Предлагается для повторения схема УНЧ, который может работать в трёх режимах: с общей ООС, без общей ООС, с трансформаторным усилителем напряжения без ООС.
Как известно, качество звука усилителя низкой частоты (УНЧ) зависит от искажений, вносимых этим усилителем в полезный сигнал. И чем меньше искажений он вносит, тем более реалистичный звук будет получен на выходе. А основные искажения, в свою очередь, бывают гармоническими (THD, обусловленные в основном нелинейностью применяемых элементов, схемными решениями и другими факторами), интермодуляционными (IMD, возникающими при обработке схемой сложных сигналов, состоящих из нескольких разных простых, особенно заметные на высоких частотах (ВЧ) при интермодуляции высших гармоник), коммутационными, «переключательными» (зависящими от выбранной рабочей точки применяемых транзисторов), фазовыми (сдвиг фазы сигнала особенно заметен при невысоком быстродействии усилителя с общей ООС), а также вносимым схемой шумом.
С учётом вышеизложенного предлагается схема усилителя, свободного от многих из вышеперечисленных недостатков. Схема разрабатывалась, моделировалась и многократно макетировалась на основе широко известных зарубежных и отечественных практик и предлагается для любителей чистого звука с малым уровнем всевозможных искажений.
Предлагаемый УНЧ назван «универсальным», так как может работать с общей ООС, без общей ООС, а также только как выходной каскад (ВК) с трансформаторным усилителем напряжения без ООС. Переключение режимов осуществляется с помощью перемычек или кнопочного переключателя. Во всех трёх случаях он обеспечивает минимальные искажения, хорошее звучание, чистый спектр выходного сигнала, отличную линейность и быстродействие; при грамотной сборке надёжен и неприхотлив, не содержит дорогих и редких деталей. К тому же я постарался сделать его максимально простым (насколько это возможно без ущерба для качества).
Два усилителя собранных по предлагаемой схеме (в стерео варианте) нормально работают уже около двух лет. Один – с общей ООС, другой – без. А трансформаторным вариантом в моно исполнении я более трёх лет пользуюсь практически ежедневно на работе для создания звукового фона в помещении.
Для моделирования сначала использовалась программа Micro-Cap 11, потом Multisim 14.
(Вниманию пользователей симуляторов! Некоторые симуляторы некорректно отражают ток покоя выходных транзисторов в данной схеме – показывают его в 3 раза больше, чем есть на самом деле. Это связано не только с неполным соответствием даже встроенных в них «родных» SPICE моделей, но и с особенностями обработки симуляторами данной схемы. А при таком увеличении тока покоя THD в реальности (в железе) неминуемо возрастает где-то на 50%. Тем не менее, те данные симуляции, которые будут приведены ниже, взяты из этих «неправильных» измерений. В реальности параметры должны быть если не лучше, то по крайней мере не хуже приведённых. Это косвенно подтверждают и измерения собранного «в железе» макета. Кстати, Multisim кроме того почему-то некорректно оценивает постоянное напряжение на выходе, очень долго «заряжает» ёмкости C3, C4, C10 и C12, измерения шума производятся ещё дольше. Остальные режимы соответствуют действительности в диапазоне 5%).
К сожалению, я не располагаю настоящими (реальными, железными) приборами для измерения искажений. Поэтому для измерения параметров собранного «в железе» макета я пользовался встроенной звуковой картой промышленного сервера (с неплохими параметрами, но только до 20 кГц) и измерительными программами RMAA 5.5 и RMAA 6.4.5. Полученные данные также будут приведены ниже. А так как они не сильно отличаются от данных симуляторов в полосе до 20 кГц, то считаю возможным привести и данные только симуляторов (не проверенные в железе) на более высокие частоты. (Даже если результаты в «железе» на частоте 90 кГц будут хуже в десять раз, чем данные симулятора, всё равно этот результат можно будет считать очень хорошим).
Также с использованием звуковой карты и измерительных программ был проведён сравнительный анализ усилителя с профессиональным усилителем Inter-M, характеристики которого известны, и с «контрольным» радиолюбительским УНЧ известного автора (фамилию корректно умолчу), собранным по всем его рекомендациям, и тоже с известными (из его статьи) параметрами. В принципе данные моих измерений последних двух усилителей не сильно отличаются от того, что должно быть на самом деле. Это позволяет надеяться, что измерения с помощью звуковой карты имеют право на существование и могут быть приведены в данной статье. Метод измерения прост. Сначала измеряются параметры самой карты. Затем к выходу карты подключается УНЧ, к выходу УНЧ – нагрузка, а параллельно ей – делитель напряжения на резисторах, с которых сигнал снимается и подаётся на вход карты. Из суммы искажений УНЧ+карта вычитаем искажения только карты и получаем относительно реальные искажения самого УНЧ. В качестве нагрузки при измерениях для чистоты эксперимента использовался не резисторный эквивалент, а трёхполосная акустическая система мощностью 150 Вт. Каждый раз при измерениях результаты незначительно отличались. Я выбрал средние. Не могу понять только одного – при проверке усилителя уровень интермодуляции в системе УНЧ+карта всегда чуть-чуть ниже, чем интермодуляция самой карты.
При работе использовался осциллограф С1-94 и генератор ЗЧ (до 20 кГц) уже без названия. Виртуальный генератор выдаёт некачественный меандр, а в реальном после 15 кГц немного заваливается фронт. Поэтому на Рисунке 3. представлено фото меандра при подключённой нагрузке (нихромовое сопротивление 4 Ом) только на частоте 15 кГц.
Немного о качестве звука. Лично я люблю чистый, ровный, правдоподобный, ничем не приукрашенный звук. (Кроме реверберации для соло и гитарных «улучшителей»). Как-то давно я собрал трансформаторный усилитель Григорьева и слушал его. Звучал он по тем временам неплохо, но мне казалось, что звук «зализанный» какой-то, как будто разбавленный чем-то красивым, слишком уж он был каким-то сочным, что ли. Параметры, заявленные автором, давали понять, что это – гармоники.
Лично мне такой звук не по душе, хотя у каждого своё субъективное восприятие и своя оценка. А некоторым звучание этого усилителя очень нравилось. Недавно я сделал спектральный анализ его схемы, результаты которого вы можете увидеть на Рисунке 1. (Эта и все последующие приведённые в статье спектрограммы сделаны в диапазоне 1 кГц…101 кГц при подаче на вход УНЧ сигнала 20 кГц).
 |
|
| Рисунок 1. | Спектр выходного сигнала старого трансформаторного УНЧ. |
Теперь становится понятно, что в его звуке для меня было лишним: и высокие значения THD, и бесконечный «лес» гармоник, уходящий вдаль. А некоторым гармоники, по-видимому, ласкают слух.
Мне же больше нравится звук, где мало гармоник и где нет бесконечного «леса», а также нет добавочной интермодуляции высших гармоник. Поэтому и предлагается схема универсального параллельного УНЧ с коррекцией искажений, приведённая на Рисунке 2. (Все резисторы в схеме с неуказанной мощностью – по 0.25 Вт, а местоположение резистора R* номиналом 3 кОм указано лишь для примера – он может быть в нижнем или верхнем плече только при необходимости).
 |
|
| Рисунок 2. | Принципиальная схема усилителя. |
Сначала может показаться, что схема немного сложная, но это не так. Здесь нет ни одной «лишней» детали. Давайте разбираться. Но сначала посмотрим на перечень основных характеристик схемы (вариант с общей ООС), приведенный в Таблице 1.
| Таблица 1. | Основные технические характеристики усилителя | ||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
На Рисунке 3 представлен отклик усилителя на прямоугольный сигнал 15 кГц. А на Рисунке 4 показан соответствующий спектр.
 |
|
| Рисунок 3. | Отклик усилителя на прямоугольные импульсы 15 кГц. |
Как видно на спектрограмме, спектр, практически, абсолютно чист, ничего лишнего. Явно просматривается лишь вторая гармоника, да и то на очень низком уровне. Шума почти нет. Практически же шум тоже невозможно услышать, даже приблизив ухо к любому динамику вплотную, естественно, вытащив из усилителя входной кабель или уменьшив громкость резистором R47.
 |
|
| Рисунок 4. | Спектр выходного сигнала усилителя. |
Для сравнения приведу на Рисунке 5 спектрограмму «контрольного» радиолюбительского УНЧ, который я упоминал выше. Как видно, общий уровень гармоник тоже невысок, но их обозреваемое количество влияет не лучшим образом на качество звука. К тому же высшие гармоники (которых уже не слышно) могут приводить к паразитной интермодуляции в слышимом диапазоне, что, безусловно, и происходит. В том числе и по этой причине многие меломаны на хорошей акустике слышат пресловутые «транзисторные» призвуки.
 |
|
| Рисунок 5. | Спектр выходного сигнала «контрольного» УНЧ. |
На Рисунках 6, 7 и 8 представлены данные симулятора при измерении шума и THD на частотах 20 кГц и 90 кГц, соответственно.
 |
|
| Рисунок 6. | Измерение шумов на симуляторе. |
 |
|
| Рисунок 7. | THD на частоте 20 кГц. |
 |
|
| Рисунок 8. | THD на частоте 90 кГц. |
Усилитель практически полностью линейный до 90 кГц, о чём свидетельствует и частотный отклик, снятый с собранного в «железе» рабочего усилителя с помощью звуковой карты (Рисунок 9). Как уже говорилось выше, используемая карта ограничена частотой 20 кГц, поэтому там и наблюдается завал. По этой же причине наблюдается и спад по НЧ.
 |
|
| Рисунок 9. | Частотный отклик УНЧ (в пределах возможностей звуковой карты). |
На Рисунке 10 изображена таблица испытаний собранного в «железе» рабочего усилителя под нагрузкой с помощью звуковой карты и измерительной программы RMAA 6.4.5.
 |
|
| Рисунок 10. | Испытание рабочего усилителя в «железе». Сравнительная таблица. |
В таблице parallel – это испытуемый усилитель, kontrolnyi – «контрольный» радиолюбительский УНЧ (заявленный THD менее 0.0004% на 1 кГц), Inter-M – профессиональный промышленный усилитель (по паспорту THD менее 0.15% на 1 кГц), а card – используемая звуковая карта. Процедура измерения описана выше. Если вычесть из показаний THD любого усилителя (первые три столбца) показания THD самой карты (четвёртый столбец), то получаются почти правильные результаты.
Также в таблице представлены данные по интермодуляции, шуму, динамическому диапазону, частотному отклику и т.д. Как уже говорилось выше, УНЧ выполненный в «железе», подвергался проверке и сравнивался с другими усилителями только в звуковом диапазоне (до 20 кГц).
Описание схемы
Выходной каскад (начиная с резистора R22) – почти стандартная «тройка» Дарлингтона. За исключением блока коррекции нелинейных искажений Хауксфорда (N.J. Hawksford), выполненного на двух транзисторах (VT14, VT15) и десяти резисторах (R34-R43).
Схема корректора Хауксфорда известна более 40 лет, но несмотря на явные преимущества, не получила широкого распространения. Принцип её работы заключается в том, что из общего выходного сигнала вычитается сигнал ошибки. В литературе можно найти подробное описание принципа работы корректора. Из нескольких возможных вариантов коррекции я выбрал этот. В результате местной обратной связью оказывается охвачен только выходной каскад. Результат – превосходное быстродействие корректора, стабилизация режима работы выходных транзисторов, реальное уменьшение искажений и отсутствие «побочных» явлений. В полном описании схемы коррекции автор аргументированно доказывает, что применение такой коррекции значительно снижает кроссоверные, коммутационные и гармонические искажения, устраняет искажения «ступенька», за счёт контроля тока покоя не позволяет выходным транзисторам выйти за пределы рабочей области. Кроме того, значительно снижается уровень интермодуляции в системе УНЧ – акустика и возрастает линейность. Выходное сопротивление такого каскада стремится к нулю. А уровень THD усилителя с таким ВК практически не зависит от нагрузки (какая она, есть ли она, или её вообще нет).
Особенно заметно действие узла коррекции на ВЧ, где искажений обычно гораздо больше. Коррекция приводит к их минимизации.
Перед узлом коррекции установлен параллельный усилитель (VT12, VT13), как наиболее линейный буферный усилитель, способный к тому же обеспечить необходимый повышенный размах входного сигнала на узел коррекции. Параллельный усилитель, конечно же, покажет гораздо лучшие и стабильные параметры, будучи нагруженным источниками тока, а не просто резисторами. Такими источниками тока являются транзисторы VT10 и VT11 со своими источниками опорного напряжения в виде красных светодиодов HL3 и HL4.
В результате линейность ВК ещё увеличена. Фазовый сдвиг равен 0 градусов во всём звуковом диапазоне, и даже выше. Цепочки C13 и R27, C14 и R28, а также цепочка Цобеля C17 и R30 устраняют возможное самовозбуждение УНЧ.
Коэффициент усиления по напряжению этого ВК близок к единице, поэтому для получения требуемой мощности необходимо подать на его вход (R22) сигнал напряжением около 31 В (имеется ввиду 62 В – полный размах). С этой задачей справляется либо транзисторный, либо трансформаторный усилитель напряжения.
Если же просто подать на R22 сигнал требуемой амплитуды с генератора, то можно получить такие параметры: THD 1 кГц – 0.009%, THD 20 кГц – 0.012%, THD 90 кГц – 0.037%, шумы – -86 дБ, а вот полоса пропускания (по уровню –3 дБ) возрастёт до 1.3 МГц (1300 кГц), то есть, ВК должен быть способен усиливать даже видеосигнал, так как при такой динамике спада усиления на ВЧ по уровню –10 дБ (уровень возможности АРУ монитора) этот ВК должен «дотянуть» примерно до частоты поднесущей 6 МГц. Возможна незначительная потеря контраста, но сигнал должен теоретически быть чистым, без помех.
 |
|
| Рисунок 11. | Видеосигнал на экране монитора. |
Для проверки такой возможности на резистор R22 через разделительный конденсатор был подан сигнал со старой уличной камеры видеонаблюдения, а выходной сигнал усилителя был подан на RCA видео вход монитора. При подаче питания на усилитель на мониторе появилось изображение, причём его качество действительно было практически таким же, как при использовании штатного блока коммутации видеокамер. Потеря контраста совершенно незначительная. На Рисунке 11 показан видеосигнал на мониторе.
