Предварительные усилители ЗЧ

Как известно, номинальное выходное напряжение современных источников сигнала звуковой частоты (3Ч) не превышает 0,5 В, в то время как номинальное входное напряжение большинства усилителей мощности 3Ч (УМЗЧ) составляет обычно 0,7...1 В. Для повышения напряжения сигнала до уровня, обеспечивающего нормальную работу УМЗЧ, а также для согласования выходных сопротивлений источников сигнала с его входным сопротивлением служат предварительные усилители 3Ч. Как правило, именно в этой части звуковоспроизводящего тракта осуществляются регулировки громкости, тембра и стереобаланса.
Основные требования к предварительным усилителям — малые нелинейные искажения сигнала (коэффициент гармоник— не более нескольких сотых долей процента) и небольшой относительный уровень шумов и помех (не выше —66...—70 дБ), а также достаточная перегрузочная способность.
Всем этим требованиям в значительной мере отвечает предварительный усилитель москвича В. Орлова (за основу он взял схему усилителя AU-X1 японской фирмы «Sansui»). Номинальные входное 'и выходное напряжения усилителя соответственно 0,25 и 1 В, коэффициент гармоник в диапазоне частот 20... 20000 Гц при номинальном выходном напряжении не превышает 0,05 %, а отношение сигнал/шум 66 дБ. Входное сопротивление усилителя 150 кОм, пределы регулирования тембра (на частотах 100 и 10000 Гц) от —10 до +6 дБ. Устройство предназначено для работы с УМЗЧ, входное сопротивление которого не менее 5 кОм.

Усилитель

Рис.1

изображена принципиальная схема одного из его каналов) состоит из истокового повторителя на транзисторе VT1, так называемого мостового пассивного регулятора тембра (элементы R6—R11.1, С2—С8) и трехкаскадного симметричного усилителя напряжения сигнала. Регулятор громкости — переменный резистор R1.1 — включен на входе усилителя, что уменьшает вероятность его перегрузки. Тембр в области низших частот звукового диапазона регулируют переменным резистором R7.1, в области высших частот—переменным резистором R11.1 (резисторы R7.2 и R11.2 использованы в другом
канале усилителя). Коэффициент передачи симметричного усилителя определяется отношением сопротивлений резисторов R18, R17 и при указанных на схеме номиналах равен примерно 16. Режим работы транзисторов оконечного каскада (VT6, VT7) задан падением напряжения, создаваемым коллекторными токами транзисторов VT4, VT5 на включенных в прямом направлении диодах VD1 — VD3. Подстроечный резистор R15 служит для балансировки усилителя. Питать усилитель можно как от источника, питающего УМЗЧ, так и от любого нестабилизированного выпрямителя с выходными напряжениями +18...22 и —18...22 В.
Возможный вариант печатной платы одного канала устройства изображен на рис. 1.1 Изготовлена она из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм и рассчитана на установку резисторов МЛТ и СП4-1 (R15), конденсаторов МБМ (С1, С4, С8, С11), БМ-2 (СЗ, С5—С7) и К50-6, К50-16 (остальные). Конденсаторы МБМ и БМ-2 смонтированы на плате вертикально (один из их выводов наращивают до требуемой по месту длины луженым проводом диаметром 0,5... 0,6 мм). Сдвоенный переменный резистор R1 любого типа группы В, резисторы R7 и R11 — группы Б. Транзисторы КП303Д можно заменить на КП303Г, КП303Е, транзистор КП103М—на КП103Л, транзисторы КТ315В и КТ361В—транзисторами этих серий с индексом Г. Полевые транзисторы необходимо подобрать по начальному току стока, который при напряжении Uси=8 В не должен выходить за пределы 5,5...6,5 мА. Диоды Д104 вполне заменимы диодами серий Д220, Д223 и т. п.
Регулировка сводится к установке подстроечным резистором R15 нулевого напряжения на выходе и подбору резистора R18 до получения при входном напряжении 250 мВ частотой 1000 Гц выходного напряжения, равного 1 В (движки резисторов R7, R11 — в среднем, а резистора R1 — в верхнем по схеме положении).

рис. 1.1

Существенный недостаток описанного, да и многих других подобных устройств на транзисторах — сравнительно большое число элементов и, как следствие этого, довольно большие габариты монтажной платы. Значительно более компактными получаются предварительные усилители на основе операционных усилителей (ОУ). Примером может служить устройство, разработанное москвичом Ю. Солнцевым на базе ОУ общего применения К574УД1А (рис. 2).

Рис.2

Проведенные им исследования показали, что коэффициент гармоник этого ОУ сильно зависит от нагрузки:
вполне приемлемый при ее сопротивлении более 100 кОм, он возрастает до 0,1 % при уменьшении сопротивления нагрузки до 10 кОм. Для получения достаточно малых нелинейных искажений автор добавил к указанному ОУ так называемый параллельный усилитель, отличающийся практическим отсутствием искажений типа «ступенька» даже без отрицательной обратной связи (ООС). С ООС же коэффициент гармоник не превышает 0,03 % во всем звуковом диапазоне частот при сопротивлении нагрузки более 500 Ом.
Остальные параметры предварительного усилителя следующие: номинальные входное и выходное напряжения 250 мВ, отношение сигнал / шум не менее 80 дБ, перегрузочная способность 15... 20 дБ.
Как видно из схемы, устройство состоит из линейного усилителя с горизонтальной АЧХ на ОУ DA1 и транзисторах VT1 — VT4 («параллельный» усилитель) и пассивного мостового регулятора тембра (элементы R12 — R14, R17 — R19, С6 — С9). Этот регулятор при необходимости можно исключить из тракта с помощью реле К1 (сигнал в этом случае снимают с делителя напряжения R10R11). Коэффициент передачи усилителя определяется отношением сопротивления резистора R3 к суммарному сопротивлению резисторов R2, R4. Мостовой регулятор особенностей не имеет. На низших частотах тембр регулируют переменным резистором R18.1, на высших — резистором R13.1. Резисторы R12, R14 предотвращают монотонный подъем и спад АЧХ за пределами номинального диапазона частот усилителя. Для нормальной работы регулятора тембра сопротивление нагрузки должно быть не менее 50 кОм.
При работе с источником сигнала, выходное напряжение которого содержит постоянную составляющую, на входе усилителя необходимо включить разделительный конденсатор (на схеме изображен штриховыми линиями).
Все детали усилителя, за исключением элементов регулятора тембра, монтируют на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита ( на рис. 3 изображена ее часть для одного канала). Плата рассчитана на монтаж резисторов МЛТ, СП4-1 (R4), конденсаторов К53-1а, К53-18 (С1, С4), КМ-6б (С2, С3, С5, С6) и МБМ (остальные). Сдвоенные переменные резисторы R13 и R18 — любого типа группы Б. Элементы регулятора тембра монтируют непосредственно на их выводах и соединяют с платой экранированными проводами.

рис3

Вместо указанных на схеме в усилителе можно применить транзисторы КТ3107И, КТ313Б, КТ361К (VT1, VT4) и КТ312В, КТ315В (VT2, VT3). Реле К1 — марки РЭС60 (паспорт РС4.569.436) или любое другое с подходящими габаритами и током и напряжением срабатывания. Диод VD1 — любой с допустимым обратным напряжением не менее 50 В. Для соединения с усилительным трактом применен разъемный соединитель МРН14-1 (на плате устанавливают его вилку).
Для питания усилителя необходим двуполярный источник питания, способный отдать в нагрузку ток около 30 мА при напряжении пульсации не более 10 мВ (иначе при неудачном монтаже возможно появление заметного фона).
Регулировка усилителя сводится к установке требуемого коэффициента передачи с подключенным регулятором тембра и без него. В первом случае нужного результата добиваются изменением сопротивления подстроечного резистора R4 (а если нужно, то и подбором резистора R2), во втором—подбором резистора R11.
Усилитель рассчитан на работу с УМЗЧ, описанным в статье Ю. Солнцева «Высококачественный усилитель мощности» («Радио», 1984, № 5, с. 29—34). Регулятор громкости (сдвоенный переменный резистор группы В сопротивлением 100 кОм) включают в этом случае между его входом и выходом предварительного усилителя. Такой же резистор, но группы А, используют в качестве регулятора стереобаланса (один из его крайних выводов и вывод движка в каждом канале подсоединяют к движку регулятора громкости, а другой крайний вывод — к входу УМЗЧ).
В последние годы промышленность освоила выпуск интегральных микросхем (ИС КМ551УД, КМ551УД2), специально предназначенных для работы во входных каскадах трактов звуковой частоты бытовой радиоаппаратуры (предусилителях-корректорах электропроигрывателей, усилителях записи и воспроизведения магнитофонов, микрофонных усилителях и т. п. устройствах). Их отличают пониженный уровень собственных шумов, малый коэффициент гармоник, хорошая перегрузочная способность.
 

Рис.4

приведена схема предварительного усилителя на ИС КМ551УД2 (предложена москвичом А. Шадровым). Эта ИС представляет собой сдвоенный ОУ с напряжением питания от ±5 до ±16,5 В. ИС с индексом А отличается от прибора с индексом Б вдвое меньшим (4 В) входным синфазным напряжением и нормируемым приведенным к входу напряжением шумов (не более 1 мкВ при сопротивлении источника сигнала 600 Ом;
у КМ551УД2Б оно не нормируется).
Номинальные входное и выходное напряжения этого усилителя такие же, что и у устройства по схеме на рис. 1, коэффициент гармоник в диапазоне частот 20...20 000 Гц не более 0,02 %, отношение сигнал / шум (невзвешенное) 90 дБ, Диапазон регулирования громкости и тембра (на частотах 60 и 16000 Гц) соответственно 60 и ±10 дБ, переходное затухание между каналами в диапазоне частот 100...10 000 Гц не менее 50 дБ. Входное и выходное сопротивления угилителя соответственно 220 и 3 кОм.
Мостовой регулятор тембра включен в данном случае в цепь ООС, охватывающей ОУ DA1.1 (здесь и далее в скобках указаны номера выводов второго ОУ микросхемы). На входе включен тонкомпенсированный регулятор громкости на переменном резисторе R2.1 с отводом от токопроводящего элемента. Тонкомпенсацию (подъем составляющих низших частот на малых уровнях громкости) можно отключить выключателем SA1.1. Устойчивую работу ИС КМ551УД2 (ее АЧХ имеет три перегиба) обеспечивают конденсатор С7 и цепь R5C5, номиналы которых выбраны для коэффициента передачи Ки=10 (скорость нарастания выходного напряжения при таком усилении достигает 3...4 В/мкс). Конденсаторы С12, С13 предотвращают взаимосвязь усилителя с другими устройствами тракта при питании от общего источника. Переменным резистором R12.1 (в другом канале R12.2) регулируют стереобаланс.
Все детали усилителя, кроме переменных резисторов R2, R7, R11 и выключателя SA1, монтируют на печатной плате

рис. 5

, изготовленной из фольгированного стеклотекстолита. Рассчитана она на установку резисторов МЛТ, конденсаторов МБМ (С1, С10), БМ-2 (СЗ—С5, С11), KM (C6, С7, С12, С13) и К50-6, К50-16 (остальные). Конденсаторы МБМ и БМ-2 монтируют вертикально. Для регулирования громкости и стереобаланса подойдут любые сдвоенные переменные резисторы группы А, для регулирования тембра — резисторы группы Б. Налаживания усилитель не требует.
АЧХ мостовых регуляторов тембра имеют, как известно, фиксированные частоты перегиба, поэтому плавно регулируется, в сущности, только крутизна участков АЧХ левее и правее этих частот, причем ее максимальное значение не превышает 5...6 дБ на октаву. Для получения требуемых пределов регулирования тембра на высших и низших частотах звукового диапазона частоты перегиба приходится выбирать в области средних частот. Такой регулятор малоэффективен в том случае, если необходимо подавить низко- или высокочастотные помехи в спектре сигнала. Например, при частоте перегиба 2 кГц регулятором тембра можно понизить уровень помехи частотой 16 кГц на 15-дБ, только ослабив одновременно составляющие спектра 8 и 4 кГц соответственно на 10 и 5 дБ. Ясно, что в подобном случае это не выход из положения, поэтому для подавления помех на краях спектра иногда используют отключаемые фильтры нижних (ФНЧ) и верхних (ФВЧ) частот с большой крутизной спада АЧХ за пределами полосы прозрачности. Однако и в этом случае нужный результат достигается далеко не всегда, так как эти фильтры обычно имеют фиксированные частоты среза. Иное дело, если фильтры сделать перестраиваемыми по частоте. Тогда, плавно смещая грааницы диапазона пропускаемых частот в нужную сторону, можно будет «вывести» помеху за его пределы, не влияя при этом на форму АЧХ внутри диапазона. Кстати, такие фильтры целесообразно сделать неотключаемыми: они помогут бороться с инфранизкочастотными помехами от механизма недостаточно совершенного электропроигрывающего устройства.