Рисунок 13 -- Коэффициент нелинейных искажений тока при питании головок от усилителя с низким выходным сопротивлением

Преимущества высококачественной магнитной системы и длинной звуковой катушки головки Е0042 более чем очевидны, худшие результаты у старых советских головок. Обе эти головки имеют высокий уровень искажений тока даже при малой амплитуде колебаний диффузора -- на частотах выше 500 Гц. Это является следствием применения в них примитивной магнитной системы. С другой стороны -- их "токовые" искажения достаточно велики, чтобы имело смысл снизить их увеличением выходного сопротивления усилителя.

Измерения спектра звукового давления головки 15ГД-14 при подаче двух синусоидальных тонов с частотами 140 Гц и 1 кГц суммарной мощностью 4 Вт показывает отчетливый положительный эффект увеличения сопротивления -- уровень большинства гармоник нелинейных и интермодуляционных искажений снизился. Чтобы убедиться в том, что мы действительно имеем дело с выраженным положительным эффектом, и количественно оценить его величину, для головки 15ГД-14 была снята зависимость коэффициента гармоник звукового давления от частоты сигнала при двух вариантах выходного сопротивления усилителя -- близком к нулю и 24 Ом (рисунок 14). Там же для сравнения приведен и коэффициент нелинейных искажений тока. Так как графики искажений тока и звукового давления (при работе головки в паре с обычным усилителем) практически совпадают, то это значит, что вариация импеданса является основным видом искажений в головке и увеличение выходного сопротивления усилителя может существенно снизить общие искажения. Этот факт подтверждается графиком искажений головки при питании ее от усилителя через резистор 24 Ом. При том же уровне звукового давления искажения снизились в 2-3 раза.

Рисунок 14 -- Зависимость коэффициента гармоник звукового давления от частоты

Ощутимый положительный эффект от увеличения выходного сопротивления усилителя был получен и для головки W100SC/4. Снижение уровня гармонических и интермодуляционных составляющих при тестировании двухтональным сигналом составило 3--6 дБ. Зависимость коэффициента гармоник звукового давления от частоты сигнала при двух вариантах выходного сопротивления усилителя -- 0 и 24 Ом показана на рисунке 15. При повышении выходного сопротивления усилителя наблюдается ощутимое снижение искажений в диапазоне частот от 200 Гц до 1,5 кГц.

Рисунок 15 -- Зависимость коэффициента гармоник звукового давления от частоты

Для головок Н602 и Е0042 увеличение выходного сопротивления усилителя не дало ощутимого улучшения, за исключением снижения низкоуровневых гармоник с частотами выше 1,5 кГц. Причина вполне предсказуемая -- магнитная система, дающая очень низкий уровень "токовых" искажений.

Можно констатировать, что увеличение выходного сопротивления усилителя для снижения нелинейных искажений актуально для головок невысокого качества. Однако это не устраняет, к сожалению, один из "врожденных" недостатков головок с простейшей магнитной системой -- динамическое смещение положения равновесия звуковой катушки (втягивание диффузора) при средних и больших подводимых мощностях. Такое "втягивание" приводит к значительному росту всех основных видов искажений. Для головки 15ГД-14 подобный эффект отчетливо наблюдается на частотах ниже 300 Гц при мощности более 4 Вт. Несколько лучше с динамическим смещением обстоит дело у W100SC/4, еще лучше у Н602, а у головки Е0042 эффект динамического смещения практически не наблюдался.

Таким образом, прежде чем переделывать усилитель, стоит измерить коэффициент нелинейных искажений тока через головку при ее питании от обычного усилителя. Если он окажется 0,1--0,3 %, то на фоне других видов искажений снижение на столь малую величину вообще не будет заметно. И только при значении 0,5 % и более, возможно, стоит попробовать.

3. Разработка малогабаритной активной акустической системы с малыми нелинейными искажениями

Для построения схем и их моделирования использовалась программа Electronics Workbench 5.12 Student Edition, которая позволяет моделировать аналоговые, цифровые и цифро-аналоговые схемы.

При разработке УМЗЧ с малыми нелинейными искажениями в качестве прототипа был взят усилитель, описанный в [7].

Усилитель (рисунок 16) содержит четыре каскада: входной (VT1), усилитель напряжения (VT2), предвыходной (VT4 и VT5) и выходной (VT6 и VT7). Транзистор усилителя напряжения (VT2) включен по схеме с динамической нагрузкой на транзисторе VT3. Внутренние сопротивления этих транзисторов достаточно велики, так как транзисторы включены по схеме с ОЭ и охвачены местной ООС по току, создаваемой резисторами в цепи эмиттеров. В результате, несмотря на то, что выходы каскадов на транзисторах VT2 и VT3 по переменному току включены параллельно и шунтируют друг друга, выходное сопротивление первого каскада достигает большой величины -- около 0,5 МОм -- и приращения коллекторного тока транзистора VT2, вызванные воздействием входного сигнала, практически полностью уходит в базовые цепи транзисторов VT4 и VT5 в зависимости от знака приращения.

Рисунок 16 -- УМЗЧ с выходным каскадом с ОЭ и каскадом ОЭ на входе

Транзисторы предвыходного каскада VT4 и VT5 также включены по схеме с ОЭ, охвачены ООС по току (резистор R9) и имеют большие внутренние сопротивления. Следовательно, для выходных транзисторов VT6 и VT7 они являются источниками тока. Усиленный транзисторами VT4 и VT5 ток полностью уходит в базовые цепи транзисторов VT6 и VT7 и усиливается ими. Причем положительный полупериод сигнала усиливается транзисторами VT4, VT6, отрицательный -- VT5, VT7. На нагрузочном сопротивлении усиленные сигналы складываются, и на нем выделяется напряжение, пропорциональное коллекторным токам транзисторов VT6 и VT7. Таким образом, конечным результатом работы усилителя является усиление напряжения, хотя все транзисторы усиливают токи.

Постоянные смещения на базах транзисторов VT4 и VT5 создаются с помощью диодов VD3, VD4. Подстроечным резистором R2 потенциал коллекторов транзисторов VT6 и VT7 приравнивается к половине напряжения питания. С резистора R13 снимается сигнал ООС по току. Конденсатор С5 и цепочка R8C3 корректируют частотную характеристику усилителя и предотвращают его самовозбуждение на высших звуковых частотах.

Резистор R9 в цепи эмиттеров транзисторов VT4 и VT5 ограничивает максимальный коллекторный ток транзисторов VT6 и VT7 и, таким образом, определяет максимальную выходную мощность усилителя, а также предохраняет выходные транзисторы от пробоя при коротком замыкании в нагрузке. Сопротивление резистора R9 можно подобрать таким образом, чтобы выходная мощность усилителя не превышала номинальную, тогда усилитель будет вообще нечувствителен к коротким замыканиям на выходе. Но при этом импульсные сигналы большой амплитуды, всегда присутствующие, например, в музыкальном сигнале, будут обрезаться. Чтобы этого не происходило, резистор выбран с таким расчетом, чтобы коллекторный ток выходных транзисторов слегка превышал величину, необходимую для получения максимальной мощности. В этом случае усилитель может выдержать короткое замыкание в течение непродолжительного времени, достаточного для перегорания плавкого предохранителя FU1, который включен последовательно с нагрузкой. Цепь R10R12C4 уменьшает коммутационные искажения.

На базы транзисторов VT4 и VT5 подано небольшое постоянное смещение 0,8-1 В (по 0,4-0,5 В на каждый транзистор). Оно недостаточно для того, чтобы открыть транзисторы, но значительно снижает порог их открывания напряжением сигнала. Смещение выбрано экспериментально с таким расчетом, чтобы при температуре транзисторов до 60 °С они еще были бы практически закрыты. Фактически транзисторы VT3 и VT4 нагреваются до значительно меньших температур, так как не имеют теплового контакта с выходными транзисторами и размещаются на отдельных теплоотводах с площадью охлаждающей поверхности около 40 см² каждый. Выходные транзисторы установлены на одном теплоотводе с площадью охлаждающей поверхности 300 см. Максимальная выходная мощность, выделяемая на нагрузке 4 Ома при напряжении питания 12 В, равна 4 Вт. Коэффициент усиления равен 20. Входное сопротивление -- 20 кОм. Искажения типа «ступенька» в выходном сигнале усилителя отсутствует полностью, о чем свидетельствуют результаты измерений нелинейных искажений, приведенные в таблице 3.

Таблица 3 -- Результаты измерений нелинейных искажений

Для еще большего снижения нелинейных искажений схема на рисунке 16 была усовершенствована (рисунок 17) -- входной каскад выполнен по схеме дифференциального каскада на транзисторах VT1, VT2 с генератором тока на транзисторе VT3. Остальная часть схемы не отличается от предыдущей.

Рисунок 17 -- УМЗЧ с входным дифференциальным каскадом и выходным каскадом с ОЭ

В таблице 4 приведены результаты измерений нелинейных искажений УМЗЧ на рисунке 17.

Таблица 4 - Результаты нелинейных искажений усовершенствованного УМЗЧ

3.2 Расчет усилителя с комбинированной (по току и напряжению) отрицательной обратной связью

Усилитель с комбинированной (по току и напряжению) отрицательной обратной связью имеет ненулевое (положительное) выходное сопротивление [18--20]. При этом улучшаются условия работы громкоговорителя и снижаются его нелинейные искажения. Построение цепей комбинированной ООС для неинвертирующего усилителя показано на рисунке 18.

Рисунок 18 -- Неинвертирующий усилитель комбинированной ООС

Здесь резистор R1 формирует цепь ООС по напряжению (ООСН). Резистор R_T -- датчик тока, протекающего через сопротивление нагрузки R_H. Напряжение с резистора R_T, пропорциональное току нагрузки, подается на инвертирующий вход усилителя через резистор R2, осуществляя ООС по току (ООСТ). От соотношения сопротивлений всех этих резисторов зависит выходное сопротивление R_вых усилителя и его коэффициент усиления К_у. Сопротивление резистора R_T должно быть по возможности меньше, чтобы не снижать КПД усилителя (повышение выходного сопротивления с помощью комбинированной ООС почти не влияет на КПД усилителя). Значение R_вых в любом случае не может быть меньше сопротивления R_T.

Таким образом, легко получить требуемое выходное сопротивление в любом усилителе. Для этого его необходимо дополнить резисторами R_T и R2 с нужным сопротивлением. Интересно, что для неинвертирующего усилителя существует соотношение сопротивлений резисторов цепей ООС:

R_H/R_T = R1/R_ос, (5)

при котором К_у не зависит от значения R2. Этим удобно пользоваться при доработке уже существующих усилителей. При другом соотношении сопротивлений К_у может увеличиваться или уменьшаться с ростом R2.

Чтобы получить требуемое выходное сопротивление в существующем усилителе, его необходимо дополнить резисторами R и R2 нужной величины. У неинвертирующего усилителя при соотношении сопротивлений резисторов R_н/R = R1/R_oc коэффициент усиления не зависит от величины сопротивления R2. Этим удобно пользоваться при доработке уже существующих усилителей.

Расчет комбинированной ООС весьма трудоемок, и для его облегчения была использована бесплатная программа combinOS.exe [13]. Она позволяет рассчитывать цепи ООС как неинвертирующего, так и инвертирующего усилителя и выполняет три варианта расчета:

1 Доработка существующего усилителя для получения требуемого значения R_вых. При этом все элементы цепи ООС являются известными. Задается величина R. В результате расчета получается требуемое значение сопротивления R2 и получившийся при этом коэффициент усиления К_у.

2 Конструирование усилителя с заданным R_вых. Задаются значения К_у, R_вых и вычисляются требуемые значения R1 и R2.

3 Оценка параметров усилителя с известной схемой. Задаются номиналы всех элементов цепей ООС, и вычисляются значения R_вых и К_у, соответствующие такой схеме.

При доработке существующего усилителя цепью ООСТ для получения требуемого значения R_вых все элементы цепи ООСН предполагаются известными. Также задается сопротивление токового датчика R_T. Оно выбирается из соображений допустимой рассеиваемой мощности. В результате расчета получается требуемое значение сопротивления R2 и получившийся при введении дополнительной цепи ООСТ коэффициент усиления К_у.

При конструировании усилителя с заданным R_вых задаются значения К_у R_вых и вычисляются требуемые значения R1 и R2.

Для оценки параметров усилителя с известной схемой задаются номиналы всех элементов цепей ООС и вычисляются значения R_вых и К_у соответствующие такой схеме.

Свойство неинвертирующего усилителя сохранять неизменным коэффициент усиления при изменении глубины ООСТ, а значит, и выходного сопротивления можно использовать для создания усилителей с оперативно регулируемым выходным сопротивлением. На рисунке 32 показана упрощенная схема введения регулятора выходного сопротивления для усилителя, описанного в [20]. Добавлено три элемента (рисунок 19): резисторы R2-1 и R2-2, которые совместно образуют резистор R2 на рисунке 3, а также датчик тока нагрузки -- резистор R_T = R_ocR_H/R1. Резистор R2-1 ограничивает диапазон регулирования выходного сопротивления максимальным значением 8 Ом (удвоенным сопротивлением нагрузки) при установке движка R2-2 в крайнее левое по схеме положение. Минимальное выходное сопротивление усилителя равно 0,6 Ом.

Рисунок 19 -- Усилитель с регулируемым выходным сопротивлением

3.3 Измерение характеристик динамических головок и выбор акустического оформления

Ввиду сложности изготовления корпусов акустических систем при разработке малогабаритной активной акустической системы было решено использовать имеющиеся в наличии готовые акустические системы: акустическая система с открытым оформлением и головкой 2ГД-40 от отечественного магнитофона «Электроника-311»; компьютерная акустическая система «Typhon» с фазоинвертором и головкой 105FS-AN. Эти системы имеют головки с простейшей магнитной системой, поэтому для снижения их нелинейных искажений актуально увеличение выходного сопротивления усилителя.

Для измерений характеристик динамических головок использовалась программа Diagnostic System for Sound Fields v5.0.5.5. Данная программа использует аудиоконтроллер компьютера в качестве ЦАП и АЦП и содержит в своем составе различные виртуальные измерительные приборы: генераторы сигналов, осциллограф, спектроанализатор, измеритель нелинейных искажений и др. К линейному выходу аудиоконтроллера подключался описанный выше усилитель с регулируемым выходным сопротивлением нагруженный на испытуемую динамическую головку. В качестве измерительного микрофона использовался электретный микрофон, подключенный к микрофонному входу аудиоконтроллера.

3.4 Изготовление и испытание макета активной акустической системы

После компьютерного моделирования принципиальных схем был изготовлен макет активной акустической системы, который состоит из УМЗЧ с комбинированной (по току и напряжению) отрицательной обратной связью и акустических систем с головками 2ГД-40 и 105FS-AN.

В таблице 5 приведены результаты измерений нелинейных искажений разработанных схем УМЗЧ.

Таблица 5 - Результаты измерений нелинейных искажений разработанных схем

Теперь из этих УМЗЧ был выбран усилитель, обладающий наилучшими качественными показателями.

Выходные транзисторы размещены на одном теплоотводе с площадью охлаждающей поверхности 600 см². Транзисторы VT1 и VT3 размещены на отдельных теплоотводах с площадью охлаждающей поверхности по 60 см² каждый.

Немаловажным достоинством обоих усилителей является то, что постоянное напряжение на их выходах устойчиво поддерживается на нулевом уровне (с точностью до единиц мВ) за счет сильной ООС по постоянному току. Усилители рассчитаны на питание от стабилизированных источников, однако их можно питать и нестабилизированным напряжением. В этом случае придется повысить напряжение питания и увеличить площадь теплоотвода для выходных транзисторов.

Налаживание усилителей сводится к подбору напряжения между базами транзисторов предвыходного каскада до значений, указанных на рисунке 4. Практически это делается путем подбора диодов VD3, VD4 (рисунок 17).

Транзисторы подбора не требуют.

Основные технические характеристики усилителя (рисунок 5) представлены в таблице 6.

Таблица 6 - Основные характеристики усилителя

На рисунках 20--27 приведены диаграммы нелинейных искажений акустических систем с головками 2ГД-40 и 105FS-AN на расстоянии 0,1 м на различных частотах при напряжении на головке 0,4 В, при выходным сопротивлении усилителя 0 и 100 Ом.

а б

Рисунок 20 -- Нелинейные искажения головки 2ГД-40 при R_вых = 0 (а) и R_вых = 100 Ом (б)

а б

Рисунок 21 -- Нелинейные искажения головки 2ГД-40 при R_вых = 0 (а) и R_вых = 100 Ом (б)

а б

Рисунок 22 -- Нелинейные искажения головки 2ГД-40 при R_вых = 0 (а) и R_вых = 100 Ом (б)

а б

Рисунок 23 -- Нелинейные искажения головки 2ГД-40 при R_вых = 0 (а) и R_вых = 100 Ом (б)

а б

Рисунок 24 -- Нелинейные искажения головки 2ГД-40 при R_вых = 0 (а) и R_вых = 100 Ом (б)

а б

Рисунок 25 -- Нелинейные искажения головки 105FS-AN при R_вых = 0 (а) и R_вых = 100 Ом (б)

а б

Рисунок 26 -- Нелинейные искажения головки 105FS-AN при R_вых = 0 (а) и R_вых = 100 Ом (б)

а б

Рисунок 27 -- Нелинейные искажения головки 105FS-AN при R_вых = 0 (а) и R_вых = 100 Ом (б)

Результаты измерений нелинейных искажений АС с головками 2ГД-40 и 105FS-AN сведены в таблицу 7.

Таблица 7 -- Нелинейные искажения АС с головками 2ГД-40 и 105FS-AN

Из таблицы 7 видно, что нелинейные искажения динамических головок на частотах выше резонансных снижаются от 2 до 3 раз. Это свидетельствует о хорошей эффективности применения комбинированной ООС в качестве метода снижения нелинейных искажений.

Заключение

Основные результаты дипломной работы состоят в следующем:

1 Изучены принципы работы электроакустических преобразователей, применяемых в акустических системах и схемотехника усилителей мощности звуковой частоты.

2 Изучены методы снижения нелинейных искажений в усилителях мощности и акустических системах.

3 Разработана принципиальная схема усилителя мощности активной акустической системы с малыми нелинейными искажениями.

4 Проведено компьютерное моделирование принципиальной схемы.

5 Изготовлен макет активной акустической системы с малыми нелинейными искажениями, что было достигнуто с помощью применения комбинированной ООС.

Список использованных источников

1 Титце У. Полупроводниковая схемотехника / У. Титце, К. Шенк. -- М.: Мир, 1983. -- 240 c.

2 Сухов Н. К вопросу искажений / Н. Сухов, С. Бать, В. Колосов, А. Чупаков // Радио. - 1989. - № 5. - С. 54-57.

3 Jung W. Marsh R. Selection of Capacitors for Optimum Performance. Part. 11 -- Audio, 1980, vol. 64, № 3, p. 50--62.

4 ГОСТ 23849--79. Аппаратура радиоэлектронная бытовая. Методы электрических низкочастотных измерений.

5 Будииский Я. Усилители низкой частоты на транзисторах / Я. Будииский. -- Л.: Энергия, 1963.

6 К. Качурин. Токовое управление оконечным каскадом усилителей НЧ / К. Качурин.// Радио. -- 1967. -- № 9. -- С. 32--33.

7 Дорофеев М. Режим B в усилителях мощности ЗЧ / М. Дорофеев // Радио. - 1991. - № 3. - С. 53-56.

8 Демьянов В. Широкополосные усилители на триодах / В. Демьянов // -- Радио. -- 1966. -- № 10. -- С. 50--53.

9 Демьянов В. Резонансные усилители на лампах и транзисторах / В. Демьянов, И. Акулиничев. -- М.: Энергия, 1970.

10 А. с. 315267 СССР, МКИ ³ H 03 F 3/18. Усилители мощности низкой частоты / С. Бирюков (СССР). Бюл. № 28 // Открытия, изобретения, товарные знаки. -- 1971.

11 Майоров А. Динамические искажения в транзисторных усилителях НЧ / А. Майоров. -- Радио. -- 1976. -- № 4. -- С. 41--42.

12 Павловская В. И. Акустика и электроакустическая аппаратура / В.И. Павловская. -- М.: Радио и связь, 1986. - 205 c.

13 Горшенин Д. Как выбрать динамическую головку для высококачественной АС / Д. Горшенин // Радио. -- 2008. -- № 6. -- С. 11--15.

14 Горшенин Д. Как выбрать динамическую головку для высококачественной АС / Д. Горшенин // Радио. -- 2008. -- № 7. -- С. 15--18.

15 Горшенин Д. Как выбрать динамическую головку для высококачественной АС / Д. Горшенин // Радио. -- 2008. -- № 8. -- С. 8--12.

16 Иофе В. К. Бытовые акустические системы / В. К. Иофе, М. В. Лизунков. -- М.: Радио и связь, 1984. - C. 68-69.

17 Алдошина И. А. Высококачественные акустические системы и излучатели / И. А. Алдошина, А. Г. Войшвилло. -- М.: Радио и связь, 1983. - 92 c.

18 Агеев С. Должен ли УМЗЧ иметь малое выходное сопротивление / С. Агеев // Радио. -- 1997. -- № 4. -- C. 14--16.

19 Сырицо А. Особенности УМЗЧ с высоким выходным сопротивлением / А. Сырицо // Радио. -- 2002. -- № 2. -- С. 16--17.

20 Рогов И. Регулирование выходного сопротивления УМЗЧ посредством комбинированной ООС / И. Рогов // Радио. -- 2007. -- № 10. -- С. 17--19.

21 Хоровиц П. Искусство схемотехники / П. Хоровиц, У. Хилл. -- М.: Мир, 1983. -- 51 c.

22 Справочник по аналоговым интегральным схемам, изд., перераб. и доп. / А.Л. Булычев. -- Мн.: Беларусь, 1993. -- С. 59--63.

Размещено на Allbest.ru