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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE UMZCH avec une entrée symétrique sans protection environnementale commune. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Amplificateurs de puissance à transistors L'amplificateur se distingue par l'utilisation d'une boucle de rétroaction locale de type compensation, qui réduit la distorsion de l'étage de sortie. L'utilisation d'un étage d'entrée hautement linéaire a éliminé le besoin d'une boucle de rétroaction commune, et sa symétrie sur une large bande de fréquences élimine pratiquement l'effet des interférences externes sur l'amplificateur. Les avantages de l'UMZCH avec une protection générale de l'environnement sont bien connus et ont été considérés plus d'une fois dans la littérature spécialisée [1] et dans les pages du magazine Radio. Cependant, malgré les caractéristiques techniques élevées, leur qualité de reproduction sonore réelle est souvent loin d'être idéale, tandis que les UMZCH relativement simples sans OOS général (ou avec OOS jusqu'à 20 dB) sonnent plus naturellement que les UMZCH avec OOS profond. Les développeurs sont arrivés à la conclusion que le principal coupable est la distorsion dynamique associée au mauvais choix et à la mauvaise mise en œuvre de la réponse en fréquence et de la réponse en phase des étages d'amplification couverts par un OOS profond. Dans l'industrie audio, même une direction distincte est apparue - ce sont des amplificateurs avec un chemin de signal à faible étage sans OOS commun, et parfois avec compensation des distorsions non linéaires [2]. Les UMZCH de ce type sont réalisés sur des lampes ou des transistors spécialement sélectionnés fonctionnant en classe A ou AB avec un courant de repos élevé et se caractérisent par un coût élevé. Les développeurs d'un tel UMZCH n'utilisent que des composants de haute qualité, les étages d'entrée sont construits selon des circuits symétriques (équilibrés) et pour obtenir une faible résistance de sortie, un grand nombre de transistors puissants avec des paramètres sélectionnés sont utilisés, qui, en fait, assure la répétabilité des caractéristiques déclarées de l'UMZCH. Dans l'UMZCH proposé sans OOS commun, un étage d'entrée symétrique basé sur un suiveur de courant est utilisé [3]. Le circuit UMZCH est fonctionnellement simple et comprend un amplificateur de tension et un amplificateur de courant. Une telle structure correspond à l'un des principes de l'audio haut de gamme - un minimum de "longueur électrique", c'est-à-dire un minimum d'étages d'amplification et de composants dans le chemin du signal. L'amplificateur utilise une rétroaction locale pour réduire la distorsion de l'étage de sortie. Lors du développement de l'UMZCH, l'attention principale a été accordée à la réduction du nombre d'étages d'amplification et à l'augmentation de la linéarité initiale de l'amplificateur de tension. Une caractéristique de l'UMZCH est l'absence d'étages d'amplification réalisés selon le schéma avec un émetteur commun (OE) ou avec une source commune (OI). On sait qu'une cascade différentielle se compose généralement d'une paire de transistors connectés selon un circuit avec un OE ou RO [1] et introduit des distorsions non linéaires notables [4]. En utilisant des circuits de commutation avec une base commune (OB), un collecteur commun (OC) et un drain commun (OS) ainsi qu'une courte longueur du chemin d'amplification, il a été possible de créer un UMZCH sans OOS commun avec des paramètres qui ne sont pas inférieurs à ceux des produits industriels. Les paramètres d'amplification élevés sont obtenus grâce à des solutions purement de circuit et, contrairement aux approches exotiques et de science des matériaux caractéristiques du haut de gamme, ne nécessitent pas l'utilisation de composants coûteux. UMZCH a une entrée symétrique à faible résistance (1200 ohms) et est conçu pour fonctionner avec des sources de signal qui ont une sortie réglable symétrique. Pour réaliser pleinement les capacités de l'UMZCH, la source de signal doit avoir une sortie "ouverte" (sans condensateurs de couplage). Notez que la plupart des sources de signal de haute qualité modernes sont capables de transmettre un signal sans distorsion à une charge de résistance relativement faible (jusqu'à des centaines d'ohms). En studio ou en équipement professionnel, l'impédance de sortie symétrique de la source du signal est déjà conçue pour une charge de 600 ohms et c'est la norme de l'industrie. Par conséquent, dans de tels cas, il semble redondant d'obtenir une impédance d'entrée élevée dans un UMZCH de haute qualité. Sur la fig. La figure 1 montre un schéma synoptique général, où l'étage d'entrée est constitué d'un amplificateur de tension symétrique à base de transistors VT1, VT2, connectés selon le circuit OB. Cette cascade est chargée sur le miroir de courant (transistors VT3, VT4), le transistor de suivi VT5 et le circuit R6CK.Le transistor dans le circuit de commutation avec OB a une caractéristique de transfert plus linéaire et de meilleures propriétés de fréquence [5, 6]. Le signal sous la forme d'une tension d'entrée différentielle (par rapport au bus +U1) est envoyé à deux résistances R1, R2 de résistance égale et est converti en courant d'entrée des émetteurs des transistors VT1, VT2. L'étage terminal A1 est un suiveur de tension.
Un circuit amplificateur de tension similaire avec un étage différentiel d'entrée supplémentaire sur des transistors à effet de champ a été utilisé dans [7]. Des éléments distincts de ce schéma ont été cités par I. Dostal dans sa monographie [8]. Le principe de fonctionnement d'un tel amplificateur de tension est décrit en détail dans la littérature [7, 8]. Le dernier étage A1 peut être réalisé sur des transistors bipolaires ou à effet de champ. La sortie de l'amplificateur de tension (au point C) est d'impédance assez faible. Cela permet d'utiliser un suiveur de tension complémentaire à un étage comme A1, bien que la possibilité d'utiliser une structure à deux ou trois étages avec un gain de courant élevé dans l'étage final ne soit pas exclue [1]. Un tel UMZCH introduit moins de distorsion dans le signal de sortie par rapport à un amplificateur de structure classique, et le gain réel est de 10 ... 12 dB. Cela est vrai, en règle générale, toujours, si la source de signal a une faible impédance de sortie et peut piloter une charge de 600 ohms sans augmenter la distorsion non linéaire. Dans un tel circuit, la source de signal est connectée au rail d'alimentation +U1. L'UMZCH utilise deux alimentations bipolaires avec un transformateur T1 : une pour l'étage d'amplification de tension (enroulement II, pont de diode VD4 et condensateurs de lissage du filtre de puissance C1, C2), et la seconde pour alimenter l'étage final (enroulement III, pont de diode pont VD5 et condensateurs C3, C4). Sur la fig. 1 fil commun des alimentations et indiqué plus loin par un rectangle. L'amplificateur de la fig. 1 se caractérise par une caractéristique d'entrée fondamentalement linéaire qui définit la linéarité initiale de l'ensemble de l'UMZCH. De plus, le gain UMZCH est déterminé uniquement par le rapport des résistances R6/R2 (ou R6/R1) et ne dépend pas des paramètres des transistors utilisés. Il peut être réglé avec une grande précision et varié sur une large plage. Les mesures montrent que sans les résistances R5, R6, le gain de la cascade est assez élevé et est supérieur à 400 500000 à une fréquence de XNUMX Hz. Les inconvénients d'UMZCH incluent certaines restrictions sur les paramètres de la source du signal. Il doit être symétrique et de préférence avec une sortie DC ouverte. De plus, un circuit avec un suiveur de courant en entrée dégrade le rapport signal sur bruit [3]. Considérons maintenant le diagramme schématique UMZCH illustré à la Fig. 2. L'amplificateur présente des performances élevées et aucun circuit de rétroaction. L'amplificateur d'entrée est réalisé sur des transistors VT3, VT4, qui sont chargés sur un miroir de courant de type cascode VT5, VT6.1, VT6.2, VD5, R8, R13, dans lequel une paire de transistors appariés K159NT1V (VT6) est utilisée pour améliorer la précision.
La charge principale de l'amplificateur de tension est la résistance R17. Les sources de courant actives VT1, VT2 (avec les éléments VD6, VD7, R7, R15) dans les circuits émetteurs des transistors d'entrée augmentent la linéarité de l'amplificateur de tension en mode grand signal. En conséquence, le coefficient harmonique de l'étage d'amplification de tension est réduit de presque un ordre de grandeur et s'élève, par exemple, à 0,007 % à une fréquence de 2 kHz avec une tension de sortie de 31 V (rms). Le suiveur de tension composite sur les éléments VT9, VT10, VT12-VT14, VD13, R18, R19, R22 assure un découplage efficace de l'amplificateur de tension de l'étage final. Cette solution a presque complètement éliminé l'influence de la capacité non linéaire du transistor grille-drain VT9 sur les paramètres de l'amplificateur de tension. Dans ce suiveur, la capacité d'entrée VT9 ne change pratiquement pas puisque les tensions entre les bornes de ce transistor sont fixes. L'utilisation incomplète de la tension d'alimentation dans le répéteur sur l'alternance positive du signal a nécessité son augmentation, de sorte que la tension d'alimentation bipolaire est asymétrique par rapport au fil commun de l'alimentation et vaut +57 V et -52 V. L'étage final de l'UMZCH n'a aucune caractéristique et est un suiveur push-pull sur de puissants transistors VT15 - VT20, fonctionnant en classe AB avec un courant de repos de 300 mA. Une source de courant stable de 220 mA (VT7, VT8, R11, R14, VD9-VD12) est également construite selon le circuit cascode OB-OB. Les transistors VT7, VT8, VT10, ainsi que de puissants transistors, sont situés sur des dissipateurs thermiques. Le courant de repos de l'étage final stabilise le capteur de température sur le transistor VT11, qui est en contact thermique avec les transistors de l'étage final. L'intégrateur basé sur l'ampli op de précision K140UD17 (DA1) et les éléments R1-R4, R17, C1-C4, VD1-VD4 maintient la tension continue minimale à la sortie UMZCH, indépendamment de la température et de l'asymétrie de la tension d'alimentation. Pour découpler les étages, augmenter la linéarité de l'UMZCH et augmenter l'efficacité de l'étage final, l'amplificateur de tension est alimenté par une tension stabilisée de +57 V et 52 V, et l'étage final est alimenté par une tension non stabilisée de ±44 V Le gain différentiel de l'UMZCH est déterminé par le rapport 2 (R17 / R6) et est d'environ 45. La connexion de la sortie de l'amplificateur au point A via le circuit R5C5 entraîne une compensation partielle des distorsions non linéaires de l'étage final et réduit l'impédance de sortie de l'UMZCH à une fréquence de 1 kHz de 0,2 à 0,035 ohms (les mesures ont été faites sans le circuit de sortie L1R28). L'impédance de sortie de l'UMZCH varie légèrement dans la gamme de fréquences jusqu'à 10 kHz et est de 0,05 ohm à une fréquence de 20 kHz. Les mesures ont montré que la résistance de sortie de l'UMZCH ne dépend pas de la variation du courant de repos de l'étage terminal sur une large plage (dans la plage de 50 ... 3000 mA), ce qui indique l'efficacité de la protection de l'environnement appliquée . Pour mesurer le coefficient harmonique (Kg) de l'UMZCH, un compteur de distorsion non linéaire automatique S6-8, un analyseur de spectre S4-74 et un générateur de signal GZ-118 avec un dispositif d'équilibrage ont été utilisés. Trois résistances PEV-20 de 50 ohms connectées en parallèle (résistance 7 ohms) sont utilisées comme équivalent de charge, et cinq de ces résistances sont utilisées pour un équivalent de 4 ohms. La tension de sortie a été mesurée à l'aide d'un voltmètre VZ-39. La limite inférieure de mesure de Kg avec un tel appareil est de près de -90 dB. Le Kg total de l'UMZCH sans compensation de distorsion (le circuit R5C5 est désactivé) avec une puissance de sortie de 105 W et une charge de 7 ohms à une fréquence de 1 kHz était de 0,099% et à 20 kHz - 0,096%. Le spectre du signal contient principalement les deuxième et troisième harmoniques d'amplitude comparable, ainsi que des harmoniques supérieures d'amplitude plus faible (conséquences du fonctionnement de l'étage final en mode AB). Lorsque le circuit local R5C5 a été connecté, Kg UMZCH à une fréquence de 1 kHz a diminué à 0,035% et à une fréquence de 20 kHz - jusqu'à 0,043% avec la même puissance de sortie. Avec une puissance de sortie maximale de 125 W sous 7 ohms à une fréquence de 1 kHz (signal de sortie au seuil limite), la distorsion dans l'UMZCH ne dépasse toujours pas 0,1 %. Il convient de noter que les transistors terminaux ne sont pas spécialement sélectionnés, et dans le cas de leur sélection préliminaire, il est possible d'améliorer les caractéristiques de l'UMZCH. Il se trouve que dans cette disposition UMZCH, la propagation réelle du gain dans le courant d'émetteur d'une paire complémentaire de transistors équivalents s'est avérée faible, environ 10 %. La valeur généralisée du gain de courant à lK \u1d 5 A et Uke \u864d 96 V pour le côté supérieur (trois transistors KT865A connectés en parallèle) est de 87 et pour le côté inférieur (trois transistors KT4A) - 170. Aux valeurs élevées du courant de collecteur, le coefficient de transfert de courant de la base de l'étage final des transistors est réduit. La puissance de sortie maximale de l'UMZCH à une charge de 1 ohms est de 0,18 W (en même temps, à une fréquence de 4 kHz, Kg = 2%). En utilisant des appareils importés plus puissants dans l'étage final, la puissance de sortie de l'UMZCH à une charge de XNUMX ... XNUMX Ohms peut être augmentée même sans augmenter le nombre de transistors. La distorsion d'intermodulation dans UMZCH est inférieure à -70 dB (0,03%) lorsqu'un signal de mesure avec une amplitude légèrement inférieure au niveau limite est appliqué à une charge de 7 ohms, qui est la somme de deux signaux sinusoïdaux d'amplitude égale avec des fréquences de 20 et 21 kHz. Les distorsions d'intermodulation ont été évaluées à l'aide de l'analyseur de spectre S4-74, qui a une plage dynamique d'au moins 70 dB. La composante de fréquence de différence de 1 kHz a été estimée. L'amplitude de cette composante spectrale se situe au niveau du bruit de l'analyseur de spectre et ne se distingue qu'aux grands temps d'intégration de l'analyseur (bande passante - 300 Hz, balayage - 5 s). Il convient de noter que ce mode de mesure a été choisi comme le plus informatif, et lorsque de vrais signaux sonores sont amplifiés, une situation aussi extrême est peu probable. Ci-dessous sont les principales spécifications techniques Disposition UMZCH (Fig. 2) lorsque vous travaillez sur un équivalent de charge actif (résistance).
Dans UMZCH, des composants nationaux et importés peuvent être utilisés. Les transistors KT9115A (VT3, VT4) sont mieux sélectionnés par paires avec le même gain de courant (encore mieux - utilisez des paires appariées de transistors pn-p haute tension fabriqués sur le même substrat). Au lieu de KT9115A, vous pouvez utiliser KT632B ou des appareils importés 2SA1184, 2N5415. Au lieu de 159NT1V, vous pouvez utiliser n'importe quelle paire de transistors appariés de la structure npn (le critère de sélection est le plus grand h21E possible). Dans UMZCH, au lieu de KP902A, les transistors MOS basse consommation de la série KP305 fonctionnent bien. Résistances R5-R8, R13 et R15-R17 - C2-29, avec R6 et R16, R7 et R15 avec la plus petite tolérance possible (dans la version de l'auteur, ces résistances ont une tolérance de 0,05%). Les résistances restantes sont MLT et C5-16MV. La bobine L1 contient 9 spires de fil isolé de diamètre 1,53 mm, enroulées au pas de 2,5 mm sur un mandrin de diamètre 10 mm. Condensateurs - KM-6, K73-16, K73-17. En raison des particularités de la connexion de la source de signal à l'entrée UMZCH, le principe de "mise à la terre" du boîtier de l'amplificateur doit également être modifié. Le bus "+57 V" de la source d'alimentation stabilisée UMZCH doit être connecté au boîtier métallique de la structure. Le fil commun de la source de signal est connecté au même point du fil commun. Le fil commun des circuits de puissance et des condensateurs du filtre de puissance doit être isolé du boîtier de l'amplificateur. Vous devez également isoler les bornes de sortie de l'UMZCH. Si l'UMZCH utilise deux alimentations séparées et complètement indépendantes pour chacun des canaux, alors leurs bus d'alimentation "+57 V" doivent être connectés en un point avec le boîtier UMZCH. Les points médians des alimentations n'ont pas besoin d'être interconnectés. Dans le cas d'une architecture "double mono", deux canaux UMZCH sont reliés entre eux (et au boîtier de la structure) uniquement par le bus de puissance +57 V, ce qui, en l'absence de circuits courants forts communs, affecte favorablement le découplage entre les canaux. Cette version de l'UMZCH a été conçue pour fonctionner avec une console de mixage professionnelle qui n'a pas de condensateurs d'isolation en sortie (sortie DC). Avec cette méthode "d'alimentation" via les résistances d'entrée, l'UMZCH consomme toujours un petit courant continu de la source du signal (environ 2 mA pour chaque entrée). Dans d'autres cas, pour un fonctionnement normal de l'UMZCH, une source de signal audio avec une sortie symétrique à faible impédance et la possibilité de régler le niveau du signal seront également nécessaires. En l'absence d'une source de signal dotée d'une sortie symétrique, vous pouvez utiliser n'importe quelle source de signal asymétrique, en la complétant par un appareil qui convertit le signal asymétrique en signal symétrique. Aujourd'hui, il existe de nombreuses options pour les appareils qui implémentent cette fonction: des plus simples basés sur un transformateur d'équilibrage aux microcircuits spécialisés, par exemple, SSM2142. Aux mêmes fins, l'auteur a parfois utilisé un appareil appelé "Di-Box" (Active Direct Inject Box), modèle Dl 100 de Behringer. De tels appareils sont populaires auprès des musiciens travaillant avec du "son en direct" et se composent d'un transformateur balun de haute qualité et d'un suiveur de tension. Les distorsions non linéaires qu'ils introduisent sont assez faibles (généralement moins de 0,005%). Sur la fig. La figure 3 montre un circuit "simmetrator" réalisé avec un système d'exploitation à symétrie croisée sur des amplificateurs opérationnels doubles DA1 (dans un seul boîtier) et des résistances de précision R1-R8.
Le degré de symétrie du signal de sortie dépend de la propagation individuelle des résistances appariées et nécessitera en fait un réglage supplémentaire (la résistance de ces résistances peut être des unités ou des dizaines de kilo-ohms). Un circuit plus complexe avec la possibilité de régler la symétrie est représenté sur la Fig. 4 (les résistances R1-R14 ont une tolérance de 0,05%). Toutes les mesures des paramètres UMZCH ont été effectuées à l'aide de cet appareil.
Les dispositifs d'équilibrage proposés peuvent être utilisés comme élément tampon de l'étage de sortie de la source de signal, bien que la meilleure solution devrait être l'utilisation d'un microcircuit SSM2142 spécialisé, qui, à un coût d'environ 4 $, contient déjà toutes les options nécessaires. amplis et résistances (30 kOhm) et est spécialement conçu pour fonctionner avec une charge de 600 Ohm. La distorsion non linéaire du nœud sur le SSM2142 est inférieure à 0,006 % avec un signal de sortie de 10 V sous une charge de 600 Ohms dans la plage de fréquences de 20 à 20000 XNUMX Hz. Un amplificateur correctement assemblé n'a presque pas besoin d'être ajusté. Avant d'allumer le moteur de la résistance d'accord R20 doit être en position haute selon le schéma. Avant la première mise sous tension et les réglages ultérieurs sans charge, deux puissantes résistances de protection d'une résistance de 10 ... 20 Ohms doivent être connectées aux circuits d'alimentation de l'étage final. Ces résistances protégeront les transistors de l'étage final, par exemple, en cas d'erreurs de câblage. En cas d'auto-excitation, il est nécessaire d'augmenter la capacité des condensateurs de neutralisation et de correction (C5, C6). Ensuite, vérifiez la tension constante à la sortie de l'UMZCH. Elle ne doit pas être supérieure à 1...2 mV. Ensuite, en fonction de la chute de tension aux bornes de l'une des résistances de protection, en ajustant la résistance R20, le courant de repos de l'étage final est réglé. Après avoir réchauffé l'amplificateur pendant 1 à 2 heures, sa valeur doit être de 300 ... 350 mA. À ce stade, le réglage de l'UMZCH doit être terminé et les résistances de protection doivent être exclues des circuits de puissance de l'étage final. Dans un dispositif d'équilibrage, les amplis op doivent bien fonctionner pour une charge de 600 ohms. Ici, vous pouvez utiliser OPA604 (OPA2604), OPA134 (0PA2134, 0PA4134), LT1468, LT1469, LM6171, LM6172. Convient également LM837, AD841. littérature
Auteur : A. Orlov, Irkoutsk
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