Механизм возникновения нелинейных искажений во всех узлах УМЗЧ достаточно полно изложен в книге популярного разработчика Дугласа Селфа [1]. В книге не только поставлен диагноз “болезней” отдельных узлов, но и расписаны многообразные методы их “лечения”.
Автор упомянул там о тепловых искажениях, но лишь только для того, чтобы развеять миф об их значимости, считая, что тепловые изменения в транзисторах происходят достаточно медленно, и с ними легко справляется общая отрицательная обратная связь (ОООС).
Однако фазовые искажения и механизм их возникновения автор вообще обошел стороной, как будто их и не существует. На самом деле именно фазовые искажения, которые не улавливаются обычными методами измерений, и приводят к различию в звучании усилителей с одинаковыми параметрами, но выполненных по различным схемам.
Пожалуй, только А.Лихницкий [2] попытался заострить внимание на этой проблеме, обнаружив с помощью детонометра в выходных сигналах различных усилителей искажения в виде “детонации” (до 0,6% и более), подавая комбинированный сигнал с частотами 20 Гц и 3150 Гц в соотношении 4:1. Достаточно сказать, что порог чувствительности слуха к “детонации” — около 0,06%.
Однако А.Лихницкий констатировал только сам факт “болезни”, т.е. поставил диагноз, а как ее лечить — ответа не дал. Для обеспечения устойчивой работы УМЗЧ используются разные методы коррекции АЧХ, чтобы обеспечить возле частоты единичного усиления наклон АЧХ 6 дБ/окт и определенный запас по фазе (обычно в пределах 10…30°).
Например, Дуглас Селф считает, что не важно, какую полосу имеет исходный, не охваченный ООС усилитель звука, а важно, чтобы на частоте 20 кГц был достаточный запас усиления (не менее 30 дБ). При этом ничего не упоминается о фазе сигнала. А ведь усилители, имеющие одинаковые выходные каскады (основные источники искажений) и одинаковый запас по усилению на частоте 20 кГц, могут иметь отличия в уровнях искажений на этой частоте в 10 и более раз, хотя на частоте 1 кГц искажения у них равны.
И связано это, в первую очередь, с фазовой характеристикой, которая, в свою очередь, связана с коррекцией АЧХ. Подавляющее большинство УМЗЧ скорректировано с помощью конденсаторов, включенных между входом и выходом усилителя напряжения (УН), т.е. между базой (затвором) и коллектором (стоком) транзистора, работающего в УН.
При разомкнутой петле ООС полоса воспроизводимых частот различных УМЗЧ колеблется от сотен герц до десятков килогерц (у многих операционных усилителей, построенных по аналогичной схемотехнике, полоса без ООС ограничивается вообще на частоте 10 Гц). Эта полоса, к тому же, очень сильно зависит от нагрузки УН.
С уменьшением сопротивления нагрузки снижается общий коэффициент усиления в полосе пропускания, соответственно, уменьшается емкость Миллера, и полоса пропускания автоматически расширяется, но с соответствующими фазовыми сдвигами (напомню, что на частоте среза фильтра первого порядка поворот фазы равен 45°).
Сопротивление нагрузки усилителя напряжения, т.е. входное сопротивление выходного каскада (ВК) в виде “двойки” Дарлингтона, может изменяться, в зависимости от амплитуды выходного сигнала, от 4…10 кОм до 80.. .85 кОм при нагрузке 8 Ом и снижается в 2 раза при нагрузке 4 Ом [1]. При работе на реальную нагрузку ток нагрузки может возрастать на отдельных фрагментах реального сигнала в 6…8 раз, что во столько же раз снижает и входное сопротивление усилителя.
У УМЗЧ с низкой частотой первого полюса, например, 1 кГц. “фазовые дрожания” при изменении нагрузки будут проявляться, начиная с частоты в несколько раз ниже, и простираться до 20 кГц и выше, а это — область наибольшей чувствительности слуха. Отсюда понятно, почему в более выгодном положении оказываются усилители с хорошей нагрузочной способностью ВК, например, “тройка” Дарлингтона, ее аналоги или схема Шиклаи, да еще со спаренными выходными транзисторами.
Для тех, кому не нравится “тройка” Дарлингтона, в [1] есть очень удачный пример стабилизации нагрузки УН с помощью эмиттерного повторителя с генератором тока (20…30 мА) в цепи эмиттера. Такой вариант (рис.1), на мой взгляд, даже предпочтительнее “тройки” и годится как для несимметричных, так и для “зеркальных” схем. Проведем исследования популярной схемы усилителя Ланзар.
Такого рода исследования затруднительно провести на реальном усилителе, так как любое подключение измерительных приборов на вход УН приведет к изменению его характеристик. Но это безболезненно можно сделать с помощью современных средств моделирования. Для упрощения схемы возьмем вариант без генераторов тока в дифференциальном каскаде, а для повышения нагрузочной способности спарим выходные транзисторы (рис.2).
Сразу оговорюсь, что для выявления фазовых искажений, связанных с нагревом транзисторов, усилитель моделировался при изменении коэффициента передачи тока транзисторов до 80% (по данным [2] — достаточно 50%), но такого существенного влияния на характеристики, как при изменении нагрузки ВК, обнаружено не было.
Поэтому для упрощения эксперимента ограничимся изменением только сопротивления нагрузки в пределах от 8 до 1 Ом и будем наблюдать АЧХ и ФЧХ на входе УН и на выходе усилителя.
Для начала снимем характеристики УМЗЧ с разомкнутой цепью ООС (рис.3). Конденсатор фильтра НЧ С7 (рис.2) отключаем, правый по схеме вывод резистора R12 отсоединяем от выхода и подключаем к общему проводу.
Из рис.3 видно, что максимальное усиление УМЗЧ составляет 79 дБ с девиацией 10 дБ (5 раз) при изменении нагрузки. При этом полоса пропускания изменяется с 2 кГц до 10 кГц (также в 5 раз). Усиление на частоте 20 кГц — 64 дБ. Усиление дифференциального каскада (ДК) составляет 10 дБ. Таким образом, усиление УН около 70 дБ (79-10=69), т.е 3000 раз. При этом емкость Миллера определяется из выражения: См =(Ск+Сбк)*Ku =(33 + 2)-3000 = 105000 (пФ) = 0,105 (мкФ).
Эта емкость, будучи подключенной параллельно нагрузке ДК (R3 и параллельно ему входное сопротивление УН), определяет частоту первого полюса:
“Дрожание амплитуды” на входе УН зависит от частоты и колеблется от 2 дБ на низких и средних частотах до 8 дБ на частоте 20 кГц. “Дрожание фазы” сигнала в обеих контролируемых точках начинается уже с нескольких сотен герц и достигает максимума (до 25°) на частотах 2…20 кГц — в области наибольшей чувствительности слуха.
Теперь посмотрим, как ведет себя схема с замкнутой ООС (рис.4). Из этого рисунка видно, что коэффициент усиления УМЗЧ в данном случае — 29 дБ при полосе пропускания 1,5 МГц. Глубина ООС на частоте 1 кГц — 79-29=50 (дБ), а на частоте 20 кГц—64-29=35 (дБ). Коэффициент нелинейных искажений (Кни) при амлитудном значении выходного напряжения (30 В) на частоте 1 кГц — 0,01 %, а на частоте 20 кГц — 0,04%. что является хорошим показателем качества.
Фазовая характеристика всего усилителя линейна практически до 20 кГц, но на входе УН “дрожание фазы” осталось практически на прежнем уровне, а “дрожание амплитуды” значительно возросло во всем диапазоне звуковых частот (на частоте 20 кГц —15 дБ, что очень много). Мне могут возразить, что на выходе-то все в порядке. Но дело в том, что на реальном сигнале, далеком от синусоиды, совместное “дрожание” амплитуды и фазы может приводить к искажениям огибающей сигналов.
Доработаем наш экспериментальный усилитель, добавив буферный каскад в соответствии с рис. 1. Параллельно входу эмиттерного повторителя включим резистор R30 такой величины (рис.5), чтобы сохранить усиление, а соответственно, и частоту первого полюса, как в исходном усилителе (79 дБ и 2 кГц). Тогда по глубине ООС усилители будут в равных условиях. Снова снимем характеристики: на рис.6—АЧХ и ФЧХ усилителя с разомкнутой цепью ООС. на рис.7 — с замкнутой.
Как видно из рисунков, “дрожания” амплитуды и фазы существенно снизились. Проверим искажения усилителя. Оказывается, и искажения при той же глубине ООС снизились, на частоте 1 кГц — до 0,002% (в 5 раз!), а на частоте 20 кГц — до 0,02% (в 2 раза). Так как глубина ООС на частоте 20 кГц на 15 дБ (в 5 раз) меньше (50-35=15 дБ), то теоретически искажения на частоте 20 Гц должны быть в 5 раз больше, чем на частоте 1 кГц и составлять 0,01%.
Присмотримся к графику фазовой характеристики на входе УН (на выходе ДК) при замкнутой цепи ООС (рис.7). Мы видим отклонение фазы на частоте 20 кГц до 8°. Предположим, это является причиной повышенных искажений по сравнению с расчетным значением и попытаемся выровнять фазу с помощью несложного приема из [1].
Усложним цепь коррекции, добавив еще одну RC-цепочку R31-C7 (рис.8) Она уменьшает ООС до частоты f=1/2πRC=700 (кГц) с одновременным вращением фазы. Емкость дополнительного конденсатора (С7) рекомендуется выбирать в 3…5 раз больше основного. Проверим изменение характеристик усилителя после доработки (рис.9). Как видно, протяженность линейного участка фазовой характеристики на входе УН протянулась выше 100 кГц
(расширилась более чем в 10 раз!) и, что немаловажно, увеличился запас по фазе. Искажения на частоте 20 кГц снизились до 0.005%. причем в спектре частот наблюдается преимущественно 3-я гармоника, поскольку сказывается большая амплитуда сигнала, близкая к ограничению.
Вот теперь можно собирать действующий макет усилителя или дорабатывать имеющиися аналог и слушать.
Подведем итоги:
- Так как фазовый сдвиг фильтра первого порядка достигает на частоте среза 45°, а сам сдвиг начинается и того раньше, то, начиная с этой области частот и возникают фазовые искажения в усилителях с нестабильным сопротивлением нагрузки УН. С этой точки зрения в более выгодном положении оказываются усилители с частотой первого полюса за полосой звукового диапазона, т.е. выше 20 кГц.
- Стабильная нагрузка УН способствует минимизации фазовых искажений. Для этой цели часто используют резисторы сопротивлением от 6,8 до 150 кОм, подключенные параллельно входам выходного каскада. Помимо стабилизации нагрузки, эти резисторы повышают и частоту первого полюса. Во избежание роста нелинейных искажений из-за уменьшения глубины ООС на частоте 20 кГц, повышать частоту первого полюса выше 10…20 кГц таким способом не рекомендуется.
- ВК со стабильным входным сопротивлением и высокой нагрузочной способностью — гарант минимальных фазовых искажений, независимо от частоты первого полюса. Как правило, это усилители с “тройкой” Дарлингтона или ее эквивалентом (техкаскадный ВК со схемой Шиклаи). С такими ВК стабилизация входного сопротивления возможна на более высоких уровнях (100 кОм и более), что спосбствует увеличению коэффициента усиления УН и, в конечном итоге, дальнейшему снижению нелинейных искажений.
- Оптимальная фазовая коррекция способствует снижению не только фазовых, но и нелинейных искажений, особенно на высоких частотах.
- Для стабилизации нагрузки усилителя на высоких частотах (выше 100 кГц) и повышения таким образом их устойчивости последовательно с выходом часто включают дроссели индуктивностью 1…10 мкГн, зашунтированные сопротивлением 10 ..20 Ом. Для большинства схем эти дроссели действительно стабилизируют нагрузку усилителя и выравнивают АЧХ и ФЧХ, вплоть до частоты единичного усиления. Однако ряд схем усилителей оказывается критичным к этим индуктивностям, и с дросселем появляются дополнительные зоны повышенного “дрожания” фазы в звуковом диапазоне.
