Схемотехника выходных каскадов усилителей мощности. Умзч класса ав без тепловых искажений Технические характеристики доработанного усилителя

Транзисторный УМЗЧ с дифкаскадом (ДК) на входе традиционно строится по трех каскадной схеме: ДК входной усилитель напряжения; усилитель напряжения; выходной двух тактный усилитель тока. При этом наибольший вклад в спектр искажений вносит именно выходной каскад. Это, в первую очередь, искажения типа "ступенька", коммутационные искажения, усугубляемые наличием сопротивлений в эмиттерных (истоковых) цепях, а также тепловые искажения, которым до недавних пор не придавали должного внимания. Все эти искажения, будучи сдвинутыми по фазе в цепях отрицательной обратной связи, способствуют формированию широкого спектра гармоник (вплоть до 11 й). Это и обусловливает в ряде неудачных разработок характерное транзисторное звучание.

По всем каскадам на сегодняшний день накоплен огромный набор схемотехнических решений от простых несимметричных каскадов до сложных полностью симметричных. Тем не менее, поискирешений продолжаются. Искусство схемотехники в том и заключается, чтобы простыми решениями добиться хорошего результата. Одно из таких удачных решений опубликовано в . Авторы отмечают, что режим работы наиболее распространенных выходных каскадов с общим коллектором задается напряжением на эмиттерных переходах, которое сильно зависит как от тока коллектора, так и от температуры. Если в маломощных эмиттерных повторителях можно стабилизировать напряжение база эмиттер путем стабилизации тока коллектора , то в мощных выходных каскадах класса АВ это сделать практически невозможно.

Схемы термостабилизации с термочувствительным элементом(чаще всего транзистор) даже при установке последнего на корпусодного из выходных транзисторов инерционны и могут отслеживать только среднее изменение температуры кристалла, но не мгновенное, что приводит кдополнительной модуляции выходного сигнала. В ряде случаев схемы термостабилизации являются источником мягкого возбужденияили подвозбуждения, что тоже придает звучанию определенное окрашивание. Для принципиального решения этой проблемыавторы предложили выполнить выходной каскад по схеме с ОЭ (идея не нова, см. например ). В результате, в отличие от традиционного трех каскадного построения (каждый каскад со своей частотой среза и своим с пектром гармоник), получился всего двухкаскадный усилитель. Его упрощенная схема показана на рис.1.

Первый каскад выполнен по традиционной схеме ДК с нагрузкой в виде токового зеркала. Симметричный съем сигнала с ДК с помощью токового зеркала (встречная динамическая нагрузка) позволяет получить вдвое большее усиление с одновременным уменьшением шумов. Выходное сопротивление каскада при таком съеме сигнала достаточно высокое, что обусловливает его работу в режиме генератора тока. В этом случае ток вцепи нагрузки (базы транзистора VT8 и эмиттера транзистора VT7)мало зависит от входного сопротивления и определяется, в основном, внутренним сопротивлением источника тока. Эмиттерные токи транзисторов VT8, VT9 являются базовыми для транзисторов VT10, VT11. Генератор тока I2 и схема сдвига уровня на транзисторах VT5 VT7 задают и стабилизируют начальный ток транзисторов VT8 VT11 независимо от их температуры.

Рассмотрим подробнее работу схемы управления током выходных транзисторов. Переходы база эмиттер транзисторов VT5 VT8 образуют между выходом источника тока I2 и базой транзистора VT10 две параллельные цепи. Это не что иное, как сложный масштабный отражатель тока. Принцип работы простейшего отражателя тока основан на том, что конкретному значению тока коллектора (эмиттера) соответствует вполне определенное падение напряжения на его базо эмиттерном переходе и наоборот, т.е. если это напряжение приложить к базо эмиттерному переходу другого транзистора с такими же параметрами, то его ток коллектора будет равен току коллектора первого транзистора. Правая цепь (VT7, VT8) состоит из базо эмиттерных переходов с разными токами коллектора (эмиттера). Чтобы заработал принцип "отражателя тока" левая цепь должна быть зеркальной по отношению к правой,т.е. содержать идентичные элементы. Для того чтобы ток коллектора транзистора VT6 (он же ток генератора тока I2) соответствовал току коллектора транзистора VT8, падение напряжения на базо эмиттерном переходе транзистора VT5, в свою очередь, должно быть равно падению напряжения на базо эмиттерном переходе транзистора VT7.

Для этого в реальной схеме (рис.2) транзистор VT5 заменен составным транзистором по схеме Шиклаи. На основании выше изложенного напрашивается выполнение следующих условий:

• статические коэффициенты передачи тока транзисторов VT7, VT8, VT11 (VT12) должны быть равны;
• статические коэффициенты передачи тока транзисторов VT9 и VT10 также должны быть равны между собой, а еще лучше, если все 6 транзисторов (VT7 VT12) будут иметь одинаковые характеристики, что трудно выполнимо при ограниченном количестве транзисторов, имеющихся в наличии;
• в качестве транзисторов VT8, VT9 необходимо отобрать транзисторы с минимальным базо эмиттерным напряжением (с учетом разброса параметров), поскольку эти транзисторы работают при пониженном напряжении эмиттер коллектор;
• произведения статических коэффициентов передачи тока транзисторов VT11, VT13 и VT12, VT14 также должны быть близкими.

Таким образом, если мы хотим задать ток коллектора транзисторов VT13, VT14 равным 100 мА и имеем выходные транзисторы с h21э=25, то ток генератора тока на транзисторе VT6 должен составлять: Iк(VT6)/h21э=100/25=4 мА, что и определяет сопротивление резистора R11 около 150Ом (0,6 В/0,004 А=150 Ом).

Поскольку выходной каскад управляется выходным током ДК, общий эмиттерный ток смещения выбран достаточно большим около 6 мА (определяется резистором R6), он же определяет и максимально возможный выходной ток ДК. Отсюда можно рассчитать и максимальный выходной ток усилителя. Например, если произведение коэффициентов усиления по току выходных транзисторов равно 1000, то максимальный выходной ток усилителя будет близок к 6 А. Для заявленного максимального выходного тока 15 А коэффициент усиления выходного каскада по току должен быть соответственно не менее 2500, что вполне реально. Более того, с целью повышения нагрузочной способности ДК общий эмиттерный ток смещения можно увеличить до 10 мА, уменьшив сопротивление резистора R6 до 62 Ом.

В приведены следующие технические характеристики усилителя:

• Выходная мощность в полосе до 40 кГц на нагрузке 8 Ом- 40 Вт.
• Импульсная мощность на нагрузке 2 Ом- 200 Вт.
• Амплитудное значение неискаженного выходного тока- 15 А.
• Коэффициент гармоник на частоте 1 кГц (1 Вт и 30 Вт, рис.3)- 0,01%
• Скорость нарастания выходного напряжения- 6 В/мкс
• Коэффициент демпфирования, не менее- 250

График зависимости коэффициента гармоник при выходной мощности 1 Вт (кривая а) и при выходной мощности 30 Вт (кривая b) на нагрузке 8 Ом показан на рис.3. В комментариях к схеме утверждается, что усилитель имеет высокую стабильность, в нем отсутствуют "переключательные искажения", а также гармоники высших порядков.

Прежде чем собрать опытный образец усилителя схема была смакетирована виртуально и исследована с помощью программы Multisim 2001. Поскольку в базе данных программы не оказалось указанных в схеме выходных транзисторов, они были заменены ближайшими аналогами отечественных транзисторов КТ818, КТ819. Исследования схемы (рис.4) дали результаты, несколько отличные от приведенных в . Нагрузочная способность усилителя оказалась ниже заявленной, а коэффициент гармоник более чем на порядок хуже. Недостаточным оказался и коэффициент запаса по фазе всего 25°. Наклон АЧХ в районе 0 дБ близок к 12 дБ/окт., что также говорит о недостаточной устойчивости усилителя.

В целях опытной проверки был собран макет усилителя иустановлен в гитарный комбик рок группы "Афазия". Для увеличения устойчивости усилителя емкость коррекции увеличена до 2,2 нФ. Натурные испытания усилителя в сравнении сдругими усилителями подтвердили его достоинства и усилитель получил высокую оценку музыкантов.

Технические параметры усилителя

• Полоса пропускания на уровне 3 дБ-15 Гц-190 кГц
• Коэффициент гармоникна частоте 1 кГц (25 Вт, 8 Ом)-0,366%
• Частота единичного усиления-3,5 МГц
• Запас по фазе- 25°

Строго говоря, приведенные рассуждения по поводу токового управления выходным каскадом справедливы для усилителя с разомкнутой ООС. При замкнутой ООС в соответствии с ее глубиной уменьшается не только выходное сопротивление усилителя в целом, но и всех его каскадов, т.е. они посути начинают работать как генераторы напряжения.

Поэтому с целью получения заявленных в технических характеристик усилитель был доработан до вида рис.5, а результат его исследования приведен на рис.6. Как видно из рисунка, в схему добавлено всего два транзистора, которые образуют двухтактный гибридный повторитель класса А. Введение буферного каскада с высокой нагрузочной способностью позволило более эффективно использовать усилительные свойства ДК по напряжению и существенно повысить нагрузочную способность усилителя в целом. Увеличение усиления с разорванной ООС благоприятно сказалось и на уменьшении коэффициента гармонических искажений.

Увеличение емкости коррекции с 1 нФ до 2,2 нФ хоть и сузило полосу пропускания сверху до 100 кГц, но зато увеличило запас по фазе на 30° и обеспечило наклон АЧХ в области единичного усиления 6 дБ/окт., что гарантирует хорошую устойчивость усилителя.

В качестве испытательного сигнала на вход усилителя подавался сигнал типа "меандр" частотой 1 кГц (калибровочный сигнал от осциллографа). Выходной сигнал усилителя неимел ни завала фронтов, ни выбросов на фронтах сигнала,т.е. полностью соответствовал входному.

Технические характеристики доработанного усилителя

• Полоса пропускания на уровне 3 дБ- 8 Гц-100 кГц
• Частота единичного усиления- 2,5 МГц Запас по фазе- 55°
• Коэффициент усиления- 30 дБ
• Коэффициент гармоник на частоте1 кГц (25 Вт, 8 Ом)- 0,007%
• Коэффициент гармоник на частоте1 кГц (50 Вт, 4 Ом)- 0,017%
• Коэффициент гармоник при Ku=20 дБ- 0,01%

С целью натурных испытаний доработанного усилителя было изготовлено два образца в габаритах платы усилителя "Лорта 50У 202С" (он же "Амфитон 001") и установлено в указанный усилитель. Одновременно был доработан регулятор громкости в соответствии с .

В результате доработки хозяин усилителя полностью отказался от регулятора тембра, а натурные испытания показали его явное преимущество над прежним усилителем. Звучание инструментов стало более чистым и натуральным, сталичетче формироваться кажущиеся источники звука (КИЗ), онистали как бы более "осязаемыми". Заметно повысилась и неискаженная выходная мощность усилителя. Термостабильность усилителя превзошла все ожидания. После двухчасового испытания усилителя на выходной мощности, близкой к максимальной, боковые теплоотводы оказались практически холодными, в то время как с прежними усилителями дажев отсутствие сигнала усилитель, будучи оставленным вовключенном состоянии, достаточно сильно разогревался.

Конструкция и детали
Плата (с элементами на просвет) усилителя, предназначенного для установки в усилитель "Лорта", показана на рис.7. В плате предусмотрены места для установки диодного моста и резистора R43 из старой схемы, а также места для установки токо выравнивающих базовых и эмиттерных резисторов для спаренных выходных транзисторов. В нижней части платы зарезервированы места для установки элементов активного источника тока (АИТ) в виде отражателя тока, состоящего из токо задающего резистора сопротивлением 75 кОм с выхода УМ, двух транзисторов типа КТ3102Б и двух резисторов по 200 Ом для активного выключения нижнего плеча усилителя (в опытном образце не устанавливались). Конденсаторы С4, С6 типа К73 17. Емкость конденсатора С2 можно безболезненно увеличить до 1 нФ, при этомчастота среза входного фильтра НЧ будет 160 кГц.

Транзисторы VT13, VT14 снабжены небольшими алюминиевыми флажками толщиной 2 мм. Транзисторы VT8 и VT12для лучшей термостабилизации усилителя установлены пообе стороны общего флажка, причем транзистор VT8 черезслюдяную прокладку или эластичный тепло проводящий изолятор типа "Номакон Gs" ТУ РБ 14576608.003 96. Что касается параметров транзисторов, то они подробно оговорены выше. В качестве транзисторов VT1, VT5 можно использовать транзисторы КТ503Е, а вместо транзисторов VT2, VT3 транзисторы типа КТ3107 с любым буквенным индексом. Желательно, чтобы статические коэффициенты усиления тока транзисторов были попарно равны с разбросом не более 5%, а коэффициенты усиления транзисторов VT2, VT4 были несколько больше или равны коэффициентам усиления транзисторов VT1, VT5.

В качестве транзисторов VT3, VT6 можно использовать транзисторы типов КТ815Г, КТ6117А, КТ503Е, КТ605. Транзисторы VT8, VT12 можно заменить транзисторами типа КТ626В. При этом транзистор VT12 крепится на флажок, атранзистор VT8 на транзистор VT12. Под головку винта состороны транзистора VT8 следует подложить тексто литовую шайбу. В качестве транзистора VT10 из отечественных полевых транзисторов наилучшим образом подходит транзистор типа КП302А, 2П302А, КП307Б(В), 2П307Б(В). Желательно подобрать транзисторы с начальным током стока 7-12 мА и напряжением отсечки в пределах (0,8-1,2) В. Резистор R15 типа СП3 38б. Транзисторы VT15, VT16 можно заменить соответственно КТ837 и КТ805, а также КТ864 и КТ865 с более высокочастотными характеристиками. Плата разрабатывалась для установки спаренных выходных транзисторов (КТ805, КТ837). Для этой цели в плате предусмотрены места для установки как базовых (2,2-4,3 Ом), так и эмиттерных (0,2-0,4 Ом) токо выравнивающих резисторов. В случае установки одиночных выходных транзисторов вместо токо выравнивающих резисторов следует запаять перемычки или сразу распаять провода выходных транзисторов в соответствующие места платы. Вопытном образце оставлены "родные" выходные транзисторы, только их пришлось поменять местами.

В усилителе желательно увеличить емкости по питанию (в исходном усилителе в каждом плече по 2.2200 мкФ.50 В) Как минимум, желательно добавить в каждое плечо еще по 2200 мкФ, а еще лучше заменить конденсатором 10000мкФ. 50 В. На 50 В зарубежные конденсаторы относительно дешевы.

Налаживание
Прежде чем подключать выходные транзисторы, необходимо временно припаять на место базо эмиттерных переходов выходных транзисторов любые диоды средней мощности (например, КД105, КД106), подать питание на плату и, не подключая нагрузку, убедиться, что усилитель отрабатывает среднюю точку. Подайте на вход усилителя сигнал и убедитесь с помощью осциллографа, что на "холостом ходу" он усиливается без искажений и возбуждения. Это говорит оправильности монтажа и исправности всех элементов усилителя. Только после этого можно впаять выходные транзисторы и приступить к установкеих тока покоя.

Для установки тока покоя необходимо выставить движок резистора R15 в нижнее по схеме положение, снять предохранитель в одном из плеч усилителя и вместо него включить амперметр. Ток потребления выставляют под строечным резистором R15 в пределах 110-130 мА (с учетом тока ДК около 6 мА и тока буферного повторителя около 3-5 мА). Затем проверяют чувствительность усилителей и при необходимости корректируют резисторы ОС.

После этого можно приступать к различным исследованиям, если, конечно, позволяет оборудование лаборатории радиолюбителя. Для этой цели можно воспользоваться прямым входом усилителя, сняв с него заглушку перемычку на задней стенке усилителя.

Литература

1. Дайджест УМЗЧ//Радиохобби. 2000. №1. С.8 10.
2. Петров А. Сверхлинейный ЭП с высокой нагрузочной способностью//Радіоаматор. 2002. №4. С.16.3.
3. Дорофеев М. Режим В в усилителях мощности ЗЧ//Радио. 1991. №3. С.53 56.
4. Петров А. Доработка регулятора громкости усилителя "Лорта 50У 202С"//Радіоаматор. 2000. №3. С.10

Предлагаемый автором усилитель отличается применением комбинированной обратной связи (по току и напряжению на нагрузке), что даёт возможность выбора выходного сопротивления для конкретной АС в широком интервале - от нуля до десятков ом. Высокая линейность во всей полосе звуковых частот позволяет использовать такой УМЗЧ для широкополосного усиления звуковых сигналов при мощности более 100 Вт. Описываемый усилитель имеет довольно высококачественные параметры, способствующие хорошему звучанию, и может быть рекомендован для построения высококачественных звуковоспроизводящих систем. Возможность регулировки выходного сопротивления усилителя в интервале от нуля до нескольких десятков ом позволяет улучшить качество звучания акустической системы . Это делает УМЗЧ идеальным для работы с сабвуфером, выполненным в закрытом корпусе (без фазоинвертора). Повышение выходного сопротивления позволяет поднять уровень нижних частот и уменьшить нижнюю граничную частоту сабвуфера. Иногда повышенное выходное сопротивление УМЗЧ способствует восприятию звучания системы УМЗЧ-АС, близкого к "мягкому ламповому звуку" .

Максимальная выходная мощность, Вт,

на нагрузке 4 Ом 150

на нагрузке 8 Ом 120

Коэффициент гармонических искажений при выходной мощности 60 Вт на частоте 1 кГц, %,

не более 0,005

Коэффициент интермодуляционных искажений на частотах 60 Гц/7 кГц, %, не более 0,005

Коэффициент интермодуляционных искажений на частотах 18/19 кГц, %, не более 0,005

Скорость нарастания выходного напряжения, В/мкс, не менее 15

Выходное сопротивление, Ом 0...20

Коэффициент интермодуляционных искажений измерен двумя методами: по методу SMPTE на частотах 60 Гц и 7 кГц при соотношении амплитуд 4:1, а также на частотах 18 и 19 кГц при соотношении амплитуд 1:1. Принципиальная схема усилителя показана на рис. 1.

Она построена по структуре, близкой к структуре УМЗЧ Лина . Входной дифференциальный каскад на транзисторах VT3 и VT4 для получения максимального усиления, симметрии и скорости нарастания выходного напряжения нагружен на токовое зеркало на транзисторах VT1 и VT2. Резисторы R5 и R6 в эмиттерах увеличивают линейность каскада и его перегрузочную способность, а такжеснижают влияние разброса параметров транзисторов. Источник тока на транзисторах VT5, VT6 (по сравнению с резистором, который иногда применяют в этом месте) снижает уровень интермодуляционных искажений. Эмиттерный повторитель на транзисторе VT7 повышает усиление драйверного каскада по току. Транзистор VT9 служит для термостабилизации тока покоя выходных транзисторов VT11, VT12 при повышении их температуры. Повышенное выходное сопротивление достигается с помощью комбинированной отрицательной обратной связи (ОOC) - по напряжению и по току . Сигнал ООС по напряжению снимается с выхода усилителя и через резистор R20 подаётся на базу транзистора VT4. Сигнал ООС по току снимается с резистора - датчика тока R27 и подаётся на базу транзистора VT4 через резистор R21. Несколько необычное включение цепи R9C4 используется для устра­нения заметного постоянного напряжения на нагрузке из-за ООС по току. Экспериментальный образец усилителя был подвергнут испытаниям для оценки реальных характеристик. Для измерения искажений использовались звуковая карта EMU0404 и программа SpectraPLUS-SC . Поэтому измеренные уровни искажений на самом деле соответствуют системе звуковая карта + усилитель. На рис. 2 показана частотная характеристика суммарного коэффициента гармоник усилителя.

По горизонтали на ней откладывается значение частоты тестового тона, на которой измерялся уровень искажений. При измерениях использовался режим с разрядностью ЦАП/АЦП 24 бита и частотой дискретизации 192 кГц. Возникающие при измерениях гармоники учитывались в полосе до 90 кГц, что очень важно для правильного определения величины К, на высоких частотах. Рост искажений на высоких частотах обусловлен в основном снижением глубины ООС с ростом частоты. Вторая из основных причин - рост искажений входного каскада из-за повышения его выходного напряжения, которое вызвано снижением усиления каскада на транзисторе VT8 . Как видно, коэффициент гармоник даже на высоких частотах невелик. На рис. 3 показан спектр искажений на частоте 1 кГц.

Как видно, в нём присутствуют только первые три гармоники, остальные - ниже порога измерений. Такой узкий спектр искажений хорошо сказывается на качестве звучания, в результате в усилителе полностью отсутствует "транзисторный звук". На рис. 4 показан спектр интермодуляционных искажений, измеренных на частотах 18 и 19 кГц при соотношении амплитуд 1:1.

Это - один из наиболее жёстких тестов, позволяющих оценить линейность усилителя на высоких частотах, где глубина ООС существенно снижается. Тест позволяет выявить нелинейность или плохие высокочастотные свойства усилителя. Как видно из рис. 4, амплитуда разностной частоты f 1 кГц очень мала, что говорит о высокой линейности усилителя. Число боковых частот, отличающихся от тестовых на величину 1 кГц, также невелико. Это говорит о том, что спектр искажений остаётся узким ("мягким") даже на высоких частотах. Все измерения искажений проводились при выходной мощности 60 Вт на нагрузке 6 Ом при питании усилителя от штатного блока питания. Результатыизмерений показывают, что по уровню искажений данный усилитель не только не уступает многим дорогим и именитым промышленным моделям, но и превосходит их . Для более наглядного сравнения описываемого усилителя с представленными в на рис. 5 показана зависимость коэффициента гармоник на частоте 1 кГц и нагрузке 4 Ом от выходной мощности УМЗЧ с блоком питания, рассчитанным на мощность 80 Вт в нагрузке.

Выходное сопротивление (Rвых) усилителя при указанных номиналах элементов цепей ООС можно изменять не только выбором резистора R21, но и R27. Регулировочная зависимость от сопротивления R21 показана на рис. 6.

Для получения большего выходного сопротивления следует воспользоваться программой расчёта комбинированной ООС на FTP-сервере редакции . Если повышения этого параметра не требуется, то резистор R21 следует исключить, а резистор R27 заменить проволочной перемычкой.Конструкция и детали. Усилитель собран на печатной плате, показанной со стороны печатных проводников на рис. 7.

На этой стороне припаян резистор R12, предназначенный для поверхностного монтажа типоразмера 1208, но можно установить и резистор с аксиальными выводами. Серым цветом на рис. 7 показаны отрезки медного провода сечением 2,5 мм2, припаянные на печатный проводник для уменьшения его сопротивления. На рис. 8 показано расположение корпусных элементов.

Конденсатор С12 припаян к выводам резистора R20. Если усилитель используется в стерео или многоканальном варианте, то желательно использовать резисторы, входящие в цепь ООС (R9, R20, R21), высокой точности (отклонение не более ±1 %) либо подобрать их с одинаковым сопротивлением для всех каналов. Резисторы R24, R25, R27 - проволочные SQP-5 (SQP500JBR15,SQP-5W-R1 5-J) от YAGEO или китайского производства. Конденсаторы С2, СЗ, С12 - керамические с ТКЕ группы NPO, а С1, С7, С9, С10 - плёночные на напряжение не менее 63 В. Номиналы всех оксидных конденсаторов соответствуют применению усилителя совместно с сабвуфером.. Если же доступны малогабаритные плёночные конденсаторы, например, фирмы Epcos, то ёмкость конденсаторов С7 и С10 желательно увеличить до 1 мкФ. Оксидные конденсаторы С5, C6, C8, C11 - любые качественные (с малым эквивалентным последовательным сопротивлением). В позиции С4 можно использовать и полярный оксидный конденсатор, но при этом нужно измерить полярность постоянной составляющей на выходе усилителя после сборки и перепаять конденсатор С4 в соответствии с этой полярностью. В процессе работы конденсаторы не нагреваются, так что выгоднее использовать конденсаторы с допустимой температурой 85 °С - их свойства немного лучше.Комплементарные транзисторы 2N5551 и 2N5401 можно заменить на 2CS2240 и 2SA970, a 2SA1930 и 2SC5171 - на 2SA1358 и 2SC3421 либо (что несколько хуже) на 2SB649 и 2SD669. Транзистор VT9 - любой структуры п-р-п в изолированном корпусе ТО-126. В качестве выходных можно использовать пару транзисторов IRFP240/IRFP9240. Мощные транзисторы размещают на теплоотводах с эффективной площадью не менее 700 см2 на каждый. Их изолируют слюдяными прокладками или специальными теплопроводящими плёнками. Для улучшения теплоотвода необходимо использовать теплопроводную пасту. Усилитель - достаточно высокочастотное устройство, поэтому для снижения возможных помех от средств мобильной связи рекомендуется использовать на всех кабелях (входных, акустических и питания) ферритовые кольца. Напряжение питания усилителя ограничивается в основном допустимым напряжением его полупроводниковых приборов и конденсаторов и не должно превышать +/-55 В. При установке конденсаторов в цепи питания (С5-С8, С10, С11) на рабочее напряжение 80 В напряжение питания можно увеличить до +/-65 В. Однако подобное повышение напряжения питания не рекомендуется для работы с низкоомной нагрузкой (4 Ом).Налаживание правильно собранного усилителя заключается в установке резистором R16 тока покоя выходных транзисторов в пределах 230...250 мА. После прогрева на холостом ходу ток покоя необходимо подкорректировать. Ток покоя определяется по величине напряжения между истоками выходных транзисторов. Важную роль в работе усилителя играет его источник питания. Он же определяет такие параметры усилителя, как максимальная выходная мощность, перегрузочная способность, уровень фона и даже величина искажений. Схема блока питания усилителя приведена на рис. 9.

Конденсатор С1 подавляет импульсные помехи, проникающие из сети. Резисторы R1 и R2 служат для разрядки конденсаторов фильтра при выключении питания. В выпрямителе можно применить интегральный диодный мост либо отдельные диоды. Хорошие результаты даёт применение диодов Шоттки. Максимальное обратное напряжение диодов должно быть не менее 150-200 В, максимальный прямой ток зависит от выходной мощности усилителя и числа его каналов. Для сабвуфера и стереоусилителя с выходной мощностью не более 80 Вт максимальный прямой ток диодов не должен быть меньше 10 А (например, диодные мосты RS1003-RS1007 или КВРС4002- КВРС4010). При большей выходной мощности и/или большем числе каналов усиления выпрямительные диоды должны быть рассчитаны на прямой ток не менее 20 А, например, диодные мосты КВРС4002-КВРС4010, КВРС5002- КВРС5010 или диоды Шоттки 20CPQ150, 30CPQ150 с параллельным включением обоих диодов в корпусе. В этом случае рекомендуется увеличить суммарную ёмкость конденсаторов фильтра до 30000 мкФ на плечо. Для дальнейшего уменьшения импульсных помех, приходящих из сети, можно каждый из диодов зашунтировать конденсатором 0,01 мкФ на напряжение не менее 100 В. Для выбора необходимой габаритной мощности трансформатора и напряжения на его вторичных обмотках, в зависимости от требуемой максимальной выходной мощности усилителя, можно воспользоваться графиками на рис. 10.

Чёрными линиями показаны графики минимальной мощности трансформатора. Сплошная линия соответствует стереоусилителю» штриховая - сабвуферу. Цветные линии - напряжение на каждой из вторичных обмоток. Может показаться странным тот факт, что мощность трансформатора стереоусилителя меньше его удвоенной выходной мощности. Здесь имеется в вводу минимальная мощность трансформатора, достаточная для нормальной работы усилителя: пикфактор звуковых сигналов составляет 12...16 д Б, поэтому максимальная выходная мощность усилителя достигается сравнительно редко и на короткое время. Значит, средняя выходная мощность и потребляемый от блока питания ток получаются в несколько раз меньше максимальной. Поэтому и средняя мощность» потребляемая от трансформатора, в несколько раз меньше максимальной. Трансформатор рассчитан на эту среднюю выходную мощность плюс кратковременные пики максимальной мощности, причём с некоторым запасом. Можно использовать трансформатор с габаритной мощностью, большей, чем показано на рис. 10, но превышать эту мощность более чем в два раза смысла уже нет. Усилитель не содержит узла защиты акустической системы, поэтому для защиты её от постоянного напряжения можно использовать любой из описан­ных в журнале конструкций или упоминаемых на этом сайте.

Радио №10 2016г стр. 8

Написать этот материал подтолкну­ла статья в , в которой автор вся­чески критикует все, что до сих пор сделано в области разработки усили­телей звуковой частоты, и предлагает структуру своего "абсолютного" УМЗЧ. Я не согласен с автором, и поэтому, на основе проведенного анализа из­вестных наработок по отдельным уз­лам УМЗЧ , хочу представить свой вариант простого, "безупречного", по выражению Дугласа Селфа , УМЗЧ.

На сегодня известны три основ­ных недостатка биполярных транзи­сторов:

Эффект Эрли (зависимость тока коллектора от напряжения эмиттер- коллектор);

Эффект Миллера (зависимость входной емкости от коэффициента усиления);

Тепловые искажения, связан­ные с зависимостью параметров от температуры кристалла.

Общепризнанный способ борьбы с первыми двумя недостатками и отчасти с третьим - это каскодные схемы. Снижению первого эффек­та, связанного также с пульсация­ми питания УМЗЧ под нагрузкой, способствует раздельное питание драйвера и выходного каскада. Для устранения тепловых искажений необходимо застабилизировать мощность, рассеиваемую на тран­зисторе, а если это выполнить не­ возможно, то хотя бы минимизиро­вать ее колебания.

Для начала определимся с драй­вером. Как показали исследования в , а позднее и в , предельно про­стые симметричные каскодные драй­веры не уступают, а в ряде случаев превосходят по параметрам более сложные схемы с использованием дифкаскада (ДК). Поэтому и остано­вимся на каскодном драйвере.

Теперь необходимо выбрать выход­ной каскад (ВК). Наиболее простой вариант, мало чем уступающий моди­фицированному ВК Хауксфорда, - экономичный ВК Шикпаи с составны­ми транзисторами Дарлингтона, на входе которого добавлен параллель ный повторитель. В этом ВК базо - эмиттерные переходы параллельно­го повторителя задают смещение для ВК и одновременно осуществляют термостабилизацию. Для этого нуж­но выбрать транзисторы VT 12, VT 16 и VT 13, VT 1 5 одного типа и попарно обеспечить тепловой контакт.

Достоинство такого решения еще и в том, что эти транзисторы рабо­тают как токовое зеркало, и изменяя ток коллектора транзисторов парал­лельного повторителя, можно регу­лировать ток покоя выходных тран­зисторов. В таком включении иска­жения мало зависят от тока покоя выходных транзисторов, поэтому, с целью повышения КПД, его можно выставить в пределах 5...30 мА. Еще одно достоинство этого ВК в том, что он и без ООС вносит очень малые искажения .

Диоды VD 5, VD 8 улучшают термо­стабилизацию и снижают искажения, так как выходные транзисторы рабо­тают как масштабные отражатели тока с большим коэффициентом от­ражения, а диоды VD 6, VD 7 служат для ограничения минимального на­пряжения база-коллектор выходных транзисторов с целью предотвраще­ния их насыщения. Низкоомные ре­зисторы R 29, R 30 способствуют бы­строму выключению транзисторов.

В результате объединения этих двух каскадов получим схему УМЗЧ с однокаскадным драйвером, приве­денную на рис.1.

Достоинством пол­ностью симметричной схемы УМЗЧ является то, что при подборе "зер­кальных" транзисторов по статичес­кому коэффициенту передачи тока базы (для себя, любимого, можно это позволить) и одинаковых элект­ролитических конденсаторов УМЗЧ не имеет переходных процессов. Поэтому отпадает необходимость в реле задержки подключения АС.

С целью минимизации искажений, связанных с перечисленными недо­статками, сделано небольшое услож­нение схемы драйвера: добавлен каск ад для входных транзисторов и в качестве генератора стабильного тока (ГСТ) использован любимый ГСТ Дугласа Селфа с токовой ОС, в кото­ром застабилизированы токи коллек­торов транзисторов токовой обратной связи. Такой ГСТ позволяет миними­зировать влияние пульсаций питаю­щего, напряжения и, таким образом, отказаться от дополнительных источ­ников питания. Наиболее линейный участок характеристики тока стабили­зации для диода Е202 (S 202) - при падении напряжения на нем в пре­делах 5...20 (3...50) В . Падение на диоде ограничено с учетом просадки напряжения под нагрузкой с помо­щью резистора R 18. При отсутствии диода его можно заменить перемыч­кой, от этого параметры практически не пострадают.

В качестве выходных транзисторов с успехом можно использовать тран­зисторы старого образца типа КТ825, КТ827 (аналоги приведенных на схе­ме). Еще лучшие результаты можно получить с современными транзисто­рами, например, 2SD 2560,2SB 1647; 2SD 2449, 2SB 1594; 2SD 2385, 2SB 1556 и аналогичными.

Нулевое смещение на выходе УМЗЧ отрабатывает интегратор на DA 1. Благодаря дополнительной фильтрации, в звуковом диапазоне он себя никак не проявляет. Учиты­вая, что использованный ВК сам по себе имеет малые искажения, мож­но предусмотреть перемычки для работы без общей ООС, как это предложено в .

Данный усилитель - с открытым входом, поэтому перед подключени­ем к нему нормирующего усилителя необходимо убедиться в отсутствии на его выходе постоянной составляю­щей. Входное сопротивление УМЗЧ- небольшое (около 3 кОм), поэтому если на выходе нормирующего усили­теля стоит конденсатор, его емкость должна быть не менее 10 мкФ. Так как неэлектролитические конденсаторы такой емкости достаточно велики, можно составить конденсатор из двух встречно включенных полярных емко­стью по 22...47 мкФ и параллельно им неполярного емкостью 1 ...2 мкФ. Луч­ше после регулятора громкости ис­пользовать буферный повторитель (а если чувствитель­ности недостаточ­но, то нормирую­щий усилитель с К и =2...3) на ОУ и непосредственно к его выходу под­ключить УМЗЧ.

Снимем стан­дартные характе­ристики: диаграм­му Боде без кон­денсатора С1, не­линейные иска­жения на часто­тах 1, 10 и 20 кГц, а также посмот­рим, нет ли видимых искажений фор­мы сигнала на частоте 100 кГц.

Диаграмма Боде показана на рис.2. Из нее видно, что усилитель доста­точно широкополосен: частота среза -около 500 кГц при частоте единич­ного усиления 2 МГц. Небольшой выброс в области 400 кГц обуслов­лен работой двухполюсной коррек­ции. Запас по амплитуде - 18 дБ, запас по фазе - около 60°, что яв­ляется оптимальным значением.

Вносимые нелинейные искажения при амплитуде сигнала на выходе 30 В на частотах 1,10 и 20 кГц соот­ветственно равны 0,0005, 0,001 и 0,003%. В качестве примера на рис.3 показан спектр искажений на часто­те 10 кГц.

Как видно из рисунка, в спектре имеются только 2-я и 3-я гар­моники. Уровень ближайшей гармо­ники, попадающей в звуковой диапа­зон, составляет те же 0,0005 %, как и на частоте 1 кГц.

Проверим скорость нарастания сигнала: нет ли каких-либо видимых искажений на полной мощности на частоте 100 кГц (рис.4)?

Как видим, и здесь все в порядке. При провер­ке УМЗЧ меандром частотой 2 кГц (без конденсатора С1) выяснилось, что на полках наблюдаются неболь­шие выбросы по окончании фрон­та. Но с установкой конденсатора С1 на место, полки меандра абсо­лютно ровные, а фронты сигнала достаточно крутые.

Вторая модификация УМЗЧ, на ко­торую также хочется обратить внима­ние, показана на рис.5. В ней количе­ство элементов такое же, как и в схе­ме на рис.1, но выходной каскад драй­вера, как и входной, - каскодный.

Ниже приведены принципиальные схемы и статьи по тематике "УМЗЧ" на сайте по радиоэлектронике и радиохобби сайт .

Что такое "УМЗЧ" и где это применяется, принципиальные схемы самодельных устройств которые касаются термина "УМЗЧ".

К особенностям описываемого УМЗЧ относится применение в нем составных транзисторов, что позволило сократить число используемых в усилителе деталей. Первый каскад усилителя мощности собран на ОУ А1. Входной сигнал поступает на инвертирующий вход ОУ через фильтр верхних частот (ФВЧ) R1C1R3 с частотой среза 20 кГц. Для того, чтобы этот параметр ФВЧ существенно не изменился, выходное сопротивление предварительного усилителя должно быть не более... Схема простого в сборке и мощного усилителя низкой частоты (УМЗЧ) выполненного на ОУ К574УД1А и мощных составных транзисторах КТ825, КТ827. Не смотря на простоту принципиальной схемы и минимального количества деталей усилитель обеспечивает большую выходную мощность при достаточно низком коэффициенте нелинейных искажений. Усилитель питается двуполярным напряжением 7 - 18 В, выходная мощность 15 Вт на нагрузке 4 Ом, ток покоя около 60 мА. Диоды -любые кремниевые универсальные. Выходная мощность усилителя 2 X 12 Вт при напряжении питания 15 В, сопротивление нагрузки 4 Ом, ток покоя - 80мА. УНЧ А-9510 фирмы Onkyo (рис. 2.13) обеспечивает 60 Вт на нагрузке 8 Ом при коэффициенте демпфирования 150, коэффициенте гармоник не более 0,06% и 100 Вт на нагрузке 4 Ом. Неравномерность АЧХ на краях диапазона 15 Гц — 50 кГц не превышает 1 дБ. Отношение сигнал/шум 104 дБ. ... УМЗЧ Дьеря Плахтовича выполнен по мостовой схеме (верхний усилитель/плечо моста неинвертирующий, нижний — инвертирующий). Он обеспечивает в нагрузке 8 Ом мощность 180 Вт при коэффициенте гармоник не более 0,5%, выходном сопротивлении 0,02 Ом, полосе частот от 20... High-End УМЗЧ Джованни Сточино обеспечивает 100 Вт на нагрузке 8 Ом при коэффициенте гармоник 0,002% и скорости нарастания выходного напряжения 300 В/мкс. Полоса частот по уровню -0,1 дБ составляет от 1 Гц до 1,3 МГц, отношение сигнал/шум 100 дБ... «Полевой» УМЗЧ Эндре Пирета заметно прост, но также соответствует нормам высококачественного звуковоспроизведения. Оригинально (без привычных дифференциальных усилителей) решен входной каскад — это двухтактный комплементарный каскад... Йозеф Седлак предложил схемы двух эстрадных УМЗЧ повышенной мощности. Первый усилитель выполнен по классической схеме: дифкаскад с генератором тока (Т1-ТЗ); усилитель напряжения (Т4) с генератором тока (Т6); двухтактный составной повторитель (T9-Т14)... Данный УНЧ обеспечивает 20 Вт/ 40 Вт на нагрузке 8 Ом/ 4 Ом при коэффициенте гармоник 0,01%. Схема 20-ваттного УМЗЧ с оригинальной раскачкой выходной ступени представлена ниже... В последнее время очень большое внимание уделяется кабелям, соединяющим выход УМЗЧ с входом АС. Конечно, кабели имеют большое значение для получения качественного звука. Но, несмотря на довольно высокую цену, они принципиально не могут не вносить искажений. ... УМЗЧ Антона Космела выполнен на ИМС STK4048 XI фирмы Sanyo и вообще не требует подстроек. Он развивает 2x150 Вт на нагрузке 8 Ом и 2x200 Вт на 4 Ом при коэффициенте гармоник не более 0,007% и полосе частот 20 Гц — 50 кГц. На ОУ 102 выполнена схема защиты... Деметр Барнабаш выполнил свой УМЗЧ на ИМС TDA7294V фирмы SGS-THOMSON. При предельно простой схеме он обеспечивает на нагрузке как 8 Ом, так и 4 Ом музыкальную мощность до 100 Вт (номинальную на стационарной синусоиде — 70 Вт) при типовом коэффициенте гармоник... Мощный УМЗЧ с работой всех каскадов в режиме класса А, обеспечивающий на 8-омной нагрузке 32 Вт при потрясающе высоком реальном КПД 45% Ричард Барфут обращает внимание, что в обычном резистивном усилительном каскаде с ОЭ и разделительным конденсатором теоретически... Индуктивность в цепи фазовой коррекции применил в своем мощном УНЧ В. Левицкий. Усилитель абсолютно симметричен и состоит из входного истокового повторителя (VT1, VT2), двухтактного комплементарного усилителя напряжения («каскоды» VT3VT5, VT4VT6) и... В усилителе, схема которого изображена ниже высокая линейность даже без ООС достигнута благодаря внутреннему истоковому повторителю на VT11. Этот повторитель удачно согласует большое (более 1 МОм) выходное сопротивление каскада усиления напряжения на VT9 с существенно... Исследуя причины возрастания нелинейности на большом сигнале, Дуглас Селф обнаружил, что, во-первых, акустическая система в некоторых условиях требует существенно больший ток, чем рассчитанный по закону Ома с подстановкой в знаменатель паспортного номинального сопротивления АС... Нельсон Пэсс, идеолог УМЗЧ по топологии Zen (далее усилители Зена) и руководитель Pass Labs, подводя итог восьмилетнего развития Zen-овской философии однокаскадных УМЗЧ, предложил Penultimate Zen. Нельсон отмечает, что в нем устранены некоторые... Схема УМЗЧ, разработанного Мэттом Такером. Первый дифференциальный каскад выполнен на биполярных транзисторах Q1Q5 по типовой схеме с токовым зеркалом Q7Q8 в нагрузке, а каскад усиления напряжения — на Q9Q13 с ОЭ и нагрузкой на генератор тока Q6Q2 ...

От
прототипа, с которым читатели журнала познакомились еще в 1988 г., этот усилитель
отличается повышенной выходной мощностью и защитой выходного каскада от
короткого замыка­ния. Усилитель а режиме покоя потребляет очень малый ток, но
при усилении сигнала переходит а режим класса АВ с динами­ческим смещением.

Усилитель
мощности, схема которо­го показана на рисунке, во многом напоминает
опубликованный ранее ав­тором этой статьи в журнале , одна­ко новый гораздо
мощнее. Повышение напряжения питания оказалось воз­можным благодаря применению
высо­ковольтных микросхем. Устройство до­полнено защитой мощных транзисто­ров
от короткого замыкания нагрузки.

Основные технические характеристики

Номинальное входное на­пряжение, В – 0,5

Номинальная выходная мощность, Вт, на
нагрузке 8 Ом – не менее 35

Номинальный диапазон час­тот, Гц – 20…20000

Коэффициент гармоник, %, при номинальной
мощно­сти на частоте 1 кГц, не более
– 0,1

Немного
о работе усилителя. Входной сигнал поступает на неинвертирующий вход ОУ DA1,
усилива­ется им примерно в 40 раз и с его вы­хода подается на выходной транзис­тор
VT3, а через конденсатор СЗ - на неинвертирующий вход ОУ DA2. Для напряжения
сигнала на базе транзистора VT3 выходного каскада ОУ DA2 действует как
повторитель напряжения (вследствие наличия конденсатора обратной связи 04).
Одновременно DA2 служит для сле­жения за током покоя выходного кас­када,
контролируя падение напряже­ния на резисторах R10, R11. Это на­пряжение
усиливается ОУ и совмест­но с сигналом поступает на базу транзистора VT4 выходного
каскада, приводя в паузах звукового сигнала к уменьшению его тока покоя практи­чески
до нуля. Это закрывание тран­зистора VT4 могло бы вызвать изме­нение выходного
напряжения усили­теля, однако напряжение обратной связи (по постоянному току)
через резистор R3, поступая с выхода DA1 на базу транзистора VT3, вызывает
соответствующее снижение и его то­ка, поддерживая на выходе усилителя среднее
напряжение, близкое к нулю.

При
усилении звуковых сигналов конденсаторы СЗ-С5 подзаряжаются пульсирующим
напряжением, дейст­вующим на переходах база-эмиттер мощных транзисторов.
Поэтому сквозной ток выходного каскада при нулевых значениях напряжения сигна­ла
фактически отличается от нуля и, в зависимости от уровня звуковых сиг­налов,
достигает 100…150 мА. При отсутствии сигнала диоды VD1-VD3 ус­коряют процесс
перехода в экономич­ный режим покоя, когда мощные тран­зисторы практически
закрыты.

Транзисторы
VT1, VT2 защищают вы­ходной каскад от короткого замыкания нагрузки за счет
обратной связи по току, используя напряжение, снимаемое с резисторов R10, R11 в
цепях эмитте­ров мощных транзисторов. В результате выходной ток мощного каскада
ограни­чивается на уровне около 6 А.

Питание
УМЗЧ возможно и от “однополярного” выпрямителя (без средней точки).
Так, выход усилителя, установ­ленного на АТС и питающегося от ис­точника
питания напряжением -60 В, подключен к нагрузке через оксидный разделительный
конденсатор емкос­тью 2200 мкФ на 100 В. Цепь питания VT3 и DA1 соединяют с общим
прово­дом, а на нижний вывод резистора R1 напряжение, примерно равное полови­не
напряжения питания, подают от де­лителя из двух резисторов сопротив­лением по
100 кОм с блокировочным оксидным конденсатором емкостью 200 мкФ на 50 В.

С
нагрузкой сопротивлением 4 Ома выходная мощность УМЗЧ немного меньше 100 Вт,
поэтому размеры теплоотвода должны быть не менее 35x100x200 мм. Максимальный
ток выпрямителя БП (лучше стабилизиро­ванного) должен быть не менее 6 А.

Монтаж
усилителя очень прост, и соединения между элементами, ус­тановленными на плате
и теплоотводе, выполнены гибким проводом. Для под­ключения транзисторов
выходного ка­скада рекомендуется использовать провод сечением не менее 0,75 мм2.

В
выходном каскаде можно также использовать составные транзисторы комплементарной
структуры КТ829А и КТ853А или аналогичные импортные либо включать отдельные
высокочас­тотные транзисторы средней и боль­шой мощности, соединив их как со­ставные
транзисторы (по схеме Дар­лингтона). Вместо указанных на схе­ме транзисторов в
позициях VT1, VT2 можно установить КТ315Б и КТ361Б соответственно. Конденсаторы
С1 - С6 - К73-17. При использовании ми­кросхемы К1408УД1 (зарубежный аналог - LM343)
в корпусе 301.8-1 следует иметь в виду отличия в цоколевке .

В
налаживании усилитель практи­чески не нуждается. При работе уси­лителя на
удаленную нагрузку, под­ключаемую через длинный кабель, ре­комендуется выход
усилителя под­ключить к нему через параллельную LR-цепь, выполненную из
резистора МЛТ-2 сопротивлением 10 Ом, на ко­тором намотана катушка проводом
ПЭВ-2 диаметром 0,38 мм
в один слой до заполнения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Компаненко Л. УМЗЧ с автоматичес­кой
стабилизацией тока покоя выходных кас­кадов. - Радио, 1988, № 4, с. 50.

2. Мячин Ю. А. 180 аналоговых микро­схем.
- М.: Патриот, 1993, с. 45.