Способ снижения искажений и уровня помех
в усилителях.

автор Муратов М.М.
инженер-электромеханик, изобретатель.

Как известно, в усилителях основным способом снижения уровня искажений сигнала, является применение общей отрицательной обратной связи.
В дополнение к этому используют местные обратные связи, при необходимости линеаризации характеристик усилителя в возможно широком диапазоне частот.
Практически обязательным является ограничение полосы частот входного сигнала и применение дифференциальных каскадов. Широко применяются полевые и быстродействующие компоненты с одновременным увеличением перегрузочной способности всего усилителя, включая и блок питания.
Для уменьшения уровня шума используют схемотехнические решения с применением малошумящих элементов, а для уменьшения уровня фона, применяют высококачественные высокочастотные источники питания. Одним из компромиссных вариантов решений, являются полностью симметричные схемы построения усилителей, хорошо согласовывающих порой противоречивые требования, возникающие при этих способах снижения искажений.
Линейные и нелинейные искажения сигнала, снижаются пропорционально петлевому усилению усилителя, но полностью не устраняются.
Альтернативным - является способ “прямого” регулирования, (current dumping), схема с комбинацией ПОС и ООС, который теоретически позволяет избавиться от искажений. В этих усилителях, обычно работающих в режиме В и АВ, подавление переходных искажений осуществляется в предварительных каскадах, являющихся одновременно и усиливающими и корректирующими (3*, 4*, 5* Источники).
На протяжении почти 3-х десятков лет в “Радио” печатались статьи, об использовании селектора сигнала искажений и помех, для контроля работы усилителей и поиска причин возникновения помех и искажений сигнала.
Работа селектора основана на сложении входного, скорректированного по фазе сигнала, с инвертированным выходным, выровненного по уровню с входным. Селекция сигнала искажений и помех легко выполняется в инвертирующем усилителе, с применением селектора сигнала искажений и помех, который образуют 4 резистора и конденсатор, (R3, R4, R5, R6 и C1), соединяющих вход усилителя с выходом.

Рисунок 1.
Селекция входного сигнала.

Однако, выделенным сигналом искажений и помех пользуются только специалисты, при наличии приборов, для оценки качества работы усилителей, определения причин искажений сигнала и настройки (1*, 2*).

Желание применить выделенный сигнал искажений и помех для постоянного, автоматического снижения уровня искажений и помех сигнала в усилителях, привело меня к разработке способа, на который была оформлена заявка на изобретение №99101536, входящий №001562 от 25 января 1999 г., и она называлась "Способ снижения искажений сигнала и помех и защиты нагрузки в усилителях с параллельными ветвями усиления".
Эксперт ФИПС нашел в этой заявке признаки 2-х изобретений и потребовал переоформления её в две, отдельно по мостовым усилителям и отдельно по двухтактным.
В связи с тем, что при переоформлении этой заявки, мне требовались дополнительные денежные затраты и определённая трудоёмкость работ, заявка эта была отозвана.
Как там у Ильфа и Петрова: Позвольте, у меня все ходы записаны!".
Лет 8, точнее не знаю, заявка читалась на сайте ФИПС в списке моих изобретений и заявок на изобретения, а теперь не определяется.
Но, радиолюбителям и конструкторам усилительной техники, знать предлагаемый способ не будет лишним, и для понимания тонкостей, а может и для применения в своих конструкциях.
Минимальность искажений усиленного сигнала - является основным требованием к усилительной технике, и выполнить его можно только двумя способами:

• недопущением возникновения этих искажений
• отделением возникающих в усилителе искажений и помех от выходного сигнала.

Основные способы, применяемые для недопущения возникновения искажений и помех в усилителях, вкратце перечислены в начале статьи. Теоретически эти способы исследованы хорошо и конструкции существующих усилителей рассчитаны и работают только с применением этих способов.

Суть предлагаемого способа состоит в отделении усиленного сигнала от возникших в усилителе искажений, и он является дополнительным к основным.
Анализ схем усилителей показывает, что двухтактные и мостовые усилители имеют параллельные ветви усиления, как минимум тока, каждая со своей частью усиливаемого сигнала, который имеет свой сигнал искажений и помех.
Следовательно, если есть возможность выделить сигналы искажений и помех ветвей по отдельности и подать перекрестно на входы параллельных ветвей, они могут усиливаться в сумме или разности с сигналами этих ветвей.
В мостовом усилителе два противофазных, усиливаемых сигнала одновременно проходят по ветвям, а нагрузка не воспроизводит синфазные, равные по величине сигналы ветвей и, следовательно, при достаточном быстродействии усилителя и обратной связи, обеспечив выделение, передачу, равенство и синфазность сигналов искажений и помех обеих ветвей - можно получить на нагрузке усилителя сигнал, "очищенный" от возникших в усилителе искажений.

В двухтактном усилителе уничтожаются, складываясь на выходе, противофазные, равные по величине сигналы ветвей.
Усиливаемый сигнал проходит по одной ветви, а по второй ветви можно пропустить выделенный сигнал искажений и помех и, обеспечив передачу, равенство и противофазность сигналов искажений и помех в ветвях, можно получить на выходе менее искаженный сигнал.
Остаточные искажения сигнала являются следствием искаженного усиления сигналов искажений и помех в ветвях и некоторого запаздывания их по фазе. Применение такого способа вызывает долговременную защиту нагрузки от постоянного напряжения из-за неисправности одной ветви усиления на выходе мостового усилителя.
Это напряжение выделяется селектором, как искажение или помеха, и передается для выработки равного и синфазного напряжения в исправной ветви.
В двухтактном усилителе в исправной ветви, создается противофазное напряжение, которое будет противодействовать постоянному напряжению неисправной ветви, защищая нагрузку.

Таким образом в предложенном способе, снижение уровня искажений совмещается с защитой нагрузки от постоянного напряжения на выходе усилителя.
Необходимо отметить, что снижение уровня искажений и помех осуществляется в выходном каскаде, а правильнее, отделение усиленного сигнала от искажений, в отличие от усилителей работающих по схеме с разгрузкой по току, в которых используется предварительный каскад, и притом, с целью недопущения возникновения искажений и помех в усилителе.
Примеры схемотехники усилителей с применением предлагаемого способа приведены на рис.2-9.

Рисунок 2.
Мостовой усилитель.

Мостовой усилитель изображенный на рис. 2, работает следующим образом;
операционные усилители DA1 и DA2 вырабатывают противофазные сигналы в ветвях усилителя.
Резисторы R10, R11, R12, R13 и конденсатор C1 образуют селектор сигнала искажений и помех верхней, по схеме, ветви, а резисторы R14, R15, R16, R17 и конденсатор C2 образуют селектор сигнала искажений и помех нижней, по схеме, ветви.
Важным обстоятельством является то, что выделенный сигнал искажений меньше сигнала искажений на выходе усилителя в К раз, где К - коэффициент усиления DA5 и DA8.
В связи с применением селекторов сигналов искажений и помех в качестве оконечных усилителей мощности, используются инвертирующие усилители DA5 и DA8 с дифференциальным входом.
Сигнал искажений, выделенный из верхней ветви, через повторитель напряжения DA6 подается на не инвертирующий вход усилителя DA8 нижней ветви. Соответствующий подбор величины сигнала искажений и помех, резистором R21 по не инвертирующему входу DA8 приводит к возникновению равного, синфазного сигнала искажений в нижней ветви, которые не воспроизводятся нагрузкой R24.
Аналогичный процесс происходит с сигналом искажений, выделенным из нижней ветви. Операционные усилители DA3 и DA7 предназначены для того, чтобы селекторы сигналов искажений и помех ветвей выделяли искажения только своих ветвей.
Происходит это следующим образом:
Сигнал искажений нижней ветви, пройдя на выход DА5, поступает на селектор сигнала искажений и помех верхней ветви, и далее на вход ОУ DА6, но туда же поступает и выровненный по величине и противофазный, сигнал искажений и помех нижней ветви с ОУ DА3.
В итоге вход ОУ DА6 не воспринимает сигналы искажений нижней ветви. Аналогичный процесс происходит с сигналом искажений, выделенным из верхней ветви, и соответственно на нагрузку R24 подаются противофазные, усиленные два входных сигнала и синфазные, равные попарно по величине, четыре сигнала искажений и помех ветвей.
В действительности искажений сигнала и помех в усилителе стало больше, но стало возможным отделить усиленный сигнал от искажений и помех на выходе (нагрузке) усилителя.

Настройка мостового усилителя, в котором используется предлагаемый способ, производится в определённой последовательности и содержит простые операции.
Настройка проводится без подключения нагрузки R24, при помощи генератора сигналов и широкополосного вольтметра с большим входным сопротивлением.

Вначале необходимо ползунки сопротивлений R6 и R21 установить в среднее положение, заземлить вход усилителя и точки А и В (выход селекторов сигналов искажений), а затем произвести последовательно от входа к выходу балансировку всех ОУ и усилителей мощности цепями их коррекции для минимизации постоянного напряжения на выходе ветвей усилителя.
Затем вход усилителя подключается к генератору синусоидальных колебаний и подается сигнал, равный 0,1 Uвх с частотой 20 кГц и выравнивают относительно земли амплитуду колебаний на выходах DA1 и DA2 (подбором R3), а затем и на выходе ветвей усилителя подбором R8 или R23.

Далее проводится настройка селекторов сигналов искажений.
Для этого необходимо снять заземления с точек А и В, и отключить от выходов ОУ DA3 и DА7 выводы сопротивлений R9 и R18 и присоединить их к земле.
Затем на вход усилителя подается сигнал равный 0,9 Uвх частотой 20 кГц и при помощи вольтметра, подбором R13, R17, С1 и С2, добиваются минимума в показаниях вольтметра в точках А и В.
Далее проводится настройка коэффициентов усиления DA5 и DA8 по не инвертирующим входам. Для этого вход усилителя заземляется, а вывод R13 отсоединяется от выхода усилителя DA5.
На свободный вывод R13 подается сигнал равный 0,9 Uвых с частотой 20 кГц и при помощи R21 на выходе DA8, устанавливают напряжение в точности равное напряжению генератора, а затем при помощи R6 на выходе DA5 устанавливают такое же напряжение.
Восстановив соединение R13 с выходом DA5 для проверки можно проделать аналогичные операции с R17 и результат должен быть одинаковым.

Далее проводится подбор величин входных сигналов DA3 и DA7. Для этого необходимо вновь подключить выводы сопротивлений R9 и R18 к выходам DA3 и DA7,а выводы сопротивлений R6 и R21 необходимо отключить от выходов ОУ DA4 и DА6, присоединить их вместе к генератору и подать сигнал равный 0,1 Uвых с частотой 20 кГц.
В точках А и В необходимо добиться минимума показаний вольтметра изменением входных напряжений ОУ DА3 и DА7.
Если постоянное и переменное напряжение между точками А и В равно нулю - коэффициенты усиления DA5, DА6, ОУ DА3 и DА7 подобраны правильно.
После подключения выводов сопротивлений R6 и R21 проверяем выходные напряжения ОУ и ветвей усилителя. Для этого вновь заземляем точки А и В и не трогая R6, R17, R13, R21 - проверяем постоянные напряжения на выходах ОУ и усилителей ветвей, по возможности добиваясь максимальной точности балансировки.
Настройка заканчивается снятием заземления с точек А и В.

Схема может быть встроена в любой имеющийся мостовой усилитель в виде отдельного блока, если усилители мощности ветвей инвертирующие. При этом коэффициент усиления ОУ DA3 и DА7 должен быть примерно равен коэффициенту усиления усилителей мощности ветвей.
Схема двухтактного инвертирующего усилителя, выполненная с применением предлагаемого способа, изображена на рис. 3

Рисунок 3.
Двухтактный инвертирующий усилитель.

На DA1 выполнен инвертирующий усилитель напряжения, а усилители тока положительных и отрицательных полу-волн А1 и А2 не инвертирующие.
Резисторы R14, R15, R16, R17 и конденсатор C1 образуют селектор сигнала искажений и помех.
DA5, VD2, R12 и R13 образуют схему идеального диода с регулируемым усилением, для выделения и подачи сигнала искажений и помех положительных полу-волн сигнала, а DA4, VD1, R9 и R10 - отрицательных полу-волн.
Сигнал искажений и помех положительных полу-волн, с инвертированием и усилением, подается в ветвь усиления отрицательных полу-волн и соответственно, сигнал искажений и помех отрицательных полу-волн, с инвертированием и усилением, подается в ветвь усиления положительных полу-волн, при помощи DA2 и DA3.
В каждый момент времени, при прохождении сигнала по одной из ветвей, по другой ветви проходит противофазный сигнал искажений и помех.
И в этой схеме, выделенный сигнал искажений, по уровню, меньше сигнала искажений на выходе усилителя и необходим соответствующий подбор коэффициентов усиления DA4 и DA5, при котором происходит подавление сигнала искажений и помех на нагрузке R18.

Для настройки этого усилителя необходимо отключить сопротивления (R3, R8) инвертирующих входов DA2 и DA3 от выводов VD1 и VD2 и присоединить к земле усилителя.
Далее производится настройка основного усилителя по традиционной методике, проводимая после балансировки всех ОУ.
Затем проводится настройка селектора сигнала искажений и помех, после которого восстанавливают соединения R3 и R8. Установив минимальное усиление ОУ в схемах "идеальных" диодов, подают на вход усилителя сигнал 0,9 Uвх и подбором R10 и R13 добиваются минимума сигнала искажений на выходе усилителя, который, в крайнем случае можно контролировать вольтметром на выходе селектора.
Схема двухтактного не инвертирующего усилителя, выполненная с применением предлагаемого способа, изображена на рис. 4.

Рисунок 4.
Двухтактный не инвертирующий усилитель.

По принципу работы она аналогична схеме на рис.3, но выполнена несколько иначе. Отличие состоит в добавлении инвертирующего усилителя входного сигнала на операционном усилителе DA6, необходимого для работы селектора сигнала искажений и помех. Дополнительный ОУ DA6 усиливает входной сигнал до уровня выходного сигнала и эти два противофазных сигнала суммируются цепочкой R16, R17 и R18.
Далее процессы работы усилителя и настройки аналогичны описанию на рис. 3.

Интересные возможности появляются при использовании выходного разделительного конденсатора или трансформатора и снятии сигнала искажений непосредственно с нагрузки с последующим отделением всех выявленных искажений и помех, возникающих в усилителе из-за наличия емкости или трансформатора, реакции динамика и соединительных проводов.
Учитывая, что выходная емкость или трансформатор хорошо защищает акустическую систему, самую дорогую часть звуковоспроизводящего комплекса, такие схемотехнические решения вполне применимы.
Примеры реализации приведены на рис. 5 и 6.

Рисунок 5, 6.
Примеры реализации.

Я собрал и сравнил звучание более десяти усилителей опубликованных в "Радио", и две собственные конструкции, и самое высокое мнение сложилось о конструкциях, описанных в 7* и 8*.
К недостаткам двух этих конструкций можно отнести относительно большое число дискретных элементов, что ведет к трудоемкости их изготовления и настройки.
В любительском конструировании, применение интегральных усилителей мощности ограничивает относительно высокий уровень искажений сигнала ещё и недостаточная выходная мощность, допустимая в дешевых, переносных и автомобильных усилителях.
Применение упрощенных схем разгрузки по току, увеличивая мощность интегральных усилителей - дополнительно увеличивает уровень искажений сигнала, который и без этого является неприемлемым в высококачественных усилителях.

Предлагаемый мной способ, применим при конструировании мощных высококачественных усилителей из интегральных элементов с использованием в выходном каскаде современных мощных транзисторов, на основе упрощенных токо-разгружающих схем.
Для примера приведены функциональные схемы усилителей на рис. 7 и 8.

Рисунок 7.
Мостовой усилитель мощности.

Мостовой усилитель изображенный на рис. 7, собран на ОУ и интегральных усилителях мощности с упрощенной схемой разгрузки по току на комплиментарных парах мощных транзисторов.
В зависимости от примененных транзисторов и интегральных усилителей - можно легко собрать усилитель мощностью 100 ватт и выше.
Еще большую мощность можно получить заменой выходных транзисторов на составные транзисторы серии ТКД.

Рисунок 8.
Усилитель с повышенной выходной мощностью.

На рис. 8 приведена схема усилителя, выходная мощность которого может быть 100 ватт и гораздо больше.
Еще один пример реализации описанного способа изображен на рис. 9.
За основу взята схема, приведенная в (6*). В этом усилителе инвертирующим является выходной каскад, поэтому применён способ изображенный на рис. 3.

Рисунок 9.
Усилитель мощности.

В схему добавлен блок, состоящий их двух транзисторов VT2 и VT4 с цепями установки рабочих точек, сдвоенного ОУ DA2, с цепями питания, для выделения положительных и отрицательных полу-волн сигнала искажений и самого селектора искажений на R20,R21,R22,R23 и C8.
Аналогичный блок можно добавить в любой усилитель с коллекторным выходом. Разумеется, необходимо учитывать напряжение питания и коэффициент усиления основного усилителя.
При настройке сначала необходимо отключить блок от усилителя, настроить основной усилитель, затем селектор и далее весь усилитель в комплексе.

Оптимальным с точки зрения экономичности усилителя, является работа оконечных транзисторов в режиме В, но применение предлагаемого способа в усилителях этого класса возможно с некоторыми ограничениями.
Связано это с тем, что сигнал искажений и помех для любого усилителя является просто высокочастотным сигналом с низким или очень низким уровнем, который в усилителях класса В или не воспроизводится, или воспроизводится с большими искажениями.
Поэтому способ применяется без ограничений в усилителях класса АВ+В, АВ и А.
Для усилителей класса В возможна конструкция, в котором выделенные искажения поступают на специальные высокочастотные транзисторы работающие в режиме АВ или А, параллельно с выходными транзисторами основного усилителя.
Дополнительные транзисторы могут иметь меньшую мощность, но они должны иметь токо-ограничивающие сопротивления и в этом варианте конструкции не может действовать защита нагрузки.

Наиболее выгодным является применение предлагаемого способа в усилителях работающих при токе покоя выходных транзисторов равном 5-10 мА. В усилителях, при наличии сигнала, будет возникать сквозной ток выходных транзисторов, пропорциональный сигналу всех видов искажений возникающих в усилителе, который прибавляется к току покоя выходных транзисторов, и выделяется в виде тепла.
По моему мнению, способ позволяет расширить полосу частот входного сигнала, снизить уровень динамических искажений, возникающих в каскадах усилителя и повысить устойчивость усилителей склонных к самовозбуждению.
Для этого во всех усилителях, использующих предлагаемый способ, следует применять только ОУ с высокой скоростью нарастания выходного напряжения и высокочастотные транзисторы, так как частотный спектр искажений выше частоты сигнала. Выделенный сигнал искажений и помех желательно подавать непосредственно на выходные транзисторы, которые, разумеется, тоже высокочастотные.
Мне представляется возможным применение предлагаемого способа и для снижения искажений в усилителях, не имеющих параллельных ветвей усиления, при условии создания дополнительной ветви для сигнала искажений и помех.
Дополнительный усилитель должен иметь высокое быстродействие и выходную мощность всего лишь равную мощности сигнала искажений и помех в режиме максимального усиления основного усилителя.

Я не являюсь разработчиком, или профессиональным конструктором усилительной техники, поэтому приношу Вам свои извинения за некоторую "простоту" изложения данного материала, так как не имею возможности проверить и испытать конструкции, но надеюсь заинтересовать конструкторов или радиолюбителей возможностью дальнейшего развития этой темы.

* Источники:
1.Журнал “Радио”,1977,№6, с. 42, Акулиничев И. “Векторный индикатор искажений”
2.Журнал “Радио”, 1983, №10, с.42, Акулиничев И. “Селекция сигнала искажений”
3.П.Шкритек “Справочное руководство по звуковой схемотехнике”, Москва издательство “Мир” 1991
4.В.С.Гутников, “Интегральная электроника в измерительных устройствах” издательство “Энергоатомиздат”1988.
5.А.Г.Алексеенко и др. “Применение прецизионных аналоговых микросхем” издательство “ Радио и связь”1985
6.Журнал “Радио”,1986,№12, с. 34, Мельниченко А. " Простой усилитель мощности"
7.Журнал “Радио”,1980,№7, с. 36," Витушкин А.,Телеснин В."Устойчивость усилителя и естественность звучания"
8.Журнал “Радио”,1984,№5, с. 29, Солнцев Ю. "Высококачественный усилитель мощности"