Снижение искажений интегральных ОУ.

Автор: Юрий
Опубликовано 19.03.2008

Операционные усилители (ОУ) остаются одними из наиболее распространённых приборов в радиолюбительских разработках. В том числе и в аудиотехники. Такое распространение они получили благодаря своим уникальным комплексом характеристик, предсказуемостью поведения и относительной дешевизной. Особенности схемотехники на ОУ уже достаточно хорошо изучены и опробованы, по этому основным методом повышения качественных характеристик узлов с использованием ОУ, является выбор типа прибора и его производителя, в соответствии с условиями работы.
Одними из "неприятных" показателей в схемах на основе ОУ являются гармонические и интермодуляционные искажения. Как известно, их заметность и придаёт специфическое звучание аудиоустройствам известное "в миру" как пресловутое "транзисторное звучание". Конечно, современные радиолюбители используют в своих конструкциях современные высокоскоростные приборы с малыми, заявленными производителями, собственными искажениями. Однако многие радиолюбители, судя по постам на различных форумах, не могут достать высококачественные усилители зарубежного производства, по этому вынуждены использовать ОУ из старых запасов, хранящихся ещё с незапамятных времён.
Хотелось бы представить небольшую подборку материала, об одном из способов снижения искажений ОУ, выходной каскад которого работает в режиме АВ. В принципе, всё что будет сказано ниже, уже давно известно, однако, на мой взгляд, не получило должного распространения, в радиолюбительских кругах.

Выходной каскад большинства операционных усилителей работает в режиме "А", при малых токах нагрузки. При повышении выходного тока свыше некоторого значения, выходной каскад переходит в режим "АВ". По такому принципу построены большинство бюджетных микросхем-усилителей мощности. Однако если для УМ такая логика "поведения" оправдана, то для цепей предварительного усиления сигнала (где чаще всего и используется ОУ), такое поведение микросхемы не желательно. Ведь с переходом выходного каскада в режим "АВ", начинают возрастать и гармонические искажения.

На рисунке выше представлен участок схемопостроения выходного каскада "типового" операционного усилителя. Транзисторы VT1 и VT2 представляют собой выходную комплементарную пару, режим работы которой определяется цепями смещения каскадов предварительного усиления. Одним из способов повышения линейности выходного каскада является "превращение" его в выходной каскад на эмиттерном повторителе, замкнув выход ОУ с отрицательным источником питания через резистор. Поскольку качественные показатели эмиттерного повторителя выше, то и характеристики всего ОУ заметно улучшаются. Подобный способ применил А. Иванов в каскадах предварительного усиления своего усилителя мощности ("УМЗЧ с выходным каскадом на полевых транзисторах"):

Этот же принцип линеаризации выходных каскадов ОУ был применён и в предварительных каскадах усиления и регулировки тембра вышеуказанного усилителя.

Несколько замечаний, по поводу построения этого каскада. Я советую подключить вывод 3 DA3 к земле через токоуравнивающий резистор с номиналом 10 кОм. А в гираторах, вместо транзисторов использовать операционные усилители. Это позволит немного увеличить входной диапазон по напряжению и значительно снизить шумы. Совсем хорошо будет, если применить в качестве регулирующих ползунковых сопротивления R-R такие же номиналов, с линейной зависимостью и с отводом от средней части на "землю". Если не найдётся таких, можно попробовать установить сопротивления около 100 кОм между землёй и входами ОУ DA2. Для повышения линейности регулировок, желательно в верхних и нижних плечах установить последовательно резисторы. Их номиналы определить как 0,1 от R. В заключении отмечу, что номиналы самих, регулирующих сопротивлений желательно выбирать от 10кОм до 100 кОм.

Дальнейшим развитием предложенной схемы стало замена обычного сопротивления на генератор тока. Первой публикацией, замеченной мною, была небольшая статья в журнале "Радио" №6 от 1985 года:

Здесь ток, текущий с выхода ОУ, является коллекторным током транзистора VT1. Определяют его из выражения Iк = 0,6/R5. Полученное значение должно быть в 2 - 3 раза меньше максимально допустимого выходного тока, для выбранного типа ОУ.
Преимущество такого усовершенствования, кроме снижения нелинейных искажений, является расширение частотного диапазона и запаса устойчивости по фазе, так как в большинстве случаев, интегральный транзистор p-n-p имеет несколько худшие параметры, по сравнению с n-p-n типом.
К недостаткам предлагаемого способа можно отнести увеличение потребляемой мощности и снижение максимального тока в нагрузке, на величину Iк.
Дальнейшими путями усовершенствования предложенного способа видится в замене диодов на транзистор в диодном включении и заменой активного элемента на полевой транзистор.

На следующем рисунке показана схема усилителя Н. Трошина, опубликованного в журнале "Радио" за 1986 год №6 стр55-56 под заголовком "УМЗЧ с нестандартным включением ОУ".

Как понятно из названия, в схеме применён генератор тока в качестве нагрузки ОУ. Это позволило получить, по мнению автора, более полное использование напряжение питания, низкий Кг в области высших частот воспроизводимого диапазона и большую скорость нарастания выходного напряжения. Кроме того, автор немного изменил схему включения выходных каскадов, по сравнению с типовыми схемами. Это снизило накапливание электрического заряда во входных емкостях транзисторов. Принятые меры позволили получить низкие искажения при токе покоя 15-20 mA, и обойтись без термостабилизации всего УМЗЧ.
Ну, напомню ещё о гальванической развязке - R13. Она в описании не нуждается.
Усилитель не критичен к номиналам и типам деталей и не сложен в настройке. Выходные транзисторы закрепляются через изолирующие термопрокладки на радиаторе, с площадью рассеивания 300 см2. В качестве замены ОУ можно рекомендовать любой, с выходным каскадом работающим в режиме АВ (проверялся TL081-работает). В качестве диодов вполне работоспособны советские КД521, КД522, либо их зарубежные аналоги. Катушка мотается проводом ПЭВ-1 диаметром 0,6-0,8, и содержит 30 витков, намотанных на каркасе диаметром 8 мм.
Налаживание усилителя заключается в установлении тока покоя выходного каскада 15 -20 mA.

Основные технические характеристики (из первоисточника):

От себя добавлю - схема собранная из заведомо исправных деталей работает сразу. При её реализации, я добавил узел регулировки "0" у операционного усилителя. Для получения параметров "автоматически", подобрал транзисторы выходного каскада в пары (тогда мне нечем было измерять К гр). Улучшить технические характеристики усилителя можно заменой ОУ на более скоростной. Повысить выходную мощность можно путём повышения напряжения на выходных каскадах. Только не забывать пересчитывать резисторы в плечах питания ОУ, либо заменить простые стабилизаторы на интегральные.

Еще хотелось бы упомянуть об усилителе опубликованном в журнале "Радио" за 1990 год №2 стр 63-68. В нём так же был использован вышеописанный способ включения ОУ типа К544УД2. Конечно, были и другие "изюминки", в результате был достигнут уровень гармоник не более 0,01% во ВСЕЙ полосе частот(0,2-20кГц) при выходной мощности 60Вт.
В заключении хотелось бы отметить, что в рамках одной статьи нельзя охватить все способы снижения искажений ОУ. Однако рассмотренный, несомненно, заслуживает самого пристального внимания со стороны радиолюбителей. В частности, на мой взгляд , такая схемотехника вполне может быть использована при проектировании высококачественных телефонных усилителей.

Вопросы, как обычно, складываем тут.