Журнал "Радио", номер 10, 1999г.
Автор: С. Агеев, г. Москва

    Можно ли на отечественных компонентах создать усилитель, который бы успешно конкурировал с любым фирменным? Автор публикуемой статьи на этот вопрос ответил утвердительно. Причем в УМЗЧ он использовал биполярные транзисторы и операционные усилители.

    На отечественных компонентах этот сверхлинейный усилитель с глубокой и широкополосной обратной связью обеспечивает долговременную мощность до 150 Вт на нагрузке 4 Ом. Применением импортных компонентов можно увеличить мощность в нагрузке 8 Ом до 250 Вт. Он способен работать на комплексную нагрузку, имеет защиту от перегрузки по входу и выходу. Интермодуляционные искажения УМЗЧ настолько малы, что автор вынужден был измерять их на радиочастотах. Конструкция и печатная плата, разработанные автором, представляют образец для обучения "разводке" монтажа широкополосных устройств.

    Некоторое время назад среди аудиофилов и радиолюбителей преобладало мнение, что по-настоящему высококачественный УМЗЧ обязательно должен быть выполнен на лампах. В качестве обоснования высказывалось много суждений. Однако, если отбросить совсем уж надуманные, то останутся всего два. Первое - искажения, вносимые ламповым усилителем, приятны на слух. Второе - нелинейности в ламповых усилителях более "гладкие" и дают значительно меньше продуктов интермодуляции.

    Надо сказать, что и то, и другое подтверждается практикой. Более того, давно существует даже специальный прибор обработки звука - эксайтер, действие которого основано именно на внесении искажений четных порядков в высокочастотную часть спектра. В ряде случаев применение эксайтера позволяет улучшить проработку инструментов и голосов второго-третьего плана, придать дополнительную глубину звуковой сцене. Подобный эффект в усилителе может быть приятен, иногда даже полезен. Тем не менее внесение "хорошо звучащих" искажений все-таки относится скорее к прерогативе звукорежиссера, нежели самого УМЗЧ. Что же касается достижения верности звуковоспроизведения, то с этой точки зрения необходимо добиваться устранения искажений, вносимых усилителями и громкоговорителями. Тема снижения искажений, вносимых громкоговорителями, была ранее затронута в статье [1]. Здесь же речь пойдет о "классических" УМЗЧ с малым выходным сопротивлением, поскольку они все же более универсальны, чем УМЗЧ с "токовым" выходом.

    С первого взгляда может показаться, что при сегодняшнем уровне техники спроектировать усилитель "прозрачным" совсем несложно, и дебаты вокруг этой проблемы - лишь плод рекламной шумихи. Отчасти так оно и есть: если наладить массовый выпуск безупречного УМЗЧ, то спустя некоторое время отрасль промышленности, производящая эти усилители, на мой взгляд, попросту останется без сбыта.

    Автору этих строк приходилось разрабатывать ламповые и транзисторные прецизионные усилители для измерительной техники, ремонтировать и настраивать различную аппаратуру - преимущественно зарубежного производства. Естественно, проводились измерения параметров и оценка конструкций. Причем не только по стандартным (для звуковой техники) методикам, но и по более информативным, в частности, путем анализа спектра выходного сигнала при многотональном входном сигнале.( При этом на вход усилителя подается сигнал, состоящий из суммы синусоид примерно равной амплитуды с частотами, пропорциональными некоторому набору взаимно простых, т. е. не имеющих общих множителей, чисел.)

    Подобная методика широко применяется для контроля усилителей, используемых в технике дальней кабельной связи, поскольку требования к "незагрязнению" спектра проходящего через них сигнала очень жестки (в линии связи последовательно включены тысячи таких усилителей, и их искажения суммируются). В качестве примера: усилители для системы К-10800 имеют уровень интермодуляционных искажений ниже -110 дБ в полосе частот около 60 МГц.

    Ясно, что получить такие характеристики непросто: квалификация разработчиков подобных усилителей должна быть весьма высокой. К сожалению, предприятия, производящие аудиотехнику, видимо, довольствуются менее квалифицированными разработчиками, за исключением разве что Руперта Нива - конструктора пультов звукозаписи Neve и Amek. Замечу, что последний пульт Нива (9098i), получивший восторженную оценку профессионалов звукозаписи, целиком полупроводниковый, а его усилители имеют очень большую глубину ООС. Примечательно, что в свое время Нив разработал много ламповых пультов, большинство из которых считались эталонными.

    Имея, таким образом, пищу для сравнений и будучи человеком дотошным, автор пришел к выводу, что во многих случаях реальное качество работы большинства полупроводниковых, да и ламповых УМЗЧ оказывается значительно хуже, чем следует из результатов измерений по стандартным для аудиоаппаратуры методикам. Известно, что многие из них были приняты под давлением коммерческих обстоятельств и весьма далеки от жизненных реалий.

    Хорошим примером может служить перечень требований к способу измерения шумов, представленный Р. Долби в его статье с описанием предложенной им методики CCIR/ARM2K. Вторым пунктом в этом перечне стоит "...коммерческая приемлемость: ни один изготовитель не пойдет на применение новой методики, если цифры, получаемые при измерении, будут хуже, чем при применении существующих...". Предложенная Р. Долби замена пикового измерителя на измеритель средневыпрямленного значения улучшила параметры примерно на 6 дБ, а уменьшение коэффициента передачи взвешивающего фильтра в два раза привело к общему "выигрышу" 12 дБ. Неудивительно, что такая методика была тепло встречена многими изготовителями.

    Аналогичный "финт" частенько делается и при измерении нелинейных искажений: запись, сделанная в паспорте усилителя, - "0,005 % THD в диапазоне частот 20 Гц - 20 кГц" чаще всего означает лишь то, что гармоники сигнала с частотой 1 кГц, попадающие в упомянутую полосу частот, не должны превышать указанной величины, однако она ничего не говорит об искажениях на частоте, скажем, 15 кГц. Некоторые изготовители полагают, что подключать нагрузку к усилителю, проводя измерения искажений, совершенно необязательно, при этом в паспорте мелким шрифтом указывают: "...при выходном напряжении, соответствующем мощности ХХ Ватт на нагрузке 4 Ома...".

    Совсем не редкость также, когда усилитель, имеющий по спецификации "менее 0,01 % THD" на частоте 1 кГц, работая на реальную нагрузку (с кабелями и акустической системой), показывает интермодуляционные искажения по весьма щадящему стандарту SMPTE (На вход усилителя подаются два синусоидальных сигнала с частотами 60 Гц и 7 кГц, отношение их амплитуд 4:1, а результатом измерения считается относительная величина модуляции амплитуды высокочастотного сигнала - низкочастотным.) на уровне 0,4...1 %, а иногда и больше. Иными словами, интермодуляционные искажения уже на умеренно высоких частотах при работе на реальную нагрузку оказываются намного выше пресловутого коэффициента гармоник. Подобное явление характерно и для многих ламповых УМЗЧ, охваченных обратной связью по напряжению.

    При анализе спектра многотонального сигнала, усиливаемого подобным усилителем, обнаруживается немало комбинационных составляющих. Их количество и общая мощность с увеличением числа составляющих входного сигнала возрастают практически по факториальному закону, т. е. очень быстро. При воспроизведении музыки на слух это воспринимается как "грязное", "непрозрачное" звучание, обычно называемое "транзисторным". Кроме того, зависимость уровня искажений от уровня сигнала далеко не всегда оказывается монотонной. Бывает, что при уменьшении уровня полезного сигнала мощность продуктов искажений не уменьшается.

    Ясно, что в таких устройствах паспортный набор характеристик усилителя (коэффициент гармоник, полоса частот) ни о чем, кроме изворотливости изготовителя, не свидетельствует. В результате обычный потребитель зачастую оказывается в состоянии покупателя "кота в мешке", поскольку нормально послушать (со сравнением по контрасту) перед покупкой как-то не удается. Конечно, не все так мрачно - в отношении цвета корпуса, габаритов и веса практически все дорожащие своей маркой фирмы ведут себя безупречно.

    Это никоим образом не означает, что на рынке вообще нет достойных внимания УМЗЧ - их мало, но они есть. Из всех промышленных усилителей, с которыми автору довелось поработать, наиболее "точным" показался старый "Yamaha M-2" (сейчас в Японии ничего подобного не делают). Цена его, правда, немалая, да и на нагрузку 4 Ома он не рассчитан, кроме того, выходные транзисторы в нем работают с нарушением требований ТУ. Из любительских - очень хорошее впечатление оставил усилитель А. Витушкина и В. Телеснина [2]. Он работает явно лучше ("прозрачнее"), чем УМЗЧ ВВ [3]. Еще один хороший усилитель - М. Александера из PMI [4].

    Тем не менее все эти усилители далеко не полностью реализуют возможности элементной базы в отношении реального уровня искажений, быстродействия и воспроизводимости. По этим причинам, а также из соображений инженерного престижа автор настоящей статьи предпочел разработать собственную версию УМЗЧ, которая бы отражала реальные возможности элементной базы (в том числе имеющейся в России и СНГ) и была бы несложна в повторении. Параллельно разработан и "коммерческий" вариант с использованием импортной элементной базы - с еще большими возможностями и большей выходной мощностью.

    Главной целью разработки стало не столько достижение высоких "паспортных" характеристик, сколько обеспечение максимально возможного качества в реальных условиях эксплуатации. Исключительные значения параметров при этом получились автоматически, как результат оптимизации схемы и конструкции.

    Основной особенностью предлагаемого УМЗЧ является широкополосность, достигнутая рядом схемотехнических и конструктивных мер. Это позволило получить частоту единичного усиления по петле ООС около 6...7 МГц, что на порядок больше, чем в большинстве других конструкций УМЗЧ. Как следствие, достижимая глубина ООС во всей звуковой полосе частот оказывается более 85 дБ (на частоте 25 кГц), на частоте 100 кГц глубина ООС составляет 58 дБ и на частоте 500 кГц - 30 дБ. Полоса полной мощности превышает 600кГц (при искажениях ок. оло 1%). Ниже приведены основные характеристики УМЗЧ (при измерении искажений и скорости нарастания входной фильтр и устройство мягкого ограничения отключены).

    Усилитель (рис. 1) состоит из следующих узлов: входного ФНЧ второго порядка с частотой среза 48 кГц, "мягкого" ограничителя уровня сигнала, собственно усилителя мощности, выходной LRC-цепи, а также каскадов автоматической балансировки по постоянному току и компенсации сопротивления проводов (схема четырехпроводного подключения нагрузки). Кроме того, предусмотрен вспомогательный усилитель сигнала в суммирующей точке УМЗЧ. Появление заметного напряжения на инвертирующем входе усилителя, охваченного параллельной ООС, свидетельствует о нарушении слежения в петле обратной связи и, соответственно, об искажениях, какими бы причинами они ни были бы вызваны. Этот дополнительный усилитель усиливает сигнал искажений до уровня, необходимого для работы индикатора искажений.

    В сигнальном тракте усилителя используются ОУ КР140УД1101, редко применяемые в аудиоаппаратуре, но обладающие, несмотря на давность разработки (Боб Добкин разработал его прототип LM118/218/318 еще в начале 70-х годов), уникальной комбинацией характеристик. Так, перегрузочная способность для дифференциального входного сигнала у К(Р)140УД11(01) в 40 раз лучше, чем у традиционных "звуковых" ОУ. Одновременно с этим у него отличные скорость нарастания и произведение усиления на полосу (50x10⁶ Гц на частоте 100 кГц). К тому же этот ОУ очень быстро выходит из перегрузок, а его выходной каскад работает с большим током покоя и имеет высокую линейность еще до охвата обратной связью. Единственный его недостаток - спектральная плотность ЭДС шума у этого ОУ примерно вчетверо выше средней для малошумящих приборов. В УМЗЧ, однако, это не имеет большого значения, поскольку отношение максимального сигнала к шуму получается не хуже 110 дБ, что вполне достаточно при данной мощности. В сигнальном тракте ОУ используются в инвертирующем включении с целью устранения искажений, вызываемых наличием синфазного напряжения на входах.

    Собственно усилитель мощности построен по усовершенствованной "классической" структуре [3, 5] - на входе для обеспечения высокой точности включен ОУ, затем следуют симметричный усилитель напряжения на основе "сломанного каскода" и выходной каскад на основе трехкаскадного эмиттерного повторителя. За счет, казалось бы, мелких усовершенствований и конструктивных мер (рис. 2) реальное качество звучания и воспроизводимость параметров этого усилителя радикально улучшены по сравнению с [3, 5, 6].

    В выходном каскаде, рассчитанном на нагрузку 4 Ом, использовано не менее восьми транзисторов в плече. Несмотря на кажущуюся избыточность и громоздкость, такое решение совершенно необходимо при работе на реальную комплексную нагрузку по двум причинам. Первая, и наиболее важная, состоит в том, что при работе на комплексную нагрузку резко увеличивается мгновенная мощность, выделяемая на выходных транзисторах.

    На рис. 3 приведены графики зависимостей величины мгновенной мощности, рассеиваемой на выходных транзисторах, от мгновенного значения выходного напряжения для разных нагрузок (кривые 1-3) при напряжении питания +40 В. Кривая 1 соответствует работе УМ на чисто активную нагрузку с сопротивлением 0,8 от номинального (т. е. 3,2 Ом), кривая 2 - на комплексную нагрузку с модулем импеданса 0,8 от номинального и фазовым углом 45 град. (требование ОСТ.4.ГО.203.001-75), а кривая 3 - при фазовом угле 60 град. Из графиков видно, что при работе на комплексную нагрузку пиковая мощность, рассеиваемая выходными транзисторами, оказывается в 2,5 - 3 раза больше, чем при аналогичной по модулю резистивной нагрузке.

    Это само по себе - проблема, но наибольшие неприятности вызывает тот факт, что максимум рассеиваемой на транзисторах мощности при работе на комплексную нагрузку приходится на моменты, когда выходное напряжение близко к нулю, т. е. когда к транзисторам приложено большое напряжение источника питания. Модуль импеданса некоторых громкоговорителей может снижаться с 4 до 1,6 Ом (в некоторой полосе частот), а фазовый угол - возрастать до 60 град. [7]. Это удваивает рассеиваемую мощность по сравнению с кривой 3.

    Для биполярных транзисторов очень важно, при каком напряжении на них рассеивается мощность: при повышении напряжения допустимая мощность рассеяния существенно снижается изза появления "горячих пятен", вызываемых локальной термической неустойчивостью, приводящих к деградации параметров и вторичному пробою. Поэтому для каждого типа транзисторов существует область безопасных режимов (ОБР), внутри которой и допускается их эксплуатация. Так, для КТ818Г1/819Г1 (они обладают наилучшей ОБР среди отечественных мощных комплементарных транзисторов) максимальная мощность рассеяния при напряжении 40 В и температуре корпуса 60...70°С составляет не 60, а 40 Вт, при напряжении 60 В допустимая мощность рассеяния падает до 32 Вт, а при напряжении 80 В - до 26 Вт.

    Для наглядности на рис. 3 приведена кривая 4, показывающая возможности этих транзисторов по рассеянию мощности в зависимости от выходного напряжения усилителя. Видно, что даже при работе на чисто активную нагрузку необходимо включить в параллель не менее двух приборов в плечо. У мощных полевых транзисторов (MOSFET, МОППТ) ОБР больше, однако степень их комплементарности значительно хуже, чем у биполярных. Это приводит к тому, что искажения МОП-ПТ выходного каскада на малых уровнях сигнала (из-за разброса порогового напряжения, а также большего выходного сопротивления) и высоких частотах (из-за сильной асимметрии емкостей и крутизны) оказываются в несколько раз больше, чем у правильно спроектированного каскада на биполярных транзисторах. Тем не менее УМЗЧ с выходным каскадом, выполненным на MOSFET, в производстве за рубежом оказывается более дешевым, чем на биполярных. Причина - цены на мощные биполярные и полевые транзисторы за рубежом примерно одинаковы, а полевых требуется меньше. ОБР лучших импортных биполярных транзисторов существенно больше, чем у отечественных, однако при работе на нагрузку 4 Ом их тоже нужно включать в параллель.

    Рассчитывать на кратковременность выделения мощности нельзя, поскольку время образования пятен тока измеряется десятками микросекунд, что много меньше полупериода низкой частоты. Следовательно, количество выходных транзисторов нужно выбирать, исходя из обеспечения работы каждого из них в границах ОБР для постоянного тока. Это приводит к необходимости увеличения числа выходных транзисторов, что дорого и трудоемко. Именно поэтому в большинстве коммерческих усилителей транзисторов существенно меньше, чем требуется. Однако параметры транзисторов, эксплуатируемых с нарушением ОБР, постепенно деградируют, что приводит к ухудшению звучания.

    Вторая причина необходимости большого числа выходных транзисторов связана с тем, что их характеристики, в первую очередь быстродействие, с ростом тока начинают ухудшаться задолго до достижения предельно допустимых токов. Так, у широко распространенного японского транзистора 2SA1302, формально рассчитанного на 15 А, резкий спад граничной частоты начинается с 3 А, а у комплементарного ему 2SC3281 - с 2,5 А. Есть и другие причины, приводящие к целесообразности параллельного включения нескольких мощных транзисторов. Увеличение суммарной емкости база-эмиттер приводит к прямому прохождению сигнала с предыдущего каскада (при определенном запасе по мощности) и полоса пропускания выходного повторителя фактически превышает граничную частоту выходных транзисторов. Именно поэтому в данном усилителе оказалось возможным применять относительно "медленные" выходные транзисторы без ущерба для достигаемых характеристик.

    В усилителе использована элементная база отечественного производства. В сигнальном тракте каждого канала применены ОУ К(Р)140УД1101 (3 шт.), во вспомогательных цепях - К(Р)140УД14(08) и КР140УД23 (по 1 шт.). В предварительных каскадах использованы комплементарные транзисторы серий КТ3102 и КТ3107 (по 2 шт.), КТ632 и КТ638 (по 4 шт.), КТ502 и КТ503 (2 и 1 шт.), КТ9115 и КТ969 (по 3 шт.). В ступенях выходного каскада усилителя установлены КТ961А и КТ639Е (4 и 5 шт.), а также КТ818Г1 и КТ819Г1 (по восемь транзисторов в плече). В усилителе также использованы диоды серий КД521 или КД522, КД243Б и КД213Б.

    Продолжение следует

Литература

1. Агеев С. Должен ли УМЗЧ иметь низкое выходное сопротивление? - Радио, 1997, # 4, с. 14-16.

2. Витушкин А., Телеснин В. Устойчивость усилителя и естественность звучания. - Радио, 1980, # 7, с. 36, 37.

3. Сухов Н. УМЗЧ высокой верности. - Радио, 1989, # 6, с. 55-57; # 7, с. 57-61.

4. Alexander M. A Current Feedback Audio Power Amplifier. 88-th Convention of the Audio Eng. Society, reprint #2902, March 1990.

5. Wiederhold M. Neuartige Konzeption fur einen HiFi-Leistungsfersterker. - Radio fernsehen elektronik, 1977, H.14, s. 459-462.

6. Акулиничев И. УМЗЧ с широкополосной ООС. - Радио, 1989, # 10, с. 56-58.

7. Baxandal P.J. Technique for Displaying the Current and Voltage Output Capability of Amplifiers and Relating This to the Demands of Loudspeakers. - JAES, 1988, vol. 36, p. 3-16. 17