В последнее время все чаще многие фирмы и радиолюбители используют в своих конструкциях мощные полевые транзисторы с индуцированным каналом и с изолированным затвором. Однако до сих пор непросто приобрести комплементарные пары полевых транзисторов достаточной мощности, поэтому радиолюбители подыскивают схемы УМЗЧ, в которых применены мощные транзисторы с каналами одинаковой проводимости. В журнале “Радио” опубликовано несколько таких конструкций. Автор предлагает еще одну, но со структурой, несколько отличающейся от ряда распространенных в конструкциях УМЗЧ схем.
Номинальная выходная мощность на нагрузке сопротивлением 8 Ом: 24 Вт
Номинальная выходная мощность на нагрузке сопротивлением 16 Ом: 18 Вт
Коэффициент гармоник при номинальной мощности на нагрузке 8 Ом: 0,05 %
Коэффициент гармоник при номинальной мощности на нагрузке 16 Ом: 0,03 %
Чувствительность: 0,7 В
Коэффициент усиления: 26 дБ
В классическом транзисторном УМЗЧ последние три десятка лет используется дифференциальный каскад. Он необходим для сравнения входного сигнала с выходным, возвращающимся через цепи ООС, а также для стабилизации “нуля” на выходе усилителя (в большинстве случаев питание двухполярное, и нагрузка подключена непосредственно, без разделительного конденсатора). Вторым следует каскад усиления напряжения - драйвер, обеспечивающий полную амплитуду напряжения, необходимого для последующего усилителя тока на биполярных транзисторах. Так как этот каскад относительно слаботочный, усилитель тока (повторитель напряжения) представляет собой две-три пары составных комплементарных транзисторов. В результате после дифференциального каскада сигнал проходит еще три, четыре, а то и пять ступеней усиления с соответствующими искажениями в каждой из них и задержкой. Это - одна из причин возникновения динамических искажений.
В случае использования мощных полевых транзисторов отпадает необходимость в многокаскадном усилении тока. Однако для быстрой перезарядки межэлектродной емкости затвор-канал полевого транзистора тоже требуется существенный ток. Для усиления звуковых сигналов этот ток обычно намного меньше, но в переключательном режиме на высоких звуковых частотах он оказывается заметным и составляет десятки миллиампер.
В описываемом ниже УМЗЧ реализована концепция минимизации числа каскадов. На входе усилителя - каскадный вариант дифференциального каскада на транзисторах VT2, VT3 и VT4, VT5, нагрузкой для которого применен активный источник тока с токовым зеркалом на транзисторах VT6, VT7. Генератор тока на VT1 задает режим дифференциального каскада по постоянному току. Применение последовательного включения транзисторов в каскаде, позволяет использовать транзисторы с очень высоким коэффициентом передачи тока базы, которые отличаются небольшим значением максимального напряжения (обычно UKЭmax=15 B).
Между минусовой цепью питания усилителя (истоком VT14) и базами транзисторов VT4 и VT5 включены два стабилитрона, роль которых выполняют обратно включенные переходы база-эмиттер транзисторов VT8, VT9. Сумма их напряжений стабилизации несколько меньше предельно допустимого напряжения затвор-исток VT14, так и обеспечивается защита мощного транзистора.
В выходном каскаде сток полевого транзистора VT14 подключен к нагрузке через коммутационный диод VD5. Полупериоды сигнала минусовой полярности поступают через диод на нагрузку, полупериоды плюсовой полярности через него не проходят, а поступают через транзистор VT11 для управления затвором полевого транзистора VT13, который открывается лишь в эти полупериоды.
Похожие схемы выходного каскада с коммутационным диодом известны в схемотехнике усилителей на биполярных транзисторах как каскад с динамической нагрузкой. Эти усилители работали в режиме класса В, т.е. без сквозного тока покоя. В описываемом же усилителе с полевыми транзисторами есть еще транзистор VT11, который выполняет сразу несколько функций: через него поступает сигнал для управления затвором VT13, а также образована местная обратная связь по току покоя, стабилизирующая его. Кроме того, тепловой контакт транзисторов VT11 и VT13 стабилизирует температурный режим всего выходного каскада. В результате транзисторы выходного каскада работают в режиме класса АВ, т.е. с уровнем нелинейных искажений, соответствующим большинству вариантов двухтактных каскадов. С резистора R14 и с диода VD5 снимается напряжение, пропорциональное току покоя, и подается на базу VT11. На транзисторе VT10 собран активный источник стабильного тока, необходимый для работы выходного каскада. Он является динамической нагрузкой для VT14, когда тот активен в соответствующие полупериоды сигнала. Составной стабилитрон, образованный VD6 и VD7, ограничивает напряжение затвор-исток VT13, защищая транзистор от пробоя.
Такой двухканальный УМЗЧ был собран в корпусе приемника ROTEL RX-820 взамен имеющегося там УМЗЧ. Пластинчатый теплоотвод усилен металлическими стальными стойками для увеличения эффективной площади до 500 см 2 . В блоке питания заменены оксидные конденсаторы на новые общей емкостью 12000 мкФ на напряжение 35 В. Также были использованы дифференциальные каскады с активными источниками тока (VT1-VT3) от прежнего УМЗЧ. На макетных платах собраны каскодные продолжения дифференциального каскада с токовыми зеркалами для каждого канала (VT4-VT9, R5 и R6) и активные источники тока для выходных каскадов (VT10 обоих каналов) на общей плате с общими элементами R9, VD3 и VD4. Транзисторы VT10 прижаты к металлическому шасси тыльными сторонами, чтобы обойтись без изолирующих прокладок. Выходные полевые транзисторы закреплены на общем теплоотводе площадью не менее 500 см2 через теплопроводящие изоляционные прокладки винтами. Транзисторы VT11 каждого канала смонтированы непосредственно на выводах транзисторов VT13 так, чтобы обеспечить надежный тепловой контакт. Остальные детали выходных каскадов смонтированы на выводах мощных транзисторов и монтажных стойках. В непосредственной близости от выходных транзисторов размещены конденсаторы С5, С6.
О применяемых деталях. Транзисторы VT8 и VT9 можно заменить стабилитронами на напряжение 7-8 В, работоспособными при небольшом токе (1 мА), транзисторы VT1-VT5 могут быть заменены любыми из серии КТ502 или КТ3107А, КТ3107Б, КТ3107И, причем их желательно отобрать близкими по коэффициенту передачи тока базы попарно, VT6 и VT7 можно заменить на КТ342 или КТ3102 с буквенными индексами А, Б, на месте VT11 может быть любой из серии КТ503. Заменять другими стабилитроны Д814А (VD6 и VD7) не стоит, так как ток динамической нагрузки примерно равен 20 мА, а предельный ток через стабилитроны типа Д814А равен 35 мА, так что они вполне подходят. Обмотка дросселя L1 намотана на резисторе R16 и содержит 15-20 витков провода ПЭЛ 1,2.
Налаживание каждого канала УМЗЧ начинают при отключенном на время выводе стока VT13 от цепи питания. Замеряют ток эмиттера VT10 - он должен быть примерно 20 мА. Далее подключают через амперметр сток транзистора VT13 к источнику питания, чтобы замерить ток покоя. Он не должен намного превышать 120 мА, это свидетельствует о правильной сборке и об исправности деталей. Ток покоя регулируют подбором резистора R10. После включения его следует установить сразу около 120 мА, после прогрева в течение 20-30 мин он уменьшится до 80-90 мА.
Возможное самовозбуждение устраняется подбором конденсатора С8 емкостью до 5-10 пФ. В авторском варианте самовозбуждение возникло из-за бракованного транзистора VT13 в одном из каналов. При других напряжениях питания следует пересчитать площадь теплоотвода исходя из изменения максимальной мощности в ту или другую сторону и исключить превышение допустимых параметров для используемых полупроводниковых приборов.
«Радио» №12, 2008
Нет предела совершенствованию! После подключения к простому усилителю Василича приобретенных колонок DYNAUDIO Excite X12 возникло ощущение, что усилитель звуковой частоты немножко не дорабатывает на низких частотах. При прослушивании данных колонок в магазине они легко воспроизводили глубокий бас. В составе домашнего медиа центра этого не наблюдалось. После изучения данной темы в сети интернет я пришел к выводу для данных АС изготовить более качественный УМЗЧ. К улучшенному усилителю напряжения простого усилителя Василича (в УН введено токовое зеркало Уилсона) был добавлен улучшенный N-канальный выходной каскад Алексея Никитина (Q8-Q12). Схема нового усилителя мощности звуковой частоты приведена ниже.
В результате получился «Качественный усилитель Василича» с более низким выходным сопротивлением.
Основные технические характеристики усилителя мощности:
Номинальная выходная мощность (Вт) - 45 (при Rn = 4 Ом);
Полоса пропускаемых частот (кГц) - 0,01...100;
Коэффициент гармоник во всем диапазоне частот (%) - 0,001
(коэффициент гармоник собранного в железе аппарата без подбора элементов - не более 0,005);
Входное сопротивление (кОм) - 10;
Номинальное входное напряжение (В) - 3;
Выходное сопротивление (Ом) - не более 0,1;
Ток покоя выходного каскада (мА) - 200.
Ток покоя задается резистором R21. На плату был установлен многооборотный резистор номиналом 100 Ом. Рекомендую выставлять ток покоя не менее 75 мА. Уже при этом значении искажения оконечника Никитина в текущей реализации не превышают 0.1% и имеют короткий, быстро спадающий спектр гармоник. При токе покоя 200 мА в спектре остается почти одна вторая гармоника и искажения оконечника не превышают 0.02%.
Подбором резистора R5 добиваемся правильной балансировки плеч питания.
В качестве выходных транзисторов Q12/13 можно установить IRLZ24N, которые обладают почти в 2 раза меньшей входной емкостью. Это позволит добиться еще более прозрачного звучания на высоких частотах, но несколько ухудшит проработку баса на низкоомной АС. HUF76639P3, рекомендованные к применению в оригинальном усилителе Алексея Никитина, придавали усилителю более ватное звучание.
Для питания стереофонического усилителя используется блок питания, собранный по следующей схеме.
Тороидальный трансформатор, мощностью 120 Вт имеет две вторичные обмотки по 36 В. После выпрямительных диодов последовательно установлены электролитические конденсаторы, в месте соединения которых образуется средняя точка (для каждого канала своя) без гальванической связи с общим проводом . К этим точкам подключаются минусовые провода акустических систем левого (AS Rc) и правого (AS Rc) каналов. В свой УМЗЧ, исходя из наличия компонентов, я установил 12 фильтрующих конденсаторов (по 3 в каждом плече емкостью 6800 мкФ на 50В). Трансформаторов может быть два, каждый мощностью по 60 - 80 Вт. Электролитические конденсаторы могут быть зашунтированы бумажными.
Плата усилителя спроектирована с помощью программы Sprint-Layout. Виды со стороны деталей и дорожек приведены ниже.
Плата усилителя изготовлена по проверенной ЛУТ-технологии.
Фотографии собранного УМЗЧ:
Результат измерений собранного усилителя на нагрузку 4 Ом при выходной мощности 21 Вт:
В настоящее время для качественного воспроизведения музыки мною в составе мультимедийного центра используются: персональный компьютер, ЦАП с USB-входом, усилитель от Василича с оконечником Никитина и акустические колонки DYNAUDIO Excite X12. Теперь все компоненты звукового тракта примерно одного класса и на данный момент меня полностью устраивают.
Вложение : 991,62 KB (Скачиваний: 930)
Вложение : 192,60 KB (Скачиваний: 814)
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.
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.