Foxiss Аудиоусилители на дискретных элементах, в наше время — в эпоху высокой интеграции микросхем — аудиотракты обычно выполняются в виде монолитных звуковых процессоров. Однако в высококлассных устройствах по-прежнему применяются дискретные элементы.
Несмотря на более сложную конструкцию, схемы на дискретных элементах имеют лучшие параметры, чем монолитные аудиоусилители. Последние вносят в сигнал прежде всего интермодуляционные искажения (сокращённо TIM), что вытекает из их многоступенчатой структуры и средних параметров полупроводниковых элементов, выполненных в кремниевой структуре.
Одна из проблем — большие задержки, вносимые в сигнал. Решения усилителей на дискретных элементах позволяют устранить эту проблему, а также — с помощью высококачественных компонентов — улучшить такие параметры, как коэффициент шума или нелинейные искажения.
Общая идея построения аудиоусилители на дискретных элементах
Для построения аудиоусилители на дискретных элементах применяются биполярные или униполярные транзисторы. Поскольку биполярные транзисторы имеют очень нелинейную переходную характеристику (отношение выходного напряжения к входному), в усилителях на их основе применяется обратная связь.
Такие усилители могут быть одно- или многокаскадными. Преимущества первых — практически полное устранение интермодуляционных искажений и лучшие параметры частотной характеристики. Применение многокаскадных усилителей позволяет получить большое усиление при разомкнутой петле обратной связи, что значительно уменьшает нелинейные искажения.
Аудиоусилители на дискретных элементах на униполярных транзисторах обычно также имеют обратную связь, однако предлагают значительно более линейную характеристику (рисунок в начале статьи) и низкий коэффициент шума. В связи с этим малый уровень искажений можно получить при небольшой обратной связи.
Кроме того, применяя полевые транзисторы MOSFET, можно получить большое выходное сопротивление транзистора (цепи стока), что уменьшает искажения и позволяет получить большое усиление. Точка перелома характеристики (фрагмент с высоким сопротивлением) наступает примерно при напряжении смещения второго затвора.
Простейший метод введения обратной связи — размещение резистора в цепи эмиттера или истока транзистора. Работа такой схемы проста: из входного напряжения (затвора или базы) вычитается падение напряжения на резисторе, которое зависит от амплитуды выходного сигнала.
В схеме повторителя в обоих случаях речь идёт об одном и том же напряжении, тогда как в конфигурациях с общим эмиттером (общим истоком) оно пропорционально выходному току (току в цепи коллектора или стока). Однокаскадный усилитель на биполярном транзисторе показан на рисунке ниже, а идея работы многокаскадного усилителя с обратной связью — на рисунке.
Как уже упоминалось, применение значительного числа усилительных каскадов, охваченных единой петлёй обратной связи, приводит к внесению интермодуляционных искажений. Поэтому при построении усилителей лучше ограничивать число каскадов — обычно применяется один или два.
Устойчивость аудиоусилители на дискретных элементах с обратной связью
Каждый усилитель, даже однокаскадный, вносит задержки — как фазовые, так и временные. Это свойство приводит к тому, что после замыкания петли обратной связи на выходе схемы могут возникнуть возбуждения.
Условие устойчивости — предотвращение ситуации, при которой фазовый сдвиг составляет 180°, а усиление всей петли (всех каскадов и петли обратной связи) больше единицы. Рисунок ниже схематично иллюстрирует возникновение задержек в многокаскадном усилителе.
Чтобы предотвратить неустойчивость, полосу усилителей ограничивают только в одном каскаде всего сигнального тракта.
Эти задержки являются также причиной возникновения искажений TIM. Они приводят к появлению высокочастотных колебаний на выходе усилителя при больших скачках амплитуды, что создаёт слуховое впечатление «металлического» звука.
Практические решения предусилителей
Простейшее решение усилителя — однокаскадная схема. В этом исполнении чаще всего применяется обратная связь в цепи эмиттера (истока) транзистора — для уменьшения нелинейных искажений.
На рисунке показана схема однокаскадного усилителя без обратной связи, на рисунке — его аналог с обратной связью. Для линеаризации и увеличения выходного сопротивления можно применить каскодную схему.
Такое решение имеет дополнительные преимущества: оно почти не вносит временных задержек и дополнительно устраняет эффект Миллера, заключающийся в умножении ёмкости обратной связи (коллектор-база или сток-затвор). Схема однокаскадного усилителя на униполярном транзисторе показана на рисунке.
В простейшей схеме на биполярном транзисторе, когда обратная связь не применяется, усиление зависит от крутизны характеристики транзистора. Она очень нелинейная, однако при малых значениях входного напряжения её можно приблизить к прямой линии.
где: G — коэффициент крутизны характеристики, Vt — тепловой потенциал (при комнатной температуре около 26 мВ).
Усиление этой схемы зависит также от сопротивления в цепи коллектора и приблизительно представляет собой произведение этой величины и коэффициента крутизны. В схеме с обратной связью усиление Ku можно описать следующей формулой:
Униполярные транзисторы имеют значительно более линейную характеристику, однако в схемах с их применением также можно использовать обратную связь. Усиление по напряжению выражается тогда такой же формулой, как и в случае биполярных транзисторов:
Чтобы ещё сильнее уменьшить нелинейные искажения, можно применить многокаскадное решение. На практике обычно применяются только двухкаскадные усилители, поскольку они вносят малую временную задержку, что благоприятно влияет на устойчивость схемы и уровень искажений TIM.
На рисунке ниже представлена схема усилителя на биполярных транзисторах. Можно заметить, что усиление по напряжению получается только в первом каскаде, тогда как второй транзистор играет роль эмиттерного повторителя с очень хорошими частотными свойствами — он вносит очень малую задержку, что, как уже упоминалось, влияет на устойчивость усилителя и величину интермодуляционных искажений.
Если же мы хотим получить усиление в двух каскадах, можно применить схему с рисунка. Петли обратной связи в ней образуют резисторы R4 и R6.
Развёрнутая версия двухкаскадной топологии — схема с каскодным включением и источником тока. Использование обоих решений значительно увеличивает усиление первого каскада.
Дальнейшее уменьшение искажений можно получить путём применения дифференциального усилителя в первом каскаде. Примерная схема показана на рисунке 10.
Усиление по напряжению рассматриваемой схемы составляет:
Чтобы задать правильный режим работы схемы, при подборе этих резисторов следует соблюдать пропорцию:
Стандарты, применяемые в аудиоустройствах
Для соединения электронных акустических устройств между собой применяется стандарт LINE. Типичное значение амплитуды напряжения для линейных входов/выходов — около 150 мВ.
Однако большинство усилителей оснащено входами с другими уровнями напряжений. Это, среди прочего, микрофонный вход и вход для проигрывателя (последний приспособлен для работы с моделями со звукоснимателем магнитного или пьезоэлектрического типа).
Микрофонный вход имеет чувствительность около 10 мВ. Предусилитель проигрывателя с магнитной головкой требует применения схемы глубокой частотной коррекции под названием RIAA.
Пьезоэлектрический проигрыватель характеризуется очень большим выходным сопротивлением и относительно высоким уровнем выходного напряжения — поэтому для его подключения применяется эмиттерный повторитель или усилитель на униполярном транзисторе.
Пример усилителя с коррекцией RIAA показан на рисунке
Частотная характеристика — на рисунке.
На рисунке повторитель с цепью «bootstrap», увеличивающей входное сопротивление (схемы смещения).
Итог
Предусилители на интегральных схемах обычно значительно проще по конструкции, чем их традиционные дискретные реализации. Последние, однако, оказываются дешевле, позволяют получить лучшие параметры, а кроме того… их выполнение может принести конструкторам больше удовлетворения.
