ВИБІР КОНДЕНСАТОРІВ ДЛЯ МІНІМІЗАЦІЇ СПОКУШЕНЬ В ПІДСИЛЮВАЧАХ ЗВУКУ

Багатошарові керамічні конденсатори (MLCC) надзвичайно популярні в багатьох застосуваннях завдяки їх малим габаритним розмірам і відносно низькій вартості. Конденсатори MLCC поділяються на різні класи передусім за їх температурною стабільністю. Кераміку II класу часто називають «з високим k», де k – відносна діелектрична проникність (діелектрична стала) діелектричного матеріалу між пластинами конденсатора. Діелектрична стала конденсаторів цього класу коливається від 3000 (X7R) до 18 000 (Z5U) .

Конденсатори 1 класу C0G (NP0) мають відносну діелектричну проникність у діапазоні від 6 до 200, що забезпечує високу температурну стабільність ємності.

У табл. 1 наведені значення відносної діелектричної проникності деяких поширених діелектричних матеріалів, що використовуються в конденсаторах .

У портативних пристроїв привабливо використовувати MLCC з високим k через їх невеликий розмір і вартість. Однак важливо пам’ятати, що їхня відносна діелектрична проникність дуже висока і ємність змінюється в залежності від прикладеної напруги і температури досить значно. Ця зміна ємності насамперед пов’язана з використанням великих концентрацій титанату барію в діелектриці .

Таблиця 1. Відносна діелектрична проникність діелектричних матеріалів

Особливості матеріалів та спотворення

Титанат барію за своєю природою є сегнетоелектриком, у якого при збільшенні напруженості електричного поля всередині матеріалу зменшується його відносна діелектрична проникність, що, у свою чергу, призводить до зменшення ємності. Зміна ємності під дією змінної напруги призводить до спотворення струму, що протікає через конденсатор.

Зміна ємності залежно від прикладеної напруги може бути домінуючим джерелом спотворень у області низьких частот, де імпеданс конденсатора відносно високий. На високих частотах спотворення менш помітні через нижчий імпеданс конденсатора, що призводить до незначного падіння напруги на конденсаторі.

У рекомендується зменшувати спотворення шляхом мінімізації падіння напруги на розділових конденсаторах. Один із способів зробити це – збільшити опір кола, підключеного після конденсатора. Там же наведені результати вимірювання спотворень плюс шум (THD+N), отримані за допомогою оціночного модуля АЦП TLV320ADC5140 компанії Texas Instruments з розділовим конденсатором X7R 0805 ємністю 4.7 мкФ. Цей АЦП має програмований вхідний імпеданс, який можна встановити рівним 2,5, 10 або 20 кОм. На рис. 1 показані результати вимірювань із цим конденсатором при зміні вхідного імпедансу АЦП і рівні вхідного сигналу 1 В с.к.з.

Слід зауважити, що дані на рис. 1 для частоти 10 Гц не зовсім коректні, оскільки при вхідному опорі 2.5 кОм частотна характеристика в області НЧ лінійна вище 30 Гц, а на частоті 10 Гц спад АЧХ становить 5 дБ.

Моделювання та аналіз

Перевіримо ці залежності за допомогою моделювання у програмі Multisim. На рис. 2 наведена найпростіша модель повторювача напруги з одним розділовим конденсатором на вході для дослідження залежності спотворень від опору навантаження, підключеного після розділового конденсатора.

Спотворення операційного підсилювача за відсутності розділового конденсатора, виміряні за допомогою перетворення Фур’є на частоті 20 Гц, становлять 2.64х10-11%. Спотворення ОП настільки малі, що їх можна не враховувати при аналізі спотворень, внесених розділовим конденсатором.

Однак при збільшенні опору резистора R1 слід врахувати, що вхідний струм (типове значення) дорівнює приблизно 10 мкА. Тобто максимальне значення вхідного опору не повинно перевищувати 1.2 МОм, щоб ОП працював на лінійній ділянці амплітудної характеристики.

Для перевірки використано керамічний конденсатор MLCC компанії KEMET, клас II, 10 мкФ, 6.3 В, X5R із бібліотеки MANUFACTURER CAPASITOR (рис. 3), у якій представлені моделі з реальними параметрами.

У табл. 2 наведена залежність спотворень на виході підсилювача від значення опору R3.

На рис. 4 наведений графік залежності коефіцієнта нелінійних спотворень від величини опору резистора навантаження, підключеного після розділового конденсатора.

Із отриманих результатів можна зробити висновок про те, що спостерігається нелінійна залежність спотворень від опору навантаження. Причому чим більший опір резистора навантаження, тим менші внесені конденсатором нелінійні спотворення.

При аналізі спотворень, внесених іншими типами конденсаторів, закономірність зберігається, а величина спотворень відрізняється незначно.

Таблиця 2. Залежність спотворень, внесених розділовим конденсатором, від опору навантаження на частоті 10 Гц

Частотні залежності

На рис. 5 наведені графіки залежності величини нелінійних спотворень від частоти для конденсатора MLCC ємністю 10 мкФ при опорах резистора навантаження 10 і 100 кОм.

Чи впливає величина ємності на залежність Кг від частоти при різних опорах навантаження?

Проведемо дослідження залежності від частоти величини нелінійних спотворень, внесених конденсатором MLCC ємністю 4.7 мкФ. KEMET, клас II, 4.7 мкФ, 10 В, X5R, 0603.

Таблиця 3. Залежність спотворень, внесених розділовим конденсатором MLCC ємністю 10 мкФ, від частоти сигналу при опорах навантаження 10 і 100 кОм

Таблиця 4. Залежність спотворень, внесених розділовим конденсатором MLCC ємністю 4.7 мкФ, від частоти сигналу при опорах навантаження 10 і 100 кОм

Як на рис. 5, і на рис. 6 спостерігається зростання величини нелінійних спотворень поблизу частот 1300 Гц, причому зі збільшенням ємності роздільного конденсатора це викид значно більше. Природа такого викиду не зрозуміла. А так як вимірювання нелінійних спотворень найчастіше проводять на частоті 1000 Гц, то це явище на Рис. 6 наведено графіки залежності величини нелінійних спотворень від частоти для конденсатора ємністю 4.7 мкФ при опорах резистора навантаження 10 і 100 кОм.
Як на рис. 5, і на рис. 6 спостерігається зростання величини нелінійних спотворень поблизу частот 1300 Гц, причому зі збільшенням ємності роздільного конденсатора це викид значно більше. Природа такого викиду не зрозуміла. Оскільки вимірювання нелінійних спотворень найчастіше проводять на частоті 1000 Гц, це явище у відомих автору джерелах не зафіксовано. В іншому закономірності залежності величини нелінійних спотворень від частоти схожі на дані, наведені в . Розрізняються лише абсолютні значення величини нелінійних спотворень.

Таблиця 5. Залежність спотворень, внесених розділовим конденсатором ємністю 10 мкФ і опорі навантаження 10 кОм, від частоти вхідного сигналу для конденсаторів різних типів

Вплив постійної часу

Фактично на рівень нелінійних спотворень на різних частотах впливає постійна часу розділового кола τ = R1C1. Це легко перевірити шляхом моделювання. Для прикладу проведемо аналіз величини нелінійних спотворень на частоті 1000 Гц для кола з постійною часу τ = 47 мс при двох значеннях ємності розділового конденсатора – 4.7 і 10 мкФ при опорі резистора навантаження 10 і 4.7 кОм відповідно.

Аналіз показав, що спотворення для таких значень параметрів розділового кола становлять -73.765 і -73.473 дБ відповідно. Тобто відмінності настільки незначні, що ними можна знехтувати. Причому ці відмінності зумовлені різницею параметрів конденсаторів 4.7 і 10 мкФ, хоча вони і незначні.

Вплив амплітуди сигналу

У наведені залежності величини нелінійних спотворень від амплітуди вхідного сигналу. Така залежність відсутня в межах лінійної частини амплітудної характеристики підсилювача. Для моделі на рис. 2 при амплітуді вхідного сигналу 10 мВ і 3 В спотворення на виході ОП не відрізнялися.

Порівняння типів конденсаторів

Для з’ясування питання, чи впливає тип використовуваного конденсатора на залежність величини нелінійних спотворень від частоти, проведемо моделювання з використанням різних типів конденсаторів.

На рис. 7 наведені графіки залежності величини нелінійних спотворень від частоти для конденсатора ємністю 10 мкФ різних типів при опорах резистора навантаження 10 кОм.

Як випливає з рис. 7, незалежно від типу конденсатора спостерігається залежність величини нелінійних спотворень від постійної часу вхідного кола. При постійній часу 100 мс (відповідає ємності розділового конденсатора 10 мкФ і опору резистора навантаження 10 кОм) отримати нелінійні спотворення при використанні одного розділового конденсатора менше -85 дБ неможливо. Необхідно або збільшувати ємність конденсатора, або опір резистора для зниження рівня нелінійних спотворень.

Слід пам’ятати, що при вимірюванні нелінійних спотворень на різних частотах необхідно задавати не тільки частоту генератора вхідного сигналу, але й у параметрах Фур’є-аналізу встановлювати таке саме значення частоти (Frequency resolution).

Приклад підсилювача

У підсилювачах звукової частоти, як правило, використовується не один розділовий конденсатор. Тому становить інтерес дослідити підсилювач із кількома розділовими конденсаторами. На рис. 9 наведена модель малошумного мікрофонного підсилювача, який містить 4 розділові конденсатори.

Рис. 9. Модель малошумящего микрофонного усилителя

Підсилювач має лінійну АЧХ у діапазоні від 5 Гц до 218 кГц і вносить на частоті 1 кГц спотворення 0.0061%, а на частоті 50 Гц – 1.15%. АЧХ підсилювача наведена на рис. 10.

Після заміни всіх резисторів, підключених до правих виводів конденсаторів (рис. 11), на резистори з опором 100 кОм і конденсаторів 10 мкФ на конденсатори з ємністю 1 мкФ величина нелінійних спотворень становила на частоті 1 кГц 0.0033%, а на частоті 50 Гц – 0.083%. Тобто спотворення на частоті 50 Гц зменшилися у 14 разів, що є дуже суттєвим.

Додатковий ефект

Однак при перевірці величини спотворень при зміні опорів резисторів R7 і R8 виявлено дивний ефект. При заміні опору резистора R7 на 10 кОм замість 100 кОм отримано значення нелінійних спотворень на частоті 50 Гц, рівне 0.018%, а при аналогічній заміні опору R8 – 0.059%. Після заміни опорів цих двох резисторів одночасно рівень спотворень становив 0.004%. Лінійність АЧХ зберігається в цьому випадку від 42 Гц у області низьких частот.

Отримані результати дозволяють зробити висновок про те, що для зменшення нелінійних спотворень у області низьких частот необхідно в розділових колах першого каскаду встановлювати (за можливості) резистори з якомога більшим значенням номінального опору

ЛИТЕРАТУРА
1. Zak Kaye Selecting capacitors to minimize distortion in audio applications. – Analog Design Journal, 3Q, 2020. pp. 1-5. // https://www.ti.com/lit/pdf/slyt796