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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA UMZCH con un ingresso simmetrico senza una protezione ambientale comune. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Amplificatori di potenza a transistor L'amplificatore si distingue per l'utilizzo di un loop di feedback locale di tipo compensativo, che riduce la distorsione dello stadio di uscita. L'uso di uno stadio di ingresso altamente lineare ha eliminato la necessità di introdurre un feedback comune e la sua simmetria in un'ampia banda di frequenza elimina praticamente l'influenza di interferenze esterne sull'amplificatore. I vantaggi di UMZCH con una protezione ambientale generale sono ben noti e sono stati considerati più di una volta nella letteratura specializzata [1] e sulle pagine della rivista Radio. Tuttavia, nonostante le elevate caratteristiche tecniche, la loro reale qualità di riproduzione del suono è spesso tutt'altro che ideale, mentre gli UMZCH relativamente semplici senza OOS generale (o con OOS fino a 20 dB) hanno un suono più naturale rispetto agli UMZCH con OOS profondo. Gli sviluppatori sono giunti alla conclusione che il principale colpevole è la distorsione dinamica associata a una scelta infruttuosa e all'implementazione della risposta in frequenza e della risposta di fase degli stadi dell'amplificatore coperti da OOS profondo. Nell'industria audio è emersa anche una direzione separata: si tratta di amplificatori con un percorso del segnale a basso stadio senza un OOS comune e talvolta con compensazione per distorsioni non lineari [2]. UMZCH di questo tipo viene eseguito su lampade o transistor appositamente selezionati che operano in classe A o AB con un'elevata corrente di riposo e sono caratterizzati da un costo elevato. Gli sviluppatori di tale UMZCH utilizzano solo componenti di alta qualità, gli stadi di ingresso sono costruiti secondo circuiti simmetrici (bilanciati) e per ottenere una bassa resistenza di uscita viene utilizzato un gran numero di potenti transistor con parametri selezionati, che, di fatto, garantisce la ripetibilità delle caratteristiche dichiarate dell'UMZCH. Nell'UMZCH proposto senza un OOS comune, viene utilizzato uno stadio di ingresso simmetrico basato su un inseguitore di corrente [3]. Il circuito UMZCH è funzionalmente semplice e comprende un amplificatore di tensione e un amplificatore di corrente. Tale struttura corrisponde a uno dei principi dell'audio High End: un minimo di "lunghezza elettrica", ad es. un minimo di stadi di amplificazione e componenti nel percorso del segnale. L'amplificatore utilizza il feedback locale per ridurre la distorsione dello stadio di uscita. Durante lo sviluppo dell'UMZCH, l'attenzione principale è stata rivolta alla riduzione del numero di stadi di amplificazione e all'aumento della linearità iniziale dell'amplificatore di tensione. Una caratteristica dell'UMZCH è l'assenza di stadi di amplificazione realizzati secondo lo schema con un emettitore comune (OE) o con una sorgente comune (OI). È noto che una cascata differenziale consiste solitamente in una coppia di transistor collegati secondo un circuito con un OE o RO [1] e introduce notevoli distorsioni non lineari [4]. Utilizzando circuiti di commutazione con base comune (OB), collettore comune (OC) e drain comune (OS) insieme a una breve lunghezza del percorso di amplificazione, è stato possibile creare un UMZCH senza OOS comune con parametri non inferiori a quelli dei prodotti industriali. Gli alti parametri dell'amplificatore sono raggiunti attraverso soluzioni puramente circuitali e, a differenza degli approcci esotici e della scienza dei materiali caratteristici dell'High End, non richiedono l'uso di componenti costosi. UMZCH ha un ingresso bilanciato a bassa resistenza (1200 ohm) ed è progettato per funzionare con sorgenti di segnale che hanno un'uscita regolabile simmetrica. Per realizzare appieno le capacità dell'UMZCH, la sorgente del segnale deve avere un'uscita "aperta" (senza condensatori di accoppiamento). Si noti che la maggior parte delle moderne sorgenti di segnale di alta qualità sono in grado di trasmettere un segnale senza distorsioni a un carico a resistenza relativamente bassa (fino a centinaia di ohm). Nelle apparecchiature da studio o professionali, l'impedenza di uscita bilanciata della sorgente del segnale è già progettata per un carico di 600 ohm e questo è lo standard del settore. Pertanto, in tali casi, sembra ridondante ottenere un'elevata impedenza di ingresso in un UMZCH di alta qualità. Sulla fig. 1 mostra uno schema a blocchi generale, in cui lo stadio di ingresso è costituito da un amplificatore di tensione simmetrico basato sui transistor VT1, VT2, collegati secondo il circuito OB. Questa cascata è caricata sullo specchio di corrente (transistor VT3, VT4), sul transistor di tracciamento VT5 e sul circuito R6CK.Il transistor nel circuito di commutazione con OB ha una caratteristica di trasferimento più lineare e migliori proprietà di frequenza [5, 6]. Il segnale sotto forma di una tensione di ingresso differenziale (relativa al bus +U1) viene inviato a due resistori R1, R2 di uguale resistenza e viene convertito nella corrente di ingresso degli emettitori dei transistor VT1, VT2. Lo stadio terminale A1 è un inseguitore di tensione.
In [7] è stato utilizzato un circuito amplificatore di tensione simile con uno stadio differenziale di ingresso aggiuntivo su transistor ad effetto di campo. Elementi separati di questo schema sono stati citati da I. Dostal nella sua monografia [8]. Il principio di funzionamento di un tale amplificatore di tensione è descritto in dettaglio in letteratura [7, 8]. Lo stadio finale A1 può essere realizzato su transistor bipolari o ad effetto di campo. L'uscita dell'amplificatore di tensione (nel punto C) ha un'impedenza piuttosto bassa. Ciò rende possibile l'utilizzo di un inseguitore di tensione complementare monostadio come A1, sebbene non sia esclusa la possibilità di utilizzare una struttura a due o tre stadi con un elevato guadagno di corrente nello stadio finale [1]. Un tale UMZCH introduce una minore distorsione nel segnale di uscita rispetto a un amplificatore di una struttura classica e il guadagno reale è di 10 ... 12 dB. Questo è vero, di regola, sempre, se la sorgente del segnale ha una bassa impedenza di uscita e può pilotare un carico di 600 ohm senza aumentare la distorsione non lineare. In tale circuito, la sorgente del segnale è collegata alla linea di alimentazione +U1. L'UMZCH utilizza due alimentatori bipolari con un trasformatore T1: uno per lo stadio di amplificazione della tensione (avvolgimento II, ponte a diodi VD4 e condensatori del filtro di potenza di livellamento C1, C2) e il secondo per l'alimentazione dello stadio finale (avvolgimento III, ponte a diodi VD5 e condensatori C3, C4). Sulla fig. 1 filo comune degli alimentatori e ulteriormente indicato da un rettangolo. L'amplificatore di fig. 1 è caratterizzato da una caratteristica di ingresso fondamentalmente lineare che imposta la linearità iniziale dell'intero UMZCH. Inoltre, il guadagno UMZCH è determinato solo dal rapporto tra i resistori R6 / R2 (o R6 / R1) e non dipende dai parametri dei transistor utilizzati. Può essere impostato con un alto grado di precisione e variato su un'ampia gamma. Le misurazioni mostrano che senza resistori R5, R6, il guadagno della cascata è piuttosto elevato ed è superiore a 400 a una frequenza di 500000 Hz. Gli svantaggi di UMZCH includono alcune restrizioni sui parametri della sorgente del segnale. Deve essere simmetrico e preferibilmente con un'uscita CC aperta. Inoltre, un circuito con un inseguitore di corrente all'ingresso degrada il rapporto segnale/rumore [3]. Consideriamo ora il diagramma schematico UMZCH mostrato in Fig. 2. L'amplificatore presenta circuiti ad alte prestazioni e senza feedback. L'amplificatore di ingresso è realizzato su transistor VT3, VT4, che sono caricati su uno specchio di corrente di tipo cascode VT5, VT6.1, VT6.2, VD5, R8, R13, in cui viene utilizzata una coppia di transistor abbinati K159NT1V (VT6) per migliorare la precisione.
Il carico principale dell'amplificatore di tensione è il resistore R17. Le sorgenti di corrente attive VT1, VT2 (con elementi VD6, VD7, R7, R15) nei circuiti di emettitore dei transistor di ingresso aumentano la linearità dell'amplificatore di tensione nella modalità di segnale grande. Di conseguenza, il coefficiente armonico dello stadio di amplificazione della tensione viene ridotto di quasi un ordine di grandezza e ammonta, ad esempio, allo 0,007% a una frequenza di 2 kHz con una tensione di uscita di 31 V (rms). L'inseguitore di tensione composito sugli elementi VT9, VT10, VT12-VT14, VD13, R18, R19, R22 fornisce un efficace disaccoppiamento dell'amplificatore di tensione dallo stadio finale. Questa soluzione ha eliminato quasi completamente l'influenza della capacità non lineare del transistore gate-drain VT9 sui parametri dell'amplificatore di tensione. In questo follower, la capacità di ingresso VT9 praticamente non cambia, poiché le tensioni tra i terminali di questo transistor sono fisse. L'uso incompleto della tensione di alimentazione nel ripetitore sulla semionda positiva del segnale ha richiesto il suo aumento, quindi la tensione di alimentazione bipolare è asimmetrica rispetto al filo comune dell'alimentatore ed è +57 V e -52 V. Lo stadio finale dell'UMZCH non ha caratteristiche ed è un seguace push-pull su potenti transistor VT15 - VT20, operanti in classe AB con una corrente di riposo di 300 mA. Anche una sorgente di corrente stabile di 220 mA (VT7, VT8, R11, R14, VD9-VD12) è costruita secondo il circuito OB-OB cascode. I transistor VT7, VT8, VT10, così come i potenti transistor, si trovano sui dissipatori di calore. La corrente di riposo dello stadio finale stabilizza il sensore di temperatura sul transistor VT11, che ha un contatto termico con i transistor dello stadio finale. L'integratore basato sull'amplificatore operazionale di precisione K140UD17 (DA1) e sugli elementi R1-R4, R17, C1-C4, VD1-VD4 mantiene la tensione CC minima all'uscita UMZCH, indipendentemente dall'asimmetria della temperatura e della tensione di alimentazione. Per disaccoppiare gli stadi, aumentare la linearità dell'UMZCH e aumentare l'efficienza dello stadio finale, l'amplificatore di tensione è alimentato da una tensione stabilizzata di +57 V e 52 V e lo stadio finale è alimentato da una tensione non stabilizzata di ±44 V. Il guadagno differenziale dell'UMZCH è determinato dal rapporto 2(R17 / R6) ed è di circa 45. Il collegamento dell'uscita dell'amplificatore al punto A attraverso il circuito R5C5 porta a una compensazione parziale delle distorsioni non lineari dello stadio finale e riduce l'impedenza di uscita dell'UMZCH a una frequenza di 1 kHz da 0,2 a 0,035 ohm (le misurazioni sono state eseguite senza il circuito di uscita L1R28). L'impedenza di uscita dell'UMZCH varia leggermente nella gamma di frequenze fino a 10 kHz ed è di 0,05 ohm a una frequenza di 20 kHz. Le misurazioni hanno mostrato che la resistenza di uscita dell'UMZCH non dipende dalla variazione della corrente di riposo dello stadio terminale su un ampio intervallo (nell'intervallo 50 ... 3000 mA), che indica l'efficacia della protezione ambientale applicata. Per misurare il coefficiente armonico (Kg) dell'UMZCH, sono stati utilizzati un misuratore di distorsione non lineare automatico S6-8, un analizzatore di spettro S4-74 e un generatore di segnale GZ-118 insieme a un dispositivo di bilanciamento. Tre resistori PEV-20 da 50 Ohm collegati in parallelo (resistenza 7 Ohm) vengono utilizzati come carico equivalente e cinque di questi resistori vengono utilizzati per un equivalente da 4 Ohm. La tensione di uscita è stata misurata utilizzando un voltmetro VZ-39. Il limite inferiore di misurazione dei Kg con un tale dispositivo è di quasi -90 dB. Il Kg totale dell'UMZCH senza compensazione della distorsione (il circuito R5C5 è disabilitato) con una potenza di uscita di 105 W e un carico di 7 ohm a una frequenza di 1 kHz era 0,099% ea 20 kHz - 0,096%. Lo spettro del segnale contiene principalmente la seconda e la terza armonica di ampiezza comparabile, nonché armoniche superiori di ampiezza minore (le conseguenze del funzionamento dello stadio finale in modalità AB). Quando è stato collegato il circuito R5C5 locale, Kg UMZCH a una frequenza di 1 kHz è sceso allo 0,035% e a una frequenza di 20 kHz - fino allo 0,043% con la stessa potenza di uscita. Con una potenza di uscita massima di 125 W a 7 ohm a una frequenza di 1 kHz (segnale di uscita alla soglia limite), la distorsione nell'UMZCH non supera ancora lo 0,1%. Va notato che i transistor terminali non sono appositamente selezionati e, nel caso della loro selezione preliminare, è possibile migliorare le caratteristiche dell'UMZCH. È successo così che in questo layout UMZCH, l'effettiva diffusione del guadagno nella corrente di emettitore di una coppia complementare di transistor equivalenti risultasse piccola, circa il 10%. Il valore generalizzato del guadagno di corrente a lK \u1d 5 A e Uke \u864d 96 V per il lato superiore (tre transistor KT865A collegati in parallelo) è 87 e per quello inferiore (tre transistor KT4A) - 170. A valori elevati della corrente del collettore, il coefficiente di trasferimento di corrente della base dei transistor dello stadio finale diminuisce. La potenza di uscita massima dell'UMZCH con un carico di 1 ohm è di 0,18 W (allo stesso tempo, a una frequenza di 4 kHz, Kg = 2%). Utilizzando dispositivi importati più potenti nella fase finale, la potenza di uscita dell'UMZCH con un carico di XNUMX ... XNUMX Ohm può essere aumentata anche senza aumentare il numero di transistor. La distorsione di intermodulazione in UMZCH è inferiore a -70 dB (0,03%) quando un segnale di misura con un'ampiezza appena inferiore al livello limite agisce su un carico di 7 ohm, che è la somma di due segnali sinusoidali di uguale ampiezza con frequenze di 20 e 21 kHz. Le distorsioni di intermodulazione sono state valutate utilizzando l'analizzatore di spettro S4-74, che ha una gamma dinamica di almeno 70 dB. È stata stimata la componente di differenza di frequenza di 1 kHz. L'ampiezza di questa componente spettrale si trova al livello di rumore dell'analizzatore di spettro ed è distinguibile solo a grandi tempi di integrazione dell'analizzatore (larghezza di banda - 300 Hz, sweep - 5 s). Va notato che questa modalità di misurazione è stata scelta come la più informativa e quando i segnali sonori reali vengono amplificati, una situazione così estrema è improbabile. Ниже приведены principali specifiche tecniche Layout UMZCH (Fig. 2) quando si lavora su un carico attivo equivalente (resistore).
In UMZCH è possibile utilizzare componenti nazionali e importati. I transistor KT9115A (VT3, VT4) sono selezionati al meglio in coppia con lo stesso guadagno di corrente (ancora meglio: utilizzare coppie abbinate di transistor pn-p ad alta tensione realizzati sullo stesso substrato). Invece di KT9115A, puoi usare KT632B o dispositivi importati 2SA1184, 2N5415. Invece di 159NT1V, è possibile utilizzare qualsiasi coppia di transistor abbinati della struttura npn (il criterio di selezione è il più grande h21E possibile). In UMZCH, invece di KP902A, i transistor MOS a bassa potenza della serie KP305 funzionano bene. Resistori R5-R8, R13 e R15-R17 - C2-29, con R6 e R16, R7 e R15 con la minima tolleranza possibile (nella versione dell'autore, questi resistori hanno una tolleranza dello 0,05%). I resistori rimanenti sono MLT e C5-16MV. La bobina L1 contiene 9 spire di filo isolato con un diametro di 1,53 mm, avvolto con un passo di 2,5 mm su un mandrino con un diametro di 10 mm. Condensatori - KM-6, K73-16, K73-17. A causa delle peculiarità del collegamento della sorgente del segnale all'ingresso UMZCH, è necessario modificare anche il principio di "messa a terra" dell'alloggiamento dell'amplificatore. Il bus "+57 V" del generatore stabilizzato UMZCH deve essere collegato all'involucro metallico della struttura. Il filo comune della sorgente del segnale è collegato allo stesso punto del filo comune. Il filo comune dei circuiti di potenza e dei condensatori del filtro di potenza deve essere isolato dalla cassa dell'amplificatore. È inoltre necessario isolare i terminali di uscita dell'UMZCH. Se l'UMZCH utilizza due alimentatori separati e completamente indipendenti per ciascuno dei canali, i loro bus di alimentazione "+57 V" devono essere collegati in un punto con il case UMZCH. I punti intermedi degli alimentatori non devono essere interconnessi. Nel caso di un'architettura "doppio mono", due canali UMZCH sono collegati tra loro (e al case della struttura) solo tramite il bus di alimentazione +57 V, che, in assenza di circuiti comuni ad alta corrente, influisce favorevolmente sul disaccoppiamento tra i canali. Questa versione dell'UMZCH è stata progettata per funzionare con una console di missaggio professionale che non dispone di condensatori di isolamento in uscita (uscita CC). Con questo metodo di "alimentazione" attraverso le resistenze di ingresso, l'UMZCH consuma sempre una piccola corrente continua dalla sorgente del segnale (circa 2 mA per ogni ingresso). In altri casi, per il normale funzionamento dell'UMZCH, sarà richiesta anche una sorgente di segnale audio con un'uscita simmetrica a bassa impedenza e la capacità di regolare il livello del segnale. In assenza di una sorgente di segnale che abbia un'uscita bilanciata, è possibile utilizzare qualsiasi sorgente di segnale sbilanciata, integrandola con un dispositivo che converte il segnale sbilanciato in bilanciato. Oggi ci sono parecchie opzioni per i dispositivi che implementano questa funzione: da quelli più semplici basati su un trasformatore di bilanciamento a microcircuiti specializzati, ad esempio SSM2142. Per gli stessi scopi, l'autore ha talvolta utilizzato un dispositivo noto come "Di-Box" (Active Direct Inject Box), modello Dl 100 della Behringer. Tali dispositivi sono apprezzati dai musicisti che lavorano con "suono dal vivo" e sono costituiti da un trasformatore balun di alta qualità e da un inseguitore di tensione. Le distorsioni non lineari da essi introdotte sono piuttosto piccole (solitamente inferiori allo 0,005%). Sulla fig. La Figura 3 mostra un circuito "simmetrico" realizzato con un sistema operativo a simmetria incrociata su doppi amplificatori operazionali DA1 (in un pacchetto) e resistori di precisione R1-R8.
Il grado di simmetria del segnale di uscita dipende dalla diffusione individuale dei resistori accoppiati e richiederà effettivamente un'ulteriore regolazione (la resistenza di questi resistori può essere unità o decine di kilo-ohm). Un circuito più complesso con la possibilità di regolare la simmetria è mostrato in Fig. 4 (le resistenze R1-R14 hanno una tolleranza dello 0,05%). Tutte le misurazioni dei parametri UMZCH sono state eseguite utilizzando questo dispositivo.
I dispositivi di bilanciamento proposti possono essere utilizzati come elemento buffer dello stadio di uscita della sorgente del segnale, sebbene la soluzione migliore dovrebbe essere l'uso di un microcircuito specializzato SSM2142, che, al costo di circa $ 4, contiene già tutti gli amplificatori operazionali e i resistori necessari (30 kOhm) ed è appositamente progettato per funzionare su un carico di 600 Ohm. La distorsione non lineare del nodo sull'SSM2142 è inferiore allo 0,006% con un segnale di uscita di 10 V a un carico di 600 Ohm nell'intervallo di frequenza di 20.. .20000 Hz. Un amplificatore correttamente assemblato non ha quasi bisogno di essere regolato. Prima di accendere il motore del resistore di sintonia R20 deve essere nella posizione superiore secondo lo schema. Prima della prima accensione e delle successive regolazioni senza carico, è necessario collegare ai circuiti di alimentazione dello stadio finale due potenti resistori di protezione con una resistenza di 10 ... 20 Ohm. Questi resistori proteggeranno i transistor dello stadio finale, ad esempio, in caso di errori di cablaggio. Se si verifica l'autoeccitazione, è necessario aumentare la capacità dei condensatori di neutralizzazione e correzione (C5, C6). Successivamente, controlla la tensione costante all'uscita dell'UMZCH. Non dovrebbe essere superiore a 1...2 mV. Quindi, in base alla caduta di tensione su uno dei resistori di protezione, regolando la resistenza R20, viene impostata la corrente di riposo dello stadio finale. Dopo aver riscaldato l'amplificatore per 1 - 2 ore, il suo valore dovrebbe essere 300 ... 350 mA. A questo punto dovrebbe essere completata la regolazione dell'UMZCH e le resistenze di protezione dovrebbero essere escluse dai circuiti di potenza dello stadio finale. In un dispositivo di bilanciamento, gli amplificatori operazionali dovrebbero funzionare bene per un carico di 600 ohm. Qui puoi usare OPA604 (OPA2604), OPA134 (0PA2134, 0PA4134), LT1468, LT1469, LM6171, LM6172. Adatto anche LM837, AD841. Letteratura
Autore: A. Orlov, Irkutsk
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