Усилитель hi fi на комплементарных полевых транзисторах. Усилитель звука на полевых транзисторах
Вот простой 100-ваттнй HI-FI усилитель на транзисторах MOSFET. Главной особенностью этого усилителя является простота конструкции и сборки. Следует отметить, что многие hi-end усилители как раз и имеют очень простое, но хорошее качество конструкций. Меньше деталей - меньше проблем.
Схема довольно проста. MPSA56 - дифференциальный вход. Эти транзисторы были выбраны из-за качества звука как результат многолетнего опыта. Комплементарная пара выходных транзисторов 2SK1058 и 2SJ162. Для лучшей защиты динамиков АС рекомендуется добавить задержку включения.
Силовой трансформатор для 8 Ом выходной нагрузки 35-0-35 вольт и не менее 3 ампер. Выпрямитель и фильтр на 2-х конденсаторах 4700 мкФ 63 В. Эта цепь питания для одного канала.
Усилитель предназначен для домашнего эксплуатирования, но при его пиковой мощности в 300 ватт, он вполне справится и с небольшим концертным залом.
УСИЛИТЕЛЬ Hi-Fi НА КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ
E.PIRET.
Схема усилителя приведена на рис.1. Через RC-цепочку фильтра нижних частот сигнал попадает на комплементарный входной каскад (Т1, Т2, ТЗ, Т4). При желании можно увеличить емкость разделительного конденсатора С1, однако делать это имеет смысл только в случае очень низкой граничной частоты звукоизлучающей системы.
В эмиттерную цепь входного каскада включен линеаризующий резистор R11 на 100 Ом, к эмиттерам же подключена общая отрицательная обратная связь величиной около 30 дБ. "Внутри" каскада, между коллектором "нижнего" транзистора (Т2) и эмиттером "верхнего" (ТЗ) действует вторая ("внутренняя") петля обратной связи величиной около 18 дБ. Это означает, что за исключением транзисторов Т1, Т2, обе петли оказывают одинаковое действие на все остальные каскады.
Рис.1
Через эмиттерный повторитель (основная роль которого - сдвиг уровня постоянного напряжения) сигнал с входного каскада подается на усилитель напряжения(Т7,Т8). В эмиттерах транзисторов здесь снова установлены линеаризующие резисторы. Коллекторный ток этих транзисторов протекает через цепи, которые регулируют ток покоя полевых транзисторов оконечного усилителя.
Остановимся на мгновение! Температурный коэффициент Kт полевых транзисторов (т.е. отношение напряжение на затворе/ток стока) близок к нулю. Для малых токов он небольшой и отрицательный, для больших - небольшой и положительный. Перемена знака происходит для мощных транзисторов при токе около 100 мА. Оконечный усилитель работает при токе покоя 100 мА. Полевые транзисторы "раскачиваются" через транзисторные эмиттерные повторители, у которых, как известно, Кт положительный. Поэтому необходимо использовать такую предварительно смещенную цепь, которая компенсировала бы температурную зависимость.
Температурную зависимость эмиттерных повторителей компенсируют диоды D3 и D4.
Ток покоя полевых транзисторов оконечного усилителя устанавливается потенциометром Р на уровне порядка 100 мА.
В цепях затворов полевых транзисторов установлены резисторы (R29, R30), препятствующие самовозбуждению. Цепь, состоящая из диодов и стабилитронов (D5...D8), предотвращает появление опасного для полевых транзисторов напряжения затвор-исток.
В цепи истока полевых транзисторов имеются резисторы (R31 и R32) номиналом на 0,47 Ом. Из них R32 отмечен звездочкой - в опытном образце его значение было равно нулю. Этот резистор сглаживает возможные различия в крутизне полевых транзисторов. Как правило, включение R32 не оказывает катастрофического действия на усиление, можно ожидать увеличения искажений на величину порядка 20...30%.
Как обычно, RCL-звено на выходе усилителя защищает его от самовозбуждения при чрезвычайно высоком реактивном импедансе нагрузки.
Сопротивление Rx в цепи эмиттера Т1 на входе усилителя используется для точной балансировки усилителя. Если взять R13 и R14 одинаковой величины (6,8 кОм), а Rx закоротить, то смещение выхода будет вполне удовлетворительным. Но если необходимо его улучшить, то R13 уменьшается до 6,2 кОм, а вместо Rx временно подключается потенциометр на 1 кОм. После примерно 30 мин "прогрева" усилителя, этим потенциометром устанавливается на выходе уровень напряжения, равный нулю. Сопротивление потенциометра измеряется, и в качестве Rx припаивается резистор с номиналом, подходящим ближе всего к измеренному. Как правило, при замене D1 или D2 возникает необходимость в замене Rx.
Конденсатор С9 осуществляет частотную коррекцию усилителя. Он вызывает двойной эффект: осуществляет, с одной стороны, "запаздывающую" коррекцию при емкостной нагрузке коллекторов Т7 и Т8 и, с другой стороны, "опережающую", будучи подсоединенным не к земле, а к R21.
Резистор R34 предотвращает возникновение двух различных петель заземления в том случае, когда два или более УМЗЧ питаются от одного блока питания. Земля на входе соединяется с металлическим корпусом или шасси и с предусилителем, а другие земли представляющие собой, по сути дела, возвратные провода для токов нуля, соединяются по отдельности с нулевой точкой блока питания.
Монтаж. Усилитель собран на двусторонней печатной плате, чертеж которой показан на рис.2-3.
Со стороны деталей имеется сплошная фольга заземления. Зенковка в местах "входа" выводов деталей в плату предотвращает замыкания. Соединяющиеся с землей выводы деталей припаиваются непосредственно (без отверстий) к фольге заземления. На сборочном чертеже эти точки помечены черным цветом.
Два оконечных полевых транзистора устанавливаются на уголки из алюминия, которые соединяются с радиатором, создавая тепловой мостик, и оба крепятся к плате. Их необходимо изолировать от уголков и платы. Имеющийся в цепи эмиттера резистор "висит в воздухе", поскольку установлен навесным монтажом. Резисторы R29 и R30 для укорачивания выводов припаиваются со стороны дорожек платы. Теплоотводы не должны образовывать с "нулевой" фольгой "ложную землю", поэтому "нулевая" фольга прерывается глубокой царапиной, идущей параллельно теплоотводам. Для нормального охлаждения полевых транзисторов достаточно охлаждающей поверхности около 400 см 2 . Транзисторы Т9 и Т10 крепятся к "нулевой" фольге через тонкую слюдяную пластину. Здесь очень легко может возникнуть короткое замыкание, поэтому монтаж нужно тщательно проверить омметром.
Катушка L1 диаметром 10 мм состоит из примерно 15 плотно намотанных витков провода диаметром 0,5 мм (без сердечника). Резистор R33 расположен по оси L1, и его выводы спаиваются вместе с выводами катушки, а затем крепятся к плате.
Три провода, идущие к блоку питания, скручиваются вместе. Два провода, ведущие к динамику, также скручиваются в отдельный жгут (независимо от предыдущих). Поскольку здесь текут большие токи, их магнитные поля могут значительно увеличить искажения - главным образом, на высоких частотах.
Скручивание проводов вместе приводит к тому, что магнитные поля токов, текущих в противоположных направлениях, взаимно уничтожаются.
Нулевая точка блока питания и вывод динамика не соединяются с корпусом, и идущие к ним провода не укладываются вместе с другими проводами.
Блок питания. Схема блока питания - самая простая (рис.4). Трансформатор, имеющий отвод от середины вторичной обмотки, питает двухполупериодный выпрямитель, состоящий из двух групп по 2 диода. Сглаживание пульсации осуществляют конденсаторы емкостью не менее 4700 мкФ (40 В). Такой блок может обеспечить питанием два оконечных усилителя.
Верхний предел напряжения вторичной обмотки трансформатора определяется типом использованных транзисторов Т7, Т8. В случае использования пары ВС 546/556, напряжение питания (в отсутствие сигнала) не должно превосходить 30...32 В. Более высокое напряжение эти транзисторы "переносят плохо". При напряжении питания ±30 В можно использовать трансформатор 220/2х22,5 В или 230/2х24 В. Усилитель с напряжением питания ±30 В может отдать в нагрузку мощность около 24 Вт (на 8 Ом).
Полевые транзисторы, используемые в оконечном усилителе, очень дорогие. За цену одного такого транзистора можно приобрести весь остальной набор деталей. Невольно возникает вопрос- компенсируются ли излишки расходов ожидаемым улучшением качества. Ответ на этот вопрос зависит от многих обстоятельств, поскольку:
Речь идет о субъективно воспринимаемых искажениях, поэтому звуковые ощущения у разных людей будут разными;
Восприятие искажений зависит от воспроизводимой музыки. При воспроизведении чисто "авторской" электронной музыки не имеет смысла говорить об искажениях, ибо невозможно узнать, были или нет эти искажения в исходном материале;
Проблематично воспроизведение музыки, поступающей с CD. По мнению "критических ушей" и автора, эта музыка имеет специфическую окраску. Воспроизведение же с хорошей аналоговой пластинки или непосредственно с концерта дает превосходное качество.
Перевод А. Бельского.
При создании усилителей большой мощности в выходном каскаде приходится применять параллельное включение специально подобранных и согласованных групп транзисторов, что заметно усложняет и удорожает изготовление усилителя. Гораздо проще и дешевле использовать в этом каскаде лидеров по коэффициенту усиления и мощно сти - биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT ), так как отпадают вопросы подбора и установки групп транзисторов. Но считается, что такие транзисторы могут работать только в переключательных режимах. К тому же среди них практически нет комплементарных пар.
В настоящее время сложилось устойчивое мнение, что только каскады с симметричным выходом на комплементарных транзисторах способны обеспечить высокие параметры УМЗЧ . Это происходит из-за того, что практически все они повторяют топологию разработанную Лином на фирме RCA еще в 1956 г., - входной дифференциальный каскад, второй каскад усиления напряжения и выходной симметричный двухтактный каскад - усилитель тока . Но эта структура далеко не оптимальна, если одно из плеч выходного каскада построено по схеме Шикпаи, как это бывает при конструировании УМЗЧ с мощными транзисторами одинаковой проводимости.
Главная проблема усилителя с выходным каскадом на транзисторах одинаковой проводимости - это потенциальная неустойчивость порождаемая тем, что одно из плеч выходного каскада охвачено местной отрицательной обратной связью. В результате существенно различаются фазо-частотные характеристики плеч. А это порождает звон и паразитную генерацию в выходном каскаде и требует дополнительной коррекции, симметрирующей такой выходной каскад, что снижает общую частоту среза УМЗЧ и приводит в итоге к повышению искажений . Хотя такие схемы у конструкторов энтузиазма не вызывают, тем не менее, транзисторы одинаковой проводимости широко используются в выходных каскадах мощных микросхем УМЗЧ в силу дешевизны производства. Конечно, среди биполярных транзисторов комплементарных пар достаточно много, и трудности возникают только с подбором пар комплементарных транзисторов группы IGBT , привлекательность использования которых очевидна. Это сдерживает применение таких транзисторов, при их неоспоримых достоинствах перед биполярными и полевыми транзисторами .Существуют мостовые схемы мощных каскадов, в которых не требуются комплементарные пары транзисторов. Но они довольно сложны, и в них сложно использовать эффективную обратную связь , в результате мостовые схемы не получили широкого распространения, кроме автомагнитол, где их используют из-за ограниченного напряжения питания.
Рассмотрим отдельно несимметричный двухтактный выходной каскад на IGBT (рис. 1), когда верхний транзистор включен по схеме с общим коллектором а нижний транзистор- по схеме с общим эмиттером .
Зависимость выходного напряжения от тока управления для верхнего транзистора составит: U H = l э (1+R 3 * S ) *R н, а для нижнего транзистора - U H = l э * R 3 * S *R H . Можно заметить, что эти зависимости выходного напряжения очень близки, и при равном значении крутизны и большом сопротивлении резисторов в цепи затвора (R 1, R 2) выходной каскад практически симметричен. Но симметрия и линейность - это разные свойства. А замечательное свойство этой схемы в том, что различие крутизны транзисторов можно компенсировать подбором резисторов. Такая симметрия недостижима для комплементарных полевых транзисторов. Различие крутизны у комплементарных пар полевых транзисторов достигает 300%, примерно такая же разница и их входной емкости.
Конечно, симметрия высока только на низких частотах, какими представляют и звуковые частоты. Задача состоит в том, чтобы построить схему с сохранением симметрии в наиболее широком диапазоне частот. И здесь топология Лина уже не является оптимальной .
Но вернемся к схеме на рис. 1. Недостаток каскада заключается в том, что для каждого плеча требуется свой генератор сигнала, и в результате возникают трудности с обеспечением термостабильности тока покоя каскада. Гораздо удобнее схема возбуждения каскада на рис. 2. Привлекательность ее в том, что теперь не требуются два источника сигнала, и управление таким каскадом гораздо проще. Более того, здесь изменение сопротивления источника сигнала R изменяет ток от источника тока к резисторам в цепи затворов транзисторов, причем изменение сопротивления R r приводит к противофазному изменению напряжения на затворах транзисторов. При увеличении Rr отпирается верхний транзистор и запирается нижний, при уменьшении Rr запирается верхний транзистор и отпирается нижний. Суммарное значение токов на затворных резисторах, при любом значении Rr , остается неизменным и определяется источником тока. ,,, То есть, здесь осуществляется преобразование входного сигнала в управляющий симметричный противофазный ток, но в десятки раз различающееся управляющее напряжение, для верхнего и нижнего плеча несимметричного выходного каскада, что необходимо для управления несимметричным выходным каскадом. Так реализуется двухтактный режим работы мощного несимметричного выходного каскада . Начальный ток выходных транзисторов и термостабилизация тока покоя достигается изменением тока одного источника тока, так как при уменьшении тока источника тока запираются оба транзистора.
Построение выходного каскада на транзисторах одинаковой структуры проводимости по предлагаемой схеме достаточно привлекательно простотой, особенно при большой выходной мощности усилителя (более 100 Вт), когда IGBT - транзисторы имеют ряд преимуществ перед биполярными и полевыми транзисторами. К тому же, по мнению разработчиков фирмы PLINIUS звучание с усилителями на транзисторах п-р-п структуры лучше, чем на транзисторах р-п-р структуры, и в дорогих моделях они предпочитают асимметричный выходной каскад . Объясняют это тем, что транзисторы предпочтительной структуры более линейны и имеют лучшие частотные свойства, а также больший коэффициент усиления.
Для эффективного использования IGBT , а также полевых транзисторов одинаковой проводимости мною предлагается новая структура УМЗЧ - входной каскодный усилитель далее составной каскад на транзисторах разной проводимости с источником тока и стабилитроном и, наконец, двухтактный несимметричный выходной каскад с транзисторами одинаковой структуры. Эта структура с вольтдобавко й и вспомогательными цепями показана на рис. 3. Новая структура создает самый короткий путь прохождения сигнала к нижнему транзистору, который имее т наихудшие частотные свойства и, несмотря на простоту, имеет большой общий коэффициент усиления.
Рассмотрим схему на рис. 3 подробнее. Входной сигнал, через резистор R 1, определяющий входное сопротивление усилителя, поступает на базу транзистора VT 1. Включение этого транзистора в каскоде позволяет использовать на входе низковольтный высокочастотный малошумящий транзистор и нейтрализовать эффект Миллера, а также уменьшить влияние синфазного напряжения. Транзистор VT 2 должен выдерживать требуемое напряжение, т.е . быть относительно высоковольтным. Использование "сломанного каскода", вместо обычного, защищает транзисторы VT 1 и VT 2 от пробоя, так как при перегрузке входным сигналом рост тока VT 1 и VT 2 ограничен резистором R 3.
Использование дифференциального входного усилителя вместо каскодного приведет к уменьшению крутизны входного каскада в два раза и увеличению шума входного каскада на 2 дБ, а это, в конечном счете, приведет к росту искажений. Также появится необходимость в подборе пары входных транзисторов.
С выхода каскодного усилителя сигнал поступает на со ставной каскад на транзисторах VT 3 VT 4, которые осуществляют функцию Rr . Эти транзисторы включены по структуре ОБ-ОЭ с объединением по эмиттерам, что является оптимальным для выбора и использования транзисторов. Коэффициенты усиления по напряжению и по мощности транзисторов VT 3 и VT 4 сильно различаются, это требует применения в качестве VT 3 высоковольтного транзистора средней мощности, частотные свойства которых, как правило, гораздо хуже маломощных низковольтных транзисторов. Поэтому включение его в режиме ОБ более эффективно, чем в режиме ОЭ. Усиление по напряжению для VT 4 не столь велико, как для VT 3. Поэтому включение его в режим ОЭ не слишком сильно ухудшит общую АЧХ.
Выбор подходящего дешевого высоковольтного транзистора п-р-п структуры для VT 3 не вызывает проблем, а транзистор VT 4 - низковольтный маломощный р-п-р структуры из высокочастотных транзисторов широкого применения.
Полевые транзисторы в качестве VT 1 ...VT 4 использовать нецелесообразно, так как они имеют меньшую крутизну, чем биполярные транзисторы, что будет эквивалентно снижению усиления каскадов и линейности усилителя в целом.
С целью увеличения максимальной амплитуды напряжения для полупериодов плюсовой полярности введена вольт- добавка в виде цепи R 6, С1. Хотя вместо вольтдобавки можно применить дополнительное питание, что расширит диапазон работы усилителя в область низких частот. Стабилитрон VD 1 компенсирует остаточное падение напряжения на транзисторах VT 3, VT 4 в полупериоды минусовой полярно сти и тем самым уменьшает напряжение насыщения по минусу питания.
Применение параллельной ООС, вместо более распространенной последовательной ООС, делает усилитель менее чувствительным (в части линейности) к изменению сопротивления источника сигнала. Так, при его увеличении нелинейные искажения усилителя не возрастают как это происходит при использовании последовательной ООС .
Замечательным свойством предлагаемой структуры является "естественное" ограничение максимального выходного тока . Дело в том, что напряжение на резисторах R 5, R 7 может максимально принимать только удвоенное значение от первоначального, и выбором сопротивления эмиттерных резисторов R 8, R 9 можно ограничить максимальный ток транзисторов, рассчитав его по формуле: Imax = (2 U нач – Umax )/R э,
где U нач - напряжение затвор-эмиттер транзисторов VT 5, VT 6, при котором через транзисторы течет заданный начальный ток; Umax - напряжение затвор-эмиттер транзисторов VT 5, VT 6 при протекании через них максимального тока; R э - сопротивление резисторов R 8, R 9.
Благодаря тому, что максимальное напряжение на резисторах R 5, R 7 не превышает удвоенного значения от начального (например: если U зэ нач 5,7 В, то U зэ max = 11,4 В), нет смысла устанавливать защиту затворов от перенапряжения . А так как токи всех приборов усилителя ограничены, нет необходимости в дополнительных схемах защиты каскадов, что заметно упрощает усилитель.
На практике напряжение затвор-эмиттер транзисторов при протекании через них максимального тока заранее не известно, поэтому экспериментальным подбором R э осуществляется выбор I max .
Как нетрудно заметить, R 8 и R 9 выполняют не только ограничительную, но и линеаризующую функцию для VT 5 и VT 6, создавая местную ООС в сам их нелинейных элементах.
Вариант практической схемы реализации мощного УМЗЧ приведен на рис. 4.
Как видно из приведенных параметров технических характеристик, описываемый усилитель не уступает по качеству лучшим усилителям с симметричной структурой, и такая высокая выходная мощность реализована всего на восьми транзисторах! Неплохой результат при затратах на комплектующие порядка 10 USD , с учетом того, что не нужен подбор и отбор групп транзисторов. И вообще схема является одной из лучших по соотношению затраты/качество.
Наиболее подробно особенности работы УМЗЧ можно описать по полной схеме (рис. 4) следующим образом . Входной сигнал, через цепь С1, R 1, задающую нижнюю граничную частоту и входное сопротивление, поступает на базу транзистора VT 1. В качестве входного в ыбран СВЧ транзистор КТ368А (для быстрого выхода из насыщения после перегрузки при ограничении выходного сигнала). На базу этого же транзистора поступает сигнал обратной связи через цепь С2, R 3.
Цепь СЗ , R 2, R 4 , R 7 предназначена для установки нулевого напряжения смещения на выходе усилителя . Так как подстроечный резистор R 7 со временем может изменить сопротивление, вместо него лучше установить подобранный при настройке постоянный резистор. Диоды VD 2 и HL 1 задают смещение на базу транзистора VT 2 и одновременно осуществляют термокомпенсацию нулевого напряжения на выходе усилителя за счет одинаковых тепловых коэффициентов транзистора VT 1 и диода VD 2 (он же задает напряжение смещения по цепи R 2, R 4, R 7).
Конденсатор С4 осуществляет коррекцию входного каскада. С коллектора VT 1 сигнал через VT 2 поступает на базу эмиттерного повторителя на транзисторе VT 3. Его задача - повышение входного сопротивления и тем самым повышение общего усиления, а также ускорение запирания транзистора VT 5 и нейтрализация эффекта Миллера. Стабилитрон VD 3 увеличивает напряжение питания для VT 3 и тем ускоряет запирание транзисторов VT 4, VT 5, увеличивая скорость переднего фронта.
С эмиттера VT 3 сигнал поступает на базу транзистора VT 5. Цепь L 1, R 13 осуществляет коррекцию составного каскада на транзисторах VT 4 и VT 5. С коллектора транзистора VT 5 сигнал поступает на затвор выходного транзистора нижнего плеча . С коллектора транзистора VT 4 аналогичный, но противофазный токовый сигнал поступает через стабилитрон VD 7 на затвор выходного транзистора верхнего плеча.
Цепь R 11, С7 в базе VT 4 осуществляет инклюзивную коррекцию выходного каскада, повышающую устойчивость усилителя в режиме ограничения. Цепи С 10, R 22 и L 2, R 24 повышают устойчивость усилителя при изменении сопротивления нагрузки и при ее емкостном характере .
Диод VD 8 уменьшает в два раза тепловую мощность, рассеиваемую на резисторе R 20, за счет того, что по нему течет только ток зарядки конденсатора С8. Ток покоя выходного каскада, равный 0,2 А, выставляют подстроенным резистором R 17.
Для термостабилизации тока покоя УМЗЧ диоды VD 5 и VD 6 устанавливают на теплоотвод рядом с выходными транзисторами. Транзисторы VT 4, VT 6 снабжают небольшими пластиночными теплоотводами, так как рассеиваемая ими тепловая мощность достигает 0,8 Вт. Светодиод HL 2 используется для задания смещения источника тока на транзисторе VT 6 и одновременно для индикации включения усилителя.
Выходные транзисторы необходимо установить на радиаторе площадью не менее 3000 см 2 . Применение вентилятора позволит резко сократить его размеры, что заметно уменьшит габариты и вес усилителя.
При первом включении усилителя для защиты выходных транзисторов резисторы R 19 и R 23 рекомендуется заменить более высокоомными (до 3 …10 Ом), и лишь после проверки напряжения на затворах можно установить соответствующие схеме 0,1 0м и выставить ток покоя. При этом для IRG 4PC 30W напряжение U зэ = 5,7 В.
Как видно из полной схемы (рис. 4), в усилителе применена довольно сложная коррекция АЧХ (четыре конденсатора и дроссель, не считая резисторов). Это небольшая плата за то, чтобы несимметричная структура вела себя не хуже симметрично й (с комплементарными приборами) и получить высокую устойчивость усилителя в зоне ограничения . Можно сказать, что первая проблема достижения малых искажений после выбора структурной схемы - это проблема выбора коррекции АЧХ усилителя создающей необходимый запас устойчивости усилителя при большом изменении выходных токов и напряжений, и в то же время обеспечивающей минимальную фазовую задержку в рабочем диапазоне частот. В большинстве случаев именно коррекция становится определяющей, сводя на нет достоинства многих схем .
Разработчик всегда находится перед дилеммой - увеличить ли глубину общей ООС для улучшения линейности усилителя или уменьшить ее глубину, чтобы увеличить запас устойчивости, который необходим, если сопротивление АС имеет сложный характер. И если усилители звучат по-разному, то в большой степени это связано с запасом устойчивости, который очень заметно проявляется на больших уровнях . Именно поэтому УМЗЧ с "простыми" схемами часто показывают лучшие результаты, чем имеющие сложную (часто на микросхемах) структуру. А каждый новый каскад должен вводиться после тщательных испытаний эффективности нов ых элементов. Тем более, что увеличение глубины ООС в большинстве случаев не дает желаемого результата, а лишь ухудшает запас устойчивости. И тут на первый план выходит правильная оценка критериев линейности и динамической устойчивости усилителя, которые в свою очередь зависят от грамотной коррекции. Причем грамотная коррекция должна минимизировать фазовую задержку в рабочем диапазоне частот, не ухудшая общую устойчивость. Часто гораздо эффективней хорошая коррекция, чем новый каскад.
Конечно, выбранный способ баланса нуля на выходе усилителя далеко не лучший, и он привлекателен лишь своей простотой. На выходе УМЗЧ может возникать "плавающее" смещение до нескольких десятков милливольт, но оно не сказывается заметно ни на звуке, ни на рабочей точке выходных транзисторов. Для уменьшения же ухода "нуля" полезно ввести узел слежения на прецизионной микросхеме, пусть это и усложнит усилитель.
Примененные транзисторы IRG 4PC 30W недороги, но они имеют заметную нелинейность на начальном участке и большую входную емкость. Если проверить весь ряд серий IGBT , предлагаемых изготовителями, то наверняка можно найти приборы с большей линейностью и меньшей входной емкостью. У автора не было возможности провести такую работу. С предложенными транзисторами можно улучшить линейность в два раза увеличением тока покоя до 0,5 А, но это потребует увеличения площади радиатора.
В заключение хочу отметить, что если нет потребности в большой мощности усилителя, то вполне можно использовать на выходе вместо IGBT транзисторов полевые транзисторы с изолированным затвором и каналом n -типа, линейность которых заметно выше. Усилитель получит более высокую линейность, при этом надо только подобрать резисторы для другого напряжения питания и стабилитроны для другого напряжения затвора. Уменьшенный по мощности аналог УМЗЧ на полевых транзисторах, соответствующий приведенной здесь схеме, успешно эксплуатируется автором в течение шести лет, доставляя массу приятных минут при прослушивании в домашних условиях разного рода музыкальных программ.
1. Данилов А.А. Прецизионные усилители низкой частоты М Горячая линия - Телеком, 2004.
2. Козырев В Усилители " Krell KAV -4- xi ", " Audio Analogue Maestro ", " Plinius 9200". - Аудио Магазин, 2003, №6, с. 71,72.
3. Шпак С.В. Патент RU №2316891 от 10.04.2006.
4 Дуглас Селф о ранее не замеченном источнике искажений транзисторных УМЗЧ с общей ООС - Радиохобби, 2003, №3, с. 10,11.
5. Витушкин А., Телеснин В. Устойчивость усилителя и естественность звучания. - Радио 1980, №7, с 36,37.
Сергей Шпак г.Казань Татарстан
P.S. На сайте уже поднималась тема редакционных ошибок, здесь ещё один пример такой ошибки: -
Vovk@
Схема усилителя приведена на рис.1. Через RC-цепочку фильтра нижних частот сигнал попадает на комплементарный входной каскад (Т1, Т2, ТЗ, Т4). При желании можно увеличить емкость разделительного конденсатора С1, однако делать это имеет смысл только в случае очень низкой граничной частоты звукоизлучающей системы. В эмиттерную цепь входного каскада включен линеаризующий резистор R11 на 100 Ом, к эмиттерам же подключена общая отрицательная обратная связь величиной около 30 дБ. "Внутри" каскада, между коллектором "нижнего" транзистора (Т2) и эмиттером "верхнего" (ТЗ) действует вторая ("внутренняя") петля обратной связи величиной около 18 дБ. Это означает, что за исключением транзисторов Т1, Т2, обе петли оказывают одинаковое действие на все остальные каскады.
Через эмиттерный повторитель (основная роль которого - сдвиг уровня постоянного напряжения) сигнал с входного каскада подается на усилитель напряжения(Т7,Т8). В эмиттерах транзисторов здесь снова установлены линеаризующие резисторы. Коллекторный ток этих транзисторов протекает через цепи, которые регулируют ток покоя полевых транзисторов оконечного усилителя. Остановимся на мгновение! Температурный коэффициент Kт полевых транзисторов (т.е. отношение напряжение на затворе/ток стока) близок к нулю. Для малых токов он небольшой и отрицательный, для больших - небольшой и положительный. Перемена знака происходит для мощных транзисторов при токе около 100 мА. Оконечный усилитель работает при токе покоя 100 мА. Полевые транзисторы "раскачиваются" через транзисторные эмиттерные повторители, у которых, как известно, Кт положительный. Поэтому необходимо использовать такую предварительно смещенную цепь, которая компенсировала бы температурную зависимость. Температурную зависимость эмиттерных повторителей компенсируют диоды D3 и D4. Ток покоя полевых транзисторов оконечного усилителя устанавливается потенциометром Р на уровне порядка 100 мА. В цепях затворов полевых транзисторов установлены резисторы (R29, R30), препятствующие самовозбуждению. Цепь, состоящая из диодов и стабилитронов (D5...D8), предотвращает появление опасного для полевых транзисторов напряжения затвор-исток. В цепи истока полевых транзисторов имеются резисторы (R31 и R32) номиналом на 0,47 Ом. Из них R32 отмечен звездочкой - в опытном образце его значение было равно нулю. Этот резистор сглаживает возможные различия в крутизне полевых транзисторов. Как правило, включение R32 не оказывает катастрофического действия на усиление, можно ожидать увеличения искажений на величину порядка 20...30%. Как обычно, RCL-звено на выходе усилителя защищает его от самовозбуждения при чрезвычайно высоком реактивном импедансе нагрузки. Сопротивление Rx в цепи эмиттера Т1 на входе усилителя используется для точной балансировки усилителя. Если взять R13 и R14 одинаковой величины (6,8 кОм), а Rx закоротить, то смещение выхода будет вполне удовлетворительным. Но если необходимо его улучшить, то R13 уменьшается до 6,2 кОм, а вместо Rx временно подключается потенциометр на 1 кОм. После примерно 30 мин "прогрева" усилителя, этим потенциометром устанавливается на выходе уровень напряжения, равный нулю. Сопротивление потенциометра измеряется, и в качестве Rx припаивается резистор с номиналом, подходящим ближе всего к измеренному. Как правило, при замене D1 или D2 возникает необходимость в замене Rx. Конденсатор С9 осуществляет частотную коррекцию усилителя. Он вызывает двойной эффект: осуществляет, с одной стороны, "запаздывающую" коррекцию при емкостной нагрузке коллекторов Т7 и Т8 и, с другой стороны, "опережающую", будучи подсоединенным не к земле, а к R21. Резистор R34 предотвращает возникновение двух различных петель заземления в том случае, когда два или более УМЗЧ питаются от одного блока питания. Земля на входе соединяется с металлическим корпусом или шасси и с предусилителем, а другие земли представляющие собой, по сути дела, возвратные провода для токов нуля, соединяются по отдельности с нулевой точкой блока питания.
Монтаж.
Усилитель собран на двусторонней печатной плате, чертеж которой показан на рис.2-3. Со стороны деталей имеется сплошная фольга заземления. Зенковка в местах "входа" выводов деталей в плату предотвращает замыкания. Соединяющиеся с землей выводы деталей припаиваются непосредственно (без отверстий) к фольге заземления. На сборочном чертеже эти точки помечены черным цветом. Два оконечных полевых транзистора устанавливаются на уголки из алюминия, которые соединяются с радиатором, создавая тепловой мостик, и оба крепятся к плате. Их необходимо изолировать от уголков и платы. Имеющийся в цепи эмиттера резистор "висит в воздухе", поскольку установлен навесным монтажом. Резисторы R29 и R30 для укорачивания выводов припаиваются со стороны дорожек платы. Теплоотводы не должны образовывать с "нулевой" фольгой "ложную землю", поэтому "нулевая" фольга прерывается глубокой царапиной, идущей параллельно теплоотводам. Для нормального охлаждения полевых транзисторов достаточно охлаждающей поверхности около 400 см2. Транзисторы Т9 и Т10 крепятся к "нулевой" фольге через тонкую слюдяную пластину. Здесь очень легко может возникнуть короткое замыкание, поэтому монтаж нужно тщательно проверить омметром. Катушка L1 диаметром 10 мм состоит из примерно 15 плотно намотанных витков провода диаметром 0,5 мм (без сердечника). Резистор R33 расположен по оси L1, и его выводы спаиваются вместе с выводами катушки, а затем крепятся к плате. Три провода, идущие к блоку питания, скручиваются вместе. Два провода, ведущие к динамику, также скручиваются в отдельный жгут (независимо от предыдущих). Поскольку здесь текут большие токи, их магнитные поля могут значительно увеличить искажения - главным образом, на высоких частотах. Скручивание проводов вместе приводит к тому, что магнитные поля токов, текущих в противоположных направлениях, взаимно уничтожаются. Нулевая точка блока питания и вывод динамика не соединяются с корпусом, и идущие к ним провода не укладываются вместе с другими проводами.
Блок питания. Схема блока питания - самая простая (рис.4). Трансформатор, имеющий отвод от середины вторичной обмотки, питает двухполупериодный выпрямитель, состоящий из двух групп по 2 диода. Сглаживание пульсации осуществляют конденсаторы емкостью не менее 4700 мкФ (40 В). Такой блок может обеспечить питанием два оконечных усилителя.
Верхний предел напряжения вторичной обмотки трансформатора определяется типом использованных транзисторов Т7, Т8. В случае использования пары ВС 546/556, напряжение питания (в отсутствие сигнала) не должно превосходить 30...32 В. Более высокое напряжение эти транзисторы "переносят плохо". При напряжении питания ±30 В можно использовать трансформатор 220/2х22,5 В или 230/2х24 В. Усилитель с напряжением питания ±30 В может отдать в нагрузку мощность около 24 Вт (на 8 Ом). Полевые транзисторы, используемые в оконечном усилителе, очень дорогие. За цену одного такого транзистора можно приобрести весь остальной набор деталей. Невольно возникает вопрос- компенсируются ли излишки расходов ожидаемым улучшением качества. Ответ на этот вопрос зависит от многих обстоятельств, поскольку:
речь идет о субъективно воспринимаемых искажениях, поэтому звуковые ощущения у разных людей будут разными;
восприятие искажений зависит от воспроизводимой музыки. При воспроизведении чисто "авторской" электронной музыки не имеет смысла говорить об искажениях, ибо невозможно узнать, были или нет эти искажения в исходном материале;
проблематично воспроизведение музыки, поступающей с CD. По мнению "критических ушей" и автора, эта музыка имеет специфическую окраску. Воспроизведение же с хорошей аналоговой пластинки или непосредственно с концерта дает превосходное качество.
Схема усилителя приведена на рис.1. Через RC-цепочку фильтра нижних частот сигнал попадает на комплементарный входной каскад (Т1, Т2, ТЗ, Т4). При желании можно увеличить емкость разделительного конденсатора С1, однако делать это имеет смысл только в случае очень низкой граничной частоты звукоизлучающей системы.
В эмиттерную цепь входного каскада включен линеаризующий резистор R11 на 100 Ом, к эмиттерам же подключена общая отрицательная обратная связь величиной около 30 дБ. "Внутри" каскада, между коллектором "нижнего" транзистора (Т2) и эмиттером "верхнего" (ТЗ) действует вторая ("внутренняя") петля обратной связи величиной около 18 дБ. Это означает, что за исключением транзисторов Т1, Т2, обе петли оказывают одинаковое действие на все остальные каскады.
Через эмиттерный повторитель (основная роль которого - сдвиг уровня постоянного напряжения) сигнал с входного каскада подается на усилитель напряжения(Т7,Т8). В эмиттерах транзисторов здесь снова установлены линеаризующие резисторы. Коллекторный ток этих транзисторов протекает через цепи, которые регулируют ток покоя полевых транзисторов оконечного усилителя.
Остановимся на мгновение! Температурный коэффициент Kт полевых транзисторов (т.е. отношение напряжение на затворе/ток стока) близок к нулю. Для малых токов он небольшой и отрицательный, для больших - небольшой и положительный. Перемена знака происходит для мощных транзисторов при токе около 100 мА. Оконечный усилитель работает при токе покоя 100 мА. Полевые транзисторы "раскачиваются" через транзисторные эмиттерные повторители, у которых, как известно, Кт положительный. Поэтому необходимо использовать такую предварительно смещенную цепь, которая компенсировала бы температурную зависимость.
Температурную зависимость эмиттерных повторителей компенсируют диоды D3 и D4.
Ток покоя полевых транзисторов оконечного усилителя устанавливается потенциометром Р на уровне порядка 100 мА.
В цепях затворов полевых транзисторов установлены резисторы (R29, R30), препятствующие самовозбуждению. Цепь, состоящая из диодов и стабилитронов (D5...D8), предотвращает появление опасного для полевых транзисторов напряжения затвор-исток.
В цепи истока полевых транзисторов имеются резисторы (R31 и R32) номиналом на 0,47 Ом. Из них R32 отмечен звездочкой - в опытном образце его значение было равно нулю. Этот резистор сглаживает возможные различия в крутизне полевых транзисторов. Как правило, включение R32 не оказывает катастрофического действия на усиление, можно ожидать увеличения искажений на величину порядка 20...30%.
Как обычно, RCL-звено на выходе усилителя защищает его от самовозбуждения при чрезвычайно высоком реактивном импедансе нагрузки.
Сопротивление Rx в цепи эмиттера Т1 на входе усилителя используется для точной балансировки усилителя. Если взять R13 и R14 одинаковой величины (6,8 кОм), а Rx закоротить, то смещение выхода будет вполне удовлетворительным. Но если необходимо его улучшить, то R13 уменьшается до 6,2 кОм, а вместо Rx временно подключается потенциометр на 1 кОм. После примерно 30 мин "прогрева" усилителя, этим потенциометром устанавливается на выходе уровень напряжения, равный нулю. Сопротивление потенциометра измеряется, и в качестве Rx припаивается резистор с номиналом, подходящим ближе всего к измеренному. Как правило, при замене D1 или D2 возникает необходимость в замене Rx.
Конденсатор С9 осуществляет частотную коррекцию усилителя. Он вызывает двойной эффект: осуществляет, с одной стороны, "запаздывающую" коррекцию при емкостной нагрузке коллекторов Т7 и Т8 и, с другой стороны, "опережающую", будучи подсоединенным не к земле, а к R21.
Резистор R34 предотвращает возникновение двух различных петель заземления в том случае, когда два или более УМЗЧ питаются от одного блока питания. Земля на входе соединяется с металлическим корпусом или шасси и с предусилителем, а другие земли представляющие собой, по сути дела, возвратные провода для токов нуля, соединяются по отдельности с нулевой точкой блока питания.
Монтаж. Усилитель собран на двусторонней печатной плате, со стороны деталей имеется сплошная фольга заземления. Зенковка в местах "входа" выводов деталей в плату предотвращает замыкания. Соединяющиеся с землей выводы деталей припаиваются непосредственно (без отверстий) к фольге заземления. На сборочном чертеже эти точки помечены черным цветом.
Два оконечных полевых транзистора устанавливаются на уголки из алюминия, которые соединяются с радиатором, создавая тепловой мостик, и оба крепятся к плате. Их необходимо изолировать от уголков и платы. Имеющийся в цепи эмиттера резистор "висит в воздухе", поскольку установлен навесным монтажом. Резисторы R29 и R30 для укорачивания выводов припаиваются со стороны дорожек платы. Теплоотводы не должны образовывать с "нулевой" фольгой "ложную землю", поэтому "нулевая" фольга прерывается глубокой царапиной, идущей параллельно теплоотводам. Для нормального охлаждения полевых транзисторов достаточно охлаждающей поверхности около 400 см 2 . Транзисторы Т9 и Т10 крепятся к "нулевой" фольге через тонкую слюдяную пластину. Здесь очень легко может возникнуть короткое замыкание, поэтому монтаж нужно тщательно проверить омметром.
Катушка L1 диаметром 10 мм состоит из примерно 15 плотно намотанных витков провода диаметром 0,5 мм (без сердечника). Резистор R33 расположен по оси L1, и его выводы спаиваются вместе с выводами катушки, а затем крепятся к плате.
Три провода, идущие к блоку питания, скручиваются вместе. Два провода, ведущие к динамику, также скручиваются в отдельный жгут (независимо от предыдущих). Поскольку здесь текут большие токи, их магнитные поля могут значительно увеличить искажения - главным образом, на высоких частотах.
Скручивание проводов вместе приводит к тому, что магнитные поля токов, текущих в противоположных направлениях, взаимно уничтожаются.
Нулевая точка блока питания и вывод динамика не соединяются с корпусом, и идущие к ним провода не укладываются вместе с другими проводами.
Схема блока питания - самая простая (рис.4). Трансформатор, имеющий отвод от середины вторичной обмотки, питает двухполупериодный выпрямитель, состоящий из двух групп по 2 диода. Сглаживание пульсации осуществляют конденсаторы емкостью не менее 4700 мкФ (40 В). Такой блок может обеспечить питанием два оконечных усилителя.
Рис.4
Верхний предел напряжения вторичной обмотки трансформатора определяется типом использованных транзисторов Т7, Т8. В случае использования пары ВС 546/556, напряжение питания (в отсутствие сигнала) не должно превосходить 30...32 В. Более высокое напряжение эти транзисторы "переносят плохо". При напряжении питания ±30 В можно использовать трансформатор 220/2х22,5 В или 230/2х24 В. Усилитель с напряжением питания ±30 В может отдать в нагрузку мощность около 24 Вт (на 8 Ом).
Полевые транзисторы, используемые в оконечном усилителе, очень дорогие. За цену одного такого транзистора можно приобрести весь остальной набор деталей. Невольно возникает вопрос- компенсируются ли излишки расходов ожидаемым улучшением качества. Ответ на этот вопрос зависит от многих обстоятельств, поскольку:
Речь идет о субъективно воспринимаемых искажениях, поэтому звуковые ощущения у разных людей будут разными;
Восприятие искажений зависит от воспроизводимой музыки. При воспроизведении чисто "авторской" электронной музыки не имеет смысла говорить об искажениях, ибо невозможно узнать, были или нет эти искажения в исходном материале;
Проблематично воспроизведение музыки, поступающей с CD. По мнению "критических ушей" и автора, эта музыка имеет специфическую окраску. Воспроизведение же с хорошей аналоговой пластинки или непосредственно с концерта дает превосходное качество.
Список радиоэлементов
Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
---|---|---|---|---|---|---|
T1, T3, T6 | Биполярный транзистор | BC182 | 3 | В блокнот | ||
T2, T4, T5 | Биполярный транзистор | BC212CSM | 3 | В блокнот | ||
T7 | Биполярный транзистор | BC556B | 1 | В блокнот | ||
T8 | Биполярный транзистор | BC546B | 1 | В блокнот | ||
T9 | Биполярный транзистор | BD139 | 1 | В блокнот | ||
T10 | Биполярный транзистор | BD140 | 1 | В блокнот | ||
T11 | MOSFET-транзистор | 2SK135 | 1 | В блокнот | ||
T12 | MOSFET-транзистор | 2SK350 | 1 | В блокнот | ||
D1, D2 | Стабилитрон | 1N4744A | 2 | 5 В | В блокнот | |
D3-D6 | Выпрямительный диод | 1N4148 | 4 | В блокнот | ||
D7, D8 | Стабилитрон | 10 В | 2 | В блокнот | ||
C1 | Конденсатор | 1 мкФ | 1 | В блокнот | ||
C2 | Конденсатор | 1 нФ | 1 | В блокнот | ||
C3-C6 | 2.2 мкФ | 4 | В блокнот | |||
C7-C8 | Электролитический конденсатор | 470 мкФ | 2 | В блокнот | ||
C9 | Конденсатор | 27 пФ | 1 | В блокнот | ||
C10, C13-C15 | Конденсатор | 100 нФ | 4 | В блокнот | ||
C11, C12 | Электролитический конденсатор | 100 мкФ | 2 | В блокнот | ||
R1, R7, R8 | Резистор | 10 кОм | 3 | В блокнот | ||
R2, R15, R16 | Резистор | 1 кОм | 3 | В блокнот | ||
R3, R4 | Резистор | 2.2 кОм | 2 | В блокнот | ||
R5, R6 | Резистор | 22 кОм | 2 | В блокнот | ||
R9, R10 | Резистор | 1.2 кОм | 2 | В блокнот | ||
R11, R12, R21, R27 | Резистор | 100 Ом | 4 | В блокнот | ||
R13, R14 | Резистор | 6.8 кОм | 2 | В блокнот | ||
R17, R18 | Резистор | 33 кОм | 2 | В блокнот | ||
R19, R20 | Резистор | 2.7 кОм | 2 | В блокнот | ||
R22 | Резистор |