Улучшение параметров усилителя на К174УН7
Непрерывно расширяющийся ассортимент специализированных микросхем, казалось бы, должен ограничить творчество радиолюбителей. Действительно, такие микросхемы обычно ориентированы их разработчиками на решение в радиоэлектронной аппаратуре одной конкретной задачи или, в лучшем случае, узкого круга задач. Вот почему радиолюбителям и радиоконструкторам вроде бы остаются лишь творческие "игры в кубики" - комбинировать узлы на микросхемах, собранные по типовым схемам включения.
Однако дух рубрики "Радиолюбитель ставит эксперимент", которая когда-то более или менее регулярно появлялась на страницах нашего журнала, не умирает в сердцах наших читателей. Свидетельство тому - публикуемая здесь статья В. Громова и А. Радомского, на которую, как нам кажется, должны обратить внимание не только радиолюбители, но и профессионалы - как разработчики аппаратуры, так и создатели микросхем. Мы ждем их откликов на ту публикацию - ведь микросхема К174УН7 весьма широко применяется в бытовой радиоаппаратуре.
Ну, а ко всем читателям обращаемся с предложением - вести эксперименты как по совершенствованию типовых схем включения специализированных ИМС, так и по их использованию в нетиповых схемах включения (реализация новых функций и т. д.). Однако, получив интересный положительный эффект, не торопитесь писать в редакцию: проверьте его воспроизводимость на нескольких экземплярах микросхем.
В настоящее время усилители мощности звуковой частоты (УМЗЧ) малогабаритной радиоаппаратуры довольно часто строят на основе специализированной интегральной микросхемы (ИС) К174УН7 [1 ]. Однако ее применение, без сомнения, было бы еще более широким, если бы не большие нелинейные искажения (в типовом включении - до 10 % при выходной мощности 4,5 Вт на частоте 1 кГц и напряжении питания 15 В) и недостаточно высокое в некоторых случаях входное сопротивление (50 кОм). Не удивительно поэтому, что радиолюбители ищут пути снижения нелинейных искажений, предлагая, например, заменить цепь вольтодобавки стабилизатором тока на полевом транзисторе [2]. К сожалению, проверка рекомендаций, предложенных в [2], показала, что их реализация ведет не столько к уменьшению искажений, сколько к снижению максимальной мощности, отдаваемой в нагрузку.
При испытаниях нескольких экземпляров ИС К 174УН7 выяснилось, что наиболее характерные искажения ее выходного напряжения проявляются в "скруглении" или явном ограничении отрицательного полупериода сигнала. В связи с этим была проверена эффективность такой меры, как применяемая в некоторых промышленных аппаратах регулировка режима ИС по постоянному току подачей на ее вывод 7 (через резистор сопротивлением 3...6,8 кОм) напряжения с регулируемого делителя. Проверка показала, что и эта мера практически не снижает коэффициента гармоник и не увеличивает неискаженного выходного напряжения, а лишь позволяет добиться симметричного его ограничения.
Вариант УМЗЧ, собранный по схеме на рис. 1, обладает значительно лучшими характеристиками, чем типовой на указанной ИС. Одно из его отличий от типового - дополнительная ООС через резистор R6.
Подключение последнего непосредственно к головке громкоговорителя уменьшает неравномерность АЧХ и нелинейные искажения, обусловленные наличием конденсатора С9. При сопротивлении резистора R6, указанном на схеме, напряжении питания 15 В и выходной мощности 4 Вт (на нагрузке сопротивлением 4 Ом) номинальное входное напряжение устройства - 120 мВ.
Кроме того, для сокращения числа номиналов емкость оксидного конденсатора С3 в цепи ООС уменьшена до 100 мкф (неравномерность АЧХ в диапазоне частот 40...20 000 Гц при этом не превышает 0,4 дБ).
Главное же отличие этого УМЗЧ - в сопротивлении резистора R2 (в типовом включении ИС оно равно 47 кОм). В ходе экспериментов было замечено, что этот резистор очень существенно влияет на искажения и его подбором можно значительно увеличить выходное напряжение УМЗЧ. (Из десяти испытанных ИС только две не потребовали подбора резистора R2, т. е. изменения его сопротивления относительно типового; сопротивление резисторов для остальных ИС колебалось в пределах 0,1...1 МОм).
На рис. 2 показана зависимость максимальной выходной мощности Рmax и коэффициента гармоник Кг от напряжения питания Uпит (искажения измерялись при Рmax, соответствующей данному напряжению Uпит). Параметры оценивались на частоте 1 кГц при двух значениях сопротивления резистора R2: типовом (47 кОм) и оптимизированном по максимальной мощности (750 кОм). Мощность Pmax определялась максимальным выходным напряжением, на осциллограмме которого искажения еще не были заметны на глаз (каковы были эти искажения в действительности, показывают кривые Кг).
Как видно из рис. 2,при Uпит=15 В подбором резистора R2 удалось увеличить Рmax на 1,5 Вт при одновременном снижении коэффициента гармоник почти в 3,5 раза, а при Uпит=18 В - примерно на 3 Вт при снижении К,. почти втрое. (Очевидно, что при одинаковых искажениях выигрыш в мощности Рmax был бы еще больше). Полученный результат говорит сам за себя, если учесть, что испытанная ИС была вполне кондиционной: при Uпит=15 В, R2=47 кОм и выходной мощности Рвых=4,5 Вт ее коэффициент гармоник не превышал 7,2 % (после подбора резистора R2 он уменьшился до 1,1 %).
Зависимости Рmax (Uпит) и Кг (Uпит) УМЗЧ с оптимизированным сопротивлением резистора R2 (750 кОм) были сняты также на частотах 60 Гц и 5 кГц (рис. 3). Уменьшение Рmax на низших частотах обусловлено влиянием емкости конденсатора С9 (1000 мкФ). При сопротивлении нагрузки Rн=4 Ом его емкость желательно увеличить хотя бы до 2000 мкф.
Кривые, изображенные на рис. 4, иллюстрируют зависимость КПД и тока покоя Iо от напряжения питания Uпит при тех же двух сопротивлениях резистора R2. Нетрудно видеть, что при R2=750 кОм повышается и КПД, причем ощутимый выигрыш получается при Uпит>10 В.
Для выявления реальной зависимости коэффициента гармоник Кг от уровня выходной мощности Рвых экземпляр ИС со средними параметрами был испытан при Uпит=15 В, Rн=4 Ом, С9==4000 мкФ и R2=R2опт=510 ком (рис. 5). Как видно, при Рвых=4 Вт коэффициент гармоник УМЗЧ, собранного на этом экземпляре ИС по схеме на рис. 1, в диапазоне частот 60...10 000 Гц не превышает 3 %.
Входное сопротивление самой ИС К174УН7 было рассчитано по результатам измерения входного сопротивления УМЗЧ (при отключенном регуляторе громкости), выполненного на экземпляре, для которого R2опт=750 кОм. Оказалось, что в диапазоне частот 50...15 000 Гц входное сопротивление ИС превышает 30 МОм. Иначе говоря, входное сопротивление УМЗЧ практически равно сопротивлению резистора R2 и при необходимости может быть значительно больше 50 кОм.
При конструировании стереофонического УМЗЧ может случиться, что оптимальные сопротивления резисторов R2 в левом и правом каналах окажутся разными. Для получения идентичных АЧХ выходное сопротивление предшествующего каскада в этом случае должно быть меньше сопротивления резистора R2, а емкость разделительного конденсатора С2 - такой, чтобы в канале с меньшим сопротивлением резистора не наблюдался заметный спад АЧХ на низших частотах (в большинстве случаев достаточно взять С2==0,47...1 мкФ).
УМЗЧ хорошо работает при питании от нестабилизированного источника, однако, если главным является получение максимальной выходной мощности и соответственно минимальных искажений при средней, необходимо использовать стабилизатор с выходным напряжением 17...18 В.
Следует учесть, что при работе с повышенной (до 5...6 Вт) выходной мощностью нужно обеспечить хороший отвод тепла от ИС, приняв необходимые в таких случаях меры по снижению теплового сопротивления между ее пластинами и теплоотводом. Весьма ценно то, что поскольку потенциал пластин ИС (относительно общего провода) близок, к 0, в качестве общего теплоотвода без изолирующих прокладок можно использовать металлическое шасси или другие металлические детали конструкции, соединенные с общим (минусовым) проводом и обеспечивающие эффективное рассеяние тепла.
ЛИТЕРАТУРА
1. Интегральные схемы: Справочник Б. В. Тарабрин, Л. Ф. Лунин, Ю. И. Смирнов и др.; под ред. Б. В. Тарабрина.- М.: Радио и связь, 1983.
2. Филин С. Снижение искажений в усилителях мощности на ИМС.- Радио, 1981, № 12, с. 40.