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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA UMZCH con entrada simétrica sin protección ambiental común. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Amplificadores de potencia de transistores El amplificador se distingue por el uso de un bucle de retroalimentación local de tipo compensación, que reduce la distorsión de la etapa de salida. El uso de una etapa de entrada altamente lineal eliminó la necesidad de introducir un bucle de retroalimentación general, y su simetría en una amplia banda de frecuencia prácticamente elimina la influencia del ruido externo en el amplificador. Las ventajas de UMZCH para la protección ambiental general son bien conocidas y han sido discutidas más de una vez en la literatura especializada [1] y en las páginas de la revista Radio. Sin embargo, a pesar de las altas características técnicas, su calidad real de reproducción de sonido a menudo está lejos de ser ideal, mientras que los UMZCH relativamente simples sin OOS general (o con OOS de hasta 20 dB) se distinguen por un sonido más natural que los UMZCH con OOS profundos. Los desarrolladores llegaron a la conclusión de que el principal culpable es la distorsión dinámica asociada con la elección e implementación fallidas de la respuesta de frecuencia y la respuesta de fase de las etapas del amplificador cubiertas por una retroalimentación profunda. En la industria del audio, ha surgido incluso una dirección separada: se trata de amplificadores con una ruta de señal de etapa pequeña sin retroalimentación general y, a veces, con compensación de distorsiones no lineales [2]. Los UMZCH de este tipo se fabrican utilizando lámparas o transistores especialmente seleccionados que funcionan en clase A o AB con una corriente de reposo alta y se caracterizan por su alto costo. Los desarrolladores de este tipo de UMZCH utilizan únicamente componentes de alta calidad, las etapas de entrada se construyen utilizando circuitos simétricos (equilibrados) y, para lograr una baja resistencia de salida, utilizan una gran cantidad de potentes transistores con parámetros seleccionados, lo que, de hecho, garantiza la repetibilidad. de las características declaradas del UMZCH. El UMZCH propuesto sin OOS general utiliza una etapa de entrada simétrica basada en un seguidor actual [3]. El circuito UMZCH es funcionalmente simple e incluye un amplificador de voltaje y un amplificador de corriente. Esta estructura corresponde a uno de los principios del audio High End: un mínimo de "longitud eléctrica", es decir, un mínimo de etapas de amplificación y componentes en la ruta de la señal. El amplificador utiliza retroalimentación local para reducir la distorsión de la etapa de salida. Al desarrollar el UMZCH, se prestó especial atención a reducir el número de etapas del amplificador y aumentar la linealidad inicial del amplificador de voltaje. Una característica especial del UMZCH es la ausencia de etapas de amplificación realizadas según un circuito de emisor común (CE) o fuente común (CS). Se sabe que una cascada diferencial normalmente consta de un par de transistores conectados en un circuito con un OE u OI [1], e introduce notables distorsiones no lineales [4]. Usando circuitos de conmutación con una base común (CB), un colector común (CC) y un drenaje común (CS) junto con una corta longitud de la ruta de amplificación, fue posible crear un UMZCH sin un CCA común con parámetros que no son inferiores a los de los productos industriales. Los altos parámetros del amplificador se logran a través de soluciones puramente de circuitos y, a diferencia de los enfoques exóticos y de ciencia de materiales típicos de High End, no requieren el uso de componentes costosos. El UMZCH tiene una entrada simétrica de baja impedancia (1200 ohmios) y está diseñado para funcionar con fuentes de señal que tienen una salida simétrica ajustable. Para aprovechar plenamente las capacidades del UMZCH, la fuente de señal debe tener una salida "abierta" (sin condensadores de acoplamiento). Tenga en cuenta que la mayoría de las fuentes de señal modernas de alta calidad son capaces de transmitir una señal a una carga de impedancia relativamente baja (hasta cientos de ohmios) sin distorsión. En equipos de estudio o profesionales, la impedancia de la salida balanceada de la fuente de señal ya está diseñada para una carga de 600 ohmios y este es el estándar de la industria. Por lo tanto, en tales casos, parece innecesario lograr una alta impedancia de entrada en un UMZCH de alta calidad. En la Fig. La Figura 1 muestra un diagrama de bloques general, donde la etapa de entrada consta de un amplificador de voltaje simétrico en transistores VT1, VT2, conectados según el circuito OB. Esta cascada se carga en un espejo de corriente (transistores VT3, VT4), un transistor de seguimiento VT5 y un circuito R6CK. El transistor en el circuito de conmutación con OB tiene una característica de transferencia más lineal y mejores propiedades de frecuencia [5, 6]. La señal en forma de voltaje de entrada diferencial (con respecto al bus +U1) se suministra a dos resistencias R1, R2 de igual resistencia y se convierte en la corriente de entrada de los emisores de los transistores VT1, VT2. La etapa final A1 es un seguidor de tensión.
En [7] se utilizó un circuito amplificador de voltaje similar con una etapa de entrada diferencial adicional basada en transistores de efecto de campo. Algunos elementos de este esquema fueron dados por I. Dostal en su monografía [8]. El principio de funcionamiento de un amplificador de tensión de este tipo se describe con suficiente detalle en la literatura [7, 8]. La etapa final A1 se puede realizar utilizando transistores bipolares o de efecto de campo. La salida del amplificador de voltaje (en el punto C) tiene una impedancia bastante baja. Esto hace posible utilizar un seguidor de tensión complementario de una sola etapa como A1, aunque no se excluye la posibilidad de utilizar una estructura de dos o tres etapas con una alta ganancia de corriente en la etapa final [1]. Un UMZCH de este tipo introduce menos distorsión en la señal de salida en comparación con un amplificador de estructura clásica, y la ganancia real es de 10...12 dB. Por lo general, esto siempre es cierto si la fuente de señal tiene una impedancia de salida baja y puede controlar una carga de 600 ohmios sin aumentar la distorsión armónica. En dicho circuito, la fuente de señal está conectada al bus de alimentación +U1. El UMZCH utiliza dos fuentes de alimentación bipolares con transformador T1: una para la etapa de amplificación de voltaje (devanado II, puente de diodos VD4 y condensadores de filtro de potencia de alisado C1, C2), y la segunda para alimentar la etapa final (devanado III, puente de diodos VD5 y condensadores C3, C4). En la Fig. 1 cable común de fuentes de alimentación y además indicado por un rectángulo. Amplificador en la Fig. 1 se caracteriza por una característica de entrada fundamentalmente lineal, que especifica la linealidad inicial de todo el UMZCH. Además, la ganancia del UMZCH está determinada únicamente por la relación de resistencias R6/R2 (o R6/R1) y no depende de los parámetros de los transistores utilizados. Se puede configurar con un alto grado de precisión y variar en un amplio rango. Las mediciones muestran que sin las resistencias R5, R6, la ganancia de la cascada es bastante alta y asciende a más de 400 a una frecuencia de 500000 Hz. Las desventajas de UMZCH incluyen algunas restricciones en los parámetros de la fuente de señal. Debe ser simétrico y preferiblemente con salida DC abierta. Además, un circuito con un seguidor de corriente en la entrada empeora la relación señal-ruido [3]. Ahora veamos el diagrama del circuito del UMZCH que se muestra en la Fig. 2. El amplificador tiene parámetros altos y sin circuitos OOS. El amplificador de entrada está hecho de transistores VT3, VT4, que se cargan en un espejo de corriente tipo cascodo VT5, VT6.1, VT6.2, VD5, R8, R13, en el que se utiliza un par de transistores combinados K159NT1V (VT6). para mejorar la precisión.
La carga principal del amplificador de voltaje es la resistencia R17. Las fuentes de corriente activa VT1, VT2 (con elementos VD6, VD7, R7, R15) en los circuitos emisores de los transistores de entrada aumentan la linealidad del amplificador de voltaje en modo de señal grande. Como resultado, el coeficiente armónico de la etapa de amplificación de voltaje se reduce en casi un orden de magnitud y es, por ejemplo, del 0,007% a una frecuencia de 2 kHz con un voltaje de salida de 31 Vrms. Un seguidor de voltaje compuesto en los elementos VT9, VT10, VT12-VT14, VD13, R18, R19, R22 proporciona un desacoplamiento efectivo del amplificador de voltaje de la etapa final. Esta solución eliminó casi por completo la influencia de la capacitancia de drenaje de puerta no lineal del transistor VT9 en los parámetros del amplificador de voltaje. En este repetidor, la capacitancia de entrada VT9 prácticamente no cambia, ya que los voltajes entre los terminales de este transistor son fijos. El uso incompleto de la tensión de alimentación en el repetidor en la media onda positiva de la señal requirió su aumento, por lo que la tensión de alimentación bipolar es asimétrica con respecto al cable común de la fuente de alimentación y es de +57 V y -52 V. La etapa final del UMZCH no tiene características especiales y es un repetidor push-pull basado en potentes transistores VT15 - VT20, que opera en clase AB con una corriente de reposo de 300 mA. También se construye una fuente de corriente estable de 220 mA (VT7, VT8, R11, R14, VD9-VD12) utilizando un circuito cascodo OB-OB. Los transistores VT7, VT8, VT10, al igual que los transistores de potencia, están ubicados en disipadores de calor. La corriente de reposo de la etapa final se estabiliza mediante un sensor de temperatura en el transistor VT11, que tiene contacto térmico con los transistores de la etapa final. El integrador basado en el amplificador operacional de precisión K140UD17 (DA1) y los elementos R1-R4, R17, C1-C4, VD1-VD4 mantiene un voltaje CC mínimo en la salida del UMZCH, independientemente de la temperatura y la asimetría de los voltajes de suministro. Para desacoplar las cascadas, aumentar la linealidad del UMZCH y aumentar la eficiencia de la etapa final, el amplificador de voltaje se alimenta con un voltaje estabilizado de +57 V y 52 V, y la etapa final se alimenta con un voltaje no estabilizado de ±44 v. La ganancia diferencial del UMZCH está determinada por la relación 2(R17/R6) y es aproximadamente 45. Conectar la salida del amplificador al punto A a través del circuito R5C5 conduce a una compensación parcial de las distorsiones no lineales de la etapa final y reduce la impedancia de salida del UMZCH a una frecuencia de 1 kHz de 0,2 a 0,035 ohmios (las mediciones se realizaron sin el circuito de salida L1R28). La impedancia de salida del UMZCH varía ligeramente en el rango de frecuencia hasta 10 kHz y es de 0,05 ohmios a una frecuencia de 20 kHz. Las mediciones han demostrado que la resistencia de salida del UMZCH no depende de cambios en la corriente de reposo de la etapa terminal en un amplio rango (en el rango de 50...3000 mA), lo que indica la efectividad del OOS aplicado. Para medir el coeficiente armónico (Kg) del UMZCH se utilizó un medidor de distorsión no lineal automático S6-8, un analizador de espectro S4-74 y un generador de señal GZ-118 junto con un balun. Como equivalente de carga, se utilizaron tres resistencias PEV-20 de 50 ohmios conectadas en paralelo (resistencia de 7 ohmios), y para un equivalente de 4 ohmios, cinco de estas resistencias. El voltaje de salida se midió usando un voltímetro VZ-39. El límite inferior de medición de kg con un dispositivo de este tipo es casi -90 dB. El kg total de UMZCH sin compensación de distorsión (el circuito R5C5 está desactivado) con una potencia de salida de 105 W y una carga de 7 ohmios a una frecuencia de 1 kHz fue del 0,099% y a 20 kHz, del 0,096%. El espectro de la señal contiene principalmente el segundo y tercer armónico de amplitud comparable, así como armónicos superiores de menor amplitud (consecuencias del funcionamiento de la etapa final en modo AB). Al conectar el circuito R5C5 del OOS Kg local, el UMZCH a una frecuencia de 1 kHz disminuyó a 0,035%, y a una frecuencia de 20 kHz, a 0,043% con la misma potencia de salida. Con una potencia de salida máxima de 125 W a 7 ohmios a una frecuencia de 1 kHz (señal de salida en el umbral de recorte), la distorsión en el UMZCH aún no supera el 0,1%. Cabe señalar que los transistores finales no se seleccionan especialmente y, si se preseleccionan, se pueden mejorar las características del UMZCH. Sucedió que en este prototipo UMZCH la dispersión real de la ganancia de corriente del emisor de un par complementario de transistores equivalentes resultó ser pequeña, alrededor del 10%. El valor generalizado de la ganancia de corriente en lK = 1 A y Uke = 5 V para el brazo superior (tres transistores KT864A conectados en paralelo) es 96, y para el brazo inferior (tres transistores KT865A) - 87. En valores grandes de la corriente del colector, se reduce el coeficiente de transferencia de corriente de los transistores de base de la etapa final. La potencia máxima de salida del UMZCH con una carga de 4 ohmios es 170 W (al mismo tiempo a una frecuencia de 1 kHz Kg = 0,18%). Utilizando dispositivos importados más potentes en la etapa final, la potencia de salida del UMZCH con una carga de 4...2 ohmios se puede aumentar incluso sin aumentar el número de transistores. La distorsión de intermodulación en UMZCH es inferior a -70 dB (0,03%) cuando se aplica una señal de medición con una amplitud ligeramente por debajo del nivel límite a una carga de 7 ohmios, que es la suma de dos señales sinusoidales de igual amplitud con frecuencias de 20 y 21 kilociclos. La distorsión de intermodulación se evaluó utilizando un analizador de espectro S4-74, que tiene un rango dinámico de al menos 70 dB. Se estimó el componente de frecuencia de diferencia de 1 kHz. La amplitud de esta componente espectral se encuentra en el nivel de ruido del analizador de espectro y se distingue sólo en tiempos de integración grandes del analizador (ancho de banda - 300 Hz, barrido - 5 s). Cabe señalar que este modo de medición se eligió como el más informativo y, cuando se amplifican señales de sonido reales, es poco probable que se produzca una situación tan extrema. Ниже приведены principales especificaciones técnicas Diseño de UMZCH (Fig. 2) cuando se opera con una carga activa equivalente (resistencia).
El UMZCH puede utilizar componentes nacionales e importados. Es mejor seleccionar transistores KT9115A (VT3, VT4) en pares con la misma ganancia de corriente (mejor aún: use pares combinados de transistores pn-p de alto voltaje fabricados en el mismo sustrato). En lugar de KT9115A, puede utilizar KT632B o dispositivos importados 2SA1184, 2N5415. En lugar de 159NT1V, puede utilizar cualquier par de transistores coincidentes de estructura npn (el criterio de selección es un h21E posiblemente más grande). En UMZCH, en lugar de KP902A, los transistores MOS de baja potencia de la serie KP305 funcionan bien. Resistencias R5-R8, R13 y R15-R17 - C2-29, siendo R6 y R16, R7 y R15 con la menor tolerancia posible (en la versión del autor, estas resistencias tienen una tolerancia del 0,05%). Las resistencias restantes son MLT y S5-16MV. La bobina L1 contiene 9 vueltas de alambre aislado con un diámetro de 1,53 mm, enrollado con un paso de 2,5 mm en un mandril con un diámetro de 10 mm. Condensadores: KM-6, K73-16, K73-17. Debido a las peculiaridades de conectar la fuente de señal a la entrada UMZCH, es necesario cambiar el principio de "conexión a tierra" de la carcasa del amplificador. El bus “+57 V” de la fuente de alimentación estabilizada del UMZCH debe conectarse al cuerpo metálico de la estructura. El cable común de la fuente de señal está conectado al mismo punto del cable común. El cable común de los circuitos de alimentación y los condensadores del filtro de potencia debe estar aislado de la carcasa del amplificador. También es necesario aislar los terminales de salida del UMZCH. Si el UMZCH utiliza dos fuentes de alimentación separadas y completamente independientes para cada uno de los canales, entonces sus buses de alimentación "+57 V" deben conectarse en un punto a la carcasa del UMZCH. No es necesario conectar los puntos medios de las fuentes de alimentación. En el caso de una arquitectura "dual mono", dos canales UMZCH están conectados entre sí (y al cuerpo de diseño) solo a través del bus de alimentación de +57 V, que, en ausencia de circuitos comunes de alta corriente, tiene una ventaja efecto sobre el aislamiento entre los canales. Esta versión del UMZCH fue diseñada para funcionar con una mesa de mezclas profesional que no tiene condensadores de acoplamiento en la salida (salida DC). Con este método de "alimentación" a través de resistencias de entrada, el UMZCH siempre consume una pequeña corriente continua de la fuente de señal (aproximadamente 2 mA para cada entrada). En otros casos, para el funcionamiento normal del UMZCH también necesitará una fuente de señal de audio con una salida simétrica de baja impedancia y la capacidad de ajustar el nivel de la señal. En ausencia de una fuente de señal que tenga salida simétrica, se puede utilizar cualquier fuente de señal no balanceada, completándola con un dispositivo que convierta una señal no balanceada en simétrica. Hoy en día, existen bastantes opciones para dispositivos que implementan esta función: desde los más simples basados en un transformador balun hasta microcircuitos especializados, por ejemplo, SSM2142. Para los mismos fines, el autor utilizó en ocasiones un dispositivo conocido como "Di-Box" (Active Direct Inject Box), modelo Dl 100 de Behringer. Estos dispositivos son populares entre los músicos que trabajan con “sonido en vivo” y constan de un transformador balun de alta calidad y un seguidor de voltaje. Las distorsiones no lineales que introducen son bastante pequeñas (normalmente menos del 0,005%). En la Fig. La Figura 3 muestra un circuito "balun", fabricado con un sistema de retroalimentación simétrico cruzado basado en amplificadores operacionales duales DA1 (en un paquete) y resistencias de precisión R1-R8.
El grado de simetría de la señal de salida depende de la distribución individual de las resistencias emparejadas y, de hecho, requerirá ajustes adicionales (la resistencia de estas resistencias puede ser desde unidades hasta decenas de kiloohmios). En la figura se muestra un esquema más complejo con la capacidad de ajustar la simetría. 4 (las resistencias R1-R14 tienen una tolerancia del 0,05%). Todas las mediciones de los parámetros UMZCH se realizaron con este dispositivo.
Los baluns propuestos se pueden utilizar como elemento amortiguador de la etapa de salida de una fuente de señal, aunque la mejor solución debería ser utilizar un microcircuito especializado SSM2142, que, a un coste de unos 4 dólares, ya contiene todos los amplificadores operacionales necesarios. y resistencias (30 kOhm) y está especialmente diseñado para funcionar con una carga de 600 Ohm. La distorsión no lineal del nodo en el SSM2142 es inferior al 0,006% con una señal de salida de 10 V en una carga de 600 ohmios en el rango de frecuencia de 20...20000 Hz. Un amplificador correctamente ensamblado casi no requiere ajustes. Antes de encender, el control deslizante de la resistencia de recorte R20 debe estar en la posición superior del circuito. Antes del primer encendido y posteriores ajustes sin carga, se deben conectar dos potentes resistencias protectoras con una resistencia de 10...20 Ohmios al circuito de alimentación de la etapa final. Estas resistencias protegerán los transistores de la etapa final, por ejemplo, en caso de errores de instalación. Si se produce una autoexcitación, es necesario aumentar la capacitancia de los condensadores de neutralización y corrección (C5, C6). A continuación, verifique el voltaje constante en la salida del UMZCH. No debe ser más de 1...2 mV. Luego, basándose en la caída de voltaje a través de una de las resistencias protectoras, se establece la corriente de reposo de la etapa final ajustando la resistencia R20. Después de calentar el amplificador durante 1 a 2 horas, su valor debe ser 300...350 mA. En este punto, se debe completar el ajuste del UMZCH y se deben excluir las resistencias protectoras de los circuitos de potencia de la etapa final. En un dispositivo balun, el amplificador operacional debería funcionar bien con una carga de 600 ohmios. Aquí puede utilizar OUORA604 (ORA2604), ORA134 (0RA2134, 0RA4134), LT1468, LT1469, LM6171, LM6172. LM837, AD841 también son adecuados. Literatura
Autor: A. Orlov, Irkutsk
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