Применение многоканальной усилительной структуры в УМЗЧ с обратной связью
Д. ЛИТАВРИН, г. Березовский Кемеровской обл.
Оригинальные схемотехнические решения, предлагаемые автором, обеспечивают высокую точность и малую фазовую погрешность в рабочей полосе частот при компенсации ошибки (искажений, шумов и помех) в усилителе мощности (120 Вт) с глубокой ООС. Однако их реализация во многом зависит от оптимальности компоновки деталей и разводки проводников на платах усилителя как широкополосного устройства. Применение операционных усилителей радиочастотного диапазона и элементов поверхностного монтажа требует тщательности в раз-водке цепей общего провода и расположении узлов и деталей усилителя, поэтому автор предпочитает использовать в своих конструкциях макетные платы.
та статья продолжает тему по-Zf строения УМЗЧ с многоканальной усилительной структурой (МКУС), развернутую в [1—3], где изложены теоретические аспекты и обоснованы минимальные требования к параметрам УМЗЧ.
Описываемый здесь усилитель представляет собой более совершенную конструкцию по сравнению с версиями многоканальных УМЗЧ, представленных ранее, так как обладает крайне глубокой ООС, доводимой до 100 % на высоких частотах (выше 1 МГц). Совокупное усиление в его каналах — более 150 дБ на частоте 20 кГц, что позволяет получить во всей полосе звуковых частот очень низкий коэффициент нелинейных искажений — 0,0002 %. Но при этом схема усилителя не столь сложна и он вполне доступен для самостоятельной сборки.
Следует отметить, что идее многоканального усиления уже более полувека, однако о популярности ее говорить не приходится. Между тем применение многоканальной усилительной структуры позволяет резко улучшить ряд важных параметров УМЗЧ.
Основным критерием оценки качества действия ООС и влияния ее на параметры усилительных каскадов и УМЗЧ в целом следует считать параметр время реакции петли ООС (ВРП ООС [1]), обозначим его Т3; ему соответствует обратный параметр частота замыкания петли ООС (ЧЗП ООС) — Р3ам = 1 Аз- Как отмечено в первой публикации автора [1], ВРП должно быть крайне малым, поэтому значение F3aM получается предельно высоким. Это необходимо для обеспечения высоких перегрузочных характеристик каскадов в широкой полосе частот до близких к ЧЗП ООС [2]. В этом случае на частотах, близких к F3aM, уровни сигналов и помех весьма малы (глубина ОС или возвратная разность Аоос=1+РА). При увеличении времени реакции (понижении F3aM) действие петли ООС, как правило, приобретает прерывистый характер, что обусловлено размыканием петли обратной связи в нелинейных динамических режимах. В свою очередь, это приводит к значительным ошибкам в системе авторегулирования с обратной связью. Это создает условия для резкого расширения спектра искажений, лавинного роста интермодуляции высоких порядков [1] и шумоподобной интермодуляции [2], а также проявления джит-тероподобных искажений [1].
Как отмечено выше, ВРП должно быть крайне малым, что необходимо для корректного действия ООС. Однако понятно, что в реальных усилителях время реакции принимает конкретное значение; например, Тз=10нс (Fзам = 1/10 нс = 100 МГц) — это много или мало? При ЧЗП, равной 100 МГц, для сигнала частотой 1 кГц получим очень высокую точность; для сигнала частотой 1 МГц она существенно ниже в части компенсации искажений, шумов и помех. Соответственно оценивать качество действия ООС для определенного сигнала надо на основе отношения частоты замыкания петли (Fзам) к частоте этого сигнала.
Основным критерием эффективности следует считать охват усилителя (или каскадов) глубокой стопроцентной ООС на ВЧ [2] — выше полосы 34. Большой запас усиления внутри петли — необходимое условие для обеспечения перегрузочных и ультралинейных характеристик усилителя (или каскадов) в широкой полосе частот. Особенно эффективна стопроцентная ООС при большом запасе усиления в инвертирующих усилителях (каскадах), так как фактически поднимает петлевое усиление в контуре обратной связи: на ВЧ коэффициент усиления каскадов уменьшается, а запас усиления внутри петли сохраняется. При этом искажения снижаются как бы дважды: из-за снижения уровня ВЧ сигнала (зависимость близка к кубической [1 ]) и роста коэффициента передачи в цепи обратной связи.
Здесь необходимо обратить внимание на следующий негативный фактор. Введение общей стопроцентной обратной связи на ВЧ фактически соединяет вход усилителя (каскада) с его выходом, что нередко используется в схемотехнике усилителей и интеграторов. Тогда паразитные продукты — искажения, шум, помехи — попадают на вход усилителя (каскада). Если они возникают в полосе действия ООС, то она подавляет (компенсирует) их, что, собственно, и является ее основной функцией. Если же это происходит за пределами полосы действия обратной связи (т. е. на частотах, близких к Fзам), то создаются условия для мультипликативности паразитных сигналов в УМЗЧ с соответствующими последствиями [2].
Отсюда следует вывод, что на частотах выше полосы эффективного действия ООС стопроцентная обратная связь ужесточает требования к перегрузочной способности каскадов, которая должна быть очень высокой, а усиление на этих частотах для всех каскадов — предельно низким [1]. Здесь следует обратить внимание на то, что стопроцентная ООС на ВЧ в инвертирующих усилителях (каскадах) обладает очень ценным свойством, фактически образуя фильтр низких частот.
Кратко следует коснуться и такого параметра, как скорость нарастания напряжения на выходе УМЗЧ. В усилителе с МКУС эта скорость относительно невысока, что обусловлено наличием в нем общей стопроцентной ООС на ВЧ [2].
Обычно считается, что этот параметр характеризует перегрузочные свойства выходного каскада усилителя, однако это не совсем корректно. Более правильно их следует оценивать на основе относительного коэффициента
Котн = Vоос откл / Vooс вкл
определяемого как отношение скорости нарастания выходного напряжения при отключенной цепи обратной связи к скорости нарастания выходного напряжения с включенной цепью обратной связи (для фиксированной амплитуды входного сигнала).
Так, например, радиочастотные ОУ, как правило, имеют достаточную перегрузочную способность выходного каскада и весьма высокую скорость нарастания выходного напряжения при отсутствии обратной связи. При охвате такого ОУ на ВЧ общей стопроцентной ООС получается снижение этой скорости, а коэффициент Котн возрастает. Для УМЗЧ, у которого отсутствует на ВЧ общая стопроцентная ООС, коэффициент Котн равен единице.
Несколько слов следует сказать и о таких характеристиках, как фазовая характеристика и фазовая задержка. Фаза — легко контролируемый и изменяемый параметр. Но стабильность фазовой характеристики усилителя обеспечивается устранением (подавлением) паразитных резонансных процессов и минимизацией ВРП.
Конечно, высокую перегрузочную способность каскадов можно получить, используя транзисторы в режиме с большим напряжением и током покоя. Не исключен такой режим и в выходном каскаде УМЗЧ, однако такой подход следует считать нерациональным. Достаточно получить высокую перегрузочную способность каскадов в полосе 34, достигая крайне малого ВРП и стопроцентной обратной связи на ВЧ; это эффективно компенсирует (подавляет) любые виды искажений.
Любой усилитель с ООС можно рассматривать как устройство "дискретного" действия. Соответственно, ВРП — это время между дискретными отсчетами сигнала, а ЧЗП — частота дискретизации. Снижение весовых значений между ближайшими отсчетами при уменьшении ВРП улучшает
точность и качество действия ООС. В соответствии с этим наличие какого-либо сигнала с частотой, равной или выше частоты дискретизации, недопустимо. В противном случае часть энергии ВЧ сигнала автоматически переносится в низкочастотную область, т. е. в звуковой спектр. Поэтому точность и качество действия ООС обеспечивают определенным ограничением полосы частот вход-. ного сигнала. Низкое значение Fзам (низкая частота дискретизации), особенно при форсировании усиления в полосе, близкой к этой частоте, и недостаточной перегрузочной способности, приводит, как правило, к трансформации типичных искажений в атипичные в виде продуктов интермодуляции высоких порядков [1], шумоподобной интермодуляции [2] и джиттероподобных искажений [1]). Именно атипичные искажения приводят
к потере прозрачности и увеличению жесткости звучания, ухудшению четкости локализации звуковых образов, примешивают к звенящим составляющим шипящие призвуки.
Для реализации крайне малого ВРП в УМЗЧ следует применять интегральные усилители СВЧ или КВЧ диапазона. Здесь очень эффективно использование и радиочастотных ОУ, которые скорректированы по частоте до единичного коэффициента усиления (Кус =1).
Вот эти исходные критерии и были заложены в основу проекта описываемого УМЗЧ.
Рассмотрим структурную схему на рис. 1,а трехканального инвертирующего усилителя, предложенную в [1, см. рис. 1]. Здесь DA1 — главный канал усилителя, обладающий приоритетом на замыкание петли ООС, а усилители DA2 и DA3 образуют дополнительные каналы, действующие по критерию подавления сигнала соответственно на входе и выходе DA1 [1]. Причем DA2 — прецизионный ОУ, используемый в малосигнальном режиме. Если мы упростим эту схему и исключим DA3, а также резисторы R3, R4, R7, получим структурную схему на рис. 1 ,б. Здесь появляется существенный недостаток — возможность прохождения нелинейного (предыскаженного) сигнала с выхода DA2 внутрь петли ООС через нелинейное входное сопротивление DA1. Влияние подобной нелинейности на характеристики УМЗЧ весьма мало, однако для сверхлинейного усилителя подобные проявления должны быть исключены полностью. Введение разделительного конденсатора на входе DA1, как показано на рис. 1,в, несколько улучшает характеристики усилителя, но в целом вопрос остается открытым.
Структура схемы усилителя на рис. 1,г фактически идентична приведенной на рис. 1 ,б, однако в ней имеются определенные отличия: в частности, каждый элемент петли ООС (R1, R2, С1) выполнен двойным, причем
R1.1 =R1.2; R2.1 =R2.2; C1.1 =C1.2.
При наличии перемычки а—б схема на рис. 1 ,г полностью идентична приведенной на рис. 1 ,б. Если же перемычку исключить, это не приведет к каким-либо существенным изменениям в работе усилителя, что обусловлено идентичностью цепей ООС. Однако ее удаление исключает попадание предыскаженного сигнала с выхода DA2 внутрь петли прецизионной ООС (R1.2, R2.2, С1.2), тем самым усилитель на рис. 1,д приобретает весьма ценное качество.
В целом соблюдать идентичность цепей ООС (R1.1 = R1.2; R2.1 = R2.2; С1.1 = С1.2) необязательно, но важно обеспечить идентичность коэффициента передачи этих цепей ООС. Это выполняется при условии пропорциональности (равенства отношений номиналов) элементов ООС:
R1.1/R1.2 = R2.1/R2.2 = C1.1/C1.2.
Дополнительный усилитель DA2 на рис. 1 ,д можно рассматривать как внешний селектор искажений, а саму структуру усилителя в целом как схему с многопетлевой ООС. Однако, независимо от трактовки, здесь важно выполнение условий, которые обеспечивают безукоризненное (высокоточное) действие ООС и всей усилительной структуры в целом. Это, повторим, — высокая перегрузочная способность главного канала (DA1), обусловленная крайне малым ВРП при широкой полосе действия ООС, которая выше диапазона 34 становится стопроцентной.
В качестве DA1 можно использовать любой усилитель, который соответствовал бы перечисленным условиям; причем его выходная мощность не имеет значения — он может быть как ОУ, так и мощным УМЗЧ. Этим требованиям удовлетворяют, например, версии многоканальных УМЗЧ [2, 3].
Как отмечено в [3], весьма привлекательно выглядит структура УМЗЧ, где мощный выходной каскад максимально упрощен, а применение крайне глубокой ООС позволяет получить весьма высокую линейность такого усилителя.
На основании перечисленных выше доводов и аргументов разработан вариант усилителя, схема которого представлена на рис. 2.
Краткие технические характеристики
Фактически этот усилитель представляет собой версию УМЗЧ [3] с дополнительным усилителем (DA2), корректирующим ошибку по входу [1]. Безусловно, таким же дополнительным усилителем может быть оснащен и вариант УМЗЧ [2]. В силу похожести функций, вновь введенные элементы сохраняют нумерацию главного канала, но начинаются с дополнительного префикса (индекса) цифры 1.
УМЗЧ по схеме, представленной на рис. 2, и УМЗЧ, описанные в [2, 3], имеют одинаковую структуру и построение общей ООС, показанную на рис. 3, и как следствие, характеризуются близкими параметрами: очень широкой полосой работы ООС (200 МГц), средней скоростью нарастания выходного напряжения, низкими значениями частоты единичного усиления (1 МГц) и частоты среза петли ООС. Полоса пропускания данного усилителя по уровню -3 дБ относительно невелика; его АЧХ и ФЧХ представлены соответственно на рис. 4,а, б.
В качестве главного канала УМЗЧ (DA1) применен радиочастотный ОУ AD8055AR с допустимым током нагрузки не менее 100 мА. Именно главный канал обладает приоритетом на замыкание петли ООС [1] и обеспечивает малое ВРП, равное времени задержки этим ОУ. В целом, УМЗЧ охвачен несколькими петлями обратной связи: общей прецизионной крайне глубокой стопроцентной ООС (1С1, 1R2) на ВЧ и местной глубокой стопроцентной (С1, R2) на ВЧ, а также местными ООС в выходном каскаде.
Дополнительный усилитель DA2 (аналогичного с DA1 типа) — это предварительный прецизионный усилитель, работающий в малосигнальном (статическом) режиме [1], который может быть реализован при условии большого запаса усиления внутри петли ООС главного канала (DA1), а также при равенстве коэффициентов передачи цепей ООС главного канала (С1, R2) и прецизионной ООС (1С1, 1R2). Для прецизионной работы ОУ DA2 важна правильность выполнения цепей общего провода ОП1 и ОП5. Выходной каскад ОУ DA2 паботяет в оежиме класса А с большим
током покоя (1R12). Делитель из резисторов R4 и 1R5 обеспечивает приоритет главного канала на замыкание петли ООС[1].
Следует отметить, что сам ОУ AD8055AR достаточно линейный даже на весьма высоких частотах. Например, на частоте 5 МГц искажения ОУ равны примерно 0,01 %. Некоторые технические характеристики этого ОУ приведены в [4].
Как сказано выше, описываемый в статье усилитель представляет собой версию УМЗЧ [3] с дополнительным усилителем (DA2), включенным по входу. Таким же дополнительным усилителем может быть оснащен и вариант УМЗЧ в [2]. Входные каскады этих УМЗЧ идентичны, там же подробно пояснена и работа их выходных каскадов. Кратко принцип работы УМЗЧ заключается в том, что сигнал объединяется на выходе сумматора (точка соединения элементов L2, С2, СЗ согласующего устройства) и далее приходит на выход УМЗЧ (верхний вывод L1). Именно к этой точке подключены две цепи ООС: общая прецизионная, крайне глубокая, стопроцентная на ВЧ (1С1, 1R2) и местная
главного канала (С1, R2). Дополнительный усилитель DA2 усиливает сигнал ошибки внутри прецизионной петли ООС и подает его на второй вход главного канала (вывод 3 DA1). Этот ОУ увеличивает запас усиления внутри петли ООС: на частотах до 40 кГц дополнительный прирост усиления достигает 55 дБ. В случае обрыва на выходе DA2 или исключении DA2 и элементов 1R1, 1С1, 1R2 усилитель автоматически превращается в вариант УМЗЧ [3].
ЛИТЕРАТУРА
(Окончание следует)