Главная Контакт Ссылки
Украдет ли усилитель виртуальную глубину Версия для печати
Написал И. Пугачёв   
вторник, 23 Сентябрь 2003

О качестве воспроизведения звуковых, в основном музыкальных, программ еще не все сказано, хотя говорится давно. Приоткрываются все новые стороны этого процесса. Вступил в полемику и уважаемый Н.Е.Сухов [1]. Отвечая на утверждение экспертов журнала "Аудио-магазин" о том, что в разработанном им усилителе высокой верности [2] микросхема на входе усилителя наверняка украдет "виртуальную глубину стереопанорамы", столь необходимую для создания эффекта присутствия, он задается риторическим вопросом: почему именно операционный усилитель К574УД1 "украдет глубину", а десятки других ОУ, через которые проходит звуковой сигнал до него, будут вести себя "порядочно" и ничего "не украдут"? Ответа на этот вопрос в статье, к сожалению, нет, хотя вопрос весьма интересный.

В журнале "Радиохобби", который выпускает Н.Сухов, публикуется много материалов, касающихся высококачественного звуковоспроизведения. Например, один из авторов рекомендует после кардинально улучшающих схемотехнику CD-плейера переделок дополнительно пропустить электрический аналоговый сигнал через ламповый усилительный каскад, после чего звук приобретает-де некое "благородное" звучание.

Да уж! Сколько интригующих слов и заявлений, достойных театральной сцены! Но ведь речь-то идет о технических устройствах, где все или почти все можно измерить.

Обратимся к схемотехнике операционных усилителей и описанию их поведения [3]. На страницах этой энциклопедии по ОУ автор неоднократно подчеркивает, что существует всего один путь получения малого (менее 1 мкс) времени установления усилителя в пределах погрешности 0,01 % — это использование двухкаскадного ОУ с частотной коррекцией одним конденсатором. Что здесь имеется в виду? Имеются в виду динамические погрешности операционной схемы, т.е. ОУ с цепями обратной связи, при негармонических воздействиях.

Схемы УМЗЧ часто строятся многокаскадными: на входе — ОУ (два или три каскада усиления напряжения), далее — еще усилители напряжения и тока. Все вместе охватывается глубокой отрицательной обратной связью для уменьшения нелинейности всей конструкции. Затем измеряется коэффициент гармоник и коэффициент интермодуляционных искажений, и если они малы (менее 0,01%), то УМЗЧ считается "высоколинейным", "прозрачным" и т.д. Но ведь измерение нелинейности ведется на непрерывном синусоидальном сигнале (гармоническом), а работает УМЗЧ с совершенно другими — импульсными (скачкообразными). И тогда проявляются динамические нелинейные искажения [4]. Для их уменьшения повышают скорость нарастания выходного напряжения до 20 В/мкс [2] и даже до 160 В/мкс [5], ставят на входе УМЗЧ фильтр нижних частот с частотой среза 60...100 кГц.

Рис. 1

Это полезные меры, но это еще не все. В [3] показано, как зависит реакция операционной схемы на ступенчатое (скачкообразное) воздействие от вида диаграммы Боде (идеализированной амплитудно-частотной характеристики — АЧХ) примененного ОУ. На рис.1 показаны три характерные диаграммы Боде, которые встречаются в практически используемых усилителях. Они построены в двойных логарифмических координатах. Здесь Ао — коэффициент усиления на постоянном токе, fо — главный полюс АЧХ, fT — частота единичного усиления, fc — сопрягающая частота, fВЧ— высокочастотные полюса, fp и fz —дополнительный полюс и нуль АЧХ, создающие так называемый диполь (дублет), G — коэффициент усиления операционной схемы (т.е. нашего усилителя). АЧХ на рис. 1 а — это система первого порядка, или однополюсная. Она дает отклик на входной скачок без колебаний и без затягивания. Усилитель с такой АЧХ будет устойчив (т.е. не будет самовозбуждаться) при активной нагрузке и любом коэффициенте усиления от 0 дБ (G=1) до Ао. Реальный коэффициент усиления падает на частоте fо (и fc) на 3 дБ. Высокочастотные полюса лежат, как правило, ниже уровня 0 дБ. Чаще всего они обязаны своим появлением частотным свойствам примененных транзисторов. Разработчики ОУ стремятся получить именно такую АЧХ с наклоном 6 дБ/октаву. Но это удается не всегда. При сопряжении АЧХ отдельных каскадов усилителя могут получиться характеристики с диполями (рис.1б и 1в), где крутизна спада отличается от 6 дБ/окт.

Отклик усилителя с диполем на АЧХ совершенно не годится для усилителей звуковых сигналов высокого качества, где бы этот диполь ни располагался. Его влияние сказывается даже тогда, когда он расположен правее частоты fc. Что же это за влияние? Оказывается, процесс установления напряжения на выходе операционной схемы в этом случае протекает в два этапа: "быстрая" экспонента до погрешности 1...0,1% и затем "очень длинная" экспонента до установившегося значения (например, до погрешности 0,01%), причем медленная экспонента может превосходить быструю по времени в тысячи раз! При определенном соотношении fz, fp и fT возможно появление затухающих колебаний. Измерением коэффициента гармоник или коэффициента интермодуляционных искажений это явление, скорее всего, не обнаружить. Нужно измерить АЧХ усилителя без обратной связи или его реакцию на скачок входного напряжения. И то, и другое не просто. Нужен генератор синусоидальных сигналов, как минимум до 50 МГц, такой же осциллограф и чувствительный вольтметр. АЧХ — это малосигнальная характеристика, а номинальный входной уровень УМЗЧ — 0,3...1,5 В. Отсюда видно, что провести также измерения не всякому радиолюбителю под силу.

Как быть? Не нужно слепо копировать публикуемые схемы; нужно с осторожностью относиться ко всякого рода "коррекциям" АЧХ, повышающим устойчивость и "расширяющим" частотный диапазон. И, главное, не стоит делать сложных конструкций. Истина в простоте!

Идеальный усилитель — один каскад усиления напряжения и бустер (усилитель мощности) тока, т.е. однополюсная АЧХ. Но, увы, это трудно осуществить.

Рис. 2Предположим, нам нужно получить усилитель с коэффициентом гармоник Кг не более 0,01% в полосе 20 кГц на максимальной мощности и коэффициентом усиления 34 дБ (50 раз). Тогда исходный, не охваченный ОС усилитель должен иметь АЧХ, обозначенную А1 на рис.2. Если же мы хотим получить Кг=0,001%, то исходный усилитель должен иметь АЧХ, обозначенную А2. И если в первом случае можно допустить появление высокочастотных полюсов за частотой fc и применить транзисторы КТ818, КТ819 с fт=3 МГц в выходном усилителе тока (эмиттерные повторители), то во втором — нельзя, т.к. ВЧ-полюс АЧХ будет лежать выше линии G, и она будет пересекаться с участком АЧХ, имеющим наклон 12 дБ/окт, что вызовет неустойчивость усилителя. Об этом и сказано в [1,2]. Там же говорится, что коррекцией АЧХ на опережение этот полюс скомпенсирован. Возможно, это и сделано. Но нужно иметь в виду, что такая компенсация почти всегда будет приводить к появлению диполей на АЧХ, т.к. разбросы fT транзисторов, АЧХ исходного усилителя и других параметров превосходят 5%, а при отличии fz и fp на 5 % затягивание очень заметно.

Кроме того, выходной усилитель тока состоит не из одного эмиттерного повторителя, а из 2...3, и каждый вносит свой полюс в АЧХ. Например, транзисторы КТ816, КТ817 тоже имеют fT=3 МГц. Автор усилителя [5] в качестве предвыходных повторителей предусмотрительно применил транзисторы с fT=50...100 МГц (КТ969, КТ639, КТ961, КТ9115). Кроме того, заглянув в справочник по транзисторам, мы обнаружим сильную зависимость fT от тока коллектора. Таким образом, можно сделать вывод, что на АЧХ такого усилителя наверняка будут диполи, и возможно достаточно сильное затягивание переходного процесса.

Вот вам и "виртуальная глубина" вместе с "прозрачностью"!

ЛИТЕРАТУРА

  1. Сухов Н. Правда и "сказки" о высококачественном звуковоспроизведении. — Радио, 1998, N7, С.13-15.
  2. Сухов Н. УМЗЧ высокой верности. — Радио, 1989, N6, С. 55-57.
  3. Достал И. Операционные усилители.—М.: Мир, 1982,512с.
  4. Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. — М.: Мир, 1991,446 с.
  5. Агеев С. Сверхлинейный УМЗЧ с глубокой ООС. — Радио, 1999, N10, С. 15-17.

Радиолюбитель № 9 2000г.

< Пред.   След. >
up Главная | Новости | Усилители мощности | Предусилители | Акустика | Источники сигнала | FAQ | Форум | Карта сайта up
 

Mambo is Free Software released under the GNU/GPL License.