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

 
 
 

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

Разместил MVV 10 ноября 2014. Просмотров: 17183

21
Не мечтай, действуй!

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

Особенность построения УМЗЧ настоящего проекта заключается в том, что его выходной каскад выполнен на микросхеме усилителя мощности LM1875 по схеме преобразователя напряжение – ток, а в целом усилитель охвачен общей отрицательной обратной связью по напряжению с помощью маломощного операционного усилителя. В результате обеспечивается постоянство коэффициента демпфирования в рабочем диапазоне частот и достигается отсутствие «переключательных» искажений, свойственных двухтактным выходным каскадам класса АВ.

Отличительной чертой УМЗЧ является натуральность звучания с широкой номенклатурой акустических систем.

Токовая помпа Хоуленда

Принцип работы преобразователя напряжения в ток, известного как токовая помпа Хоуленда (Howlend Curent Pump), показан на рис. 1 [1 — 3]. Данный преобразователь давно знаком мне (неоднократно использовал в макетах научно – исследовательских разработок) как усилитель с отрицательной и положительной обратной связью. Его достоинством является то, что нагрузка заземлена.

Исключён фрагмент. Полный вариант статьи доступен только полноправным членам сообщества и подписчикам.
Пожалуйста, ознакомьтесь с условиями доступа.

Рис. 1. Реализация выходного каскада по схеме преобразователя напряжение-ток


Выходной ток в схеме равен Iвых=-R3Uвх/(R1R5). Если выполнить условие R5<<R4, R3=R4 и R1=R2, то выходное сопротивление будет определяться сопротивлением резистора R5, умноженным на относительный разбаланс моста R/Δ R (соответственно, R3 по отношению к R4 и R1 по отношению к R2):

Rвых=R5/(R/Δ R).

Как видим, чтобы получить небольшое выходное сопротивление требуется высокая точность резисторов моста. Если резисторы имеют отклонение от номинала 0,1%, то сопротивление R5=0,47 Ом будет трансформировано в эквивалентное выходное сопротивление не менее 470 Ом.

Таким образом, цепи обратной связи (положительной R2, R4 и отрицательной R1, R3) поддерживают постоянное соотношение между входным напряжением микросхемы DA1 и её выходным током (а не напряжением, как в классическом УМЗЧ!).

Разумеется, необходимо следить, чтобы выходное напряжение преобразователя напряжение-ток находилось в допустимых пределах:
Полный усилитель на микросхемах. Часть 5-4. Токовая помпа Хоуленда в выходном каскаде УМЗЧ


Следует ожидать, что при таком схемотехническом решении не будут сказываться искажения типа «ступенька» выходного каскада, работающего в классе АВ.

Конечно, выходное сопротивление усилителя в 470 Ом совсем не впечатляет. Чтобы получить малое выходное сопротивление, применим ещё один операционный усилитель, который охватим общей компонентной отрицательной обратной связью (рис. 2).
Исключён фрагмент. Полный вариант статьи доступен только полноправным членам сообщества и подписчикам.
Пожалуйста, ознакомьтесь с условиями доступа.

Рис. 2. Функциональная схема УМЗЧ с токовой помпой Хоуленда


Общая ООС охватывает весь усилитель, включая входной каскад на маломощном ОУ DA1, и мощный преобразователь «напряжение-ток» на DA2. Коэффициент усиления по напряжению с входа усилителя составит Ku=1+R4/R3. Охват схемы общей ООС обеспечивает низкое выходное сопротивление (менее 0,05 Ом) во всем диапазоне рабочих частот усилителя. В результате стабилизируется коэффициент демпфирования нагрузки, который для Rн=4 Ом составит не менее 80, для Rн=8 Ом – 120.

Последнее позволяет надеяться на «всеядность» усилителя при работе с различными акустическими системами.
Поскольку каскад преобразователя напряжение-ток DA2 инвертирующий, то входы ОУ DA1 «поменялись» местами: инвертирующий вход стал неинвертирующим и наоборот.

Конденсатор C3 в цепи ООС DA1 формирует частоту среза АЧХ последовательно соединённых каскадов DA1, DA2, обеспечивая устойчивую работу с замкнутой петлёй общей ООС.

Цепь C1, R1 образует ФВЧ с инфранизкой частотой среза (1,2…1,8 Гц, см. часть 1 проекта), а ФНЧ С2, R2 предотвращает попадание в усилитель помех, лежащих вне звукового диапазона, его частота среза выбирается в пределах 210…230 кГц.

Полная схема усилителя изображена на рис. 3.
Исключён фрагмент. Полный вариант статьи доступен только полноправным членам сообщества и подписчикам.
Пожалуйста, ознакомьтесь с условиями доступа.

Рис. 3. Принципиальная схема усилителя с токовой помпой Хоуленда


Фильтры верхних частот C1, R2 и нижних частот R3, C2 предотвращают попадание в УМЗЧ внезвуковых помех.

Входной каскад УМЗЧ собран на маломощном операционном усилителе DA1 по неинвертирующей схеме. На микросхеме усилителя мощности DA2 выполнен выходной каскад по инвертирующей схеме преобразователя напряжение – ток, известной как токовая помпа Хоуленда.

Цепи обратной связи преобразователя «напряжение – ток» образуют четыре сверхточных резистора R6…R9 (точность 0,1%) и датчик тока R11.

Последовательно включённые каскады на микросхемах DA1 и DA2 охвачены общей ООС через резисторы R10, R4.
Конденсатор С3 вместе с резистором R4 определяет нижнюю границу воспроизводимого усилителем диапазона частот.

Резистор R5 – конструктивный, включён между силовыми и сигнальными общими проводами. Он необходим для предотвращения выхода усилителя из строя при случайном отключении общего провода от источника сигнала.

Конденсатор С4 в цепи ООС ОУ DA1 служит для частотной коррекции последовательно соединённых каскадов на DA1 и DA2. Дополнительную устойчивость обеспечивает цепь Зобеля R12, C12.

Питание операционного усилителя DA1 осуществляется от размещённого на печатной плате усилителя мощности двухполярного источника питания напряжением ±15 В, выполненного на маломощных стабилизаторах положительной (DA3) и отрицательной (DA4) полярности.

Выходы маломощного двухполярного источника питания шунтированы конденсаторами С6, С7; между выводами питания ОУ DA1 включён плёночный конденсатор С5.

Цепи питания преобразователя напряжение – ток шунтированы оксидными конденсаторами С10, С11; для улучшения их свойств на высоких частотах параллельно включены плёночные конденсаторы С8, С9.

Усилитель имеет равномерную АЧХ в диапазоне от 2 Гц до 70 кГц.

Итак, усилитель имеет следующие достоинства:
• Чистое звучание, как на малой, так и на большой громкости;
• Работа с акустическими системами, представляющими «неудобную» нагрузку для усилителя.


В дальнейшем я провёл небольшое усовершенствование усилителя: увеличил ёмкость конденсатора С3 почти в пять раз (до 220 мкФ). Эта казалась бы ненужная операция (ведь полоса пропускания и так составляет менее 2 Гц по уровню – 3 дБ) позволила снизить электролитические искажения, вызванные падением звукового напряжения на конденсаторе С3 и уровень шумов усилителя.

Итак, не следует забывать, что для минимизации искажений в оксидных конденсаторах, установленных в сигнальных цепях, следует в 5…10 раз увеличить их расчётные параметры по ёмкости и в 2…3 раза по рабочему напряжению.

Детали (на два канала усилителя)



Размещение элементов на печатной плате усилителя показано на рис. 4.

Исключён фрагмент. Полный вариант статьи доступен только полноправным членам сообщества и подписчикам.
Пожалуйста, ознакомьтесь с условиями доступа.

Рис. 4. Печатная плата УМЗЧ с токовой помпой Хоуленда с размещением деталей


Монтаж элементов на печатной плате выполняют в последовательности: перемычки, резисторы, конденсаторы (неполярные, оксидные), цанговая панелька для микросхемы DA1, микросхемы, клеммники. Резисторы немного приподнимают над платой; для удобства выполнения работы используют полоску из картона или любого другого изоляционного материала толщиной 0,5…1 мм.

Файлы

Схемы и печатные платы можно взять тут:
Файловый сервис доступен только полноправным членам сообщества и подписчикам.
Пожалуйста, ознакомьтесь с условиями доступа.


Упомянутые источники

1. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. – М.: Энергоатомиздат, 1988, с. 65 — 74.
2. Negro C., Russo V. The Solid – State Duo, Part 1, Part 2 //AudioXpress, №4, 2011, с. 6-14; №5, 2011 с. 6 — 15.
3. Дайджест // Радиохобби, 2011, №3, с. 21 – 24.

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: 235

Поделись с друзьями!


Связанные материалы:


Kaspersky FREE. Бесплатная годовая лицензия для России, Белоруссии и Украины

Привет, друзья! Очередной подарок от kaspersky.ru — антивирус «Kaspersky FREE». Спасибо...

Пусть всегда будет солнце!

Сегодня День Победы. Мы так долго живём без войны, что начали забывать, что это...

17/01 киберсубботник на портале

Привет, дрУги! В ближайщую субботу на нашем портале и в магазине будет...

Сэмплы гитарного комбоусилителя U-96

Как и обещал, записал пару сэмплов на скорую руку с моего комбика...

Библиотеки Diptrace +3D. Разъёмы PBS (розетки)

Продолжая тему библиотек для Diptrace, хочу предложить розетки однорядные PBS для пайки...

Схемка в блокнот. Индикатор разрядки аккумуляторной батареи

При выездах и эксплуатации радиоаппаратуры от аккумуляторных батарей в полевых...

ВЧ детектор

Данный ВЧ детектор был изготовлен практически из подручных деталей с целью определения...

Toshiba - это хорошо! Новейший каталог 4Q2012

Предлагаю вниманию сограждан новейший каталог Toshiba Bipolar Power Transistors — 4 квартал...

Датагорскiя Вѣдомости №1 (2012)

Здравствуйте, уважаемые сограждане-датагорцы и гости нашего электронного города! Спешу...

Сделай сам преобразователь сигналов для механического энкодера, v.2

Хотелось бы дополнить и продолжить мою статью про энкодер «Преобразователь сигналов...

Transformer: программа расчета маломощного (до 500 Вт) силового трансформатора на

Предлагаю начинающим очень простую программулину для расчета силовых трансформаторов. Автор...

Датагорская Ярмарка электроники v.2 открылась!

Уважаемые граждане Датагории и гости нашего кибер-города! После обновления открылась...
<
  • Гражданин
10 ноября 2014 07:47

Сергей / Yamazaki

  • Регистрация: 2.07.2009
  • Публикаций: 3
  • Комментариев: 136
 
  • 0
Почему-то сразу захотелось такое сделать... Только с хорошим операционником на входе, а не с TL071. Конечно, общая глубина ООС получается внушительной и искажения очень низкими, но что-то мне подсказывает, что с каким-нибудь AD823 всё будет ещё красивее.

Добавлено после раздумий:
В симуляции всё получается очень гладко с LT1122. Подозрительно гладко. Искажений практически никаких, хорошая устойчивость... Надо попробовать, цена вопроса невелика.

<
  • Гражданин
10 ноября 2014 11:44

Андрей / andrew_spb

  • Регистрация: 21.02.2009
  • Публикаций: 2
  • Комментариев: 127
 
  • 0
Штука реально интересная конечно, смущает только 0,1% точность резисторов, причем в нее как я понимаю входит и сопротивление паек, проводников-дорожек и прочего... с другой стороны это величины порядка 200 ом... Можно попробовать!

<
  • Гражданин
11 ноября 2014 00:48

Олег / logvoleg

  • Регистрация: 5.12.2009
  • Публикаций: 2
  • Комментариев: 85
 
  • 0
Во блин, я тоже прочел и зацепило...
Как и Сергей Yamazaki подумал надо в симуляторе пощупать, а будет "гладенько" собрать и послушать.
А комрады уже все проделали, надо как время найдется, собрать и слушать ухом, щупать осликом. Резюки эталонные найдем, а дорожки нарастим проводом так что минимизируем влияние... good

<
  • Гражданин
11 ноября 2014 23:18

Александр / Alexverb

  • Регистрация: 15.04.2009
  • Публикаций: 1
  • Комментариев: 45
 
  • 0
Если я не ошибаюсь, у TL071 выход на полевиках. В звуке она мне не нравится, вижу я такой не один... Может опытные товарищи посоветуют какой-то ОУ из OPA-шек, например? Тема интересная, очень хочется развить и применить

<
  • Гражданин
12 ноября 2014 00:13

Олег / logvoleg

  • Регистрация: 5.12.2009
  • Публикаций: 2
  • Комментариев: 85
 
  • 0
Александр, сколько людей-столько и ушей! Вариант единственный, пробовать и слушать. Множество "оперов" с одинаковой или близкой распиновкой, так что меняем и слушаем. Каждому свое.

<
  • Автор
12 ноября 2014 00:46

Владимир Мосягин / MVV

  • Регистрация: 22.09.2011
  • Публикаций: 36
  • Комментариев: 142
 
  • 0
Господа, TL071 – малошумящий ОУ с полевыми транзисторами на входе. Навскидку перечень ОУ, которые можно попробовать на месте DA1: AD743, AD797, NE5534, OP27, OP37.

<
  • Гражданин
12 ноября 2014 05:00

Сергей / Yamazaki

  • Регистрация: 2.07.2009
  • Публикаций: 3
  • Комментариев: 136
 
  • 0
Тут дело даже не в том, полевой или не полевой вход. У композитных схем трудно добиться устойчивости, особенно если первый ОУ быстрее, чем второй. Поскольку 1875 особым быстродействием не отличается, большинство ОУ или будут с ним генерить, или потребуют куда более сложной коррекции. Смотрите для примера хотя-бы схему ZD-50. Искажения конечно получились низкие, но коррекция там крайне сложная.
В общем, это не тот случай, когда можно тупо перетыкать ОУ, ни о чем не парясь.

<
  • Кандидат
14 ноября 2014 14:21

Николай / nickhome

  • Регистрация: 8.10.2013
  • Публикаций: 0
  • Комментариев: 11
 
  • 0
Простите меня за тупой вопрос. А чем эта версия принципиально лучше в плане звука по сравнению с версией в частях 5-1 и 5-2? Планируется ли еще как-то развивать этот проект?
А то планирую повторить данный проект на TDA2050, усилок на кухню к компу нужен, и пока не уверен какой точно вариант схемы выбрать.

<
  • Автор
15 ноября 2014 11:48

Владимир Мосягин / MVV

  • Регистрация: 22.09.2011
  • Публикаций: 36
  • Комментариев: 142
 
  • 0
Немного изменил вопросы Николая (nickhome), чтобы расширить ответы.

Каковы особенности версий УМЗЧ части 5 проекта в плане звука по сравнению с исходной (часть 1)?
Полный усилитель на микросхемах. Часть 5-1. Улучшаем УМЗЧ Питера Смита. Лучшее звучание, повышена надежность работы.

Полный усилитель на микросхемах. Часть 5-2. Компенсация сопротивления соединительных проводов акустических систем. Независимость от примененных акустических кабелей.

Полный усилитель на микросхемах. Часть 5-3. Усилитель в режиме ИТУН. Много интересного, обязательно проверить на акустике с простыми фильтрами.

Полный усилитель на микросхемах. Часть 5-4. Токовая помпа Хоуленда в выходном каскаде УМЗЧ. Отличная разборчивость, натуральность звучания.

Часть 5-5. Звучание «первого ватта», акустических инструментов.

Планируется ли еще развивать проект?
План работы выложен в Полный усилитель на микросхемах. Часть 5-3. Усилитель в режиме ИТУН. Пока не в эфире заключительная часть 5-5. Потом видно будет.

Нужен усилок на кухню к компу, какой вариант схемы выбрать?
Полный усилитель на микросхемах. Часть 1. Усилитель мощности звуковой частоты на TDA2006, TDA2030, TDA2040, TDA2050, LM1875.

<
  • Гражданин
16 ноября 2014 00:51

Сергей / Yamazaki

  • Регистрация: 2.07.2009
  • Публикаций: 3
  • Комментариев: 136
 
  • 0
А чем эта версия принципиально лучше в плане звука по сравнению с версией в частях 5-1 и 5-2?
   Принцип токовой помпы (если верить статье) давит коммутационные искажения выходного каскада.
   Кроме того, это же композит! LMка включена в общую петлю обратной связи с предыдущим опером, суммарная глубина обратной связи получается очень внушительной, что даёт очень низкий уровень искажений даже с TL071, не говоря уже о более серьёзных операционниках. Звук должен быть весьма приличный.

<
  • Гражданин
28 ноября 2014 22:06

Павел / Pashka

  • Регистрация: 15.05.2008
  • Публикаций: 35
  • Комментариев: 53
 
  • 0
А к пятиваттнику R11 какие-то особые требования есть? Можно проволочный поставить или нежелательно?

<
  • Автор
29 ноября 2014 14:15

Владимир Мосягин / MVV

  • Регистрация: 22.09.2011
  • Публикаций: 36
  • Комментариев: 142
 
  • 0
Павел, я поставил на место R11 пятиваттный проволочный керамический («цементный») резистор SQP. Из того, что нашлось.
Требования к резистору понятные – высокая стабильность и малая индуктивность. При желании можно выбрать бескомпромиссный вариант, например, составить R11 из нескольких безиндуктивных параллельно включенных резисторов. Скажем, из четырех двухваттных резисторов С2-33Н, МОН – двух по 2 Ом и двух по 1,8 Ом.

<
  • Гражданин
29 ноября 2014 21:41

Павел / Pashka

  • Регистрация: 15.05.2008
  • Публикаций: 35
  • Комментариев: 53
 
  • 0
Владимир, а к чему такая точность, нельзя запараллелить 4 по 2 Ома? По идее обратная связь должна нивелировать эту погрешность, разве нет?

<
  • Гражданин
30 ноября 2014 20:41

Павел / Pashka

  • Регистрация: 15.05.2008
  • Публикаций: 35
  • Комментариев: 53
 
  • 0
Спаял один канал в варианте LM3886+OPA134, конденсатор коррекции вообще не потребовался, наоборот - с ним свистит, без него - нет. Слушаю стерео - второй канал просто LM3886 в инверте с Т-образной ООС. С помпой звучит классно! Разницу уловил не сразу, через несколько минут понял, что обычная LMка играет более жестко, с помпой звук мягче и разборчивее. Продолжаю перебирать свою фонотеку guitar-man

<
  • Автор
1 декабря 2014 01:50

Владимир Мосягин / MVV

  • Регистрация: 22.09.2011
  • Публикаций: 36
  • Комментариев: 142
 
  • 0
Павел, с LM1875 усилитель также звучит весьма убедительно!

Уточню некоторые качественные выражения, представленные в публикации.

Выражение для выходного напряжения (рис. 1) выглядит следующим образом:
Uвых={-UвхR3(R2+R4)}/{[R1(R4+R5)-R2R3]+R1R5(R2+R4)/Rн}.

Усилитель будет работать как источник тока, если выражение в квадратных скобках равно нулю:
R1(R4+R5)-R2R3=0.

Это происходит при R1=R2, R3=R4+R5. Обратите внимания, что в частном случае усилитель может не содержать резистора R4 (R4=0).

После простых преобразований получаем:
Uвых={-UвхR3(R2+R4)}Rн/{R1R5(R2+R4)}=-UвхR3Rн/R1R5.
Iвых=Uвых/Rн=-UвхR3/R1R5.

Это пояснение к выбору номиналов резисторов токовой помпы, в частности R11 (рис. 3):
R6=R7, R8=R9+R11.

<
  • Гражданин
8 декабря 2014 20:41

Павел / Pashka

  • Регистрация: 15.05.2008
  • Публикаций: 35
  • Комментариев: 53
 
  • 0
Владимир, если честно, то я не очень понимаю в этих формулах.
Кстати, мой вариант на LM3886 и OPA134 оказался очень неустойчив, к тому же я наверное неправильно развел плату. В общем неделю бьюсь с ним, не могу скорректировать, уже подумываю купить менее шустрый ОУ. Но это уже совсем другая история, в свободное время создам отдельную тему на форуме

<
  • Автор
9 декабря 2014 19:26

Владимир Мосягин / MVV

  • Регистрация: 22.09.2011
  • Публикаций: 36
  • Комментариев: 142
 
  • 0
Павел, пишите в личку, если тема окажется интересной многим, создадим тему на форуме.

PS Операционный усилитель OPA134 хорошо подходит на место DA1.

<
  • Кандидат
10 июля 2015 23:28

Николай / nickhome

  • Регистрация: 8.10.2013
  • Публикаций: 0
  • Комментариев: 11
 
  • 0
Усилитель отличный, собрал один канал - все пучком. Решил собрать второй и в нем постоянка на выходе. Проверил монтаж, элементы, перед пайкой проверял всю плату на наличие перемычек - ничего не помогает. Резисторы 11К, 22,1К, 2,49К подобраны не точно к этим номиналам, но между ними самими разница как раз в указанные проценты, подбирал очень точно. В чем может быть проблема?

<
  • Кандидат
29 октября 2015 05:05

Александр / RSHSV

  • Регистрация: 29.10.2015
  • Публикаций: 0
  • Комментариев: 1
 
  • 0
Цитата: nickhome
Усилитель отличный, собрал один канал - все пучком. Решил собрать второй и в нем постоянка на выходе. Проверил монтаж, элементы, перед пайкой проверял всю плату на наличие перемычек - ничего не помогает. ... В чем может быть проблема?
Кажется, наступил на похожие грабли. Получается, что продают ОУ нормальные вперемежку с ненормальными. Вот только в каком процентном соотношении?
При перепайке туда-сюда подтвтердилось.

<
  • Кандидат
14 августа 2016 21:35

Николай / nickhome

  • Регистрация: 8.10.2013
  • Публикаций: 0
  • Комментариев: 11
 
  • +1
Цитата: RSHSV
Получается, что продают ОУ нормальные вперемежку с ненормальными.

Похоже на то. Я купил еще кучку TL071 потыкал несколько, с третьим по счету операционником все заработало без проблем. Уже давно слушаю макет из двух каналов. Для ТДА звучит очень прилично. Сравнивал с схемой MF-1 с датагора на TDA7294. 94-я была сразу отправлена на полку.
Интересно, а можно ли подобную схему реализовать на TDA7294? Никто не пробовал?

Владимир, когда ждать пятую часть статьи?

<
  • Подписчик
27 августа 2016 14:29

Владимир / gfgekz59

  • Регистрация: 4.03.2013
  • Публикаций: 0
  • Комментариев: 3
 
  • +1
Собрал два канала, резисторы подбирал точно. Платы немного изменил под свои детали. Звук отличный. Автору спасибо!

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.