Eliminazione dell'effetto sonoro del transistor del potente UMZCH. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Amplificatori di potenza a transistor

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Gli appassionati di musica, i musicisti e gli ingegneri del suono hanno notato da tempo che c'è una differenza nel suono dei potenti amplificatori AF a valvole e transistor. In termini di valori misurati dei loro parametri, gli amplificatori a transistor non sono inferiori e talvolta addirittura superiori agli amplificatori a valvole. Ma quando si ascoltano le frequenze ultrasoniche dei transistor, spesso appare il cosiddetto "suono dei transistor". Si manifesta nella distorsione del timbro naturale degli strumenti musicali e può essere brevemente caratterizzato come una perdita della naturale "leggerezza" del suono, un'insufficiente "trasparenza" del suono, nonché una riproduzione specifica delle componenti ad alta frequenza del segnale, espresso nella sensazione del loro “difficile” passaggio attraverso il percorso di riproduzione del suono.

Gli studi hanno dimostrato che questo effetto non si manifesta allo stesso modo in diversi amplificatori della stessa classe. I ricercatori hanno classificato gli amplificatori, ordinandoli in base al deterioramento del suono e al miglioramento del "suono dei transistor". Di conseguenza, gli esperti russi hanno affermato: l'aspetto del "suono del transistor" è associato al coefficiente di distorsione non lineare, con l'avvertenza che tutti gli altri parametri degli amplificatori sono gli stessi. Questa conclusione è confermata dai risultati ottenuti da numerosi ricercatori occidentali [1-3], che mostrano la forte influenza della non linearità della caratteristica di ampiezza, stimata dal coefficiente di distorsione non lineare del segnale. Va notato che la qualità della riproduzione del suono è influenzata negativamente non solo dalle distorsioni non lineari. Ciò è dovuto in misura molto maggiore alle componenti combinatorie dello spettro del segnale, che sorgono a causa della non linearità della caratteristica di ampiezza mentre amplificano contemporaneamente segnali con diversi spettri di frequenza [4].

Nello studio dei componenti combinatori, le raccomandazioni MEK sono state utilizzate per misurare la cosiddetta “distorsione TIM” (Transient Inlermodulation Distortion). All'ingresso degli amplificatori venivano forniti segnali con frequenze di 3,18 kHz e 15 kHz con la stessa ampiezza, fornendo potenza di uscita con un livello inferiore al livello nominale di 3 dB.

I risultati dei test hanno confermato le ipotesi teoriche secondo cui il segnale di uscita degli amplificatori a transistor è più ricco di armoniche (si osserva la presenza di circa 11 armoniche) rispetto a quello degli amplificatori a valvole (lo spettro comprende fino a 5 armoniche), il che influisce sulla percezione soggettiva del immagine sonora. Inoltre, si è scoperto che lo spettro delle frequenze combinate degli amplificatori a transistor è "denso" rispetto a quello degli amplificatori a valvole. Queste caratteristiche dello spettro armonico e dei componenti combinatori sono, secondo gli autori, una delle ragioni principali della comparsa del “suono del transistor”.

Da quanto sopra segue la conclusione ovvia. che gli standard per il coefficiente di distorsione non lineare (Kni) degli amplificatori a valvole non sono applicabili al transistor UMZCH. Per loro, il Kni consentito dovrebbe essere significativamente inferiore. Lo stesso vale per il fattore di distorsione di intermodulazione. Anticipando le difficoltà di influenzare intenzionalmente l'ampiezza dello spettro delle componenti armoniche del segnale utile, l'unico metodo per combattere il "suono del transistor" è ridurre Kni ad un valore al quale l'influenza delle frequenze combinate del segnale non viene percepita soggettivamente. Per fare ciò è necessaria una tecnica per valutare le distorsioni non lineari che consenta di determinare in modo inequivocabile la soglia al di sotto della quale non compare il “suono dei transistor”.

Il metodo per valutare la qualità degli amplificatori utilizzando le distorsioni TIM non differisce in modo significativo dal noto metodo spettrale, ma non è applicabile nella pratica, poiché sono necessarie nuove apparecchiature di misurazione specializzate. Come mostrano gli studi presentati in [6], il metodo a segnale singolo è abbastanza applicabile per stimare Kni in qualsiasi sistema audio con una risposta in frequenza uniforme, che può essere facilmente ottenuta negli amplificatori Hi-Fi di alta qualità. I risultati seguenti sono ottenuti da esperimenti condotti utilizzando il metodo del segnale singolo.

A causa della non linearità intrinseca dei transistor, è impossibile costruire amplificatori senza introdurre un dispositivo speciale per ridurre le distorsioni non lineari. L'introduzione del feedback negativo (NF) riduce Kni in modo più efficace. Per evitare una serie di problemi che ogni progettista incontra quando sviluppa uno stadio di output con OOS [6, 7]. È necessario osservare le seguenti regole:

• ridurre il numero di cascate coperte dal sistema generale di protezione ambientale;
• utilizzare circuiti di compensazione per rimuovere le armoniche di numero pari in alcune fasi;
• introdurre norme locali sulla protezione dell'ambiente.

L'UMZCH, progettato e costruito da Lynch Marshall [8], soddisfa al meglio questi requisiti. Questo amplificatore è paragonabile agli amplificatori a valvole. I risultati corrispondenti si riflettono nella tabella.

Durante il test, gli amplificatori sono stati accesi secondo il circuito mostrato in Fig. 1. Qui l'U1 è un registratore da studio. Z1 - equalizzatore multibanda. A1 e A2 sono amplificatori la cui qualità del suono viene confrontata.

Per non violare la purezza dell'esperimento, negli altoparlanti non erano presenti filtri di frequenza che introducessero distorsioni di fase. I sistemi acustici (di nostra progettazione) utilizzavano altoparlanti Gudmans, caratterizzati da basse distorsioni non lineari nella gamma di frequenza 0,03...16.5 kHz. La sorgente del segnale utilizzata era un programma registrato su un'apparecchiatura da studio su nastro A4615-6P ad una velocità di 38,1 cm/s da un disco di grammofono di alta qualità riprodotto dal lettore Otophon integrato nel telaio del grammofono XL-1550 del dispositivo Pioneer. Per evitare sovraccarichi, i livelli del segnale agli ingressi dell'amplificatore sono stati impostati in modo tale che anche alla potenza di uscita di picco rimanessero 3 dB al di sotto del massimo.

Durante l'ascolto, la superiorità dell'amplificatore n. 1 rispetto agli amplificatori n. 2 e n. 3 è stata avvertita in termini di “purezza” e “trasparenza” dell'immagine sonora durante la trasmissione dei componenti più alti dello spettro sonoro. Inoltre, per ottenere approssimativamente lo stesso suono bilanciato (timbro), la risposta dell'equalizzatore dell'amplificatore n. 1 era uniforme, mentre quando si lavorava con l'amplificatore n. 2 era necessario un aumento di + 10 dB nell'intervallo di frequenza da 1 a 16 kHz. L'amplificatore n. 3 era inferiore a tutti gli altri nella qualità della riproduzione del suono.

Per gli amplificatori a valvole n. 4 e n. 5 non c'è consenso, ma si è riscontrato che non presentano alcun vantaggio rispetto all'amplificatore n. 1. A questo proposito sono stati effettuati ulteriori test sull'amplificatore n. 1 quando era collegato ad un complesso di riproduzione del suono valvolare a due vie con feedback elettromeccanico (EMOS) e con una larghezza di banda (pressione sonora) di 0,016...25 kHz. Lo schema a blocchi dell'installazione è mostrato in Fig. 2.

Il partitore resistivo R1-R2 è servito come carico di prova per l'amplificatore n. 2 (A1 in Fig. 2), selezionato in modo da ottenere un coefficiente di trasmissione pari a 1. Il test ha mostrato che l'inclusione dell'amplificatore n. 1 nell'audio complesso non porta alla comparsa di “toni transistor” " durante la riproduzione di una varietà di programmi musicali. Si è riscontrato che le caratteristiche dell'UMZCH n. 1 coincidono quasi con le caratteristiche dell'UMZCH n. 2, ma hanno un Knee significativamente più basso, non superiore allo 0.04% nella banda 0,02...20 kHz. Questo è il significato di Kni. ovviamente, questo è il limite desiderato oltre il quale il "suono del transistor" scompare. Prendendo come base i principi delineati per la progettazione di apparecchiature AF di alta qualità, nonché una base di elementi relativamente economica, gli autori hanno sviluppato un amplificatore di potenza, il il cui circuito è mostrato in Fig. 3.

(clicca per ingrandire)

Il preamplificatore è costituito da un inseguitore di emettitore sul transistor VT1 e una cascata push-pull simmetrica su VT2, VT3, coperta da OOS locale dovuta ai resistori di emettitore R11 e R12 e OOS generale, collegata dai collettori VT2, VT3 attraverso un divisore R1-R2- RP3 alla base VT1. Il segnale OOS viene aggiunto lì con il segnale di ingresso. I resistori R2 e RP3 fungono contemporaneamente da divisore del segnale di ingresso. Il guadagno del preamplificatore senza feedback negativo è di circa 100, Kni al massimo segnale di ingresso è di circa 0,15%. L'introduzione di OOS riduce il guadagno a circa 5.5 e Kni allo 0.01%. La cascata è bilanciata dal resistore RP8.

La cascata "boost" è assemblata utilizzando i transistor VT4, VT5 e VT6 secondo uno schema simile a un preamplificatore. Il guadagno di questa cascata senza feedback negativo è di circa 100 e Kni = 0,1...0,15%. Ciò è stato ottenuto attraverso l'uso di transistor BD140/BD139 (senza alcuna selezione di transistor in base ai parametri). L'emettitore inseguitore VT4 serve ad aumentare l'efficienza del parallelo OOS introdotto dall'uscita dell'amplificatore attraverso il divisore R14-R15-R20. La frequenza di taglio della cascata è determinata dalle capacità delle giunzioni del collettore VT5, VT6 e dal valore di C13. Per la capacità C13 indicata nel diagramma, la frequenza di taglio è di circa 35 kHz. La catena R16-C8 corregge la risposta in frequenza.

Lo stadio di uscita è simile nel circuito all'amplificatore stereo Brig 001. Per evitare un aumento di Kni e la comparsa del "suono del transistor", viene utilizzato l'OOS locale, implementato sui divisori resistivi R38-R39 e R40-R41-R42-RP44 con basse resistenze. Come nella cascata precedente, la selezione dei transistor non è stata effettuata. Con RP44 il kni del segnale in uscita è ridotto al minimo. Senza OOS, il Kni nell'intera banda di frequenza audio è 0.5...0,7%, il guadagno è 2.7.

La corrente di riposo dei transistor di uscita è impostata su circa 100 mA utilizzando RP30. e l'impostazione "0" in uscita viene eseguita dal resistore RP24.

Con un feedback negativo generale che copre le fasi “oscillante” e di uscita. Il ginocchio alla massima potenza di uscita sull'intera gamma di frequenza è dello 0,02% (misurato con il metodo di compensazione). Escludendo il filtro passa-basso formato dalla catena R14-C6, nella modalità “piccolo segnale” (all'ingresso veniva fornito un segnale con un livello pari a 0,1 del livello nominale), la frequenza limite superiore dell'amplificatore era 1.8 MHz!

Per evitare l'autoeccitazione dell'amplificatore, all'uscita è installato un compensatore Bouchereau - R54-L1. La bobina L1 (induttanza - circa 0,3 μH) è avvolta su R54 (per tutta la sua lunghezza) con un filo da 0.8 (1,0) mm.

Nell'amplificatore sono possibili le seguenti sostituzioni degli elementi: VT1, VT3, VT4, VT7, VT8 - VS546V, 2T3167V(S), VS107. KT315V(G); VT2, VT9 - ВС556В, ВС177В(С), 2Т3307В(С), KT361B(Г); VT5 - 2T9140C, КT814B; VT6-2Т9139С. KT815V:VT10-2T7638V. KT626V; VT11-2T7637V, KT807B; VT12, VT13-KD3442. 2N3442, 2N6259A, KD502. Il transistor VT7 è rivestito con pasta termoconduttiva e fissato al radiatore vicino a VT12 o VT13 (nella parte superiore del radiatore). In conclusione possiamo dire che:

• il "suono del transistor" è causato dall'imperfezione del circuito standard dell'UMZCH e dalla struttura dei semiconduttori stessi;
• il “suono del transistor” scompare quando Kni scende allo 0,03...0.04% nella banda di frequenza operativa;
• Con una base di elementi moderna, il Kni basso si ottiene con una protezione ambientale complessiva sufficientemente profonda.

Letteratura

1. Otata M. Distorsione della termodulazione transitoria negli amplificatori audio commerciali. - Jorurnat della Audio Engineering Society, 1974, maggio.
2. Marsha Leach W. Distorsione IM transitoria negli amplificatori di potenza. - Audio, febbraio 1975.
3. Progettazione dell'amplificatore di potenza Baxandoll P.J.Audio. - Mondo senza fili, 1978, gennaio.
4. Lupo V.M. Sull'intensità delle componenti armoniche e combinatorie durante distorsioni non lineari di oscillazioni di forma complessa. - Diario acustico, 1955, vol.1. Numero 4.
5. Rakovskij V.V. Misurazioni nelle apparecchiature di registrazione del suono cinematografico. - M.: Arte, 1962.
6. Zuev. P. Informazioni sulle distorsioni dinamiche negli amplificatori a transistor a bassa frequenza. - Radio, 1978, n. 8. N.ZZ.
7. Mayorov A. Distorsioni dinamiche negli amplificatori a transistor a bassa frequenza - Radio, 1976, n. 4, C41.
8. Marshall Leach W. BuiW a amplificatori TIM bassi. - Audio, febbraio 1976.
9. Tyuliev N. Amplificatore 40 W. - Giovane designer, 1983, n. 4, S.Z.

Autori: D. Kostov, V. Todorov

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