Умзч с компенсацией нелинейности амплитудной характеристики

Основным способом повышения линейности усилителей считается введение в них ООС. Однако увеличивать ее глубину более 30...35 дБ нежелательно из-за нарушения устойчивости работы усилителя. Дополнительно повысить линейность позволяет компенсация нелинейности.    Простейшим примером такой компенсации является использование двухтактных каскадов, значительно ослабляющих четные гармоники усиливаемого сигнала. Но возможности такой линеаризации ограничиваются разбросом параметров активных элементов усилителя.
Чтобы как-то преодолеть это ограничение,    предлагается ввести в усилитель компенсацию разброса параметров. Такой путь позволяет получить хорошую линейность при умеренной ООС, обойтись меньшим усилением в ее петле и использовать активные  элементы без подбора. Амплитудная характеристика усилителя (зависимость выходного напряжения от входного) хорошо ап-проксимируются полиномом третьей степени. При графическом представлении этой за-висимости очевидны следующие ее особенности.
Во-первых, крутизна выше и ниже точки покоя не одинакова, что и порождает возникновение четных гармоник в усиливаемом сигнале. Во-вторых, с ростом мгновенного значения   сигнала крутизна уменьшается (усилитель переходит в режим насыщения), а это предопределяет возникновение в усиливаемом сигнале нечетных гармоник.
При синусоидальном входном сигнале, кроме сигнала основной частоты, на выходе усилителя будет присутствовать постоянная составляющая, пропорциональная квадрату амплитуды входного сигнала; вторая его гармоника с амплитудой, также пропорциональной квадрату амплитуды входного сигнала, и третья гармоника.
Первые две составляющие обусловлены общей причиной — непостоянством крутизны амплитудной характеристики усилителя, и при ее компенсации исчезают одновременно. Причем постоянную составляющую легко выделить с помощью ФНЧ и использовать для индикации линейности.
Если же подать на вход усилителя 3Ч два синусоидальных сигнала разной частоты (f1 и f2), то каждый из сигналов создаст на выходе усилителя, кроме перечисленных составляющих, составляющие  с частотами, равными сумме и разности частот входного сигнала, а также с частотами, равными сумме и разности их гармоник. Компенсация нелинейности амплитудной характеристики усилителя вызовет в этом случае пропадание тех же составляющих, что и при воздействии на усилитель каждого из синусоидальных сигналов в отдельности, а также компонент с ча-стотами, равными сумме и разности первых гармоник входных сигналов, особенно неприятных для слуха.
Из всех продуктов нелинейности останутся неподавленны-ми только составляющие с частотами f1±f2 и f2±2f1, обусловленные нелинейностью третьего порядка.
Как видим, при компенсации не только существенно уменьшаются интермодуляционные и гармонические искажения, но и устраняется «плавание» режима усилителя, вследствие квадратичного детектирования сигнала на нелинейных активных элементах усилителя.
Компенсацию нелинейности амплитудной характеристики усилителя можно получить, например, управляя нелинейностью

 каскадов, выполненных по схеме «токового зеркала». Читателям предлагается предварительный усилитель(возбудитель оконечного  каскада УМЗЧ) с компенсацией нелинейности амплитудной характеристики путем дифференциального изменения  глубины местной и общей ООС в плечах.
В качестве базового использован предоконечный усилитель УМЗЧ, описанный в [1]. Его доработанная схема приведена на рис. 1. В отличие от прототипа в него введена стабилизация тока смещения транзисторов первого каскада с помощью стабилитронов VD1 и VD2. Блокировочные   конденсаторы в цепи эмиттеров первого каскада отсоединены от общего провода и подключены к переменному резистору R11, движок которого заземлен. Изменены номиналы некоторых резисторов и исключена  регулировка  глубины ООС. Предусилитель дополнен оконечным каскадом, выполненным по традиционной схеме. При питании от источника

рис2

напряжением ±26 В усилитель имеет следующие технические характеристики: входное сопротивление — 30 кОм, усиление с разомкнутой цепью ООС — 56 дБ, усиление с замкнутой цепью ООС — 26 дБ, мощность на нагрузке 8 Ом при коэффициенте гармоник
0,15 % — 30 Вт, коэффициент гармоник при мощности 20 Вт на частоте 1 кГц — 0,05 %, 16 кГц — 0,06 %. При снижении напряжения питания усилитель остается работоспособным до порога стабилизации стабилитронов VD1 и VD2. Переход на питание, отличное от приведенного на схеме, потребует только пересчета балластных резисторов стабилитронов R3 и R4. Допустимо  питать предварительные и оконечные каскады от общего источника питания через развязывающие диоды, как это сделано в [1].
Поясним физический смысл линеаризации амплитудной характеристики усилителя. Для однотактного транзисторного каскада, собранного по схеме с ОЭ, характерно  увеличение крутизны и нелинейности амплитудной характеристики с ростом коллекторного тока. При неизменном токе эти параметры зависят от глубине: ООС.В случае   симметричного (двухтактного) усилителя результирующая   амплитудная характеристика будет суммировать амплитудные характеристики плеч.Дифференциально перераспределяя глубину ООС в плечах, можно управлять резуль-тирующей нелинейностью амплитудной характеристики   в точке покоя.
Сказанное    иллюстрирует рис. 2. Исходные амплитудные характеристики каждого из плеч двухтактного каскада — «аб» и «вг». Его суммарная результирующая     характеристика — «в'б'». Изменяя ООС в плечах усилителя, можно получить, например, характеристики «АБ» и «ВГ», результирующая амплитудная характеристика «B'b» которых имеет обратный знак кривизны. Причем  регулировкой глубины ООС можно добиться любого знака кривизны результирующей характеристики.В рассматриваемом усилителе глубина ООС регулируется переменным резистором R11. При перемещении его движка дифференциально регулируется глубина как местной (изменяются эмиттерные сопротивления в первом каскаде), так и общей ООС (изменяются коэффициенты деления делителей напряжения в ее цепях). Кстати, такая регулировка линейности амплитудной характеристики не влияет на режим усилителя по постоянному току.
Рекомендуется следующий порядок регулировки усилителя. Вначале при отключенной нагрузке и отсутствии входного сигнала переменным резистором R18 следует установить ток покоя оконечного каскада 50...70 мА. Далее, подключив к выходу усилителя эквивалент нагрузки (резистор сопротивлением 8 Ом и мощностью рассеяния 25 Вт) и ФНЧ с микроамперметром (см. рис. 3),

рис3

переменным резистором R5 добиться отсутствия постоянного напряжения на нагрузке. Затем, подав на вход усилителя синусоидальный сигнал частотой 5...8 кГц, по подключенному к его выходу осциллографу или вольтметру переменного тока нужно оценить пороговый уровень насыщения усилителя. После этого рекомендуется уменьшить входной сигнал до уровня 0,7 от насыщения (уровень  половинной мощности) и переменным резистором R11 устранить постоянную составляющую (по показанию) микроамперметра), возникшую от квадратичного детектирования сигнала элементами нелинейности второго порядка. Эксперимент по-казал, что такой способ линеаризации усилителя дает доста-точно высокую точность. Так, при установке резистора R11 в среднее положение измеритель нелинейных  искажений (ИНИ), подключенный к усилителю, работающему на половинной мощности, зарегистрировал коэффициент гармоник 0,08 %. После компенсации нелинейности амплитудной характеристики по микроамперметру этот показатель упал до 0,036 %, а при минимизации по ИНИ до 0,03 %.
Осциллографический контроль на выходе ИНИ показал, что остаточные продукты искажений содержат преимущественно третью гармонику.
Короткая цепь общей ООС (по числу охваченных каскадов) сообщает усилителю хорошую стабильность. Он устойчив при шунтировании нагрузки емкостью в 1 мкФ, допускает применение разъемов в цепи питания (вынесенный выпрямитель). Однако непременным условием использования вынесенного источника питания должно быть раздельное соединение средней точки конденсаторов выпрямителя с об-щей шиной предусилителя и нагрузкой (общим проводом АС). Общепринятая рекомендация — соединять усилитель с выпрямителем одним толстым и коротким проводом — не достигает цели.
При настройке усилителя эквивалент нагрузки также нужно соединить с выпрямителем отдельным проводом.
В некоторых случаях, для снижения искажений на верхних частотах, может оказаться полезной коррекция фазы по опережению шунтированием конденсатором  эмиттерного резистора второго каскада. Обычно это приходится делать в плеч'э выходного каскада на транзисторах структуры р-n-р, имеющих худшие частотные параметры. Емкость конденсатора С* — 0,02...0,03 мкФ.

В. КОРОЛЬ
г. Химки Московской обл.
ЛИТЕРАТУРА
1. Король В. Предоконечный усилитель УМЗЧ.— Радио, 1986, № 7, с. 40.
2. Харкевич А. Основы радио-техники.— М.: Связьиздат, 1962.