дипломная работа

2.1 Выбор схемы малошумящего усилителя

В соответствии с выше приведенными соображениями необходимо, чтобы малошумящий усилитель отвечал следующим техническим требованиям:

коэффициент усиления не менее 20 дБ;

коэффициент шума не более 3 дБ;

динамический диапазон не менее 90 дБ,

центральная частота 808 МГц.

кроме этого имел высокую стабильность характеристик, высокую надежность работы, малые габариты и вес.

Принимая во внимание предъявляемые к малошумящему усилителю требования, проведем рассмотрение возможных вариантов решения поставленной задачи. При рассмотрении возможных вариантов учтем те условия, в которых будет эксплуатироваться приемо-передающий модуль (размещение на борту летательного аппарата и воздействие внешних факторов, таких как перепад температур, вибрации, давление и т.д.). Проанализируем малошумящие усилители, выполненные с применением различной элементной базы.

Самыми малошумящими из усилителей СВЧ являются в настоящее время квантовые парамагнитные усилители (мазеры), которые характеризуются чрезвычайно низкими шумовыми температурами (менее 20 о К) и, как следствие, весьма высокой чувствительностью. Однако в состав квантового усилителя входит криогенная система охлаждения (до температуры жидкого гелия 4,2 о К), имеющая большие габариты и массу, высокую стоимость, а также громоздкую магнитную систему для создания сильного постоянного магнитного поля. Все это ограничивает область применения квантовых усилителей уникальными радиосистемами - космической связи, дальней радиолокации и т.п.

Необходимость миниатюризации радиоприемных устройств СВЧ диапазона, повышения их экономичности, уменьшения стоимости привели к интенсивному применению малошумящих усилителей на полупроводниковых приборах, к которым относятся полупроводниковые параметрические, на туннельных диодах и транзисторные усилители СВЧ.

Полупроводниковые параметрические усилители (ППУ) работают в широком диапазоне частот (0,3…35ГГц), имеют полосы пропускания от долей до нескольких процентов от центральной частоты (типичные значения 0,5…7%, но могут быть получены полосы до 40%); коэффициент передачи одного каскада достигает 17…30дБ, динамический диапазон входных сигналов 70…80дБ. В качестве генераторов накачки используются генераторы на лавинно-пролетных диодах и на диодах Ганна, а также на транзисторах СВЧ (с умножением и без умножения частоты). Полупроводниковые параметрические усилители являются самыми малошумящими из полупроводниковых и вообще из всех неохлаждаемых усилителей СВЧ. Их шумовая температура находится в интервале от десятков (на дециметровых волнах) до сотен (на сантиметровых волнах) градусов Кельвина. При глубоком охлаждении (до 20 о К и ниже) по шумовым свойствам они сравнимы с квантовыми усилителями. Однако система охлаждения увеличивает габариты, массу, потребляемую мощность и стоимость ППУ. Поэтому охлаждаемые ППУ находят применение в основном в наземных радиосистемах, где требуются высокочувствительные радиоприемные устройства, а габариты, масса, потребляемая мощность не столь существенны.

К достоинствам ППУ по сравнению с усилителями на туннельных диодах и транзисторах СВЧ помимо лучших шумовых свойств следует отнести способность работать в диапазоне более высоких частот, большее усиление одного каскада, возможность быстрой и простой электронной перестройки по частоте (в пределах 2…30%). Недостатками ППУ являются наличие СВЧ-генератора накачки, меньшая полоса пропускания, большие габариты и масса, значительно большая стоимость, в отличие от транзисторных усилителей СВЧ.

Усилители на туннельных диодах имеют по сравнению с другими полупроводниковыми усилителями меньшие габариты и массу, определяемые главным образом габаритами и массой ферритовых циркуляторов и вентилей, меньший уровень потребляемой мощности и широкую полосу пропускания. Они работают в диапазоне частот 1…20ГГц, имеют относительную полосу пропускания 1,7…65% (типичные значения 3,5…18%), коэффициент передачи одного каскада 6…20дБ, коэффициент шума 3,5…4,5дБ на дециметровых волнах и 4…7дБ на сантиметровых, динамический диапазон входных сигналов составляет 50…90дБ. Усилители на туннельных диодах применяются в основном в устройствах, где на малой площади необходимо разместить большое количество легких и малогабаритных усилителей, например в активных фазированных антенных решетках. Однако в последнее время усилители на туннельных диодах из-за присущих им недостатков (сравнительно высокий коэффициент шума, недостаточный динамический диапазон, малая электрическая прочность туннельного диода, сложность обеспечения устойчивости, необходимость развязывающих устройств) интенсивно вытесняются транзисторными усилителями СВЧ.

Основные преимущества полупроводниковых малошумящих усилителей - малые габариты и масса, малое энергопотребление, большой срок службы, возможность построения интегральных схем СВЧ - позволяют использовать их в активных фазированных антенных решетках и в бортовой аппаратуре. Причем наибольшую перспективу имеют транзисторные усилители СВЧ.

Успехи в развитии физики и технологии полупроводников сделали возможным создание транзисторов, обладающих хорошими шумовыми и усилительными свойствами и способных работать в диапазоне СВЧ. На основе этих транзисторов были разработаны СВЧ малошумящие усилители.

Транзисторные усилители в отличие от усилителей на полупроводниковых параметрических и туннельных диодах являются не регенеративными, поэтому обеспечить их устойчивую работу значительно проще, чем, например, усилителей на туннельных диодах.

В МШУ СВЧ применяются малошумящие транзисторы, как биполярные (германиевые и кремниевые), так и полевые с барьером Шоттки (на кремнии и арсениде галлия). Германиевые биполярные транзисторы позволяют получить меньший коэффициент шума, чем кремниевые, однако последние более высокочастотны. Полевые транзисторы с барьером Шоттки превосходят биполярные транзисторы по усилительным свойствам и могут работать на более высоких частотах, особенно арсенид-галлиевые транзисторы. Шумовые характеристики на относительно низких частотах лучше у биполярных транзисторов, а на более высоких - у полевых. Недостатком полевых транзисторов являются высокие входное и выходное сопротивление, что затрудняет широкополосное согласование.

Изложенные выше соображения позволяют наметить стратегию синтеза малошумящего усилителя на полевом транзисторе, в монолитном интегральном исполнении.

Как было выбрано ранее МШУ построим на основе модуля MGA - 86563. Схема электрическая принципиальная приведена на рисунке 2.1. Типовая схема включения приведена на рисунке 2.2: Рисунок 2.1 Схема электрическая принципиальная MGA-86563. Рисунок 2...

Высокочастотный приемный тракт

В результате проведенной работы был исследован малошумящий усилитель MGA86563. Исследование АЧХ МШУ производилось с помощью стенда СНПУ-135, прибора для исследования АЧХ Х1-42.Схема соединений для измерения АЧХ приведена на рисунке 4...

Измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное

Для реализации схемы выпрямителя применим сдвоенный быстродействующий ОУ с полевыми транзисторами на входе типа КР140УД282. Его параметры приведены в табл.5, а схема включения - на рис.8...

Малошумящий интегральный усилитель

Моделирование в системе MICRO-CAP измерительных преобразователей на основе датчиков температуры

Исходя из здания необходимо построить трехпроводную схему (2 варианта) измерения температуры при помощи ТПС с использованием источника тока(см. рис 6.2.1). № Схема Напряжение на входе ИУ при 2 Рис.6.2.1...

Проектирование усилительной части устройства

Воспользуемся схемой, представленной на рис. 5, для расчета усилителя мощности. При расчете УМ заданными величинами являются: a). Номинальная мощность в нагрузке Рн = 0,4 Вт; b). Сопротивление нагрузки Rн = 100 Ом...

Процесс моделирования работы коммутационного узла

Так как синфазная помеха не превышает 10В и коэффициент усиления не большой, то достаточно будет взять простейший дифференциальный усилитель. Схема простейшего дифференциального усилителя представлена на рисунке 5...

Разработка измерительного преобразователя

Рисунок 2 Предварительный усилитель (ПУ) представляет собой операционный усилитель (ОУ) с отрицательной обратной связью. Схема включения (ПУ) показана на рисунке 2...

Расчёт импульсного усилителя

Импульсный усилитель напряжения является предварительным усилителем сигнала, обеспечивающим нормальную работу УМ...

Синтез инвертирующего усилителя

Схема инвертирующего усилителя с отрицательной обратной связью: Рисунок 1 - Базовая схема инвертирующего ОУ с ООС...

Для удобства разработки и проведения расчетов блоки ПУ, УНЧ и УВЧ2 были объединены в общую схему. В основу построения были взяты микросхема 140-УД20А и биполярные транзисторы КТ817А...

Сравнительная характеристика технических данных радиостанций

На рисунке 7.5 приведена электрическая принципиальная схема предварительного усилителя, усилителя низкой частоты и усилителя высокой частоты УВЧ2. В основе схемы лежит микросхема 140-УД20А, которая состоит из операционных усилителей (Da1...

Схема микрофонного усилителя

Определим полный коэффициент усиления, исходя, из которого выбирается количество усилительных каскадов где полный коэффициент усиления; эффективное номинальное напряжение на выходе; эффективное номинальное напряжение на входе...

Широкополосный усилитель

Начиная разработку усилителя необходимо руководствоваться общими соображениями экономической целесообразности его производства (минимизация активных приборов, элементов и комплектующих изделий по их количеству...

На любые приемные устройства аппаратуры связи воздействуют шумы, которые можно разделить на две большие группы:

• внешние
• внутренние.

У систем связи с космическими объектами основная доля суммарных шумов приходится на внутренние шумы приемника. При создании таких систем учитывают два важных фактора:

• Возможности повышения мощности передатчиков и параметров антенн ограниченны (определяются энергетикой ретрансляторов: вес, мобильность).
• Уровень принимаемых сигналов сопоставим с уровнем внутренних шумов приемных устройств.

Поэтому, для увеличения дальности и качества связи в технике связи, работающей в области СВЧ, применяют малошумящие усилители (МШУ), т.е. устройства с малым уровнем собственных шумов.

В качестве МШУ используются:

• Параметрические усилители (ПУ);
• Усилители на туннельном диоде (УТД);
• Транзисторные усилители;
• Молекулярные усилители (квантовые парамагнитные усилители - КПУ).

В военной технике связи широкое распространение получили ПУ, УТД, Транзисторные МШУ.

Как и все усилители МШУ характеризуются рядом параметров:

• Коэффициент шума (Кш);
• Ширина полосы рабочих частот (D F);
• Средняя рабочая частота (Fраб);
• Коэффициент усиления (Ку).

Особое значение в характеристике МШУ имеет Кш. Кш (шум-фактор) определяет уровень шума, генерируемого в усилителе и показывает, во сколько раз он ухудшает соотношение сигнал/шум по мощности, по сравнению с идеальным МШУ

Малошумящий усилитель (LNA) - электронный усилитель, используемый, чтобы усилить возможно очень слабые сигналы (например, захваченный антенной). Это обычно располагается очень близко к устройству обнаружения, чтобы уменьшить потери в feedline. Эта активная договоренность антенны часто используется в микроволновых системах как GPS, потому что коаксиальный кабель feedline очень с потерями в микроволновых частотах, например, потеря 10%, прибывающих из немногих метров кабеля, вызвала бы 10%-е ухудшение отношения сигнал-шум (SNR). LNA - ключевой компонент, который помещен во фронтенд схемы радиоприемника. За формулу Фрииса полное шумовое число (NF) фронтенда управляющего во власти первых нескольких стадий (или даже только первая стадия). Используя LNA, эффект шума от последующих стадий получить цепи уменьшен выгодой LNA, в то время как шум самого LNA введен непосредственно в полученный сигнал. Таким образом необходимо для LNA повысить желаемую власть сигнала, добавляя как можно меньше шум и искажение, так, чтобы поиск этого сигнала был возможен на более поздних стадиях в системе. У хорошего LNA есть низкий NF (например)., достаточно большая выгода (например). и должен иметь достаточно большой пункт межмодуляции и сжатия (IP3 и P1dB). Дальнейшие критерии управляют полосой пропускания, прямотой выгоды, стабильностью и напряжением постоянным отношением волны (VSWR) входа и выхода. Для низкого шума у усилителя должно быть высокое увеличение в его первой стадии. Поэтому JFETs и HEMTs часто используются. Их ведут в режиме тока высокого напряжения, который не является энергосберегающим, но уменьшает относительную сумму шума выстрела. Схемы соответствия входа и выхода для узкополосных схем увеличивают выгоду (см. продукт Полосы пропускания выгоды).
Дизайн LNA Низкие шумовые усилители - стандартные блоки любой системы связи. Четыре самых важных параметра в дизайне LNA: выгода, шумовое число, и нелинейность и соответствие импеданса. Дизайн для LNA базируется, главным образом, на S-параметрах транзистора. Шаги, требуемые в проектировании LNA, следующие Есть два широко используемых типа устройств S-параметр и нормальное устройство. S-параметр - встроенное устройство, которое не требует никакого типа внешнего смещения, потому что это фиксировало S-параметры. Нормальные устройства походят на другие транзисторы, к которым может быть применен внешний уклон. В проектировании LNA дизайн S-параметра наиболее используется.
Преобразователь Одна из решающих стадий в проектировании Низкого Шумового Усилителя является надлежащим выбором преобразователя. У отобранного преобразователя должны быть максимальная выгода и минимальное шумовое число (NF). Проверка стабильности Проектируя любой усилитель, важно проверить стабильность устройства, выбранного, или усилитель может функционировать как генератор. Для определения стабильности вычислите фактор Стабильности Роллета, (представленный как переменная K) использование S-параметров в данной частоте. Для транзистора, чтобы быть стабильными, параметры должны удовлетворить K> 1 и | ∆ | ЗаявленияLNAs используются в различных заявлениях как Радио ИЗМА, Клеточные Телефонные трубки / Телефонные трубки PC, Приемники GPS, Беспроводные телефоны, Беспроводная LAN, Беспроводные Данные, Автомобильный RKE и спутниковая связь.

Спутник В системе спутниковой связи антенна получения наземной станции соединится с LNA. LNA необходим, потому что полученный сигнал слаб. Полученный сигнал обычно немного выше фонового шума. Спутники ограничили власть, таким образом, они используют низкие передатчики власти. Спутники также отдаленны и несут потерю пути; низкие спутники земной орбиты могли бы находиться далеко; геосинхронный спутник находится далеко. Большая измельченная антенна дала бы более сильный сигнал, но создание большей антенны может быть более дорогим, чем добавление LNA. LNA повышает сигнал антенны дать компенсацию за feedline потери, идущие с (наружной) антенны на (внутренний) приемник. Во многих спутниковых системах приема LNA включает блок частоты downconverter, который перемещает спутниковую частоту передачи информации из космоса (например,), у которого были бы большие feedline потери для более низкой частоты (например,) с ниже feedline потери. LNA с downconverter называют малошумящим блоком downconverter (LNB). Спутниковая связь обычно делается в частотном диапазоне (например, метеорологические спутники Новичков) к десяткам GHz (например, спутниковое телевидение).
Работа напряжением поставки Обычно LNA требуют менее операционного напряжения в диапазоне.
Работа током поставки LNA требуют тока поставки в диапазоне мамы, ток поставки требует для LNA, зависит от его дизайна и применения, для которого это должно использоваться.
Операционная частота Частотный диапазон операции LNA очень широк. Они могут работать от.
Диапазон рабочей температуры LNA, как другие устройства полупроводника, определен для операции в определенном диапазоне температуры. Диапазон температуры, где LNA работает лучше всего, обычно.
Шумовое число - также один из важных факторов, который определяет эффективность особого LNA. Следовательно, мы можем решить, какой LNA подходит для особого применения. Низкое шумовое число приводит к лучшему приему сигнала.
Высокая выгода С низким шумовым числом у LNA должна быть высокая выгода для обработки сигнала в почтовую схему. Согласно требованию высоко извлекают пользу, LNA разработаны для применения изготовителя. Если у LNA не будет высокой выгоды тогда, то сигнал будет затронут в шумом в самой схеме LNA и возможно уменьшен, таким образом, высокая выгода LNA будет важным параметром LNA. Как выгода NF LNA также меняется в зависимости от операционной частоты.

Some cookies are required for secure log-ins but others are optional for functional activities. Our data collection is used to improve our products and services. We recommend you accept our cookies to ensure you’re receiving the best performance and functionality our site can provide. For additional information you may view the . Read more about our .

The cookies we use can be categorized as follows:

Strictly Necessary Cookies: These are cookies that are required for the operation of analog.com or specific functionality offered. They either serve the sole purpose of carrying out network transmissions or are strictly necessary to provide an online service explicitly requested by you. Analytics/Performance Cookies: These cookies allow us to carry out web analytics or other forms of audience measuring such as recognizing and counting the number of visitors and seeing how visitors move around our website. This helps us to improve the way the website works, for example, by ensuring that users are easily finding what they are looking for. Functionality Cookies: These cookies are used to recognize you when you return to our website. This enables us to personalize our content for you, greet you by name and remember your preferences (for example, your choice of language or region). Loss of the information in these cookies may make our services less functional, but would not prevent the website from working. Targeting/Profiling Cookies: These cookies record your visit to our website and/or your use of the services, the pages you have visited and the links you have followed. We will use this information to make the website and the advertising displayed on it more relevant to your interests. We may also share this information with third parties for this purpose.

Существует немало усилителей, для которых одним из основных необходимых параметров является требование обеспечить минимальный шум на выходе. Обычно такие схемы используются для усиления сигналов от различных датчиков, а также в приемниках прямого преобразования, где основное усиление осуществляется на низких частотах. Увеличение шумов приводит к невозможности различать слабые сигналы на фоне шума.

Внутренние шумы усилителя возникают при прохождении тока через пассивные и активные элементы схемы.
От построения схемы (схемотехники) также в немалой степени зависят шумовые характеристики. При разработке усилителя, имеющего большое отношение сигнал/шум, кроме оптимального выбора вида схемы, важно правильно подобрать элементную базу и оптимизировать режим работы каскадов.

Выбор компонентов схемы

В реальном усилителе источником внутренних шумов являются:
1) тепловые и токовые шумы резисторов;
2) фликкер-шумы конденсаторов, диодов и стабилитронов;
3) флуктуационные шумы активных элементов (транзисторов);
4) вибрационные и контактные шумы.

Резисторы

Собственные шумы резисторов складываются из тепловых и токовых шумов.

Тепловые шумы вызваны движением электронов в токопро-водящем веществе, из которого изготовлен резистор (этот шум увеличивается с увеличением температуры). Если на резистор не действует напряжение, то ЭДС шумов на нем (в мкВ) определяется из соотношения:

Eш=0,0125 x f x R,
где f -полоса частот в кГц; R -сопротивление в кОм.

Токовые шумы возникают при протекании через резистор тока. В этом случае шумовое напряжение появляется из-за эффекта флуктуации контактных сопротивлений между проводящими частицами материала. Его величина линейно зависит от приложенного напряжения. Поэтому шумовые свойства резисторов характеризуются уровнем шума, представляющим собой отношение действующего значения переменной составляющей напряжения шумов Em (мкВ) к приложенному напряжению U (В): Em/U.

Частотный спектр обоих видов шумов непрерывный ("белый шум"). И если у теплового шума он равномерно распределен до очень высоких частот, то у токового шума начинает спадать уже примерно с 10 МГц.

Общая величина шума пропорциональна квадратному корню сопротивления, поэтому для его уменьшения величину сопротивлений в схеме надо также уменьшать.
Иногда с целью снижения шумов, вызванных резисторами, прибегают к их параллельному (или последовательному) включению, а также устанавливают большей мощности, чем это требуется для работы. Кроме того, можно применять из них те типы, в которых за счет технологии изготовления этот параметр меньше.

У непроволочных резисторов токовые шумы значительно больше тепловых. Общий уровень шума для разных типов резисторов может находиться в диапазоне от 0,1 до 100 мкВ/В.

Для сравнения различных резисторов (постоянных и подстроечных из группы СП) максимальные значения шумов приведены в таблице 1

Тип резисторов Технологическое исполнение Уровень шума, мкВ/В БЛТ буроуглеродистые 0,5 С2-13 С2-29В металлодиэлектрические 1,0 С2-50 металлодиэлектрические 1,5 МЛТ ОМЛТ С2-23С2-33 металлодиэлектрические 1...5 С2-26 металлооксидные 0,5 СП3-4
СП3-19
СП3-23 пленочные компазиционные 47...100
25...47
25...47
Таблица 1 - Шумовые свойства резисторов

Как видно из таблицы, подстроенные резисторы значительно больше шумят. По этой причине их лучше применять с небольшими номиналами или же вообще исключить из схемы.
Шумовые свойства резисторов можно использовать для выполнения широкополосного генератора шума.

В качестве рекомендаций по выбору резисторов для сборки малошумящего усилителя можно отметить, что наиболее удобно использовать типы: С2-26, С2-29В, С2-33 и С1-4 (бескорпусное чип-исполнение). В последнее время в продаже появились малошумящие импортные металлодиэлектрические резисторы, по конструкции аналогичные С2-23, но с более низким коэффициентом шума (0,2 мкВ/В).

Существенно снизить шумы у резисторов можно путем их сильного охлаждения, но такой способ слишком дорогой и применяется очень редко.

Конденсаторы

В конденсаторах источником фликкершумов является ток утечки. Наибольшие токи утечки имеют оксидные конденсаторы большой емкости. Причем утечка увеличивается с увеличением емкости и снижается с увеличением допустимого номинального рабочего напряжения.

Справочные данные по наиболее распространенным оксидным конденсаторам приведены в таблице 29.
Наименьшие токи утечки среди полярных конденсаторов имеют: К53-1А, К53-18, К53-16, К52-18, К53-4 и другие.
Оксидные конденсаторы, установленные на входе в качестве разделительных, способны существенно увеличить шумы усилителя. Поэтому желательно избегать их применения, заменяя на пленочные (К10-17, К73-9, К73-17, КМ-6 и др.), хотя это и приведет к существенному увеличению размеров конструкции.

Тип конденсатора Технология изготовления Рабочая температура, С Ток утечки, мкА К50-6
К50-16
К50-24
алюминиевые оксидно-электролитические -10...+85
-20...+70
-25...+70 4...5000
4...5000
18...3200 К52-1
К52-2
К52-18 танталовые оксидные объемно-пористые -60...+85
-50...+155
-60...+155 1,2...8,5
2...30
1...30 К53-1
К53-1А
К53-18 танталовые оксидно-полупроводниковые -80...+85
-60...+125
-60...+125 2...5
1...8
1...63
Таблица 2 - Справочные параметры конденсаторов

Диоды и стабилитроны

При прямом прохождении тока шумы у диодов минимальны. Наибольший шум обеспечивает ток утечки (при действии обратного напряжения), и чем он будет меньше, тем лучше. Довольно большие шумы у стабилитронов. Это свойство даже иногда используют для выполнения простейших генераторов шума для детских игрушек (имитаторы шума прибоя, звуков костра и др. -Л16, Л17). Для получения максимального шума в таких схемах стабилитроны работают на малых токах (с большим добавочным резистором).

Трнзисторы

В самом транзисторе основными видами шумов являются тепловой и генерационно-рекомбинационный, спектральная плотность мощности которых не зависит от частоты.

Чтобы снизить уровень шума, для работы во входных каскадах у нас в стране обычно применяют малошумящие биполярные транзисторы с нормируемым коэффициентом шума (Кш). Такими являются: (п-р-п) КТ3102Д(Е), КТ342В и (p-n-р) КТ3107Е(Ж, Л) и ряд др. Тут следует отметить, что применение малошумящих высокочастотных биполярных транзисторов в диапазоне низких частот, как правило, бывает нецелесообразно. У таких транзисторов нормируется коэффициент шума только в области высоких частот, а в диапазоне ниже 100 кГц они могут шуметь не меньше любых других. Кроме того, у таких транзисторов возможно проявление склонности к возбуждению (автогенерации).

При необходимости получить большое входное сопротивление во входном каскаде усилителя нередко применяют полевой транзистор КП303В(А). Он изготовлен с затвором на основе р-n перехода (каналом n-типа) и имеет нормируемый коэффициент шума.

Контактные шумы

возникают при некачественной пайке (с нарушением температурного режима) или в местах соединения разъемов. По этой причине не рекомендуется выполнять подключение входных цепей малошумящего усилителя через разъемные соединения. Я также встречался с ситуацией, когда транзисторы после повторной пайки больше шумели в той же самой схеме.

Вибрационные шумы

могут проявляться при эксплуатации устройства на подвижных объектах или в местах с повышенной вибрацией от работающего оборудования. Они возникают из-за передачи механических колебаний на обкладки конденсаторов, между которыми имеется разность потенциалов (так называемый "пьезо-микрофонный эффект"). Это наблюдается даже в малогабаритных керамических конденсаторах (К10, К15 и др.) повышенной емкости (более 0,01 мкФ). Особенно сильно такая помеха может проявляться в разделительных конденсаторах, установленных на входе усилителя. Сигнал помехи при механических вибрациях имеет форму коротких остроконечных импульсов, спектр которых находится в диапазоне низких частот. Для борьбы с такого вида помехами можно применять амортизацию всей конструкции. В оксидных конденсаторах эти помехи не возникают.

При выборе деталей для сборки малошумящей схемы необходимо принимать во внимание их срок изготовления. Производитель гарантирует параметры только в течение определенного срока хранения. Это обычно не более 8... 15 лет. Со временем происходят процессы старения, проявляющиеся в снижении сопротивления изоляции, у конденсаторов уменьшается емкость и возрастают токи утечки. Особенно сильно меняют свои характеристики со временем оксидные конденсаторы. По этой причине лучше, по возможности, избегать их применения в цепях прохождения сигнала.

В. П. Матюшкин, г. Дрогобыч

Сравниваются особенности спектра нелинейных искажений в усилителях с различной частотой среза АЧХ. Показано, что устройства на операционных усилителях обогащают звуковой сигнал высшими гармониками, поэтому их применение в аудиокомплексах особо высокого качества нежелательно. Представлена конструкция малошумящего высоколинейного предварительного усилителя с большой частотой среза и блоками регулировок громкости и тембра.

При использовании пассивных регуляторов тембра (РТ) и достаточной чувствительности УМЗЧ назначением предварительного усилителя ЗЧ (ПУЗЧ) остается компенсация вносимого РТ ослабления усиливаемого сигнала и согласования входных и выходных сопротивлений различных звеньев тракта между собой. Эта функция принадлежит линейным малошумящим каскадам усиления с высоким (десятки-сотни кОм) входным и низким (не более 600 Ом) выходным сопротивлением. Такие значения необходимы, чтобы не вносились погрешности в характеристики регулирования РТ и регулятора громкости (РГ) и не оказывалось влияние на характеристики источников сигнала.

Известные автору конструкции ПУЗЧ не удовлетворяют возросшим к ним требованиям. Если ранее при воспроизведении граммофонной или магнитофонной записи было вполне достаточно, чтобы относительный уровень шума ПУЗЧ был около -80...-85 дБ, что не хуже, чем у источников сигнала, то при прослушивании компакт-дисков, когда "мертвая тишина" в паузах наполняется досадным шипением, такой шум уже становится назойливой помехой. Оставляют желать лучшего и другие параметры, особенно у ПУЗЧ, выполненных с использованием операционных усилителей (ОУ).

Низкая (десятки-сотни герц) собственная частота среза ОУ fc обусловливает не самую лучшую переходную характеристику, определяющую верность передачи фронта импульсных сигналов. Такая fc заставляет считаться с возможностью возникновения динамических искажений, а также приводит к уменьшению глубины ООС с ростом частоты, т.е. к росту нелинейных искажений (НИ). Ухудшение подавления искажений сигнала начинается в ОУ, охваченном ООС, с частоты его среза to и происходит приблизительно прямо пропорционально частоте. Например, если fc<500 Гц и при усилении сигнала с частотой fA=1 кГц получен уровень второй гармоники (на частоте 2 кГц) 0, 001%, то при усилении равного по амплитуде сигнала с частотой fB=8 кГц уровень второй гармоники (на частоте 16 кГц) будет примерно в fB/fA=8 раз больше, что дает уже не такие благополучные искажения (0, 008%). Однако это еще только полбеды.

Еще хуже то, что вместе с этим изменяется соотношение между гармониками одного и того же сигнала в пользу гармоник более высокого порядка. Это касается НИ, генерируемых теми каскадами ОУ (прежде всего, выходными, из-за значительности их вклада в общий уровень НИ), которые следуют за каскадом, формирующим излом АЧХ на частоте fc. Искажения этих каскадов и будем иметь в виду далее (в первых каскадах ОУ процессы имеют свои особенности).

На рис.1 показаны частотные зависимости отношения коэффициента НИ по гармонике n>2 Qn к коэффициенту НИ по второй гармонике Q2, приведенных к такому же отношению для ОУ без ООС Qn/Q2. Прямая 1 соответствует ОУ без ООС, прямая 2 - ОУ с замкнутой петлей ООС. Прямая 1 соответствует также усилителю, имеющему высокую частоту среза fc">>20 кГц, причем безразлично, включена ООС или нет. Как видно, УЗЧ на ОУ обогащает спектр НИ гармониками высших порядков. Наблюдаемую реально картину сглаживает лишь то, что исходные (без ООС) амплитуды гармоник сами обычно уменьшаются с ростом их номера n, поэтому регистрируемые при измерениях продукты искажений зависят не так сильно от частоты. Понятно, что картина, аналогичная рис.1, имеет место и для компонентов интермодуляционных искажений различных порядков.

Как известно, качество звучания зависит не только от амплитуд гармоник различного порядка, но и от соотношения между ними: желательно, чтобы с ростом номера гармоники ее амплитуда достаточно быстро убывала, в противном случае звучание становится жестким, приобретает неприятный металлический оттенок. Из рис.1 видно, что УЗЧ на ОУ действует в прямо противоположном направлении, причем практически во всем звуковом диапазоне, исключая лишь самые низкие частоты (и это касается, конечно, не только ПУЗЧ, но и усилителей мощности). И если регулятор тембра НЧ, поднимая АЧХ тракта на частотах, ниже 1 кГц, в какой-то степени восстанавливает соотношение между гармониками в диапазоне наклона участка своей АЧХ, то подъем высоких частот регулятором тембра ВЧ еще более усугубляет нарушение соотношения между ними на частотах более 1 кГц.

Таким образом, пресловутое "транзисторное звучание" начинает зарождаться еще в ПУЗЧ, выполненных на ОУ. Поэтому увлечение такими схемами, несмотря на все удобства и упрощения при использовании ОУ, идет в ущерб качеству звуковоспроизведения. И нет ничего удивительного в том, что они звучат хуже ламповых усилителей, имеющих, как правило, достаточно высокую fc (что возможно благодаря относительно неглубокой ООС) и к тому же благоприятный спектр генерируемых лампами гармоник (не выше пятого порядка).

Для получения благоприятного спектра НИ транзисторный усилитель до охвата ООС должен иметь частоту среза fc">20 кГц (рис.2, кривая 1). Это требование удачно согласуется и с условием отсутствия динамических искажений. Любопытной вместе с этим выглядит возможность дополнительного улучшения спектра гармоник и приближения его характера к ламповому путем специфической коррекции, заключающейся в подъеме исходной (без ООС) АЧХ с ростом частоты в звуковом диапазоне или хотя бы на некотором его участке (рис.2, ломаная 3). Кривая 2 соответствует случаю 2 рис.1. Благодаря уменьшению относительной доли ВЧ компонентов в НИ, это позволило бы получить спектр искажений на рис.1, кривая 3, что должно, по-видимому, делать звучание более мягким. Однако этот вопрос требует еще своего изучения.

Особенно заметными недостатки известных ПУЗЧ становятся при совместной работе с современными высококачественными УМЗЧ, например .

При разработке предлагаемого ПУЗЧ учтены перечисленные соображения, вместе с этим желательно достичь максимальной простоты схемы.

Параметры усилителя (рис.3):
Частота среза fc 300 кГц
Коэффициент интермодуляционных НИ при 11вых < 5 В и Rh > 1 кОм в диапазоне 0, 02-20 кГц < 0, 001 %
Номинальное Iвх 0, 25 В
Максимальное I вых 9В
Уровень шума (R^0) -103 дБ
Взвешенное значение -109 дБА
Выходное сопротивление < 0, 1Ом
Фазовый угол при f=0, 1 ...200 кГц < 0, 1°
Минимальное сопротивление нагрузки R 300 Ом

Усилитель выполнен по симметричной схеме на комплементарных парах транзисторов, такая структура значительно повышает его исходную линейность еще до охвата ООС. Все транзисторы, включая выходные, работают в режиме класса "А", причем коллекторный ток покоя VT7, VT8 около 10 мА и позволяет им сохранять этот режим при сопротивлениях нагрузки Rh не менее 300 Ом.

Несмотря на то, что VT5 и VT6 включены по схеме с общим эмиттером, их передаточные характеристики достаточно линеаризированы значительными сопротивлениями в эмиттерных цепях (R15, R16).

Уровень НИ оказался настолько мал, что решено было не применять предусматривавшиеся петли ЕПОС , которые значительно усложнили бы схему.

Входной каскад с целью получения низкого уровня шума выполнен на полевых транзисторах с р-п-переходом. Входное сопротивление усилителя, равное около 350 кОм, определяется только сопротивлениями резисторов R3, R6 (при этом следует не забыть о соответствующем изменении емкостей С1, С2, чтобы постоянные времени ФВЧ R3C1 и R6C2 оставались прежними). Делители напряжения R1R2 и R4R5R7 задают рабочие точки VT1 и VT2, резистор R4 служит для начальной установки нулевого напряжения на выходе усилителя и после настройки его можно заменить постоянным резистором нужного сопротивления, причем значение постоянной составляющей на выходе усилителя не столь критично и может находиться в пределах ±200 мВ.

Для получения большого коэффициента усиления входного каскада и малого шума применена динамическая нагрузка на полевых транзисторах VT3, VT4. Поскольку оба плеча входного каскада (VT1-VT3 и VT2-VT4) в конечном итоге работают на общую нагрузку, это дает выигрыш в уровне шума 3 дБ. В результате шум усилителя оказался примерно втрое (на 10 дБ) меньше, чем у усилителей, входной каскад которых выполнен на ОУ К157УД2.

Сигнал ООС с выхода подается в точку соединения R13R14. Коэффициент передачи цепи ООС определяется цепочками R10R13C3 и R11R1404 вместе с регулятором усиления R12, которым устанавливают коэффициент усиления устройства в пределах 2-5. При желании диапазон регулировки усиления можно расширить уменьшением R10 и R11.

Конденсаторы С5-С7 корректируют АЧХ усилителя с целью получения наилучшей переходной характеристики, но его работоспособность сохраняется и без них, однако фронт прямоугольного импульса в их отсутствие приобретает небольшой выброс, а на "полке" появляется рябь.

Резисторы R19, R20 предохраняют VT7, VT8 от перегрузки при коротком замыкании на выходе.

Режимы усилителя по постоянному току стабилизированы как местной (R13, R14, R8, R9, R15, R16), так и глубокой (около 66 дБ) общей ООС, благодаря чему температурные колебания и дрейф параметров элементов мало сказываются на его работе.

Полевые транзисторы следует подобрать в пары по начальному току стока. У транзисторов VT1, VT2 он должен быть около 0, 8-1, 8 мА, у VT3, VT4 - не менее 5-6 мА. VT1 можно взять с индексами Б, А, VT2 - с индексами И, Е, Ж, К, VT3, VT4 - с индексами Д, Г, Е, КТ3107 - с индексами Б или И, КТ3102 - соответственно А или Б, В, Д, VT5-VT8 можно не подбирать

Конденсаторы С5, С7 - типов КТ, КД, С1-С4 - К73-16, К73-17, К71-4, К76-5 и т.п. В качестве С3, С4 можно использовать электролитические конденсаторы, например, К50-16, К50-6 либо импортные.

Питание усилителя - от любого стабилизированного двуполярного источника напряжения ±15 В.

Налаживание собранного из исправных деталей усилителя несложно. Подбором R8 и R9 устанавливают указанные на схеме напряжения на стоках VT1 и VT2 (12± 0, 5 В), а подбором R17, R18 - напряжения на эмиттерах VT7, VT8 (0, 8-1, 2 В). Параллельно этому подстройкой R4 устанавливают близким к нулю выходное напряжение.

Если же нужные режимы транзисторов сразу установить не удается, следует вначале наладить отдельно входной каскад. Для этого выход усилителя соединяют с общим проводом (чтобы отключить общую ООС) и отключают базы VT5 и VT6 от стоков VT1 и VT2, закорачивая затем эти базы со своими эмиттерами. После этого добиваются во входном каскаде режимов, как указано выше. Если это удается, то восстанавливают соединения схемы и окончательно подбирают R17, R18 и R4.

Схема регулятора громкости и тембра с использованием показанного на рис.3 усилителя представлена на рис.4, где А1, А2 - два таких усилителя; ФРТ - физиологический регулятор тембра ; ТКРГ -тонкомпенсированный регулятор громкости, выход которого подключается к УМЗЧ. Инфразвуковые частоты срезаются в каждом из усилителей А1 и А2 как на входе (ФВЧ R1-R3C1 и R4-R5-R6-C2, рис.3), так и в цепи ООС (R10-R13-C3 и R11-R14-C4), что дает в итоге ФВЧ 4-го порядка (а вместе с входным ФВЧ УМЗЧ - 5-го порядка), этого достаточно для эффективного подавления низкочастотных помех с частотой меньше 20 Гц, таких, например, как от коробленных грампластинок.

В обходе ФРТ нет острой необходимости, так как его органами регулировки легко получить строго горизонтальную АЧХ. Однако эту функцию несложно осуществить, как показано на рис.4, с помощью переключателя S1 и делителя R1R2.

В качестве R12 (рис.3) использован сдвоенный переменный резистор, "половинки" которого включают в разные каналы стереотракта. В каскадах А1 они включены "синфазно" (сопротивление реостата R12 в обоих каналах изменяется в одну сторону при перемещении движка регулятора) и выполняют роль дополнительного регулятора уровня, повышая тем самым перегрузочную способность ПУЗЧ до 26 дБ и обеспечивая согласование АЧХ ТКРГ с уровнем сигнала. В каскадах А2 они включены "противофазно" (сопротивление R12 в одном канале увеличивается, в другом уменьшается) и играют роль регулятора стереобаланса.

На рис.5 изображена принципиальная схема ТКРГ, выполненного на сдвоенном переменном резисторе с двумя отводами типа СП3-30В. Часто в схемах ТКРГ применяется подключение цепей частотной коррекции к движку потенциометра. Движущиеся контакты движка не могут быть идеальными, и при регулировании громкости их сопротивления изменяются от почти нулевого до весьма заметного, особенно после продолжительной эксплуатации. В простом (не тонкомпенсированном) регуляторе это почти не ощущается, особенно если последующий каскад имеет достаточно большое входное сопротивление, и может проявляться незначительными шорохами при регулировании.

В ТКРГ с подключением цепей коррекции к движку дела обстоят значительно хуже, АЧХ при ухудшениях контакта может искажаться очень сильно и становиться полностью неприемлемой, временами оглушая слушателя резким звуком неестественной окраски. Искажениями АЧХ страдают и ТКРГ, цепи коррекции которых подключают как к отводам, так и к движку. В таких ТКРГ даже при идеальном постоянном контакте движка хорошо заметны на слух раздражающие изменения АЧХ при проходе движка мимо отвода.

Предлагаемый ТКРГ лишен этих недостатков, так как в нем к движку потенциометра цепи частотной коррекции не подключаются. Его АЧХ представлены на рис.6. Они являются хорошим приближением к требуемым, благодаря детальной проработке частотно-зависимых звеньев.

В схеме ТКРГ (и в ФРТ) нельзя использовать электролитические конденсаторы, так как постоянная составляющая напряжения на их обкладках при работе данных схем равна нулю. Следует использовать те же типы неэлектролитических конденсаторов, какие указаны в схеме усилителя. Описанный предварительный усилитель и блок регулировки громкости и тембра при работе вместе с УМЗЧ , укомплектованым хорошими акустическими системами, обеспечивают превосходное звучание.

Литература

1. Матюшкин В.П. Сверхлинейный УМЗЧ класса Hgh-End на транзисторах//Радюаматор.-1998.-№8.-С.10-11; №9.-С. 10-11.

2. Матюшкин В.П. Параллельные петли обратной связи и их применение в УЗЧ//Рад1оаматор.-2000.-№12.-2001; №1-3.®