Главная » Предусилители
SunFounder
Призовой фонд
на февраль 2023 г.
1. 50 руб.
От пользователей

Улучшение параметров ИМС КМ551УД2 в усилительных трактах ЗЧ

Если у вас в барахолке залежались интегральные микросхемы (ИМС) отечественного производства из советского прошлого типа КМ551УД2 или КР551УД2, то не спешите от них избавляться, считая, что они морально и технически устарели. Даже на сегодняшний день этот вполне приличный сдвоенный малошумящий операционный усилитель даст фору китайскому ширпотребу, а при несложной доработке очень хорошо впишется в узлы звуковой аппаратуры высокого качества.

Совпром выпускал данную ИМС в двух модификациях КМ551УД2А и КМ551УД2Б, которые отличались друг от друга уровнем шума и входным синфазным напряжением. Напряжение шума приведённое ко входу для КМ551УД2А составляет 1 мкВ, а для КМ551УД2Б этот показатель не нормировался.

Интегральная схема 551УД2 (рис. 1) представляет собой два операционных усилителя (ОУ) с внешней частотной коррекцией и общей цепью смещения. Усилители построены по трёхкаскадной схеме с эмиттерным повторителем на выходе. Первые два каскада – дифференциальные с генераторами стабильного тока, третий каскад – каскад усиления напряжения (КУН), выполненный на составном транзисторе и включенном по схеме с общим эмиттером. Включение ОУ с цепями коррекции при различном усилении показано на рис. 2.

Как известно, основной вклад шумовой ЭДС даёт первый каскад, значительно меньше шумит второй каскад и последующие. Поэтому первый каскад стараются сделать самым малошумящим и обладающим наибольшим усилением. Разработчики данной ИМС удачно применили в первом каскаде симметричный дифференциальный каскад (ДК), нагрузка с которого снимается с обоих коллекторов транзисторов. Такой симметричный ДК имеет уровень шума на 3 дБ (в 1,41 раза) ниже, чем несимметричный ДК с выходом сигнала с одного из коллекторов транзисторов.

Применение трёх каскадов усиления по напряжению даёт ОУ коэффициент усиления, равный согласно справочнику 5000 раз или 74 дБ. По сравнению с современными ОУ это может показаться мало, но как показываёт личный опыт для построения качественных трактов звуковой аппаратуры этого вполне хватает. Например, чтобы построить хороший усилитель с низким показателем нелинейных искажений глубина общей отрицательной обратной связи (ООС) должна быть 50-60 дБ. Известно, что чем больше глубина ООС, тем лучше частотные характеристики усилителя, шире полоса пропускания, лучше линейность АЧХ и ФЧХ, меньше искажения, ниже выходное сопротивление, стабильнее коэффициент усиления. Но для увеличения глубины ООС нужно увеличить внутрипетлевое усиление, а для этого требуется применить достаточно высокочастотные транзисторы с большим усилением или многокаскадную схему. Однако избыточная глубина ООС может ухудшить динамические характеристики усилителя, привести к потере устойчивости и самовозбуждению на высоких частотах. Связано это с тем, что большое число каскадов усиления вносит значительные задержки сигнала на выходе. На входе же усилителя, охваченного цепью ООС, получается фазовый сдвиг между входным и выходным сигналом, в результате чего первый каскад после подачи на него сигнала (меандра) некоторое время становится перегруженным по амплитуде и входит в зону ограничения. Затем отстающий выходной сигнал суммируется в противофазе с входным сигналом, и усилитель входит в рабочий режим. На выходе усилителя в этом случае наблюдается короткий всплеск с затухающими колебаниями (перерегулирование) (рис. 3), который имеет огромное число гармоник во всём спектре звукового диапазона. Этот эффект отмечается слушателем как “размазанные высокие тарелочек”, ухудшение “прозрачности” и “чистоты”. Существуют два способа борьбы с этим недугом. Первый – сократить время прохождения сигнала по всему тракту, применив высокочастотные транзисторы и ускоряющие цепи, или сократив число каскадов, второй – сделать более инертным входной каскад с завалом фронта, понизив частоту среза, что ухудшает частотные и динамические характеристики усилителя в целом. На практике применяются оба способа.

Самый значительный источник нелинейных искажений всех ОУ – это выходной двухтактный каскад, работающий в режиме B или AB. При недостаточном смещении переходов база-эмиттер и токе покоя он создаёт искажения типа “ступенька”. К тому же в силу несовершенства технологий производства интегральный транзистор структуры p-n-p обладает несколько худшими частотными и усилительными свойствами. Также нелинейные искажения сильно зависят от нагрузки. В литературе описываются два основных способа снижения искажений выходного каскада. Первый – это перевод интегрального n-p-n транзистора в режим работы A путём нагружения ОУ на генератор тока или активное сопротивление в несколько десятков килоом, практически исключая из работы p-n-p транзистор. Второй способ – это умощнение выходного каскада ОУ дополнительным усилителем типа эмиттерного (истокового) повторителя с динамической нагрузкой либо “параллельным” двухтактным эмиттерным повторителем, предложенным Ю. Солнцевым.

Из выше изложенного подведём итог. Для улучшения параметров подопытной ИМС КМ551УД2 нужно перевести выходной каскад либо в режим A, либо снизить на него нагрузку, применив дополнительный буферный усилитель, а лучше полностью избавится и использовать внешний более мощный и высокочастотный выходной каскад на дискретных элементах, которые можно подобрать самостоятельно и настроить наилучшим образом всю схему.

Как видно из принципиальной схемы ИМС (рис. 1) выводы 2 и 12, предназначенные для подключения конденсатора внешней коррекции, можно использовать для снятия сигнала со второго дифференциального каскада, а, следовательно, можно собрать внешний каскад усиления напряжения и выходной двухтактный каскад усиления тока взамен типовым. Именно такая идея и была воплощена и опробована мной (см. рис. 4).

По сути, от подопытной микросхемы остались лишь два входных дифференциальных каскада с согласованными парами транзисторов, а остальные каскады стали внешними. Цепи коррекции для ДК остались прежними, номиналы их элементов для различных значений коэффициента усиления напряжения также типовые (см. рис. 2). Типовая цепь коррекции каскада усиления напряжения исключена (конденсатор между выводами 1(13) и 2(12)), при этом добавлена общая цепь коррекции С2 (см. рис. 4). Внешний КУН выполнен на малошумящем транзисторе VT1 типа КТ3107Д с большим коэффициентом усиления (β = 300…500) и нагруженным на генератор стабильного тока (ГСТ) на полевом транзисторе VT2 марки КП303В. Ток ГСТ настраивается резистором R7 в цепи истока VT2 на уровне 2 мА, контролировать который можно по величине падения напряжения 0,36 В на резисторе R5. Двухтактный выходной каскад собран на комплементарной паре транзисторов VT3 и VT4 марок КТ3102Д и КТ3107Д. Разброс параметров данных транзисторов не должен превышать 20%. Ток покоя выходного каскада задаётся цепочкой смещения VD1VD2R6 на уровне 5 мА. Контролировать ток покоя можно по падению напряжения на эмиттерных резисторах R8 и R9, которое должно составить 50 мВ на каждом.

В результате такой доработки ОУ были получены следующие показатели. Расширилась полоса пропускания с 200 до 400 кГц, синусоида не искажена на осциллограмме при этом. Частота среза по уровню -3дБ также возросла с 400 до 600 кГц. Единичная частота усиления аналогично выросла с 1,1 до 1,7 МГц. Доработанный ОУ прекрасно усиливает меандр частотой до 100 кГц (рис. 5), на осциллограмме нет всплесков и подвозбудов, которыми страдают “операционники” с усилением 100 дБ и более. Имеется лишь незначительный уклон фронта единичного импульса, что говорит о некоторой инертности входных каскадов, которая заложена проектировщиками для устранения режима ограничения. Корректировка формы меандра осуществляется конденсатором C2 в цепи общей ООС (см. рис. 4). Скорость нарастания выходного сигнала составила 4 В/мкс. Время переходного процесса (отклик на единичный импульс) – 2 мкс. Другим достоинством доработки стоит отметить улучшение нагрузочной способности. При выходном действующем напряжении 6В ОУ способен работать на нагрузку 300 Ом. Очевидно, что следует ожидать и снижение коэффициента гармоник менее 0,01%, но замер его не производился.

Дальнейшие изыскания по улучшению характеристик ОУ КМ551УД2 привели к варианту исполнения внешнего каскада усиления напряжения на каскоде (рис. 6). Ток КУН немного был увеличен до 3,5 мА, в каскоде применены высокочастотный транзистор VT1 марки КТ3128А, включенный по схеме с общим эмиттером и транзистор VT2 – супер-бета марки КТ3107Д, включенный по схеме с общей базой со следящей связью смещения на диодах VD1-VD3. Выходной каскад и генератор тока остались прежние. Такая доработка вдвое улучшила частотные и динамические характеристики усилителя. Ширина полосы пропуская без искажения синусоиды расширилась до 1 МГц, частота среза по уровню -3 дБ, но уже с некоторыми искажениями составила 2,2 МГц, частота единичного усиления выросла до 3,1 МГц, скорость нарастания выходного сигнала увеличилась вдвое до 8 В/мкс (см. рис. 7), время переходного процесса (время отклика на единичный импульс) не превышает 1 мкс.

 

ЛИТЕРАТУРА

  1. В. Шадров. КМ551УД2 в трактах ЗЧ – Радио, 1984 г., №4, с. 48-50.
  2. Н. Е. Сухов, С. Д. Бать, В. В. Колосов, А. Г. Чупаков. Техника высококачественного звуковоспроизведения – К.: Техника, 1985. – 160 с., ил.
  3. Снижение искажений интегральных ОУ. – Радио, 1985 г., №6, с. 62.
  4. А. Зызюк. Предварительный усилитель с темброблоком. – Радио, 1998 г., №8, с. 20-21.
  5. Ю. Солнцев. Высококачественный предварительный усилитель – Радио, 1985 г., №4, с. 32-35.
  6. В. Андреев. Предварительный усилитель. – Радио, 2007 г., №6, с.23.

Список радиоэлементов

Обозначение Тип Номинал Количество ПримечаниеМагазинМой блокнот
DA1 МикросхемаКМ551УД2А,Б1 КР551УД2А,БПоиск в магазине ОтронВ блокнот
VT1, VT4 ТранзисторКТ3107Д2 В стерео варианте 4 штПоиск в магазине ОтронВ блокнот
VT2 ТранзисторКП303В1 В стерео варианте 2 шт.Поиск в магазине ОтронВ блокнот
VT3 ТранзисторКТ3102Д1 В стерео варианте 2 шт.Поиск в магазине ОтронВ блокнот
VD1, VD2 ДиодКД521Г2 В стерео варианте 4 шт.Поиск в магазине ОтронВ блокнот
R1 Резистор
470 кОм
1 В стерео варианте 2 шт.Поиск в магазине ОтронВ блокнот
R2 Резистор
10 кОм
1 В стерео варианте 2 шт.Поиск в магазине ОтронВ блокнот
R3 Резистор
91 кОм
1 В стерео варианте 2 шт.Поиск в магазине ОтронВ блокнот
R4 Резистор
33 Ом
1 В стерео варианте 2 шт.Поиск в магазине ОтронВ блокнот
R5 Резистор
180 Ом
1 В стерео варианте 2 шт.Поиск в магазине ОтронВ блокнот
R6 Резистор
62 Ом
1 В стерео варианте 2 шт.Поиск в магазине ОтронВ блокнот
R7 Резистор
200 Ом
1 В стерео варианте 2 шт.Поиск в магазине ОтронВ блокнот
R8, R9 Резистор
10 Ом
2 Поиск в магазине ОтронВ блокнот
C1 Конденсатор1 мкФ1 Плёночный, в стерео варианте 2 шт.Поиск в магазине ОтронВ блокнот
C2 Конденсатор20 пФ1 В стерео варианте 2 шт.Поиск в магазине ОтронВ блокнот
C3 Конденсатор10 нФ1 В стерео варианте 2 шт.Поиск в магазине ОтронВ блокнот
C4, C5 Конденсатор0.1 мкФ2 Поиск в магазине ОтронВ блокнот
C6, C7 Электролитический конденсатор100мкФ 16В2 Поиск в магазине ОтронВ блокнот
Добавить все

Скачать список элементов (PDF)

Теги:

Опубликована: Изменена: 17.01.2023 0 0
Я собрал 0 1
x

Оценить статью

  • Техническая грамотность
  • Актуальность материала
  • Изложение материала
  • Полезность устройства
  • Повторяемость устройства
  • Орфография
0

Средний балл статьи: 1 Проголосовало: 1 чел.

Комментарии (35) | Я собрал (0) | Подписаться

0
Публикатор #
На форуме автоматически создана тема для обсуждения статьи.
Ответить
-2
Nem0 #
Шел 2023 год - пришло время улучшать параметры советской КМ551УД2 ;)
Ответить
+1

[Автор]
vlad-kompozit #
Сейчас это стало актуально как никогда, импортозамещение.
Ответить
0
Nem0 #
Пока еще нет никаких проблем в том, чтобы купить почти любой современный ОУ, каждый из которых в разы превосходит данный устаревший прибор. Прогресс не стоит на месте и с 1991 года он шагнул очень далеко.
Ответить
+1
Shida #
Прогресс не стоит на месте, но усилители на лампах до сих пор собирают.
Отредактирован 28.01.2023 16:39
Ответить
+1
Nem0 #
И на лошадях некоторые ездят, однако подобных извращенцев единицы.
Ответить
0

[Автор]
vlad-kompozit #
Я вижу вы любитель конструировать на транзисторах. Видимо характеристики современных ОУ вас не очень устраивают.
Ответить
+2
Shida #
Сам то почему не стал усилитель на микросхемах собирать? Почему за транзисторы взялся(оплеуха микрухам)?
Ответить
0

[Автор]
vlad-kompozit #
Я тоже заметил, что уважаемый конструктор не любит микросхемы. Ответ очевиден, современные ОУ имеют избыточное усиление и неопытный конструктор получает с ними кучу проблем с устойчивостью и динамическими искажениями.
Ответить
0
Nem0 #
Оставьте свои домыслы при себе.
Ответить
-2
Nem0 #
Микросхемы так то тоже состоят из транзисторов. Разделять микросхемы (сделанные на транзисторах) и схемы, тоже сделанные на транзисторах - изначально глупое занятие.

Что касается того, что делаю я, то это не относится к обсуждаемой здесь теме. Если бы был существовала микруха с техническими параметрами как у ОМ или лучше, то я бы точно не стал делать тоже самое на транзисторах. А вот вы напротив, пытаетесь из г... и палок слепить то, что уже давно придумано до вас и продается в любом магазине, торгующем радиоэлементами.
Отредактирован 30.01.2023 14:11
Ответить
0

[Автор]
vlad-kompozit #
Вопрос тот же, если оно всё продаётся и придумано до меня и вас, зачем вы изобретаете "свой велосипед"? Вы сами себе противоречите, раз готовое решение не устраивает, причём придуманное высококлассными инженерами. Насчёт ваших схем можно тоже сказать, что ничего выдающегося нет.
Ответить
0
Nem0 #
"Мой велосипед" собирается на коленке за 5-10к вместе с корпусом, близкое по техническим характеристикам устройство в магазине стоит от 50к и более. Экономически целесообразно собрать своими руками.
Аналогичный, по техническим характеристикам, вашей самоделке из статьи, операционный усилитель, стоит в любом магазине 100-200 рублей, столько же стоит набор деталей для сборки вашей поделки. Смысл?
Ответить
0

[Автор]
vlad-kompozit #
Такой вы не купите готовый. Видимо статью не читали. Мой велосипед на порядок лучше. Какой операционник может робить на нагрузку 300 Ом? Ширина полосы может быть расширена до 1МГц без искажений. Выбросов и подвозбудов нет на меандре, вы уверены, что любой операционник так может? Ваши голословные утверждения оставьте при себе, как рекомендуете другим.
Ответить
0
Nem0 #
Полоса в 1 МГц не является чем-то удивительным. Вполне средненькое значение для современных операционных усилителей. На 300 Ом может работать почти любой современный ОУ. Здесь проводилось тестирование различных ОУ при работы на низкоомную нагрузку - https://electroclub.info/other/i-out-ou-0/
Ответить
0

[Автор]
vlad-kompozit #
Вы вводите в заблуждение людей. Работать на нагрузку в 300 Ом с искажениями могут большинство ОУ. Смысл доработки же получить мощный выход с искажениями менее 0,01% при в звуковом диапазоне частот. Моя схема в таком случае потянет наушники 50 Ом без проблем.
Из вашей статьи: "при выходном токе 10 мА искажения микросхем ОРА2134 и К544УД2 примерно одинаковы – где-то порядка 1%."
Моя доработка даёт 20мА при 6В действующего напряжения при искажениях менее 0,01%.
Про ширину полосы пропускания в статье вообще ни слова. Так что вы фуфло мне больше не пишите, будьте любезны. Мои измерения честные и зафиксированные лично на настоящих приборах, а не симуляторах.
Ответить
0
Nem0 #
Существуют ОУ удовлетворяющие всем этим вашим требованиям и даже больше. Конкретные модели ОУ нужно указывать? Статья показана лишь для примера того, что самый обычный, копеечные ОУ могут работать на низкоомную нагрузку. Да, не супер качественно, но это лишь пример подтверждающий возможность такой работы.
Ответить
+2
Shida #
Не соглашусь с вами. Советские микросхемы есть у многих, и радиолюбители не собираются их выбрасывать. Недавно собрал FM приёмник на советской микросхеме К174УР1.
Отредактирован 26.01.2023 21:34
Ответить
0
ddhead #
Есть у многих, и банки с ними еще правнукам передадут
Ответить
0
Nem0 #
Не надо выбрасывать. Там, где нет необходимости в супер параметрах - ставим любой ОУ без доработок, где необходимы определенные высокие качественные параметры - ставим качественный современный ОУ и тоже без доработок.
Ответить
0

[Автор]
vlad-kompozit #
В одном корпусе создать мощный ОУ до сих пор не могут и не смогут никогда в силу взаимного термовлияния выходных на входные каскады, поэтому и существуют схемы умощнения операционников. Насчёт супер характеристик современных ОУ очень сомнительно. Электроника стала развиваться в сторону цифровизации, компьютеризации и даже упрощения, и удешевления. Аналоговая схемотехника за 30 лет практически не изменилась и от кремния ещё никто не отказался. Гибридная же схемотехника способна решать много задач, которые не всегда получается победить на одной подложке. Здесь огромное поле для изысканий молодым конструкторам.
Ответить
0
Nem0 #
Доработки имеют смысл тогда, когда без них невозможно получить необходимые технические параметры. Полученные автором статьи технические параметры достигаются путем использования другого, более качественного ОУ, без всяких дополнительных схемотехнических изысков. Посему вся эта статья теряет всякий практический смысл.
Отредактирован 30.01.2023 14:16
Ответить
+1
Shida #
Человеку нравится конструировать, дорабатывать, изменять что то. Ничего плохого в этом не вижу.
Ответить
0
Nem0 #
И хорошего в этом тоже ничего нет. Хорошо было бы, если бы человек изобрел что-то, что нельзя заменить одной недорогой микросхемой, которая продается в любом профильном магазине. Человек изобрел очередной велосипед.
Ответить
+1

[Автор]
vlad-kompozit #
У вас тоже самое, велосипеды из 80-х годов на новой элементной базе. Это хорошо? Что вы изобрели, кроме как повторяете схемы до вас придуманные?
Ответить
0
Nem0 #
Разговор по-моему о вас, а не обо мне. Хотите поговорить обо мне - милости просим в комментарии под моими статьями.
Ответить
0

[Автор]
vlad-kompozit #
Уже написал, читайте.
Ответить
0
andro #
На каждую задачу всегда имеется множество решений, это и хорошо - имеется возможность выбора, хотите покупайте новую микросхему, но если имеется в наличии, то почему бы не доработать и не использовать?
Ответить
0

[Автор]
vlad-kompozit #
Совершенно верно.
Ответить
0
Nem0 #
С одной стороны - да, а с другой - а как же прогресс?
Можно в 2023 году пользоваться старым, ламповым, черно-белым телевизором, потому что он есть, работает, выкинуть жалко, но комфортней все таки использовать современные решения. Тоже самое и здесь.
Ответить
0

[Автор]
vlad-kompozit #
Тоже ведь относится и вашим разработкам. Современная схемотехника усилителей уже другая несколько.
Ответить
0
Nem0 #
Вам все покоя не дают мои разработки... в очередной раз напоминаю вам, находимся мы в комментариями под Вашей разработкой и говорим мы о ней. Хватит переводить стрелки, отвечайте за себя.
Ответить
+1
Shida #
У вас не разработки, а копирования усилителей из старых журналов на современной базе 1943, 5200, где небольшие изменения не дающие ничего нового по качеству. Например для стабилизации тока покоя раньше использовали диоды, а вы поставили транзистор с подстроечным резистором, и то подглядели и т.п. Релейная задержка включения динамиков - схема тоже не ваша. Меня такие "разработки", честно говоря не особо удивили.
Отредактирован 01.02.2023 19:45
Ответить
0
Nem0 #
То ли дело автор данной статьи: создал свой собственный операционный усилитель, дополнил его выходным каскадом, которого нет ни в одном учебнике, который до него никто и никогда не делал...

Повторяю ранее написанное, на этот раз для вас. Здесь речь идет не о моих разработках и вообще не о мне. Хватит трепаться не по теме.
Ответить
0

[Автор]
vlad-kompozit #
Я улучшил на порядок характеристики штатной схемы, вам до такого ещё расти.
Ответить
Добавить комментарий
Имя:
E-mail:
не публикуется
Текст:
Защита от спама:
В чем измеряется электрическое сопротивление?
Файлы:
 
Для выбора нескольких файлов использйте CTRL

Конструктор для сборки: предусилитель на лампе 6N3
Конструктор для сборки: предусилитель на лампе 6N3
Мультиметр Mastech MS8268 Макетная плата для пайки (10 шт)
вверх