Экспериментируя с комбинацией различных видов общей обратной связи в УМЗЧ, автор статьи добился положительного эффекта сочетания малого выходного сопротивления на низких частотах и большого - на средних и высоких. Подобный вариант частотно-зависимого выходного сопротивления следует рекомендовать, в первую очередь, для усилителей, работающих с широкополосными динамическими головками, например, в телевизорах и простой звуковоспроизводящей аппаратуре. Доработка усилителя несложная, а улучшение звучания заметно не только искушенному аудиофилу.
Как показано в [1, 2], для резкого уменьшения интермодуляционных искажений динамического громкоговорителя, особенно заметных на средних и высоких частотах, выходное сопротивление УМЗЧ должно быть намного больше сопротивления звуковой головки. С другой стороны, работа АС с таким усилителем нередко приводит к ухудшению качества звучания на низких частотах из-за неравномерности АЧХ в области резонанса.
Существующее противоречие в требованиях к УМЗЧ для всей полосы частот можно преодолеть, применив в усилителе комбинированную обратную связь.
Известно, что для повышения выходного сопротивления в УМЗЧ используют ООС по току нагрузки (ООСТ). Как показано в [3], собственные колебания диффузора головки эффективно подавляются УМЗЧ, в котором одновременно действует две цепи обратной связи: отрицательная по напряжению (ООСН) на нагрузке и положительная - потоку нагрузки (ПОСТ). Эта комбинация двух видов обратной связи в УМЗЧ может создавать отрицательное выходное сопротивление. Такой режим используется, как правило, на частотах ниже 200 Гц, что, с одной стороны, обеспечивает эффективное демпфирование колебаний диффузора вблизи частоты механического резонанса большинства динамических головок НЧ и СЧ, а с другой - не возникает проблем с устойчивостью УМЗЧ, охваченного такой обратной связью.
Исходя из этого и была разработана схема устройства, реализующего идею частотно-зависимого выходного сопротивления УМЗЧ. Так, для улучшения качества звучания динамического громкоговорителя на частотах в области основного резонанса (обычно ниже 200 Гц) усилитель должен иметь некоторое отрицательное выходное сопротивление, а на частотах выше 200 Гц выходное сопротивление должно повышаться до единиц - десятков килоом. Необходимое значение параметра на НЧ выбирают в зависимости от сопротивления звуковой катушки динамической головки и ее акустического оформления, исходя из соображений и рекомендаций в [3, 4], либо ориентируясь на слух.
Структурная схема устройства изображена на рис. 1. Усилитель А1 - УМЗЧ без собственной цепи обратной связи; А2 - дифференциальный усилитель на ОУ; ФНЧ и ФВЧ - фильтры соответственно низкой и высокой частот с одинаковой частотой среза (в нашем случае f = 200 Гц); R3 - резистор датчика тока (R3
Рис. 1. Структурная схема УМЗЧ
Работает устройство следующим образом. Часть УМЗЧ, состоящая из усилителя А2, ФНЧ, резисторов R3 и R4, является для усилителя А1 комбинацией двух видов обратной связи (ООСН и ПОСТ), реализующей отрицательнее выходное сопротивление УМЗЧ на низких частотах (ниже 200 Гц). Принцип работы УМЗЧ с ООСН и ПОСТ подробнейшим образом изложен в [3]. Часть же устройства, содержащая R2, R3 и ФВЧ, образует в УМЗЧ А1 параллельную ООС по току (ООСТ) нагрузки на частотах выше 200 Гц, что создает высокое выходное сопротивление УМЗЧ на этих частотах (режим источника тока для нагрузки).
Для проверки изложенной идеи был изготовлен макет УМЗЧ, принципиальная схема которого приведена на рис. 2.
Рис. 2. Принципиальная схема макета УМЗЧ
В качестве УМЗЧ А1 для макета была использована старая (из радиолюбительских "закромов") микросхема TESLA MDA2020 - аналог TDA2020 и отечественной К174УН11, а также самодельный громкоговоритель с одной головкой ЗГД-38Е (новое обозначение - 5ГДШ-1-4) сопротивлением 4 Ом, применявшейся в телевизорах. ФНЧ собран на элементах R3 и С2; ФВЧ - на элементах R4, С4; датчик тока - R8; делитель цепи ООСН - резисторы R10, R11. Подстроенный резистор R7, включенный параллельно датчику тока, служит для установки оптимального отрицательного выходного сопротивления УМЗЧ. Наличие в схеме резистора R1 обязательно для установки режима УМЗЧ по постоянному току.
Налаживание устройства производится в следующем порядке.
Вместо громкоговорителя подключают его резистивный эквивалент (Rн=4 Ом). Движки подстроенных резисторов R7 и R10(см. рис. 2) устанавливают в нижнее по схеме положение.
Включив питание, подают на вход УМЗЧ синусоидальный сигнал частотой 50 Гц такого уровня, чтобы на входу DA1 амплитуда напряжения составила 1 В (контроль по осциллографу). егулировкой резистора R7 добиваются увеличения напряжения на выходе DA1 в p раз, где p - коэффициент увеличения, определяемый из следующих соотношений:
p=1/(1-Rвых/Rн) или Rвых=-Rн(1-1/p).
В собранном автором макете значение P=2, при этом выходное сопротив ление УМЗЧ DA1 на частоте резонанса головки (около 70 Гц) стало отрицательным -2 Ом, обеспечив оптимальное (на слух) демпфирование головки ЗГД-38Е в использованном акустическом оформлении.
Далее подстроечным резистором R10 добиваются прежней величины (1 В) сигнала 50 Гц на выходе УМЗЧ DA1.
Вместо резистивного эквивалента подключают к УМЗЧ громкоговоритель. На этом настройка заканчивается.
Испытания макета показали его несомненное превосходство (заметное не только друзьям-аудиофилам) над тем же УМЗЧ с обычной ООСН по "прозрачности", разборчивости и обогащению средних и высоких частот. При воспроизведении же низких частот характерных призвуков недемпфированного диффузора не наблюдалось.
В макете для сравнения звучания легко реализовать режим "чистой" ООСТ во всей полосе звуковых частот. Для этого надо просто (при отключенном питании, конечно) перемкнуть конденсаторы С2 и С4 (см. рис. 2) перемычками. При этом электрическое демпфирование громкоговорителя исключается, что становится сразу заметно на слух.
Для желающих повторить или модифицировать схему УМЗЧ будут полезны следующие замечания:
Если вместо DA1 использовать УМЗЧ на дискретных элементах, он должен быть предварительно настроен вне рассматриваемой структуры со своей цепью ООСН по обычной методике (установка тока покоя, "нуля" на выходе, подбор цепи коррекции). Далее его цепь ООСН исключают, и УМЗЧ используют в структуре, показанной на рис. 2, возможно, со своим источником питания.
Если исходный УМЗЧ не обладает высоким входным сопротивлением по дифференциальному входу, можно уменьшить сопротивление резисторов R2, R3 и R4, пропорционально увеличив емкость C2, C4 для сохранения частоты среза около 200 Гц). Однако сопротивление R3 не должно быть менее 2 кОм.
При всех изменениях номиналов в схеме необходимо, чтобы выполнялись следующие соотношения:
1+R10/R11=Rн/R8;
R4=R2;
Rн/R8>10;
τ=R3C2=R4C4;
fФВЧ=fФНЧ=1/(2πτ)=200 Гц.
Здесь под Rн понимается паспортное значение сопротивления головки на частоте f=1000Гц.
Рассматриваемая структура усилителя принципиально работает либо с одиночным динамическим громкоговорителем, либо с групповым излучателем, собранным из однотипных широкополосных головок, включенных согласно параллельно или согласно последовательно либо в комбинации, для получения требуемого сопротивления и мощности.
В громкоговорителях, имеющих в своем составе пассивные разделительные фильтры, с таким УМЗЧ, вероятной возникнут искажения АЧХ по звуковому давлению, так как для большинства фильтров необходимо низкое выходное сопротивление источника сигнала во всем диапазоне звуковых частот [1].
УМЗЧ с частотно-зависимым выходным сопротивлением, на мой взгляд, применим, в первую очередь, в радиоаппаратуре с одиночной головкой, встроенной в корпус, или отдельного громкоговорителя с широкополосной головкой. Такой усилитель будет работать также эффективно и в полосе СЧ трехполосных громкоговорителей (с разделительным фильтром на входе и усилителями для каждой полосы), где он успешно "поборется" с паразитными призвуками, возникающими несмотря на акустическое демпфирование и высокий порядок активных разделительных фильтров. При этом сохранятся "прозрачность" и "воздух" звучания. Присущие усилителю с ООСТ.
Этот УМЗЧ можно рекомендовать для самоделок начинающих аудиофи-лов, желающих почувствовать "старый ламповый" звук, но не желающих возиться с намоткой выходных трансформаторов (да и старые книги о расчетах ламповых усилителей найти сложно). Но это, конечно, при условии, что в качестве DA1 использован "достойный" УМ3Ч с исходно низким уровнем искажений, но не обязательно с большой выходной мощностью - вполне достаточно 3-15 Вт (при напряжении питания ±15...17,6). Источник питания для таких усилителей может быть общим.
Источники
- Агеев С. Должен ли УМЗЧ иметь малое выходное сопротивление? - Радио, 1997, № 4, c. 14-16.
- Алейноо Д. Сырицо А. Улучшение звуковоспроизведения в системе УМЗЧ -громкоговоритель. - Радио, 2000, № 7, с. 16-18.
- Салтыков О. ЭМОС или отрицательное выходное сопротивление? - Радио, 1981, № 1, с. 40-44.
- Салтыков О., Сырицо А. Звуковоспроизводящий комплекс. Громкоговоритель. - Радио, 1979, № 7, с. 28-31.
Автор: А. МАСЛОВ, г. Жуковский Московской обл.
Комментарий специалиста
Основное достоинство УМЗЧ, предложенного автором, заключено в простоте дополнительных цепей обратной связи для "традиционных" УМЗЧ.
При реализации предложенной идеи следует учитывать некоторые ее особенности.
Вo-первых, улучшение звуковоспроизведения УМЗЧ, работающего на электродинамический громкоговоритель (ЭДГ) за счет использования отрицательного выходного сопротивления, достигается на низких частотах только для определенных соотношений параметров звуковой головки с ее акустическим оформлением. Во-вторых, возможности улучшения звуковоспроизведения в комплексе УМЗЧ - ЭДГ на средних и высоких частотах ограничены примененным способом достижения высокого выходного сопротивления УМЗЧ - за счет ООСТ в "традиционном" УМЗЧ с малым выходным сопротивлением.
При таком решении, действительно, происходит уменьшение мнтермодуля-ционных искажений, вызываемых изменением импеданса ЭДГ при нагреве звуковой катушки и нелинейностью для большой амплитуды ее колебаний в магнитной системе, а также снижения искажений а ЭДГ при электроакустическом преобразовании. Однако уменьшение искажений из-за отклика ЭДГ происходит наиболее эффективно лишь при использовании УМЗЧ с исходно большим (без OОC) выходным сопротивлением.
В предложенном УМЗЧ дополнительные искажения АЧХ могут быть следствием неточного согласования АЧХ в фильтрах ФНЧ(RЗ, С2)и ФВЧ(С4, R4).
Рассмотренная в статье структура применима для УМЗЧ, работающего на ЭДГ с одной или несколькими широкополосными головками (без разделительных фильтров). В многополосных активных ЭДГ такой УМЗЧ не нужен, так как при этом отсутствуют противоречия в величине выходного сопротивления УМЗЧ.
Л. СЫРИЦО, г. Москва