Интермодуляционные искажения в усилителях звуковой частоты и ООС — осторожно, опасные связи

Казалось бы, что может быть проще — взял блок питания, подключил его двумя или тремя проводами к усилителю и всё… должно запеть? Оказывается не всегда. Как мы уже выяснили в первой части этого цикла статей, тут существует множество подводных камней.

Продолжим разбираться в хитросплетении питающих усилитель проводов. И как ни странно, больше всего проблем может доставить общий (земляной) проводник.

Для начала исправим одну оплошность. В первой части статьи была опубликована схема двухполярного блока питания усилителя, но отсутствовала его монтажная схема.

Вот вам и то, и другое:

Двухполярный блок питания усилителя мощности.

Монтажная схема двухполярного блока питания усилителя мощности

По сути здесь два «отзеркаленных» однополярных блока.

Обратный ток акустической системы

Как известно, акустическая система является реактивной нагрузкой. А значит, она может возвращать ток усилителю. Этот ток, протекая по проводникам, создаёт разность потенциалов, что может привести к появлению положительной обратной связи и как следствие нестабильности усилителя.

Для избежания этого, земляную клемму громкоговорителя следует подключать к общему выводу конденсаторов фильтра питания. Часто вывод громкоговорителя подключают к общему выводу микросхемы, как показано на рисунке:

Такое подключение замыкает отрицательную полуволну сигнала в локальном контуре, исключая фильтрующий конденсатор, который мог бы снизить излучаемые помехи и повысить стабильность системы.

На рисунке показано, как ток утечки на землю одной полуволны сигнала может навести неприятные помехи и искажения, если общий провод громкоговорителя подключен к выводу выходного каскада микросхемы:

Аналогично, если на плате усилителя в цепях питания есть байпасные конденсаторы (а они обычно есть) довольно большой ёмкости в несколько сотен микрофарад, то импульсы зарядного тока также создадут на общем проводнике разность потенциалов. Поэтому, повторимся ещё раз, наилучшая точка подключения общего провода акустической системы — это общий вывод конденсаторов фильтра питания.

Дата 04 августа 2020 г.

Автор Вашкалюк Н.Н. для

В данной статье описан УМЗЧ, построенный на гибридной интегральной схеме (ГИС), работающей в высокоэффективном режиме G. Схема имеет двухуровневое питание, где основным напряжением выступает VL (низковольтная часть), а VH (высоковольтная часть) подключается кратковременно при превышении заданного порога выходного напряжения. Такой способ управления питанием позволяет существенно уменьшить тепловыделение усилителя в номинальном режиме работы и увеличить выходную мощность.

* STK411-240E не имеет защиты от КЗ на выходе и при аварии на максимальной выходной мощности выходит из строя за 0.3 секунды (значение из datasheet). Используйте источник питания с защитой от перегрузки, или, на крайний случай, установите быстродействующие предохранители в цепи питании ГИС.

Рис. 1. Схема усилителя на STK411-240E

На входе усилителя установлен ФНЧ первого порядка R2C1 (у второго канала R7C6) для фильтрации высокочастотных помех. Коэффициент усиления (K) схемы приблизительно равен 32 (или 30 дБ) и определяется соотношением сопротивлений K = R5/R4 + 1 или R10/R9 + 1.

Качество звука напрямую зависит от установленных конденсаторов C2 и C7: желательно использовать пленочные, бумажные или фторопластовые. Электролитические конденсаторы устанавливать только в крайнем случае, а керамические (особенно многослойные) — категорически не рекомендуется. Печатная плата рассчитана на монтаж качественной «пленки» от EPCOS B32523Q3225 (2.2 мкФ 250В, шаг выводов 22.5 мм, размеры 10.5 × 16.5 × 26.5 мм).

Резистор R1 обеспечивает развязывание земляной петли между общими проводами сигнальной и силовой цепей. L1 и L2 – катушки с внутренним диаметром 10 мм, имеющие по 15 — 20 витков проводом D = 1.2 мм. Кстати, не советуется наматывать подобные катушки на мощных демпфирующих резисторах (включенных обычно параллельно, подобно R14 R17 на схеме), как это делают многие любители и даже профессиональные разработчики. Дело в том, что корпус резистора для электромагнитного поля может обладать некоторой нелинейностью, которая может негативно сказаться на звуке.

Несколько слов про цепь Цобеля (С15 R13, C16 R18). В datasheet на данную (и не только) STK, а так же во многих других схемах усилителей антизвонная цепь Цобеля находится после выходного дросселя. На мой взгляд, это в корне неверно. Работа данной цепи заключается в улучшении устойчивости усилителя в области ВЧ при работе на большую индуктивную нагрузку (звуковая катушка громкоговорителя, фильтр акустической системы) и, подключая цепь Цобеля после выходной катушки, мы к ее работе добавляем индуктивность, что приводит к уменьшению глубины обратной связи на ВЧ, которая может привести к возбуждению и выходу из строя выходного каскада усилителя.

STK411-240E имеет встроенный температурный датчик, подключенный к выводам 12-13 (модель NTH5G2M36B103J04TE производства Murata Manufacturing), с номинальным сопротивлением 10 кОм при 25 0С и параметром B = 3650. Датчик может быть подключен к внешней схеме термоконтроля для организации защиты от перегрева или управления вентилятором принудительного обдува. При этом следует помнить, что, во избегании саморазогрева датчика, а следовательно и увеличению погрешности измерения, максимальный ток терморезистора должен быть ограничен 1.7 мА, а рассеиваемая мощность не должна превышать 20 мВт. На рис. 2 представлен один из возможных примеров использования датчика. Указанная схема удобна тем, что ее можно использовать в широких вариациях, подключая к выходам ОУ любую функциональную нагрузку.

Рис. 2. Схема термоконтроля, использующая внутренний датчик ГИС (RK1)

Данный узел питается напряжением 12 В и обеспечивает две ступени термоконтроля: первая собрана на ОУ DA1a и имеет только визуальную индикацию нагрева радиатора до 57 … 60 0С (светодиод LD1), вторая ступень (ОУ DA1b) включает индикацию (светодиод LD2) и вентилятор принудительного обдува радиатора по достижении температуры 72 … 75 0С. Изменением сопротивлений R3 и R5 можно сместить порог срабатывания первой и второй ступени соответственно.

Резисторы R6 и R7 обеспечивают гистерезис около 10 0Св работе каждого из компараторов. При увеличении сопротивлений этих резисторов гистерезис уменьшается. Например, при R6 или R7 равным 100 кОм, данное значение будет около 5 0С. Транзистор Q1 – практически любой N-канальный MOSFET с током не менее 500 мА. Резистор RK1 – это тот самый терморезистор, расположенный внутри STK411-240E.

При креплении к радиатору корпус ГИС изолировать не требуется. При этом сам радиатор желательно подключить к общему проводу.

ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ должен иметь 4 выходных напряжения: ± VL и ± VH. Пример схемы с использованием классического трансформатора показана на рис. 3.

Рис. 3. Источник питания усилителя, работающего в классе G

Указанные на схеме напряжения рекомендованы для усилителя, работающего с нагрузкой 8 Ом. Мощность трансформатора T1 должна быть не менее 150 Вт, оптимально 200 Вт. RK1 – мощный NTC термистор, предназначенный для ограничения пускового тока блока питания.

ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА выполнена в ПО Designer Spark PCB 8.1 и имеет размеры 95.9 x 58.4 мм. На нижней части находится гибкая перемычка проводом 0.5 мм2. Резистор R1A (1 Ом) для надежности дублирует R1.

Рис. 4. Схема подключения усилителя

Все SMD резисторы типоразмера 1206, SMD конденсаторы 0805 с диэлектриком NPO (X7R, X5R, Y5V и прочие настоятельно не рекомендуется). Электролитические конденсаторы в цепи питания диаметром 13 мм, остальные диаметром 6.3 мм. Клеммники типа DG127 или XY304 с шагом 2.54 мм.

Файл печатной платы, а так же монтажные карты в хорошем качестве находятся в архиве ниже.

ПЕРЕВОД ИЗ КЛАССА G В КЛАСС AB

Все STK, работающие в высокоэффективном режиме G, имеют встроенный коммутатор питания, на который подаются два двуполярных напряжения: VH и VL. Перевод в режим AB осуществляется довольно просто — достаточно отключить низковольтное питание VL и подключить туда высокое напряжение VH (рис. 5). При этом следует убедиться что конденсаторы, ранее находящиеся в цепи VL, имеют соответствующий допуск по напряжению.

Рис. 5. Схема подключения усилителя для работы в режиме AB

Для чего нужно переводить усилитель в режим AB? Во-первых, такой нехитрый мод может значительно улучшить качество звучание усилителя на средних и высоких мощностях за счет отсутствия коммутационных искажений при срабатывании компараторов переключения питания. Но при этом мы сильно проигрываем в эффективности: даже на малой мощности нагрев усилителя будет значительно выше, что повлечёт за собой необходимость увеличения площади радиатора. Во-вторых, можно использовать более простой, а значит и более дешевый, блок питания.

Copyright © Вашкалюк Н.Н., 2020

Перепечатка (копирование) статьи или ее части только с разрешения автора.

ПОХОЖИЕ МАТЕРИАЛЫ

• Усилитель мощности 2 x 100W Mariolla MRL-7293ST
• Усилитель мощности Mariolla VS-270TD
• Усилитель мощности 200W на полевых транзисторах Mariolla MOSFIT-200
• Усилитель 2 x 35W на TDA2050 по схеме ИТУН
• Усилитель мощности 100W Mariolla MRL-7294
• Микросхема TDA7388. Часть 1 – описание и характеристики
• Усилитель мощности 2 x 35W по схеме ИТУН Mariolla MRL-2050
• Усилитель мощности 4 x 45W Mariolla MRL-7388

AdmirorGallery 5.2.0, author/s Vasiljevski & Kekeljevic.

Добавить комментарий

Чем больше мощность, тем хуже…

Часто радиолюбители стараются сделать свой усилитель как можно мощнее (типа, так круче), да и аудиофилы зачастую оснащают свои системы усилителями с мощностью в разы превышающей необходимую для озвучивания обычной комнаты до нормального уровня громкости, мотивируя тем, что так получается больший динамический диапазон. Такие усилители (большой мощности) порой решают одни проблемы, но создают другие.

Индуктивность проводников питания является основным «слабым звеном» усилителей мощности класса АВ. В таких усилителях выходные транзисторы включаются и выключаются поочередно, соответственно по плюсовой и минусовой шинам питания протекают полуволны зарядных токов.

Если эти импульсы через емкостные и индуктивные связи попадут в звуковой тракт это приводит к ужасному размытому звучанию.

Такое происходит, если какая-то чувствительная дорожка (проводник) проходит рядом с шиной питания. Бифилярная свивка проводов питания эффективно подавляет излучаемые помехи за счёт взаимной компенсации положительной и отрицательной полуволн.

На печатной плате этот метод можно реализовать, если шины питания расположить друг над другом с двухсторон платы (требуется двухсторонняяя печатная плата)

Достойный образец проектирования печатной платы для усилителя мощности — это конструкция Ultra-LD 200W, представленная в одном из номеров журнала «Практическая электроника каждый день». На печатной плате этого усилителя реализованы все рекомендации по монтажу, представленные в данном цикле статей. И во многом за счёт этого удалось получить уровень шумов -122 дБ и уровень нелинейных искажений ниже 0,001%.

Примечание редакции РадиоГазеты: если нашим читателям интересно, пишите в комментариях и мы опубликуем описание этого усилителя.

Заземление одной стороны печатной платы хорошо работает в высокочастотных и слаботочных конструкциях. Для усилителей мощности это не подходит, потому как трудно предсказать протекание токов в зависимости от выбора точек заземления.

В современных ламповых усилителях часто общую шину делают в виде отрезка тостого лужёного провода. Многие гуру проповедуют разводку звездой с единственной точкой подключения. Бывают случаи, когда при таком подходе усилители плохо работают. Сказывает большое количество длинных проводов, которые снижают стабильность конструкции.

Как правило, в хорошем усилителе есть несколько точек заземления.

Развязка

При использовании двух фильтрующих конденсаторов при двухполярном питании надо следить, чтобы две полуволны сигнала суммировались в одной точке, как показано на рисунке:

Часто применение одного конденсатора, включенного между плюсом и минусом питания, позволяет решить эту проблему. Этот метод хорошо работает с операционными усилителями типа 5532, и для усилителей мощности типа LM3886.

Когда питание драйверного каскада и выходного каскада подключено раздельными проводами, это может вызвать некоторую нестабильность усилителя на высоких частотах. Проблема решается подключением керамического конденсатора небольшой ёмкости между выводами питания микросхемы:

увеличение по клику

Если ёмкость байпасных (блокировочных) конденсаторов больше 100мкФ, их общий провод должен подключаться к «грязной» земле, так как большие зарядные токи могут создавать ощутимые помехи, если конденсаторы будут подключены к сигнальной земле.

Цепь Цобеля

Цепь Цобеля на выходе усилителя предотвращает его возбуждение на высоких частотах. Импульсы тока в этой цепи могут вызвать проблемы, поэтому должны замыкаться на «грязную» землю, то есть на общий вывод конденсаторов фильтра или байпасных конденсаторов.

Для некоторых микросхем усилителей мощности длинные провода в цепях Цобеля вызывают нестабильность на отрицательных полуволнах сигнала.

Фильтр Низких Частот (ФНЧ) — он же интегратор:

ФНЧ — фильтр, пропускающий без изменения частоты ниже частоты среза (f0) и подавляющий частоты выше f0. На частоте среза имеет значение амплитуды в -3dB. Это фильтр первого порядка и крутизна среза составляет 6дБ/октаву. Чаще всего такие фильтры используются для отсечения высокочастотных помех и шумов.

Октавой называется такой интервал частот, у которого конечное значение частоты больше начального в два раза.

Пример монтажа моно-усилителя

Обычно «звезда» в усилителе с однополярным питанием бывает трёхлучевой: сигнальная земля, земля конденсаторов фильтра питания и «грязная» земля. Пример представлен на рисунке:

увеличение по клику

Здесь под усилителем следует понимать как интегральное исполнение, так и усилители на дискретных элементах.

Как видно, к одному лучу подключена сигнальная земля — здесь токи очень малы, поэтому подключать все элементы отдельными проводниками нет необходимости. Ко второму лучу отдельными проводниками подключены выводы сильноточных цепей: выходного каскада, цепи Цобеля, общий вывод акустической системы и байпасных конденсаторов. К третьему лучу подключен общий вывод фильтрующего конденсатора блока питания.

Правильное подключение общего провода к выводам микросхем показан на рисунке:

Вариант «с» — это неправильный вариант. Из-за сопротивления дорожки большой ток поднимет потенциал слаботочного общего провода относительно вывода микросхемы, что приведет к росту искажений.

Продолжение следует…

Статья подготовлена по материалам журнала «Практическая электроника каждый день»

Автор: Джек Розман

Вольный перевод: Главный редактор «РадиоГазеты»

Компенсирующая цепочка Буше-Цобеля для динамика в картинках

Компенсирующей цепочкой (компенсатором) Буше-Цобеля (дальше в статье – КЦ) называется RC-цепочка, при подключении которой параллельно RL-цепочке входное сопротивление полной цепи становится независимым от частоты:

Условие компенсации: RC = RL = R, C = L/R2 (в единицах системы СИ)

Например, при RL = 4 Oм и L = 1 мГн получаем С = 62,5 мкФ. Во всех примерах по умолчанию будут применены эти исходные данные. Рассмотрим графики зависимости входного сопротивления полной цепи от параметров КЦ:

Для нашего случая RL-цепочка – или отдельный динамик, или АС с фильтром, имеющая индуктивную составляющую комплексного сопротивления. Случай подключения такой нагрузки к усилителю мощности рассмотрен в статье Реактивное сопротивление АС: с чем едят и что делать?. Здесь же подробно рассмотрим подключение динамика к фильтрам низкой частоты (ФНЧ) разного порядка с КЦ и без неё. Для упрощения область механического резонанса динамика не рассматривается, а элементы фильтров не имеют сопротивлений потерь.

ФНЧ первого порядка с индуктивностью катушки 1 мГн и его АЧХ с КЦ и без неё:

Обратите внимание, что без КЦ АЧХ имеет вид ступеньки, разница уровней которой зависит от соотношения индуктивностей фильтра и динамика. Такой вид АЧХ полезен для коррекции отдачи НЧ и ШП динамиков, у которых есть ровная СЧ-ВЧ полка выше басовой. Но без КЦ нет спада -6 дБ/октаву, поэтому настоящий первый порядок ФНЧ для динамика – индуктивность + КЦ, и никак не иначе. Кстати, для СЧ и ВЧ динамиков, у которых активное сопротивление и чувствительность выше, чем у НЧ брата, допустимо вместо RC-цепочки ставить просто резистор. Полной компенсации не будет, зато подровняется ЧХ сопротивления на частоте механического резонанса, что очень полезно. Понятно, что фильтр надо рассчитывать с его учётом.

ФНЧ Баттерворта второго порядка с индуктивностью катушки 1 мГн и ёмкостью конденсатора 30 мкФ:

Расчёты в калькуляторах дадут в результате красную крокозябу вместо нормальной АЧХ, так как по умолчанию нагрузка считается активной! Вдогонку – такая же чумовая фазовая ЧХ и дыра на ЧХ сопротивления. Немного выручают сопротивления потерь в индуктивности и конденсаторе фильтра, уменьшая выброс. Без КЦ нереально угадать частоту среза и крутизну ската. Но на практике на КЦ экономят («и так сойдёт!»), ведь для НЧ динамика потребуется ёмкость порядка 30-120 мкФ, плюс мощный резистор. На помощь приходит ФНЧ «полторашного» порядка, в котором КЦ и конденсатор фильтра совмещены (зелёная линия – АЧХ предыдущего ФНЧ 2-го порядка с КЦ):

Его характеристики близки к ФНЧ 2-го порядка с КЦ в полосе частот, которые надо подавить. Кроме того, ступенчатый характер АЧХ позволяет скомпенсировать подъём АЧХ НЧ динамика на средних частотах. Если ещё вспомнить о влиянии баффл-эффекта, дающего +1,5-2 дБ в диапазоне 500-1000 Гц для большинства стандартных корпусов объёмом 30-100 литров, то станет очевидно, что именно «полторашник» и есть оптимальный вариант для 50 ГДН– и 75 ГДН-. Но рассчитать его с наскока не получится, нужен симулятор в помощь, плюс надо знать индуктивность катушки динамика конкретного типа. За всё надо платить: при той же частоте среза ЧХ сопротивления «полторашника» хуже L:

Схемы 1 и 2 – как на предыдущем рисунке. Второй вариант экономии – неполная компенсация (оранжевая линия на первом рисунке). Применяется, когда частота раздела и индуктивность динамика высокие. В таком случае расчёт фильтра ведут по сопротивлению не динамика, а резистора в КЦ, который хорошо выбрать равным сопротивлению ВЧ динамика (8 или 16 Ом). При этом увеличивается номинал катушки фильтра (а конденсатора – уменьшается):

Напоминает «полторашник», те же полки и проблемы с ЧХ сопротивления.

Ещё способ обойтись без КЦ, похуже, – значительное увеличение индуктивности катушки фильтра:

Получаем: большой расход провода, большое комплексное сопротивление катушки фильтра, увеличивающее добротность динамика, плохие АЧХ, ФЧХ и ЧХ сопротивления.

Вот такой вариант ФНЧ и стоит в S-90 без букв. Экономисты…

Автор: Николай Марков