"безупречный" умзч. "безупречный" умзч Технические параметры усилителя
Ниже приведены принципиальные схемы и статьи по тематике "УМЗЧ" на сайте по радиоэлектронике и радиохобби сайт .
Что такое "УМЗЧ" и где это применяется, принципиальные схемы самодельных устройств которые касаются термина "УМЗЧ".
К особенностям описываемого УМЗЧ относится применение в нем составных транзисторов, что позволило сократить число используемых в усилителе деталей. Первый каскад усилителя мощности собран на ОУ А1. Входной сигнал поступает на инвертирующий вход ОУ через фильтр верхних частот (ФВЧ) R1C1R3 с частотой среза 20 кГц. Для того, чтобы этот параметр ФВЧ существенно не изменился, выходное сопротивление предварительного усилителя должно быть не более... Схема простого в сборке и мощного усилителя низкой частоты (УМЗЧ) выполненного на ОУ К574УД1А и мощных составных транзисторах КТ825, КТ827. Не смотря на простоту принципиальной схемы и минимального количества деталей усилитель обеспечивает большую выходную мощность при достаточно низком коэффициенте нелинейных искажений. Усилитель питается двуполярным напряжением 7 - 18 В, выходная мощность 15 Вт на нагрузке 4 Ом, ток покоя около 60 мА. Диоды -любые кремниевые универсальные. Выходная мощность усилителя 2 X 12 Вт при напряжении питания 15 В, сопротивление нагрузки 4 Ом, ток покоя - 80мА. УНЧ А-9510 фирмы Onkyo (рис. 2.13) обеспечивает 60 Вт на нагрузке 8 Ом при коэффициенте демпфирования 150, коэффициенте гармоник не более 0,06% и 100 Вт на нагрузке 4 Ом. Неравномерность АЧХ на краях диапазона 15 Гц — 50 кГц не превышает 1 дБ. Отношение сигнал/шум 104 дБ. ... УМЗЧ Дьеря Плахтовича выполнен по мостовой схеме (верхний усилитель/плечо моста неинвертирующий, нижний — инвертирующий). Он обеспечивает в нагрузке 8 Ом мощность 180 Вт при коэффициенте гармоник не более 0,5%, выходном сопротивлении 0,02 Ом, полосе частот от 20... High-End УМЗЧ Джованни Сточино обеспечивает 100 Вт на нагрузке 8 Ом при коэффициенте гармоник 0,002% и скорости нарастания выходного напряжения 300 В/мкс. Полоса частот по уровню -0,1 дБ составляет от 1 Гц до 1,3 МГц, отношение сигнал/шум 100 дБ... «Полевой» УМЗЧ Эндре Пирета заметно прост, но также соответствует нормам высококачественного звуковоспроизведения. Оригинально (без привычных дифференциальных усилителей) решен входной каскад — это двухтактный комплементарный каскад... Йозеф Седлак предложил схемы двух эстрадных УМЗЧ повышенной мощности. Первый усилитель выполнен по классической схеме: дифкаскад с генератором тока (Т1-ТЗ); усилитель напряжения (Т4) с генератором тока (Т6); двухтактный составной повторитель (T9-Т14)... Данный УНЧ обеспечивает 20 Вт/ 40 Вт на нагрузке 8 Ом/ 4 Ом при коэффициенте гармоник 0,01%. Схема 20-ваттного УМЗЧ с оригинальной раскачкой выходной ступени представлена ниже... В последнее время очень большое внимание уделяется кабелям, соединяющим выход УМЗЧ с входом АС. Конечно, кабели имеют большое значение для получения качественного звука. Но, несмотря на довольно высокую цену, они принципиально не могут не вносить искажений. ... УМЗЧ Антона Космела выполнен на ИМС STK4048 XI фирмы Sanyo и вообще не требует подстроек. Он развивает 2x150 Вт на нагрузке 8 Ом и 2x200 Вт на 4 Ом при коэффициенте гармоник не более 0,007% и полосе частот 20 Гц — 50 кГц. На ОУ 102 выполнена схема защиты... Деметр Барнабаш выполнил свой УМЗЧ на ИМС TDA7294V фирмы SGS-THOMSON. При предельно простой схеме он обеспечивает на нагрузке как 8 Ом, так и 4 Ом музыкальную мощность до 100 Вт (номинальную на стационарной синусоиде — 70 Вт) при типовом коэффициенте гармоник... Мощный УМЗЧ с работой всех каскадов в режиме класса А, обеспечивающий на 8-омной нагрузке 32 Вт при потрясающе высоком реальном КПД 45% Ричард Барфут обращает внимание, что в обычном резистивном усилительном каскаде с ОЭ и разделительным конденсатором теоретически... Индуктивность в цепи фазовой коррекции применил в своем мощном УНЧ В. Левицкий. Усилитель абсолютно симметричен и состоит из входного истокового повторителя (VT1, VT2), двухтактного комплементарного усилителя напряжения («каскоды» VT3VT5, VT4VT6) и... В усилителе, схема которого изображена ниже высокая линейность даже без ООС достигнута благодаря внутреннему истоковому повторителю на VT11. Этот повторитель удачно согласует большое (более 1 МОм) выходное сопротивление каскада усиления напряжения на VT9 с существенно... Исследуя причины возрастания нелинейности на большом сигнале, Дуглас Селф обнаружил, что, во-первых, акустическая система в некоторых условиях требует существенно больший ток, чем рассчитанный по закону Ома с подстановкой в знаменатель паспортного номинального сопротивления АС... Нельсон Пэсс, идеолог УМЗЧ по топологии Zen (далее усилители Зена) и руководитель Pass Labs, подводя итог восьмилетнего развития Zen-овской философии однокаскадных УМЗЧ, предложил Penultimate Zen. Нельсон отмечает, что в нем устранены некоторые... Схема УМЗЧ, разработанного Мэттом Такером. Первый дифференциальный каскад выполнен на биполярных транзисторах Q1Q5 по типовой схеме с токовым зеркалом Q7Q8 в нагрузке, а каскад усиления напряжения — на Q9Q13 с ОЭ и нагрузкой на генератор тока Q6Q2 ...Предлагаемый автором усилитель отличается применением комбинированной обратной связи (по току и напряжению на нагрузке), что даёт возможность выбора выходного сопротивления для конкретной АС в широком интервале - от нуля до десятков ом. Высокая линейность во всей полосе звуковых частот позволяет использовать такой УМЗЧ для широкополосного усиления звуковых сигналов при мощности более 100 Вт. Описываемый усилитель имеет довольно высококачественные параметры, способствующие хорошему звучанию, и может быть рекомендован для построения высококачественных звуковоспроизводящих систем. Возможность регулировки выходного сопротивления усилителя в интервале от нуля до нескольких десятков ом позволяет улучшить качество звучания акустической системы . Это делает УМЗЧ идеальным для работы с сабвуфером, выполненным в закрытом корпусе (без фазоинвертора). Повышение выходного сопротивления позволяет поднять уровень нижних частот и уменьшить нижнюю граничную частоту сабвуфера. Иногда повышенное выходное сопротивление УМЗЧ способствует восприятию звучания системы УМЗЧ-АС, близкого к "мягкому ламповому звуку" .
Максимальная выходная мощность, Вт,
на нагрузке 4 Ом 150
на нагрузке 8 Ом 120
Коэффициент гармонических искажений при выходной мощности 60 Вт на частоте 1 кГц, %,
не более 0,005
Коэффициент интермодуляционных искажений на частотах 60 Гц/7 кГц, %, не более 0,005
Коэффициент интермодуляционных искажений на частотах 18/19 кГц, %, не более 0,005
Скорость нарастания выходного напряжения, В/мкс, не менее 15
Выходное сопротивление, Ом 0...20
Коэффициент интермодуляционных искажений измерен двумя методами: по методу SMPTE на частотах 60 Гц и 7 кГц при соотношении амплитуд 4:1, а также на частотах 18 и 19 кГц при соотношении амплитуд 1:1. Принципиальная схема усилителя показана на рис. 1.
Она построена по структуре, близкой к структуре УМЗЧ Лина . Входной дифференциальный каскад на транзисторах VT3 и VT4 для получения максимального усиления, симметрии и скорости нарастания выходного напряжения нагружен на токовое зеркало на транзисторах VT1 и VT2. Резисторы R5 и R6 в эмиттерах увеличивают линейность каскада и его перегрузочную способность, а такжеснижают влияние разброса параметров транзисторов. Источник тока на транзисторах VT5, VT6 (по сравнению с резистором, который иногда применяют в этом месте) снижает уровень интермодуляционных искажений. Эмиттерный повторитель на транзисторе VT7 повышает усиление драйверного каскада по току. Транзистор VT9 служит для термостабилизации тока покоя выходных транзисторов VT11, VT12 при повышении их температуры. Повышенное выходное сопротивление достигается с помощью комбинированной отрицательной обратной связи (ОOC) - по напряжению и по току . Сигнал ООС по напряжению снимается с выхода усилителя и через резистор R20 подаётся на базу транзистора VT4. Сигнал ООС по току снимается с резистора - датчика тока R27 и подаётся на базу транзистора VT4 через резистор R21. Несколько необычное включение цепи R9C4 используется для устранения заметного постоянного напряжения на нагрузке из-за ООС по току. Экспериментальный образец усилителя был подвергнут испытаниям для оценки реальных характеристик. Для измерения искажений использовались звуковая карта EMU0404 и программа SpectraPLUS-SC . Поэтому измеренные уровни искажений на самом деле соответствуют системе звуковая карта + усилитель. На рис. 2 показана частотная характеристика суммарного коэффициента гармоник усилителя.
По горизонтали на ней откладывается значение частоты тестового тона, на которой измерялся уровень искажений. При измерениях использовался режим с разрядностью ЦАП/АЦП 24 бита и частотой дискретизации 192 кГц. Возникающие при измерениях гармоники учитывались в полосе до 90 кГц, что очень важно для правильного определения величины К, на высоких частотах. Рост искажений на высоких частотах обусловлен в основном снижением глубины ООС с ростом частоты. Вторая из основных причин - рост искажений входного каскада из-за повышения его выходного напряжения, которое вызвано снижением усиления каскада на транзисторе VT8 . Как видно, коэффициент гармоник даже на высоких частотах невелик. На рис. 3 показан спектр искажений на частоте 1 кГц.
Как видно, в нём присутствуют только первые три гармоники, остальные - ниже порога измерений. Такой узкий спектр искажений хорошо сказывается на качестве звучания, в результате в усилителе полностью отсутствует "транзисторный звук". На рис. 4 показан спектр интермодуляционных искажений, измеренных на частотах 18 и 19 кГц при соотношении амплитуд 1:1.
Это - один из наиболее жёстких тестов, позволяющих оценить линейность усилителя на высоких частотах, где глубина ООС существенно снижается. Тест позволяет выявить нелинейность или плохие высокочастотные свойства усилителя. Как видно из рис. 4, амплитуда разностной частоты f 1 кГц очень мала, что говорит о высокой линейности усилителя. Число боковых частот, отличающихся от тестовых на величину 1 кГц, также невелико. Это говорит о том, что спектр искажений остаётся узким ("мягким") даже на высоких частотах. Все измерения искажений проводились при выходной мощности 60 Вт на нагрузке 6 Ом при питании усилителя от штатного блока питания. Результатыизмерений показывают, что по уровню искажений данный усилитель не только не уступает многим дорогим и именитым промышленным моделям, но и превосходит их . Для более наглядного сравнения описываемого усилителя с представленными в на рис. 5 показана зависимость коэффициента гармоник на частоте 1 кГц и нагрузке 4 Ом от выходной мощности УМЗЧ с блоком питания, рассчитанным на мощность 80 Вт в нагрузке.
Выходное сопротивление (Rвых) усилителя при указанных номиналах элементов цепей ООС можно изменять не только выбором резистора R21, но и R27. Регулировочная зависимость от сопротивления R21 показана на рис. 6.
Для получения большего выходного сопротивления следует воспользоваться программой расчёта комбинированной ООС на FTP-сервере редакции . Если повышения этого параметра не требуется, то резистор R21 следует исключить, а резистор R27 заменить проволочной перемычкой.Конструкция и детали. Усилитель собран на печатной плате, показанной со стороны печатных проводников на рис. 7.
На этой стороне припаян резистор R12, предназначенный для поверхностного монтажа типоразмера 1208, но можно установить и резистор с аксиальными выводами. Серым цветом на рис. 7 показаны отрезки медного провода сечением 2,5 мм2, припаянные на печатный проводник для уменьшения его сопротивления. На рис. 8 показано расположение корпусных элементов.
Конденсатор С12 припаян к выводам резистора R20. Если усилитель используется в стерео или многоканальном варианте, то желательно использовать резисторы, входящие в цепь ООС (R9, R20, R21), высокой точности (отклонение не более ±1 %) либо подобрать их с одинаковым сопротивлением для всех каналов. Резисторы R24, R25, R27 - проволочные SQP-5 (SQP500JBR15,SQP-5W-R1 5-J) от YAGEO или китайского производства. Конденсаторы С2, СЗ, С12 - керамические с ТКЕ группы NPO, а С1, С7, С9, С10 - плёночные на напряжение не менее 63 В. Номиналы всех оксидных конденсаторов соответствуют применению усилителя совместно с сабвуфером.. Если же доступны малогабаритные плёночные конденсаторы, например, фирмы Epcos, то ёмкость конденсаторов С7 и С10 желательно увеличить до 1 мкФ. Оксидные конденсаторы С5, C6, C8, C11 - любые качественные (с малым эквивалентным последовательным сопротивлением). В позиции С4 можно использовать и полярный оксидный конденсатор, но при этом нужно измерить полярность постоянной составляющей на выходе усилителя после сборки и перепаять конденсатор С4 в соответствии с этой полярностью. В процессе работы конденсаторы не нагреваются, так что выгоднее использовать конденсаторы с допустимой температурой 85 °С - их свойства немного лучше.Комплементарные транзисторы 2N5551 и 2N5401 можно заменить на 2CS2240 и 2SA970, a 2SA1930 и 2SC5171 - на 2SA1358 и 2SC3421 либо (что несколько хуже) на 2SB649 и 2SD669. Транзистор VT9 - любой структуры п-р-п в изолированном корпусе ТО-126. В качестве выходных можно использовать пару транзисторов IRFP240/IRFP9240. Мощные транзисторы размещают на теплоотводах с эффективной площадью не менее 700 см2 на каждый. Их изолируют слюдяными прокладками или специальными теплопроводящими плёнками. Для улучшения теплоотвода необходимо использовать теплопроводную пасту. Усилитель - достаточно высокочастотное устройство, поэтому для снижения возможных помех от средств мобильной связи рекомендуется использовать на всех кабелях (входных, акустических и питания) ферритовые кольца. Напряжение питания усилителя ограничивается в основном допустимым напряжением его полупроводниковых приборов и конденсаторов и не должно превышать +/-55 В. При установке конденсаторов в цепи питания (С5-С8, С10, С11) на рабочее напряжение 80 В напряжение питания можно увеличить до +/-65 В. Однако подобное повышение напряжения питания не рекомендуется для работы с низкоомной нагрузкой (4 Ом).Налаживание правильно собранного усилителя заключается в установке резистором R16 тока покоя выходных транзисторов в пределах 230...250 мА. После прогрева на холостом ходу ток покоя необходимо подкорректировать. Ток покоя определяется по величине напряжения между истоками выходных транзисторов. Важную роль в работе усилителя играет его источник питания. Он же определяет такие параметры усилителя, как максимальная выходная мощность, перегрузочная способность, уровень фона и даже величина искажений. Схема блока питания усилителя приведена на рис. 9.
Конденсатор С1 подавляет импульсные помехи, проникающие из сети. Резисторы R1 и R2 служат для разрядки конденсаторов фильтра при выключении питания. В выпрямителе можно применить интегральный диодный мост либо отдельные диоды. Хорошие результаты даёт применение диодов Шоттки. Максимальное обратное напряжение диодов должно быть не менее 150-200 В, максимальный прямой ток зависит от выходной мощности усилителя и числа его каналов. Для сабвуфера и стереоусилителя с выходной мощностью не более 80 Вт максимальный прямой ток диодов не должен быть меньше 10 А (например, диодные мосты RS1003-RS1007 или КВРС4002- КВРС4010). При большей выходной мощности и/или большем числе каналов усиления выпрямительные диоды должны быть рассчитаны на прямой ток не менее 20 А, например, диодные мосты КВРС4002-КВРС4010, КВРС5002- КВРС5010 или диоды Шоттки 20CPQ150, 30CPQ150 с параллельным включением обоих диодов в корпусе. В этом случае рекомендуется увеличить суммарную ёмкость конденсаторов фильтра до 30000 мкФ на плечо. Для дальнейшего уменьшения импульсных помех, приходящих из сети, можно каждый из диодов зашунтировать конденсатором 0,01 мкФ на напряжение не менее 100 В. Для выбора необходимой габаритной мощности трансформатора и напряжения на его вторичных обмотках, в зависимости от требуемой максимальной выходной мощности усилителя, можно воспользоваться графиками на рис. 10.
Чёрными линиями показаны графики минимальной мощности трансформатора. Сплошная линия соответствует стереоусилителю» штриховая - сабвуферу. Цветные линии - напряжение на каждой из вторичных обмоток. Может показаться странным тот факт, что мощность трансформатора стереоусилителя меньше его удвоенной выходной мощности. Здесь имеется в вводу минимальная мощность трансформатора, достаточная для нормальной работы усилителя: пикфактор звуковых сигналов составляет 12...16 д Б, поэтому максимальная выходная мощность усилителя достигается сравнительно редко и на короткое время. Значит, средняя выходная мощность и потребляемый от блока питания ток получаются в несколько раз меньше максимальной. Поэтому и средняя мощность» потребляемая от трансформатора, в несколько раз меньше максимальной. Трансформатор рассчитан на эту среднюю выходную мощность плюс кратковременные пики максимальной мощности, причём с некоторым запасом. Можно использовать трансформатор с габаритной мощностью, большей, чем показано на рис. 10, но превышать эту мощность более чем в два раза смысла уже нет. Усилитель не содержит узла защиты акустической системы, поэтому для защиты её от постоянного напряжения можно использовать любой из описанных в журнале конструкций или упоминаемых на этом сайте.
Радио №10 2016г стр. 8
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.
Технические параметры:
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
Выбираем структурную схему усилителя мощности. Она представлена на рисунке 2. Входной каскад выполнен на транзисторе VT1 , включенный с общим эмиттером. Резистор R4 является нагрузкой первого каскада усиления. С него усиленный сигнал поступает на базу транзистора VT2 , являющимся промежуточным каскадом усиления. Выходной каскад собран на биполярных транзисторах VT7 …VT10 по схеме Дарлингтона. Таким образом, усилитель мощности является трёхкаскадным. Составим примерную схему будущего усилителя мощности:
Рисунок 2 - Ориентировочная схема УМЗЧ
Максимальное напряжение на выходе и максимальный выходной ток рассчитываются по выходной мощности PL = 5 Вт. и сопротивлению нагрузки RL = 4 Ом.
Выходной каскад
Традиционно работу и расчёт усилителя мощности начинают рассматривать с выходного каскада, так как от схемы выходного каскада существенно зависят многие параметры УМЗЧ такие как: энергетические показатели, нелинейные искажения, надёжность и т.д. Выходной каскад представляет собой эмиттерный повторитель на комплементарных транзисторах, включённых по схеме Дарлингтона. В этом каскаде нагрузка подключается к коллекторам выходных транзисторов. Выходной каскад УМЗЧ представлен на рисунке 3.
Рисунок 3 - Выходной каскад УМЗЧ
Необходимое напряжение питание EП усилителя мощности найдём, исходя из формулы мощности:
Из получившейся пропорции находим:
При найдём EП ;
Выберем напряжение питания немного больше, учитывая погрешности при расчете и потери мощности питания на входном и промежуточном каскадах. Примем
Выходной каскад служит усилителем тока и в общем виде может рассматриваться как преобразователь импедансов, согласующий низкоомный выход каскада с нагрузочным сопротивлением.
Мощность выходных каскадов лежит обычно в пределах от 50мВт. до 100Вт. И более, поэтому при расчете усилителей всегда следует учитывать рассеиваемую транзисторами мощность.
Напряжение пробоя выходных транзисторов VT 8 и VT 10 должно быть:
Максимальная мощность рассеяния транзисторов VT 8 и VT 10 при активной нагрузке и гармоническом сигнале на входе равно:
Ток короткого замыкания выходных транзисторов равен:
Таким образом, при известных значениях параметров по справочным данным выбираем комплементарную пару выходных транзисторов: VT 8 - КТ 816В, VT 10 - КТ 817В.
По максимальному выходному току Imax и минимальному усилению по току B0 = 25, выбранного типа транзисторов VT 8 и VT 10, рассчитываем ток коллектора транзисторов VT 7 и VT 9:
Такому коллекторному току соответствует маломощный кремниевый транзистор КТ 3102Б - структуры n-p-n и маломощный кремниевый транзистор КТ 3107Б - структуры p-n-p .
В качестве транзистора VT 2 (транзистора промежуточного каскада) можно использовать практически любой маломощный низкочастотный транзистор. Следует только обратить внимание на предельное напряжение коллектор-эмиттер, которое не должно быть меньше, чем. Такому напряжению соответствует транзистор типа КТ 3107Б у которого максимальное напряжение коллектор-эмиттер равняется 45В.
Перейдём к рассмотрению и расчёту защиты от токовой перегрузки и короткого замыкания выхода. Из-за малого выходного сопротивления усилитель мощности легко может быть перегружен по току нагрузки и выведен из строя за счёт перегрева выходных транзисторов. Конструктивные меры повышения надёжности, такие как выбор транзисторов с большим запасом по мощности рассеяния, увеличение площади теплоотводящей поверхности, приводят к удорожанию конструкции и ухудшению её массогабаритных показателей. Поэтому целесообразно использовать схемотехнические способы повышения надёжности, вводя в усилитель мощности цепи защиты от токовых перегрузок и коротких замыканий выхода.
Рассмотрим принцип действия защиты выходного каскада УМЗЧ от токовой перегрузки и короткого замыкания выхода. Схема защиты состоит из транзисторов VT 5 и VT 6 и резисторов R 10…R 13. Схема защиты представлена на рисунке 4. Работает цепь защиты следующим образом.
При достаточно малом токе нагрузки транзистор VT 5 заперт, так как падение напряжения на резисторе R 11 недостаточно для его открывания, и цепь защиты практически не оказывает влияния на работу усилителя мощности. При увеличении тока нагрузки растёт падение напряжения на резисторе R 11 (для положительной полуволны; для отрицательной полуволны выходного напряжения будет увеличиваться падение напряжения на резисторе R 12). При достижении напряжения падающего на резисторе R 11, порога UБЭ ПОР открывания транзистора VT 5 он отпирается, забирая на себя часть тока источника, тем самым стабилизируя максимальный ток нагрузки. Номиналы резисторов R11 и R12 рассчитаем по формуле:
Резисторы R 11 и R 13 имеют малое сопротивление (100…150 Ом) и служат для ограничения тока базы транзисторов VT 11 VT 13. Резисторы R 11 и R 13 практически не влияют на работу цепи защиты.
Рисунок 4 - Схема защиты выходного каскада УМЗЧ от токовой перегрузки и короткого замыкания выхода.
Далее перейдем к рассмотрению схемы температурной стабильности тока покоя выходного каскада УМЗЧ. Существует достаточно много различных схемотехнических приёмов обеспечения температурной стабильности тока покоя выходных транзисторов. Все они в конечном счете требуют создания теплового контакта элементов стабилизирующей цепи либо с корпусом транзисторов, либо с теплоотводящей поверхностью. Еще один пример построения выходного каскада усилителя мощности с температурной стабилизацией тока покоя выходных транзисторов приведен на рисунке 4. Преимущество данного способа заключается в том, что на теплоотводящую поверхность помещается только один термочувствительный элемент - транзистор VT 4. Условие, из которого выбирают номиналы резисторов R 6 и R 8:
В общем случае отношение должно быть численно на единицу меньше количества p-n переходов в контуре. Резистор R 8 выполняется переменным для обеспечения установки требуемого тока покоя транзисторов выходного каскада усилителя мощности. Выберем номиналы сопротивлений R 6 и R 8, учитывая, что их отношение должно быть примерно равняться трём, так в выходном каскаде стоят четыре транзистора (т.е. имеется четыре p-n перехода). Возьмём сопротивление R 6 равным 1000 Ом, тогда R 8 будет равным:
Для расчёта резистора R7, воспользуемся выражением:
рассчитаем R 7.
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.
