Рассказать в:

СХЕМОТЕХНИКА УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ ВЫСОКОЙ ВЕРНОСТИ

М. КОРЗИНИН, г. Магнитогорск

В настоящее время известен не один десяток вариантов как любительских, так и промышленных усилителей мощности звуковой частоты (УМЗЧ), но только некоторые из них можно действительно отнести к высококачественным. В связи с этим перед любителями звуковоспроизведения встает непростой вопрос: приобрести УМЗЧ промышленного изготовления или попытаться сконструировать его самому? На первый взгляд, приобретение готового устройства представляется более простым, поскольку для этого потребуются лишь необходимые средства. Однако лучший ли это выход из положения? Ответить на этот вопрос попытался радиолюбитель М. Корзинин в публикуемой ниже статье.

Из высококачественных УМЗЧ отечественного производства по своим параметрам к усилителям высокой верности звуковоспроизведения можно отнести только полный усилитель "Форум 180У-001 С" и блочный усилитель мощности "Корвет 200УМ-088С".

Оговоримся сразу, по каким критериям УМЗЧ можно отнести к высококачественным. Напомним, что условное обозначение высококачественной радиоаппаратуры "hi-fi" представляет собой сокращение от английского "high fidelity", что в переводе означает "Высокая верность (звуковоспроизведения)".

К этим аппаратам относятся только те, которые не вносят в усиливаемый сигнал заметных на слух непрограммируемых искажений. В последнее время в самостоятельный класс звуковоспроизводящей аппаратуры выделилась группа аппаратов, обладающих такой высокой линейностью усиления сигнала которая отвечает требованиям самых взыскательных слушателей. Этот класс получил название "high-end" - "Наивысший". Именно аппаратура этого класса представляет для нас наибольший интерес.

Оба указанных выше усилителя звуко вой частоты, безусловно, могут быть отнесены к категории усилителей высокой верности звуковоспроизведения. По отдельным же характеристикам и субъективным оценкам их можно отнести к нижней группе класса "high-end".

При решении вопроса о приобретении названных нами отечественных УМЗЧ следует иметь в виду, что хотя они и выпускались предприятиями оборонной промышленности, оба усилителя имели существенные конструктивные недостатки.

У полного усилителя "Форум 180У-00tc производства завода им. М.И.Калинина в г.Санкт-Петербурге отмечалась крайне низкая надежность. В гарантийный период заводской брак превышал 30% в основном из-за аварийного перегрева выходного каскада. Попытки найти оптимальное конструктивное и схемотехническое решения не увенчались успехом, и в 1994 г. усилитель был снят с производства.

Следует также сказать об очень высокой сложности схемотехники усилителя, в котором использовалось около 200 транзисторов. В результате гарантийный ремонт аппарата приходилось производить в заводских условиях. Именно по этой причине альбом схем к усилителю при продаже не прикладывался.

Что касается усилителя мощности "Корвет 200УМ-088С. который до последнего времени выпускался заводом "Водтрансприбор" в г. Санкт-Петербурге то его конструкторы более удачно решили проблему отвода тепла от нагревающихся элементов Правда, в процессе работы верхняя крышка усилителя все же нагревалась до 40...50 С, а корпусы выходных транзисторов - до 90...95°С. Процент брака данной конструкции существенно ниже, чем у "Форума 180У-001 С", однако ее ремонтопригодность крайне низка, и ремонт также производился только в заводских условиях.

Остальные усилители звуковой частоты нельзя отнести к аппаратуре высокой верности. Так, выпускаемый заводом "Ладога" в г.Кировске Ленинградской области полный усилитель "Корвет 100У-068СМ" можно причислить лишь к аппаратам так называемого потребительского класса с весьма средними качественными параметрами

На внутреннем рынке продаются усилители 34 зарубежного производства. Однако они также далеко не всегда отвечают требованиям, предъявляемым к аппаратуре высокой верности воспроизведения звука. У многих из них характеристики находятся на уровне хороших аппаратов потребительского класса, что касается их стоимости, то она существенно выше. Следует, однако, отметить, что разница в цене полностью окупается несравнимо более высокой надежностью в эксплуатации, прекрасным дизайном с использованием современных технологий, большими потребительскими возможностями Схемотехника, как правило, достаточно проста, но стоимость ремонта от этого не становится ниже. Объясняется это недостатком радиокомпонентов в наших мастерских.

В последнее время на наших рынках начали появляться и усилители 34 высокого качества.

Стоимость их очень высока. Так, комплект из предварительного и оконечного усилителей звуковой частоты модели su-2000e фирмы "technics" стоит примерно столько же, сколько подержанный автомобиль.

По мнению автора, для радиолюбителей средней квалификации оптимальным является самостоятельное изготовление высококачественного усилителя. Этот путь длиннее, сложнее и вряд ли дешевле но он позволяет создать действительно высоколинейньй относительно простой и надежный усилитель мощности с использованием нестандартных радиокомпонентов и схемотехнических решений. Задача радиолюбителя значительно облегчается, если у него есть возможность основные конструктивные элементы усилителя - платы, панели, шас си, корпус, ручки управления - изготовить в заводских условиях.

В настоящей статье автором сделана попытка в максимально простой и доступной форме помочь радиолюбителям проанализировать известные и малоизвестные конструкции усилителей мощности, выбрать оптимальные схемотехнические и конструктивные решения, подобрать необходимые радиокомпоненты, а также настроить усилитель без использования сложной измерительной техники.

1. Основные концепции конструирования усилителей мощности 34 высокой верности

Как правило, подаваемое на вход усилителя мощности напряжение звуковой частоты составляет 0,25...2,0 В, а ток - единицы и десятки мкА Выходное напряжение УМЗЧ может достигать десятков вольт, а выходной ток-десятков ампер. Отсюда следует, что УМЗЧ должен обеспечить линейное без искажений усиление сигнала по напряжению в десятки, а по току - в десятки тысяч раз.

Для выполнения этих функций любой высококачественный УМЗЧ содержит три основных последовательно соединенных между собой узла. Сначала сигнал звуковой частоты поступает на входной каскад, где предварительно усиливается по напряжению и току. Усиленный сигнал поступает на усилитель напряжения, в котором усиливается по напряжению до конечной величины. Затем он попадает на усилитель тока, называемый также оконечным каскадом, где усиливается по току до конечной величины. В ряде конструкций любительских и промышленных усилителей мощности 34 делались попытки совместить в одном узле как усилитель напряжения, так и усилитель тока, либо возложить на усилитель тока дополнительно функции частичного усиления сигнала по напряжению. Попытки эти реализовывались путем схемотехнического компромисса за счет заведомого снижения линейности усилителя, что неприемлемо для техники высококачественного звуковоспроизведения

Упрощенная структурная схема УМЗЧ приведена на рис. 1,а. Известна разновидность УМЗЧ, называемая мостовой. Она представляет собой два обычных УМЗЧ, работающих в противофазе на общую нагрузку. Для мостовой схемы справедливы концепции обычного УМЗЧ высокой верности. Упрощенная структурная схема мостового усилителя мощности приведена на рис. 1 ,б

Чтобы УМЗЧ отвечал требованиям высокой верности звуковоспроизведения, его схемотехника и конструкция должны соответствовать определенным принципам, которые можно сформулировать следующим образом.

Все узлы такого УМЗЧ должны быть выполнены с использованием высоколинейных схемотехнических решений, современных высококачественных радиокомпонентов и согласованы между собой по электрическим, частотным и качественным характеристикам. Важно, чтобы схемотехнические решения по возможности были рациональны, а блок питания обеспечивал питание узлов УМЗЧ максимально отфильтрованным от пульсаций сети током с необходимыми стабильными напряжениями с учетом импульсного характера их потребления и независимого питания каналов усилителя. Следует стремиться к тому, чтобы глубина общей обратной связи была минимальна, а в идеале - равнялась нулю. Все радиокомпоненты должны работать в щадящих режимах по току, напряжению, мощности и рабочей температуре. С этой целью в конструкции нужно предусмотреть эффективный теплоотвод выделяющегося в процессе работы усилителя тепла, комплекс систем защиты узлов усилителя от перегрузок всех видов и возникновения аварийных режимов, индикации текущих и аварийных состояний.

В следующих разделах статьи будет рассказано, каким образом можно реа-лизовывать эти принципы при конструировании узлов УМЗЧ

2. Схемотехника входных каскадов УМЗЧ

Схемотехника и конструкция входного каскада УМЗЧ в основном определяет такие его характеристики, как диапазон допустимых входных напряжений, входное сопротивление, входные токи, отношения сигнал/шум, сигнал/фон/, сигнал/ помеха.

себя номинальное входное напряжение, которое соответствует номинальной выходной мощности усилителя, максимальное долговременное входное напряжение, соответствующее максимальной долговременной выходной мощности усилителя, и максимальное кратковременное входное напряжение, соответствующее максимальной кратковременной мощности усилителя. Эти параметры тесно связаны друг с другом и находятся в определенной зависимости, поскольку в рабочем диапазоне частот усилитель обладает конструктивным коэффициентом усиления по напряжению. Этот параметр при отсутствии цепей общей обратной связи определяется усилением по напряжению входного каскада и усилителя напряжения, а также потерями напряжения в усилителе тока. При наличии цепей общей обратной связи его коэффициент усиления по напряжению определяется параметрами именно этих цепей Поясним это на примере. Для УМЗЧ высокой верности указана чувствительность порядка 0,8 В.

Он собран по схеме неинвертирующего усилителя. Соотношение величин резисторов его цепи ООС составляет 33. Следовательно, коэффициент усиления по напряжению равен 34 Для входного напряжения 0,8 В (эффективное значение) величина выходного напряжения составит около 27 В (эффективное значение), что при сопротивлении нагрузки УМЗЧ, равном 8 Ом, соответствует выходной мощности порядка 92 Вт. Для того, чтобы этот усилитель на такой же нагрузке развил выходную мощность порядка 200 Вт, нужно чтобы напряжение на нагрузке составляло примерно 40 В. При коэффициенте усиления УМЗЧ по напряжению, равном 34, входное напряжение составит примерно 1,2 В

Поскольку такая мощность для этого УМЗЧ является долговременной максимальной, можно утверждать, что максимальное входное долговременное напряжение для него составит 1,2 В. Если принять максимальную кратковременную выходную мощность этого УМЗЧ равной 300 Вт, то напряжение на нагрузке должно составить примерно 49 В, что соответствует максимальному кратковременному входному напряжению УМЗЧ порядка 1,45 В. Следовательно, диапазон допустимых входных напряжений для этого УМЗЧ составляет 0,8...1,45 В. Диапазон входных напряжений ниже уровня 0,8 В является рабочим. Так, для выходной мощности УМЗЧ порядка 32 Вт необходимое рабочее входное напряжение составляет около 0,47 В, а для выходной мощности порядка 8 Вт - около 0,24 В.

Таким образом, рабочий диапазон входных напряжений УМЗЧ высокой верности находится в пределах 0,12...0,8 В, а диапазон допустимых входных напряжений - в пределах 0,8...1,45 В. При дальнейшем повышении входного напряжения УМЗЧ начинает работать в заведомо нелинейном режиме из-за перегрузки всех его узлов и нарушения линейности их работы

В связи с этим представляется целесообразным ограничить с помощью специального устройства максимальную величину входного напряжения УМЗЧ, рассчитав ее аналогичным образом для каждой конкретной конструкции. Для УМЗЧ высокой верности, описанного в [ 1 ], эта величина может быть определена на уровне 1,2...1,4 В. Принципиальная схема такого ограничителя, использованного в [ 2 ], приведена на рис. 2.

Это устройство представляет собой двусторонний симметричный диодный ограничитель входного сигнала УМЗЧ, собранный на кремниевых диодах КД521А Можно применить и любые кремниевые маломощные импульсные выпрямительные и универсальные диоды с допустимым током до 50 мА. Резисторы r1 и r2 ограничивают прямой ток через ограничитель при открывании диодов. Резисторы r3, r4 обеспечивают прямой ток на уровне около 2 мА для линеаризации амплитудной характеристики ограничителя на рабочем участке.

Уровень ограничения входного сигнала УМЗЧ устанавливается конструктивно изменением числа диодов в обеих ветвях одновременно как для отрицательной, так и для положительной полярности. Конструкция ограничителя максимально проста и надежна, легко адаптируется под любой УМЗЧ и может быть рекомендована для использования в каждом усилителе мощности 34.

Представляется оптимальной и уста-

Высоколинейный входной каскад УМЗЧ может быть выполнен как на интегральных операционных усилителях, так и на дискретных транзисторах. Рассмотрим оба варианта подробнее.

Интегральный операционный усилитель-это многокаскадный усилитель постоянного тока. Его внутренняя схемотехника сходна со схемотехникой усилителей мощности 34. Он содержит входной каскад, собранный по дифференциальной схеме с источниками тока, усилитель напряжения и усилитель тока. ОУ способен усиливать переменный ток, однако его конструкция не является оптимальной для этого из-за ограничений, накладываемых интегральной технологией его изготовления. Так, выходной ток ОУ составляет обычно единицы миллиампер, а выходное напряжение - единицы вольт. АЧХ интегрального ОУ на переменном токе далека от идеальной: начиная с определенной частоты коэффициент усиления ОУ начинает монотонно уменьшаться. Таких частот может быть несколько в зависимости от собственных частотных характеристик узлов ОУ. Частота, на которой усиление ОУ падает до единицы, называется частотой единичного усиления. Этот параметр достаточно хорошо характеризует частотные свойства ОУ как усилителя. Вторым важным параметром ОУ такого рода является скорость нарастания выходного напряжения. Этот параметр характеризует искажения, вносимые ОУ в сигнал импульсного характера с крутыми фронтами. Чем выше значение скорости нарастания выходного напряжения ОУ, тем меньше собственные искажения такого рода. На рис. 4 приведена типовая АЧХ интегрального ОУ без обратной связи, а на рис. 5 показано влияние скорости нарастания выходного напряжения интегрального ОУ на воспро- изведение переднего фронта прямоугольного импульса. Оба графика максимально упрощены для лучшего восприятия указанных положений.

Входные каскады современных ОУ выполняются, как правило, на полевых транзисторах по дифференциальным схемам и имеют вполне приемлемые для линейного усиления входные характеристики. В них зачастую предусматривается внешняя балансировка ОУ изменением токового режима плеч дифференциального каскада таким образом, чтобы постоянное напряжение на выходе ОУ в режиме покоя отсутствовало. Основные искажения ОУ вносятся в усиливаемый им сигнал его выходным каскадом.

В режиме покоя этот каскад работает в режиме класса А с небольшим током покоя, не превышающим, как правило, величины в 1 мА.

При работе ОУ в малосигнальном режиме его выходной каскад продолжает работать в режиме класса А, обладающем наименьшими искажениями. При увеличении входного сигнала свыше определенной величины выходной каскад ОУ переходит в режим класса АВ и его искажения увеличиваются примерно в 4 раза .

Это пороговое значение величины входного сигнала тесным образом связано с сопротивлением нагрузки ОУ. Действительно, если критерием является выходной ток ОУ при определенном значении коэффициента его усиления по напряжению, то при увеличении значения сопротивления нагрузки ОУ становится возможным увеличить допустимый диапазон входных и выходных напряжений ОУ, при которых его выходной каскад остается работать в режиме класса А, не переходя в режим класса АВ.

В любом случае следует стремиться к максимальному увеличению сопротивления нагрузки ОУ, используемого во входном каскаде высококачественного УМЗЧ По данным при увеличении значения сопротивления нагрузки ОУ К574УД1 с 10 до 100 кОм коэффициент его собственных искажений уменьшился в 10 (!) раз и составил всего 0,01%.

Известны попытки увеличить сопротивление нагрузки интегрального ОУ для постоянной работы его выходного каскада в режиме класса А. Делалось это с помощью подключения к его выходу в качестве динамической нагрузки эмит-терного повторителя на биполярном транзисторе, нагруженного в свою очередь на генератор тока .

Данные о конструктивной собственной линейности отечественных интегральных ОУ в справочной литературе не приводятся. Отрывочные сведения об этом можно найти в различных источниках. Так, собственный коэффициент нелинейных искажений (КНИ) интегрального ОУ К544УД2 составляет 1% (19 ], а ОУ К574УД2 - порядка 0,005% . Однако в справочной литературе можно найти данные о конструктивной собственной линейности для отдельных типов ОУ зарубежного производства. Так, собственный КНИ ОУ tl081 и tl083 по данным составляет всего 0,003%. Этот параметр весьма важен при выборе ОУ для входного каскада УМЗЧ высокой верности, так как невозможно получить высокую линейность всего УМЗЧ только за счет глубокой обратной связи: начиная с определенного значения КНИ при увеличении глубины ООС не уменьшается из-за низкой линейности исходного усилителя.

Оценивая шумовые параметры, а также параметры по подавлению помех всех видов, следует признать, что вполне достаточным для УМЗЧ высокой верности является отношение сигнал/шум, сигнал/ фон и сигнал/помеха порядка 100 дБ. При использовании ОУ К574УД1 и номинальном входном напряжении 0,8 В по данным этот параметр не превышает величины -112 дБ при измерении со взвешивающим фильтром МЭК-А. Подбор ОУ по шумовым параметрам для входного каскада УМЗЧ позволяет получить существенный выигрыш по шумам. Так, замена ОУ КР544УД1 на ОУ А081 позволила улучшить отношение сигнал/взвешенный шум в усилителе мощности "Корвет 100УМ-048С" со 100 до 110 дБ .

Подбирая ОУ по частотным характеристикам, следует отметить, что пригодны ОУ, имеющие частоту единичного усиления не менее 5 МГц и скорость нарастания выходного напряжения более 5 В/мкс .

Суммируя все сказанное, можно сформулировать следующие принципы построения высоколинейного входного каскада на интегральном ОУ для УМЗЧ высокой верности.

Во входном каскаде такого УМЗЧ следует использовать ОУ с полевыми транзисторами на входе, имеющий незначительные собственные искажения всех видов, частоту единичного усиления не ниже 5 МГц и скорость нарастания выходного напряжения более 5 В/мкс,

Важно, чтобы ОУ работал только в малосигнальном режиме и на высокоом-ную нагрузку;

ОУ в режиме покоя должен быть максимально сбалансирован, по возможности постоянное напряжение на его выходе в режиме покоя должно отсутствовать;

Обязательно нужно принять меры по ограничению до безопасных величин всех видов напряжений, поступающих на выводы ОУ;

Проследить, чтобы в процессе эксплуатации температура корпуса ОУ не превышала температуру окружающей среды.

Последнее утверждение необходимо дополнительно пояснить. Отсутствие нагрева корпуса ОУ косвенно показывает, что его выходной каскад работает во всех режимах только в классе А, т.е. наиболее линейном.

Нагрев же корпуса ОУ свидетельствует о работе его выходного каскада в режиме класса АВ и соответствующей потере линейности. Простейший расчет позволяет установить, что при напряжении питания ОУ порядка ±13 В и токе покоя 1 мА рассеиваемая ОУ мощность постоянна и составляет всего около 50 мВт с учетом токопотребления его входного каскада и усилителя напряжения. При такой рассеиваемой мощности корпус ОУ практически не нагревается. В любом случае нагрев ОУ однозначно говорит о неоптимальном режиме его использования.

Попробуем применить эти принципы для оценки линейности входного каскада на интегральном ОУ, примененном в УМЗЧ высокой верности, описанном в [ 1).

Упрощенная схема этого УМЗЧ приведена на рис. 6. Удалены система "чистой земли" и триггерная встроенная система защиты, поскольку усилитель вполне работоспособен без потерь в качественных показателях и без этих систем. Следует отметить, что система "чистой земли" малоэффективна при использовании соединительных кабелей с малым активным сопротивлением для соединения усилителя с акустическими системами. В то же время эта система может создать серьезные проблемы при использовании ее совместно с УМЗЧ в помещении, имеющем высокий электромагнитный фон сети, подавая этот фон на вход УМЗЧ со своего входа. Триггерная система защиты, по мнению автора, малоэффективна в случае аварии усилителя, поскольку не отключает напряжений его питания и имеет ограниченную функцию воздействия на УМЗЧ: предполагается, что она срабатывает при перегрузке УМЗЧ. Гораздо проще и надежнее ограничить напряжение входного сигнала, подаваемое на вход УМЗЧ и правильно рассчитать его схемотехнику.

Входной каскад УМЗЧ собран на интегральном ОУ К574УД1. Этот ОУ полностью соответствует требованиям, предъявляемым к входному каскаду УМЗЧ высокой верности.

В то же время из схемы усилителя следует, что на выходе ОУ в режиме покоя постоянно присутствует напряжение по рядка 4,9 В при напряжении питания ОУ ±13 В. Из описания УМЗЧ следует, что корпус ОУ в процессе работы ощутимо нагревается и его температура составляет 45...50°С.

Это позволяет сделать вывод: правильно выбранный по типу ОУ в данной конструкции используется в нелинейном режиме со значительными собственными искажениями. Поскольку такой потенциал на выходе ОУ создается в связи с конструктивными особенностями схемотехники УМЗЧ системой его балансировки, намеренно следует говорить о схемотехнически некорректном для УМЗЧ высокой верности решении входного каскада этого усилителя.

Даже в данном случае линейность УМЗЧ весьма высока. Однако если доработать входной каскад и поставить ОУ в линейный режим, мы сможем существенно улучшить качественные характеристики усилителя.

[Усилители мощности низкой частоты (на транзисторах)]
Сохрани статью в:

Схема № 1

Выбор класса усилителя . Сразу предупредим радиолюбителя - делать усилитель класса A на транзисторах мы не будем. Причина проста - как было сказано во введении, транзистор усиливает не только полезный сигнал, но и поданное на него смещение. Проще говоря, усиливает постоянный ток. Ток этот вместе с полезным сигналом потечет по акустической системе (АС), а динамики, к сожалению, умеют этот постоянный ток воспроизводить. Делают они это самым очевидным образом - вытолкнув или втянув диффузор из нормального положения в противоестественное.

Попробуйте прижать пальцем диффузор динамика - и вы убедитесь, в какой кошмар превратится при этом издаваемый звук. Постоянный ток по своему действию с успехом заменяет ваши пальцы, поэтому динамической головке он абсолютно противопоказан. Отделить же постоянный ток от переменного сигнала можно только двумя средствами - трансформатором или конденсатором, - и оба варианта, что называется, один хуже другого.

Принципиальная схема

Схема первого усилителя, который мы соберем, приведена на рис. 11.18.

Это усилитель с обратной связью, выходной каскад которого работает в режиме В. Единственное достоинство этой схемы - простота, а также однотипность выходных транзисторов (не требуется специальные комплементарные пары). Тем не менее, она достаточно широко применяется в усилителях небольшой мощности. Еще один плюс схемы - она не требует никакой настройки, и при исправных деталях заработает сразу, а нам это сейчас очень важно.

Рассмотрим работу этой схемы. Усиливаемый сигнал подается на базу транзистора VT1. Усиленный этим транзистором сигнал с резистора R4 подается на базу составного транзистора VT2, VT4, а с него - на резистор R5.

Транзистор VT3 включен в режиме эмиттерного повторителя. Он усиливает положительные полуволны сигнала на резисторе R5 и подает их через конденсатор C4 на АС.

Отрицательные же полуволны усиливает составной транзистор VT2, VT4. При этом падение напряжения на диоде VD1 закрывает транзистор VT3. Сигнал с выхода усилителя подается на делитель цепи обратной связи R3, R6, а с него - на эмиттер входного транзистора VT1. Таким образом, транзистор VT1 у нас и играет роль устройства сравнения в цепи обратной связи.

Постоянный ток он усиливает с коэффициентом усиления, равным единице (потому что сопротивление конденсатора C постоянному току теоретически бесконечно), а полезный сигнал - с коэффициентом, равным соотношению R6/R3.

Как видим, величина емкостного сопротивления конденсатора в этой формуле не учитывается. Частота, начиная с которой конденсатором при расчетах можно пренебречь, называется частотой среза RC-цепочки. Частоту эту можно рассчитать по формуле

F = 1 / (R×C) .

Для нашего примера она будет около 18 Гц, т. е. более низкие частоты усилитель будет усиливать хуже, чем он мог бы.

Плата . Усилитель собран на плате из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1.5 мм размерами 45×32.5 мм. Разводку печатной платы в зеркальном изображении и схему расположения деталей можно скачать . Видеоролик о работе усилителя в формате MOV скачать для просмотра можно . Хочу сразу предупредить радиолюбителя - звук, воспроизводимый усилителем, записывался в ролике с помощью встроенного в фотоаппарат микрофона, так что говорить о качестве звука, к сожалению, будет не совсем уместно! Внешний вид усилителя приведен на рис. 11.19.

Элементная база . При изготовлении усилителя транзисторы VT3, VT4 можно заменить любыми, рассчитанными на напряжение не менее напряжения питания усилителя, и допустимым током не менее 2 А. На такой же ток должен быть рассчитан и диод VD1.

Остальные транзисторы - любые с допустимым напряжением не менее напряжение питания, и допустимым током не менее 100 мА. Резисторы - любые с допустимой рассеиваемой мощностью не менее 0.125 Вт, конденсаторы - электролитические, с емкостью, не менее указанной на схеме, и рабочим напряжением на менее напряжения питания усилителя.

Радиаторы для усилителя . Прежде чем попробовать изготовить нашу вторую конструкцию, давайте, уважаемый радиолюбитель, остановимся на радиаторах для усилителя и приведем здесь весьма упрощенную методику их расчета.

Во-первых, вычисляем максимальную мощность усилителя по формуле:

P = (U × U) / (8 × R), Вт ,

где U - напряжение питания усилителя, В; R - сопротивление АС (обычно оно составляет 4 или 8 Ом, хотя бывают и исключения).

Во-вторых, вычисляем мощность, рассеиваемую на коллекторах транзисторов, по формуле:

P рас = 0,25 × P, Вт .

В-третьих, вычисляем площадь радиатора, необходимую для отвода соответствующего количества тепла:

S = 20 × P рас, см 2

В-четвертых, выбираем или изготавливаем радиатор, площадь поверхности которого будет не менее рассчитанной.

Указанный расчет носит весьма приблизительный характер, но для радиолюбительской практики его обычно бывает достаточно. Для нашего усилителя при напряжении питания 12 В и сопротивлении АС, равным 8 Ом, «правильным» радиатором была бы алюминиевая пластина размерами 2×3 см и толщиной не менее 5 мм для каждого транзистора. Имейте ввиду, что более тонкая пластина плохо передает тепло от транзистора к краям пластины. Хочется сразу предупредить - радиаторы во всех остальных усилителях тоже должны быть «нормальных» размеров. Каких именно - посчитайте сами!

Качество звучания . Собрав схему, вы обнаружите, что звук усилителя не совсем чистый.

Причина этого - «чистый» режим класса В в выходном каскаде, характерные искажения которого даже обратная связь полностью скомпенсировать не способна. Ради эксперимента попробуйте заменить в схеме транзистор VT1 на КТ3102ЕМ, а транзистор VT2 - на КТ3107Л. Эти транзисторы имеют значительно больший коэффициент усиления, чем КТ315Б и КТ361Б. И вы обнаружите, что звучание усилителя значительно улучшилось, хотя все равно останутся заметными некоторые искажения.

Причина этого также очевидна - больший коэффициент усиления усилителя в целом обеспечивает большую точность работы обратной связи, и больший ее компенсирующий эффект.

Продолжение читайте

Рассказать в:

ПРАВДА и "СКАЗКИ" О ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННОМ ЗВУКОВОСПРОИЗВЕДЕНИИ

И. СУХОВ, г. Киев, Украина

Давние разработки Н. Е. Сухова (системы динамического под-магничивания, УМЗЧ высокой верности и др.) до сих пор не забыты любителями высококачественной записи звука. Это отражают и письма в редакцию журнала "Радио", и ссылки на статьи в других изданиях, да и, насколько нам известно, личная почта автора.

В предлагаемой статье Н. Е. Сухов отвечает на вопросы наших читателей и ряд критических замечаний в его адрес. Полагаем, эта публикация для многих будет представлять интерес, тем более что она содержит рекомендации по доработке усилителей мощности и анализ некоторых аспектов современной звукозаписи.

Москвич Николай Клименко, один из читателей "Радио", с большим сомнением воспринял рассуждения и голословную критику экспертов журнала "АУДИО МАГАЗИН" (далее "AM") по поводу УМ 34 высокой верности (далее УМ 34 В В), описанного в . В частности, он попросил прокомментировать некоторые суждения (в рубрике "Почта" - "AM", 1996, №4, с. 3, 4).

Ознакомившись с заметками в "AM", могу отметить, что эксперты В. Зуев и С. Куниловский, на мой взгляд, в схемотехнике разбираются, мягко говоря, не очень хорошо. Так, например, В. Зуев, оценивая схемотехнику УМ 34 В В, пытался доказать, что (цитирую) "микросхема на входе усилителя... наверняка украдет виртуальную глубину стереопанорамы, столь необходимую для создания эффекта присутствия" (имеется в виду быстродействующий ОУ К574УД1 с входным каскадом на полевых транзисторах). Уместно спросить, почему именно этот ОУ " украдет глубину ", а десяток ОУ, через которые звуковой сигнал проходит до УМЗЧ в магнитофоне, CD-плейере или любом другом источнике сигнала (даже в "ламповых" CD-плейерах ЦАП выполнен, как должно быть известно и эксперту, на твердотельной ИМС, внутри которой несколько ОУ), будут вести себя "порядочно" и ничего "не украдут"?

Далее эксперт "AM" старается убедить нас в "практически невозможном получении хорошего звучания в любительских условиях", поскольку "для хорошего воспроизведения звука требуются изготовленные по специальной технологии дорогие "хай-файные" проводники, переключатели, сложные способы их соединения (бескислородная пайка, спецприпои)". Он оправдывает "смешную" цену усилителей фирм Audio Note ($120400) мощностью 17 Вт и Кедоп ($247000) мощностью 45 Вт, а также, очевидно, соединительных кабелей с некристаллической структурой проводников стоимостью в несколько сотен долларов.

Из курса физики известно, что любой контакт металла с металлом (при наличии хотя бы тончайшей оксидной пленки) можно рассматривать как нелинейный элемент электрической цепи. И эта нелинейность способна ухудшить звучание систем высокой верности. Но мне, например, трудно поверить, что В. Зуев слышал реальную работу УМЗЧ В В и тем более сколь-нибудь знаком с его схемой, поскольку именно вопросам устранения нелинейности соединительных проводов, контактов разъемов и реле при разработке этого усилителя было уделено особое внимание. В частности, в усилитель введен специальный каскад, компенсирующий не только нелинейность, но также активную и реактивную составляющие распределенного сопротивления соединительных проводов, а цепь общей ООС выполнена так, что компенсирует нелинейность "холодных" контактов реле коммутации выхода УМЗЧ и разъемов. Другими словами, те отрицательные факторы, о которых упоминает В. Зуев и которые способны ухудшить звучание, в УМЗЧ В В устранены наиболее эффективным способом - схемотехнически.

Не могу согласиться и с утверждением, что "любительство взвукотехнике не может сейчас конкурировать с фирменной аппаратурой... по качеству звука". Если речь идет о дизайне и исполнении корпуса - да, тут любителю трудно тягаться с промышленностью. Но если говорить о качестве звука, то сегодня даже радиолюбителю со средней подготовкой вполне под силу собрать УМЗЧ ценовой категории $300-500, затратив при этом всего $40...50. Но для этого надо быть радиолюбителем и не следовать совету В. Зуева "лучше купить готовый аппарат".

Несколько претенциозен, думается, и отзыв эксперта "AM" о том, что "г-н Сухов с большим опозданием обратил внимание на схемную экзотику некоторых зарубежных фирм, не отличающихся качеством звучания своих изделий (имеются в виду Kenwood и Akai. - Примеч. автора) и... опоздал примерно на 10 лет". Но почему же тогда "AM" обсуждает конструкцию семилетней давности как наиболее популярную и до сих пор не превзойденную по параметрам? Для мира электронной техники это большой срок.

Завершая изложение моего мнения о заметках в "AM", хочу отметить, что сами по себе такие журналы, конечно, полезны. Но многие утверждения отдельных авторов статей могут показаться бесспорными лишь тем читателям, которые, простите, не в состоянии отличить транзистор от резистора. На людей же, разбирающихся в схемотехнике аудиоаппаратуры, некоторые статьи в "AM" производят жалкое впечатление. Убежден, что учить кого-то можно в том случае, когда сам досконально, в мельчайших подробностях, знаешь то, о чем пишешь.

В своем письме в "Радио" Н. Клименко интересовался также "философией", которой я придерживался при разработке УМЗЧ ВВ, и проведением экспертных прослушиваний. Так вот, этот усилитель разрабатывался как оконечное звено стенда для субъективной экспертизы звучания CD-плейеров по заданию одной из испытательных лабораторий. Стояла задача выполнить конструкцию на отечественной элементной базе и обеспечить выходную мощность 100 Вт на нагрузке 8 Ом (студийные мониторы фирмы JBL) при уровне искажений и шумов на 10...20 дБ ниже, чем у CD-плейеров. Повторив на отечественных элементах до десятка вариантов УМЗЧ ведущих западных фирм, убедился, что на комплементарных транзисторах серий КТ818, КТ819 с низкой граничной частотой не удастся получ ить прие м л ем ого (п о ТЗ - не бол ее 0,001%) уровня нелинейных искажений на высшей частоте звукового диапазона. Фазовый сдвиг, создаваемый этими транзисторами уже на звуковых частотах (т. е. на один-два порядка ниже, чем у зарубежных), вынуждал вводить для обеспечения устойчивости более глубокую частотно-фазовую коррекцию, что, в свою очередь, ограничивало глубину ООС на высших частотах и ухудшало линейность.

Проблему удалось решить, полностью отказавшись от включения транзисторов по схеме с ОЭ. Была введена коррекция по опережению, компенсирующая формируемый транзисторами выходного каскада полюс на АЧХ усилителя с разомкнутой ООС. В результате требования заказчика по линейности были выполнены с большим запасом во всем звуковом диапазоне и усилитель был принят в эксплуатацию.

Но затем обнаружилось (я участвовал как "слухач" в большинстве субъективных испытаний), что проигрываемый компакт-диск звучит через мониторы (студийную АС), соединяемые с УМЗЧ разными кабелями, по-разному! Тогда, тщательно исследовав феномен, мы поняли, что те тысячные доли процента искажений, которые давал УМЗЧ, ничто по сравнению с искажениями, создаваемыми соединительными кабелями с разъемами. Замена разъемов на позолоченные, а обычные соединительные провода - на специальные с "некристаллической" структурой ($250 за витую пару длиной 4 м), лишь частично решила проблему - искажения уменьшились в несколько раз, но не исчезли. Тогда, после ряда экспериментов со студийными усилителями Kenwood с системой "Sigma Drive", попробовал ввести в УМ34 каскады компенсации полного импеданса проводов и нелинейности "холодных" контактов. Результат превзошел все ожидания - искажения исчезли, причем независимо от качества (и цены!) соединительных проводов и разъемов. Так родилась конструкция, описанная в "Радио" № 6, 7 за 1989 г.

Кстати, настоятельно рекомендую всем любителям высококачественного звука установить упомянутую схему компенсации в свои УМЗЧ. Это сделать несложно: потребуются лишь три прецизионных (или точно подобранных) резистора и один ОУ Его тип особого значения не имеет, это может быть и К140УД6, и К157УД2.

На рис. 1 показаны функциональные схемы типовых УМ34: рис. 1, а -с входным каскадом на дискретных элементах, рис. 1, б - с входным каскадом на ОУ, остальные каскады "упрятаны" в блок А2. Вход цепи компенсации соединяют с общим выводом прямо на клемме громкоговорителя, а выход через резистор Р|дош сопротивление которого должно быть точно равно сопротивлению резистора R2 в цепи общей ООС УМЗЧ, - с инвертирующим входом входного каскада. Резисторы в компенсаторе следует использовать прецизионные (с погрешностью не более 1 %).

Принцип работы такого компенсатора - измерение падения напряжения на одном из соединительных проводов, удвоение его и "добавка" к обычному сигналу на выходе УМЗЧ, что эквивалентно устранению проводов между усилителем и громкоговорителями. Такое схемное решение не требует какого-либо налаживания при замене соединительных кабелей или акустических систем. Попробуйте, и вы убедитесь, что эффект превзойдет все ваши ожидания (конечно, если ваш усилитель, источник сигнала и особенно акустические системы достаточно высокого качества).

Отвечая на вопрос о субъективном сравнении звучания УМЗЧ В В, хочу отметить, что я признаю только "анонимные" тесты, проводимые по системе так называемой А-В-Х экспертизы, в ходе которой сравниваемые устройства А и В невидимы экспертам и переключаются случайным образом (скажем,"А", затем "В", а последующие переключения "X" не объявляются).

Так вот, в ходе А-В-Х экспертизы сравнения УМЗЧ В В был лучше или не хуже имевшихся в распоряжении испытательной лаборатории Kenwood КА-500, Quad 405, Yarn aha A-1 стоимостной категории $400 - 1000 и намного лучше "Брига","Одиссея-010" или лампового "Прибоя". Кстати, именно А-В-Х экспертиза позволила воочию убедиться, как многие знатоки High End теряли способность отличить компоненты классов Hi-Fin High End, как только объект их безграничной, но "слепой" любви исчезал за черную перегородку.

Я, конечно, не обладаю идеальным музыкальным слухом, но, на мой взгляд, многое из того, что "крутится" сейчас вокруг слова "High End", похоже на религиозный диспут ("верю - не верю"), а ажиотаж нагнетается искусственно с единственной целью - стимулировать сбыт.

В связи с этим вспоминается случай с выпуском в свое время фирмой Nakamichi "спецварианта" популярного магнитофона "Nakamichi 1000ZXL", в котором все детали, вплоть до радиаторов блока питания, были позолочены! Добавило ли это качества звуку - читатели догадаются сами, а вот цена выросла примерно втрое по сравнению со стандартной моделью.

Ламповые усилители. Они, действительно, в большинстве своем звучат приятнее, чем транзисторные. Но "приятнее" не значит точнее. Выходной трансформатор -устройство с гораздо большей (из-за петли гистерезиса и конечной индукции насыщения магнито-провода) нелинейностью, частотными и фазовыми искажениями, чем транзистор в линейном режиме. "Чистые лампо-вики", понимающие проблему, создали бестрансформаторные УМЗЧ на 6СЗЗС, но это - исключение из правила. Именно из-за больших фазовых искажений ламповый УМЗЧ затруднительно охватить глубокой ООС, что и проявляется в конечном итоге в относительно большом выходном сопротивлении (единицы ома, у транзисторных - обычно сотые доли ома), а также сравнительно плавном ограничении при перегрузке (на рис. 2 кривые 1 и 2 изображают типовые амплитудные характеристики соответственно лампового и транзисторного усилителей).

Попробуйте искусственно увеличить выходное сопротивление любого "среднего" транзисторного УМЗЧ до 2...4 Ом (для этого достаточно последовательно с акустической системой включить 10- 20-ваттный резистор с таким сопротивлением) и не превышайте четверти его номинальной мощности, чтобы кратковременные пики сигнала не обрезались. Вы убедитесь, что звук в 95% случаев приобретет "ламповую мягкость". Причина кроется в том, что многие (но не все!) громкоговорители обеспечивают минимум интермодуляционных искажений (по звуковому давлению) не при близком к нулю выходном сопротивлении УМЗЧ, а при его величине не менее 3...5 Ом *. Однако такое сопротивление нарушает линейность АЧХ и ФЧХ пассивных разделительных фильтров акустических систем, которые обычно проектируются в расчете на нулевое значение выходного сопротивления УМЗЧ.

Но ведь это проблемы не усилителей, а акустических систем! Именно акустики должны позаботиться при разработке систем не только о линейности АЧХ и ФЧХ по звуковому давлению на синусоидальном сигнале, но и о минимизации акустических интермодуляционных искажений при REtK = 0 или, что хуже, нормировать REbK, скажем, величиной 3 Ома и рассчитывать разделительные фильтры на такое сопротивление источника.

Еще одно распространенное заблуждение аудиофилов: якобы компакт-диски (КД) обеспечивают больший динамический диапазон, чем аналоговая компакт-кассета (КК). При этом в качестве основного аргумента приводится формула для расчета шумов квантования: Nкв=6N+1,8 [дБ], где N - разрядность квантования по уровню.

Для КД принято N=16, следовательно, теоретический уровень шумов квантования

Nкв кд =6X16+1,8=97,8 дБ. С чьей то легкой руки это значение и принимают за дин ам ич ески й диап азон КД. Учиты вая, что у лучших КК отношение сигнал/шум составляет (без систем шумопонижения) порядка 55 дБ, делают вывод о выигрыше КД более чем 40 дБ.

Но нельзя забывать, что принципы аналоговой КК и цифрового КД в корне отличаются, поэтому применять для оценки динамического диапазона КД методы измерения КК некорректно. В КК динамический диапазон снизу действительно определяется уровнем шумов, но это не значит, что так же обстоит дело и у КД! Взглянув на рис. 3, на котором изображены типовые зависимости коэффициента нелинейных искажений Кни КК и КД в функции уровня сигнала, можно легко заметить, что в аналоговой записи с уменьшением уровня Кни монотонно убывает, в то время как у цифровой записи возрастает, стремясь к 40% (поскольку увеличивается относительный размер ступеньки квантования).

Если у аналоговой записи в спектре искажений преобладают не очень режущие слух третья и пятая гармоники, то у цифровой дело обстоит гораздо хуже - множествокомбинационныхс оставл яю-щих не образуют привычного для слуха гармонического ряда, и их действие становится заметно уже при уровнях около 1%. Легко убедиться, что при уровнях сигнала порядка -50 дБ и ниже искажения сигналов КД переходят порог допустимых 1%. Снизу его динамический диапазон оказывается ограничен не

шумами квантования, а нелинейными искажениями. И из теоретических 97,8 дБ остается только 50.

Но это еще не все! При перегрузке КК нелинейные искажения пропорциональны квадрату уровня записи (при увеличении уровня в два раза коэффициент гармоник возрастает всего в четыре раза), поэтому их кратковременное появление на пиках сигнала незаметно на слух. У КД при превышении номинального входного уровня аналого-цифрового преобразователя (АЦП) всего на 2...3 дБ нелинейные искажения возрастают в тысяч и раз, поэтому в реальной аппаратуре цифровой записи за номинальный принимают уровень на 12... 15 дБ (т. е. на пик-фактор реального музыкального сигнала) меньше предельного входного для АЦП. В результате из исходных 97,8 дБ остается всего 35.. .37 дБ реальных, что на 20 дБ меньше, чем у КК.

Вот почему, несмотря на субъективное отсутствие "шипа", многие фонограммы, воспроизводимые с КД, приводят к быстрой утомляемости и имеют заметно худшую "глубину стереопано-рамы", чем та же фонограмма, воспроизводимая с аналоговой виниловой грампластинки или качественной КК. Кстати, современные грампластинки, выполненные по технологии Direct Metal Mastering, обеспечивают динамический диапазон 60...65 дБ и высоко ценятся аудиофилами.

Нельзя не упомянуть и еще о двух "наездах" на К К - со стороны фирм-разработчиков цифровой компакт-кассеты DCC и мини-диска MD. С момента появления DCC (1989 г.) и MD (1993 г.) фирма Philips -разработчик DCC - пыталась убедить аудиофилов, что именно DCC через 1-2 года полностью вытеснит КК. С аналогичным заявлением, но уже в отношении MD, выступала и Sony - разработчик MD. Но... время шло, а КК до сих пор является основным бытовым носителем аудиопрограмм с возможностью записи. Более того, если вначале формат DCC был поддержан мировым гигантом Matsushita и рядом других известных фирм, то сегодня DCC производит только Philips, да и то всего несколько моделей (на фоне десятков моделей КК).

Фирма Sony, также удрученная субъективной оценкой качества звучания, проведенной немецким журналом "Audio", в результате которой MD расположился на последнем месте с 45 баллами из 100 после разделивших 1-2-е места проигрывателя компакт-дисков (85 баллов) и кассетного магнитофона (85 баллов) и занявших 3-4-е места проигрывателя виниловых грампластинок (80 баллов) и DCC-магнитофона (80 баллов), начала лихорадочно совершенствовать систему сжатия цифровых аудиоданных, в результате чего за 4 года было рождено четыре(!) версии алгоритма сжатия ATRAC 1 -ATRAC 4, причем предыдущие не совместимы со всеми последующими (т. е. "старые" MD-плейеры не способны воспроизводить "новые" записи)...

Тут самое время вспомнить, что в DCC и MD применено, как и в КД, 16-разрядное квантование по уровню, но для снижения потока записываемых на носитель данных использовано цифровое сжатие по алгоритмам соответственно PASC (Precision Adaptive Subband Coding) и ATRAC (Adaptive TRansforrn Acoustic Coding), уменьшающих поток цифровых данных с 2 Мбит/с до 384 кбит/с и 300 к бит/с, т. е. и DCC, и М D принципиально менее точно воспроизводят звук, чем КД.

Прогноз - дело неблагодарное, но справедливости ради давайте вспомним судьбу еще одного (теоретически превосходящего по качеству КД) формата R-DAT которому в момент его появления в 1987 г. также прочили место наследника К К. Показателен в этом смысле довольно точный прогноз автора этих строк, опубликованный в . В то время, как практически вся зарубежная и отечественная пресса писала о том, что к 1991 г. R-DAT полностью заменит КК, это была, пожалуй, единственная публикация, в которой R-DAT отводилось скромное место разве что в полупрофессиональных студиях звукозаписи.

В заключение, пользуясь случаем, выражаю глубокую признательность всем корреспондентам и почитателям, чья моральная, информационная и материальная поддержка сделали возможной разработку многих моих конструкций.

* См. также статью С. Агеева "Должен ли УМЗЧ иметь низкое выходное сопротивление?" в "Радио", 1ЭЭ7, № 4, с. 14-16. - Примеч. ред.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сухов Н. УМЗЧ высокой верности. - Радио, 1 Э8Э, № 6, с. 55-57; № 7, с. 57-61.

2. Сухов Н. Что такое R-DAT. Радиоеже-годн ик. - М.: ДОСААФ, 1Э8Э, с. 1 65-176.

Раздел: [Усилители мощности низкой частоты (ламповые)]
Сохрани статью в:

Тясячи схем в категориях:
-> Прочее
-> Измерительная техника
-> Приборы
-> Схемыэлектрооборудования
->
-> Теоретические материалы
-> Справочные материалы
-> Устройства на микроконтроллерах
-> Зарядные устройства (для батареек)
-> Зарядные устройства (для авто)
-> Преобразователи напряжения (инверторы)
-> Все для кулера (Вентилятора)
-> Радиомикрофоны, жучки
-> Металоискатели
-> Регуляторы мощности
-> Охрана (Сигнализация)
-> Управление освещением
-> Таймеры (влажность, давление)
-> Трансиверы и радиостанции
-> Конструкции для дома
-> Конструкции простой сложности
-> Конкурс на лучшую конструкцию на микроконтроллерах
->

Схемотехника усилителей мощности звуковой частоты

Весьма интересен один из первых автомобильных усилителей с преобразователем напряжения питания - "Monacor HPB 150" (рис. 2). Он был выпущен в Германии во второй половине 80-х годов и поныне используется в достаточно мощных системах. Максимальная выходная мощность усилителя на нагрузке 4 Ом порядка 40 Вт на канал в обычном включении. В мостовом включении выходная мощность на той же нагрузке составляет около 150 Вт.

Рис. 2

Схема усилителя - пример остроумных и простых технических решений. На входе установлен коммутируемый переключателем SA1 делитель напряжения из резисторов R2-R6. Коммутация обеспечивает выбор трех уровней чувствительности усилителя - 150, 250 и 500 мВ при входном сопротивлении около 20 кОм. Кроме линейного входа имеется также вход высокого уровня XS1, рассчитанный на подключение магнитолы как с обычным, так и с мостовым усилителем мощности. Чувствительность усилителя с этого входа - около 2,5 В, входное сопротивление - порядка 150 Ом.

Первый каскад усилителя мощности звуковой частоты дифференциальный, напряжение в цепи эмиттеров стабилизировано на уровне -12В общим для обоих каналов параметрическим стабилизатором R8VD101. Второй каскад - усилитель напряжения с ПОС по питанию ("вольтодобавкой") и двухтактный выходной каскад на комплементарных составных транзисторах. В выходном каскаде применена защита по току за счет нелинейной ООС. Ток выходного каскада контролируется по падению напряжения на резисторах R24, R25 в цепи эмиттеров транзисторов VT9,VT10.

Характерная особенность усилителя в мостовом включении, не встречающаяся в современных схемах, - переключение левого усилительного канала в инвертирующий "режим с единичным коэффициентом передачи выходного сигнала правого канала. Секция переключателя SA2.2 замыкает на общий провод вход левого канала, а секция SA2.3 через резистор R115 подключает базу транзистора VT2 к выходу правого канала. Вход левого канала в мостовом режиме отключается, суммирование сигналов левого и правого каналов в этом режиме не предусмотрено. Нет в усилителе и активных фильтров.

При повторении конструкции в выходном каскаде можно использовать комплементарные пары транзисторов серий КТ818 и КТ819, в предоконечном - КТ816 и КТ817. Цепи защиты можно исключить - при разумной эксплуатации это никак не скажется на надежности.

На входе каждого канала усилителя мощности установлен линейный усилитель (драйвер), выполненный на ОУ DA1 (рис. 3, нумерация элементов условная). Коэффициент усиления переменным резистором R5 изменяется на 20 дБ. Это позволяет регулировать чувствительность усилителя в диапазоне 0,15...1,5 В. Питание ОУ осуществляется от простейшего параметрического стабилизатора напряжения на стабилитронах VD1, VD2.

Рис. 3

Схема усилителя мощности полностью симметрична от входа до выхода, что способствует уменьшению искажений сигнала. В выходном каскаде использованы параллельно включенные транзисторы. Для линеаризации характеристик выходного каскада при малом уровне сигнала введена глубокая местная ООС за счет резисторов сопротивлением 10 Ом в эмиттерах выходных транзисторов. При увеличении падения напряжения на этих резисторах до 0,7 В они шунтируются диодами и на работу усилителя при большом сигнале влияния не оказывают.

Такое построение выходного каскада обеспечивает глубокую местную ООС при малых уровнях сигнала, что положительно сказывается на качестве звучания. Обычно в усилителях классов В и АВ с малым током покоя наблюдается резкий рост искажений сигналов низкого уровня, что приводит к потере "прозрачности" звучания и детализации звуковых образов (в слуховых тестах усилителей подобные искажения описываются как "смазанный звук"). Для уменьшения искажений приходится увеличивать ток покоя выходного каскада. Примененное решение позволяет сохранить экономичность усилителя и повысить качество "первого ватта".

Фильтр R1 R2C2 на входе УМ с частотой среза порядка 100 кГц предотвращает попадание в тракт радиопомех и наводок от встроенного преобразователя напряжения питания. Корректирующие конденсаторы С5-С7 обеспечивают устойчивость работы усилителя. С этой же целью на его выходе установлена традиционная цепочка R22C10. Конденсатор С8 снижает искажения сигнала на верхних частотах диапазона.

Усилитель смонтирован в массивном алюминиевом корпусе с ребрами, выполняющем функцию теплоотвода. Транзистор VT7 и терморезистор R15 с положительным ТКС (так называемый позистор) имеют тепловой контакт с корпусом. Защита от перегрузки усилителя осуществляется в блоке питания.

Указанные на схеме транзисторы ВС546В и ВС556В можно заменить соответственно на КТ3102Ж и КТ3107Б, ВС639 и ВС640 - на КТ645А и КТ644А, 2SC2389 - на любой из серии КТ315. У составных транзисторов выходного каскада TIP142 и TIP147 прямых аналогов нет, но их могут заменить соответственно КТ827 и КТ825 с любым буквенным индексом и дополнительные защитные диоды КД213 (их подключают между коллектором и эмиттером в обратной полярности). При повторении конструкции имеет смысл отказаться от предварительного усилителя на ОУ и регулировать коэффициент усиления изменением глубины ООС усилителя мощности звуковой частоты.

У четырехканального усилителя "PPI 4240" (4x60 Вт) аналогичная структура (рис. 4). На входе каждого канала установлен предварительный усилитель на ОУ DA1 с общим для каждой пары каналов регулятором уровня входной чувствительности VR1 (сохранена заводская нумерация элементов). Коэффициент передачи предварительного усилителя изменяется от -6 до +20 дБ, что обеспечивает широкий диапазон регулировки чувствительности - от 150 мВ до 3 В. Для работы каналов усилителя в мостовом включении предусмотрен инвертор на ОУ микросхемы DA2, включаемый в один из каналов каждой пары.

Рис. 4

Ключи на полевых транзисторах VT1, VT2 блокируют вход усилителя мощности звуковой частоты на время переходных процессов при включении и выключении источника сигнала, обеспечивая "бесшумную" коммутацию. Это необходимо, поскольку усилитель имеет открытый по постоянному току вход. Сигнал для управления ключами и блоком питания формируется отдельным каскадом.

Усилитель мощности имеет симметричную структуру. На входе установлен двойной дифференциальный каскад. Для расширения динамического диапазона дифференциального каскада в эмиттеры транзисторов VT3-VT6 включены резисторы R17, R18, R21, R22. Цепи эмиттеров дифференциальных каскадов питаются от дополнительного источника напряжения (на схеме не показан). Второй каскад - усилитель напряжения с местной ООС. Третий каскад - двухтактный эмиттерный повторитель на составных транзисторах. Корректирующие конденсаторы С4, С6, С7 обеспечивают устойчивость усилителя. Ток выходного каскада контролируется на резисторе R31. При увеличении его до 5 А транзистор VT14 открывается и включает триггерную защиту блока питания. Работа преобразователя напряжения блокируется. Для снятия блокировки после устранения перегрузки нужно выключить и вновь включить усилитель.

Рассмотренные усилители мощности звуковой частоты выполнены на дискретных компонентах. Во многих усилителях ОУ используют не только в каскадах предварительного усиления, но и для "раскачки" транзисторов выходного каскада.

Пример такого схемотехнического решения - усилитель мощности "Hifonics Mercury" (рис. 5). Его особенность - применение многопетлевой ООС. Первый каскад усилителя выполнен на ОУ DA1.1 и через цепь R2R3 охвачен петлей ООС, устанавливающей его усиление 35 дБ. Второй и третий каскады усиления - двухтактные на комплементарных парах транзисторов VT1, VT2 и VT3, VT4, включенных по схеме с ОЭ. Для обеспечения работы транзисторов VT1 ,VT2 на линейном участке характеристики их базовые цепи подключены к цепочке сдвига уровня из последовательно включенных диодов VD1 - VD4. Выходной каскад построен по традиционной схеме на составных эмиттерных повторителях. Его особенность - наличие "выравнивающего" резистора R21 в цепи смещения выходных транзисторов.

Рис. 5

Эти каскады усилителя мощности звуковой частоты также охвачены петлей ООС, снижающей их усиление до 15 дБ. Напряжение обратной связи подается с выхода усилителя на эмиттеры транзисторов VT1 и VT2 через независимые цепи R10R11СЗи R12R13C4. Помимо этого, весь усилитель охвачен общей ООС через резистор R4. Для обеспечения устойчивости усилителя при многопетлевой ООС в выходных каскадах использована коррекция (конденсаторы СЗ-С9). Примененные решения позволяют получить очень низкий коэффициент гармоник усилителя - менее 0,05 % при выходной мощности 2x50 Вт на нагрузке 4 Ом.

Рассмотренный канал усиления - инвертирующий. Для работы усилителя с мостовым включением нагрузки второй канал выполнен неинвертирующим. С этой целью там использовано соответствующее включение ОУ первого каскада (рис. 6). Остальная часть схемы отличий не имеет.

Рис. 6

Рассмотренные в статье модели усилителей обеспечивают выходную мощность до 50 Вт на канал. Для большинства автомобильных аудиосистем этого более чем достаточно. С учетом уровня шумов в салоне, чувствительности АС и динамического диапазона сигнала средняя выходная мощность обычно не превышает 3...5 Вт на канал. Запас мощности требуется только для неискаженной передачи кратковременных пиков сигнала. Поэтому многие недорогие модели усилителей спроектированы с учетом этого фактора и долговременная мощность блока питания не соответствует максимальной мощности усилителя. Перегрузочная способность таких усилителей при большой выходной мощности зависит не от схемотехники УМ, а от энергетических возможностей блока питания.

Создать усилитель большой мощности не так уж сложно. Намного труднее обеспечить ему надежное питание. Без преувеличения можно сказать, что качественные показатели автомобильного усилителя в режиме большой мощности определяются исключительно блоком питания. Недостаточность мощности преобразователя приводит к дополнительным искажениям пиков сигнала, ухудшению разделения каналов, повышению выходного сопротивления усилителя и, следовательно, снижению демпфирования. В случае работы усилителя на сабвуфер последнее обстоятельство имеет решающее значение. Словом, надежный блок питания - это больше, чем "пол-усилителя".

Усилители мощности (УМ) предназначены для передачи больших мощностей сигнала без искажений в низкоомную нагрузку. Обычно они являются выходными каскадами многокаскадных усилителей. Основной задачей УМ является выделение в нагрузке возможно большей мощности сигнала, усиление напряжения в нем является второстепенным фактором.

Основными задачами при проектировании УМ являются:

◆ обеспечение режима согласования выходного сопротивления УМ с нагрузкой с целью передачи в нагрузку максимальной мощности;

◆ достижение минимальных нелинейных искажений сигнала;

◆ получение максимального КПД.

УМ классифицируются по:

◆ способу усиления - на однотактные и двухтактные;

◆ способу согласования - на трансформаторные и бестрансформаторные;

◆ классу усиления - на классы A, B, AB, C, D.

В качестве методов проектирования могут применяться:

◆ графоаналитические (построение ДХ и т.д.);

◆ по усредненным параметрам.

4.2. Классы усиления

Для всех рассмотренных ранее усилительных каскадов предполагалось. Что они работают в режиме класса А. Выбор рабочей точки покоя, например для БТ, (см. рисунок 2.10) производится таким образом, чтобы входной сигнал полностью помещался на линейном участке входной ВАХ транзистора, а значение I б 0 располагалось на середине этого линейного участка. На выходной ВАХ транзистора в режиме класса А рабочая точка (I к 0, U к 0) располагается на середине нагрузочной прямой так, чтобы амплитудные значения сигналов не выходили за те пределы нагрузочной прямой, где изменения тока коллектора прямо пропорциональны изменениям тока базы. Поскольку режим А характерен работой транзисторов на почти линейных участках своих ВАХ, то УМ в этом режиме будет иметь минимальные НИ (обычно K Г ≤1%).

При работе в режиме класса А транзистор все время находится в открытом состоянии, следовательно, угол отсечки (половина времени за период, в течение которого транзистор открыт) φ ост =180°. Потребление мощности источника питания происходит в любой момент, поэтому каскады, работающие в режиме класса А, характеризуются невысоким КПД (в идеале - 50%, реально - (35…45)%). Режим усиления класса А в УМ применяется в тех случаях, когда необходимы минимальные НИ, а мощность и КПД не имеют решающего значения.

Более мощные варианты выходных каскадов работают в режиме класса В, характеризующегося φ ост =90° (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1. Режим класс B

В режиме покоя транзистор закрыт и не потребляет мощности от источника питания, а открывается только в течение половины периода входного сигнала. Относительно небольшая потребляемая мощность позволяет получить в УМ класса B значение КПД до 70%. Режим класса В обычно применяется в двухтактных УМ. Основной недостаток УМ класса B - большой уровень НИ (K Г ≤10%).

Режим класса АВ занимает промежуточное значение между режимами класса А и В и применяется в двухтактных УМ. В режиме покоя через транзистор протекает небольшой ток покоя I к 0 (рисунок 4.2), выводящий основную часть рабочей полуволны входного гармонического сигнала на участок ВАХ с относительно малой нелинейностью.

Рисунок 4.2. Режим класс AB

Угол отсечки в режиме класса АВ достигает (120…130)°, КПД и НИ - средние между значениями для режимов классов А и В.

В режиме класса C транзистор заперт смещением U см (рисунок 4.3), φ ост =90°, поэтому УМ класса С более экономичны, чем УМ класса В.

Рисунок 4.3. Режим класс C

Однако в режиме класса С велики НИ, поэтому класс С применяется, в основном, в генераторах и резонансных усилителях, где высшие гармонические составляющие отфильтровываются резонансным контуром в цепи нагрузки.

В мощных усилителях - преобразователях находит применение режим класса D или ключевой режим работы усилительных элементов. Данный режим, в сочетании с широтно-импульсной модуляцией, позволяет мощные экономичные УМ, в т.ч. и для систем звуковой трансляции.

Таким образом, активный элемент в УМ может работать как без отсечки тока (класс А), так и с отсечкой (классы АВ, В, С, D). Класс усиления задается положением рабочей точки в режиме покоя.

4.3. Однотактные УМ

В качестве однотактных бестрансформаторных УМ могут быть применены уже рассмотренные каскады с ОЭ (ОИ) и ОК (ОС), выполненные на мощных БТ или ПТ, причем эмиттерный (истоковый) повторитель эффективен при низкоомной (порядка единиц Ом) нагрузке. Основной недостаток таких каскадов - в режиме согласования с нагрузкой КПД≤25%.

Однотактные трансформаторные УМ имеют КПД≤50% за счет оптимального согласования с нагрузкой с помощью трансформатора (рисунок 4.4).

Рисунок 4.4. Однотактный трансформаторный УМ

Сопротивление нагрузки по переменному току равно:

R н ≈ ≈ R н ·n ²,

где n - коэффициент трансформации, n =U 1 /U 2 .

Данный каскад находит ограниченное применение в современной схемотехнике УМ из-за ряда существенных недостатков:

◆ малого КПД;

◆ больших частотных искажений за счет трансформатора;

◆ больших НИ за счет тока подмагничивания трансформатора;

◆ невозможности реализации в виде ИМС.

Трансформаторные УМ подробно описаны в классических учебниках по УУ, например, в.

4.4. Двухтактные УМ

Двухтактные УМ ввиду возможности использования режимов АВ, В, С и D характеризуются лучшими энергетическими показателями. На рисунке 4.5 приведена схема двухтактного УМ с трансформаторной связью .

Рисунок 4.5. Двухтактный трансформаторный УМ

При работе данного УМ в режиме класса В, цепь резистора R б2 отсутствует. Трансформатор Tp 1 осуществляет согласование входа УМ с источником сигнала, трансформатор Tp 2 согласует выходное сопротивление УМ с сопротивлением нагрузки. Трансформатор Tp 1 выполняет еще и функции фазоинвертора (см. на рисунке 4.5 фазировку его обмоток).

Усиление сигнала в рассматриваемом УМ происходит в два такта работы устройства. Первый такт сопровождается усилением положительной полуволны гармонического сигнала с помощью транзистора VT 2 , второй - усилением отрицательной полуволны гармонического сигнала с помощью VT 1 .

Графический и энергетический расчет двухтактного трансформаторного УМ двухтактного достаточно полно представлены в классических учебниках по усилительным устройствам, например, . Энергетический расчет показывает, что КПД такого УМ реально достигает порядка 70%, что примерно в 1,5 раза больше чем у однотактных УМ.

При выборе типа для УМ следует учитывать то обстоятельство, что на коллекторе закрытого транзистора действует напряжение, равное примерно 2·E к , что объясняется суммированием E к и напряжения на секции первичной обмотки Tp 2 .

Вследствие того, что каждый транзистор пропускает ток только для одной полуволны гармонического сигнала, режим класса В характеризуется лучшим использованием транзистора по току.

Как уже отмечалось выше, отсутствие тока покоя в УМ класса В приводит к появлению значительных НИ. Вследствие нелинейности входных ВАХ, выходной сигнал в двухтактном УМ класса В имеет переходные искажения типа "ступеньки" (рисунок 4.6).

Рисунок 4.6. Искажения сигнала в двухтактном трансформаторном УМ

Уменьшение НИ возможно путем перехода к режиму класса АВ (см. рисунки 4.2 и 4.6). Т.к. токи покоя в режиме класса АВ малы, то они практически не влияют на энергетические показатели УМ.

Поскольку трансформатор является весьма "неудобным" элементом при выполнении УМ в виде ИМС и вносит существенные искажения в выходной сигнал усилителя, УМ с трансформаторами находят ограниченное применение в современной схемотехнике УУ.

В современной электронике наиболее широко применяются бестрансформаторные двухтактные УМ . Такие УМ имеют хорошие массогабаритные показатели и просто реализуются в виде ИМС.

Возможно построение двухтактных бестрансформаторных УМ по структурной схеме, показанной на рисунке 4.7.

Рисунок 4.7. Структурная схема УМ с использованием ФИ

Здесь ФИ - фазоинверсный каскад предварительного усиления (драйвер), УМ - двухтактный каскад усиления мощности.

В качестве драйвера может использоваться каскад с разделенной нагрузкой (рисунок 4.8).

Рисунок 4.8. Каскад с разделенной нагрузкой

Можно показать, что при , .

Несмотря на такие достоинства, как простота и малые частотные и нелинейные искажения, каскад с разделенной нагрузкой находит ограниченное применение из-за малого K 0 и разных R вых , что приводит к несимметричности АЧХ выходов в областях ВЧ и НЧ.

Гораздо чаще применяются ФИ на основе дифференциального каскада (ДК) (рисунок 4.9).

Рисунок 4.9. Фазоинверсный каскад на основе ДК

ДК будут рассмотрены далее, пока же отметим, что через R э будет протекать удвоенный ток покоя транзисторов VT1 и VT2 и, следовательно, номинал резистора R э в схеме фазоинверсного каскада уменьшается вдвое по сравнению с расчетом каскада с ОЭ.

При рассмотрении, например, левой половины фазоинверсного каскада видно, что в цепи эмиттера транзистора VT1 (включенного с ОЭ) присутствует R э и параллельно ему входное сопротивление транзистора VT2 (включенного с ОБ), R вхОБ ≈1/S 0 .

Обычно берут R э >>R вхОБ (или заменяют R э эквивалентом высокоомного сопротивления в виде источника стабильного тока, который будет рассмотрен в дальнейшем вместе с ДК), поэтому можно подставить вместо R ос в выражение для глубины ПООСТ (см. подраздел 3.2) R вхОБ :

A = 1 + S 0 ·R вхОБ ≈ 1 + S 0 /S 0 = 2

Следовательно, можно считать, что в фазоинверсном каскаде присутствует ПООСТ с глубиной, равной двум. Принимая во внимание, что относительно эмиттера VT2 транзистор VT1 включен по схеме с ОК, нетрудно показать, что при идентичности параметров транзисторов K 01 ≈K 02 ≈K 0 /2, т.е. коэффициенты передачи по напряжению плеч фазоинверсного каскада на основе ДК равны половине коэффициента передачи каскада с ОЭ.

Довольно широко применяется ФИ на комплиментарных транзисторах, вариант схемы которого представлен на рисунке 4.10.

Рисунок 4.10. ФИ на комплиментарных БТ

Использование комплиментарной пары транзисторов VT1 и VT2, имеющих разную проводимость, но одинаковые параметры (например, КТ315-КТ361, КТ502-КТ503, КТ814-КТ815 и др.) позволяет инвертировать фазу входного сигнала на 180° на первом выходе.

Кроме рассмотренных выше каскадов, в качестве фазоинверсных также применяются каскады с ОЭ, включенные согласно структурной схемы, показанной на рисунке 4.11. Отметим, что ФИ, построенный по такой схеме, имеет разбаланс АЧХ и ФЧХ выходов.

Рисунок 4.11. ФИ на основе каскадов с ОЭ

В качестве выходного каскада УМ, подключаемого к выходам ФИ, может использоваться каскад, одна из разновидностей которого приведена на рисунке 4.12.

Рисунок 4.12. Выходной каскад УМ с ФИ

В данном каскаде возможно использование режимов классов В, АВ, С. К достоинствам каскада следует отнести возможность использования мощных транзисторов одного типа проводимости. При использовании двухполярного источника питания возможно непосредственное подключение нагрузки, что позволяет обойтись без разделительного конденсатора на выходе, который обычно имеет большую емкость и габариты и, следовательно, труднореализуем в микроисполнении.

В целом, в УМ, выполненных по структурной схеме, представленной на рисунке 4.7, не достижим высокий КПД вследствие необходимости применения в ФИ режима класса А.

Гораздо лучшими параметрами обладают двухтактные бестрансформаторные УМ, выполненные на комплиментарных транзисторах. Такие УМ принято называть бустерами . Различают бустеры напряжения и тока. Поскольку усиление напряжения обычно осуществляется предварительными каскадами многокаскадного усилителя, а нагрузка УМ, как правило, низкоомная, то наибольшее распространение получили выходные каскады в виде бустера тока.

На рисунке 4.13 приведена схема простейшего варианта бустера тока класса В на комплиментарных транзисторах и двухполярным питанием.

Рисунок 4.13. Токовый бустер класса В

При подаче на вход бустера положительной полуволны входного гармонического сигнала открывается транзистор VT1 и через нагрузку потечет ток. При подаче на вход бустера отрицательной полуволны входного гармонического сигнала открывается транзистор VT2 и через нагрузку потечет ток в противоположном направлении. Таким образом, на Rн будет формироваться выходной сигнал.

Включение транзисторов с ОК позволяет получить малое выходное сопротивление, что необходимо для согласования с низкоомной нагрузкой для передачи в нее максимальной выходной мощности. Большое входное сопротивление позволяет хорошо согласовать каскад с предварительным усилителем напряжения. За счет 100% ПООСН K 0 ≈1.

Благодаря использованию двухполярного источника питания возможна гальваническая связь каскада с нагрузкой, что делает возможным применение токовых бустеров в усилителях постоянного тока. Кроме того, это обстоятельство весьма благоприятно при реализации бустера в виде ИМС.

Существенным недостатком рассматриваемого бустера является большие НИ (K Г >10%), что и ограничивает его практическое использование. Свободным от этого недостатка является токовый бустер класса АВ, схема которого приведена на рисунке 4.14.

Рисунок 4.14. Токовый бустер класса АВ

Начальные токи покоя баз транзисторов здесь задаются с помощью резисторов R б1 и R б2 , а также диодов VD 1 и VD 2 . При интегральном исполнении в качестве диодов используются транзисторы в диодном включении. Напомним, что падение напряжения на прямосмещенном диоде Δφ≈0,7 В, а в кремниевых ИМС с помощью диодов осуществляется параметрическая термостабилизация (см. подраздел 2.6). Сопротивление R согл вводится для лучшего согласования с предыдущим каскадом усилителя.

При положительной полуволне входного гармонического сигнала диод VD 1 подзапирается и на базе VT 1 будет "отслеживаться входной потенциал, что приведет к его отпиранию и формированию на сопротивлении нагрузки положительной полуволны выходного гармонического сигнала. При отрицательной полуволне входного гармонического сигнала работает VD 2 и VT 2 , и на нагрузке формируется отрицательная полуволна выходного гармонического сигнала.

Для увеличения выходной мощности могут быть использованы бустеры на составных транзисторах, включенных по схеме Дарлингтона (рисунок 4.15), у которой коэффициент передачи по току равен произведению коэффициентов передачи тока базы транзисторов VT 1 и VT 2 причем возможна однокристальная реализация данной структуры, например, составной транзистор КТ829.

Рисунок 4.15. Схема Дарлингтона

Из полевых транзисторов в УМ более пригодны МОП-транзисторы с индуцированными каналами n- и p- типа, имеющими такой же характер смещения в цепи затвор-исток, как и у биполярных, но имеющих более линейную входную ВАХ, приводящую к меньшему уровню ВАХ. Схема УМ на ПТ указанного типа приведена на рисунке 4.16.

Рисунок 4.16. УМ на ПТ

В данном каскаде введена положительная ОС по питанию путем включения резистора R св последовательно с R с. В точку a выходное напряжение подается через конденсатор и служит "вольтодобавкой", увеличивающей напряжение питания предоконечного каскада в тот полупериод, в который ток транзистора VT 1 уменьшается. Это позволяет снять с него достаточную амплитуду напряжения, необходимую для управления оконечным истоковым повторителем, повышает выходную мощность и КПД усилителя. Аналогичная схема "вольтодобавки" применяется и в УМ на БТ.

Широкое применение находят УМ, у которых в качестве предварительных каскадов применены операционные усилители. На рисунках 4.17а,б приведены соответствующие схемы УМ режимов класса В и АВ.

Рисунок 4.17. УМ на основе операционных усилителей

Данные примеры иллюстрируют еще одно направление в разработке УМ - применение общей ООС, служащей, в частности, для снижения уровня НИ.

Более подробное описание схем УМ содержится в .