Высококачественный предварительный усилитель

Принципиальная схема, описание, печатная плата предварительного усилителя Солнцева

    Многие радиолюбители считают, что качество звучания бытового радиокомплекса чуть ли не целиком определяется параметрами только усилителя мощности ЗЧ и акустической системы. С этим вряд ли можно согласиться. Как показывает практика, именно после появления в комплексе усилителя мощности и громкоговорителей высокого класса обнаруживаются ранее незаметные недостатки остальных узлов звуковоспроизводящего тракта: предварительного усилителя, темброблока, предусилителя-корректора проигрывателя и т. п. Доработку тракта в этом случае обычно начинают с предварительного усилителя и регуляторов громкости и тембра. И тут оказывается, что сформулировать конкретные требования к ним не так-то просто и в первую очередь потому, что нормы на параметры этих устройств во многом зависят от выбранной структурной схемы тракта.

      В самом деле, предварительный усилитель, регулятор громкости и темброблок могут быть соединены в разной последовательности. Наиболее часто регулятор громкости включают либо на входе предварительного усилителя (за которым следует темброблок), либо на входе усилителя мощности (т. е. после темброблока). В первом из этих вариантов облегчается согласование устройств по уровням сигналов, исключается перегрузка отдельных каскадов, но несколько ухудшается отношение сигнал/шум, так как на вход предварительного усилителя в большинстве случаев поступает сигнал, ослабленный регулятором громкости. Кроме того, этот вариант неудобен, если предполагается введение таких режимов, как “Монитор”, независимая работа с двумя источниками сигнала и т. п.

      Во втором варианте коммутация упрощается, требования к шумовым характеристикам предварительного усилителя могут быть снижены, но на первый план выдвигается его перегрузочная способность. Она в этом случае должна быть, по крайней мере, не менее 20 дБ, что не всегда выполнимо.

      Возможен и компромиссный вариант, в котором регулятор громкости включен на входе усилителя мощности, а еще один, дополнительный регулятор уровня сигнала — на входе предварительного усилителя. Назначение последнего — понизить уровень входного сигнала до номинального значения. Такая структура представляется наиболее подходящей для высококачественного звуковоспроизводящего комплекса.

      Многое зависит от схемных решений узлов рассматриваемой части тракта. Прежде чем их выбирать, необходимо четко ответить на следующие вопросы:

      — какими (активными или пассивными) должны быть регуляторы громкости и тембра)?

— должна ли быть в регуляторе громкости тонкомпенсация?

      — сколько полос должен иметь регулятор тембра?

      — каковы должны быть пределы регулирования тембра?

      У получивших в последние годы широкое распространение активных регуляторов громкости немало достоинств: большой диапазон регулирования, возможность применения доступных переменных резисторов группы А и т. д. Но есть и существенные недостатки: в них трудно получить нулевой уровень выходного сигнала (особенно при наличии тонкомпенсации); усилительные каскады — основа таких регуляторов — вносят в сигнал искажения, сколь бы малыми они ни были. По мнению автора, в высококачественном звуковоспроизводящем тракте должно быть возможно меньше усилительных каскадов, и с этой точки зрения пассивный регулятор громкости предпочтительнее.

      Что касается активных регуляторов тембра, которые также строят на основе усилителей, то в них АЧХ формируется изменением в широких пределах глубины частотно-зависимой ООС. С точки зрения минимизации нелинейных, интермодуляционных, фазовых и динамических искажений такой режим работы нельзя считать благоприятным, поэтому использовать активные регуляторы тембра в высококачественном комплексе вряд ли целесообразно.

      В регуляторе громкости желательно иметь тонкомпенсацию, так как без нее звучание на малых уровнях громкости теряет естественность. Однако входные и выходные сопротивления известных автору тонкомпенсированных регуляторов — комплексные, частотно-зависимые и изменяются при регулировании в широких пределах. Для нормальной работы такой регулятор необходимо включать в тракт через развязывающие усилители, а это, как уже отмечалось, дополнительные источники искажений сигнала. Конечно, можно предусмотреть возможность отключения тонкомпенсирующих цепей, но это усложнит коммутацию, потребует согласования характеристик регулятора с подключенными и отключенными цепями. Чтобы не усложнять задачу, от тонкомпенсации, видимо, можно отказаться, особенно, если учесть, что искажения тембра звучания при ее отсутствии будут только на малых уровнях громкости, а высококачественные фонограммы обычно слушают на уровнях, выше среднего.

      Менее очевиден ответ на вопрос о необходимом числе полос регулятора тембра. Несомненно, наибольшими возможностями обладают многополосные регуляторы — эквалайзеры. Они позволяют корректировать частотную характеристику звукового давления с учетом особенностей акустической системы, помещения прослушивания, спектра фонограммы. Однако схемы эквалайзеров довольно сложны, по уровню искажений и шумовым характеристикам они значительно уступают простейшим. Кроме того, как отмечалось в [Л], в ряде случаев высокое качество звуковоспроизведения обеспечивается при подаче сигнала от источника непосредственно на вход усилителя мощности. Исходя из этого, автор считает целесообразным для оперативной регулировки тембра использовать обычный пассивный мостовой регулятор высших и низших частот, а эквалайзер вместе с другими вспомогательными устройствами (шумоподавителем, рокот-фильтром, фильтрами нижних и верхних частот и т. п.) объединить конструктивно в специальный блок, включаемый в тракт только в необходимых случаях (например, при прослушивании и перезаписи фонограмм недостаточно высокого качества) .

      С учетом всего сказанного выше структура рассматриваемой части тракта вырисовывается следующей: вспомогательный регулятор (плавный или ступенчатый), ослабляющий сигнал на 20...30 дБ, предварительный усилитель с горизонтальной АЧХ и минимально возможными искажениями в рабочем диапазоне частот, пассивный мостовой регулятор тембра с небольшими (примерно ±10 дБ) пределами регулирования и пассивный нетонкомпенсированный регулятор громкости. Входные и выходные сопротивления каскадов необходимо выбрать такими, чтобы обеспечить их нормальную совместную работу. Поскольку номинальное входное напряжение усилителя мощности — 0,2 В [Л], суммарный коэффициент передачи предварительного усилителя и регулятора тембра можно выбрать равным 1, т. е. использовать первое из этих устройств только для компенсации ослабления сигнала вторым. Номинальное входное напряжение тракта в этом случае также будет равно 0,2 В, что, с одной стороны, вполне достаточно для работы с большинством источников сигнала, а с другой — позволяет подавать сигнал (с сохранением уровня) через регулятор громкости непосредственно на вход усилителя мощности (минуя предварительный усилитель и регулятор тембра).

      Качественные показатели комплекса при выбранной структуре определяются по существу параметрами предварительного усилителя: его шумами, рабочим диапазоном частот, гармоническими и интермодуляционными искажениями, перегрузочной способностью. Исходя из технических характеристик усилителя мощности, нормы на параметры предварительного усилителя были установлены следующие:

      Номинальное входное напряжение. В ...... 0,2

      Отношение сигнал/ шум, дБ, не менее ....... 80

      Перегрузочная способность, дБ ......... 15...20

      Номинальный диапазон частот (по сигналу максимальной амплитуды), Гц, не уже.......20...20 000

      Коэффициент гармоник в номинальном диапазоне частот, %, не более ….. 0,05

      Кроме того, было поставлено еще одно, дополнительное условие: включение в тракт предварительного усилителя с регулятором тембра (в положении горизонтальной АЧХ) не должно ухудшать качества звучания при субъективных экспертизах. Как выяснилось, именно это требование оказалось наиболее важным. Целый ряд устройств с очень хорошими параметрами при таких испытаниях вносили искажения, характер которых с трудом поддается описанию, но наличие их безошибочно определялось по ухудшению “прозрачности:”, “чистоты”, естественности звучания.

      После длительных поисков и серии неудач был разработан усилитель на основе ОУ К574УД1А (см. рис. 1), отвечающий всем поставленным требованиям. Эксперименты показали, что коэффициент гармоник этого ОУ сильно зависит от нагрузки: пренебрежимо малый при ее сопротивлении 100 кОм и более он возрастает до 0,1 % на нагрузке 10 кОм. Отсюда был сделан вывод, что для получения достаточно низкого уровня нелинейных искажений ОУ необходимо “умощнить”. Для этой цели был выбран так называемый параллельный усилитель. От обычных он отличается тем, что искажения типа “ступенька” в нем практически отсутствуют даже без ООС. В усилителе же, охваченном ООС, коэффициент гармоник в диапазоне частот 20...20 000 Гц не превышает 0,03 % при сопротивлении нагрузки более 500 Ом. Искажения измерялись прибором С6-5. В качестве источника сигнала был использован генератор Г3-102. Коэффициенты гармоник собственно генератора и генератора с усилителем были одинаковыми. Это дает основания полагать, что фактическое значение параметра меньше 0,03%. Интермодуляционные искажения измерить не удалось из-за отсутствия необходимой аппаратуры.

      Принципиальная схема предварительного усилителя с регулятором тембра приведена на рис. 2. ОУ DA1 и транзисторы VT1—VT4 образуют линейный усилитель, компенсирующий потери сигнала в регуляторе тембра (R19-R26, С8—С11), на ОУ DA2 и транзисторах VT5 — VT8 собран развязывающий усилитель, выходной сигнал которого используется для записи на магнитофон. Вообще говоря, коэффициент передачи этого усилителя желательно выбирать близким к 1. Однако поскольку умощненный ОУ как повторитель работает хуже, чем усилитель, коэффициент передачи был выбран равным 13, а для получения уровня сигнала, необходимого для записи, на входе развязывающего усилителя включен делитель напряжения R10R11. Общий коэффициент передачи усилителя с делителем — 1,8...1,9.

      Резисторы R19, R21 предотвращают монотонный подъем и спад АЧХ с ростом частоты, в результате чего она приобретает вид, показанный на рис. 3 сплошной линией. При необходимости с помощью реле К1 регулятор тембра можно исключить из. тракта. Сигнал в этом случае снимают с делителя R27R28.

      Экспериментальная проверка показала, что даже без балансировки ОУ и без конденсатора в “заземленной” ветви делителя ООС постоянная составляющая на выходе усилителей невелика и практически не снижает перегрузочной способности. В случае необходимости на входе предварительного и выходе развязывающего усилителей следует включить разделительные конденсаторы (на схеме они изображены штриховыми линиями).

      Детали устройства (за исключением тех, которые входят в состав регулятора тембра) размещены на печатной плате (на рис. 4 она дана для стереофонического варианта) из фольгированного стеклотекстолита. Элементы регулятора тембра смонтированы на выводах сдвоенных переменных резисторов R20 и R25 и соединены с ней экранированными проводами. Плата рассчитана на установку постоянных резисторов МЛТ-0,25 (R7, R8, R16, R17 могут быть типа МОН-0,5), подстроечных резисторов СП4-1в (R4), конденсаторов К53-1а, КбЗ-18 (СЗ, С4), КМ-66 (С1, С2, С5-С8) и МБМ (С9-С11). Переменные резисторы R20, R25 — сдвоенные любого типа группы Б.

      Кроме указанных на схеме, в усилителях можно использовать транзисторы КТ3107И, КТ313Б, КТ361В, КТ361К (VT1, VT4, VT5, VT8) и КТ312В, КТ315В (остальные). В развязывающем усилителе допустимо применение ОУ К140УД8Б, К140УД8В,а также К544УД2. Реле К1 — РЭС-60 (паспорт РС4.569.436) или любое другое с подходящими техническими характеристиками, однако в последнем случае придется изменить рисунок печатной платы. Диод VDI — любого типа с обратным напряжением более 50 В. Для соединения платы с трактом использованы стандартные разъемы МРН14-1 (номера их контактов, к которым подведены соответствующие цепи усилителей, указаны на принципиальной схеме).

      Правильно смонтированное устройство в налаживании практически не нуждается. Необходимо только установить коэффициент передачи предварительного усилителя с подключенным регулятором тембра и без него. В первом случае это делают подстроечным резистором R4, во втором — подбором резистора R27.

      Для питания необходим двуполярный источник напряжением ±15 В. Потребляемый от него ток зависит от примененных ОУ и в большинстве случаев не превышает 25...30 мА на оба канала. Несмотря на то, что коэффициент подавления помех по цепям питания у описанного усилителя довольно высок, желательно все же, чтобы пульсации питающих напряжений не превышали 10 мВ, так как иначе при неудачном монтаже возможно появление заметного фона. Следует также учесть, что для нормальной работы регулятора тембра сопротивление нагрузки должно быть не менее 50 кОм. При использовании устройства с усилителем мощности, описанным в [Л], это требование выполняется.

      Пассивный регулятор громкости (сдвоенный переменный резистор группы В сопротивлением 100 кОм) включен между выходом устройства и входом усилителя мощности. Для регулирования стереобаланса применен еще один сдвоенный переменный резистор (100 кОм, группа А), включенный реостатом (его движок в каждом канале подсоединен к движку регулятора громкости, а один из выводов — к входу усилителя мощности).

г. Москва Ю. СОЛНЦЕВ

Более сложный предварительный усилитель