Labai tiesiškas garso stiprintuvas su giliu grįžtamuoju neigiamu ryšiu (I dalis)

Parengė Andrius Vaičeliūnas (red. pastaba: kalba netaisyta).
Агеев С. Сверхлинейный УМЗЧ с глубокой ООС. – Радио, 1999, № 10, с. 15–17, № 11, с. 13–16, № 12, с. 16–19, 2000, № 1, с. 18–20, № 2, с. 40, 41, № 4, с. 40–42, № 5, с. 22, 23, 40, № 6, с. 11–15.
„Сверхлинейный УМЗЧ с глубокой ООС“ (Возвращаясь к напечатанному). – Радио, 2000, № 9, с. 39–41, № 10, с. 17, № 11, с. 16, 17.

Ar galima iš tėvyninių (red. pastaba: turima omenyje Rusiją) komponentų sukurti stiprintuvą, kuris sėkmingai konkuruotų su bet kokiu firminiu? Publikuojamo straipsnio autorius į šį klausimą atsakė teigiamai. Dėl to stiprintuve jis panaudojo bipolius tranzistorius ir operacinius stiprintuvus.

Su tėvyniniais komponentais šis labai tiesiškas stiprintuvas su giliu ir plačiajuosčiu grįžtamuoju ryšiu užtikrina ilgalaikę iki 150 W galią su 4 Om apkrova. Panaudojus importinius komponentus galima padidinti galią 8 Om apkrovoje iki 250 W. Jis geba dirbti su kompleksine apkrova, turi apsaugas nuo įėjimo bei išėjimo perkrovų. Stiprintuvo intermoduliaciniai iškraipymai tokie maži, kad autorius buvo priverstas juos matuoti radijo dažnių diapazone. Konstrukcija ir spausdintinė plokštė, suprojektuotos autoriaus, yra pavyzdys, kaip reikia atlikti plačiajuosčių įtaisų montažą.

Prieš kurį laiką tarp audiofilų ir radiomėgėjų vyravo nuomonė, jog tikrai aukštos kokybės stiprintuvas būtinai turėjo būti lempinis. Tam pagrįsti buvo išsakyta daug pasvarstymų. Tačiau, jei atmesti visiškai išgalvotus, tai lieka viso labo du. Pirmas – iškraipymai, įnešami lempinio stiprintuvo, malonūs ausiai. Antras – netiesiškumai lempiniuose stiprintuvuose „glotnesni“ ir duoda gerokai mažiau intermoduliacijos produktų.

Reikia pasakyti, kad ir tas, ir anas patvirtinama praktiškai. Dar daugiau, senai egzistuoja netgi specialus garso apdorojimo prietaisas – eksaiteris, kurio veikimas paremtas būtent lyginių eilių iškraipymų įnešimu į aukštadažnę spektro dalį. Nemažai atvejų eksaiterio naudojimas leidžia pagerinti instrumentų ir antrojo-trečiojo plano balsų išdirbimą, suteikti garso scenai papildomą gilumą. Panašus efektas stiprintuve gali būti malonus, kartais netgi naudingas. Tačiau „gerai skambančių“ iškraipymų įnešimas vis tik greičiau priskiriama garso režisieriaus prerogatyvai, negu pačio garso stiprintuvo. Kalbant apie garso atkūrimo tikslumo siekimą, tai šiuo požiūriu būtina pasiekti iškraipymų, įnešamų stiprintuvais ir garsiakalbiais, panaikinimą. Iškraipymų, įnešamų garsiakalbiais, sumažinimo tema buvo anksčiau paliesta [1] straipsnyje. Čia gi kalba eina apie „klasikinius“ garso stiprintuvus su maža išėjimo varža, kadangi jie visgi labiau universalūs, nei garso stiprintuvai su „sroviniu“ išėjimu.

Iš pirmo žvilgsnio gali pasirodyti, kad esant šiuolaikiniam technikos lygiui suprojektuoti „skaidrų“ stiprintuvą visai nesunku, ir debatai susiję su šia problema – tik reklaminio triukšmo vaisius. Iš dalies taip ir yra: jeigu organizuoti nepriekaištingo garso stiprintuvo masinę gamybą, tai praėjus kuriam laikui pramonės šaka, gaminanti šiuos stiprintuvus, mano požiūriu, paprasčiausiai liks be pardavimų.

Šių eilučių autoriui teko projektuoti lempinius ir tranzistorinius precizinius stiprintuvus matavimo technikai, remontuoti ir derinti įvairią aparatūrą – pirmoje eilėje užsieninės gamybos. Suprantama buvo atliekami parametrų matavimai ir konstrukcijų vertinimas. Beje, ne tik pagal standartines (garso technikai) metodikas, bet ir pagal informatyvesnes, konkrečiai išėjimo signalo spektro analizės keliu esant daugiatoniam įėjimo signalui – tokiu atveju į stiprintuvo įėjimą paduodamas signalas, susidedantis iš apytikriai lygios amplitudės sinusoidžių sumos, kurių dažniai proporcingi tam tikram rinkiniui pirminių, t. y. neturinčių bendrų daugiklių, skaičių.

Panaši metodika plačiai taikoma stiprintuvų, naudojamų tolimojo kabelinio ryšio technikoje, kontrolei, kadangi praeinančio per juos signalo spektro reikalavimai „neužterštumui“ labai dideli (ryšio linijoje nuosekliai pajungti tūkstančiai tokių stiprintuvų, o jų iškraipymai sumuojasi). Vietoj pavyzdžio: stiprintuvai K-10800 sistemai turi mažesnį kaip -110 dB intermoduliacinių iškraipymų lygį apie 60 MHz dažnių juostoje.

Aišku, kad gauti tokias charakteristikas nėra paprasta: panašių stiprintuvų gamintojų kvalifikacija turi būti labai aukšta. Gaila, bet įmonės, gaminančios audiotechniką, matomai tenkinasi mažiau kvalifikuotais darbininkais, išskyrus nebent Rupert Neve – garso įrašų pultų Neve ir Amek konstruktorių. Pastebėsiu, kad paskutinis Neve‘o pultas (9098i), gavęs entuziastingą garso įrašų profesionalų įvertinimą, visiškai puslaidininkinis, o jo stiprintuvai turi labai didelį grįžtamojo neigiamo ryšio gylį. Stebėtina, jog savo laiku Neve suprojektavo daug lempinių pultų, kurių dauguma buvo laikomi etalonais.

Turėdamas peno palyginimams ir būdamas skrupulingas žmogus, autorius priėjo išvadą, jog daugeliu atvejų reali puslaidininkinių, arba kad ir lempinių garso stiprintuvų darbo kokybė yra gerokai blogesnė, nei galima tikėtis iš matavimų rezultatų pagal standartines garso aparatūrai metodikas. Žinoma, kad daugelis iš jų buvo priimtos spaudžiant komercinėms aplinkybėms ir ganėtinai nutolę nuo gyvenimo realijų.

Geru pavyzdžiu gali būti reikalavimų sąrašas triukšmų matavimo būdui, pristatytas P. Dolby straipsnyje su jo pateiktos metodikos CCIR/ARM2K aprašymu. Antras punktas šiame sąraše „...komercinis priimtinumas: nė vienas gamintojas nenaudos naujos metodikos, jei skaičiai, gauti iš matavimų, bus blogesni, nei naudojant esamą metodiką...“. P. Dolby pasiūlytas pikinio matuoklio pakeitimas į vidutinės išlygintos reikšmės matuoklį pagerino parametrus apytikriai 6 dB, o palyginamojo filtro perdavimo koeficiento sumažinimas du kartus davė bendrą 12 dB išlošį. Nenuostabu, jog tokia metodika buvo šiltai sutikta daugelio gamintojų.

Analogiškas „fintas“ dažnokai daromas ir matuojant netiesinius iškraipymus: įrašas stiprintuvo pase „0,005 % THD 20 Hz – 20 kHz diapazone“ dažniausiai reiškia tik tai, kad 1 kHz dažnio signalo harmonikos, patenkančios į minėtąją dažnių juostą, neturi viršyti nurodytos reikšmės, tačiau jis nieko nekalba apie iškraipymus tarkim 15 kHz dažnyje. Kai kurie gamintojai mano, jog pajungti apkrovą prie stiprintuvo, atliekant iškraipymų matavimus, visiškai nebūtina, dėl to pase smulkiu šriftu nurodoma: „...esant išėjimo įtampai, atitinkančiai XX vatų galią 4 Om apkrovoje...“.

Taip pat ne retenybė, kai stiprintuvas, pagal specifikacijas turintis „mažesnį kaip 0,01 % THD“ 1 kHz dažnyje, dirbdamas su realia apkrova (su kabeliais ir akustine sistema), parodo 0,4...1 % lygio intermoduliacinius iškraipymus pagal labai negriežtą SMPTE standartą, o kartais ir daugiau (SMPTE – į stiprintuvo įėjimą paduodami du 60 Hz ir 7 kHz dažnio sinusoidiniai signalai, jų amplitudžių santykis 4:1, o matavimo rezultatu laikomas aukštadažnio signalo amplitudės moduliacijos žemadažniu santykinis dydis). Kitais žodžiais kalbant, intermoduliaciniai iškraipymai jau vidutiniuose aukštuosiuose dažniuose dirbant su realia apkrova yra daug didesni už nurodytą harmonikų koeficientą. Panašus reiškinys charakteringas ir daugeliui lempinių garso stiprintuvų, turinčių grįžtamąjį ryšį pagal įtampą.

Analizuojant įvairiatonio signalo, stiprinamo panašiais stiprintuvais, spektrą aptinkama nemažai kombinacinių dedamųjų. Jų kiekis ir bendra galia didėjant įėjimo signalo dedamųjų skaičiui auga praktiškai pagal faktorialo dėsnį, t. y. labai greitai. Klausantis muzikos ausys tai priima kaip „purviną“, „neskaidrų“ skambėjimą, paprastai vadinamą „tranzistoriniu“. Be to, iškraipymų lygio priklausomybė nuo signalo lygio tikrai ne visada yra monotoninė. Būna, jog sumažinus naudingo signalo lygį iškraipymų produktų galia nesumažėja.

Aišku, kad tokiuose įtaisuose stiprintuvo charakteristikų sąrašas pase (harmonikų koeficientas, dažnių juosta) apie nieką daugiau, kaip gamintojo apsukrumą, nesako. Rezultate paprastas vartotojas dažnai esti „katės maiše“ pirkėjas, kadangi normaliai paklausyti (sulyginti pagal kontrastą) prieš pirkimą kažkaip nepavyksta. Žinoma, ne viskas taip niūru – korpuso spalvos, gabaritų ir masės atžvilgiu praktiškai visos branginančios savo markę firmos elgiasi nepriekaištingai.

Tai jokiu būdu nereiškia, kad rinkoje apskritai nėra dėmesio vertų garso stiprintuvų – jų mažai, bet jie yra. Iš visų pramoninių stiprintuvų, su kuriais autoriui teko padirbėti, „tiksliausiu“ pasirodė senas „Yamaha M-2“ (dabar Japonijoje nieko panašaus negamina). Tiesa, jo kaina nemaža, ir jis neapskaičiuotas dirbti su 4 Om apkrova, be to, išėjimo tranzistoriai jame dirba pažeisdami techninių sąlygų reikalavimus. Iš mėgėjiškų – labai gerą įspūdį paliko A. Vituškino ir V. Telesnino (А. Витушкин, В. Телеснин) stiprintuvas [2]. Jis dirba aiškiai geriau („skaidriau“) nei aukšto tikslumo garso stiprintuvas [3]. Dar vienas geras stiprintuvas – M. Alexander iš PMI [4].

Tačiau visi šie stiprintuvai toli gražu nevisiškai realizuoja elementinės bazės galimybes realaus iškraipymų lygio, greitaveikos ir atkūrimo atžvilgiu. Dėl šių priežasčių, o taip pat inžinerinio prestižo sumetimais straipsnio autorius pageidavo sukurti savo garso stiprintuvo versiją, kuri atspindėtų realias elementinės bazės galimybes (tame skaičiuje ir esančių Rusijoje bei NVS) ir būtų nesudėtinga pasigaminti. Lygiagrečiai sukurtas ir „komercinis“ variantas naudojant importinę elementinę bazę – su dar didesnėmis galimybėmis ir didesne išėjimo galia.

Pagrindiniu projekto tikslu tapo ne tiek aukštų „paso“ charakteristikų siekimas, kiek maksimalios įmanomos kokybės užtikrinimas realioms eksploatacijos sąlygoms. Dėl to išskirtinės parametrų reikšmės gavosi automatiškai, kaip schemos ir konstrukcijos optimizacijos rezultatas.

Siūlomo garso stiprintuvo pagrindinė ypatybė yra plačiajuostiškumas, pasiektas eile schemotechninių ir konstrukcinių priemonių.Tai leido gauti vienetinio stiprinimo grįžtamojo neigiamo ryšio kilpa dažnį apie 6...7 MHz, kas eile daugiau, nei daugumoje kitų garso stiprintuvų konstrukcijų. Kaip pasekmė, pasiekiamas daugiau kaip 85 dB (25 kHz dažnyje) grįžtamojo neigiamo ryšio gylis visoje garso dažnių juostoje, 100 kHz dažnyje NGR gylis sudaro 58 dB ir 500 kHz dažnyje – 30 dB. Pilnos galios juosta viršija 600 kHz (esant apie 1 % iškraipymų). Žemiau pateiktos pagrindinės garso stiprintuvo charakteristikos (matuojant iškraipymus ir įtampos užaugimo greitį įėjimo filtras ir minkšto apribojimo įtaisas atjungti).

Stiprintuvas (1 pav.) sudarytas iš tokių mazgų: antros eilės įėjimo žemų dažnių filtro su 48 kHz pjūvio dažniu, „minkšto“ signalo lygio ribotuvo, galios stiprintuvo, išėjimo LRC grandinės, o taip pat automatinio balansavimo pagal pastovią srovę ir laidų varžos kompensacijos (apkrovos pajungimo keturiais laidais schema) kaskadų. Be to, numatytas pagalbinis signalo stiprintuvas sumuojančiame garso stiprintuvo taške. Pastebimos įtampos atsiradimas stiprintuvo, apimto lygiagrečiu NGR, invertuojančiame įėjime byloja apie stebėjimo pažeidimą grįžtamojo ryšio kilpoje ir, atitinkamai, apie iškraipymus, kad ir dėl kokių priežasčių jie būtų sukelti. Šis papildomas stiprintuvas stiprina iškraipymų signalą iki lygio, būtino iškraipymų indikatoriaus darbui.

1 pav. (padidinti)

Stiprintuvo signaliniame trakte stovi КР140УД1101 operaciniai stiprintuvai (OS), retai panaudojami garso aparatūroje, tačiau pasižymintys, nežiūrint į jų sukūrimo senumą (Bob Dobkin sukūrė jo prototipą LM118/218/318 dar 70-ųjų metų pradžioje), unikalia charakteristikų kombinacija. К(Р)140УД11(01) diferencialinio įėjimo signalo perkrovos geba 40 kartų geresnė, nei tradicinių „garso“ OS. Tuo pačiu jo puikūs įtampos užaugimo greitis ir stiprinimas (50•106 100 kHz dažnyje). Dar šis OS labai greitai išeina iš perkrovos būsenos, o jo išėjimo kaskada dirba su didele rimties srove ir turi didelį tiesiškumą dar iki apėmimo grįžtamuoju ryšiu. Vienintelis jo trūkumas – triukšmo EVJ spektrinis tankis apytikriai keturis kartus aukštesnis nei vidutinė reikšmė mažai triukšmaujantiems įtaisams. Tačiau garso stiprintuve tai neturi didelės reikšmės, kadangi maksimalaus signalo santykis su triukšmu gaunamas ne blogesnis kaip 110 dB, ko pilnai pakanka esant duotai galiai. Signaliniame trakte OS pajungti kaip invertoriai su tikslu pašalinti iškraipymus, atsirandančius esant sinfazinei įtampai įėjimuose.

2 pav.

Galios stiprintuvas suprojektuotas pagal sumodernintą „klasikinę“ struktūrą [3, 5] – įėjime pajungtas OS užtikrina aukštą tikslumą, po to eina simetrinis įtampos stiprintuvas „sulaužyto kaskado“ pagrindu ir išėjimo kaskada trijų kaskadų emiterinio kartotuvo pagrindu. Šio stiprintuvo mažų, atrodytų, modernizavimų ir konstrukcinių priemonių (2 pav.) sąskaita reali skambėjimo kokybė ir parametrų atkūrimas radikaliai pagerinti palyginus su [3, 5, 6].

Išėjimo kaskadoje, apskaičiuotoje 4 Om apkrovai, panaudota ne mažiau kaip aštuoni tranzistoriai per petį. Nežiūrint į tariamą perteklių ir gremėzdiškumą, toks sprendimas yra būtinas dirbant su realia kompleksine apkrova dėl dviejų priežasčių. Pirma, svarbiausioji, glūdi tame, kad dirbant su kompleksine apkrova žymiai padidėja momentinė galia, išskiriama išėjimo tranzistoriuose.

3 pav. pateikti momentinės galios, išsklaidomos išėjimo tranzistorių, priklausomybės nuo momentinės išėjimo įtampos reikšmės skirtingoms apkrovoms (1–3 kreivės) grafikai, kai maitinimo įtampa ±40 V. Kreivė 1 atitinka galios stiprintuvo darbą su grynai aktyvia apkrova, kurios varža 0,8 nuo nominalios (t. y. 3,2 Om), kreivė 2 – su kompleksine apkrova, kurios impedanso modulis 0,8 nuo nominalaus, ir 45 laipsnių faziniu kampu (reikalavimas ОСТ.4.ГО.203.001 – 75), o kreivė 3 – esant 60 laipsnių faziniam kampui. Iš grafikų matyti, jog dirbant su kompleksine apkrova pikinė galia, išsklaidoma išėjimo tranzistorių, yra 2,5–3 kartus didesnė, negu su analogiška pagal modulį rezistyvine apkrova.

3 pav.

Tai problema, tačiau didžiausius nemalonumus sukelia tas faktas, kad dirbant su kompleksine apkrova tranzistoriuose išsklaidomos galios maksimumas būna tais momentais, kai išėjimo įtampa artima nuliui, t. y. kada tranzistoriams tenka didelė maitinimo šaltinio įtampa. Kai kurių garsiakalbių impedanso modulis gali sumažėti nuo 4 iki 1,6 Om (tam tikroje dažnių juostoje), o fazinis kampas – išaugti iki 60 laipsnių [7]. Tai padvigubina išsklaidomą galią palyginti su 3 kreive.

Bipoliams tranzistoriams labai svarbu, prie kokios įtampos juose išsklaidoma galia: didėjant įtampai leistina išsklaidymo galia žymiai sumažėja dėl „karštųjų dėmių“ atsiradimo, kurias sukelia lokalus terminis nestabilumas, vedantis prie parametrų degradacijos ir antrinio pramušimo. Todėl kiekvienam tranzistorių tipui egzistuoja saugių režimų sritis (SRS), kurioje ir leidžiama jų eksploatacija. КТ818Г1/819Г1 (jie pasižymi geriausia SRS tarp tėvyninių galingų komplementarių tranzistorių) maksimali išsklaidymo galia esant 40 V įtampai ir 60...70 °C korpuso temperatūrai esti ne 60, o 40 W, esant 60 V įtampai leistina išsklaidymo galia krenta iki 32 W, o esant 80 V įtampai – iki 26 W.

Vaizdumo dėlei 3 pav. pavaizduota kreivė 4, rodanti šių tranzistorių sklaidos galimybes priklausomai nuo stiprintuvo išėjimo įtampos. Matyti, kad net dirbant su grynai aktyvia apkrova būtina jungti lygiagrečiai ne mažiau dviejų įtaisų per petį. Galingų lauko tranzistorių (MOSFET, МОП-ПТ) SRS didesnė, tačiau jų komplementarumo laipsnis žymiai blogesnis, nei bipolių. Tai priveda prie to, kad išėjimo kaskados su МОП-ПТ iškraipymai esant mažiems signalo lygiams (dėl slenkstinės įtampos reikšmių išsibarstymo, o taip pat didesnės išėjimo varžos) ir aukštuose dažniuose (dėl stiprios talpų ir charakteristikos statumų asimetrijos) yra kelis kartus didesni, negu teisingai suprojektuotos kaskados su bipoliais tranzistoriais. Tuo labiau užsieninės gamybos garso stiprintuvai, kurių išėjimo kaskada įgyvendinta MOSFET tranzistoriuose, yra pigesni, nei su bipoliais. Priežastis – galingų bipolių ir lauko tranzistorių kainos užsienyje apytikriai lygios, tačiau lauko tranzistorių paklausa mažesnė. Geriausių importinių bipolių tranzistorių SRS žymiai didesnė, negu tėvyninių, tačiau dirbant su 4 Om apkrova juos taip pat reikia jungti lygiagrečiai.

Remtis galios trumpalaikiškumu negalima, kadangi srovės dėmių susidarymo laikas matuojamas dešimtimis mikrosekundžių, o tai daug mažiau nei žemo dažnio pusperiodis. Reiškiasi išėjimo tranzistorių kiekį reikia parinkti atsižvelgiant į kiekvieno iš jų darbo užtikrinimą pastoviai srovei SRS ribose. Tas lemia būtinybę didinti išėjimo tranzistorių skaičių, o tai brangu ir reikalauja darbo. Būtent todėl daugumoje komercinių stiprintuvų tranzistorių žymiai mažiau, nei reikalinga. Tačiau tranzistorių, eksploatuojamų pažeidžiant SRS, parametrai palaipsniui degraduoja ir priveda prie skambėjimo suprastėjimo.

Antroji priežastis dideliam išėjimo tranzistorių skaičiui susieta su tuo, kad jų charakteristikos, pirmoje eilėje greitaveika, didėjant srovei pradeda blogėti gerokai prieš pasiekiant ribinę leistiną srovę. Pavyzdžiui, plačiai paplitusio japoniško tranzistoriaus 2SA1302, formaliai skirto iki 15 A srovei, smarkus ribinio dažnio kritimas prasideda nuo 3 A, o jam komplementaraus 2SC3281 – nuo 2,5 A.

Yra ir kitų priežasčių, dėl kurių tikslinga lygiagrečiai jungti keletą galingų tranzistorių. Bendros talpos bazė-emiteris padidinimas sudaro sąlygas tiesioginiam signalo praėjimui iš prieš tai einančios kaskados (esant apibrėžtai galios atsargai) ir dar išėjimo kartotuvo pralaidumo juosta faktiškai viršija išėjimo tranzistorių ribinį dažnį. Būtent todėl šiame stiprintuve tapo įmanoma naudoti palyginti „lėtus“ išėjimo tranzistorius be žalos pasiekiamoms charakteristikoms.

Stiprintuve panaudota tėvyninės gamybos elementinė bazė. Kiekvieno kanalo signaliniame trakte naudojami OS К(Р)140УД1101 (3 vnt.), pagalbinėse grandinėse – К(Р)140УД14(08) ir КР140УД23 (po 1 vnt.). Pirminėse kaskadose naudojami komplementarūs КТ3102 ir КТ3107 serijos tranzistoriai (po 2 vnt.), КТ632 ir КТ638 (po 4 vnt.), КТ502 ir КТ503 (2 ir 1 vnt.), КТ9115 ir КТ969 (po 3 vnt.). Stiprintuvo išėjimo kaskados laipsniuose stovi КТ961А ir КТ639Е (4 ir 5 vnt.), o taip pat КТ818Г1 ir КТ819Г1 (po aštuonis tranzistorius per petį). Stiprintuve taip pat panaudoti КД521 arba КД522, КД243Б ir КД213Б serijos diodai.

Tęsinys: Labai tiesiškas garso stiprintuvas su giliu grįžtamuoju neigiamu ryšiu (II dalis).

Literatūra

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.