» » » Полный усилитель на микросхемах. Часть 5-1. Улучшаем УМЗЧ Питера Смита

 
 
 

Полный усилитель на микросхемах. Часть 5-1. Улучшаем УМЗЧ Питера Смита

Разместил MVV 25 мая 2014. Просмотров: 19266

12
Не мечтай, действуй!

Полный усилитель на микросхемах. Часть 5-1. Улучшаем УМЗЧ Питера Смита

В заключительной пятой части проекта проведем серию экспериментов по улучшению потребительских свойств усилителя мощности звуковой частоты. В свою очередь, эта часть проекта состоит из пяти частей, сгруппированных по принципу: одна схема (техническое решение) - одна публикация.
По сути, предлагается ряд вариантов усилителя мощности с разной идеологией построения и по – разному звучащих. Звук каждого из них завораживает!

Стремимся к лучшему

В предыдущих статьях мы рассмотрели сборку усилителя Питера Смита. Пришло время его улучшить! Посмотрите на рис. 1: на нём красным цветом указаны направления деятельности по улучшению качества звучания и надежности.
Исключён фрагмент. Полный вариант статьи доступен только полноправным членам сообщества и подписчикам.
Пожалуйста, ознакомьтесь с условиями доступа.

Усовершенствования коснулись следующего:
• На входе установлен разделительный конденсатор С1 высокого качества – пленочный полистирольный (К71), полипропиленовый (К78) или в крайнем случае металлопленочный полиэтилентерефталатный (К73);
• Интегратор DA2, R8 – R10, C3, C13 в цепи обратной связи [1];
• Цепь Буше (L1, R11);
• Диоды VD1, VD2 для защиты выходного каскада микросхемы DA1.

Рассмотрим подробнее каждое из предложенных усовершенствований усилителя.

Разделительный конденсатор на входе. Отлично показали себя полипропиленовые premium конденсаторы для аудио с датагорского магазина 1,0uF x 250V, 5%.
Прекрасные результаты в плане звучания усилителя дали отечественные фольговые металлизированные полипропиленовые конденсаторы К78-2 и высокочастотные металлопленочные полипропиленовые конденсаторы К78-19.
Неплохие результаты получены с металлизированными полипропиленовыми конденсаторами CBB21-CBB22 (MPP).
Металлопленочные полистирольные конденсаторы К71-4 оказались менее доступными, к тому же их пришлось включать параллельно, но по звуку они практически не уступают полипропиленовым конденсаторам.
Полиэтилентерефталатные «народные» конденсаторы К73-17 в тестировании оказались на последнем месте.

Интегратор в цепи обратной связи (сервопривод). Кроме основной функции – поддержания нуля на выходе, интегратор обеспечивает низкое выходное сопротивление на низких и инфранизких частотах, что улучшает демпфирование низкочастотных громкоговорителей в акустических системах.

Включение интегратора в цепь обратной связи усилителя повышает порядок передаточной функции, превращая его в фильтр высокой частоты второго порядка с параметрами:
Полный усилитель на микросхемах. Часть 5-1. Улучшаем УМЗЧ Питера Смита

где KU - коэффициент усиления усилителя, fР – частота среза, Q – добротность фильтра.
Как указано в [2], при величине Q>0,707 АЧХ усилителя имеет выброс в области низких частот, что нежелательно. Следует выбирать номиналы С1, С3, R2, R9 таким образом, чтобы обеспечить величину Q≤0,5. Указанным на схеме номиналам соответствуют Q=0,48 и fР=1,6 Гц, при которых обеспечивается монотонный спад в области низких частот.

Для удобства испытания макета интегратор на ОУ DA2 размещен на небольшой отдельной печатной плате (рис. 2).
Полный усилитель на микросхемах. Часть 5-1. Улучшаем УМЗЧ Питера Смита
Рис. 2. Размещение элементов на вспомогательной печатной плате (60х30 мм)

В нем применены резисторы МЛТ, С2-2, С2-14 мощностью 0,125-0,25 Вт или импортные. Оксидные конденсаторы С9, С11 (100/25V 0511, +105°C), пленочные С10, С12 (0,1/100V МКТ) также импортные. Конденсаторы С3, С13 типа К73-17 на рабочее напряжение 63 В.

Соединения платы интегратора с усилителем мощности выполнены проводом МГТФ.

Цепи Зобеля и Буше. Для предотвращения неустойчивой работы усилителя на комплексную нагрузку применяют цепи Зобеля и (или) Буше. Первая цепь состоит из последовательно включенных конденсатора емкостью 0,01…0,47 мкФ и резистора сопротивлением 1…10 Ом. Эта цепь шунтирует на общий провод выход УМЗЧ.

Многие усилители вообще не могут устойчиво работать без цепи Зобеля. Чтобы избежать перегрева резистора при воспроизведении фонограмм с большим содержанием высоких частот, его рассеиваемая мощность выбирается в пределах 1…4 Вт.

Цепь Буше позволяет повысить стабильность работы усилителя, компенсируя емкость нагрузки и (или) акустических кабелей. Значения индуктивности обычно находятся в диапазоне 1…10 мкГн.

Следует особо подчеркнуть, что катушка индуктивности не должна содержать сердечник, поскольку через нее протекают большие токи, неминуемо приводящие к насыщению большинства материалов сердечников.

Для предотвращения паразитного «звона» при емкостных нагрузках добротность катушки уменьшают, шунтируя ее резистором сопротивлением 5…10 Ом (мощностью 1…2 Вт).

В исходной схеме применена только стабилизирующая цепь Зобеля R7, C4. В нашем случае на выходе усилителя дополнительно установлена цепь L1, R11, эффективно изолирующая выходной каскад микросхемы от паразитных воздействий нагрузки (акустической системы).

Эта простая мера ощутимо улучшает звучание усилителя. Резистор R11 является демпфирующим и позволяет ограничить добротность последовательного контура L1 – емкость акустической системы.

Для желающих продолжить эксперименты можно рекомендовать установить еще одну RC – цепь Зобеля R12, C14 после катушки индуктивности (рис. 3).
Полный усилитель на микросхемах. Часть 5-1. Улучшаем УМЗЧ Питера Смита

Рис. 3. Симметричная схема развязки усилителя мощности звуковой частоты от акустической системы


В выборе элементов поможет таблица 1. В процессе прослушивания полезно изменять приведенные в таблице значения сопротивлений резисторов на ±(25…35)%.
Полный усилитель на микросхемах. Часть 5-1. Улучшаем УМЗЧ Питера Смита


На рис. 4 показан результат дальнейших экспериментов. Вместо цепи Зобеля включена цепочка Тиля L1, R11, C4. Указанные элементы служат для предотвращения самовозбуждения УМЗЧ, а также эффективно изолируют выход усилителя как от индуктивной и емкостной составляющих комплексной нагрузки в ультразвуковой области, так и от радиочастотных наводок в акустических кабелях.
Полный усилитель на микросхемах. Часть 5-1. Улучшаем УМЗЧ Питера Смита

Рис. 4. Схема развязки с цепью Тиля


Ограничительные диоды VD1, VD2, присоединенные в обратной полярности между шинами питания и выходом усилителя, полезны во всех случаях. Их назначение заключается в подавлении выбросов напряжения, вызванных нагрузкой с большой индуктивной составляющей и тем самым, защите транзисторов выходного каскада. Обычно в качестве диодов рекомендуют выпрямительные диоды общего применения, скажем, 1N4001…1N4007. Однако я на практике убедился, что лучше использовать быстродействующие диоды, например КД212, SF56, HER508.

Итак, модернизированный усилитель имеет следующие достоинства:
• Пленочный конденсатор на входе не портит звучание;
• Сервопривод делает звук на нижних частотах четким и не утомительным;
• Индуктивность с демпфирующим резистором обеспечивают устойчивую работу на комплексной нагрузке;
• Диоды между выходом и шинами питания повышают надежность работы усилителя.


Полная схема улучшенного УМЗЧ

Положительные результаты экспериментов подвигли меня к разработке законченной конструкции УМЗЧ, схема которой показана на рис. 5. Конструкция является продуманным балансом простоты, надежности, стабильности и качества звуковоспроизведения.
Исключён фрагмент. Полный вариант статьи доступен только полноправным членам сообщества и подписчикам.
Пожалуйста, ознакомьтесь с условиями доступа.

Рис. 5. Принципиальная схема УМЗЧ с сервоприводом


Входной сигнал через RC – фильтры верхних частот R2, C1 и нижних частот R3, C2 поступает на неинвертирующий вход микросхемы усилителя мощности звуковой частоты DA1.

Цепь L1, R10, C5 обеспечивает устойчивость усилителя при работе на реальную нагрузку. На звуковых частотах реактивное сопротивление катушки индуктивности L1 мало, а конденсатора С5, наоборот, велико, поэтому они не оказывают влияния на работу акустических систем.

На ультразвуковых частотах повышение импеданса катушки L1 изолирует усилитель от емкостной, а снижение реактивного сопротивления конденсатора С5 защищает от индуктивной составляющей нагрузки.

Радиочастотные наводки с акустического кабеля, являющегося антенной, также не пропускаются в цепь общей ООС УМЗЧ элементами C5, L1.

Резистор R10 ограничивает добротность последовательного контура L1, C5.

На ОУ DA2 выполнена схема поддержания нуля на выходе УМЗЧ по постоянному току.

Фильтр нижних частот R9, C4 с инфразвуковой частотой среза 0,03 Гц пропускает на неинвертирующий вход ОУ практически только постоянное напряжение смещения, которое сравнивается с нулевым на заземленном инвертирующем входе ОУ и интегрируется цепью R8, C3. Это медленно изменяющееся постоянное напряжение через резистор R5 подается для компенсации на инвертирующий вход УМЗЧ DA1.

Точность поддержания нуля на выходе DA1 определяется статическими параметрами ОУ DA2 и составляет единицы милливольт.

Коэффициент передачи УМЗЧ по напряжению, как и прежде, определяется отношением резисторов цепи ООС R6 и R4. Благодаря интегратору на ОУ DA2 отпала необходимость в оксидном конденсаторе, включаемом последовательно с резистором R4. Последнее благоприятно отражается на воспроизведении усилителем низких частот.

Операционный усилитель DA2 питается от отдельного двухполярного стабилизатора напряжения, размещенного на печатной плате усилителя. Он выполнен на маломощных стабилизаторах напряжения положительной (DA3) и отрицательной (DA4) полярности по типовой схеме.

Замечу, что для надежной работы стабилизаторов DA3, DA4 в аварийных ситуациях, когда закорачивается питание усилителя, емкость конденсаторов С7, С8 должна находится в пределах 10…22 мкФ. Предпочтительны оксидные конденсаторы с малым импедансом и большим сроком службы.

Детали, монтаж и налаживание

Катушка L1 мотается на оправке диаметром 10 мм и содержит 13 витков провода ПЭЛ, ПЭВ диаметром 1,0 мм. Резистор R10 находится внутри катушки L1.



Размещение деталей на печатной плате показано на рис. 6.
Исключён фрагмент. Полный вариант статьи доступен только полноправным членам сообщества и подписчикам.
Пожалуйста, ознакомьтесь с условиями доступа.

Рис. 6. Расположение элементов улучшенного УМЗЧ на печатной плате

Монтаж деталей на печатной плате не вызовет трудностей, если соблюсти определенную последовательность сборки. Сначала монтируют резисторы. Учитывая, что в своем большинстве они имеют цветовую маркировку, полезно перед установкой резистора на печатную плату проверить его сопротивление тестером.

Затем устанавливают проволочную перемычку, панельку для микросхемы DA2, микросхемы, конденсаторы, клеммники и элементы L1, R10.

Проверяют монтаж, обратив особое внимание на правильность установки на печатной плате микросхем и оксидных конденсаторов. Целесообразно провести визуальный контроль пайки, выявить и устранить непропаи, перемычки из припоя, дефекты установки элементов.

Закрепляют микросхему DA1 на радиаторе, подсоединяют провода к клеммникам и производят первое включение усилителя.
При отсутствии «сюрпризов» проверяют наличие питающих напряжений ±15 В на выходах микросхем стабилизаторов DA3 и DA4, «ноля» на выходе усилителя; далее подсоединяют акустические системы, источник сигнала и слушают музыку.

Файлы

Печатная плата усилителя в Спринте:
Файловый сервис доступен только полноправным членам сообщества и подписчикам.
Пожалуйста, ознакомьтесь с условиями доступа.
[26-05-2014] Перекачайте архив, поправлена ПП!

Упомянутые источники

1. Костин В. Психоакустические критерии качества звучания и выбор параметров УМЗЧ // Радио, 1987, №12, с. 40 – 43.
2. Лозицкий С. УМЗЧ с токовой обратной связью // Схемотехника, 2003, №2, с. 12 – 16.

Дополнение по цепям защиты интегратора

Учитывая, что напряжение питания усилителя мощности превышает напряжение питания интегратора, выполненного на ОУ DA2, целесообразно позаботиться о защите его входа.
Полный усилитель на микросхемах. Часть 5-1. Улучшаем УМЗЧ Питера Смита

Варианты организации защиты показаны на рис. 1.
Схема защиты с двумя встречно-параллельными диодами (рис. 1 "а") ограничивает напряжение на неинвертирующем входе на уровне ±0,6В.
На рис. 1 "б" показана схема защиты с резистивным делителем R11, R12. Выбираем R11, R12 << R9, а коэффициент деления R12/(R11+R12) равным 0,3…0,5.
Можно упростить схему защиты, включив делитель непосредственно к входу ОУ DA2 (рис. 1 "в").
Схема защиты с делителем предложены Игорем (AudioKiller), за что ему большое спасибо.

Об авторе

Владимир Мосягин (MVV)
Россия, Великий Новгород
Радиолюбительством увлекся с пятого класса средней школы.
Специальность по диплому радиоинженер. К.т.н.

Автор книг "Юному радиолюбителю для прочтения с паяльником", "Секреты радиолюбительского мастерства", соавтор серии книг "Для прочтения с паяльником" в издательстве "СОЛОН-Пресс", имею публикации в журналах "Радио", "Приборы и техника эксперимента" и др.
 

Понравилось? Палец вверх!

  • всего лайков: 68

28 ноября 2014 изменил Datagor. Добавлено описание защиты интегратора

Поделись с друзьями!


Связанные материалы:


Варианты цепей защиты входа интегратора УМЗЧ

Учитывая, что напряжение питания усилителя мощности обычно превышает напряжение питания...

Усилитель для наушников Джона Л. Худа в классе А на базе клона китайского клона

Лучшие и худшие свойства чего-либо познаются в сравнении с другим Собранный усилитель JLH Class A...

Полный усилитель на микросхемах. Часть 5-4. Токовая помпа Хоуленда в выходном

Не мечтай, действуй! Особенность построения УМЗЧ настоящего проекта заключается в том,...

Полный усилитель на микросхемах. Часть 5-3. Усилитель в режиме ИТУН

Не мечтай, действуй! Незабываемый кадр из незабываемого фильма. Сейчас Марти МакФлай...

Полный усилитель на микросхемах. Часть 5-2. Компенсация сопротивления соединительных

Не мечтай, действуй! Интерфейсные искажения, возникающие между УМЗЧ и акустической...

Полный усилитель на микросхемах. Часть 4. Улучшаем блок питания

Не мечтай, действуй! Эксперименты по улучшению звука, извлекаемого с помощью усилителя, описанного...

Полный усилитель на микросхемах. Часть 2. Предварительный усилитель и регулятор

Не мечтай, действуй! Эксперименты с различными предварительными усилителями, регуляторами...

Полный усилитель на микросхемах. Часть 1. Усилитель мощности звуковой частоты на

Не мечтай, действуй! В настоящем проекте мы построим простой усилитель мощности звуковой частоты...

Усилитель "The Naked Amp" на 3-х транзисторах.

Этот усилитель я собрал 4 месяца назад на работе из того, что было под рукой. Название усилителя...

УМЗЧ с компенсацией нелинейности, 160 Вт (Римейк по В. Королю)

Этой разработке почти 20 лет. Но она вовсе не потеряла своей актуальности. Автор базовой схемы В....

Усилитель TL082 + UTC2030 с виртуальной массой

Идея приготовить самодельный усилитель из того, что имеется под рукой родилась неожиданно, когда...

Прецизионные усилители низкой частоты. Данилов А. А.

Данилов А. А. Прецизионные усилители низкой частоты. — М.: Горячая линия — Телеком, 2004. — 352 с,...
<
  • Гражданин
25 мая 2014 21:57

Геннадий / GN

  • Регистрация: 18.10.2009
  • Публикаций: 0
  • Комментариев: 29
 
  • 0
Супер. Собрал по рекомендациям данный усилок, звук понравился, теперь будем усовершенствовать. Спасибо.

<
  • Гражданин
25 мая 2014 22:48

Валерий / FOLKSDOICH

  • Регистрация: 19.05.2008
  • Публикаций: 1
  • Комментариев: 33
 
  • 0
Спасибо, Владимир. Давно уже пара LM1875 пылится, всё ждал нестандартную схемку.
Наши К140УД17 пойдут? Есть несколько красивых.

<
  • Подписчик
26 мая 2014 00:48

Александр / Allroy

  • Регистрация: 30.04.2014
  • Публикаций: 0
  • Комментариев: 27
 
  • 0
Спасибо за статьи!

Собрал предыдущую версию Вашего усилителя, мне понравилось. Это моя первая собранная схема, так сказать, первая проба. Завтра начну делать улучшенную версию.

<
  • Гражданин
26 мая 2014 15:24

Дмитрий / Dimonos

  • Регистрация: 23.02.2010
  • Публикаций: 3
  • Комментариев: 48
 
  • 0
Если бы еще были осцилограммы прямоугольника до и после доработки, было бы вообще блеск.

<
  • Гражданин
26 мая 2014 23:35

Валерий / FOLKSDOICH

  • Регистрация: 19.05.2008
  • Публикаций: 1
  • Комментариев: 33
 
  • 0
Подрихтовал печатку: //yadi.sk

<
  • Главный редактор
27 мая 2014 02:00

Игорь Петрович Котов / Datagor

  • Регистрация: 25.02.2011
  • Публикаций: 261
  • Комментариев: 1597
 
  • 0
Перекачайте архив, поправлена ПП

<
  • Гражданин
28 мая 2014 01:56

Игорь / AudioKiller

  • Регистрация: 10.01.2012
  • Публикаций: 3
  • Комментариев: 293
 
  • +1
1. Прикололо: обычное включение обычной микросхемы по ее даташиту оказалось не просто "усилитель на микросхеме", а "Усилитель Питера Смита"! Во как!

2. Если на выходе появится большая постоянка, то ОУ сгорит. Чтобы это предотвратить, надо резистор R10 отключить от выхода усилителя, и вставить между ними делитель в 3...4 раза.

<
  • Главный редактор
28 мая 2014 04:07

Игорь Петрович Котов / Datagor

  • Регистрация: 25.02.2011
  • Публикаций: 261
  • Комментариев: 1597
 
  • 0
Игорь / AudioKiller
1) Игорь, вы читаете (вернее, не читаете) большую серию статей. bye
В одной из предыдущих частей, при первом появлении LM1875, фигурировала статья П. Смита о "студенческом" усилителе.
Поэтому всем, кто в теме, отсылка к усилителю П. Смита совершенно прозрачна.

2) Речь идёт о схеме 1. Почему бы ему (ОУ) сгореть, аргументы? Там и так стоит резюк 2,4 Мегаома. Вроде обычный интегратор из аппноутов, ни у кого не горит.
При желании можно поставить пару встречно-паралельных дидов в паралель С13 (Рис. 1.) между выводом 3 операционного усилителя и общим проводом.

Валерий / FOLKSDOICH, про отечественные опера не знаю - взять негде. А вот импорт, вполне пригодный для серво:

Одинарные ОУ
TL071 (Ib=200pA Ku=106dB);
LF41 (Ib=200pA Ku=106dB);
CA3140 (Ib=50pA Ku=100dB);
AD825 (Ib=40pA Ku=76dB);
AD711 (Ib=50pA Ku=112dB);
OPA627(Ib=10pA Ku=116dB);
OPA134 (Ib=5pA Ku=120dB);
OPA132 (Ib=50pA Ku=130dB).

Сдвоенные ОУ
TL072 (Ib=200pA Ku=106dB SR=16V/uS THD=0.01%);
LF412 (Ib=200pA Ku=106dB SR=15V/uS THD=0.02%);
AD712 (Ib=50pA Ku=112dB SR=20V/uS THD=0.0003%);
OPA2604 (Ib=100pA Ku=100dB SR=25V/uS THD=0.0003%);
OPA2134 (Ib=5pA Ku=120dB SR=20V/uS THD=0.00008%);
OPA2132 (Ib=50pA Ku=130dB SR=20V/uS THD=0.00008%).

И многие другие чипы у которых:
- наименьшие входные токи (Input Bias Current);
- высокий коэффициент усиления без ООС (OPEN LOOP GAIN).

<
  • Автор
28 мая 2014 11:03

Владимир Мосягин / MVV

  • Регистрация: 22.09.2011
  • Публикаций: 36
  • Комментариев: 142
 
  • 0
Искренне рад за всех повторивших конструкцию и желаю дальнейших творческих успехов!
Дополню Игоря (Datagor), большое спасибо за развернутый ответ.
В качестве DA2 могут быть поставлены отечественные операционные усилители К140УД6, К140УД14, К140УД17.
Представляется, сам Питер Смит не будет оспаривать пальму первенства принципиальной схемы laughing . Но конструкция замечательная и поучительная!

В случае появления на выходах УМЗЧ постоянки вплоть до напряжения питания, операционному усилителю DA2 ничего не угрожает.

<
  • Подписчик
15 июня 2014 00:42

Александр / Allroy

  • Регистрация: 30.04.2014
  • Публикаций: 0
  • Комментариев: 27
 
  • 0
Собрал по Вашей схеме предусилитель с темброблоком и сам усилитель, мне все понравилось! Это первое что я собрал и оно заработало!! Но сами колонки у меня от старой компьютерной акустики годов 2000-х, естественно, басов практически нет, а хотелось бы немного низов побольше. Вот хочу датагорцев спросить, с чего начать, и определится со схемой сабвуфера к этому усилителю. Заранее спасибо smile

<
  • Автор
15 июня 2014 15:45

Владимир Мосягин / MVV

  • Регистрация: 22.09.2011
  • Публикаций: 36
  • Комментариев: 142
 
  • 0
Александр, рад, что вы повторили конструкцию.

По звучанию усилителя. В данный момент усилитель Проекта 5-1 у меня работает с напольными акустическими системами (АС) Focal-JMlab (Франция). Нет даже намека на нехватку низких частот.
Звучание сбалансированное, усилитель приятно слушать как на малой, так и на повышенной громкости.
Единственное НО, стоимость акустических систем достаточно высока.

Высокое качество звучания при умеренной стоимости АС позволяют обеспечить системы многоканального воспроизведения стереофонических программ с общим для всей системы низкочастотным излучателем (сабвуфером) в полосе частот от 20…30 до 250…300 Гц и нескольких разнесенных в пространстве малогабаритных АС, воспроизводящих сигналы остальной части спектра звуковых частот (от 250…300 до 18000…20000 Гц).

Я рекомендовал бы выбрать частоту раздела сабвуфера пониже (80…120 Гц).
При этом в качестве канальных усилителей подойдут УМЗЧ настоящего проекта. Основное требование к ним – малые нелинейные искажения при выходной мощности 20…50 Вт на канал.
Мощность сабвуфера должна быть минимум в два раза больше суммарной мощности фронтальных каналов, т.е 50…100 Вт, поскольку эти АС обычно имеют низкую чувствительность. Требования к нелинейным искажениям здесь ослаблены (0,3…0,5%).

Посмотрите схемы в моей книге «Секреты радиолюбительского мастерства. – М.: СОЛОН-Пресс, 2005, с. 155-160».

<
  • Подписчик
16 июня 2014 23:28

Александр / Allroy

  • Регистрация: 30.04.2014
  • Публикаций: 0
  • Комментариев: 27
 
  • 0
Систему многоканального воспроизведения стереопрограмм (рис. 4.40, по указанной книге) нужно упростить, оставив входные каскады А1.1, А1.2, фильтры высоких частот Z1.1 и Z1.2, сумматор СМ1 и полосовой фильтр Z2.
Также остаются усилители мощности звуковой частоты УМ1, УМ3; фронтальные акустические системы ВА1, ВА2 и акустическая система низкочастотного канала ВА4.
Из принципиальной схемы (рис. 4.41) убираем фильтр на операционном усилителе DA2.4.

Информация
Вы не можете участвовать в комментировании. Вероятные причины:
— Администратор остановил комментирование этой статьи.
— Вы не авторизовались на сайте. Войдите с паролем.
— Вы не зарегистрированы у нас. Зарегистрируйтесь.
— Вы зарегистрированы, но имеете низкий уровень доступа. Получите полный доступ.