Улучшение параметров ИМС КМ551УД2 в усилительных трактах ЗЧ

Если у вас в барахолке залежались интегральные микросхемы (ИМС) отечественного производства из советского прошлого типа КМ551УД2 или КР551УД2, то не спешите от них избавляться, считая, что они морально и технически устарели. Даже на сегодняшний день этот вполне приличный сдвоенный малошумящий операционный усилитель даст фору китайскому ширпотребу, а при несложной доработке очень хорошо впишется в узлы звуковой аппаратуры высокого качества.

Совпром выпускал данную ИМС в двух модификациях КМ551УД2А и КМ551УД2Б, которые отличались друг от друга уровнем шума и входным синфазным напряжением. Напряжение шума приведённое ко входу для КМ551УД2А составляет 1 мкВ, а для КМ551УД2Б этот показатель не нормировался.

Интегральная схема 551УД2 (рис. 1) представляет собой два операционных усилителя (ОУ) с внешней частотной коррекцией и общей цепью смещения. Усилители построены по трёхкаскадной схеме с эмиттерным повторителем на выходе. Первые два каскада – дифференциальные с генераторами стабильного тока, третий каскад – каскад усиления напряжения (КУН), выполненный на составном транзисторе и включенном по схеме с общим эмиттером. Включение ОУ с цепями коррекции при различном усилении показано на рис. 2.

Как известно, основной вклад шумовой ЭДС даёт первый каскад, значительно меньше шумит второй каскад и последующие. Поэтому первый каскад стараются сделать самым малошумящим и обладающим наибольшим усилением. Разработчики данной ИМС удачно применили в первом каскаде симметричный дифференциальный каскад (ДК), нагрузка с которого снимается с обоих коллекторов транзисторов. Такой симметричный ДК имеет уровень шума на 3 дБ (в 1,41 раза) ниже, чем несимметричный ДК с выходом сигнала с одного из коллекторов транзисторов.

Применение трёх каскадов усиления по напряжению даёт ОУ коэффициент усиления, равный согласно справочнику 5000 раз или 74 дБ. По сравнению с современными ОУ это может показаться мало, но как показываёт личный опыт для построения качественных трактов звуковой аппаратуры этого вполне хватает. Например, чтобы построить хороший усилитель с низким показателем нелинейных искажений глубина общей отрицательной обратной связи (ООС) должна быть 50-60 дБ. Известно, что чем больше глубина ООС, тем лучше частотные характеристики усилителя, шире полоса пропускания, лучше линейность АЧХ и ФЧХ, меньше искажения, ниже выходное сопротивление, стабильнее коэффициент усиления. Но для увеличения глубины ООС нужно увеличить внутрипетлевое усиление, а для этого требуется применить достаточно высокочастотные транзисторы с большим усилением или многокаскадную схему. Однако избыточная глубина ООС может ухудшить динамические характеристики усилителя, привести к потере устойчивости и самовозбуждению на высоких частотах. Связано это с тем, что большое число каскадов усиления вносит значительные задержки сигнала на выходе. На входе же усилителя, охваченного цепью ООС, получается фазовый сдвиг между входным и выходным сигналом, в результате чего первый каскад после подачи на него сигнала (меандра) некоторое время становится перегруженным по амплитуде и входит в зону ограничения. Затем отстающий выходной сигнал суммируется в противофазе с входным сигналом, и усилитель входит в рабочий режим. На выходе усилителя в этом случае наблюдается короткий всплеск с затухающими колебаниями (перерегулирование) (рис. 3), который имеет огромное число гармоник во всём спектре звукового диапазона. Этот эффект отмечается слушателем как “размазанные высокие тарелочек”, ухудшение “прозрачности” и “чистоты”. Существуют два способа борьбы с этим недугом. Первый – сократить время прохождения сигнала по всему тракту, применив высокочастотные транзисторы и ускоряющие цепи, или сократив число каскадов, второй – сделать более инертным входной каскад с завалом фронта, понизив частоту среза, что ухудшает частотные и динамические характеристики усилителя в целом. На практике применяются оба способа.

Самый значительный источник нелинейных искажений всех ОУ – это выходной двухтактный каскад, работающий в режиме B или AB. При недостаточном смещении переходов база-эмиттер и токе покоя он создаёт искажения типа “ступенька”. К тому же в силу несовершенства технологий производства интегральный транзистор структуры p-n-p обладает несколько худшими частотными и усилительными свойствами. Также нелинейные искажения сильно зависят от нагрузки. В литературе описываются два основных способа снижения искажений выходного каскада. Первый – это перевод интегрального n-p-n транзистора в режим работы A путём нагружения ОУ на генератор тока или активное сопротивление в несколько десятков килоом, практически исключая из работы p-n-p транзистор. Второй способ – это умощнение выходного каскада ОУ дополнительным усилителем типа эмиттерного (истокового) повторителя с динамической нагрузкой либо “параллельным” двухтактным эмиттерным повторителем, предложенным Ю. Солнцевым.

Из выше изложенного подведём итог. Для улучшения параметров подопытной ИМС КМ551УД2 нужно перевести выходной каскад либо в режим A, либо снизить на него нагрузку, применив дополнительный буферный усилитель, а лучше полностью избавится и использовать внешний более мощный и высокочастотный выходной каскад на дискретных элементах, которые можно подобрать самостоятельно и настроить наилучшим образом всю схему.

Как видно из принципиальной схемы ИМС (рис. 1) выводы 2 и 12, предназначенные для подключения конденсатора внешней коррекции, можно использовать для снятия сигнала со второго дифференциального каскада, а, следовательно, можно собрать внешний каскад усиления напряжения и выходной двухтактный каскад усиления тока взамен типовым. Именно такая идея и была воплощена и опробована мной (см. рис. 4).

По сути, от подопытной микросхемы остались лишь два входных дифференциальных каскада с согласованными парами транзисторов, а остальные каскады стали внешними. Цепи коррекции для ДК остались прежними, номиналы их элементов для различных значений коэффициента усиления напряжения также типовые (см. рис. 2). Типовая цепь коррекции каскада усиления напряжения исключена (конденсатор между выводами 1(13) и 2(12)), при этом добавлена общая цепь коррекции С2 (см. рис. 4). Внешний КУН выполнен на малошумящем транзисторе VT1 типа КТ3107Д с большим коэффициентом усиления (β = 300…500) и нагруженным на генератор стабильного тока (ГСТ) на полевом транзисторе VT2 марки КП303В. Ток ГСТ настраивается резистором R7 в цепи истока VT2 на уровне 2 мА, контролировать который можно по величине падения напряжения 0,36 В на резисторе R5. Двухтактный выходной каскад собран на комплементарной паре транзисторов VT3 и VT4 марок КТ3102Д и КТ3107Д. Разброс параметров данных транзисторов не должен превышать 20%. Ток покоя выходного каскада задаётся цепочкой смещения VD1VD2R6 на уровне 5 мА. Контролировать ток покоя можно по падению напряжения на эмиттерных резисторах R8 и R9, которое должно составить 50 мВ на каждом.

В результате такой доработки ОУ были получены следующие показатели. Расширилась полоса пропускания с 200 до 400 кГц, синусоида не искажена на осциллограмме при этом. Частота среза по уровню -3дБ также возросла с 400 до 600 кГц. Единичная частота усиления аналогично выросла с 1,1 до 1,7 МГц. Доработанный ОУ прекрасно усиливает меандр частотой до 100 кГц (рис. 5), на осциллограмме нет всплесков и подвозбудов, которыми страдают “операционники” с усилением 100 дБ и более. Имеется лишь незначительный уклон фронта единичного импульса, что говорит о некоторой инертности входных каскадов, которая заложена проектировщиками для устранения режима ограничения. Корректировка формы меандра осуществляется конденсатором C2 в цепи общей ООС (см. рис. 4). Скорость нарастания выходного сигнала составила 4 В/мкс. Время переходного процесса (отклик на единичный импульс) – 2 мкс. Другим достоинством доработки стоит отметить улучшение нагрузочной способности. При выходном действующем напряжении 6В ОУ способен работать на нагрузку 300 Ом. Очевидно, что следует ожидать и снижение коэффициента гармоник менее 0,01%, но замер его не производился.

Дальнейшие изыскания по улучшению характеристик ОУ КМ551УД2 привели к варианту исполнения внешнего каскада усиления напряжения на каскоде (рис. 6). Ток КУН немного был увеличен до 3,5 мА, в каскоде применены высокочастотный транзистор VT1 марки КТ3128А, включенный по схеме с общим эмиттером и транзистор VT2 – супер-бета марки КТ3107Д, включенный по схеме с общей базой со следящей связью смещения на диодах VD1-VD3. Выходной каскад и генератор тока остались прежние. Такая доработка вдвое улучшила частотные и динамические характеристики усилителя. Ширина полосы пропуская без искажения синусоиды расширилась до 1 МГц, частота среза по уровню -3 дБ, но уже с некоторыми искажениями составила 2,2 МГц, частота единичного усиления выросла до 3,1 МГц, скорость нарастания выходного сигнала увеличилась вдвое до 8 В/мкс (см. рис. 7), время переходного процесса (время отклика на единичный импульс) не превышает 1 мкс.

ЛИТЕРАТУРА

1. В. Шадров. КМ551УД2 в трактах ЗЧ – Радио, 1984 г., №4, с. 48-50.
2. Н. Е. Сухов, С. Д. Бать, В. В. Колосов, А. Г. Чупаков. Техника высококачественного звуковоспроизведения – К.: Техника, 1985. – 160 с., ил.
3. Снижение искажений интегральных ОУ. – Радио, 1985 г., №6, с. 62.
4. А. Зызюк. Предварительный усилитель с темброблоком. – Радио, 1998 г., №8, с. 20-21.
5. Ю. Солнцев. Высококачественный предварительный усилитель – Радио, 1985 г., №4, с. 32-35.
6. В. Андреев. Предварительный усилитель. – Радио, 2007 г., №6, с.23.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• ОУ