Написать этот материал подтолкнула статья в [1], 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 [2], хочу представить свой вариант простого, «безупречного», по выражению Дугласа Селфа [3], 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 [2], а позднее и в [4], 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 параллельный повторитель. В этом ВК базо — эмиттерные переходы параллельного повторителя задают смещение для ВК и одновременно осуществляют термостабилизацию. Для этого нужно выбрать транзисторы VT12, VT16 и VT13, VT15 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 [2].
Диоды VD5, VD8 улучшают термостабилизацию и снижают искажения, так как выходные транзисторы работают как масштабные отражатели тока с большим коэффициентом отражения, а диоды VD6, VD7 служат для ограничения минимального напряжения база-коллектор выходных транзисторов с целью предотвращения их насыщения. Низкоомные резисторы R29, R30 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 каскад 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 (S202) — при падении напряжения на нем в пределах 5…20 (3…50) В [5]. Падение на диоде ограничено с учетом просадки напряжения под нагрузкой с помощью резистора R18. 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 можнополучить с современными транзисторами, например, 2SD2560,2SB1647; 2SD2449, 2SB1594; 2SD2385, 2SB1556 и аналогичными.
Нулевое смещение на выходе УМЗЧ отрабатывает интегратор на DA1. 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 [6].
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 Ки=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.
Вместо токостабилизирующего диода использована схема неполярного ГСТ со встречной токовой стабилизацией на светодиодах HL2, HL3 и транзисторах VT9, VT10. К этим же светодиодам подключены и базы каскодных транзисторов VT6, VT7. Режимы драйвера по постоянному току оставлены как у предыдущей схемы: общий ток 6 мА и по 3 мА на плечо.
Параметры обоих УМЗЧ примерно одинаковые, но у второго чуть выше частота единичного усиления. Спектр гармоник на частоте 20 кГц в полосе до 400 кГц показан на рис.6.
Как видно из рисунка, ближайшая вторая гармоника частотой 40 кГц имеет уровень всего 0,001 % (-100 дБ).
Рассмотренные усилители прекрасно работают и на нагрузку 4 Ом. При этом выходная мощность возрастает примерно в 1,7 раза.
Литература
- С.Шпак. Архитектура абсолютногоУМЗЧ. — Радиолюбитель, 2011, №12; 2012, №№1-4.
- А.Петров. Эволюция транзисторных УМЗЧ. — Радиомир, 2011, №№4-11; 2012, №№2-6.
- Дуглас Селф. Проектирование усилителей мощности звуковой частоты. — М., 2009.
- АПетров. Усилители напряжения без ООС. — Радиоаматор, 2011, №№9,10.
- АПетров. Токостабилизирующие диоды. — Радиомир, 2010, №4.
- АПетров. УМЗЧ с компенсатором искажений по Хауксфорду. — Радиохобби, 2011, №4.
А.ПЕТРОВ,
г.Могилев.
