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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA UMZCH com uma entrada simétrica sem uma proteção ambiental comum. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Amplificadores de potência a transistor O amplificador se distingue pelo uso de um loop de realimentação local do tipo compensação, que reduz a distorção do estágio de saída. O uso de um estágio de entrada altamente linear eliminou a necessidade de um loop de realimentação comum, e sua simetria em uma ampla banda de frequência praticamente elimina o efeito de interferência externa no amplificador. As vantagens do UMZCH com uma proteção ambiental geral são bem conhecidas e foram consideradas mais de uma vez na literatura especializada [1] e nas páginas da revista Radio. No entanto, apesar das altas características técnicas, sua qualidade de reprodução de som real geralmente está longe do ideal, enquanto UMZCHs relativamente simples sem um OOS geral (ou com OOS de até 20 dB) soam mais naturais do que UMZCHs com OOS profundo. Os desenvolvedores chegaram à conclusão de que o principal culpado é a distorção dinâmica associada a uma escolha e implementação malsucedidas da resposta de frequência e resposta de fase dos estágios do amplificador cobertos pelo OOS profundo. Na indústria de áudio, surgiu até uma direção separada - são amplificadores com um caminho de sinal de baixo estágio sem um OOS comum e, às vezes, com compensação para distorções não lineares [2]. UMZCH deste tipo é executado em lâmpadas ou transistores especialmente selecionados operando na classe A ou AB com alta corrente quiescente e são caracterizados por alto custo. Os desenvolvedores desse UMZCH usam apenas componentes de alta qualidade, os estágios de entrada são construídos de acordo com circuitos simétricos (balanceados) e, para obter uma baixa resistência de saída, é usado um grande número de transistores poderosos com parâmetros selecionados, que, de fato, garante a repetibilidade das características declaradas do UMZCH. No UMZCH proposto sem um OOS comum, é usado um estágio de entrada simétrico baseado em um seguidor de corrente [3]. O circuito UMZCH é funcionalmente simples e inclui um amplificador de tensão e um amplificador de corrente. Tal estrutura corresponde a um dos princípios do áudio High End - um mínimo de "comprimento elétrico", ou seja, um mínimo de estágios de amplificação e componentes no caminho do sinal. O amplificador usa realimentação local para reduzir a distorção do estágio de saída. Ao desenvolver o UMZCH, a atenção principal foi dada à redução do número de estágios de amplificação e ao aumento da linearidade inicial do amplificador de tensão. Uma característica do UMZCH é a ausência de estágios de amplificação feitos de acordo com o esquema com um emissor comum (OE) ou com uma fonte comum (OI). Sabe-se que uma cascata diferencial geralmente consiste em um par de transistores conectados de acordo com um circuito com um OE ou RO [1] e introduz distorções não lineares perceptíveis [4]. Usando circuitos de comutação com base comum (OB), coletor comum (OC) e dreno comum (OS) juntamente com um caminho de amplificação curto, foi possível criar um UMZCH sem um OOS comum com parâmetros que não são inferiores aos dos produtos industriais. Parâmetros de amplificadores altos são alcançados por meio de soluções puramente de circuito e, ao contrário das abordagens exóticas e de ciência de materiais características do High End, não requerem o uso de componentes caros. O UMZCH possui uma entrada balanceada de baixa resistência (1200 ohms) e foi projetado para funcionar com fontes de sinal que possuem uma saída ajustável simétrica. Para realizar totalmente os recursos do UMZCH, a fonte de sinal deve ter uma saída "aberta" (sem capacitores de acoplamento). Observe que as fontes de sinal de alta qualidade mais modernas são capazes de transmitir um sinal sem distorção para uma carga de resistência relativamente baixa (até centenas de ohms). Em equipamentos de estúdio ou profissionais, a impedância de saída balanceada da fonte de sinal já foi projetada para uma carga de 600 ohms e este é o padrão da indústria. Portanto, nesses casos, parece redundante obter uma alta impedância de entrada em um UMZCH de alta qualidade. Na fig. 1 mostra um diagrama de blocos geral, onde o estágio de entrada consiste em um amplificador de tensão simétrico baseado nos transistores VT1, VT2, conectados de acordo com o circuito OB. Este estágio é carregado no espelho de corrente (transistores VT3, VT4), no transistor de rastreamento VT5 e no circuito R6CK. O transistor no circuito de comutação com OB tem uma característica de transferência mais linear e melhores propriedades de frequência [5, 6]. O sinal na forma de uma tensão de entrada diferencial (em relação ao barramento +U1) é alimentado a dois resistores R1, R2 de igual resistência e é convertido na corrente de entrada dos emissores dos transistores VT1, VT2. O estágio terminal A1 é um seguidor de tensão.
Um circuito amplificador de tensão similar com um estágio diferencial de entrada adicional em transistores de efeito de campo foi usado em [7]. Elementos separados deste esquema foram citados por I. Dostal em sua monografia [8]. O princípio de operação de tal amplificador de tensão é descrito em detalhes na literatura [7, 8]. O estágio final A1 pode ser feito em transistores bipolares ou de efeito de campo. A saída do amplificador de tensão (no ponto C) é de impedância razoavelmente baixa. Isso possibilita a utilização de um seguidor de tensão complementar de estágio único como A1, embora não seja descartada a possibilidade de utilização de uma estrutura de dois ou três estágios com alto ganho de corrente no estágio final [1]. Tal UMZCH introduz menos distorção no sinal de saída em comparação com um amplificador de estrutura clássica, e o ganho real é de 10 ... 12 dB. Isso é verdade, via de regra, sempre, se a fonte do sinal tiver baixa impedância de saída e puder conduzir uma carga de 600 ohms sem aumentar a distorção não linear. Nesse circuito, a fonte do sinal é conectada ao barramento de alimentação +U1. O UMZCH utiliza duas fontes de alimentação bipolar com transformador T1: uma para o estágio de amplificação de tensão (enrolamento II, ponte de diodos VD4 e capacitores de suavização do filtro de potência C1, C2) e a segunda para alimentar o estágio final (enrolamento III, diodo ponte VD5 e capacitores C3, C4). Na fig. 1 fio comum de fontes de alimentação e ainda indicado por um retângulo. O amplificador da fig. 1 é caracterizado por uma característica de entrada fundamentalmente linear que define a linearidade inicial de todo o UMZCH. Além disso, o ganho UMZCH é determinado apenas pela relação dos resistores R6 / R2 (ou R6 / R1) e não depende dos parâmetros dos transistores utilizados. Pode ser definido com um alto grau de precisão e variado em uma ampla faixa. As medições mostram que sem os resistores R5, R6, o ganho da cascata é bastante alto e é superior a 400 a uma frequência de 500000 Hz. As desvantagens do UMZCH incluem algumas restrições nos parâmetros da fonte do sinal. Deve ser simétrico e preferencialmente com saída CC aberta. Além disso, um circuito com um seguidor de corrente na entrada degrada a relação sinal-ruído [3]. Agora considere o diagrama esquemático UMZCH mostrado na Fig. 2. O amplificador apresenta alto desempenho e sem circuitos de realimentação. O amplificador de entrada é feito nos transistores VT3, VT4, que são carregados em um espelho de corrente do tipo cascode VT5, VT6.1, VT6.2, VD5, R8, R13, no qual um par de transistores combinados K159NT1V (VT6) é usado para melhorar a precisão.
A carga principal do amplificador de tensão é o resistor R17. Fontes de corrente ativas VT1, VT2 (com elementos VD6, VD7, R7, R15) nos circuitos emissores dos transistores de entrada aumentam a linearidade do amplificador de tensão no modo de sinal grande. Como resultado, o coeficiente harmônico do estágio de amplificação de tensão é reduzido em quase uma ordem de grandeza e atinge, por exemplo, 0,007% a uma frequência de 2 kHz com uma tensão de saída de 31 V (rms). O seguidor de tensão composto nos elementos VT9, VT10, VT12-VT14, VD13, R18, R19, R22 fornece desacoplamento efetivo do amplificador de tensão do estágio final. Esta solução eliminou quase completamente a influência da capacitância não linear do transistor de dreno de porta VT9 nos parâmetros do amplificador de tensão. Nesse seguidor, a capacitância de entrada VT9 praticamente não muda, pois as tensões entre os terminais desse transistor são fixas. O uso incompleto da tensão de alimentação no repetidor na meia onda positiva do sinal exigiu seu aumento, portanto a tensão de alimentação bipolar é assimétrica em relação ao fio comum da fonte de alimentação e é de +57 V e -52 V. O estágio final do UMZCH não possui recursos e é um seguidor push-pull nos poderosos transistores VT15 - VT20, operando na classe AB com uma corrente quiescente de 300 mA. Uma fonte de corrente estável de 220 mA (VT7, VT8, R11, R14, VD9-VD12) também é construída de acordo com o circuito cascode OB-OB. Os transistores VT7, VT8, VT10, bem como transistores poderosos, estão localizados em dissipadores de calor. A corrente quiescente do estágio final estabiliza o sensor de temperatura no transistor VT11, que tem contato térmico com os transistores do estágio final. O integrador baseado no amplificador operacional de precisão K140UD17 (DA1) e nos elementos R1-R4, R17, C1-C4, VD1-VD4 mantém a tensão CC mínima na saída UMZCH, independente da temperatura e assimetria da tensão de alimentação. Para desacoplar os estágios, aumentar a linearidade do UMZCH e aumentar a eficiência do estágio final, o amplificador de tensão é alimentado por uma tensão estabilizada de +57 V e 52 V, e o estágio final é alimentado com uma tensão não estabilizada de ±44 v. O ganho diferencial do UMZCH é determinado pela relação 2(R17 / R6) e é cerca de 45. Conectar a saída do amplificador ao ponto A através do circuito R5C5 leva à compensação parcial das distorções não lineares do estágio final e reduz a impedância de saída do UMZCH a uma frequência de 1 kHz de 0,2 a 0,035 ohms (as medições foram feitas sem o circuito de saída L1R28). A impedância de saída do UMZCH varia ligeiramente na faixa de frequência de até 10 kHz e é de 0,05 ohms a uma frequência de 20 kHz. As medições mostraram que a resistência de saída do UMZCH não depende da mudança na corrente quiescente do estágio terminal em uma ampla faixa (na faixa de 50 ... 3000 mA), o que indica a eficácia da proteção ambiental aplicada . Para medir o coeficiente harmônico (Kg) do UMZCH, foram usados um medidor automático de distorção não linear S6-8, um analisador de espectro S4-74 e um gerador de sinal GZ-118 junto com um dispositivo de balanceamento. Três resistores PEV-20 de 50 Ohm conectados em paralelo (resistência de 7 Ohm) são usados como equivalente de carga e cinco desses resistores são usados para um equivalente de 4 Ohm. A tensão de saída foi medida usando um voltímetro VZ-39. O limite inferior de medição de Kg com tal dispositivo é quase -90 dB. O Kg total do UMZCH sem compensação de distorção (o circuito R5C5 está desabilitado) com potência de saída de 105 W e carga de 7 ohms na frequência de 1 kHz foi de 0,099% e em 20 kHz - 0,096%. O espectro do sinal contém principalmente o segundo e terceiro harmônicos de amplitude comparável, bem como harmônicos maiores de menor amplitude (as consequências da operação do estágio final no modo AB). Quando o circuito R5C5 local foi conectado, o Kg UMZCH na frequência de 1 kHz diminuiu para 0,035% e na frequência de 20 kHz - até 0,043% com a mesma potência de saída. Com uma potência de saída máxima de 125 W a 7 ohms a uma frequência de 1 kHz (sinal de saída no limite), a distorção no UMZCH ainda não excede 0,1%. Deve-se notar que os transistores terminais não são especialmente selecionados e, no caso de sua seleção preliminar, é possível melhorar as características do UMZCH. Acontece que neste layout UMZCH, a propagação real do ganho na corrente do emissor de um par complementar de transistores equivalentes acabou sendo pequena, cerca de 10%. O valor generalizado do ganho de corrente em lK \u1d 5 A e Uke \u864d 96 V para o lado superior (três transistores KT865A conectados em paralelo) é 87 e para o inferior (três transistores KT4A) - 170. Em valores altos da corrente do coletor, o coeficiente de transferência de corrente da base do estágio final dos transistores é reduzido. A potência máxima de saída do UMZCH com uma carga de 1 ohms é de 0,18 W (ao mesmo tempo, com uma frequência de 4 kHz, Kg = 2%). Usando dispositivos importados mais potentes no estágio final, a potência de saída do UMZCH com uma carga de XNUMX ... XNUMX Ohms pode ser aumentada mesmo sem aumentar o número de transistores. A distorção de intermodulação em UMZCH é inferior a -70 dB (0,03%) quando um sinal de medição com uma amplitude logo abaixo do nível limite atua em uma carga de 7 ohms, que é a soma de dois sinais senoidais de igual amplitude com frequências de 20 e 21 kHz. As distorções de intermodulação foram avaliadas usando o analisador de espectro S4-74, que possui uma faixa dinâmica de pelo menos 70 dB. O componente de diferença de frequência de 1 kHz foi estimado. A amplitude deste componente espectral está no nível de ruído do analisador de espectro e é distinguível apenas em grandes tempos de integração do analisador (largura de banda - 300 Hz, varredura - 5 s). Deve-se notar que este modo de medição foi escolhido como o mais informativo e, quando sinais de som reais são amplificados, uma situação tão extrema é improvável. Abaixo estão os principais especificações técnicas Layout UMZCH (Fig. 2) ao trabalhar em um equivalente de carga ativa (resistor).
No UMZCH, podem ser utilizados componentes nacionais e importados. Os transistores KT9115A (VT3, VT4) são melhor selecionados em pares com o mesmo ganho de corrente (melhor ainda - use pares combinados de transistores pn-p de alta tensão feitos no mesmo substrato). Em vez de KT9115A, você pode usar KT632B ou dispositivos importados 2SA1184, 2N5415. Em vez de 159NT1V, você pode usar qualquer par correspondente de transistores da estrutura npn (o critério de seleção é o maior h21E possível). No UMZCH, em vez do KP902A, os transistores MOS de baixa potência da série KP305 funcionam bem. Resistores R5-R8, R13 e R15-R17 - C2-29, com R6 e R16, R7 e R15 com a menor tolerância possível (na versão do autor, esses resistores têm tolerância de 0,05%). Os resistores restantes são MLT e C5-16MV. A bobina L1 contém 9 voltas de fio isolado com diâmetro de 1,53 mm, enrolado com passo de 2,5 mm em um mandril com diâmetro de 10 mm. Capacitores - KM-6, K73-16, K73-17. Devido às peculiaridades de conectar a fonte de sinal à entrada UMZCH, o princípio de "aterramento" do invólucro do amplificador também deve ser alterado. O barramento "+57 V" da fonte de alimentação estabilizada UMZCH deve ser conectado à caixa de metal da estrutura. O fio comum da fonte de sinal é conectado ao mesmo ponto do fio comum. O fio comum dos circuitos de potência e capacitores do filtro de potência devem ser isolados da caixa do amplificador. Você também precisa isolar os terminais de saída do UMZCH. Se o UMZCH usar duas fontes de alimentação separadas e completamente independentes para cada um dos canais, seus barramentos de força "+57 V" devem ser conectados em um ponto com o gabinete do UMZCH. Os pontos médios das fontes de alimentação não precisam ser interligados. No caso de uma arquitetura "mono duplo", dois canais UMZCH são conectados entre si (e ao gabinete da estrutura) apenas através do barramento de força de +57 V, que, na ausência de circuitos comuns de alta corrente, afeta favoravelmente o desacoplamento entre os canais. Esta versão do UMZCH foi projetada para funcionar com um console de mixagem profissional que não possui capacitores de isolamento na saída (saída DC). Com este método de "alimentação" através dos resistores de entrada, o UMZCH sempre consome uma pequena corrente contínua da fonte de sinal (cerca de 2 mA para cada entrada). Em outros casos, para operação normal do UMZCH, também será necessária uma fonte de sinal de áudio com saída simétrica de baixa impedância e a capacidade de ajustar o nível do sinal. Na ausência de uma fonte de sinal com saída balanceada, pode-se utilizar qualquer fonte de sinal desbalanceada, complementando-a com um dispositivo que converta o sinal desbalanceado em balanceado. Hoje, existem várias opções de dispositivos que implementam essa função: desde os mais simples baseados em um transformador de balanceamento até microcircuitos especializados, por exemplo, SSM2142. Para os mesmos fins, o autor utilizou algumas vezes um dispositivo conhecido como "Di-Box" (Active Direct Inject Box), modelo Dl 100 da Behringer. Esses dispositivos são populares entre os músicos que trabalham com "som ao vivo" e consistem em um transformador balun de alta qualidade e um seguidor de tensão. As distorções não lineares introduzidas por eles são bastante pequenas (geralmente menores que 0,005%). Na fig. A Figura 3 mostra um circuito "simmetrator" feito com um sistema operacional de simetria cruzada em amplificadores operacionais duplos DA1 (em um pacote) e resistores de precisão R1-R8.
O grau de simetria do sinal de saída depende da distribuição individual dos resistores emparelhados e, na verdade, exigirá ajustes adicionais (a resistência desses resistores pode ser unidades ou dezenas de quilo-ohms). Um circuito mais complexo com a possibilidade de ajustar a simetria é mostrado na Fig. 4 (os resistores R1-R14 têm uma tolerância de 0,05%). Todas as medições dos parâmetros UMZCH foram realizadas usando este dispositivo.
Os dispositivos de balanceamento propostos podem ser usados como um elemento buffer do estágio de saída da fonte de sinal, embora a melhor solução seja o uso de um microcircuito especializado SSM2142, que, a um custo de cerca de US$ 4, já contém todas as opções necessárias. amplificadores e resistores (30 kOhm) e é especialmente projetado para operar em uma carga de 600 Ohm. A distorção não linear do nó no SSM2142 é inferior a 0,006% com um sinal de saída de 10 V a uma carga de 600 Ohms na faixa de frequência de 20.. .20000 Hz. Um amplificador montado corretamente quase não precisa ser ajustado. Antes de ligar o motor, o resistor de ajuste R20 deve estar na posição superior de acordo com o diagrama. Antes da primeira ligação e ajustes subsequentes sem carga, dois resistores de proteção potentes com uma resistência de 10 ... 20 Ohms devem ser conectados aos circuitos de alimentação do estágio final. Esses resistores protegerão os transistores de estágio final, por exemplo, em caso de erros de fiação. Caso ocorra autoexcitação, é necessário aumentar a capacitância dos capacitores de neutralização e correção (C5, C6). Em seguida, verifique a tensão constante na saída do UMZCH. Não deve ser superior a 1...2 mV. Então, de acordo com a queda de tensão em um dos resistores de proteção, ajustando a resistência R20, a corrente quiescente do estágio final é definida. Depois de aquecer o amplificador por 1 a 2 horas, seu valor deve ser de 300 ... 350 mA. Com isso, o ajuste do UMZCH deve ser concluído e os resistores de proteção devem ser excluídos dos circuitos de potência do estágio final. Em um dispositivo de balanceamento, os amplificadores operacionais devem funcionar bem para uma carga de 600 ohms. Aqui você pode usar OPA604 (OPA2604), OPA134 (0PA2134, 0PA4134), LT1468, LT1469, LM6171, LM6172. Adequado também LM837, AD841. Literatura
Autor: A. Orlov, Irkutsk
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