ПРАКТИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ ПОДАВЛЕНИЯ ПОМЕХ И ШУМОВ В УСИЛИТЕЛЯХ ЗЧ

ИСТОЧНИКИ ПОМЕХ

Одним из основных качественных показателей усилителя 34 являет­ся динамический диапазон. Переменное звуковое напряжение, поступающее на вход усилителя, представляет собой ряд гармонических составляющих сигнала с различными амплитудами, величины которых изменяются в соответствии о изменением громкости и тембра передаваемого звука. Максимальная мощность звуковых колебаний, воспринимаемых человеческим ухом, в 10¹² раз больше минимальной мощности, определяемой порогом чувствительности уха на средних звуковых частотах, т. е. динамический диапазон мощности, воспри» нимаемой слушателем, составляет:

Д=10 lg(Р_mах/Р_min)=120дБ.

Максимальная передаваемая мощность Р_mаx ограничена искажениями, воз­пикающими в усилителях при больших амплитудах сигнала из-за нелинейное­ти элементов усилителя. Нижний уровень передаваемого динамического диа­пазона мощностей Pmin ограничивается в усилителе как его собственными шу­мами, так и всевозможными помехами внешнего и внутреннего происхождения. В идеале, для высококачественного звуковоспроизведения необходимо пол­ностью сохранить динамический диапазон в 120 дБ. На практике это оказы­вается весьма сложно и степень приближения динамического диапазона к 120 дБ может служить критерием совершенства усилительного устройства. Ес­ли достижение максимальной передаваемой мощности Р_max больше определя­ется схемотехническими решениями, то в достижении минимального значения Pmin большую роль играют как конструктивные решения, так и выбор спе­циального режима работы и типов радиоэлементов, а также правильная ор­ганизация системы заземления усилителя.

В усилителях 34 основными источниками помех являются; ближние элект­рические и магнитные поля (сетевые провода, трансформаторы и т. п.); пуль­сация источников питания (фон с частотой 50, 100, 150 Гц); внешние источ­ники дальнего электромагнитного поля (мощные радиостанции, рентгеновские установки и т. п.); затухающие колебания или самовозбуждение из-за неоп­тимальных или паразитных обратных связей [связь через общий источник пи­тания, через полное сопротивление заземления); собственные шумы электрон­ных компонентов (в основном входных резисторов и транзисторов).

Если расстояние L от источника помехи до приемника помехи значитель­но больше Л/2п=Л/6, то компоненты магнитного и электрического поля внеш­него электромагнитного поля воздействуют на него комплексно, в случае же, когда 1<Л/6, компоненты поля учитываются порознь. Воздействие электричесского поля рассматривается в виде емкостной связи источник — устройство, с магнитного — в виде связи через взаимную индуктивность.

Следует указать, что единого метода борьбы с помехами не существует. Но можно предложить комплекс мер, позволяющих во многом устранить вред­ное действие помех на усилитель 34. К ним относятся:

защита проводов;

за­земление;

экранирование узлов;

развязка каскадов по питанию и т. д.

Таблица 5

В табл. 5 приведен перечень основных источников помех и методы их подавления. Там же указана результативность отдельных методов для раз­личных источников помех. Следует отметить, что взаимосвязь между источни­ками помех и способами их подавления довольно сложная, требующая учете многих факторов. Поэтому в табл. 5 плюсам отмечены те способы, которые наиболее эффективны в подавлении соответствующих помех, звездочкой — сла­бо подавляющие указанные помехи.

ЗАЩИТА ПРОВОДОВ

Один из основных каналов проникновения помех в усилитель ЗЧ — соеди­нительные провода, в которых возникают разного рода паразитные наводки в помехи. В основном это помехи, создаваемые магнитными полями трансфор­маторов и проводов питания и емкостными связями между проводами. По­этому необходимо защищать соединительные провода от воздействия на ни» этих полей.

Существуют три основные способа защиты проводов! экранирование, з«-вемление и соответствующая ориентация проводников.

Воздействие магнитного и электрического полей на проводники, с точки зрения возникновения в них помех, различно. Так, при воздействии магнитного поля напряжение помехи U_п.м, возникающей в проводнике — приемнике, опи­сывается уравнением;

U_пм=jwMl₁,

где М — коэффициент взаимной индуктивности двух цепей проводника-источ­ника помех и проводника-приемника помех; I₁ — ток в проводнике-источнике, создающем помехи.

Наличие угловой частоты w = 2пF указывает на то, что связь между це­пями пропорциональна частоте F. Коэффициент М, а соответственно, и значе­ние магнитной помехи U_м.м можно уменьшить, разнося цепи в пространстве, либо применив в них витую пару проводов, либо путем соответствующей ори­ентации этих цепей. Применение витых пар в цепях источника помех и при­емника помех приводит к тому, что магнитные поля взаимно компенсируются.

При воздействии электрического поля наведенное из-за емкостной связи между проводниками напряжение от проводника-источника в проводнике-при­емнике U_H.Э равно:

U_нэ = jwRC₁₂U₁.

Значение наведенной помехи прямо пропорционально частоте источника помех w = 2пF, сопротивлению R цепи-приемника помехи относительно земли, емкости Си между проводниками и напряжению U1. Так как напряжение U₁и частоту F изменить нельзя, то емкостную связь можно уменьшить шунтиро­ванием цепи-приемника малым сопротивлением R и уменьшением емкости Си за счет разнесения и ориентации проводников или их экранирования.

Следует отметить, что уменьшение входного сопротивления приемника по­мехи в случае магнитной связи не снижает наводки, как это имеет место при связи через электрическое поле.

Для защиты сигнальных цепей от электрических помех экранирующую оп-.летку необходимо заземлять в одной точке, чтобы исключить протекание по ней токов наводки, а для экранировки от магнитных полей оплетку необходи­мо заземлять в двух точках: непосредственно у источника и у приемника. При этом возвратный ток, текущий по оплетке в обратном направлении, бу­дет компенсировать магнитные наводки. Эти противоречивые требования мо­гут быть разрешены, если применить витые пары проводников (в общем экра­не). При этом экранирующая оплетка не должна использоваться для передачи сигнала и один из ее концов должен быть изолирован от общего провода. Хорошей разводкой слаботочных сигналов (например, связь между магнитной головкой звукоснимателя и входом предусилителя — корректора) можно счи­тать вариант, показанный на рис. 97. Такой способ экранировки проводников почти полностью исключает электрические помехи и на 70 дБ ослабляет маг­нитные наводки.

Хороший результат дает соединение экранирующей оплетки и общего про­вода сигнальных цепей в одной точке, причем в такой, чтобы токи помех не могли проходить с экрана на землю через общий провод сигнальной цепи. Эта точка, как видно из рис. 97, находится на общем проводе усилителей (точка А). Во избежание замыкания экранирующих оплеток вне предусмотрен­ной точки их необходимо изолировать.

Рис. 97. Схема соединения головки звукоснимателя с входом предусилителя-кор­ректора

Разводка слаботочных сигналов в экранированной витой паре также хоро­шо предохраняет эти цепи от электромагнитных наводок, так как любой ток, протекающий через экран, наводит через взаимную индуктивность в обоих внутренних проводниках равные напряжения, взаимно уничтожающие друг друга. Следует отметить, что эффективность экранирования витой пары растет при увеличении числа витков на единицу длины.

В усилителях 34 для общих проводов сигнальных цепей можно применять два вида заземления: последовательное и радиальное (рис. 98). Последователь­ное соединение общих проводов сигнальных цепей разных узлов представляет собой самый простой и в то же время наиболее нежелательный вариант. В этом случае появляется перекрестная связь между каскадами в результате протекания возвратных токов через последовательно соединенные полные соп­ротивления заземляющих проводников, из-за чего потенциалы общего провода в каждом функциональном узле (ФУ) отличны от нуля. Это вызывает про­никновение внутренних помех и часто является причиной неустойчивой рабо­ты всего устройства. Однако этот вариант простой и поэтому является наибо­лее распространенным. Для этой системы в ФУ выделяют цепи с очень ма­лым и стабильным потреблением мощности и далее их общие провода вклю­чают последовательно. Причем в такой системе наиболее чувствительный кас­кад (ФУ1) надо располагать как можно ближе к точке первичного заземле­ния, так как она имеет наиболее близкий к нулю потенциал. Общие провода силовых цепей разводят радиально, объединяя их в точке первичного зазем­ления.

Рис. 98. Последовательное (с) и радиальное (б) соединение сигнальной «земли» в одной точке

ЗАЗЕМЛЕНИЕ

Правильное заземление — основной путь уменьшения помех и наводок. Шина «Земля» — это эквипотенциальная поверхность, потенциал которой яв­ляется опорным уровнем для отсчета напряжения в любом узле или устрой­стве. Функции шины «Земля» выполняют общие провода сигнальных и сило-зых цепей. Для правильной прокладки общих проводов требуется, во-первых, »-;«шшизировать напряжение помех, возникающих при прохождении токов от двух или более источников через общее сопротивление общих проводов; во-вто­рых, исключить образование контуров заземления, весьма чувствительных к магнитным полям и разности потенциалов земляных шин.

При решении проблем прокладки общих проводов надо помнить, что все соединительные проводники имеют конечное сопротивление, состоящее из ак­тивной и реактивной (емкостной и индуктивной) составляющих (R, L и С) и что разнесенные в пространстве точки заземления практически не имеют оди­накового потенциала. Поэтому в усилителях 34 общий провод цепи питания не должен использоваться в качестве общего провода сигнальной цепи. Для высококачественной аппаратуры требуются, как минимум, три раздельные це­пи общего провода (рис. 99). Их следует соединять вместе только в одной точке. Она должна быть выбрана близко к наиболее чувствительному узлу зсего устройства.

Способ радиального соединения общих проводов наиболее желательно ис­пользовать в усилителях 34, поскольку отсутствует перекрестная связь между каскадами. Однако он механически громоздок и используется в цепях питания з очень большим разбросом потребляемой мощности. Эти сильноточные цепи необходимо отделять от слаботочных. Чтобы заземляющие провода имели низ­кое сопротивление и не являлись источниками излучений, они должны иметь длину меньше чем 0.05А. На низких частотах это условие всегда удовлетворя­ется, в связи с чем заземление в нескольких точках, как это часто практику­ется, здесь не требуется. Это исключает образование контуров заземления, чувствительных к магнитным помехам и разности потенциалов в точках за­земления. При разводке общих цепей питания на печатных платах и общего провода сигнальных цепей надо внимательно следить за тем, чтобы не обра­зовывались замкнутые контуры.

Усилители 34 монтируют на металлических шасси, являющихся несущей частью конструкции. В целях безопасности они должны быть заземлены. Из-за наличия стыков и соединений их сопротивление может оказаться значительным, что приведет к появлению помех. Корпус ни в коем случае нельзя использо­вать в качестве общего провода сило­вых и тем более сигнальных цепей. Его соединяют с общим проводом только в одной общей точке. Это соединение должно выполняться лайкой или свар­кой, так как резьбовое соединение не­устойчиво. Надо обратить внимание ча все стыки в шасси, они должны быть обеспечены надежным соединением.

Рис. 99. Схема выполнения заземле­ния в усилителе ЗЧ

Рис. 100. Схема разводки сигналов с переменным сопротивлением в цепи

Особо надо подчеркнуть способы за­земления экранов переменных резисторов: регуляторов громкости, баланса и регулировки тембров. Прежде всего в высококачественной аппаратуре корпуса всех указанных переменных резисто­ров должны быть изолированы от шасси усилителя. Ручки, устанавливаемые на их оси, должны быть изготовлены из изоляционного материала. Соединения следует выполнять витой парой в общем экране. Экраны резисторов и прово­дов надо заземлять так, как показано на рис. 100.

Если сигнальная цепь имеет отдельную точку заземления, экраны витых пар следует заземлять в одной точке, которая должна быть подключена к об­щей точке приемника сигнала (точка 2). Это удается выполнить, если источ­ник сигнала не заземлен. Если же заземлены и источник, и приемник (как показано на рис. 100), то экран надо заземлять с обоих концов. Но при та­кой экранировке устойчивость к магнитным помехам падает (ослабление сос­тавляет 27 против 77 дБ). Если ослабление помех недостаточно, то требуется разорвать контур заземления, используя трансформаторы, оптроны или диф­ференциальные усилители.

Во всех случаях в диапазоне частот до 1 МГц необходимо стремиться заземлять экран в одной точке. Если это не выполняется, то по экрану будут протекать большие токи с частотой сети и вносить фон в сигнальную цепь, Заземление в одной точке также устраняет контур заземления и связанные в ним магнитные наводки. Поэтому, если к разъему подводится несколько эк­ранированных проводов, то каждый экран присоединяют к отдельному кон­такту, иначе образуются контуры заземления, и токи, проходящие через эк­ран, будут протекать между экранами различных витых пар. В тех случаях, когда слаботочные цепи экранируют и делают заземление в одной точке, не­обходима изоляция экрана.

Рис. 101. Схема заземления псевдоквадрафонического усилителя ЗЧ

Во всех случаях проводники, выходящие за пределы экрана, необходимо делать как можно короче.

На рис. 101 приведена схема заземления псевдоквадрафонического усилв­теля 34. Каждый ФУ выполнен в виде модуля на печатной плате, на кото­рой смонтированы два одинаковых устройства (предусилитель-корректор, фильтр, нормирующий усилитель и т. п.). На каждой из них имеются два изолированных общих провода: 1 — в сигнальной цепи, 2 — в цепи питания,

Наиболее чувствительные участки усилителя — пять входных ФУ — за­землены с использованием двух раздельных общих проводов сигнальных це­пей (корректоры и фильтры соединены с одним проводом, а нормирующий усилитель, шумоподавитель и темброблок — с другим). Цепи нитания этия узлов и квадрапреобразователя подключены к отдельному общему проводу. Общие провода сигнальных цепей квадрапреобразователя и четырех усилите­лей мощности объединены в один. Общий провод .цепи питания каждого уси­лителя мощности отдельный. Особо следует обратить внимание, чтобы вместе с ними в этот жгут не попали слаботочные провода входных цепей. Общие провода измерителей уровня и блоков защиты, как менее чувствительные, объ­единены и проложены отдельно от других. «Земля» шасси служит для под­ключения каркаса и кожуха усилителя к внешней шине. Общие провода сиг­нальных цепей и цепей питания необходимо присоединить к корпусу только в одной точке — в основном источнике питания, т. е. в сетевом выпрямителе. К этой же точке необходимо присоединить экран силового трансформатора.

ЭКРАНИРОВАНИЕ

Функциональный узел, имеющий большой коэффициент усиления (нап­ример, предусилитель-корректор), целесообразно поместить в металлический экран, чтобы исключить влияние на него внешних магнитных и электрических полей. Подходящим материалом для экрана в диапазоне звуковых частот яв­ляется сталь. Следует иметь в виду, что низкочастотные магнитные поля по­мехи труднее поддаются экранированию, чем электрические. Основные потери для магнитных полей составляют потери на поглощение в материале экрана, поэтому здесь применяются магнитные материалы с низким магнитным соп­ротивлением, имеющие достаточную толщину. Экран с толщиной, равной глу­бине скинслоя (например, на частоте 50 Гц, в стали глубина его равна 0,74 мм), обеспечивает уменьшение амплитуды внешнего поля помехи ~9 дБ

(в е раз). Для электрических полей помех звукового диапазона экранирование обус­ловлено, главным образом, отражением. Поэтому здесь необходимо использовать экран из хорошего проводника (медь, ла­тунь и т. п.). Применение стальных экра­нов в аппаратуре, работающей в диапазоне звуковых частот, является компромиссным решением.

Рис. 102.Схема подключения экрана к «земляной» шине

Следует иметь в виду, что при не-правильном подключении экрана к зем­ляной шине, паразитные емкости образуют цепь обратной связи с выхода на вход, и каскад (узел, устройство) может самовозбудиться. Единственно пра­вильное подключение экрана, которое исключает эту нежелательную обратную связь, — подключать экран к общему выводу усилителя, даже если эта точка не имеет потенциала земли (рис. 102).