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

В этой части проекта читателю предлагается проверить эффективный способ достижения высококачественного звуковоспроизведения, заключающийся в переводе традиционного УМЗЧ (источника напряжения, управляемого напряжением) в источник тока, управляемый напряжением (ИТУН). Также упоминается подход, основанный на комбинированной отрицательной обратной связи по току и напряжению.

↑ Эксперименты с ИТУН

Легким движением паяльника усилитель Питера Смита превращается в источник тока, управляемый напряжением — ИТУН (рис. 1). Дополнительно установленные элементы обведены на рисунке пунктирной линией. Обязательно проверьте это техническое решение. Следует, однако, учесть, что акустическая система (АС) должна быть широкополосной (однополосная или двухполосная АС с простейшими фильтрами не выше первого порядка). У меня акустической системой служили четырехваттные динамики в исполнении открытый ящик от переносного электрофона.
Чувствительность усилителя с входа составляет около 0,5 В.



Находясь под впечатлением от настоящего эксперимента, читатель задастся рядом вопросов: «Куда смотрит аудиоиндустрия? Почему такое значительное улучшение качества звуковоспроизведения от использования токовых усилителей до сих пор не замечено? Неужели трудно создать серийные усилители звуковой частоты с токовым выходом?».

Однако вопрос заключается не в создании серийных образцов токовых усилителей, а в их согласовании с акустическими системами. Последние проектируются в расчете на низкое выходное сопротивление усилителей (питание от источника напряжения), при этом обеспечивается правильный тональный баланс и плоская АЧХ.

Попытка подключения ИТУН (генератора тока) к многополосной акустической системе приведет к сбою тонального баланса, сведя на нет снижение искажений.
Кроме того, значительные проблемы наблюдаются вблизи резонансных частот динамических головок, где модуль полного сопротивления начинает возрастать. Поскольку напряжение на выходе токового усилителя пропорционально сопротивлению нагрузки, напряжение на головке также возрастает, что приводит к перегрузке с резким ухудшением качества звуковоспроизведения.

Поэтому требуется изменение методики проектирования многополосных АС, рассчитанных на токовое управление.

И все же до такой степени заметное улучшение качества звучания столь доступным способом не может остаться без внимания (хотя бы радиолюбителей). Усилители с обратной связью по току можно с успехом использовать в качестве полосовых при конструировании активных акустических систем с активным кроссовером (многополосным разделительным фильтром перед полосовыми УМЗЧ).

В статье [2] Сергей Агеев надеялся порадовать любительскую общественность конструкцией высококачественного четырехполосного громкоговорителя на основе распространенных динамических головок, построенных на базе предложенных им принципов снижения искажений.
Но как гласит известная пословица «Хочешь рассмешить бога – настрой планов!». Неоднократно убеждался в ее справедливости на собственном опыте.

↑ Комбинированная ООС по току и напряжению

Значительно расширяет поле деятельности любителей подход, основанный на использовании комбинированной отрицательной обратной связи по току и напряжению, позволяющий строить усилители, обладающие ненулевым выходным сопротивлением [5, 7 — 9].



Комбинированная обратная связь по напряжению и току эффективно уменьшает переходные интермодуляционные искажения, повышает точность воспроизведения атаки звукового сигнала и дает, пожалуй, наибольший эффект в улучшении качества звуковоспроизведения.

С практической точки зрения следует выделить публикации нашего согражданина-датагорца Игоря Рогова [7, 8], в которых рассмотрены схемы построения УМЗЧ с ненулевым выходным сопротивлением для инвертирующего и неинвертирующего усилителей.

Также разработана программа расчета, дополненная примером оценки АЧХ громкоговорителя в акустическом оформлении «закрытый ящик» при подключении его к указанному усилителю [8].

Показанная на рис. 1 схема – не «чистый» преобразователь напряжения в ток (ИТУН), а усилитель с комбинированной отрицательной обратной связью по току и напряжению. Ее особенность заключается в том, что она позволяет получить необходимое выходное сопротивление усилителя.

Регулировка выходного сопротивления осуществляется путем изменения сопротивления резистора R8. Требуемое выходное сопротивление поможет выбрать табл. 1. Обратите внимание, что выходное сопротивление Rвых не зависит от сопротивления нагрузки (АС). Изменяется лишь коэффициент передачи усилителя.


Как видно из табл. 1, выходное сопротивление усилителя может меняться в довольно широких пределах, позволяя найти оптимальное качество звучания. Обычно оно соответствует выходному сопротивлению, соизмеримому с сопротивлением нагрузки. Здесь выполнено соотношение Rн/R9=R5/R4, чтобы коэффициент усиления не зависел от значения R8.

Можно провести расчет параметров цепей обратной связи УМЗЧ таким образом, чтобы коэффициент передачи усилителя (Ku=25,2 дБ) был постоянным для сопротивлений нагрузок Rн=4; 6 и 8 Ом. В этом случае выходное сопротивление Rвых для каждой Rн будет определяться своим значением R8 (Табл. 2).



Настоятельно советую на практике познакомиться с этой интересной стороной взаимодействия УМЗЧ и АС.
Вполне можно отказаться от цепи R4, C3, что, однако приведет к изменению коэффициента усиления УМЗЧ при установке требуемого выходного сопротивления усилителя резистором R8.

Необходимая информация для экспериментов приведена на рис. 2 и в табл. 3.



При R4 более 1 кОм емкость конденсатора С3 может быть уменьшена до 100 мкФ.

↑ Недостатки ИТУН и усилителей с регулируемым выходным сопротивлением

Я вижу два основных недостатка:

1. Усилители с токовым выходом и регулируемым выходным сопротивлением не универсальны, весьма чувствительны к акустическим системам. На ряде АС увеличение выходного сопротивления не приводит к улучшению качества звучания, часть АС начинает «бубнить».

2. С повышением уровня входного сигнала быстрее растут интермодуляционные искажения на низких частотах по сравнению с питанием АС от источника напряжения.
Данный эффект вызван снижением магнитной индукции в крайних положениях диффузора громкоговорителя. Поскольку в ИТУН и усилителях с регулируемым выходным сопротивлением сила со стороны катушки прямо пропорциональна силе тока и магнитной индукции в зазоре катушки, снижение индукции приводит к появлению гармоник (в основном второй и третьей).
В усилителях с питанием от источника напряжения ток в катушке зависит от ее омического сопротивления и индуктивности, негативное влияние которых в современных динамических головках сведено к минимуму.

↑ Дальнейший план действий

Призвав читателя окунуться в серию интереснейших экспериментов с усилителями тока и с комбинированной обратной связью (по току и напряжению), хочу предложить две конструкции, в которых используется ИТУН, но в целом УМЗЧ обладает традиционными свойствами малого выходного сопротивления, то есть, предназначен для работы с серийно выпускаемыми акустическими системами.

Первая из предложенных схем описана в части 5-4 и содержит преобразователь напряжения в ток в выходном каскаде, а в целом УМЗЧ охвачен глубокой ООС по напряжению.

Во втором УМЗЧ ИТУН расположен на входе выходного каскада, охваченного параллельной ООС, что позволило обеспечить ее максимальную глубину. Эта схема описана в заключительной части 5-5.

↑ Упомянутые источники

1. Страница Николая Лишманова (Lincor)
2. Агеев С. Должен ли УМЗЧ иметь малое выходное сопротивление? (О снижении интермодуляционных искажений и призвуков в громкоговорителях) // Радио, 1997, №4, с. 14 – 16.
3. Алейнов А., Сырицо А. Улучшение звуковоспроизведения в системе УМЗЧ – громкоговоритель // Радио, 2000, №7, с. 16 – 18.
4. УМЗЧ с токовым выходом. Принцип действия и практические схемы
5. Аудио усилитель MF-1 на TDA7294/93 с гибридной ООС
6. Сапожников М. Нестандартные включения микросхем в УМЗЧ // Радио, 1998, №2 с. 23.
7. Рогов И. Регулировка выходного сопротивления УМЗЧ посредством комбинированной ООС // Радио, 2007, №10, с. 19 – 22.
8. Программа расчета комбинированной ООС
9. Рогов И. УМЗЧ с регулируемым выходным сопротивлением // Радио, 2008, №4, с. 14 – 17; 2008, №5, с. 14, 15.

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации