Схемотехника современных усилителей

Douglas Self


Audio Power Amplifier Design Handbook

Third Edition

Дуглас Селф



Схемотехника современных усилителей



2-е издание, электронное












Москва, 2023

УДК 004.4
ББК 32.844я75
     C29








     Селф, Дуглас.
C29 Схемотехника современных усилителей / Д. Селф ; пер. с англ. В. А. Гордеева. — 2-е изд., эл. — 1 файл pdf : 530 с. — Москва : ДМК Пресс, 2023. — Систем. требования: Adobe Reader XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ; экран 10". — Текст : электронный.
         ISBN 978-5-89818-388-2
         Искусство проектирования аудиоусилителей издавна привлекает внимание и радиолюбителей, и профессионалов. Может показаться, что работа, которую при этом требуется выполнить, довольно проста, но для создания надежного высококачественного усилителя разработчик должен привлечь весь багаж своих знаний в области электроники. К сожалению, информация по вопросам проектирования усилителей мощности звуковых частот разрозненна и зачастую труднодоступна. Данная книга поможет читателю восполнить этот недостаток. В ней рассматриваются вопросы минимизации искажений и повышения линейности усиления, затрагиваются проблемы, связанные с проектированием усилителей, такие как надежность, обеспечение стабильным питанием, защита от перегрузок и т.п. Приведен уникальный материал по режимам работы на реактивную нагрузку, необычным способам компенсации искажений и др. Обсуждаемые вопросы снабжены подробными ссылками на справочные издания, призванные помочь читателю в дальнейшем исследовании в этой области.
         Издание предназначено разработчикам аудиоаппаратуры, квалифицированным радиолюбителям, а также может быть полезно студентам старших курсов радиотехнических специальностей и всем читателям, интересующимся современной аудиоэлектроникой.
УДК 004.4
ББК 32.844я75



       Электронное издание на основе печатного издания: Схемотехника современных усилителей / Д. Селф ; пер. с англ. В. А. Гордеева. — Москва : ДМК Пресс, 2015. — 528 с. — ISBN 978-5-97060-277-5. — Текст : непосредственный.




            Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельцев авторских прав.
            Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но поскольку вероятность технических ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную точность и правильность приводимых сведений. В связи с этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.


ISBN 978-5-89818-388-2

                © Copyright © Douglas Self
                © Перевод на русский язык, оформление, издание, ДМК Пресс

  Содержание













   Предисловие                                                     10
   Глава 1. Общие сведения о УМЗЧ                                  12
   1.1. Экономическая важность УМЗЧ                                12
   1.2. Обращение к читателю                                       12
   1.3. Цели и источники                                           13
   1.4. Исследования в области проектирования УМЗЧ                 14
   1.5. Распространенные заблуждения                               16
   1.6. Показатели качества аудиоусилителей                        32
   1.7. Используемые сокращения                                    37
   1.8. Список использованных источников                           38
   Глава 2. История, архитектура и отрицательная
      обратная связь                                               40
   2.1. Краткая историческая справка                               40
   2.2. Архитектура усилителей                                     41
   2.3. Классы усиления                                            43
   2.4. Варианты класса B                                          48
   2.5. Усилители переменного сигнала и усилители постоянного тока 51
   2.6. Отрицательная обратная связь в УМЗЧ                        54
   2.7. Несколько распространенных заблуждений по поводу ООС       56
   2.8. ООС и стабильность усилителя                               60
   2.9. Максимизация глубины ООС                                   68
   2.10. Максимизация линейности усилителя при разомкнутой ООС     70
   2.11. Список использованных источников                          70
   Глава 3. Общие сведения об усилителях мощности                  72
   3.1. Как работает усилитель                                     72
   3.2. Преимущества типовой схемы                                 75
   3.3. Восемь типов искажений                                     75
   3.4. КНИ типового УМЗЧ                                          80

СОДЕРЖАНИЕ

   3.5. Линейность УМЗЧ с незамкнутым контуром ОС                  80
   3.6. Непосредственное измерение коэффициента усиления
      при разомкнутой ОС                                          80
   3.7. Моделирование УМЗЧ                                        83
   3.8. Концепция «безупречного усилителя»                        84
   3.9. Список использованных источников                          85
   Глава 4. Малосигнальные каскады предварительного
      усиления                                                    86
   4.1. Роль входного каскада УМЗЧ                                86
   4.2. Искажения сигнала в первом каскаде УМЗЧ                   88
   4.3. Биполярные или полевые транзисторы во входном каскаде     89
   4.4. Сравнение однотранзисторного входного каскада
      с дифференциальным                                          90
   4.5. Искажения сигнала во входном каскаде                      91
   4.6. Балансировка входного каскада                             93
   4.7. Токовое зеркало                                           95
   4.8. Улучшение линейности входного каскада                     97
   4.9. Радикальные методы улучшения линейности входного каскада  99
   4.10. Каскод во входном дифференциальном каскаде УМЗЧ           101
   4.11. Снижение уровня шумов входного каскада                    103
   4.12. Постоянная составляющая выходного сигнала
      дифференциального усилителя                                105
   4.13. Максимальная скорость изменения выходного сигнала       107
   4.14. Каскад усилителя напряжения                             109
   4.15. Искажения в каскаде усилителя напряжения                109
   4.16. Схема усилителя напряжения                              110
   4.17. Искажения в каскаде усилителя напряжения                112
   4.18. Линеаризация усилителя напряжения: активная нагрузка    113
   4.19. Линеаризация усилителя напряжения                       114
   4.20. Буферирование                                           116
   4.21. Сбалансированный усилитель напряжения                   118
   4.22. Ширина полосы пропускания при разомкнутой ООС           119
   4.23. Управление шириной полосы пропускания при разомкнутой ООС 122
   4.24. Заключение                                              122
   4.25. Список использованных источников                        123
   Глава 5. Оконечный каскад I                                   125
   5.1. Классы усиления                                          125
   5.2. Искажения в выходном сигнале оконечного каскада          128
   5.3. Спектр искажения «ступенька»                             128
   5.4. Схемотехника оконечных каскадов УМЗЧ                     130
   5.5. Нелинейные искажения в оконечном каскаде                 141
   5.6. Заключение                                               183
   5.7. Список использованных источников                         184

СОДЕРЖАНИЕ 5

   Глава 6. Выходной каскад II                                     185
   6.1. Искажения номер 4: искажения, вызванные нагрузкой каскада усилителя напряжения                                            185
   6.2. Искажения номер 5: искажения развязывающих (элементов) шин (питания)                                                 188
   6.3. Искажения номер 6: наведенные искажения                   193
   6.4. Искажения номер 7: искажения, связанные с точкой подключения обратной отрицательной обратной связи                         195
   6.5. Искажения номер 8: емкостные искажения                    198
   6.6. Пример конструкции: усилитель мощностью 50 Вт Класса В     201
   6.7. Список использованных источников                          211
   Глава 7. Коррекция, скорость нарастания выходного напряжения и устойчивость                                   212
   7.1. Частотная коррекция. Общие положения                      212
   7.2. Коррекция доминантного полюса                             214
   7.3. Коррекция на отставание по фазе                           215
   7.4. Влияние выходного каскада: инклюзивная коррекция Миллера   216
   7.5. Вложенные петли обратной связи                            217
   7.6. Двухполюсная коррекция                                    219
   7.7. Выходные цепи                                             223
   7.8. Перекрестные помехи в выходном дросселе усилителя         239
   7.9. Реактивная по характеру нагрузка и моделирование (нагрузки) громкоговорителя                                                245
   7.10. Нагрузки громкоговорителей и выходные каскады            251
   7.11. Увеличенные токи громкоговорителя                        259
   7.12. Неустойчивость усилителя                                 262
   7.13. Быстродействие и скорость нарастания выходного напряжения в усилителе низкой частоты                                    265
   7.14. Список использованных источников                         279
   Глава 8. Источники питания и коэффициент подавления источника питания (PSRR)                                    281
   8.1. Принципиальные подходы к созданию источников питания       281
   8.2. Подавление влияния шин питания в усилителях                290
   8.3. Философия разработки проблемы коэффициента подавления
      шин источника питания, PSRR.                                 293
   8.4. Подавление влияния плюсовой шины питания                   294
   8.5. Подавление минусовой шины источника питания                298
   8.6. Список использованных источников                           306
   Глава 9. Усилители мощности Класса А                            307
   9.1. Предварительные замечания                                  307
   9.2. Варианты схем усилителей Класса А и их эффективность       308
   9.3. Выходной каскад усилителей Класса А                        312

СОДЕРЖАНИЕ

   9.4. Схемы управления током в рабочей точке
   9.5. Оригинальный метод управления током в рабочей точке         320
   9.6. Схема усилителя Класса А                                    322
   9.7. Трехмодальный усилитель                                     325
   9.8. Полное комплексное сопротивление нагрузки и рабочий режим 328
   9.9. Эффективность работы
   9.10. О напряжении смещения при трехрежимной работе усилителя   337
   9.11. Работа в режиме Класса А/АВ                               338
   9.12. Режим работы усилителя в классе В                         342
   9.13. Система переключения усилителя в различные классы работы  343
   9.14. Тепловой расчет                                           344
   9.15. Законченная схема Трехрежимного усилителя                 346
   9.16. Источник питания                                          349
   9.17. Эксплуатационные параметры                                351
   9.18. Дополнительные возможности                                351
   9.19. Список использованных источников                          353
   Глава 10. Усилители мощности Класса G                            354
   10.1. Основы работы усилителя в классе G                         355
   10.2. Усилители Класса G с последовательной конфигурацией        356
   10.3. Эффективность работы усилителя Класса G                    358
   10.4. Практические стороны дела                                  362
   10.5. Требования к заданию напряжений смещения                   363
   10.6. Проблемы линейности последовательного усилителя Класса G 364
   10.7. Статическая линейность                                    367
   10.8. Практическая схема усилителя Класса G                     370
   10.9. Управление мало-сигнальными искажениями                   370
   10.10. Рабочие характеристики (эффективность)                   377
   10.11. Установление происхождения нового типа усилителя: Класс А + С 380
   10.12. Добавление двухполюсной компенсации                      383
   10.13. Дальнейшие вариации на тему усилителя Класса G            385
   10.14. Список использованных источников                         386
   ГЛАВА 11. Выходные каскады на полевых транзисторах 387
   11.1. Характеристика мощных полевых транзисторов                387
   11.2. Сравнение выходных каскадов на полевых и биполярных транзисторах 388
   11.3. Биполярные транзисторы с изолированным затвором, IGBT      391
   11.4. Выходные каскады на мощных полевых транзисторах            391
   11.5. Мощные полевые и биполярные транзисторы: сравнение линейности характеристик                                                  395
   11.6. Полевые транзисторы в каскадах Класса А                   396
   11.7. Список использованных источников                          399
   Глава 12. Термокомпенсация и динамика передачи тепла 400
   12.1. Почему условия, определяющие величину тока в рабочей точке, являются критичными                                             400

СОДЕРЖАНИЕ 7

   12.2. Точность, требуемая для эффективной тепловой компенсации 402
   12.3. Основной метод температурной компенсации                  408
   12.4. Оценка погрешности напряжения смещения                    410
   12.5. Моделирование тепловых процессов                          411
   12.6. Моделирование выходного каскада на эмиттерных повторителях 412
   12.7. Моделирование выходного каскада на паре, охваченной
      комплементарной обратной связью, CFP                         424
   12.8. Критерий абсолютной общей ошибки                          426
   12.9. Улучшенная температурная компенсация: каскад с эмиттерными повторителями                                                 427
   12.10. Вариант улучшенной компенсации для выходного каскада на паре, охваченной комплементарной обратной связью, CFP               433
   12.11. Улучшенное месторасположения термодатчика               434
   12.12. Определитель температуры p-n перехода                   436
   12.13. Контроль температуры p-n перехода, учитывающий динамику
      процесса                                                    438
   12.14. Заключение                                              440
   12.15. Источники напряжения смещения с переменным значением температурного коэффициента                                   442
   12.16. Реальная динамика тепловых процессов                    451
   12.17. Список использованных источников                        457
   Глава 13. Защита усилителя и громкоговорителей                 458
   13.1. Категории защиты усилителя                               458
   13.2. Защита от перегрузки                                     462
   13.3. Ограничительные диоды                                    476
   13.4. Защита от смещения по постоянной составляющей            477
   13.5. Тепловая защита                                          489
   13.6. Питание вспомогательный цепей                            492
   13.7. Список использованных источников                         493
   Глава 14. Заземление и некоторые другие практические
      вопросы                                                     494
   14.1. Использование печатных плат в схемах усилителей низкой частоты 494
   14.2. Односторонние и двухсторонние печатные платы             498
   14.3. Заземление усилителя                                     506
   14.4. Контуры заземления: как они действуют и как с ними управляться 508
   14.5. Оборудование Классов I и II                              515
   14.6. Вопросы проектирования и конструкции оборудования         518
   Глава 15. Тестирование, требования к безопасности              524
   15.1. Тестирование оборудования, поиск неисправностей          524
   15.2. Требования к безопасности                                526

                  Я посвя щаю эту книгу моим родителям Рас селу (Russell) и Эвелин (Eve lyn), а также всем друзьям и колле гам, которые оказали нео ценимую помощь в рабо те над кни гой. В осо бенно -сти хочу отме тить актив ную под держку, оказан ную мне Гаре -том Кон нором ( Gareth Con nor) в моих попыт ках соз дать «безу -преч ный усили тель», и тер пение Питера Кинга (Peter King) при обсуж де нии новых идей по этому вопро су.

                Предисловие




Искусство проектирования аудиоусилителей издавна привлекает внимание и радиолюбителей, и профессионалов. Может показаться, что работа, которую при этом требуется выполнить, довольно проста, но для создания надежного высококачественного усилителя разработчик должен привлечь весь багаж своих знаний в области электроники. К сожалению, информация по вопросам проектирования усилителей мощности звуковых частот труднодоступна, поэтому я надеюсь, что данная книга восполнит этот недостаток.
  Далеко не все вопросы, касающиеся проектирования аудиоусилителей, получили серьезное научное исследование. Большая часть книги - результат моих собственных исследований, которые я был вынужден выполнить из-за недостатка опубликованной по этому вопросу информации.
  В результате моей работы по изучению источников возникновения искажений усиливаемого сигнала - а это традиционно считается одной из самых трудных проблем при проектировании усилителей - были выявлены и отделены друг от друга несколько взаимодействующих механизмов генерации искажений, что позволило оценить и минимизировать вклад каждого из них с целью создания высококачественных усилителей классов A и B с предельно низким коэффициентом нелинейных искажений, что всего два-три года назад казалось еще невозможным. Предложенная методика проектирования аудиоусилителей, которая описана в этой книге, позволяет получать надежные результаты с использованием достаточно малого числа контуров отрицательной обратной связи и не повышает существенно стоимость проектируемых усилителей.
  Проведенная работа приближает нас к понятию «безупречного усилителя», который мог бы служить своего рода эталоном качества усиления и к которому должен стремиться любой честолюбивый разработчик. Первым шагом на этом пути стал разработанный мною трехрежимный усили тель (названный так потому, что он может работать в любом из трех режимов A, B или AB), подробно рассмотренный в главе 9.