Содержание

Коэффициент режекции источника питания применительно к отдельным каскадам и устойчивость схемы

Хотя для создания звуковоспроизводящей системы можно пойти по пути проектирования отдельных каскадов и последующего их объединения в единое целое, однако для каждого каскада будет необходимо высоковольтное напряжение, которое было бы разумным брать от единого для всех каскадов источника питания. Ни один источник питания не обладает на практике нулевым выходным сопротивлением, хотя сети питания переменного тока можно рассматривать таковыми в качестве достаточно хорошего приближения.

Создание общего источника питания с ненулевым значением выходного сопротивления имеет критически важное значение, так как это подразумевает, что если конкретный каскад звуковоспроизводящей системы потребляет не постоянный по величине ток (в соответствие с изменением звукового сигнала), на внутреннем сопротивлении источника питания будет возникать падение переменного напряжения. Хотя это напряжение и будет уменьшено за счет коэффициента режекции источника питания индивидуального каскада, это напряжение всегда будет присутствовать на входе каждого из всех остальных каскадов, а в случае, если коэффициент усиления между каскадами имеет значительную величину (как это, например, наблюдается для каскада частотной коррекции RIAA) пока коэффициент режекции источника питания мал, то затем коэффициент усиления петли, замкнутой через источник питания, может возрасти до значения, превышающего единицу, что приведет к режиму самовозбуждения (автогенерации).

Для обеспечения устойчивой работы усилителя, необходимо исключить попадания выходного сигнал любого каскада усиления в цепи питания других усилительных каскадов. Для этой цели в схемы каскадов вводятся дополнительные блокировочные элементы и развязывающие (демпфирующие) цепи. Это позволяет улучшить коэффициент реакции источника питания.

В традиционной схеме межкаскадного фильтра используется шунтирующий конденсатор для того, чтобы согласовать сопротивление источника (точнее говоря, его комплексное сопротивление — импеданс), что приводит к увеличению импеданса источника на нижних частотах в соответствие с выражением:

Если постоянная времени RC-цепи достаточно велика, то она совместно с RC-цепью катодного смещения может перевести усилитель в режим работы блокинг-генератора. Это низкочастотное (примерно 1 Гц) явление, было давно известно в классической научной литературе как рокот (или низкочастотное самовозбуждение радиоприемника или усилителя), однако запас устойчивости большую часть времени оставался не определенным, скорее всего, по той причине, что громкоговорители того времени обладали очень жесткой (неэластичной) подвеской конуса, из-за чего могли отфильтровывать эти нежелательные частоты.

В современных схемах используются стабилизаторы напряжения, для которых комплексное сопротивление источника питания Z_source имеет оптимальное значение на низких частотах вплоть до постоянного тока, однако, так как усилитель рассогласования должен иметь характеристику, имеющую спад 6 дБ/октаву для того, чтобы обеспечить свою собственную устойчивость, величина Z_source имеет индуктивный характер и возрастает с увеличением частоты, что не исключает возможность возникновения нестабильности на высокой частоте.

Если суммировать все сказанное, то любая практическая схема общего источника питания имеет отличное от нуля значение выходного комплексного сопротивления, и общая устойчивость системы может быть обеспечена лишь только в том случае, когда каждый индивидуальный каскад обладает достаточным значением коэффициента реакции источника питания относительно этого общего источника питания. Иными словами, каскад усиления должен быть развязан по питанию с другими каскадами.

Для того, чтобы внести дополнительную ясность, необходимо дать определение двум новым терминам:

• собственный коэффициент реакции источника питания — это коэффициент реакции источника питания, который определяется собственной топологией индивидуального каскада;

• коэффициент реакции с общим источником питания — это сумма собственного коэффициента реакции источника питания и коэффициентов реакции источника питания других устройств (вне зависимости от происхождения), подключенного к общей точке питания.

Каскад усиления с общим катодом обладает собственным коэффициентом реакции источника питания на основании действия делителя напряжения, образованного резисторами r_k и R_L. Однако режим работы лампы Е88СС задан так, что r_а = 6 кОм, a R_L = 100 кОм, что в итоге приводит к величине собственного коэффициента реакции источника питания, равного 24 дБ (относительно выхода). Использование этой же самой лампы в схеме μ-повторителя смогло бы улучшить этот результат до 50 дБ, а в схеме дифференциального усилителя дало бы 70 дБ, однако, использование в схеме каскада заставило бы значение 24 дБ уменьшиться практически до нулевого значения (так как r_а ≈ ∞).

Для любого каскада усиления коэффициент реакции с общим источником питания может быть увеличен на некоторую величину при использовании индивидуальной фильтрации, или регулирования (стабилизации), и, если совершенно исключить из рассмотрения ценовой фактор, не будет иметь значения, будет ли в коэффициент реакции с общим источником питания основной вклад давать собственный коэффициент реакции источника питания, либо же это будет добавленная другими каскадами часть коэффициента реакции с общим источником питания за счет фильтрации или автоматического регулирования. В особо изощренных методах могут быть даже использованы индивидуальные силовые трансформаторы и источники питания для каждого каскада, с целью увеличить коэффициент реакции с общим источником питания до значения, характерного для сетей питания (точка с общим питанием), тогда как использование выделенной ответвленной линии от магистрального кабеля электроснабжающей компании также может послужить методом снижения импеданса Z_source. С другой стороны, потрясающим по простоте решением могло бы оказаться использование индивидуальной аккумуляторной батареи для каждого каскада.

Другим методом увеличения коэффициента реакции источника питания каждого каскада могло бы оказаться применение индивидуального стабилизатора напряжения для каждого каскада, однако, в силу достаточно высокой стоимости полупроводникового стабилизатора напряжения (например, 317 серии), следовало бы ограничиться только крайне необходимым их количеством. Менее дорогостоящим способом оказалось бы проектирование такого максимально возможного количества каскадов, которые питались бы одним и тем же по величине высоковольтным напряжением. Затем следовало бы развязать каскады по питанию путем добавления к собственному коэффициенту реакции каскада высокого значения собственного коэффициента ослабления демпфирующего операционного усилителя при питании каждого каскада через операционный усилитель, работающий по схеме повторителя напряжения (рис. 6.39).

Рис. 6.39 Использование демпфирующих операционных усилителей в высоковольтном источнике питания для изолирования каскадов

Данная идея заключается в том, что для каждого демпфера его собственный вход представлен в виде источника питания с RC-фильтром, а высокое значение усиления демпфера по току позволяет работать на нагрузку с небольшим значением выходного сопротивления, тогда как высокое значение входного сопротивления обеспечивает незначительную нагрузку на RC фильтр. МОП полевой транзистор с р-n переходом оказался бы идеальным элементом для использования в качестве входного демпфера из-за своего чрезвычайно высокого входного сопротивления. К сожалению, МОП полевые транзисторы с р-n переходом обладают также и высоким выходным сопротивлением, зависящим от конкретно используемого типа прибора, поэтому в схему должен быть добавлен эмитерный повторитель на биполярных транзисторах, схема, которая достаточно часто известна, как комбинированная схема на МОП структуре и комбинированном транзисторе, или комбинированная схема МОП структура — пара Дарлингтона. Использование полупроводниковых активных компонентов требует также применения схемы, задающей их рабочие режимы, что сразу же приводит к значительному усложнению общей схемы усилителя, поэтому возникает естественный вопрос, а нельзя ли использовать операционный усилитель с МОП полевым транзистором с р-n переходом на входе в качестве повторителя напряжения?

Интегральная микросхема ОРА2134 производства компании Burr-Brown имеет в своем составе входную цепь на МОП полевом транзисторе с р-n переходом, выходной каскад на биполярном транзисторе, сдвоенный операционный усилитель, способный обеспечить подачу в нагрузку тока до 40 мА. Единственный недостаток интегральной микросхемы для использования в рассматриваемом случае заключается в том, что для достижения ее действительно замечательных паспортных характеристик необходимо для питания каждого операционного усилителя тратить 4 мА тока. Это не составляло бы проблемы, если бы питание микросхемы осуществлялось бы с использованием отдельного источника питания с напряжениями ±15 В, однако в рассматриваемом случае наиболее вероятным кажется вариант питания от высоковольтного источника.

Если произвести оценку шума для частоты, превышающей значение ширины полосы пропускания аудиоустройств 20 кГц, то оказывается, что при использовании на входе операционного усилителя и МОП полевого транзистора с р-n переходом шум становится сравнимым с уровнем шума пентода EF86. По сравнению со схемой, в которой используется операционный усилитель с входным биполярным транзистором, в схеме с операционным усилителем и входным МОП полевым транзистором с р-n переходом наблюдается более высокое значение частоты сопряжения 1/f, что означает, что уровень шума возрастает со скоростью 6 дБ/октаву для частот, превышающих 1 кГц. Операционный усилитель с входным МОП полевым транзистором характеризуется еще более высоким значением частоты сопряжения 1/f не может рассматриваться для использования в низкочастотных трактах. Несмотря на то, что этот шум будет ослаблен за счет влияния анодного сопротивления лампы, он все равно будет давать вклад в шум, который создает специально отобранный малошумящий триод. Для усилителя мощности данный вид шума не представляет проблемы вообще, но для очень чувствительного предусилительного каскада он должен учитываться. Самый лучший способ справиться с ним в предусилительном каскаде — так это сделать предусилительный каскад не чувствительным к шуму источника питания. Такой подход предполагает низкое значение сопротивления r_а и высокое значение сопротивления нагрузки R_L, что позволяет получить максимальное ослабление высоковольтных шумов, особенно в области низких частот, то есть именно там, где эти проблемы являются наиболее существенными. Такой подход будет применен на практике.

«Пение» стабилизатора напряжения

Усилители с несимметричным выходом (безразлично, каскады предусиления или усилителя мощности), питание которых осуществляется от стабилизатора напряжения или демпфера, вынуждают усилитель рассогласования адекватно реагировать (отслеживать) на изменения в величине музыкального аудиосигнала. Это происходит потому, что усилитель потребляет ток, который пропорционален этому музыкальному сигналу, а стабилизатор или демпфер прилагает усилия поддерживать неизменным значение выходного напряжения, не смотря на происходящие изменения в величине тока. На высоких частотах выходной шунтирующий конденсатор представляет короткозамкнутую цепь и поддерживает низкое значение выходного импеданса. Однако в диапазоне низких частот стабилизатор является тем элементом, который обязан работать и выдерживать борьбу с изменениями тока, изменяющимся синхронно со звуковым сигналом. Таким образом, качество стабилизатора проявляется, как говориться, «на слух». Тем ни менее, влияние дефектов стабилизатора напряжения остаются на порядок величины меньше, чем дефектов пассивных элементов источника питания.

Информация

Продолжение