Шумы и помехи в тракте звуковой частоты

При изготовлении различной звуковой аппаратуры в настоящее время можно использовать большой набор активных элементов, таких как транзисторы, ОУ, специализированные микросхемы и микросборки, имеющих достаточно хорошие характеристики, в том числе и по шумовым показателям. То есть сами по себе эти радиоэлементы обладают малым уровнем собственных шумов и не вносят значительные искажения в усиливаемый сигнал. Но даже применяя самые лучшие детали, иногда можно получить готовое устройство с очень посредственными показателями качества.  

Качественные показатели резко снижаются из-за таких проявлений, как большой фоновый шум, появления нежелательных наводок, самовозбуждение каскадов и, как следствие, снижение динамического диапазона. В данной статье рассмотрены различные виды возможных помех и наводок и даны практические рекомендации и методы их устранения.

В усилителях звуковой частоты (ЗЧ) помехи могут создавать электрические и магнитные поля проводов сети и трансформаторов питания, пульсации питающего напряжения (фон переменного тока с частотой 50Гц и его гармоники с кратными частотами – 100, 150, 200 и далее Гц)., электромагнитные поля мощных радио- и телецентров, затухающие автоколебания или возбуждение из-за неоптимальных или паразитных обратных связей (ОС) , связь через общий источник питания, через комплексное сопротивление общих проводов устройства  и т.п..

Здесь следует сказать, что не существует какого-то одного универсального способа борьбы с помехами и наводками на все случаи жизни. Однако можно предложить несложный комплекс мер, позволяющих в значительной степени снизить их уровень и добиться довольно высоких результатов простыми способами, применив основные правила построения радиоэлектронных устройств. К таким правилам относится защита соединительных проводов устройства, нахождение оптимального места соединения с общим проводом (GND), экранирование узлов и каскадов, развязка по питанию и т.д. В таблице ниже приведены основные виды возможных источников помех и даны основные методы борьбы с ними.

  Один из главных каналов проникновения помех в тракт ЗЧ – соединительные провода, в которых возникают разного рода паразитные наводки и помехи. В основном это помехи, создаваемые  магнитными полями трансформаторов и проводов сети переменного напряжения и емкостными связями электрического поля. Для уменьшения такого рода помех соединительные провода чувствительных каскадов применяют с экранирующей оплеткой, ориентируют относительно источника помехи определенным образом и соединяют с общим проводом в строго определенных местах.

Основной принцип борьбы с наводками электрического поля – снижение взаимной емкости проводов (разнесение проводов дальше друг от друга, непараллельность проводки, экранирование). С магнитным же полем следует бороться возможным уменьшением взаимной индуктивности проводов. Достичь этого можно также разнесением проводов, их ориентацией и применением витых пар (магнитные поля в витых парах взаимно компенсируются).

Для защиты от электрического поля экранирующую оплетку проводов необходимо соединять с общим проводом устройства только в одной точке, а для защиты от магнитного – в двух, в непосредственной близости от источника и приемника помехи. Эти, казалось бы противоречивые, требования можно выполнить, если провода соответствующих цепей свить вместе и поместить в общую экранирующую оплетку. Следует учесть, что с общим проводом устройства эту оплетку нужно соединить только в одной точке.

В качестве примера практической реализации такого способа борьбы с электрическими и магнитными помехами показана схема на рис.1 (подключение магнитной головки звукоснимателя к предварительному корректирующему усилителю).

Рис. 1

При такой схеме соединений электрические помехи практически исключаются, а магнитные наводки ослабляются до 70 дБ. 

Хороший результат дает соединение экранирующих оплеток и сигнальных проводов в одной точке, выбранной так, чтобы токи помех не проходили с оплетки на общий провод устройства через подлежащий соединению с ним сигнальный провод. На рис.1 это точка «А». Чтобы избежать соединения оплетки с общим проводом в других местах, поверх нее рекомендуется надеть изолирующую ПВХ трубку (кембрик) или обмотать изолентой.

Применение для коммутации слабых сигналов экранированных витых пар проводов также дает хороший результат при защите от электромагнитных полей, так как любой ток, протекающий через оплетку, наводит в обоих проводниках одинаковое напряжение, но с противоположными фазами, что взаимно уничтожает наведенные напряжения и устраняет таким образом помеху. Эффективность защиты экранированной витой пары тем больше, чем больше число витков скручивания проводов на единицу длины.

Для соединения общих проводов сигнальных цепей и их оплеток отдельных каскадов с общим проводом всего радиоустройства применяют разные способы. Один из них, самый простой и распространенный, показан на рис.2а. Это последовательное соединение общих шин каскадов не очень удачно, так как возникающие возвратные токи, возникающие на собственном сопротивлении «Z» проводов, складываются в результате на суммарном комплексном сопротивлении, обозначенном как «Zсум.». В результате потенциалы общих шин каскадов оказываются не равными нулю и между каскадами возникает перекрестная паразитная связь, которая часто является причиной неустойчивой работы всего устройства. Такую схему последовательного соединения можно использовать только для узлов с очень малым и стабильным потреблением мощности, причем в этом случае наиболее маломощный и чувствительный каскад (А1) следует подключать непосредственно к общему проводу усилителя или др. устройства.

Рис. 2

От этих недостатков свободно так называемое радиальное соединение общих шин функциональных узлов с общим проводом устройства, как на рис.2б. Такое соединение желательно, в частности, применять в усилителях ЗЧ, особенно в силовых его цепях, где колебания потребляемой мощности существенны и неоднородны. Эти сильноточные цепи надо отделять от слаботочных, нельзя использовать общий провод сильноточных цепей в качестве общего провода и для сигнальных слаботочных!  В качественной аппаратуре схемотехнически организованно, как правило, несколько отдельных общих шин для слаботочных и мощных каскадов, как показано на рис.3.

Рис. 3

Часто между каскадами необходимо включать различные регуляторы, например громкости, тембра, уровня записи и др. В этом случае необходимо применять потенциометры и др. регулирующие элементы в металлических корпусах, которые также необходимо заземлять с учетом всех вышеприведенных требований. Как пример, здесь показано включение переменного резистора между каскадами предварительного и оконечного усиления (рис.4).

Рис. 4

Применение экранированной витой пары и указанных способов заземления снижает до возможного минимума возникновение паразитных связей и наводок на регулирующую цепь.

Следует обратить внимание на применяемый источник питания устройства. Лучше использовать стабилизированные источники с трансформаторами тороидального типа. В качестве стабилизаторов напряжения следует применять схемы с малым уровнем пульсаций выходного напряжения, лучше на специализированных микросхемах типа КРЕН5, КРЕН8 или аналогичных. Конденсаторы большой емкости особенно предпочтительны в цепях с мощной нагрузкой, это позволяет использовать мощные выходные каскады в режимах максимальной пиковой мощности без «просадки» питающих напряжений, а это значительно снижает уровень искажений сигналов больших амплитуд.

Рис. 5

Для маломощных каскадов можно применить простейшие фильтры развязки по питанию, которые значительно ослабляют паразитные связи между каскадами: Пример таких простейших развязывающих фильтров для двух маломощных каскадов показан на рис.6

Рис. 6

Здесь же показано шунтирование микросхем, в том числе цифровых, отдельным неполярным конденсатором небольшой емкости. Такие конденсаторы полезно включать для каждой микросхемы. Их выводы следует делать как можно короче и подпаивать прямо к «ножкам» микросхем. Для операционных усилителей (ОУ) следует применять включение корректирующих цепей, рекомендуемых для каждого конкретного типа ОУ в справочной литературе, где даны типовые схемы включения таких микросхем. Обычно это также конденсаторы небольшой емкости, или RC-цепи, подключаемые к специально предусмотренным выводам микросхемы.

На рисунке ниже показан пример таких цепей  коррекции для ОУ К553УД1А: