Транзисторный УМЗЧ с повышенной динамической термостабильностью

Многим знакома ситуация, когда какое-то устройство воспроизводит звук, но делает это не так громко, как хотелось бы. Что делать? Можно купить другую звуковоспроизводящую аппаратуру, а можно приобрести усилитель мощности звуковой частоты (далее УМЗЧ). Более того, усилитель можно собрать своими руками.

Для этого понадобятся лишь базовые знания по электронике вроде умения различать эмиттер, базу и коллектор в биполярном транзисторе, сток, исток, затвор в полевом, а также прочие элементарные аспекты.

Далее будут описаны важнейшие параметры усилителей мощности звука, над улучшением которых стоит работать, чтобы добиться большего усиления, а также приведены простейшие схемы данных устройств, собранные на различных основных компонентах вроде электронных ламп, транзисторов, операционных усилителей и интегральных микросхем.

Помимо этого, в статье будет рассмотрена схема качественного УМЗЧ. Будут затронуты ее состав, параметры, а также конструкционные особенности. Также будет рассмотрена схема УМЗЧ Сухова.

Параметры УМЗЧ

Важнейший параметр усилителя мощности – коэффициент усиления. Он представляет собой отношение выходного сигнала к входному и делится на три отдельных параметра:

1. Коэффициент усиления по току. KI = Iвых / Iвх.
2. Коэффициент усиления по напряжению. KU = Uвых / Uвх.
3. Коэффициент усиления по мощности. KP = Pвых / Pвх.

В случае УМЗЧ разумнее рассматривать коэффициент усиления по мощности, так как требуется усиление именно этого параметра, хотя глупо отрицать, что величина мощности – как входной, так и выходной – зависит от величин тока и напряжения.

Конечно, у усилителей есть и другие параметры вроде коэффициента искажения усиленного сигнала, но все они не так важны по сравнению с коэффициентами усиления.

Не стоит забывать о том, что идеальных устройств не бывает. Нет УМЗЧ с огромным коэффициентом усиления, лишенного других недостатков. Всегда приходится жертвовать одними параметрами в угоду другим.

Схема УМЗЧ на 40 Ватт, с применением двойных тетродов ГУ=29 (ГИ-30)

В усилителе (рис.1) использованы силовые и выходные трансформаторы трансляционного усилителя ТУ-100БУ4.2. С ними усилитель рассчитан на нагрузке 8-16 Ом развивает номинальную мощность 30 и максимальную 40 Вт при чувствительности 0.5 В. Каналы усилителя для удобства сделаны моноблоками, при габаритах и весе этих трансформаторов и унифицированных дросселей Д47-1,2-0,56.

Выходной каскад одного канала усилителя выполнен на двух генераторных лампах — спаренных лучевых тетродах ГУ-29 или ГИ-30 (рис.2), половины ламп запараллелены в баллоне и включены триодом. По сравнению с Г-807, ГУ-50, EL34, они имеют существенно меньшее внутреннее сопротивление.

Фазоинвертор небалансный на триодах 6Ф12П. Их большой динамический коэффициент усиления порядка р = 100 и малое внутреннее сопротивление Ri = 5 кОм для драйвера подходят гораздо лучше, чем. например, 6Н1П (ц = 35, Ri = 8 кОм, т.е. усиление меньше, а внутреннее сопротивление больше), и тем более 6Н2П (ц = 100, Ri = 44 кОм).

Сигнал с источника проходит через регулятор громкости, усиливается ведущим плечом ФИ, инвертируется ведомым плечом, и в противофазе поступает на сетки выходных ламп, далее усиливается ими по мощности и через выходной трансформатор поступает в нагрузку — акустические системы.

Блоки питания (рис.3) выполнены с применением силовых трансформаторов усилителей ТУ-100БУ4-2, дросселей Д47-1,2-0,56 по типовой схеме, и особенностей не имеют.

Детали усилителя

Регуляторы громкости СПII с характеристикой «В», резисторы МЛТ, подстроенные резисторы СПО-1, плёночные конденсаторы Solen «Fast» на напряжение 630V, электролитические конденсаторы — Jamicon & Nippon Chemicon. Тумблеры — ТП1-2.

Дроссель L1 можно намотать на железе ДР-2ЛМ ШЛ 16×32, 1400 витков провод 0,35-0,4 по меди, зазор 0,2 мм. Выходной трансформатор — на железе Ш32х60, схема соединения обмоток — на рис.4, а количество витков — в табл. 1.

Порядок налаживания усилителя

Включить номинальную активную нагрузку на выход усилителя. После включения усилителя в сеть, при отключенном анодном напряжении подстроенными резисторами R12 и R13 выставляется максимальное напряжение смещения на управляющих сетках выходных ламп, и усилитель прогревается под накалом и напряжением смещения около часа.

Далее включается анодное напряжение и после десяти — пятнадцати минут прогрева производится настройка тока покоя с помощью резисторов R12 и R13 постепенным увеличением тока ламп выходного каскада с обязательным контролем падения напряжения на катодных резисторах выходных ламп.

Номинальный ток выходных ламп в режиме молчания 50…60 мА, что соответствует падению напряжения на катодных резисторах 1 Ом 0,05…0,06 В.

Контролировать ток выходных ламп не менее часа. Настройку фазоинверсного каскада по переменному напряжению выполняют следующим образом. С генератора или звуковой карты компьютера подаётся на вход ФИ каскада напряжение 0,5 В с частотой 3 кГц, при этом регулятор громкости «введён» наполовину.

Подстроечным резистором R7 выставляются одинаковые переменные напряжения на анодах ламп фазоинверсного каскада. При самовозбуждении усилителя, в сеточную цепь первой лампы фазоинверсного каскада можно последовательно включить резистор номиналом 1 кОм, в сеточные цепи ламп выходного каскада включить резисторы номиналом 0,51-0,56 кОм типа МЛТ-0,5.

Думаю, излишним будет напоминать, что лампы фазоинвертора и выходного каскада желательно подобрать по режимам, режимы фазоинверсного каскада могут немного отличаться от номинальных, приведённых в схеме, в результате разброса параметров этих ламп.

При подобранных лампах коэффициент нелинейных искажений не превышает 1,5…1,8 % при максимальной мощности усилителя. АЧХ усилителя охватывает 16 Гц … 20 кГц при неравномерности на краях диапазона порядка -0,5 дБ.

Автор: Анатолий Манаков, г. Сургут. Прислал: Валерий Чуров, г. Харьков.

УМЗЧ на электровакуумных приборах

Электровакуумные приборы представляют собой устройства, содержащие в своей конструкции колбу, в которой находится либо вакуум, либо определенный газ, а также минимум два электрода – катод и анод.

Внутри колбы могут находиться и три, и пять, и даже восемь дополнительных электродов. Лампа с двумя электродами называется диодом (не путать с полупроводниковым диодом), с тремя – триодом, с пятью – пентодом.

Усилители мощности на электронных лампах очень высоко ценятся как среди обычных меломанов, так и среди профессиональных музыкантов, потому что лампы дают самое «чистое» усиление.

Отчасти это связано с тем, что инжектированные с катода электроны на пути к аноду не встречают сопротивления и достигают цели в неизменном состоянии – они не модулируются ни по плотности, ни по скорости.

Ламповые усилители – самые дорогие из всех, что представлены на рынке. Это связано с тем, что электровакуумные приборы перестали массово использовать еще в прошлом веке, соответственно, выпуск их большими партиями стал нерентабельным. Это штучный продукт. Зато подобные УМЗЧ однозначно стоят своих денег: в сравнении с популярными аналогами даже на интегральных микросхемах разница слышна отчетливо. Причем не в пользу микросхем.

Конечно, необязательно собирать ламповые усилители самостоятельно, можно приобрести их в специализированных магазинах. Стоимость усилителей на электровакуумных приборах начинается от ₽50 000. Можно найти сравнительно дешевые б/у варианты (даже до ₽10 000), но они могут быть некачественные. Сколько стоят хорошие усилители на лампах? От ₽100 000. Сколько стоят очень хорошие усилители? От нескольких сотен тысяч рублей.

Схем УМЗЧ на лампах много, в данном разделе будет рассмотрен элементарный пример.

Простейший усилитель можно собрать на триоде. Он относится к классу схем однотактных УМЗЧ. В триоде третий электрод – управляющая сетка, которая регулирует анодный ток. К ней подключается переменное напряжение и с помощью величины и полярности сигнала источника можно либо уменьшать, либо увеличивать анодный ток.

Если подключить к сетке отрицательный высокий потенциал, то электроны будут на ней оседать и ток в цепи будет равен нулю. Если подать на сетку положительный потенциал, то электроны от катода к аноду будут проходить беспрепятственно.

Регулируя анодный ток, можно изменять рабочую точку триода на вольт-амперной характеристике. Это позволяет настраивать величину усиления тока и напряжения (в итоге – мощности) данного электровакуумного прибора.

Чтобы собрать простейший усилитель на триоде, нужно подключить переменный источник питания к управляющей сетке, на катод подать нулевой потенциал, на анод – положительный. К аноду обычно подключают балластное сопротивление. Нагрузку следует снимать между балластным сопротивлением и анодом.

Для повышения качества усиленного сигнала можно к нагрузке подключить последовательно или параллельно (зависит от конкретного случая) фильтрующий конденсатор, к катоду подвести параллельно соединенные конденсатор и резистор, а к управляющей сетке подключить простейший делитель напряжения из двух резисторов.

Теоретически усилитель мощности можно собрать на клистроне по схемам УМЗЧ на лампах. Клистрон – электровакуумное устройство, по конструкции схожее с диодом, но имеющее два дополнительных вывода, служащих для входа и выхода сигнала. Усиление в этом устройстве происходит за счет модуляции потока электронов, испускаемых катодом в сторону коллектора (аналога анода), сначала по скорости, а затем по плотности.

УМЗЧ на биполярных транзисторах

Биполярный транзистор – синтез двух диодов. Он представляет собой либо p-n-p, либо n-p-n элемент, обладающий следующими составляющими:

• эмиттер;
• база;
• коллектор.

Быстродействие и надежность транзисторов в целом выше, чем у электровакуумных приборов. Ни для кого не секрет, что сначала электронные вычислительные машины работали именно на лампах, но как только появились транзисторы, последние быстро заменили своих допотопных конкурентов и успешно используются по сей день.

Далее будет рассмотрен пример использования n-p-n транзистора в схеме усилителя мощности. Важно заметить, что электроны (n) немного быстрее дырок (p), соответственно, быстродействие n-p-n и p-n-p транзисторов отличается не в пользу последних.

Еще один важный нюанс состоит в том, что у биполярных транзисторов есть несколько схем включения:

1. С общим эмиттером (самая популярная).
2. С общей базой.
3. С общим коллектором.

У всех схем разные параметры усиления. Приведенная далее схема УМЗЧ имеет включение с общим эмиттером.

Чтобы собрать простейший усилитель на n-p-n транзисторе, нужно подключить к его базе переменное напряжение, к коллектору – положительный потенциал, а к эмиттеру – отрицательный. И перед базой, и перед коллектором, и перед эмиттером следует установить ограничительные сопротивления. Нагрузка снимается между балластным сопротивлением коллектора и самим коллектором.

Как и в случае с электровакуумным усилителем на триоде, для улучшения качества усиления в данной схеме можно:

• установить делитель напряжения и фильтрующий конденсатор перед базой;
• установить параллельно соединенные конденсатор и резистор на эмиттер;
• включить фильтрующий конденсатор на нагрузку, чтобы устранять шумы и наводки.

Если последовательно соединить два таких усилительных каскада, то их коэффициенты усиления можно будет умножить друг на друга. Это, конечно, заметно усложнит конструкцию устройства, зато позволит добиться большего усиления. Правда, бесконечно соединять эти каскады не получится: чем больше одиночных усилителей соединяются последовательно, тем больше шанс того, что они уйдут в насыщение.

Если транзистор работает в режиме насыщения, то ни о каких усилительных свойствах и речи идти не может. В этом можно убедиться, если взглянуть на вольт-амперную характеристику: рабочая точка транзистора находится на горизонтальном участке, если он работает в режиме насыщения.

Поделки своими руками для автолюбителей

Конструирование усилителей мощности звуковой частоты (УМЗЧ) является одним из самых популярных направлений радиолюбительской практики. Сейчас схемотехника УМЗЧ

представлена в сети и печатных изданиях великим множеством различных схем, отличающихся как по сложности реализации, так и качественными параметрами.

Но сложность схемы не всегда является залогом хорошего результата на выходе т.е. звука УМЗЧ. Иногда простые продуманные схемы, где рассчитан каждый номинал радиодетали дают очень неплохие результаты. С одной из таких схем я и хочу Вас познакомить. Эта простая схема УМЗЧ, работающая в классе АВ имеет следующие технические характеристики:

• Номинальная выходная мощность Rн=4Ом, Uпит = ± 35В — 66 Вт;
• Входное напряжение — 1 В (0,7 действующего);
• Рабочая полоса частот — 20 Гц…20 кГц;
• THD при Pвых = 66 Вт на частотах:
• 1 кГц — не более 0,005%;
• 10 кГц — не более 0,03%;
• 20 кГц — не более 0,15 %;
• Неравномерность АЧХ в рабочей полосе частот — 0,5 Дб
• Отношение сигнал/шум (невзвешенное) — 95 Дб

При нагрузке 8 Ом, усилитель выдаёт ровно половину мощности — 33 Вт.

Входной сигнал проходя через RC-фильтр C1, R1, R2 поступает на входной каскад — дифференциальный усилитель VT1, VT2. Входной фильтр определяет сопротивление усилителя — 22 кОм. Благодаря входному дифференциальному каскаду и применению двухполярного питания нет необходимости в разделительном конденсаторе на выходе. Именно дифференциальный каскад поддерживает нулевое постоянное напряжение на выходе усилителя.

Дифференциальный каскад в этой схеме применён самый обычный без транзисторного источника тока и токового зеркала. Резистор R4 здесь как раз служит источником тока, а полезный сигнал снимается с нагрузочного резистора R3 в цепи коллектора VT1.

Далее сигнал поступает на усилитель напряжения — транзистор VT3. Размах амплитуды на его коллекторе точно такой же, как и на выходе усилителя. Т.е. после этого каскада сигнал усиливается только по току, для обеспечения мощности. По мимо того что с коллектора VT3 снимается сигнал на оконечный каскад, цепи на VD1-VD3 и VT4 задают ему начальное смещение для работы.

Подстроечным резистором R9 устанавливается ток покоя выходного каскада (об этом в конце статьи), а тепловой контакт (установка на один радиатор) VT4 и VT7, VT8 обеспечивает его термостабильность. Конденсатор С3 — это местная коррекционная обратная связь усилителя напряжения для снижения общих искажений. С4, как и С5, обеспечивает устойчивость работы усилителя на высоких частотах.

Выходной каскад в этой схеме — это включение транзисторов VT5, VT7 и VT6, VT8 по схеме Шиклаи. Назначение их только одно — усилить сигнал по мощности (току). Резисторы R12 и R13 обеспечивают дополнительную термостабильность выходному каскаду.

Общую отрицательную обратную связь в схеме обеспечивает резистор R6 и RC-цепь R5, C2 именно номиналами этих компонентов можно увеличивать и уменьшать выходную мощность. В принципе, пожертвовав выходной мощностью в этой схеме, можно улучшить её качественные показатели. Скажем, если снизить сопротивление резистора R6 до 16 кОм, то выходная мощность упадёт до 36 Вт, но при этом THD на частоте 20 кГц будет уже не 0,15 %, а 0,075%.

Печатная плата () — односторонняя, из фольгированного стеклотекстолита.

По деталям. Резисторы на 0,125 Вт — типа МЛТ или С2-23. Подстроечный резистор R9 — многооборотный. Мощные резисторы в выходном каскаде R12, R13 — KNP-200. Постоянные конденсаторы — типа К10-17Б, электролитические — ECAP. Плата рассчитана на применение комплементарной пары VT7, VT8 в корпусе TO-3p (бывают в ТО-247). Эти транзисторы вместе с VT4 расположены на плате в одной линии и крепятся на теплоотвод площадью от 400 см2 через термоизоляционные подложки.

По настройкам. Настройка в схеме только одна — установка тока покоя выходного каскада. Для этого без подключённой нагрузки и входного сигнала, предварительно подключив миллиамперметр (мультиметр) в разрыв эмиттера VT7, движком подстроечного резистора R9 надо попасть в диапазон 90 — 110 мА.

Популярное;

• Мини усилитель своими руками
• Автомобильный УМЗЧ 70Вт на TDA1562Q
• Универсальный источник питания 0-30 В с регулировкой тока от 0-3 А

• 
  Одноканальный цифровой усилитель (моноблок) Machete MFC-650.1D

• Токовая электронная нагрузка
• Три простые схемы регулятора тока для зарядных устройств
• Цифровой пробник на микросхеме К155ЛА8
• Делаем схему автомобильного датчика температуры радиатора

УМЗЧ на полевом транзисторе

Далее будет приведена схема УМЗЧ на транзисторах типа МОП (металл-окисел-полупроводник – стандартная структура полевого транзистора).

Структура полевых транзисторов имеет мало общего с биполярными транзисторами. Более того, их принцип действия ничем не похож на принцип действия биполярных аналогов.

Полевые транзисторы управляются электрическим полем (биполярные – током). Они не потребляют ток и устойчивы к гамма-излучению, которое также называют радиоактивным излучением. Последний факт вряд ли когда-то может пригодиться музыкантам, которые хотят собрать усилитель мощности звука, но в промышленности эта особенность полевых транзисторов высоко ценится.

Их главный недостаток состоит в том, что они плохо взаимодействуют со статическим электричеством. Заряд такой природы происхождения может вывести из строя транзисторы данного типа. Любое неосторожное касание пальцем до контакта элемента может повредить транзистор.

Эти особенности стоит учитывать при сборке усилителей мощности на данных электронных компонентах.

Как собрать своими руками схему УМЗЧ на полевом транзисторе? Достаточно следовать дальнейшим указаниям.

Схему простого УМЗЧ на полевом транзисторе можно собрать с помощью полевого транзистора с p-n-переходом с каналом n-типа. Конструкция аналогична той, что описывалась при сборке усилителя на биполярном транзисторе, только место базы занял затвор, коллектора – сток, эмиттера – исток.

Полевые транзисторы в выходном каскаде УМЗЧ без ОС

Интерес к MOSFET (в дальнейшем ПТ) как к активным приборам выходного каскада (ВК) возник в 1970-х гг. в святи с разработкой мощных латеральных (бокових – Lateral) транзисторов фирмой Hitachi. Наиболее распространенными в те годы были транзисторы 2SK135, 2SJ39. Современными аналогами этой легендарной пары являются транзисторы 2SK1058 и 2SJ162. В тот же период на их основе был разработан легендарный усилитель, который многократно повторялся радиолюбителями в различных модификациях, например [1].

Интерес к использованию полевых транзисторов не снижается и сегодня. Радиолюбителям порой непросто сориентироваться, какие же транзисторы выбрать в качестве выходных, тем более что в настоящее время имеется их большое разнообразие, как по параметрам, так и по цене. Использование в качестве выходных транзисторов типа Lateralпривлекательно, прежде всего, тем, что можно отказаться от токостабилизирующих резисторов в истоках, что способствует снижению коммутационных скажений и уменьшению выходного сопротивления.

Особенности ПТ

Компания NationalSemiconductor провела исследования наиболее популярных ПТ в качестве выходных совместно с драйвером LM4702 [2]. Несмотря на то, что ВК был охвачен глубокой ООС, тем не менее, даже по измеряемым характеристикам усилители с разными ПТ имели существенные различия. Это свидетельствует о том, что не следует так полагаться на всемогущество ООС. Некоторые особенности их применение отражены в [3]. В работе [4] автор поставил задачу исследовать современные ПТ для возможности использования в УМЗЧ без ОС: «…неправилен сам принцип ООС: сперва делать плохо, а потом исправлять. Логично сразу формировать на нагрузке высококачественный сигнал…»

Рассмотрим особенности ПТ. Обычно передаточную характеристику ПТ на активном участке выражают упрощенной формулой:

Из формулы (3) следует, что теоретически эта зависимость должна быть квадратичной. Автор [4] усомнился в универсальности приведенной формулы для всех ПТ и провел собственные исследования на десятках транзисторов одного типа. Оказалось, что на практике это далеко не так. Попытки аппроксимировать передаточную характеристику квадратичной функцией не дали приемлемого по точности результата. Тогда он представил зависимость тока стока ldот напряжения затвор-исток Ugsв виде функции:

Как оказалось, такое представление передаточной функции позволяет получить довольно точное соответствие расчётных кривых графикам передаточных характеристик, приводимым производителями транзисторов. Результаты расчётов коэффициентов аппроксимации для наиболее популярных типов транзисторов приведены в табл.1.

Наиболее доступными на рынке стран СНГ являются транзисторы фирм Hitachi, Toshibaи IR, поэтому данные исследований приведены именно для них.

Неаудиофильскими в табл.1 являются импульсные транзисторы IRFP240 и IRFP9240. Производитель не позиционирует их как комплементарные звуковые, однако есть сведения об использовании в выходных каскадах УМЗЧ с глубокой ООС такими разработчиками, как Нельсон Пэсс, Боб Корделл и другими. Некоторые авторы вместо IRFP240 предлагают использовать IRFP340, а вместо IRFP9240 – IRFP9140.

За отсутствием не были исследованы транзисторы фирмы Toshibaтипов 2SK1530/2SJ201 [5], а также более современные 2SK3497/2SJ618 [6] с порогом отпирания 1,6 В, которые также очень хорошо зарекомендовали себя в аудиотехнике, а также транзисторы фирмы Semelab ALF08N16V/ALF0816V, ALF08N20V/ALF08P20V и фирмы ALFETACD101NDD/ACD103PDD, ALF16N20W/ALF16P20W, ALF08NP16V5 (N&Pв одном корпусе) и многие другие.

Исследование ПТ разных типов

Автор [4] поставил перед собой непростую задачу, достичь значения Кг не более 0,1% (-60 дБ) для сигналов с максимальным уровнем (40 В), а для сигналов с уровнем – 10дБ от максимального (14В) добиться Кг не более 0,01% (-80дБ) на нагрузке сопротивлением 8 Ом и демпинг-фактора (DF) не менее 30. Демпинг-фактор определялся как отношение выходного сигнала к разности входного и выходного сигналов.

Исследования проводились при напряжении питания +-55 В по схеме рис.1. Результаты исследований трех пар транзисторов указанных в табл.1 приведены в табл.2.

Как показывает табл.2, для получения Kr=0,1% и демпинг-фактора не менее 30 при выходном напряжении 40 В (пиковое) требуется по 4 транзистора 2SK 1058/2SJ162 в плече и суммарный ток покоя 1,4 А. При напряжении 14 В так и не удалось получить искажения 0,01% даже с помощью шести спаренных транзисторов в плече. Основной вклад в спектр искажений вносит вторая гармоника, которая вносит ламповую «теплоту» и многим слушателям очень нравится. Попытка скорректировать вторую гармонику вводом истоковых резисторов только ухудшала положение. На самом деле такой способ иногда помогает, если в истоках P-канальных транзисторов использовать резисторы меньшего номинала или добавлять резисторы только в истоках N-канальных транзисторов.

Пара 2SK1529/2SJ200(аналоги 2SK1530/2SJ201)показала прекрасный результат с одинарными транзисторами уже при токе покоя 1 А благодаря

своей высокой комплиментарности. При использовании по 4 транзистора в плече, искажения уменьшились более чем в 2 раза, и в 3 раза повысился демпинг-фактор. В спектре гармоник присутствует преимущественно 3-я гармоника благодаря высокой идентичности транзисторов. Введение истоковых резисторов увеличивает искажения иснижает демпинг=фактор.

Пара IRFP240/IRFP9240. Эта пара также пользуется популярностью благодаря своей доступности и дешевизне. Несмотря на свою «кривизну» (табл.1), она также показала неплохой результат. А при снижении тока покоя до 0,61 А на один транзистор результаты даже улучшились (табл.2) – это оптимальный ток для этой пары, причем в очень узкой области. У других пар транзисторов такая точка не обнаружена. Автор объясняет это тем, что именно в этойточке происходит компенсация искажений благодаря тому, что у транзистора N-типа IRFP240 выходнаявольтамперная характеристика (ВАХ) более чем квадратичная, а у транзисторов р-типа IRFP9240 до квадратичной не дотягивает (табл.1). Но для снижения искажений на малых уровнях сигнала пришлось ввести истоковые резисторы Rs сопротивлением 0,33 Ом, что привело к снижению демпинг-фактора. Эти транзисторы благодаря своей «кривизне»также вносят преимущественно 2-ю гармонику.

В (5) отмечено, что при прекрасных измеряемых параметрах УМЗЧ с ВК на этих транзисторахзвучит немузыкально (проверялось при токе покоя 300 мА), «жестко», разрушая микродинамику сигнала. Даже глубокая ООС при малых токах покояне устраняет искажения в высокочастотной области звукового диапазона (2).

По сути, автор([4) исследовал ВК для 8-омной нагрузки в режиме, близком к режиму класса «А»,для выходных напряжений до 14 В, и уверен, что если бы ВАХ ПТ были на самом деле квадратичными, то вносимые искажения были бы ничтожно малы. При попытке повторения описанных исследований необходимо учитывать, что при таком высоком напряжении питания и таких токах покоя нужны внушительные теплоотводы или их принудительная вентиляция. Отсутствие истоковых резисторов также требует более серьезного подхода к температурной стабилизации режимов, за исключением ВК на транзисторах типа Lateral.

Использование отрицательного выходного сопротивления

Исследования (5) показали, что как бы ни были малы искажения, даже у УМЗЧ без ОС с идеально настроенным корректором Хауксфорда все равно чего-то не хватает для максимально приближенного к живому звучанию. Оказалось, что именно отрицательное выходное сопротивление небольшой величины (0,2…0,3 Ом) позволяет болееточно контролировать движение диффузоров ЭДГ во всем звуковом диапазоне с минимальными искажениями огибающих звукового давления, а соответственно и передавать без искажений микродинамики все нюансы музыкальных произведений.

Как оказалось, для этого достаточно соединить последовательно любой драйвер без ОС с нагрузочным резистором 20…30 кОм (это же и его выходное сопротивление), например из (7), с выходным каскадом с правильно рассчитанным корректором Хауксфорда для источника сигнала с нулевым выходным сопротивлением. При этом оптимальное отрицательное выходное сопротивление получается автоматически.

Однако как показали дополнительные исследования, из-за модуляции нагрузки драйвера входным сопротивлением ВК происходит некоторое размытие КИЗ (кажущихся источников звука) при сохранении большой глубины сцены. Когда мой помощник, будучи уверенным, что виной всему проникание противо ЭДС на вход УМЗЧ, для увеличения развязки включил между драйвером и ВК буферный каскад, то звук «испортился». Помощник был в шоке, что его основная идея борьбы с противо ЭДС потерпела фиаско. Вот тут и пришлось разъяснить ему, что же произошло на самом деле, и подсказать, что необходимо восстановить выходное сопротивление источника сигнала, включив на входе ВК резистор, эквивалентный прежнему выходному сопротивлению драйвера.

Каким же образом можно улучшить контроль за движением диффузоров ЭДГ АС? Когда-то еще Н. Сухов в УМЗЧ ВВ один из первых в нашей стране обратил внимание на компенсатор сопротивления проводов. Но это решение обычно используется в УМЗЧ с ООС. Тем не менее, повторившие это устройство остались весьма довольны улучшением качества звучания.

Усилитель с отрицательным выходным сопротивлением (5) делает примерно то же самое, но без дополнительных ОУ и дополнительных проводов от АС. Учитывая, что импеданс акустических проводов в звуковом диапазоне частот сильно зависит отконструкции кабелей, материалов,сечения проводников, а также от скин-эффекта и эффекта близости проводников в кабеле (8), оптимальное отрицательное выходное сопротивление УМЗЧ может колебаться в небольших пределах.

УМЗЧ с корректором Хауксфорда

Чтобы свести к минимуму эту зависимость,можно ввести дополнительный третий провод небольшого сечения и подключить его к корректору искажений Хауксфорда, как показано на рис.2.

Выходной каскад рис.2 представляет собой упрощенный вариант ВК из (5), исключены элементы защиты от перегрузки и короткого замыкания в нагрузке. Ток покоя 300 мА выставляют резистором R22, а оптимальное выходное сопротивление – резистором R13 и R3 по коэффициенту передачи с входа до нагрузки 0 +(-) 0,1 дБ. Точка соединения резисторов R19, R20 подключена к дополнительному контакту (клемме) выходного разъема на АС. Резистор R27 служит для обеспечения режимов работы ВК при отключенной АС.При этом благодаря дополнительному проводу сигнал ошибки на корректор Хауксфорда снимается не с выхода ВК, а непосредственно с нагрузки. При этом имеется возможность обойтись минимальным отрицательным выходным сопротивлением, а всю «силу» корректора направить на снижение искажений, что еще больше повысит качество звуковоспроизведения.

Доработка УМЗЧ, описанного в (9).

А теперь обратимся к выходному каскаду из (9) (рис.3). От величины R1 зависит полоса пропускания, и его значение не должно быть выше 10 кОм, оптимальное значение в пределах 1…2 кОм. ВК предназначен для работы с драйвером с низким выходным сопротивлением, не выше 1 кОм. Источник тока I1 можно заменить резистором 47 кОм.

Оказывается, если и здесь использовать этотже подход, можно прекрасно скомпенсировать все капризы импеданса акустического кабеля с помощью несложной доработки. На рис.3 сопротивления проводов акустического кабеля условно обозначены как Rw1 и Rw2 и добавлен резистор R18,который служит для сохранения режимов работы ВК при отключенной нагрузке, а также добавленрезистор R20*, примерно равный омическому сопротивлению одной из жил кабеля Rw1=Rw2=Rw.

Тогда выходное напряжение в истоках Q13, Q14 будет выше на величину ошибки, равную падению напряжения на кабеле:

ΔU out=2I out·R w. (5)

Таким образом, благодаря несложной доработке, путем введения дополнительного третьего провода можно скомпенсировать импеданс акустического кабеля. А еще лучше использовать витую пару, подключив ее, как показано на рис.4.Причем с такой доработкой все кабели (и дорогие, и дешевые) будут «звучать» одинаково. Этот прием обычно используют при разработке печатных плат УМЗЧ, сигнал ООС берут непосредственно с выхода для минимизации искажений и получения демпинг-фактора по максимуму. Резистором R10 выставляют ток покоя в пределах 80…120 мА. Благодаря глубокой ООС внутри ВК,нет необходимости делать из УМЗЧ калорифер.

Если использовать в качестве выходных транзисторов ПТ типа Lateral, то температурной стабилизации рабочей точки не требуется. В соответствии с графиками, приведенными в даташитах, их термостабильная точка находится в районе 100….120 мА.

Выход этого ВК прекрасно справляется с внешней нагрузкой. Не будем забывать, что электродинамические головки используемые в акустических системах – это не только реактивная нагрузка, но и генератор сигнала как мощный микрофон, и как генератор ЭДС из-за инерционных свойств подвижной системы. Но рассмотрение этого уже выходит за рамки данной статьи.

Диаграмма Боде показана на рис.5, из которого видно, что коэффициент передачи немного выше 1 (больше чем 0 дБ) благодаря использованию третьего провода, что свидетельствует об отрицательном выходном сопротивлении непосредственно на выходе УМЗЧ. Полоса пропускания не менее 1 МГц, зависит от суммарного сопротивления резистора R1 и выходного сопротивления драйвера.

Спектр гармоник показан на рис.6 при выходном напряжении 30 В. Причем в спектре только одна вторая гармоника уровнем 0,003%. При меньшем выходном напряжении искажения ничтожно малы.

Литература

1. Петров А. Схемотехника УМЗЧ высокой верности // Радиоаматор. – 2002. — №10.

2. NationalSemiconductor. ApplicationNote 1645, TroyHuebner, May 2007.

3. Петров А. Транзисторы MOSFETв выходном каскаде УМЗЧ // Радиомир. – 2014. — №1

4. Тищенко А. Анализ работы выходного MOSFET-каскада УМЗЧ //Современная электроника, — 2005.–№2.

5. Петров А. Выходной каскад УМЗЧ без общей ООС с независимыми регулировками тока покоя и выходного импеданса // Радиохобби. – 2013. — №5.

6. https://www/diyaudio.com/forums/solid-state/166301-toshiba-power-mosfets-2sk3497-2sj618-little-testing.html.

7. Петров А. Усилители напряжения без ООС // Радиоаматор. – 2011. — №9.

8. Петров А. Аналоговые межблочные и акустические кабели. Мифы и реальность // Радиоаматор.- 2013. — №2, №3, №4.

9. Петров А. Взгляд на искажения, вносимые УМЗЧ изнутри // Радиоаматор. – 2011. — №4.

Автор: Александр Петров, г. Минск

Источник: Радиоаматор №4, 5 2014

УМЗЧ на операционном усилителе

Операционный усилитель (далее ОУ) представляет собой электронный компонент, обладающий двумя входами – инвертирующим (меняет сигнал по фазе на 180 градусов) и неинвертирующим (не меняет фазу сигнала) – а также одним выходом и парой контактов для подачи питания. У него малое значение напряжения смещения нуля и входных токов. Данное устройство обладает очень большим коэффициентом усиления.

ОУ может работать в двух режимах:

• в режиме усилителя;
• в режиме генератора.

Чтобы ОУ работал в усилительном режиме, необходимо подключить к нему цепь отрицательной обратной связи. Она представляет собой резистор, который одним выводом подключен к выходу ОУ, а другим – к инвертирующему входу.

Если подключить такую же цепь к неинвертирующему входу, получится цепь положительной обратной связи и ОУ начнет работать в качестве генератора сигналов.

Выделяют несколько типов усилителей, собранных на ОУ:

1. Инвертирующий – усиливает сигнал и меняет его фазу на 180 градусов. Чтобы получить инвертирующий усилитель на ОУ, нужно заземлить неинвертирующий вход ОУ, а на инвертирующий подать сигнал, который необходимо усилить. При этом нельзя забывать про цепь отрицательной обратной связи.
2. Неинвертирующий – усиливает сигнал, не меняя его фазу. Чтобы собрать неинвертирующий усилитель, нужно подключить к ОУ цепь отрицательной обратной связи, заземлить инвертирующий вход и подать сигнал на неинвертирующий контакт ОУ.
3. Дифференциальный – усиливает дифференциальные сигналы (сигналы, различающиеся по фазе, но одинаковые по амплитуде и частоте). Для получения дифференциального усилителя нужно подключить ко входам ОУ ограничительные резисторы, не забыть про цепь отрицательной обратной связи и подать на входные контакты два сигнала: сигнал положительной полярности нужно подать на неинвертирующий вход, отрицательной – на инвертирующий.
4. Измерительный – модифицированная версия дифференциального усилителя. Измерительный усилитель выполняет ту же функцию, что и дифференциальный, только имеет возможность регулировки коэффициента усиления при помощи потенциометра, соединяющего входы двух ОУ. Конструкция такого усилителя заметно сложнее и включает не один, а три ОУ.

Чем сложна работа с операционными усилителями? Для схем с ОУ иногда бывает сложно подобрать подходящие компоненты вроде резисторов и конденсаторов, потому что требуется тщательное согласование элементов не только по номинальным значениям, но и по материалам.

УМЗЧ на интегральных микросхемах

Интегральные микросхемы – устройства, специально созданные для выполнения той или иной задачи. В случае с УМЗЧ одна маленькая микросхема заменяет большой каскад из транзисторов, операционных усилителей или электровакуумных приборов.

В настоящее время огромную популярность имеют микросхемы TDA с различными серийными номерами, например, TDA7057Q или TDA2030. Схем УМЗЧ на микросхемах существует огромное количество.

В своем составе они имеют большое количество резисторов, конденсаторов и операционных усилителей, укомплектованных в очень маленький корпус, размер которого не превышает монеты номиналом 1 или 2 рубля.

Конструирование УМЗЧ

Прежде чем приобретать необходимые детали и вытравливать проводники на плате текстолита, необходимо уточнить номиналы резисторов и конденсаторов, а также подобрать нужные модели транзисторов, операционных усилителей или интегральных микросхем.

Это можно сделать на компьютере при помощи специального программного обеспечения, например, NI Multisim. В данной программе собрана большая база электронных компонентов. С ее помощью можно моделировать работу любых электронных устройств даже с учетом погрешностей, проверять схемы на работоспособность.

С помощью такого софта особенно удобно тестировать схемы мощных УМЗЧ.

Схема стереоусилителя на транзисторах 200 Вт

Схема, рассмотренная в данном разделе, намного сложнее тех, что описывались выше. Зато ее усилительные свойства лучше, чем у конструкций на биполярных, полевых транзисторах, а также операционных усилителях и интегральных микросхемах, которые уже приводились в статье.

В состав данного устройства входят следующие элементы:

1. Резисторы.
2. Конденсаторы (как полярные, так и неполярные).
3. Диоды.
4. Стабилитрон.
5. Предохранители.
6. Биполярные транзисторы n-p-n-типа.
7. Биполярные транзисторы p-n-p-типа.
8. Полевые транзисторы с изолированным затвором с каналом p-типа.
9. Полевые транзисторы с изолированным затвором с каналом n-типа.

Параметры данного усилителя мощности:

1. Pноминальная выходная = 200 Вт (для каждого канала).
2. Uпитание выходного каскада = 50 В (допустимо небольшое отклонение).
3. Iпокоя выходного каскада = 200 мА.
4. Iпокоя одного выходного транзистора = 50 мА.
5. Uчувствительность = 0,75 В.

Все основные части данного устройства (трансформатор, система охлаждения в виде радиаторов и сама плата) расположены на анодированном шасси, выполненном из листового дюралюминия, толщина которого – 5 мм. Лицевая панель устройства и регулирующие громкость ручки выполнены из этого же материала.

Трансформатор с двумя обмотками по 35 В можно приобрести готовый. Сердечник желательно выбрать тороидальной формы (его работоспособность в данной схеме проверена), а мощность должна быть 300 Вт.

Блок питания для схемы также придется собрать самостоятельно по схеме питания УМЗЧ. Для его конструирования понадобятся предохранитель, трансформатор, диодный мост, а также четыре полярных конденсатора.

Схема блока питания УМЗЧ приведена в этом же разделе.

Три простые истины, которые стоит помнить при сборке любой электрической схемы:

1. Обязательно нужно соблюдать полярность полярных конденсаторов. Если перепутать плюс и минус в небольшой схеме усилителя, то ничего страшного не произойдет, схема УМЗЧ просто не будет работать, но именно из-за такой незначительной, на первый взгляд, ошибки падали ракеты с оборудованием и экипажем на борту.
2. Обязательно следует соблюдать полярность диодов: катод с анодом также запрещено менять местами. Для стабилитрона это правило тоже актуально.
3. Главное – спаивать детали нужно только там, где на схеме есть точка контакта. Большинство неисправных электрических схем не работают именно по той причине, что монтажник не спаял детали или спаял их там, где не нужно.

Входит ли эта схема в одни из лучших схем УМЗЧ? Возможно. Все зависит от желаний потребителя.

Усилитель Василича, версия 2020 года

Нет предела совершенствованию! Этой фразой я начинал свою статью об усилителе Василича с N-канальным выходным каскадом Алексея Никитина (версия с плавающей землей). Эта фраза актуальна и сейчас. За прошедшие два года в исходную схему УМЗЧ был внесен ряд изменений, улучшающих характеристики усилителя.

Схема усилителя Василича, версии 2020 года, приведена ниже.

Построение усилителя с виртуальной средней точкой дает свои преимущества: не требуется выставление нулевого напряжения, а также не нужна защита АС от постоянного напряжения на выходе усилителя; проще подобрать (изготовить) трансформатор с двумя отдельными обмотками (для усилителя с фиксированной средней точкой требуется четыре отдельные обмотки на одном трансформаторе либо два трансформатора с двумя обмотками).

В ходе измерения характеристик предыдущей версии усилителя Василича с N-канальным выходным каскадом Алексея Никитина было отмечено заметное проникновение сетевых помех на вход УМЗЧ. И в отличии от усилителя со средней фиксированной точкой наблюдался «лес помех» кратных 50Гц в спектре вплоть до 1 кГц. Чтобы уменьшить количество помех, проникаемых на вход усилителя через резистор R3, цепь смещения напряжения на затвор входного транзистора Q2 была выполнена симметричной по переменному напряжению за счет равенства R4 и R11 и добавления С4 и С6 (подстройкой R5-R12 можно добиться оптимального смещения для входного транзистора, для jfet — R12 = R5), кроме этого добавленные конденсаторы С6 и С4, фильтруют переменную составляющую, проникающую на опоры источников тока. Кроме этого для уменьшения помех, проникающих через базу транзистора Q3 сама опора плавающего каскода была запитана от источника тока.

Также был изучен вопрос генерации усилителя на ультранизких частотах при недостаточной емкости питающих конденсаторов и большой входной емкости С1. Так, склонность усилителя к генерации определяется R—C цепочкой по питанию R16-C5 (R17-C3) а также емкостью конденсаторов в блоке питания. Для стабильной работы усилителя рекомендуемая емкость конденсаторов в каждом из плеч блока питания должна быть не менее 10000мкФ при C1 до 0.15 мкФ, 15000 мкФ при C1= 0.22 мкФ и 20000мкФ при C1= 0.33мкФ.

Для полноценного воспроизведения низких звуковых частот было повышено входное сопротивление усилителя. Для этого, на входе заменен биполярный транзистор полевым j—fet транзистором (Q2), вместо токового зеркала в первом каскаде применен источник тока. Второй каскад выполнен по схеме с общим эмиттером.

Для повышения надежности усилителя в схему были добавлены два транзистора Q11 и Q15, ограничивающие максимальный ток через выходные транзисторы на уровне 6-8А. Также был добавлен кремниевый диод D7 (1N4148) ограничивающий (прямое, обратное) напряжение между ножками транзистора Q14.

Основные 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 0,003);
• Входное сопротивление (кОм) — 100;
• Номинальное входное напряжение (В) — 3;
• Выходное сопротивление (Ом) — не более 0,1;
• Ток покоя выходного каскада (мА) — 75-150.

Ток покоя задается резистором R23а. Рекомендуется 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%.

Для питания стереофонического усилителя используется усовершенствованный 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 Lc) и правого (AS Rc) каналов. В УМЗЧ, исходя из наличия компонентов, я установил 8 фильтрующих конденсаторов (по 2 в каждом плече емкостью 10000 мкФ на 63В). Трансформаторов может быть два, каждый мощностью по 60 — 80 Вт. Электролитические конденсаторы (С3 и С4) зашунтированы бумажными (C1 и C2).

Успехов в изготовлении усилителей!

В приложении 1 смотрите вариант печатной платы, любезно предоставленный elfnt.

Схема Сухова

Если предыдущую схему усилителя мощности можно собрать самостоятельно, потому что она включает в себя относительно немного элементов, то схему усилителя Сухова вручную лучше не собирать. Почему? Из-за огромного количества элементов и соединений велик шанс допустить ошибку, из-за которой придется переделывать весь значительный объем работ.

На самом деле, схему, приведенную в этом разделе, некорректно называть схемой Сухова. Это УМЗЧ высокой верности модели ВВС-2011 (принципиальная схема УМЗЧ данного типа приведена в данном разделе). В своем составе он не содержит полевых транзисторов, зато он включает:

1. Стабилитроны.
2. Нелинейные резисторы.
3. Обычные резисторы.
4. Полярные и неполярные конденсаторы.
5. Диоды.
6. Биполярные транзисторы обоих типов.
7. Операционные усилители.
8. Дроссель.

Возможности данного включения:

1. P = 150 Вт при Rнагрузки = 8 Ом.
2. Линейность: от 0,0002 до 0,0003% при частоте 20 кГц, P = 100 Вт и Rнагрузки = 4 Ом.
3. Наличие поддержки постоянного U = 0 В.
4. Наличие компенсации сопротивления проводов при переменном токе.
5. Наличие токовой защиты.
6. Наличие защиты схемы УМЗЧ от Uвыхода = const.
7. Наличие плавного запуска.

Такая схема собирается в промышленных масштабах и умещается на небольшой плате. Разводку проводников и расположение элементов можно найти в интернете, где данные материалы находятся в свободном доступе.

Схемы серии Сухова – одни из лучших схем УМЗЧ.

УНЧ ВВ-2015 версия Unreal или простой СЛ-чик автор В. Жуковский г. Красноармейск.

УНЧ ВВС-2011 не остался «крайним», В. Жуковский продолжил «модельный ряд» ВВ-шников — УНЧ ВВ-2015. Обсуждение можно прочесть на форуме Сталкер. В теме занимает мало страниц, т.к. основное проходило в теме УМЗЧ ВВ-2008, ВВ-2010, ВВС-2011 и добавить можно только, что схема стала симметричной и был добавлен входной буфер. В качестве ОУ для буфера была выбрана м/с AD8610AR, так подойдут LM318, LME49990, LM6171 и AD8065.

Схема УНЧ ВВ-2015:

Перевод части компонентов на smd позволил вписать ВВ-2015 полностью в контуры ПП ВВС-2011, даже посадочные места под крепление ПП и транзисторов к радиатору. Сборка и настройка показала отсутствие косяков в разводке платы (один дубль в маркировке не в счет). Немного о ходе запуска от первого «космонавта»:

«Старт как из пушки, полет нормальный, корректировка орбиты (схемы) R30-1kOm. Включаю пока без интегратора и буфера, на выходе 0,0мВ, думал прикидывается, не-е и вправду работает. Про ток покоя писать мне не чего повернул, проверил, забыл. Меандр с выбросом не большим без змейки, думаю подбором одного резистора обойдемся. Проверил интегратор, буфер, кабелечистка все работает, 5-6мВ постоянка как в ВВС стандартно. Спаял полностью второй канал, смонтировал на радиатор, запускаю. ОУ в буфере и входная стоят AD8610, AD8510 — интегратор, кабелечистка TL071. LM318 проверять в этом СЛ-чике не стал, да и на макете проверял она мне меньше нравится, тут фишка отказаться от этого чудо ОУ, решил по ближе к ВВ с ПТ на входе.