УМЗЧ без общего провода

Есть усилители традиционные, есть с плавающим питанием, а есть с плавающим общим проводом. Однако общий провод по определению плавать не может, следовательно плавают источники питания. Как и для чего это делается, попробуем разобраться в этой статье.

Для начала рассмотрим схему, приведенную на рисунке 1:

По сути это включение ОУ от однополярного источника питания, в роли которого выступает V2, средняя точка, т.е. половина напряжения питания формируется резистивным делителем R2 и R3. Именно эта точка является общим проводом для источника звукового сигнала V1, но как общий провод, она больше нигде не выступает. Выход ОУ нагружен на резистор R6, который вторым выводом соединен с емкостным делителем на С1 и С2.

А вот теперь включаем анализ переходных процессов и смотрим, что происходит в ключевых точках схемы. Рука так и тянется посмотреть, что собственно на выходе ОУ. Удовлетворим это желание:

Первое впечатление, что все весьма не плохо - при входном напряжении 1 В (амплитуда) на выходе получаем почти 11 В (амплитуда). Однако нагрузка включена между выходом ОУ и емкостным делителем, следовательно для получения полноценных данных о напряжении на нагрузке следует посмотреть, что происходит в точке соединения С1 и С2. Не выключая уже имеющийся "луч осциллографа", подключаемся к верхнему выводу С2:

Красной линией обозначено напряжение на правом выводе R6, а оно совпадает по фазе с синей линией и имеет меньшую амплитуду. Это означает только одно - реально на нагрузке нет никаких 11 В, а всего на всего чуть больше трех вольт.

Разумеется, что напряжение не могло исчезнуть, осталось выяснить почему такое маленькое напряжение на нагрузке, а для этого достаточно посмотреть на форму напряжения питания самого ОУ:

Напряжение на плюсовом выводе питания ОУ показывает зеленая линия, а фиолетовая - напряжение на минусовом выводе питания ОУ. Теперь понятно, почему на нагрузке такое маленькое напряжение - само питающее напряжение повторяет форму сигнала, следовательно какого то большого усиления не получится - это почти повторитель, причем какой-то своеобразный.

Решить проблему можно попробовав исключить "плавание" питания на выводах ОУ, а для этого воспользуемся RC фильтром, соединенным с общим проводом:

Теперь посмотрим, что происходит на выводе нагрузочного резистора R6:

Синяя линия - напряжение на левом вывода, красная - на правом выводе R6. Как видно из рисунка, амплитуда напряжения на нагрузке теперь составляет порядка 10 В, т.е. ОУ теперь действительно усиливает напряжение, причем нагрузка по постоянному напряжению с общим проводом не связана.

С одной стороны каких либо преимуществ по отношению к традиционному включению от однополярного источника нет, но на данной схеме их не видно, поэтому немного изменим схему и сделаем ее несколько мощней, позволяющей выступать в роли усилителя для наушников:

Здесь ОУ имеет усилительный каскад на транзисторах, эмиттеры которых, через небольшое сопротивление соединены с виртуальным общим проводом, с которым соединен нижний вывод R15, являющийся нагрузкой. Верхний вывод R15 соединен с емкостным делителем, идущим на шины питания. Резисторы R8-R11 создают необходимое смещение на базы транзисторов, формируя ток покоя этого каскада.

При появлении на входе ОУ сигнала с генератора V1, этот сигнал увеличенный по амплитуде ОУ, начнет открывать то или иное плечо выходного каскада, тем самым уменьшая сопротивление перехода коллектор-эмиттер соответствующего плеча. Напряжение питания начнет смещаться в плюсовую или минусовую область относительно общего, а эти изменения уже будет пропускать емкостной делитель и на нагрузке начнет формироваться переменное напряжение, амплитуда которого будет складываться из усиленного сигнала ОУ и усиленного сигнала транзисторного каскада, включенного по схеме с общим эмиттером. ООС в этом усилителе заведена на неинвертирующий вход ОУ, но это все таки ООС, а не ПОС, поскольку транзисторный каскад выступает в роли инвертора, т.е. сигнал меняет свою фазу на 180 градусов и попадая на неинвертирующий вход все-таки является ООС.

Напряжение питания на выводах самого ОУ будет неизменным, поскольку оно сглаживается RC фильтрами R6-C3 и R7-C4, да к тому же еще и стабилизируется стабилитронами D1 и D2.

В результате на выводах нагрузочного резистора R15 появляется следующее напряжение:

Синяя линия это напряжение на верхнем выводе R15, а красная - на нижнем, т.е. общий провод. Однако представленная осцилограмма будет не полной, если не показать напряжения на коллекторах транзисторов Q1 и Q2:

Здесь добавлена зеленая линия, показывающая напряжение на коллекторе Q1 и розовая - напряжение на коллекторе Q2, и именно эти изменения напряжения позволяют появится переменному напряжению на нагрузке.

Из этого не трудно сделать вывод, что изменение постоянной составляющей источника питания в определенный момент времени относительно общего провода, напрямую влияет на переменное напряжение на нагрузке, следовательно с шин питания следует организовать дополнительную ООС на вход усилителя, что собственно и сделано при помощи резисторов R3 и R4. Сопротивление этих резисторов следует выбирать таким образом, чтобы половина их номинала была как минимум в 2 раза больше, чем номинал резистора R5, который осуществляет ООС непосредственно с самой нагрузки, а R3 и R4 являются лишь вспомогательной ООС.

Характеристики у данного усилителя для наушников получились весьма не плохими:

10 m означает, что это 10 милипроцента, т.е. 0,01%

И в этой схеме по отношению к традиционной, тоже особо примечательных преимуществ нет, поскольку усилитель для наушников можно организовать более простой схемотехникой.

Однако "ПЛЮС" все таки в этой схеме есть - печатную плату гораздо легче разводить, поскольку общий провод, который в подавляющем большинстве случае и является причиной всевозможных фонов, в этой схемотехнике получается сильно разделенным - силовая часть идет только на точку соединения конденсаторовС9 и С10, а остальной "общий" слаботочный и его контактов с элементами не много, следовательно вероятность возникновения ошибки при разводки сводится до минимума. Под "ошибкой" следует понимать не ошибочное соединение с другими элементами, а ошибочная трассировка дорожек, собирающая дополнительные наводки способствующая возникновению "фона" в акустических системах.

Максимального эффекта от данной схемотехники можно получить при использовании более мощных вариантов УМЗЧ, а для этого необходимо усилить выходной каскад. Самый простой способ сделать это - ввести дополнительные эмиттерные повторители. Однако, как было сказано выше, основные изменения происходят как раз на шинах питания, следовательно эмиттерные повторители должны влиять именно на шины питания.

После введения эмиттерных повторителей и некоторых доработок данная схемотехника получила следующий вид:

Рисунок 11. Принципиальная схема усилителя мощности.

Данный усилитель мощности способен развить на нагрузке 4 Ома порядка 800 Вт без достижения клиппинга, при этом уровень THD находится в пределах, позволяющих смело ставить этот усилитель в разряд ХАЙ-ФАЙ:

На схемотехнике этого девайса следует остановиться подробней. Прежде всего введение эмиттерных повторителей, которые управляют шиной питания, позволило соединить ВСЕ коллекторы силовых транзисторов вместе и кроме этого, это точка соединения является общим проводом. Другими словами ВСЕ коллекторы силовой части можно прикручивать к ОДНОМУ радиатору БЕЗ диэлектрических прокладок, причем этот радиатор БЕЗ прокладок может соединяться с корпусом самого усилителя.

Это означает, что технологически сборка усилителя довольно сильно упрощается, кроме технологических упрощений значительно уменьшается тепловое сопротивление между силовыми транзисторами и теплоотводом, что значительно увеличивает надежность.

Наверняка найдутся скептики утверждающие, что это лишь модель усилителя и без печатной платы и фотографий это всего лишь теоретическая выкладка. И они будут абсолютно правы - это всего лишь модель, в которой Q1 устанавливается на общий теплоотвод и служит для термокомпенсации тока покоя оконечного каскада, Q2 и Q3 введены для разгрузки ОУ и возможности использования в качестве ОУ не только NE5532, у которой повышенная нагрузочная способность, но и более скоростные и высококачественные ОУ, например AD744, которая снижает уровень THD в 2 раза. Так же у этой модели нет клипиндикатора, нет лимитера, которые есть у реальных усилителей фирмы QSC (за 30 лет своей карьеры фирма превратилась в одного из крупнейших поставщиков эстрадных усилителей во всем мире), которая на базе этой схемотехники выпускает целую линейку усилителей для эстрады мощностью от 200 Вт до 2000 Вт. Для на рисунке 13 показана схема усилителя USA1310:

Рисунок 13. Принципиальная схема усилителя USA 1310.

Отличие данного усилителя от предлагаемой модели не большие и в основном заключаются в отсутствии повторителей после ОУ и организации термостабилизации при помощи терморезистора.
Разумеется, что усилители с выходной мощностью более 600 Вт выполняются по схеме с двухуровневым питанием (класс H), который прекрасно состыковывается с данными усилителями.

Статья же призвана просто объяснить, как собственно работают усилители этого типа, поскольку на первый взгляд схемотехника данных усилителей довольно сильно отличается от традиционной, где напряжение питания не изменяется по отношению к общему проводу.

В архиве модели усилителей, используемый в статье, плюс модели классов H и G для МИКРОКАП 8.

Принципиальные схемы самих же усилителей можно поискать на сайте QSC

Майоров Михаил (det)

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• УНЧ