Улучшение параметров усилителя на К174УН7
В. ГРОМОВ, А. РАДОМСКИН г. Львов
Непрерывно расширяющийся ассортимент специализированных микросхем, казалось бы, должен ограничить творчество радиолюбителей. Действительно, такие микросхемы обычно ориентированы их разработчиками на решение в радиоэлектронной аппаратуре одной конкретной задачи или, в лучшем случае, узкого круга задач. Вот почему радиолюбителям и радиоконструкторам вроде бы остаются лишь творческие "игры в кубики" - комбинировать узлы на микросхемах, собранные по типовым схемам включения.
Однако дух рубрики "Радиолюбитель ставит эксперимент", которая когда-то более или менее регулярно появлялась на страницах нашего журнала, не умирает в сердцах наших читателей. Свидетельство тому - публикуемая здесь статья В. Громова и А. Радомского, на которую, как нам кажется, должны обратить внимание не только радиолюбители, но и профессионалы - как разработчики аппаратуры, так и создатели микросхем. Мы ждем их откликов на ту публикацию - ведь микросхема К174УН7 весьма широко применяется в бытовой радиоаппаратуре.
Ну, а ко всем читателям обращаемся с предложением - вести эксперименты как по совершенствованию типовых схем включения специализированных ИМС, так и по их использованию в нетиповых схемах включения (реализация новых функций и т. д.). Однако, получив интересный положительный эффект, не торопитесь писать в редакцию: проверьте его воспроизводимость на нескольких экземплярах микросхем.
В настоящее время усилители мощности звуковой частоты (УМЗЧ) малогабаритной радиоаппаратуры довольно часто строят на основе специализированной интегральной микросхемы (ИС) К174УН7 [1 ]. Однако ее применение, без сомнения, было бы еще более широким, если бы не большие нелинейные искажения (в типовом включении - до 10 % при выходной мощности 4,5 Вт на частоте 1 кГц и напряжении питания 15 В) и недостаточно высокое в некоторых случаях входное сопротивление (50 кОм). Не удивительно поэтому, что радиолюбители ищут пути снижения нелинейных искажений, предлагая, например, заменить цепь вольтодобавки стабилизатором тока на полевом транзисторе [2]. К сожалению, проверка рекомендаций, предложенных в [2], показала, что их реализация ведет не столько к уменьшению искажений, сколько к снижению максимальной мощности, отдаваемой в нагрузку.
При испытаниях нескольких экземпляров ИС К 174УН7 выяснилось, что наиболее характерные искажения ее выходного напряжения проявляются в "скруглении" или явном ограничении отрицательного полупериода сигнала. В связи с этим была проверена эффективность такой меры, как применяемая в некоторых промышленных аппаратах регулировка режима ИС по постоянному току подачей на ее вывод 7 (через резистор сопротивлением 3...6,8 кОм) напряжения с регулируемого делителя. Проверка показала, что и эта мера практически не снижает коэффициента гармоник и не увеличивает неискаженного выходного напряжения, а лишь позволяет добиться симметричного его ограничения.
Вариант УМЗЧ, собранный по схеме на рис. 1, обладает значительно лучшими характеристиками, чем типовой на указанной ИС. Одно из его отличий от типового - дополнительная ООС через резистор R6.
Подключение последнего непосредственно к головке громкоговорителя уменьшает неравномерность АЧХ и нелинейные искажения, обусловленные наличием конденсатора С9. При сопротивлении резистора R6, указанном на схеме, напряжении питания 15 В и выходной мощности 4 Вт (на нагрузке сопротивлением 4 Ом) номинальное входное напряжение устройства - 120 мВ.
Кроме того, для сокращения числа номиналов емкость оксидного конденсатора С3 в цепи ООС уменьшена до 100 мкф (неравномерность АЧХ в диапазоне частот 40...20 000 Гц при этом не превышает 0,4 дБ).
Главное же отличие этого УМЗЧ - в сопротивлении резистора R2 (в типовом включении ИС оно равно 47 кОм). В ходе экспериментов было замечено, что этот резистор очень существенно влияет на искажения и его подбором можно значительно увеличить выходное напряжение УМЗЧ. (Из десяти испытанных ИС только две не потребовали подбора резистора R2, т. е. изменения его сопротивления относительно типового; сопротивление резисторов для остальных ИС колебалось в пределах 0,1...1 МОм).
На рис. 2 показана зависимость максимальной выходной мощности Рmax и коэффициента гармоник Кг от напряжения питания Uпит (искажения измерялись при Рmax, соответствующей данному напряжению Uпит). Параметры оценивались на частоте 1 кГц при двух значениях сопротивления резистора R2: типовом (47 кОм) и оптимизированном по максимальной мощности (750 кОм). Мощность Pmax определялась максимальным выходным напряжением, на осциллограмме которого искажения еще не были заметны на глаз (каковы были эти искажения в действительности, показывают кривые Кг).
рис. 2
Как видно из рис. 2,при Uпит=15 В подбором резистора R2 удалось увеличить Рmax на 1,5 Вт при одновременном снижении коэффициента гармоник почти в 3,5 раза, а при Uпит=18 В - примерно на 3 Вт при снижении К,. почти втрое. (Очевидно, что при одинаковых искажениях выигрыш в мощности Рmax был бы еще больше). Полученный результат говорит сам за себя, если учесть, что испытанная ИС была вполне кондиционной: при Uпит=15 В, R2=47 кОм и выходной мощности Рвых=4,5 Вт ее коэффициент гармоник не превышал 7,2 % (после подбора резистора R2 он уменьшился до 1,1 %).
Зависимости Рmax (Uпит) и Кг (Uпит) УМЗЧ с оптимизированным сопротивлением резистора R2 (750 кОм) были сняты также на частотах 60 Гц и 5 кГц (рис. 3). Уменьшение Рmax на низших частотах обусловлено влиянием емкости конденсатора С9 (1000 мкФ). При сопротивлении нагрузки Rн=4 Ом его емкость желательно увеличить хотя бы до 2000 мкф.
рис. 3
Кривые, изображенные на рис. 4, иллюстрируют зависимость КПД и тока покоя Iо от напряжения питания Uпит при тех же двух сопротивлениях резистора R2. Нетрудно видеть, что при R2=750 кОм повышается и КПД, причем ощутимый выигрыш получается при Uпит>10 В.
рис. 4
Для выявления реальной зависимости коэффициента гармоник Кг от уровня выходной мощности Рвых экземпляр ИС со средними параметрами был испытан при Uпит=15 В, Rн=4 Ом, С9==4000 мкФ и R2=R2опт=510 ком (рис. 5). Как видно, при Рвых=4 Вт коэффициент гармоник УМЗЧ, собранного на этом экземпляре ИС по схеме на рис. 1, в диапазоне частот 60...10 000 Гц не превышает 3 %.
рис. 5
Входное сопротивление самой ИС К174УН7 было рассчитано по результатам измерения входного сопротивления УМЗЧ (при отключенном регуляторе громкости), выполненного на экземпляре, для которого R2опт=750 кОм. Оказалось, что в диапазоне частот 50...15 000 Гц входное сопротивление ИС превышает 30 МОм. Иначе говоря, входное сопротивление УМЗЧ практически равно сопротивлению резистора R2 и при необходимости может быть значительно больше 50 кОм.
При конструировании стереофонического УМЗЧ может случиться, что оптимальные сопротивления резисторов R2 в левом и правом каналах окажутся разными. Для получения идентичных АЧХ выходное сопротивление предшествующего каскада в этом случае должно быть меньше сопротивления резистора R2, а емкость разделительного конденсатора С2 - такой, чтобы в канале с меньшим сопротивлением резистора не наблюдался заметный спад АЧХ на низших частотах (в большинстве случаев достаточно взять С2==0,47...1 мкФ).
УМЗЧ хорошо работает при питании от нестабилизированного источника, однако, если главным является получение максимальной выходной мощности и соответственно минимальных искажений при средней, необходимо использовать стабилизатор с выходным напряжением 17...18 В.
Следует учесть, что при работе с повышенной (до 5...6 Вт) выходной мощностью нужно обеспечить хороший отвод тепла от ИС, приняв необходимые в таких случаях меры по снижению теплового сопротивления между ее пластинами и теплоотводом. Весьма ценно то, что поскольку потенциал пластин ИС (относительно общего провода) близок, к 0, в качестве общего теплоотвода без изолирующих прокладок можно использовать металлическое шасси или другие металлические детали конструкции, соединенные с общим (минусовым) проводом и обеспечивающие эффективное рассеяние тепла.
ЛИТЕРАТУРА
1. Интегральные схемы: Справочник Б. В. Тарабрин, Л. Ф. Лунин, Ю. И. Смирнов и др.; под ред. Б. В. Тарабрина.- М.: Радио и связь, 1983.
2. Филин С. Снижение искажений в усилителях мощности на ИМС.- Радио, 1981, № 12, с. 40.
(РАДИО N 9, 1986 г., с.39-40)