Статья опубликована в журнале «Радио» №10 за 2007 год

Продолжение темы: Усилитель с регулируемым выходным сопротивлением. Схема, печатная плата.

Скачать: Программа расчета комбинированной ООС.

Принято считать, что выходное сопротивление усилителя мощности должно быть минимальным, по возможности нулевым. Даже существует такой параметр усилителя — коэффициент демпфирования Кд, равный отношению сопротивления нагрузки к выходному сопротивлению усилителя. В некоторых из них этот коэффициент достигает десятков и даже сотен, но относится он исключительно к усилителю. Если же рассмотреть систему усилитель + громкоговоритель в целом, то слушатель не заметит разницы в звучании при Кд =100 и Кд =1000 усилителя мощности, так как при этом не учитывается сопротивление акустических проводов и контактов разъемов, которое в сумме редко бывает меньше 0,1 Ом. Если же учесть еще и сопротивление разделительного фильтра (кроссовера) АС, становится ясно, что, начиная с некоторого значения, с ростом Кд, увеличения демпфирования не будет, и звучание в целом не изменится. Поэтому стремление любой ценой повысить указанный коэффициент выше разумного предела — ничто иное, как маркетинговый ход.

Однако выходное сопротивление не обязательно должно быть равно нулю. Многочисленные публикации, в том числе и в журнале «Радио» [1, 2], доказывают обратное: гармонические и интермодуляционные искажения большинства динамических громкоговорителей снижаются с ростом выходного сопротивления усилителя. Это одна из причин популярности ламповых усилителей. Также многие отмечают субъективное улучшение звучания при использовании усилителя с большим выходным сопротивлением, который может улучшить звуковоспроизведение даже весьма посредственных громкоговорителей [3].

Поэтому стремление любой ценой уменьшить выходное сопротивление УМЗЧ автору представляется неоправданным; при конструировании любых устройств следует искать оптимальное сочетание параметров и характеристик. Стремление же в первую очередь получить внушительные значения какого-либо одного из них носит скорее рекламный характер, и зачастую плохо отражается на устройстве в целом.

Повышенное выходное сопротивление усилителя имеет ряд достоинств:

1. Снижение гармонических и интермодуляционных искажений у многих недорогих головок.
2. Уменьшение влияния термокомпрессии головок громкоговорителей.
3. Улучшение работы УМЗЧ на комплексную нагрузку, каковой является АС.
4. Уменьшение влияния соединительных проводов и контактов на звучание АС.

Помимо достоинств проявляются и некоторые недостатки:

1. При выходном сопротивлении усилителя, сопоставимом с сопротивлением нагрузки, вследствие рассогласования фильтров суммарная АЧХ многополосной АС обычно ухудшается (об этом подробнее в продолжении: УМЗЧ с регулируемым выходным сопротивлением).
2. В большей степени проявляются всевозможные локальные резонансы, например при излучении звука диффузором в зонном режиме.
3. Требуется обеспечение запаса по выходному напряжению УМЗЧ вблизи резонансной частоты НЧ головки [4].
4. Вероятно появление «бубнения» на НЧ из-за повышения электрической добротности громкоговорителя на частоте основного резонанса.

Указанные недостатки не являются существенными. Первый из них принципиально отсутствует в многополосных усилителях, второй влияет слабо в случае, если выходное сопротивление невелико, и позволяет при необходимости расширить зону совместной работы в многополосной АС. Третий недостаток легко учесть на этапе проектирования усилителя.

Интересно отметить влияние выходного сопротивления на неравномерность АЧХ АС. При движении звуковой катушки в магнитном поле в ней наводится ЭДС Евн (рис.1). Поскольку цепь является замкнутой через сопротивление звуковой катушки и выходное сопротивление усилителя, в ней возникает ток Iдем . Этот ток взаимодействует с магнитным полем и появляется тормозящая сила, которая демпфирует подвижную систему, противодействуя движению диффузора. Увеличение выходного сопротивления усилителя уменьшает демпфирующий ток, делая движение диффузора более свободным, и в результате изменяется суммарная АЧХ. Хорошо это или плохо, зависит от полной добротности головки НЧ, оптимальное значение которой — в пределах 0,6…0,8. При меньшей добротности наблюдается спад АЧХ на низших частотах, при большей — подъем АЧХ, вызывающий «бубнение» (рис.2). Графики на этом рисунке построены для акустического оформления «закрытый ящик» (ЗЯ). Для фазоинвертора или, например, полосового резонатора зависимость АЧХ от изменения добротности НЧ головки выглядит не так однозначно, поскольку является функцией большого числа переменных, но принцип сохраняется. Поэтому имеет смысл стремиться к подъему АЧХ АС с низкодобротной головкой, а такие АС распространены среди самодельных конструкций. Кроме того, при конструировании активной АС полезно использовать управление электрической добротностью головки для оптимизации АЧХ в ящике заданного объема [5].

Таким образом, совершенно необязательно выходное сопротивление усилителя должно быть нулевым. Но оно не обязательно должно быть и бесконечно большим, как в случае применения ИТУН (источника тока, управляемого напряжением). Обычно истина где-то рядом: для каждого комплекта усилитель + громкоговоритель существует оптимальное значение выходного сопротивления усилителя; только нужно его определить.

Поэтому очень удобно иметь возможность регулировать выходное сопротивление усилителя в широких пределах; обычно же выходное сопротивление либо очень мало в обычных усилителях, либо очень велико в УМ — ИТУН. Для этой цели можно использовать комбинированную — по напряжению и по току — отрицательную обратную связь. Такое решение имеет ряд важных преимуществ:

1. Требуемое выходное сопротивление можно подобрать для любого усилителя, независимо от его схемотехники, (промышленного или самодельного) после небольшой доработки.
2. Выходное сопротивление не зависит от АЧХ усилителя с разомкнутой петлей ООС, так как обе обратные связи работают одновременно и совместно.
3. Выходное сопротивление усилителя может принимать любые разумные значения, позволяя найти тот самый оптимум, дающий наилучшее качество звучания. Обычно этот оптимум соответствует сравнительно небольшому выходному сопротивлению, примерно равному сопротивлению нагрузки [6].
4. Доработка усилителя для повышения выходного сопротивления доступна радиолюбителям любой квалификации, что позволит им ближе познакомиться с этой интересной стороной взаимодействия УМЗЧ с нагрузкой.

Интересно, что при конструировании высококачественной акустической системы, предназначенной для работы от ИТУН [7], реальное выходное сопротивление, действующее по отношению к головкам, составило 5…15 Ом, и именно такое (небольшое) сопротивление было признано оптимальным!

Построение цепей комбинированной ООС для неинвертирующего и инвертирующего усилителей показано на рис. 3. Здесь резистор R1 формирует цепь ООС по напряжению (ООСН). Резистор R — датчик тока, протекающего через сопротивление нагрузки Rн. Напряжение с резистора R, пропорциональное току нагрузки, подается на инвертирующий вход усилителя через резистор R2, осуществляя ООС по току (ООСТ). От соотношения сопротивлений всех этих резисторов зависит выходное сопротивление Rвых усилителя и его коэффициент усиления Ку. Сопротивление резистора R должно быть по возможности меньше, чтобы не снижать КПД усилителя (повышение выходного сопротивления с помощью комбинированной ООС почти не влияет на КПД усилителя). Очевидно, что значение Rвых в любом случае не может быть меньше сопротивления R.

Таким образом, легко получить требуемое выходное сопротивление в любом усилителе. Для этого его необходимо дополнить резисторами R и R2 с нужным сопротивлением. Пример зависимости коэффициента усиления Ку и выходного сопротивления Rвых усилителя от глубины ООСТ показан на рис.4 для неинвертирующего усилителя, и на рис. 5 — для инвертирующего.

Интересно, что для неинвертирующего усилителя существует соотношение сопротивлений резисторов цепей ООС

Rн / R = R1 / Roc

при котором Ку не зависит от значения R2. Этим удобно пользоваться при доработке уже существующих усилителей. При другом соотношении сопротивлений Ку может увеличиваться или уменьшаться с ростом R2.

Расчет комбинированной ООС весьма трудоемок, и для его облегчения предлагается программа:

In English:

Программа позволяет рассчитывать цепи ООС как неинвертирующего, так и инвертирующего усилителя и выполняет три варианта расчета в зависимости от поставленной задачи.

Вариант 1. При доработке существующего усилителя цепью ООСТ для получения требуемого значения Rвых все элементы цепи ООСН предполагаются известными. Также задается сопротивление токового датчика R, оно выбирается из соображений допустимой рассеиваемой мощности. В результате расчета получается требуемое значение сопротивления R2 и получившийся при введении дополнительной цепи ООСТ коэффициент усиления Ку .

Вариант 2. При конструировании усилителя с заданным Rвых задаются значения Ку, Rвых и вычисляются требуемые значения R1 и R2.

Вариант 3. Для оценки параметров усилителя с известной схемой задаются номиналы всех элементов цепей ООС и вычисляются значения Rвых и Ку, соответствующие такой схеме.

Пример окна программы для расчета неинвертирующего усилителя показан на рис. 6.

Свойство неинвертирующего усилителя сохранять неизменным коэффициент усиления при изменении глубины ООСТ, а значит и выходного сопротивления, можно использовать для создания усилителей с оперативно регулируемым выходным сопротивлением. В [8] приведен пример, когда для воспроизведения музыки определенного жанра подбиралось соответствующее выходное сопротивление. Это позволяло добиться лучшего (по субъективной оценке) качества звучания. На рис. 7 показана упрощенная схема введения регулятора выходного сопротивления для усилителя, описанного в [9]. С схему добавлено три элемента (см. рис. 7): резисторы R21 и R22, которые совместно образуют резистор R2 на рис. 3, а также датчик тока нагрузки — резистор R = Roc · Rн / R1. Резистор R21 ограничивает диапазон регулирования выходного сопротивления максимальным значением 8 Ом (удвоенным сопротивлением нагрузки) при установке движка R22 в крайнее левое по схеме положение. Минимальное выходное сопротивление усилителя равно 0,6 Ом. Для линейного регулирования переменный резистор должен иметь плавную регулировку сопротивления вблизи его минимального значения. Для этого используют переменный резистор группы B, если при вращении по часовой стрелке его сопротивление увеличивается, а выходное сопротивление усилителя уменьшается, либо группы Б, если при вращении по часовой стрелке его сопротивление уменьшается, а выходное сопротивление при этом растет. Для стереофонического усилителя используются сдвоенные резисторы.

Пользуясь предложенной программой, легко рассчитать подобный регулятор для любого усилителя.

Кроме того, программа дополнена расчетом АЧХ громкоговорителя в акустическом оформлении «закрытый ящик» при подключении его к усилителю с ненулевым выходным сопротивлением (рис. 8). Такой расчет особенно актуален при конструировании сабвуферов с низкодобротными головками (с большим ходом подвижной системы). В примере использованы параметры сабвуферной головки Peer less 830452. Красная линия на рис. 8 показывает, что даже в ящике небольшого объема (50 дм3) нижняя рабочая частота составляет 103 Гц (!) при резонансной частоте головки 19 Гц. С такой АЧХ этот громкоговоритель отнести к сабвуферам просто невозможно. Уменьшение объема ящика увеличивает добротность Qtc АС и уменьшает нижнюю частоту. Но и КПД сабвуфера снижается пропорционально объему корпуса (программа иллюстрирует только изменение частотного диапазона и не учитывает изменение КПД АС при коррекции каких-либо параметров). Хорошо видно, что применение усилителя с выходным сопротивлением 6   Ом позволяет получить нижнюю границу частотного диапазона в этом же корпусе, равную 30   Гц!

Важно отметить, что расчет модуля АЧХ не ставит целью полный расчет АС. Он носит иллюстративный характер, производя расчет по формулам «из учебника», и учитывает только три основных параметра головки и объем корпуса громкоговорителя, оставляя «за бортом» все прочие параметры, а также такие факторы как заполнение корпуса звукопоглощающим материалом или возникновение стоячих волн в корпусе. Поэтому результаты — не догма, а руководство к действию. В качестве примера действия можно порекомендовать промоделировать влияние выходного сопротивления усилителя на АЧХ АС в соответствующей программе (JBL SpeakerShop, LspCAD, LEAP, и т. п.). При моделировании выходное сопротивление усилителя добавляется в соответствующем фильтре или просто прибавляется к активному сопротивлению головки.

Рассматривая варианты оптимизации АЧХ сабвуфера, необходимо упомянуть о так называемом корректоре Линквица [10] — специальной цепи, корректирующей АЧХ и ФЧХ (предварительного) усилителя так, чтобы результирующая суммарная АЧХ системы усилитель + сабвуфер была горизонтальной вплоть до очень низких частот. Корректор позволяет добиться того же эффекта расширения частотного диапазона и без повышения выходного сопротивления усилителя. Однако, на взгляд автора, более оптимально именно повышать выходное сопротивление, так как при этом корректируются именно акустические параметры сабвуфера. Кроме того, повышенное выходное сопротивление уменьшает термокомпрессию и влияние нелинейности индуктивности звуковой катушки на качество звучания.

Таким образом, представляется оптимальным такой способ коррекции. Сначала выбором соответствующего выходного сопротивления усилителя обеспечивается наилучший набор акустических параметров, а затем полученная характеристика доводится до желаемой посредством эквализации, например, корректором Линквица. Этот вывод подтвержден экспериментально — сочетание оптимально выходного сопротивления усилителя с корректором Линквица и низкодобротной АС было однозначно признано лучшим (в слепом тесте) в сравнении с использованием одного только корректора; в обоих случаях АЧХ громкоговорителя были одинакова. Примечательно, что в расчете корректора Линквица [11] есть возможность задать выходное сопротивление усилителя и тем самым подобрать действительно оптимальную коррекцию.

Остается добавить, что повышенное выходное сопротивление — не самоцель, и применять его следует только там, где оно несомненно принесет пользу.

И наконец, кратко о коэффициенте усиления Ку, выдаваемом программой. Строго говоря, его значение зависит от сопротивления нагрузки. Чтобы избежать многочисленных «если» и «почему», значение Ку вычисляется как отношение напряжения на нагрузке (заданного в программе сопротивления Rн ) к входному напряжению.

Кроме несомненных достоинств, программа имеет и недостаток: расчет производится для активного сопротивления нагрузки (в программу вводится модуль его импеданса). При реактивном характере нагрузки реальное выходное сопротивление усилителя получается на 5…15% меньше рассчитанного, если фазовый сдвиг достигает 30 градусов.

Программа позволяет сохранять полученные результаты в текстовом (элементы цепей ООС и параметры громкоговорителя) и графическом (схема усилителя и графики АЧХ) форматах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Агеев С. Должен ли УМЗЧ иметь малое выходное сопротивление? — Радио, 1997, №   4, с. 14 ? 16.

2. Алейников А., Сырицо А. Улучшение звуковоспроизведения в системе УМЗЧ — громкоговоритель. — Радио, 2000, №   7, с. 16 ? 18.

3. Алексеев Р. АС « Sven HP-830 B » с двухполосными УМЗЧ. — Радио, 2007, №   1, с. 15, 16.

4. Сырицо А. Особенности УМЗЧ с высоким выходным сопротивлением. — Радио, 2002, №   2, с. 16, 17.

5. Виноградова Э. Л. Конструирование громкоговорителей со сглаженными частотными характеристиками. — М.: Энергия, 1978.

6. Соколов А. От усилителя к громкоговорителю. — Радио, 1997, №   7, с. 20, 21, 49.

7. Бать С. Токовый усилитель глазами инженера.

8. Маслов А. УМЗЧ с регулируемым выходным сопротивлением. — Радио, 2002, №   12, с. 18.

9. Hi-Fi усилитель на микросхеме TDA7294.

10. О сабвуферах, глубоких басах и корректоре Линквица.

11. «Профессиональный» расчет корректора Линквица.

16.09.2007 — 26.05.2008