Как улучшить усилитель звука

Как улучшить усилитель звука

Большинство современных транзисторных усилителей звуковой частоты построены по традиционной схеме: за входным дифференциальным каскадом следует усилитель напряжения и выходной двухтактный бестрансформаторный каскад с последовательным питанием транзисторов по постоянному току, двуполярным источником питания и непосредственным, без переходного конденсатора, подключением нагрузки (рис. 1).

Рисунок 1. Традиционная схема звукового усилителя мощности на биполярных транзисторах

На первый взгляд, все это традиционно и хорошо известно. Однако каждый усилитель звучит по-своему. В чем же дело? А дело все в схемотехнических решениях отдельных каскадов, качестве применяемой элементарной базы, выборе режимов активных элементов, конструктивных решениях аппаратов. Но все по порядку.

Входной каскад

Хорошо известный дифференциальный каскад на самом деле не так прост, как кажется на первый взгляд. От его качества во многом зависят такие параметры усилителя, как отношение сигнал/шум и скорость нарастания выходного напряжения, а также напряжение смещения “нуля” и температурная стабильность усилителя.

Требования к дифференциальному каскаду определяются видом отрицательной обратной связи (ООС), охватывающей весь усилитель. При сравнении неинвертирующего, с последовательной ООС (рис. 2) и инвертирующего, с параллельной ООС (рис. 3) усилителей, преимущества по линейности оказываются на стороне последнего. Дело в том, что при достаточно большом коэффициенте усиления усилителя без ООС напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах практически одинаковы. Например, если на неинвертирующий вход неинвертирующего усилителя поступает сигнал напряжением 1 В, то такое же напряжение будет на его инвертирующем входе. Другими словами, на входах усилителя присутствует переменное синфазное напряжение амплитудой 1,4 В. Легко заметить, что напряжения коллектор– эмиттер транзисторов входного дифференциального каскада будут при этом колебаться с размахом 2,8 В. Такая паразитная модуляция приводит к нелинейному изменению параметров транзисторов в такт с входным сигналом. Это влечет за собой увеличение искажений, в первую очередь интермодуляционных, крайне отрицательно влияющих на качество звука. В инвертирующем усилителе синфазная составляющая практически равна нулю и вышеуказанные искажения не возникают.

Отсюда первый вывод: переход от неинвертирующего включения к инвертирующему существенно повышает качество звучания усилителя. Осуществить такой переход на практике в готовом устройстве довольно легко. Для этого достаточно подать сигнал с входных разъемов на конденсатор С2, предварительно отсоединив его от шины нулевого потенциала усилителя, и удалить конденсатор С1.

Рисунок 2. Схема неинвертирующего усилителя

Рисунок 3. Схема инвертирующего усилителя

Входное сопротивление инвертирующего усилителя практически равно сопротивлению резистора R2. Это намного меньше, чем входное сопротивление неинвертирующего усилителя, которое определяется резистором R1. Поэтому чтобы сохранить неизменной АЧХ в области низких частот, в ряде случаев требуется увеличить емкость конденсатора С2, которая должна быть во столько раз больше емкости конденсатора С1, во сколько сопротивление резистора R1 больше сопротивления резистора R2. Кроме того, для сохранения неизменным коэффициента усиления всего устройства придется подобрать резистор R3 в цепи ООС, т.к. коэффициент усиления инвертирующего усилителя К = R3/R2, а неинвертирующего К = 1 + R3/R2. При этом для минимизации напряжения смещения нуля на выходе резистор R1 необходимо подобрать с тем же сопротивлением, что у вновь установленного резистора R3.

Если все же необходимо сохранить неинвертирующее включение первого каскада, но при этом устранить влияние синфазных искажений, следует повысить выходное сопротивление источника тока, заменив резистор R7 в эмиттерных цепях дифференциального каскада на транзисторный источник стабильного тока (рис. 4). Если такой источник в усилителе уже имеется, повысить его выходное сопротивление можно, увеличив номинал резистора R14 в эмиттере транзистора VT8. При этом для сохранения неизменной величины тока через этот транзистор следует увеличить опорное напряжение на его базе, например, заменив стабилитрон VD1 на другой, с более высоким напряжением стабилизации.

Рисунок 4. Схема источника стабильного тока

Весьма эффективным путем снижения искажений усилителя является использование в дифференциальном каскаде однотипных транзисторов, предварительно подобранных по статическому коэффициенту усиления и напряжению база – эмиттер.

Такой способ неприемлем при серийном производстве усилителей, но вполне подходит при модернизации единичных экземпляров готовых устройств. Отличные результаты дает установка в дифференциальном каскаде транзисторной сборки из двух транзисторов, выполненных в едином технологическом процессе на одном кристалле и поэтому имеющих близкие значения вышеуказанных параметров.

Снижению искажений способствует также введение в первый каскад усилителя местной отрицательной обратной связи по току посредством установки в цепях эмиттеров транзисторов VT1, VT2 резисторов с сопротивлением до 100 Ом (R9, R10). При этом может потребоваться некоторая корректировка сопротивления резистора R3 в цепи ООС.

Разумеется, этим не исчерпываются все способы модернизации входного дифференциального каскада. Возможна также установка вместо однотранзисторного двухтранзисторного источника тока с рекордными показателями выходного сопротивления, введение так называемого токового зеркала в усилителях с несимметричным съемом сигнала с первого каскада на каскад усиления напряжения, включение каждого из транзисторов по каскодной схеме и т.д. Однако такие переделки трудоемки и не всегда конструкция усилителя позволяет их выполнить.

Выходной каскад

Выходной каскад является основным источником искажений в любом усилителе мощности. Его задачей является формирование неискаженного сигнала требуемой амплитуды в рабочем диапазоне частот на низкоомной нагрузке.

Рассмотрим традиционный каскад на комплементарных парах биполярных транзисторов, включенных по схеме двухтактного эмиттерного повторителя. У биполярных транзисторов существует емкость p-n-перехода эмиттер– база, которая может достигать величины десятых и сотых долей микрофарады. Величина этой емкости влияет на граничную частоту транзисторов. При подаче на вход каскада положительной полуволны сигнала работает верхнее плечо двухтактного каскада (VT4, VT6). Транзистор VТ4 включен по схеме с общим коллектором и имеет малое выходное сопротивление, поэтому протекающий через него ток быстро заряжает входную емкость транзистора VT6 и открывает его. После изменения полярности входного напряжения включается нижнее плечо выходного каскада, а верхнее выключается. Транзистор VТ6 закрывается. Но чтобы полностью закрыть транзистор, необходимо разрядить его входную емкость. Разряжается она, в основном, через резисторы R5 и R6, причем относительно медленно. К моменту включения нижнего плеча выходного каскада полностью разрядиться эта емкость не успевает, поэтому транзистор VТ6 полностью не закрывается, и через транзистор VТ7, помимо своего, протекает коллекторный ток транзистора VТ6. В результате из-за возникновения сквозного тока на высоких частотах при большой скорости переключения не только повышается рассеиваемая транзисторами мощность и падает КПД, но и растут искажения сигнала. Простейший способ устранения описанного недостатка – уменьшение сопротивления резисторов R5 и R6. Однако при этом возрастает мощность, рассеиваемая на транзисторах VТ4 и VТ5. Более рациональный способ уменьшить искажения – изменить схему выходного каскада усилителя таким образом, чтобы форсировать рассасывание избыточного заряда (рис. 5). Этого можно добиться с помощью подключения резистора R5 к эмиттеру транзистора VТ5.

Рисунок 5. Схема выходных каскадов усилителя

В случае высокого выходного сопротивления предоконечного каскада избыточный заряд может накапливаться и на базах транзисторов VT4 и VT5. Для устранения этого явления необходимо соединить базы этих транзисторов с точкой нулевого потенциала усилителя через резисторы R11 и R12 с номиналами 10…24 кОм.

Описанные меры достаточно эффективны. По сравнению с типовым включением, скорость убывания коллекторного тока в выходном каскаде после описанных переделок оказывается приблизительно в четыре раза больше, а искажение на частоте 20 кГц – примерно втрое меньше.

Очень важное значение с точки зрения вносимых искажений имеет предельная граничная частота используемых транзисторов, а также зависимость их статического коэффициента усиления по току и граничной частоты от тока эмиттера. Поэтому дальнейшего улучшения качественных показателей усилителей с выходным каскадом на биполярных транзисторах можно достичь путем замены выходных транзисторов на более высокочастотные с меньшей зависимостью коэффициента усиления от тока эмиттера. В качестве таких транзисторов можно порекомендовать комплементарные пары 2SA1302 и 2SC3281; 2SA1215 и 2SC2921; 2SA1216 и 2SC2922. Все транзисторы производства фирмы Toshiba в корпусах ТО-247.

В значительной степени на качество звучания усилителя влияет его способность работать на низкоомную нагрузку, т.е. отдавать в нагрузку максимальный ток сигнала без искажений.

Известно, что любая акустическая система (сокращенно АС) характеризуется модулем выходного комплексного сопротивления Z. Обычно величина этого сопротивления указывается в паспортах серийных АС бытового назначения и составляет 4 или 8 Ом. Однако это верно только на какой-то одной частоте, обычно на 1 кГц. В диапазоне же рабочих частот модуль комплексного сопротивления изменяется в несколько раз и может уменьшаться до 1…2 Ом. Другими словами, для непериодических импульсных сигналов с широким спектром, к которым относится музыкальный сигнал, АС представляет для усилителя низкоомную нагрузку, с которой многие из серийных усилителей просто не справляются.

Поэтому наиболее эффективным способом улучшения качественных показателей выходного каскада при работе на реальную комплексную нагрузку является увеличение количества транзисторов в плечах двухтактного усилителя. Это позволяет не только повысить надежность усилителя, так как расширяется область безопасной работы каждого транзистора, но, самое главное, снизить искажения за счет перераспределения коллекторных токов между транзисторами. В этом случае сужается диапазон изменения тока коллектора и, соответственно, коэффициента усиления, что приводит к уменьшению искажений на низкоомной нагрузке, разумеется, при соблюдении определенных требований к источнику питания.

Совсем радикальным способом, позволяющим коренным образом улучшить звучание усилителя, является замена биполярных транзисторов в выходном каскаде на полевые с изолированным затвором (MOSFET).

Рисунок 6. Схема выходного каскада усилителя на полевых транзисторах

По сравнению с биполярными MOSFET выгодно отличаются лучшей линейностью проходных характеристик и существенно более высоким быстродействием, т.е. лучшими частотными свойствами. Эти особенности полевых транзисторов в случае их применения позволяют относительно простыми средствами доводить параметры и качество звучания модернизируемого усилителя до самого высокого уровня, что неоднократно подтверждено на практике. Улучшению линейности выходного каскада способствует и такая особенность полевых транзисторов, как высокое входное сопротивление, что позволяет обойтись без предоконечного каскада, выполняемого обычно по схеме Дарлингтона, и дополнительно снизить искажения, сократив путь сигнала.

Отсутствие явления вторичного теплового пробоя у полевых транзисторов расширяет область безопасной работы выходного каскада и тем самым позволяет повысить надежность работы усилителя в целом, а также в некоторых случаях упростить цепи температурной стабилизации тока покоя.

Разумеется, установка полевых транзисторов вместо биполярных требует некоторой модернизации цепей начального смещения транзисторов выходного каскада. Такая модернизация сводится к замене номиналов резисторов R17…R19. Это необходимо из-за существенно большей величины отпирающего напряжения на затворе полевого транзистора по сравнению с отпирающим напряжением на базе биполярного транзистора. Требуется также коррекция тока покоя предвыходного каскада, который должен иметь достаточную величину для быстрой перезарядки больших входных емкостей MOSFET, существенно больших, чем у биполярных транзисторов. Величина тока 10 мA обычно достаточна для практических целей. В некоторых случаях при увеличении заданного производителем усилителя тока покоя потребуется установка дополнительных радиаторов на транзисторы предвыходного каскада. Кроме того, необходимо установить антипаразитные резисторы сопротивлением 200…470 Ом в цепи затворов каждого полевого транзистора. Без этих резисторов или при их меньшей величине усилитель самовозбуждается. В качестве транзисторов выходного каскада можно рекомендовать комплементарные пары IRFP240, IRFP9240 фирмы InternationalRectifier и 2SK1530, 2SJ201 в корпусах ТО-247 фирмы Toshiba.

И последнее. Для повышения надежности усилителя не лишним будет установка защитных стабилитронов VD3, VD4 с напряжением стабилизации 10…15 В в цепи затворов транзисторов. Эти стабилитроны будут защищать от пробоя затвор, величина обратного пробивного напряжения которого обычно не превышает 20 В.

При анализе цепей установки начального смещения выходного каскада любого усилителя следует обратить внимание на два момента.

Первый момент связан с тем, какой начальный ток покоя установлен. Многие зарубежные производители устанавливают его в пределах 20…30 мА, что явно недостаточно с точки зрения высококачественного звучания на малых уровнях громкости. Хотя видимые искажения типа “ступенька” в выходном сигнале отсутствуют, недостаточная величина тока покоя приводит к ухудшению частотных свойств транзисторов, и как следствие, к неразборчивому, “грязному” звучанию на малых уровнях громкости, “замазыванию” мелких деталей. Оптимальной величиной тока покоя следует считать 50…100 мA. Если в усилителе установлено несколько транзисторов в плече, то эта величина относится к каждому транзистору. В подавляющем большинстве случаев площадь радиаторов усилителя позволяет долговременно отводить от выходных транзисторов тепло при рекомендованной величине тока покоя.

Второй, очень важный момент состоит в том, что нередко применяемый в классической схеме установки и термостабилизации тока покоя высокочастотный транзистор возбуждается на высоких частотах, причем его возбуждение очень сложно обнаружить. Поэтому желательно использовать вместо него низкочастотный транзистор с f_т В любом случае замена этого транзистора на низкочастотный гарантирует от неприятностей. Устранить динамическое изменение напряжения помогает и включение между коллектором и базой конденсатора С4 емкостью до 0,1 мкФ.

Частотная коррекция усилителей мощности

Важнейшим условием обеспечения высококачественного звуковоспроизведения является снижение до возможного минимума динамических искажений транзисторного усилителя. В усилителях с глубокой ООС этого можно достичь, уделив серьезное внимание частотной коррекции. Как известно, реальный звуковой сигнал имеет импульсный характер, поэтому достаточное для практических целей представление о динамических свойствах усилителя можно получить по его реакции на скачок входного напряжения, которое, в свою очередь, зависит от переходной характеристики. Последняя может быть описана с помощью коэффициента затухания. Переходные характеристики усилителей при различных значениях этого коэффициента приведены на рис. 7.

Рисунок 7. Переходные характеристики усилителей

По величине первого выброса выходного напряжения U_вых = f(t) можно сделать однозначный вывод об относительной устойчивости усилителя. Как видно из приведенных на рис. 7 характеристик, этот выброс максимален при малых коэффициентах затухания. Такой усилитель обладает малым запасом устойчивости и при прочих равных условиях имеет большие динамические искажения, которые проявляют себя в виде «грязного», «непрозрачного» звучания, особенно на высоких частотах слышимого звукового диапазона.

С точки зрения минимизации динамических искажений, наиболее удачен усилитель с апериодической переходной характеристикой (коэффициент затухания менее 1). Однако реализовать на практике такой усилитель технически очень сложно. Поэтому большинство фирм-производителей идут на компромисс, обеспечивая более низкий коэффициент затухания.

На практике оптимизация частотной коррекции осуществляется следующим образом. Подав с генератора импульсов на вход усилителя сигнал типа «меандр» частотой 1 кГц и наблюдая переходный процесс на выходе с помощью осциллографа, подбором емкости корректирующего конденсатора добиваются формы выходного сигнала, наиболее приближенной к прямоугольной.

Влияние конструкции усилителя на качество звука

В хорошо спроектированных усилителях, с тщательно проработанной схемотехникой и режимами работы активных элементов, к сожалению, далеко не всегда продуманы вопросы конструктивного исполнения. Это приводит к тому, что искажения сигнала, вызванные монтажными наводками от токов выходного каскада на входные цепи усилителя, вносят заметный вклад в общий уровень искажений всего устройства. Опасность таких наводок состоит в том, что формы токов, проходящих по цепям питания плеч двухтактного выходного каскада, работающего в режиме класса АВ, сильно отличаются от форм токов в нагрузке.

Если наводки от этих токов попадают во входные цепи, возникают заметные искажения, особенно на высоких частотах, на которых усиливаются паразитные связи.

Для борьбы с этим явлением необходимо предельно минимизировать паразитную индуктивность сильноточных цепей усилителя. В уже готовой конструкции этого можно достичь установкой по цепям питания выходного каскада дополнительных конденсаторов меньшей емкости, включенных параллельно конденсаторам фильтра выпрямителя. При этом дополнительные конденсаторы должны располагаться физически как можно ближе к потребителям, т.е. транзисторам выходного каскада усилителя. Самый лучший вариант – установка по одному конденсатору непосредственно на вывод коллектора или стока каждого выходного транзистора. Не будет лишним и шунтирование вновь установленных оксидных электролитических конденсаторов пленочными, желательно с диэлектриком из полипропилена или полистирола.

Второй конструктивной причиной повышенных искажений усилителя является неудачная разводка «земляных» шин на печатной плате. Из-за недостаточного сечения на шинах происходит заметное падение напряжения, создаваемое токами в цепях питания выходного каскада. В результате потенциалы «земли» входного каскада и «земли» выходного каскада становятся различными. Происходит так называемое искажение «опорного потенциала» усилителя. Эта постоянно изменяющаяся разность потенциалов добавляется на входе к напряжению полезного сигнала и усиливается последующими каскадами усилителя, что равноценно наличию помехи и приводит к росту гармонических и интермодуляционных искажений.

Для борьбы с такой помехой в готовом усилителе необходимо проводами достаточно большого сечения соединить в одной точке (звездой) шины нулевого потенциала входного каскада, нулевого потенциала нагрузки и нулевого потенциала источника питания. Но наиболее радикальным способом устранения искажения опорного потенциала является гальваническая развязка общего провода входного каскада усилителя от мощной шины питания. Такое решение возможно в усилителе с дифференциальным входным каскадом. С общим проводом источника сигнала (левым на схеме на рис. соединены лишь выводы резисторов R1 и R2. Все остальные проводники, соединенные с общим проводом, подключены к мощной шине источника питания, правой на схеме. Однако в этом случае отключение по каким-либо причинам источника сигнала может привести к выходу усилителя из строя, так как левая «земляная» шина оказывается ни к чему не подключенной и состояние выходного каскада становится непредсказуемым. Во избежание аварийной ситуации обе «земляные» шины соединяют между собой резистором R4. Его сопротивление должно бить не очень маленьким, чтобы помехи от мощной шины питания не могли попасть на вход усилителя, и в то же время не слишком большим, чтобы не влиять на глубину ООС. На практике сопротивление резистора R4 составляет около 10 Ом.

Рисунок 8. Развязка общего провода входного каскада усилителя от мощной шины питания

Энергоемкость источника питания

В подавляющем большинстве промышленных усилителей емкость накопительных (фильтрующих) конденсаторов блока питания явно недостаточна, что объясняется исключительно экономическими причинами, т.к. электрические конденсаторы больших номиналов (от 10 000 мкФ и более) – явно не самые дешевые компоненты. Недостаточная емкость фильтрующих конденсаторов приводит к «зажатости» динамики усилителя и повышению уровня фона, т.е. к ухудшению качества звучания. Практический опыт автора в области модернизации большого числа различных усилителей свидетельствует о том, что «настоящий звук» начинается при энергоемкости источника питания не менее 75 Дж на канал. Для обеспечения такой энергоемкости требуется суммарная емкость фильтрующих конденсаторов не менее 45 000 мкФ при напряжении питания 40 В на одно плечо (Е = CU 2 /2).

Качество элементной базы

Далеко не последнюю роль в обеспечении высокого качества звучания усилителей играет качество элементной базы, причем главным образом пассивных компонентов, т.е. резисторов и конденсаторов, а также монтажных проводов.

И если большинство производителей применяет в своих изделиях постоянные углеродистые и металлопленочные резисторы достаточно высокого качества, то этого нельзя сказать в отношении постоянных конденсаторов. Стремление сэкономить на себестоимости продукции часто приводит к плачевным результатам. В тех цепях, где необходимо использовать высококачественные пленочные полистироловые или полипропиленовые конденсаторы с малыми диэлектрическими потерями и низким коэффициентом диэлектрической абсорбции, зачастую установлены грошовые оксидные конденсаторы или, что несколько лучше, конденсаторы с диэлектриком из лавсановой (полиэтилентерафталат) пленки. Из-за этого даже грамотно спроектированные усилители звучат «неразборчиво», «мутно». При воспроизведении музыкальных фрагментов отсутствуют детали звучания, нарушен тональный баланс, явно не хватает скорости, что проявляется в вялой атаке звучания музыкальных инструментов. При этом страдают и другие аспекты звука. В целом звучание оставляет желать лучшего.

Поэтому при модернизации действительно высококачественных усилительных устройств необходимо заменить все низкокачественные конденсаторы. Хорошие результаты дает применение конденсаторов фирм Siemens, Philips, Wima. При доводке дорогих аппаратов высокого класса лучше всего использовать конденсаторы американской компании Reelcup типов PPFX, PPFX-S, RTX (типы указаны в порядке возрастания стоимости).

И в последнюю очередь следует обратить внимание на качество диодов выпрямителя и монтажных проводов.

Повсеместно применяемые в блоках питания усилителей мощные выпрямительные диоды и выпрямительные мосты обладают низким быстродействием из-за наличия эффекта рассасывания неосновных носителей заряда в p-n-переходе. В результате при смене полярности подводимого к выпрямителю переменного напряжения промышленной частоты находящиеся в открытом состоянии диоды закрываются с некоторой задержкой, что в свою очередь приводит к появлению мощной импульсной помехи. Помеха проникает по цепям питания в звуковой тракт и ухудшает качество звучания. Для борьбы с этим явлением необходимо применять быстродействующие импульсные диоды, а еще лучше диоды Шоттки, в которых эффект рассасывания неосновных носителей заряда отсутствует. Из доступных можно рекомендовать диоды фирмы International Rectifier. Что касается монтажных проводов, то лучше всего заменить, имеющиеся обычные монтажные провода на кабели большого сечения из бескислородной меди. Прежде всего следует заменить провода, передающие усиленный сигнал к выходным клеммам усилителя, провода в цепях питания, а также по мере необходимости проводку от входных гнезд до входа первого усилительного каскада.

Конкретные рекомендации по маркам кабелей дать затруднительно. Все зависит от вкуса и финансовых возможностей владельца усилителя. Из известных и доступных на нашем рынке можно рекомендовать кабели фирм Kimber Kable, XLO, Audioquest.

Источник