Что такое клиппинг в УМЗЧ и как с этим бороться?

Схема защиты усилителя мощности от клиппинга, осуществляющая ступенчатую аттенюацию сигнала, поступающего на вход УМЗЧ

Клиппинг аудиосигнала – это форма искажений звука, которая обусловлена ограничением амплитуды выходного напряжения.
Возникает этот эффект в случае попыт­ки выжать из усилителя мощность, кото­рую он не способен выдать, по причине: ограничения напряжения питания, осо­бенностей схемотехники или по каким-либо иным причинам.
На слух лёгкое клиппирование определить довольно сложно, так как искажения незначительны. При дальнейшем ограничении звук кардинально ухудшается вместе с ростом нелинейных и интермодуляционных искажений. В таком режиме под угрозой оказывается как сам усилитель, так и (в первую очередь) акустические системы. Обрезанный сигнал содержит огромное количество высокочастотных гармоник, которых не было в оригинале. Через кроссовер эти паразитные частоты, не задерживаясь, попадают на твитер, вызы­вая нагрев катушки, а так как мощность "пищалки" весьма мала, то с высокой вероятностью приводят к выходу её из строя.
Для басовиков клиппинг опасен комбинационными частотами, которые могут забраться даже в область инфразвука, и, суммируясь с исходными НЧ сигналами, достигнуть критических для динамика амплитуд.

Физически клиппинг связан с насыщением транзисторов усилителя мощности, причём, как показывает практика, первыми входят в насыщение предвыходные (драйверные) транзисторы, а затем уже выходные. В эти моменты (насыщения) срывается слежение в петле ООС, что может привести к импульсным всплескам напряжения в цепях УМЗЧ и, при игнорировании этих факторов в процессе схемотехнической разработки, вызвать выгорание усилителя.

Для того чтобы отмести все приведённые выше угрозы, необходимо не так уж и много – качественный усилитель и акустика, выдерживающая подачу удвоенной максимальной (неклипированной) мощности УМЗЧ. Удвоенной – потому что при глубоком ограничении синусоида на выходе усилителя превращается в меандр, что повышает ток в нагрузке в 1.41 раза и, соответственно, вдвое увеличивает подводимую мощность.
Поэтому – посчитали, подобрали соответствующее звуковое оборудование, подключили источник сигнала – всё, на долгие годы можно забыть о проблемах, вызванных клиппингом аудиосигнала.

Однако для любителей поэкспериментировать с аппаратурой, поиграться с различными её компонентами, а также для потребителей концертной техники совсем не лишним окажется устройство защиты от клиппинга. У концертных усилителей, где надёжность превалирует над требованиями к изысканности звука, такие цепи предусмотрены схемотехникой усилителей.
Для домашних высококлассных систем лучше не вмешиваться в тщательно проработанные силовые цепи звукового тракта УМЗЧ, а выполнить устройство защиты в отдельном малосигнальном узле. В этом случае влияние защиты на звук будет минимальным, а в идеале – практически нулевым.

Схема защиты от клиппинга, приведённая на Рис.1, осуществляет мгновенную ступенчатую аттенюацию сигнала, поступающего на вход УМЗЧ, с целью предотвратить эффект клиппирования на выходе усилителя. Схема абсолютно автономна и может работать с любым усилителем мощности.


Рис.1 Схема защиты усилителя мощности от клиппинга

Ослабление сигнала, поступающего на вход УМЗЧ, производится с помощью двунаправленных аналоговых ключей (коммутаторов) на ИМС CD4066, которые вместе с резистором R17 и R18, R19, подключаемых в определённый момент, образуют аналог цифрового аттенюатора. Уровень затухания регулируется по цифровым командам, поступающим с выходов логических элементов DD1.1 и DD1.2.
Несмотря на кажущуюся витиеватость схемы, путь аналогового сигнала от входа до выхода довольно короток – два ОУ (DA1.1 и DA1.2), включённых по схеме повторителей (обладающих минимальными искажениями), и резистивный делитель. Сопротивления ключей в открытом состоянии более, чем на два порядка ниже номиналов R18 и R19, а поэтому и уровень искажений делителя заметно ниже Кг операционников. При этом в основном рабочем режиме работы усилителя (без клиппинга) ключи закрыты и на сигнал вообще не оказывают никакого влияния.
Характеристики операционных усилителей TL072, указанных на схеме, вполне удовлетворяют требованиям, предъявляемым к аппаратуре Hi-Fi Класса, однако апологетам аудио экстрима ничто не мешает заменить их на что-то покачес­твен­нее.

А теперь рассмотрим схему формирования импульсов, управляющих работой ключей делителя.
Компараторы на DA2.1 и DA2.2 образуют двухполярное пороговое устройство, реагирующее на превышение уровней, задаваемых делителем R4, R5, R6.
DA2.1 срабатывает при превышении уровня сигнала положительной полярности, DA2.2 – отрицательной.
Уровень срабатывания, который регулируется подстроечным резистором R5, должен равняться максимальному амплитудному значению напряжения на входе УМЗЧ, за которым начинается процесс клиппирования. На практике эта точка должна быть несколько ниже начала резкого увеличения искажений. Т. е., если, предположим, рост искажений начинается при входных уровнях свыше ±1 В, то напряжение между точками А и В (на схеме) должно составлять два вольта (по 1 В на каждую полярность).

Выходы компараторов LM339 выполнены по схеме с открытым коллектором, поэтому на резисторе R9 происходит логическое сложение (операция «ИЛИ») их выходных импульсов.

Транзистор Т1 с обвесом – это пиковый детектор, имеющий очень быстрое время срабатывания и длительное время отпускания. Триггер Шмитта на DD1.1 преобразует медленно спадающие сигналы с выхода детектора в импульсы с крутыми фронтами и длительностью, которая зависит от номиналов RC-цепи R15, С6. А фактически оба этих элемента (Т1 и DD1.1) образуют расширяющий одновибратор с перезапуском. Применение транзистора в этом узле позволило обеспечить задержку срабатывания защиты около 50 мкс, однако пиковый ток в начальный момент может составлять значительную величину, что следует иметь в виду при необходимости найти замену 2N4403.
Что же касается длительности сформированного импульса, то она составляет около 0.8 сек. Именно это время будет продолжаться работа защиты после окончания перегрузки. И если в этот период входной сигнал не будет достигать уровня, приводящего к клиппингу, то по его истечении защита отключится до следующего перегруза, а если будет – то отсчёт времени начнётся заново.
Светодиод, подключенный к выходу элемента DD1.3, индицирует наличие клиппинга. В случае редких и кратковременных перегрузок он будет мигать по 0.8 сек, при продолжительных – гореть постоянно.

Итак, импульс управления ключом, отвечающим за первую ступень аттенюации входного сигнала, создан и подан на управляющий вход коммутатора DD2. Резистор R18 подключается к R17, образуя делитель напряжения, ослабляющий сигнал на 1.55 дБ (в 1.2 раза по напряжению, 1.44 раз по мощности).

Если этого окажется мало и усилитель будет продолжать клиппировать, то к работе подключается вторая ступень аттенюации на элементах DA2.3 и DA2.4, Т2, DD1.2. Она полностью идентична первой, за исключением того, что на её вход подаётся сигнал, уровень которого изначально ослаблен на те же 1.55 дБ посредством резисторов R7, R8. Здесь выход формирователя управляет вторым ключом, который подключает к делителю ещё один резистор R19, осуществляя дополнительное снижение амплитуды входного сигнала. В этом случае мы имеем общее ослабление примерно на 3.6 дБ (в 1.5 раза по напряжению, 2.25 раз по мощности).