Снижение помех в усилителях мощности

Журнал “РАДИО” № 4 1984г.
Д. АТАЕВ, В. БОЛОТНИКОВ

Как снизить уровень помех в тракте ЗЧ

Одним из важнейших параметров современного звуковоспроизводящего тракта является, как известно, относительный уровень помех и шумов. Чем он меньше, тем более широк динамический диапазон устройства, тем больше обеспечиваемая им верность воспроизведения сигналов звуковой частоты.

В усилителях ЗЧ помехи могут создавать электрические и магнитные поля проводов сети и трансформаторов питания; пульсации напряжений питания (фон переменного тока частотой 50 n, Гц, где n = 1,2,3 и т. д.); электромагнитные поля мощных радио- и телецентров, рентгеновских установок и т. п. устройств; затухающие автоколебания или самовозбуждение из-за неоптимальных или паразитных ОС (связь через общий источник питания, через комплексное сопротивление общих проводов устройства); собственные шумы электронных компонентов (резисторов, конденсаторов, транзисторов входных каскадов).

При расстоянии L от источника помехи до ее приемника, значительно большем λ2π (λ — δлина волны помехи), воздействие магнитной и электрической составляющих электромагнитного поля на электронное устройство учитывают в комплексе. Если же L<< λ2π, κомпоненты поля необходимо учитывать порознь, рассматривая воздействие электрической составляющей как емкостную связь между источником помехи и устройством, а магнитной — как связь через взаимную индуктивность.

Следует отметить, что какого-то единого способа борьбы с помехами не существует. Однако можно предложить комплекс мер, позволяющих в значительной степени снизить их уровень. К этим мерам относятся защита соединительных проводов, нахождение оптимального места соединения с общим проводом,экранирование узлов и каскадов, развязка по питанию и т. д. Основные источники помех и эффективность различных способов борьбы с ними указаны в таблице: знаком + отмечены наиболее эффективные способы, знаком * — способы, менее эффективные, но рекомендуемые к использованию в комплексе с остальными для достижения предельных значений относительного уровня помех.

Один из главных каналов проникания помех в тракт ЗЧ — соединительные провода, в которых возникают разного рода паразитные наводки и помехи. В основном это помехи, создаваемые магнитными полями трансформаторов и проводов сети и емкостными связями электрического поля. Для уменьшения такого рода помех соединительные провода чувствительных к наводкам цепей помещают в экранирующую оплетку, ориентируют соответствующим образом по отношению к источникам помех, соединяют с общим проводом в строго определенных точках.

Источник помехи	Способ уменьшения помех
	Экрани- рование проводов	Примене- ние витых пар проводов	Опт-ное зазамление	Разнесение и взаимная ориентация проводов	Экраниро- вание каскадов	Развязка по питанию	Выбор элементов	Выбор режима работы элементов	Ограни- чение полосы пропус- кания
Электрическое поле	+	–	+	+	+	–	–	–	+
Магнитное поле	+	+	+	+	+	–	–	–	+
Электромагнитное поле	+	+	+	+	+	–	–	–	+
Пульсации источника питания	–	–	–	–	–	*	+	+	–
Конечное внутреннее сопротивление источника питания	–	–	–	+	–	–	+	–	–
Конечное волновое сопротивление проводов питания	–	–	–	–	–	+	+	–	–
Паразитная обратная связь	–	–	–	+	–	+	–	–	+
Самовозбуждение (затухающее)	–	–	–	+	–	+	*	*	+
Собственные шумы элементов	–	–	–	–	–	–	+	+	+

Механизмы воздействия на провода магнитных и электрических полей, как уже отмечалось, различны. Так, при воздействии электрического поля наведенное на проводник (за счет емкостной связи между ним и проводом-источником) напряжение помехи uпэ описывается выражениемм м uпэ = jωRCu, γде ω=2πf (f — χастота сигнала помехи), R — сопротивление цепи-приемника относительно общего провода, С — емкость между взаимодействующими проводниками, u — напряжение в цепи источника помехи. Очевидно, что поскольку ни напряжение u, ни его частоту f изменить нельзя, снизить наведенное напряжение помехи uпэ можно только уменьшением емкости С ( разнесением проводов, их взаимной ориентацией или экранированием) и шунтированием сопротивления R цепи-приемника достаточно малым сопротивлением.

При наличии мешающего магнитного поля напряжение помехи uпи в проводе-приемнике определяется выражением uпи =jωMi, γде М — коэффициент взаимной индуктивности цепей, i — ток в проводнике-источнике. Как видно, единственный путь снижения напряжения помехи в данном случае — уменьшение взаимной индуктивности. Достичь этого можно также разнесением проводов, их ориентацией и, кроме того, применением в цепях источника и приемника помехи витых пар проводов (магнитные поля в этом случае взаимно компенсируются). Следует отметить, что уменьшение входного сопротивления цепи-приемника при магнитной связи с цепью-источником не снижает напряжения помех, как это имеет место при связи через электрическое поле.

Для защиты от электрического поля экранирующую оплетку провода необходимо соединить с общим проводом устройства только в одной точке, а для защиты от магнитного поля — в двух: в непосредственной близости от источника и приемника помехи. Выполнить эти противоречивые требования можно, если провода соответствующих цепей свить вместе и поместить в общую экранирующую оплетку. Следует учесть, что с общим проводом устройства ее можно соединить только в одной точке.

В качестве примера практической реализации мер по защите от электрических и магнитных полей на рис. 1 показана схема соединений стереофонической магнитной головки звукоснимателя со входом предусилителя-корректора. При такой схеме соединений помехи от электрических полей практически полностью исключаются, а магнитные наводки ослабляются примерно на 70 дБ.

Хороший результат дает соединение экранирующих оплеток и сигнальных проводов в одной точке, выбранной таким образом, чтобы токи помех не проходили с оплетки на общий провод устройства через подлежащий соединению с ним сигнальный провод (на рис. 1 — это точка Б). Во избежание соединения оплетки с общим проводом в непредусмотренных местах поверх нее рекомендуется надеть трубку подходящего диаметра из изоля ционного материала.

Применение для передачи слабых сигналов экранированных витых пар проводов хорошо защищает и от электромагнитных полей, поскольку любой ток, протекающий через оплетку, наводит в обоих проводниках одинаковые напряжения взаимно уничтожающие друг друга. Эффективность экранирования витой пары проводов растет с увеличением числа витков на единицу длины.

Для соединения общих, проводов сигнальных цепей узлов и блоков с общим проводом усилителя ЗЧ в целом используют схемы, приведенные на рис. 2. Первая из них (рис. 2,а) — схема последовательного соединения — проста в реализации, но применять ее не рекомендуется, так как возвратные токи I1— IN , текущие через провода, соединяющие функциональные узлы А1—AN с общим проводом устройства, создают на их сопротивлениях Z1—ZN (в общем случае комплексных) падения напряжения. В результате потенциалы общих шин узлов оказываются не равными 0, и между узлами возникает перекрестная связь, являющаяся во многих случаях причиной неустойчивой работы всего устройства. Схему последовательного соединения можно использовать только для узлов с очень малым и стабильным потреблением мощности, причем в этом случае наиболее чувствительный каскад (А1) следует подключать непосредственно к общему проводу усилителя.

Радиальное соединение общих шин функциональных узлов с общим проводом устройства (рис. 2,6) свободно от недостатков последовательного, поэтому наиболее желательно в усилителях ЗЧ, особенно в силовых цепях с очень большими колебаниями потребляемой мощности. Эти сильноточные цепи необходимо отделять от слаботочных (использовать общий провод сильноточных цепей одновременно и в качестве общего провода сигнальной цепи недопустимо). В высококачественном усилителе ЗЧ должно быть, как минимум, три общих провода (рис. 3), соединять которые вместе можно только в одной точке, выбранной достаточно близко к наиболее чувствительному узлу.

Для того чтобы провода, соединяющие узлы с общим проводом устройства обладали малым сопротивлением Z и не создавали существенных полей, их длина должна быть меньше ?/20. На звуковых частотах это условие всегда выполняется, поэтому соединение с общим проводом в нескольких точках в усилителях ЗЧ не требуется, что, кстати, исключает образование замкнутых контуров общего провода, чувствительных к магнитным полям и разности потенциалов в точках соединений. Об этом, в частности, надо помнить и при разработке печатных плат.

Усилители ЗЧ обычно собирают на металлических шасси, являющихся несущим элементом конструкции. Из-за наличия стыков и соединений сопротивление шасси может быть довольно большим, поэтому использовать его в качестве возвратного провода сильноточных. а тем более слаботочных цепей ни в коем случае нельзя. Соединять шасси с общим проводом усилителя следует только в одной точке, используя для этого пайку или сварку (резьбовое соединение недостаточно надежно). Между деталями составного шасси должен быть обеспечен надежный электрический контакт.

Особого внимания заслуживает соединение с общим проводом экранов переменных резисторов, используемых для регулирования громкости, стереобаланса и тембра. В высококачественной радиоаппаратуреSQRпуса и экраны переменных резисторов должны быть изолированы от металлического шасси, а ручки управления — изготовлены из изоляционного материала. Соединять резисторы с каскадами усилителя следует в соответствии со схемой, показанной на рис. 4. Если сигнальная цепь соединена с общим проводом только на входе следующего за регулятором каскада, экранирующие оплетки витых пар проводов необходимо соединять с ним в этой же точке. Если же с общим проводом соединены и источник (предшествующий регулятору каскад), и приемник сигнала (как это показано на рис. 4), экранирующую оплетку необходимо “заземлить” с обоих концов. Из-за образования замкнутого контура общего провода эффективность защиты от магнитных полей в этом случае понизится до 25….27 дБ.

О последствиях, вызываемых замкнутыми контурами общего провода, следует помнить и при использовании для межкаскадных соединений штепсельных разъемов: если через разъем предполагается пропустить несколько экранированных проводов, для каждой экранирующей оплетки необходимо предусмотреть отдельный контакт. Для предотвращения касания оплеток разных проводов между собой и с металлическими деталями шасси их следует заключить в полиэтиленовые или поливинилхлоридные трубки. Во всех случаях длина проводов, выходящих за пределы экранирующей оплетки, должна быть минимальной.

Все сказанное в первой части статьи о соединениях общих проводов слаботочных (сигнальных) и сильноточных цепей иллюстрирует риге. 5, на котором изображена схема подключения узлов псевдоквадрафонического усилителя ЗЧ. Здесь 1—А1 и 2—А1 — предусилителикорректоры магнитного звукоснимателя, 1— Z1, 2— Z1 и 1— Z2, 2— Z2 — соответственно ФВЧ и ФНЧ, 1—А2 и 2—А2 — нормирующие усилители, 1—АЗ и 2—A3 — темброблоки, 1—А4—4—А4 — усилители мощности, 1—А5 — 4—А5 — устройства их защиты, 1—Р1—4—P1 — измерители уровня выходного сигнала, А1— синтезатор псевдоквадрафонического сигнала или декодер системы АВС, G1—источник питания.

Во всех узлах, кроме устройств защиты и измерителей уровня сигнала, предусмотрены отдельные общие провода для сигнальных и силовых цепей. Общие провода сигнальных цепей наиболее чувствительных к помехам узлов “заземлены” с помощью двух проводов (узлы 1—А1, 2—А1, 1Z1, 2Z1, 1Z2, 2—Z2 подключены к одному из них, а 1—А2, 2—А2, 1—АЗ и 2—A3 — к другому) . Силовые цепи этих узлов и синтезатора А1 соединены с точкой “заземления” на выходе источника питания G 1 отдельным проводом. Отдельными проводами соединены с ней общие провода сигнальных цепей синтезатора и усилителей мощности, общие шины силовых цепей измерителей уровня сигнала, устройств защиты каждого из усилителей мощности, а также выводы экрана трансформатора питания и шасси (к нему подключают защитное заземление).

С целью уменьшения наводок от магнитных и электрических полей функциональные узлы с большим коэффициентом усиления (например, предусилителькорректор. усилитель воспроизведения магнитофона) желательно поместить в металлический экран. Следует иметь в виду, что в диапазоне звуковых частот защитить узел от магнитного поля труднее, чем от электриче ского. Ослабление магнитного поля обусловлено на этих частотах в основном потерями в материале экрана, поэтому его необходимо изготовить из достаточно толстого листового металла с низким магнитным сопротивлением (при толщине, равной глубине скинслоя, ослабление поля составляет примерно 9 дБ). В электрических полях звукового диапазона частот экранирование обусловлено, главным образом, отражением, поэтому для защиты от них необходим экран из хорошего проводника (медь, латунь и т. п.). Компромиссные результаты при наличии магнитных и электрических полей дает применение стальных экранов.
В некоторых случаях нужного эффекта добиваются применением сложных, двойных экранов: наружного — из меди или латуни и внутреннего — из стали или пермаллоя.

Выбирая способ “заземления” экрана, необходимо помнить, что при неправильном подключении к общему проводу изза паразитных емкостей, образованных экраном и входными и выходными цепями каскада, последний может самовозбудиться. Чтобы этого не случилось, паразитную обратную связь через конденсаторы C1Э—СЗЭ (рис. 6) необходимо устранить, подключив экран к общему проводу каскада, даже если его потенциал отличается от потенциала общего провода устройства в целом.

Особое внимание при разработке усилительного тракта необходимо уделить источнику питания и его связям с функциональными узлами.

В идеальном случае источник питания это генератор ЭДС, т. е. источник с нулевым внутренним сопротивлением. Однако на практике любой источник питания имеет конечное внутреннее сопротивление, через которое могут образоваться нежелательные связи между каскадами. Эти связи возрастают изза наличия соединительных проводов, сопротивление которых также конечно. Одновременно эти соединительные провода, как и провода сигнальных цепей, подвержены влиянию электрических и магнитных полей и здесь применимы те же способы борьбы с помехами, что и описанные выше.

Для исключения связи каскадов через источник питания и дополнительного сглаживания пульсации часто используют развязывающие RC- и (реже) LC-фильтры. Применение RC-фильтра ведет к уменьшению напряжения питания защищаемого каскада, поэтому хорошей фильтрации удается достичь только во входных каскадах, где снижение напряжения питания вполне допустимо, так как они усиливают слабые сигналы. Развязывающие фильтры одновременно исключают появление на проводах питания падения напряжения усиливаемого сигнала, которое может стать причиной самовозбуждения усилителя ЗЧ.