 дБ на его выходе соответствует напряжение 500 мВ. Из рис. 4 следует, что даже при перегрузке +20 дБ уровни второй и третьей гармоник не превышают соответственно —70 и —60 дБ (Кр2= =0,03 %, К,з=0,1 %), а при номинальном входном сигнале лежат ниже уровня шумов спектроанализатора (—80 дБ).

Спектрограммы на рис. 5 свидетельствуют о том, что уровень наиболее заметной разностной составляющей интермодуляционных искажений частотой 1 кГц лежит ниже --80 дБ при уровнях сигнала 0 и 4-10 дБ, а при перегрузке +20 дБ не превышает -68 дБ (К„=0,04%). Уровень менее заметных интермодуляционных составляющих частотой 13 и 16 кГц (они маскируются соседними полезными составляющими) несколько выше, но и

он не превышает —56 дБ (0,15 %) при перегрузке +20 дБ. Более детальный анализ позволил установить, что основной вклад в нелинейность описываемого У В вносит выходной каскад на ИС DA3 (К157ХПЗ). На выходе же ОУ DA2.1 уровень нелинейных и интермодуляционных искажений примерно на 10 дБ ниже (спектр сигнала на выходе ОУ DA2.1 при перегрузке +10 и +20 дБ показан на рис. 6). Впрочем, даже с учетом искажений, вносимых выходным каскадом, УВ с большим запасом удовлетворяет требованиям к аппаратуре нысокой верности.

Несколько слов необходимо сказать о довольно распространенном заблуждении, основанном только на полученных практически результатах, что ООС ухудшает шумовые характеристики. Не останавливаясь подробно на теории вопроса, отметим, что в работах [1, 2, 4, 5] доказано, что введение ООС не ухудшает (правда, и не улучшает) шумовых свойств усилителя при прочих равных условиях. К сожалению, экспериментаторы часто забывают, что введение ООС, кроме снижения коэффициента усиления (причем в одинаковое число раз как для сигнала, так и собственных шумов), приводит к расширению полосы эффективно усиливаемых частот примерно в то же число раз, что и снижение усиления (т.

е. ООС не изменяет “площади” усиления — параметра, известного из теории операционных усилителей и численно равного произведению коэффициента усиления на верхнюю граничную частоту). Поэтому при измерении уровня шумов широкополосным вольтметром действительно получается, что при увеличении глубины ООС, например на 20 дБ (в 10 раз), сигнал на выходе уменьшается в 10 раз, а уровень шумов — только в 3 раза, что, казалось бы, свидетельствует об ухудшении отношения сигнал/шум примерно в 3 раза. На самом же деле уровень шумов при введении ООС измеряется в полосе частот, примерно в 10 раз более широкой, чем в усилителе без ООС, т. е. шумы входных каскадов “взвешиваются” в этих двух случаях разными АЧХ. Поскольку мощность шумов пропорциональна полосе частот, в которой она измеряется, а среднеквадратическое значение напряжения шумов пропорционально корню квадратному из ширины полосы, то и получается, что при введении ООС напряжение шумов увеличивается в -\/10”3 раза (из-за расширения полосы) и уменьшается в 10 раз (из-за уменьшения коэффициента усиления), т. е. в итоге снижается примерно в 3 раза при измерении широкополосным вольтметром. Недоразумения не будет, если уровень шума УВ с ООС измерить в прежней полосе частот, т. е. включить между его выходом и вольтметром ФНЧ ограничивающий спектр той же частотой, что и до введения ООС (в звуковоспроизведении таким фильтром может служить взвешивающий фильтр “МЭК-А”). В этом случае измерения покажут, что уровень шумов уменьшается при введении ООС пропорционально уровню сигнала.

Нельзя забывать и о том, что введение ООС может привести (вследствие уменьшения запаса устойчивости в петле ООС) к образованию “горба” на АЧХ УВ в области очень высоких частот (вне звукового диапазона), увеличивающего шумовое напряжение в широкой полосе, или даже к мягкому самовозбуждению УВ. Такое самовозбуждение невозможно обнаружить низкочастотным осциллографом и тем более на выходе фильтра “МЭК-А”, поскольку частота паразитных колебаний нередко достигает нескольких десятков мегагерц, а их амплитуда невелика из-за малой скорости нарастания выходного напряжения УВ.

Самовозбуждение проявится косвенно — в виде неподдающегося объяснению возрастания нелинейных искажений и уровня взвешенных шумов. В этом случае дополнительный шум создается ни чем иным. как разностными составляющими интермддуляционных искажений сигнала самовозбуждения, попадающими в звуковой диапазон частот.

(Окончание следует)

Н. СУХОВ

г. Киев

РАДИО № 6, 1987 г., c. 31.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сухов Н. Е., Бать С. Д., Колосов В. В., Чупаков А. Г. Техника высококячсстнечного звуковоспроизведения." Киев: Технiкa. 1985.

2. Сухов Н. Проектирование малошумящих усилителей звуковой частоты. - “Радиоежегодник-86”. - М.: ДОСЛАФ. 1986. с. 40 55

3. Лекснны Валентин я Виктор. Узлы сетевого магнитофона. Усилитель воспроизведения.— Радио, 1983. № 8. с. 36—40.

4. Faulkner E. A. The Design of Low-noise Audio-frequercy Amplifiers.— The Radio and nieclronic Knuineei. 1968, July. Vol. 36, No. I. p. 17-30,

5. Робинсон ф. Н.— X. Шумы и флуктуации в электронных схемах и цепях. Пер. с англ. М.: Атомиздат, 1980. 32.