Схемы высококачественных усилителей на транзисторах: Схемы усилителей мощности на транзисторах, самодельные УНЧ и УМЗЧ — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Усилитель мощность Шторм — 900W высокого качества и надежности

Содержание

Высококачественный усилитель мощность Шторм 900W
Почему? Об этом несколько позже…
Результаты сведены в таблицу 1.
Финальная версия
Таблица

Начало: окончание следует в конце страницы

Усилитель мощность, высокое качество и надежность. Схемотехника транзисторных усилителей мощности по сути своей разжеванная уже давно и полностью, поскольку транзистору как таковому не один десяток лет. Тем не менее появление более качественной комплектации не дает покоя схемотехникам и разработчикам — как поведет себя давно известный усилитель на новой элементной базе, что можно еще сделать, чтобы старые схемотехнические решения запели по новому.

Вот и мы поддались соблазну взяв что то, всем до боли известное, что то уже разжеванное, попробовать вдохнуть вторую жизнь. Хотелось попробовать на чем то действительно стоящем, хорошем и первой задачей было — не испортить то, что уже есть.

Долго наблюдая за развитием тем профессиональных высококачественных усилителей мощности на «Немного звуко-технике» и «Паяльнике» мы свой выбор остановили на усилителе В.Перепелкина (WP) — симметричная схемотехника, наличие защиты от перегрузки, хороший, приятный звук, приличная выходная мощность.

Рисунок 1 Усилитель напряжения одного из высококачественных усилителей мощности В.Перепелкина

Рисунок 2 Принципиальная схема усилителя построенного на базе усилителя напряжения В.Перепелкина.
ВЕРСИЯ 1 (V1)

Изучив досконально один из вариантов усилителя, предлагаемого В.Перепелкиным было решено за костяк схемы взять именно этот усилитель напряжения (рисунок 1), а вот силовую часть решили оставить традиционной.

Почему? Об этом несколько позже…

В результате получился довольно не плохой усилитель мощности, способный в классе АВ развить на нагрузке 4 Ома до 900 Вт и при этом сохранить свое превосходное звучание. Чертеж принципиальной схемы показан на рисунке 2 (для нагрузки 4 Ома необходимо использовать 4 пары оконечных транзисторов).

Однако тут же и выявилось слабое место усилителя — приходится подбирать некоторые резисторы, чтобы выставить на выходе усилителя максимально близкое к нулю значение постоянного напряжения. Для решения этой проблемы в усилитель был введен интегратор напряжения, который довольно надежно следит на «нулем» не выходе усилителя.

Вторым, не очень приятным моментом оказался тот факт, что при использовании большого диапазона питающих напряжений (минимальная мощность 300 Вт, максимальная — 900 Вт) ток покоя последнего каскада усилителя напряжения меняется в двольно широких пределах, а от этой величины довольно сильно зависит уровень THD всего усилителя.

Было принято решение ввести дополнительную регулировку, позволяющую, в зависимости от величины напряжения питания, устанавливать ток покоя последнего каскада усилителя напряжения в пределах 15…20 мА, что является оптимальным для большинства используемых в звуко-технике транзисторов.

Как известно, уровень THD усилителя мощности так же зависит от способности отдавать мгновенные управляющие токи в последние силовые каскады. Поэтому было решено резисторы в эмиттерах последнего каскада усилителя напряжения шунтировать конденсаторами большой емкости. Это не нарушит режимов работы транзисторов по постоянному току, но увеличит динамические возможности по переменному.

Кроме этого дополнительное повышение уровня THD вызывает тот факт, что управляя предпоследним каскадом (VT13, VT14) ток протекающий через транзисторы усилителя напряжения (VT9, VT10) меняется довольно в широких пределах.

Уменьшить изменение тока можно воспользовавшись плавающим питанием самого усилителя напряжения, которое будет меняться в зависимости от уровня выходного сигнала.

В результате всех этих модернизаций была получена схема усилителя, который лишен некоторых недостатков усилителя-оригинала (рисунок 3).

Рисунок 3 Принципиальная схема усилителя мощности после всех внесенных изменений.
ВЕРСИЯ 2 (V2)

Однако остался еще один способ несколько уменьшить уровень THD — уменьшить нагрузку на сам усилитель напряжения. Для этого достаточно заменить транзисторы предпоследнего каскада на полевики, для управления которыми большие токи не нужны. Так появилась еще одна версия усилителя, приведенная на рисунке 4.

Рисунок 4 Принципиальная схема модернизированного усилителя мощности с использованием полевиков в предпоследнем каскаде.
ВЕРСИЯ 3 (V3)

Что же собственно получилось по характеристикам после всех этих стараний?

Результаты сведены в таблицу 1.

ТАБЛИЦА 1

ПАРАМЕТР	МОДИФИКАЦИЯ УСИЛИТЕЛЯ
ПАРАМЕТР	V1	V2	V3

Напряжение питания	±75В	±75В	±75В

Сопротивление нагрузки	4 Ома	4 Ома	4 Ома

Собственный коф усиления	36 дБ	36 дБ	36 дБ

Не равномерность АЧХ в диапазоне 20…20000 Гц	0,6 дБ	0,5 дБ	0,5 дБ

Амплитудное значение выходного напряжения в состоянии киплинга (мощность при 1% THD)	65В (528Вт)	67,5В (570Вт)	67,5В (570Вт)

THD при выходной мощности равной 90% от максимальной	0,1 %	0,0014 %	0,0006 %

THD при выходной мощности равной 50% от максимальной	0,05 %	0,00065 %	0,0005 %

Тут следует сразу оговориться — уровень THD, приведенный в таблице расчитан при помощи симулятора, поскольку имеющийся у нас в наличии измеритель искажений не позволяет производить замеры с параметрами менее 0,01%.

Тем не менее выводы можно делать — V1 был проверен в реале и уровень THD при мощности 90 % от максимальной составил 0,24%, а при 50% мощности — 0,11%.

Что собственно и следовало ожидать — использование реальных компонентов + монтаж не могли не внести изменения в данные параметры. Как видно из результатов замеров уровень THD увеличился примерно 2,2 раза от расчетных. Если увеличение даже СИЛЬНО округлить в плюсовую сторону до 4-х раз, то примерный уровень THD для V2 будет равен 0,005% при 90% мощности и 0,0026% при 50%. Для версии V3 рассчитаем по тем же формулам и получим 0,0024% при 90% мощности и 0,002% при 50%.

Финальная версия

Параметры получившегося усилителя позволяют смело отнести его к действительно высококачественным, даже используя комплектацию средней ценовой категории. При использовании компонентов элит класса эта схемотехника позволяет получить реально усилитель НАЙ-ЭНД класса, но это уже на Ваше усмотрение. Мы же предлагаем на продажу Hi-Fi с теми элементами, которые указаны на принципиальной схеме усилителя — TL071, в качестве операционных усилителей, пленочные конденсаторы типа К73-17 и электролиты JAMICON.

При разработке печатной платы было приложено не мало усилий для того, чтобы плата получилась такой же универсальной как и сам усилитель, т.е. плату можно без кардинальных изменений сделать и на одну пару оконечных транзисторов для получения 150 Вт на нагрузке 4 Ома и на 6 пар для получения 900 Вт на нагрузке 4 Ома.

Таким образом и была получена печатная плата, приведенная на рисунке 5 (ЧЕРТЕЖ ПЛАТЫ В ФОРМАТЕ LAY), на рисунке 6 — расположение деталей (на плате так же приведены возможные замены элементов). Однако на плате оставалось свободное место, которое решили заполнить индикатором срабатывания защиты от перегрузки и ввести индикатор выходной мощности (5 уровней логарифмической шкалы). Таким образом финальная схема усилителя приобрела вид, приведенный на рисунке 7.

Рисунок 5 Чертеж печатной платы финальной версии высококачественного усилителя мощности

При открытии рисунка и сохранении у себя на компьютере рисунок получается в масштабе 1:1 и его достаточно просто распечатать, поскольку чертеж приведен со стороны деталей — зеркалить для лазерного утюга не нужно

Рисунок 6 Расположение деталей на печатной плате усилителя мощности

Для распечатки лучше взять архив с двумя чертежами, которые после распечатки необходимо склеить: Скачать stom

Рисунок 7 Чертеж принципиальной схемы финальной версии высококачественного усилителя мощности

Необходимо сказать несколько слов и о защите от перегрузки. Защита выполнена на аналоге тиристора. Другими словами при выходе из штатного режима сработки сигнал на выходе усилителя не будет ограничиваться плавно по амплитуде сохраняя допустимый ток через оконечные транзисторы, а будет ограничиваться ступенчато до величины не позволяющей сильно нагреваться оконечным транзисторам (рисунок 8), что приводит к заметным на слух искажениям (это заставит обратить внимание) и полностью разгружает оконечный каскад.

Рисунок 8 Форма выходного сигнала усилителя в нормальном режиме и в режиме перегрузки (параллельно акустике подключено активное сопротивление 15 Ом)

Теперь собственно пара слов о названии… ШТОРМ… Название не случайно — эта схемотехника после некоторой доработки позволяет получить усилители мощности с незначительным ухудшением параметров, мощности на нагрузке 4 Ома вплоть до 2 кВт, причем базовая печатная плата остается без изменений, — к ней подключается дополнительный модуль, позволяющий работать данному усилителю в режиме G или H с двухуровневым питанием. Правда кое какие номиналы надо будет изменить.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ САМОСТОЯТЕЛЬНО И РЕГУЛИРОВКА ПРИОБРЕТЕННОГО
ПРИ ПОКУПКЕ ЧИТАТЬ ОБЯЗАТЕЛЬНО!

Усилитель сам по себе довольно сложный, поэтому вопросов по нему будет достаточно много, если уж по Ланзару на Паяльнике уже ОГРОМНАЯ ветка образовалась. Поэтому перед тем как мчаться в магазин за покупкой не дешевых деталюшек следует подумать — а хватит ли ума запустить этот усилитель. Про кое какие «грабли» будет рассказано ниже, но учесть все просто не возможно.

Перед первым включением необходимо установить подстроечные резисторы в следующие положения: R2 — максимальное, R9 — минимальное, R31 — максимальное, R65 — минимальное (рисунок 7). Вход усилителя необходимо закоротить на общий. Монтаж транзисторов VT9-VT14 производится с стороны дорожек таким образом, чтобы выводы имели максимальную длину. После монтажа транзисторов в плату к их корпусам приклеивается двухсторонний скотч, к транзисторам в корпусе ТО-220 сложенный в четверо, а к транзисторам в корпусе ТО-126 — сложенный в 8 раз (рисунок 9).

Рисунок 9 Способ монтажа некоторых транзисторов усилителя мощности.

Первое включение необходимо производить с модернизированным источником питания, т.е. перед диодным мостом необходимо установить токо-ограничивающие двух ватные резисторы (рисунок 10) и сопротивлением 330…360 Ом, которые могли бы шунтироваться двух-контактным переключателем или тумблером.

При первом включении контакты тумблера должны быть разомкнуты. При указанных положениях подстроечныых резисторов ток покоя усилителя напряжения и оконечных каскадов минимально возможный, поэтому усилитель потребляет минимальный ток и падение на токо-ограничивающих резисторах блока питания минимально.

Рисунок 10 Необходимые изменения источника питания перед первым включением усилителя.

Если же в монтаже имеются какие либо ошибки или же попались не оригинальные детали с «неправильными» параметрами основной «токовый» удар придется именно на резисторы блока питания и выхода из строя оконечных транзисторов не произойдет. Однако стоит заметить, что в случае полного открытия обоих плеч оконечников или наличия «сопли» в монтаже приведет к быстрому и сильному нагреванию токоограничивающих резисторов.

Таким образом диагностику напряжений после включения следует производить максимально быстро, т.е. сразу после включения следует проверить наличие и величину напряжений положительного и отрицательного плеч, а затем проверить уровень постоянного напряжения на выходе самого усилителя. Напряжение питания должно быть несколько меньше напряжения холостого хода, т.е. без нагрузки, а на выходе усилителя должен быть НОЛЬ относительно ОБЩЕГО провода.

Не стоит забывать, что при проверке напряжения холостого хода источника питания емкости фильтров питания будут заряжены до номинального значения и даже после выключения трансформатора конденсаторы могут сохранять полученный потенциал в течении нескольких суток. Подключение усилителя с заряженными конденсаторами может вывести его из строя. Поэтому перед подключением усилителя следует разрядить эти конденсаторы резистором мощностью не менее 2-х Вт и сопротивлением не менее 47 Ом.

Если после включения напряжении питания усилителя соответствует примерному напряжению источника питания на холостом ходу, а на ножках питания операционных усилителей напряжение равно плюс 15 и минус 15 вольт, то можно приступить к первичной регулировке.

Вращая движок резистора R9 добиваются напряжения на резисторе R32 (R33) величины 0,2…0,3 В. Как только это сделано на вход усилителя можно подать напряжение от источника звукового сигнала, а на выход усилителя можно подключить нагрузку, состоящую из последовательно соединенных проволочного резистора сопротивлением не менее 10 Ом и акустической системы.

При увеличении входного сигнала должен появиться звук, правда с искажениями. Если же ток покоя последнего каскада усилителя напряжения (транзисторы VT9, VT10) минимален, то звука как такового не будет.

По мере увеличения тока покой последнего каскада усилителя напряжения напряжение питания начнет «просаживаться», за счет падения напряжения на токоограничивающих резисторах.

Далее вращая движок резистора R9 необходимо добиться напряжения на резисторе R32 (R33) величины 0,4…0,5 В, но не более 0,63 В. Во время регулировки возможно появления в акустической системе некоторых призвуков — пока усилитель не войдет в рабочие режимы он может возбуждаться.

После установки тока покоя последнего каскада усилителя напряжения необходимо тумблером зашунтировать токоограничивающие резисторы блока питания и еще разу убедиться, что величина на резисторах R32 (R33) не превышает 0,6 В.

Далее необходимо отрегулировать ток покоя оконечных транзисторов вращая движок подстроечного резистора R31. Вращать движок следует до установки на любом из резисторов эмиттеров оконечных транзисторов напряжения величины равной 0,015…0,022 В, при использовании этих резисторов величиной в 0,33 Ома, что будет соответствовать току покоя 44…66 мА, что вполне достаточно для входа оконечных транзисторов в линейный режим и отсутствия искажений типа «ступенька».

Разумеется, что регулировку тока покоя последнего каскада усилителя напряжения и оконечных транзисторов необходимо производить при отсутствии входного сигнала.

Пожалуй следует сказать несколько слов об этих самых эмиттерных резисторах оконечного каскада данного усилителя и усилителей вообще. Для начала предлагается таблица, по которой можно определить какой ток протекает через эмиттерные резисторы исходя из показаний милливольтметра, он и будет соответствовать току покоя оконечного каскада.

Таблица

НАПРЯЖЕНИЕ НА ВЫВОДАХ РЕЗИСТОРА, В

СЛИШКОМ МАЛЕНЬКИЙ ТОК ПОКОЯ, ВОЗМОЖНЫ ИСКАЖЕНИЯ «СТУПЕНЬКА»,
НОРМАЛЬНЫЙ ТОК ПОКОЯ, ВЕЛИКОВАТ
ТОК ПОКОЯ — ЛИШНИЙ НАГРЕВ, ЕСЛИ
ЭТО НЕ ПОПЫТКА СОЗДАТЬ КЛАСС «А», ТО ЭТО АВАРИЙНЫЙ
ТОК.

ТОК ПОКОЯ ОДНОЙ ПАРЫ ОКОНЕЧНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ,
мА

0,22 Ома

0,33 Ома

0,47 Ом

0,001

0,0025

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

114

0,03

136

0,035

159

106

0,04

182

121

0,045

205

136

0,05

227

152

106

0,1

0,45 А

0,2

0,91 А

Эти резисторы предназначены для компенсации разброса параметров транзисторов, поскольку транзисторы включены параллельно, то и параметры транзисторов должны быть максимально приближенными.

Однако подбирать транзисторы по коф усиления занятие ОЧЕНЬ не благодарное, тем более завод-изготовитель гарантирует разброс параметров между транзисторами одной партии не боле 2%, что вполне достаточно, поскольку остальное сделают эти самые «компенсационные» резисторы».

Номинала этих резисторов обычно располагают в диапазоне 0,2…0,5 Ома. Чем больше номинал — тем лучше они выполняют роль компенсаторов, однако за счет падения напряжения на этих резисторах уменьшается финальный КПД усилителя как такового. С другой стороны протекающий через эти резисторы ток создает падение напряжения на них и исходя из величины этого напряжения можно судить о нагружености транзисторов, следовательно и организовать защиту от перегрузки.

При большом количестве оконечных транзисторов напряжение на этих резисторах суммируется и становиться достаточным для устойчивой работы защиты от перегрузки. При построении усилителя с одной парой оконечных транзисторов тут уже лучше пожертвовать КПЛ и использовать резисторы на 0,47 Ом, поскольку на более малых номиналах остающегося на резисторах напряжения может быть недостаточно для устойчивой работы защиты.

После всех регулировок к выходу усилителя можно подключать нагрузку и проверить как он звучит во всем диапазоне мощностей и произвести регулировку порога срабатывания защиты от перегрузки. Для этого на уже закрепленный на теплоотвод усилитель подают входное напряжение с уровнем обеспечивающим максимальное не искаженное выходное напряжение с подключенной акустической системой.

Затем параллельно акустической системе подключают активное сопротивление 6-8 Ом (изготовить такое лучше из нихромовой спирали для бытовых электрических печек мощность 2 кВт) и вращая движок R65 добиваются загорания светодиода VD19. Если активное сопротивление убирать, то VD19 не должен даже подмаргивать.

Номиналы резисторов R66 и R67 могут меняться в зависимости от требуемой выходной мощности и используемых в эмиттерах оконечных транзисторов резисторов (0,22…0,47 Ом), поэтому на поставляемых нами платах запаяны пины от цанговых разъемов для микросхем (рисунок 11).

Ну и наконец последняя регулировка — регулировка индикатора уровня. Для его регулировки необходимо получить на выходе усилителя максимального не искаженного сигнала (на слух искажения при максимальных уровнях становятся заметны лишь при величине более 5%).

При этой величине выходного сигнала вращением движка резистора R81 добиваются устойчивого «моргания» VD24, что и будет соответствовать максимальному выходному сигналу. При эксплуатации уровень мощности не следует устанавливать выше редкого подмигивания VD24 — громче уже не будет, а не заметные на слух искажения лишь будут утомлять слушателей.

На этом регулировку можно считать законченной.

Внешний вид усилителя
Продолжение → Часть 2

Источник: soundbarrel.ru

Схемотехника УМЗЧ — продолж. 1 предистория — Усилители мощности низкой частоты (на транзисторах) — Усилители НЧ и все к ним

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.

Введенное автором понятие диапазона допустимых входных напряжений УМЗЧ представляется удобным из-за своей универсальности. Оно включает в

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 [1] 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 [1] 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[10-12].

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 [11 —14].

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 [15 ] 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 [16, 17].

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% [20 ]. 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 [12, 21 ] 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 [1 ] 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 [22, 23 ].

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 [1,9, 10, 11, 12, 18,21,24,25].

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.

Для установки ОУ в малосигнальный режим усиления с переводом его выходного каскада в режим класса А необходимо принять меры по устранению причин, заставляющих постоянно поддерживать потенциал 4,9 В на выходе ОУ в режиме покоя, и максимально увеличить сопротивление его нагрузки.

(Окончание следует)

ЛИТЕРАТУРА

10. Достал И. Операционные усилители — М Мир, 1982.

11. Шило В. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре — М.: Советское радио, 1979.

12. Интегральные микросхемы- операционные усилители, том 1. — М.: Физматлит, 1993.

13. Варакин Л. Бестрансформаторные усилители мощности. — М.: Радио и связь, 1984.

14. Костин В. Психоакустические критерии качества звучания и выбор параметров УМЗЧ. — Радио, 1987, № 12. с. 40.

15. Солнцев Ю. Высококачественный предварительный усилитель. — Радио, 1985, Na 4, с. 32.

16. Тарасов В. Предусилитель-корректор. — Радио. 1988, № 11, с. 32

17. Тарасов В. Пассивный регулятор тембра. — Радио, 1989, № 9, с. 70.

18. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. — М. Мир, 1982.

19. Митрофанов Ю. Экономичный режим А в усилителе мощности 34. — Радио, 1986, №5, с. 40.

20. Успенский Б. Низкочастотные усилители на интегральных микросхемах: Сб. «В помощь радиолюбителю», вып. 85. — М.: ДОСААФ, 1989.

21. Кутыркин Ю Нефедов А., Савченко А Зарубежные интегральные микросхемы широкого применения. Справочник — М.: Энерго-издат 1984.

22. Стереоусилитель мощности «Корвет 100УМ-048С». Руководство по эксплуатации. 1989.

23. Стереоусилитель мощности «Корвет 100УМ-048С». Руководство по эксплуатации, 1991

24. Дане Дж.Б. Операционные усилители: принцип работы и применение. — М.: Энерго-издат, 1982.

25. Сухов Н.. Бать С, Колосов В., Чупаков А. Техника высококачественного звуковоспроизведения. — К.: Техника, 1985.

РАДИО № 12, 1995 г. стр. 17

Усилитель на полевых транзисторах: изучение современных схем на полевых транзисторах

В этой статье описывается конструкция и характеристики высококачественного усилителя на полевых транзисторах со связью по постоянному току. Схема была вдохновлена разработками Джона Керла и Эрно Борбели и была построена с использованием легкодоступных полевых транзисторов с обратным затвором (JFET) от Linear Systems.

Входной каскад представляет собой комплементарную дифференциальную пару JFET, второй каскад представляет собой симметричный дифференциальный усилитель с двумя парами JFET противоположной полярности, а выходной каскад представляет собой комплементарный истоковый повторитель. Усилитель может управлять нагрузкой до 150 Ом. Эта статья была первоначально опубликована в audioXpress в октябре 2017 г.

В статье описывается конструкция и характеристики высококачественного усилителя на JFET со связью по постоянному току. Схема была вдохновлена проектами Джона Керла и Эрно Борбели и была построена с использованием легкодоступных полевых транзисторов JFET от Linear Integrated Systems (Linear Systems). Входной каскад представляет собой комплементарную дифференциальную пару JFET, второй каскад представляет собой симметричный дифференциальный усилитель с двумя парами JFET противоположной полярности, а выходной каскад представляет собой комплементарный истоковый повторитель. Усилитель может управлять нагрузками до 150. Таким образом, усилитель, полностью выполненный на JFET, можно использовать для различных аудиоприложений.

Toshiba Semiconductors произвела множество полевых транзисторов (JFET) для аудиоприложений: 2SJ74/2SK170, 2SJ103/2SK246 и 2SJ104/2SK364, и это лишь некоторые из них. Как только производство этих JFET со сквозным отверстием было остановлено, они стали дорогими. Эти оригинальные устройства трудно найти. Еще одна проблема – значительное количество контрафактных устройств на рынке. Теперь некоторые совместимые устройства поставляются Linear Systems, и пришло время возродить эти прекрасные конструкции и создать еще более совершенные схемы.

Для аудиоприложений лучше всего подходят следующие компоненты: N-канальный LSK170 с низким уровнем шума и высокой крутизной 1 нВ/Гц и дополнительный P-канальный LSJ74; двойной монолитный N-канальный LSK389 с низким уровнем шума и высокой крутизной, 1 нВ/Гц; малошумящий N-канальный LSK189 с малой емкостью; двойной монолитный малошумящий N-канальный LSK489 с малой емкостью; малошумящий P-канал LSJ289 с малой емкостью; и двойной дополнительный P-канал LSJ689.

На момент написания этой статьи мы ожидали от Linear Systems двойной 1 нВ/Гц низкошумящий P-канальный компонент с высокой крутизной проводимости (теперь доступен). Благодаря наличию дополнительных JFET-транзисторов от Linear Systems легко проектировать аудиосхемы со связью по постоянному току. Детали, производимые компанией, можно приобрести по всему миру.

Особое внимание необходимо при попытке разместить новые устройства в старых схемах. Важными параметрами являются максимальная рассеиваемая мощность, напряжение пробоя затвор-исток, ток утечки затвор-исток, общая входная емкость истока и обратная передаточная емкость общего истока.

Рисунок 1: Ток насыщения стока IDSS показан как функция напряжения отсечки VGS(off) для одиночных полевых транзисторов — LSK170 и LSJ74. Рисунок 2: Ток насыщения стока IDSS показан как функция напряжения отсечки VGS (выкл.) для двойных JFET — LSK489и LSJ689. Рисунок 3: Ток насыщения стока IDSS показан как функция крутизны при VGS=0 для выбранных LIS и Toshiba JFET.

Измерения постоянного тока для LSK170, LSJ74, LSK489 и LSJ689
Я измерил распределение тока насыщения стока JFET IDSS в зависимости от напряжения отсечки Vp для различных образцов LSK170A, LSK170B, LSJ74A, LSK489 и LSJ689. Я измерил около 50 образцов каждого отдельного устройства и около 10 образцов каждого двойного устройства. (Таблицы Excel с дополнительными данными доступны в разделе «Дополнительные материалы» audioXpress веб-сайт.) Затем я выполнил измерения с помощью анализатора полупроводников MCubed Electronix.

Результаты измерений показаны на рис. 1 для одиночных устройств и на рис. 2 для сдвоенных устройств. Каждая точка на этих графиках представляет определенное устройство. Точки не ложатся на одну линию из-за различий в производственном процессе JFET. Похоже, что устройства LSJ74A имеют более широкий разброс IDSS, чем устройства LSK170A, но LSJ74A с более высоким IDSS может работать в паре с LSK170B.

Данные, показанные на рисунках 1 и 2, были использованы для расчета крутизны при VGS = 0. Ток насыщения стока IDSS как функция крутизны при VGS = 0 для выбранных линейных систем и полевых транзисторов Toshiba показан на рисунке 3. Это ясно. что для каждой комплементарной пары P-канальный JFET имеет более высокую крутизну, чем N-канальное устройство с тем же ID. Согласование IDSS для дополнительных устройств не всегда приводит к одинаковой крутизне и компенсации четных гармоник.

Рис. 4. Это схема усилителя на полевых транзисторах. Нажмите, чтобы увеличить. Фото 1: На фото показана оценочная плата усилителя, полностью выполненного на полевых транзисторах.

Описание цепи
На рис. 4 показана схема усилителя на полевых транзисторах. На фото 1 показана оценочная плата. Схема следует принципам проектирования, изложенным Джоном Керлом и Эрно Борбели для усилителей JFET (см. Ресурсы). Входной каскад представляет собой комплементарную дифференциальную схему. Дифференциальный каскад усиления реализован на сдвоенных транзисторах Q1 и Q2. Каждый из этих JFET работает с током стока 1,75 мА, который устанавливается резисторами истока R11–R14. Q1 и Q2 — двойные монолитные полевые транзисторы LSK489.и LSJ689 соответственно. Полевые транзисторы JFET внутри этих пар точно согласованы, поэтому входное напряжение смещения постоянного тока усилителя, состоящего только из JFET, низкое. Измеренное напряжение смещения постоянного тока ниже 1 мВ. Такое малое смещение позволяет исключить цепь сервопривода постоянного тока для некоторых приложений. Второй каскад представляет собой схему двойного дифференциального усилителя (см. патенты T. Davis, W. Kulas, R. Lohman и G. Sziklai в разделе Ресурсы).

Каждый дифференциальный усилитель имеет два полевых транзистора с противоположной полярностью. Истоки JFET соединены резистором (R21 или R22). Сток первого JFET (Q22 или Q23) подключен к нагрузке R1, а сток второго JFET (Q21 или Q24) подключен к шине питания. Второй каскад соединяется с входным каскадом через резисторы стока R2–R5. Значение рабочего тока второй ступени немного ниже, чем у IDSS, и составляет около 3,5 мА.

Коэффициент усиления без обратной связи задается крутизной проводимости входного и второго каскадов и резистивными нагрузками для входного (R2-R5) и второго каскадов (R1). При R1 = 47 кОм усиление без обратной связи составляет 63 дБ. Частота разомкнутого контура задается емкостной нагрузкой (С2 и входная емкость выходного каскада) второго каскада. При 200 пФ полоса пропускания замкнутого контура составляет около 15 кГц. Усилитель стабилен при коэффициенте усиления замкнутого контура выше пяти. Для серии с более низким коэффициентом усиления с обратной связью RC-цепочка (C2, R6 и C3, R7) должна быть вставлена между резисторами стока входного каскада (R2, R3 и R4, R5).

Выходной сигнал второго каскада буферизуется от нагрузки усилителя с помощью дополнительного каскада истокового повторителя, построенного на транзисторах Q25–Q30. Каждое выходное устройство работает немного ниже IDSS с током стока, близким к 5 мА. Общий ток смещения составляет 15 мА, а выходной каскад работает в классе А с небольшими нагрузками (более 600 Ом). Усилитель может управлять нагрузкой до 150 Ом без увеличения общего гармонического искажения (THD). Резисторы истока в выходном каскаде тщательно подобраны, чтобы предотвратить увеличение искажений при переключении с класса A на класс B с более тяжелыми нагрузками. Каждое выходное устройство имеет большую медную площадку для лучшего отвода тепла. Светодиоды (LED1 и LED2) ограничивают напряжение на затворах выходных устройств, тем самым ограничивая выходной ток и обеспечивая защиту выхода от короткого замыкания. Ограничение по току составляет около 85 мА, и усилитель может управлять нагрузкой 100 Ом при напряжении до 6 VRMS. Небольшие резисторы включены последовательно с затвором каждого выходного JFET для подавления любых возможных паразитных колебаний в выходном каскаде.

Полоса пропускания усилителя с обратной связью (коэффициент усиления с обратной связью равен 20 дБ) превышает 2 МГц. Частотная характеристика и искажения для различных настроек усиления будут подробно рассмотрены позже. Схема показывает хорошее отклонение источника питания. Коэффициент ослабления источника питания (PSRR) составляет около 60 дБ на частоте 100 кГц. На рис. 5 показан график зависимости PSRR от частоты для усилителя, полностью состоящего из JFET.

Схема также показывает хорошие шумовые характеристики. Эквивалентный входной шум в диапазоне частот от 10 Гц до 22 кГц составляет 0,7 мкВ или -123 дБВ. Шум на 123 дБ ниже контрольной точки 1 В (0 дБВ). На рис. 6 показана плотность шума входного напряжения усилителя. Плотность шума по напряжению для истоковых резисторов R11–R14 составляет 2,3 нВ/√Гц. Суммарная плотность шума для одного LSK489с исходным резистором 330 Ом составляет:

Измеренная плотность шума входного напряжения на высокой частоте составляет 4 нВ/√Гц. Измеренный шум выше расчетного. Входной каскад имеет низкий коэффициент усиления (около 6 дБ), а тепловой шум резисторов стока (R2–R5) вносит существенный вклад в общий шум усилителя. Шум можно уменьшить за счет реализации активных нагрузок, уменьшения резисторов истока (R11–R14), запараллеливания нескольких JFET и использования LSK389 с будущим двойным монолитным малошумящим P-канальным устройством 1 нВ/√Гц с высокой крутизной.

Рисунок 6: Плотность шума входного напряжения показана как функция частоты. Плотность шума входного напряжения, показанная на частоте 1 кГц, составляет около 6 нВ/√Гц. R2, R3, C6 и C7 не заполнены. Рисунок 7b: Это фаза для усилителя на полевых транзисторах с коэффициентом усиления x10 (20 дБ) в зависимости от частоты. R2, R3, C6 и C7 не заполнены. Рисунок 8: КНИ+Ш показано на частоте 10 кГц для коэффициента усиления x10 (20 дБ) и различных нагрузок в зависимости от выходной амплитуды. Рисунок 9: Уровень отдельных гармоник для коэффициента усиления x10 (20 дБ) показан как функция выходной амплитуды. Основная частота 10кГц, нагрузка 300Ом.

Производительность усилителя для коэффициента усиления 10
На рис. 7a и 7b показаны частотная и фазовая характеристики замкнутого контура для усилителя, полностью выполненного на JFET. На рис. 8 показаны THD на частоте 10 кГц плюс шум для различной нагрузки в зависимости от частоты. Профиль деформации одинаков для разных нагрузок. Искажения для нагрузки 100 Ом увеличиваются для выхода выше 6 VRMS. Этот резкий рост вызван действием ограничения тока LED1 и LED2.

На рис. 9 показан спектр гармонических искажений. Похоже, что при воспроизведении звука качество гармонического искажения важно по сравнению с его количеством, и различные субъективные звуковые результаты коррелируют с различными индивидуальными профилями гармонического искажения (см. статью Жана Хираги в разделе Ресурсы). Оптимальное распределение гармоник характеризуется прогрессивно уменьшающимся характером распределения гармоник с отсутствием продуктов более высокого порядка. В данном усилителе уровень высших гармоник (четвертой, пятой, шестой и седьмой) как минимум на 20 дБ ниже уровня второй и третьей. Вторая гармоника заметна при низком и среднем уровне выходного сигнала (ниже 7 VRMS). Третья гармоника незначительно преобладает на более высоком уровне выходного сигнала.

Характеристики усилителя при коэффициенте усиления 2 (6 дБ) и единичном коэффициенте усиления (0 дБ) На рисунках 10a и 10b показаны частотные характеристики замкнутого контура для усилителя, полностью выполненного на полевых транзисторах. На рис. 11 показаны THD на частоте 10 кГц плюс шум для различной нагрузки в зависимости от частоты. Коэффициент нелинейных искажений ниже 0,01%. На рис. 12 показан спектр гармонических искажений. Дополнительные 20 дБ петлевого усиления подавляют все гармоники. Между второй, третьей и более высокими гармониками все еще существует значительный разрыв (около 12 дБ). Гармоники более низкого порядка (вторая и третья) ведут себя так же, как и для усилителя с коэффициентом усиления 20 дБ.

Рисунок 10a: Усиление и фаза замкнутого контура показаны как функция частоты для усиления x2 (6 дБ) и x1 (0 дБ) с последовательными RC-цепями (C2, R6 и C3, R7) (C2 = C3 2200 пФ, R6).

= R7 100 Ом). Рисунок 10b: Усиление и фаза замкнутого контура показаны как функция частоты для усиления x2 (6 дБ) и x1 (0 дБ) с последовательными RC-цепями (C2, R6 и C3, R7) (C2 = C3). 2200 пФ, R6 = R7 100 Ом).

Важность импеданса источника сигнала
Двойные полевые транзисторы LSK489 и LSJ689 имеют небольшие емкости затвор-исток (~4 пФ) и затвор-сток (~1,5 пФ). Частотная характеристика усилителя на полевых транзисторах с единичным коэффициентом усиления и сопротивлением источника сигнала 100 кОм имеет высокочастотный спад с частотой -3 дБ около 200 кГц. Входная емкость усилителя на полевых транзисторах с единичным коэффициентом усиления составляет около 8 пФ.

На рис. 13 показаны суммарные гармонические искажения плюс шум (THD+N) как функция выходной амплитуды для коэффициента усиления x1 (0 дБ) и различного сопротивления источника (1 кОм, 10 кОм и 100 кОм). когда импеданс источника равен 10 кОм. В «Примечаниях по применению LSK489» Боб Корделл предположил, что устройство с меньшей емкостью может помочь создать схему, которая гораздо менее восприимчива к интермодуляционным искажениям с более высоким сопротивлением источника. Емкость JFET зависит от напряжения, и даже будучи низкой, при работе от высокого импеданса она может вызвать искажение, как показано на рисунке 1. Если требуется чрезвычайно низкое искажение при более высоком сопротивлении источника и большом отклонении входного сигнала, это может быть получается путем каскодирования входного полевого транзистора с другим полевым транзистором или биполярным транзистором (см. статьи Эрно Борбли и Джона Керла в разделе Ресурсы).

На рис. 14 показаны измерения уровня каждой гармоники. Общепризнано, что обратная передаточная емкость JFET сильно нелинейна и вызывает искажения высокого порядка. В то время как наблюдается увеличение искажений высших порядков, вторая и третья гармоники преобладают со значительным запасом. Это связано с тем, что емкость перехода изменяется обратно пропорционально квадратному или кубическому корню из приложенного обратного напряжения в зависимости от профиля легирования.

Рисунок 11: THD+N показан на частоте 10 кГц для единичного усиления и различных нагрузок в зависимости от выходной амплитуды.

Рисунок 12: Уровень отдельной гармоники показан как функция выходной амплитуды для единичного усиления. Основная частота 10 кГц, нагрузка 300 Ом. Рис. 13. THD+N на частоте 10 кГц показана как функция выходной амплитуды для единичного усиления и различного сопротивления источника сигнала (1 кОм, 10 кОм и 100 кОм), нагрузка 2 кОм. 14: Уровень отдельной гармоники показан как функция выходной амплитуды для единичного усиления и сопротивления источника 100 кОм, нагрузка 2 кОм.

Сбалансированный усилитель на полевых транзисторах с обратной связью по току
Усилитель с симметричным входом реагирует только на разность потенциалов между двумя его выводами — инвертирующим и неинвертирующим входами. Сбалансированный вход может быть предпочтительнее, поскольку он подавляет шум, вызванный контуром заземления, и подавляет помехи от окружающей среды. Существует множество реализаций симметричных входов — с трансформатором, дифференциальными усилителями и т. д. На рис. 15 показано другое решение (см. статьи Д. Ф. Бауэрса и Р. Демроу в разделе «Ресурсы»). В усилителе, полностью состоящем из JFET, используется обратная связь по току (резисторы Rf1–Rf3) для входных источников JFET.

На рис. 16 показаны результаты измерений для этой схемы при усилении 20 дБ. Искажения на 6-10 дБ выше, чем искажения в неинвертирующем усилителе с несимметричным входом. Резистор Rf2 между истоками снижает крутизну входного каскада и коэффициент усиления без обратной связи. Дополнительные искажения вызывает асимметрия цепи обратной связи Rf1–Rf3.

Рис. 15: Схема показывает сбалансированный усилитель на полевых транзисторах с обратной связью по току. Рис. 16: КНИ+Ш на частоте 10 кГц показаны как функция выходной амплитуды для схемы инструментального усилителя, представленной на Рис. 3, усиление 20 дБ.

Балансный усилитель на JFET с суммированием тока
На рис. 17 показан балансный усилитель All-JFET с суммированием тока (см. статью A. P. Brokaw и P. M. Timko в разделе «Ресурсы»). Q3 и Q4, а также R16–R20 образуют первую ступень крутизны, а вторая ступень крутизны состоит из Q1, Q2 и R11–R15. Дренажи ступеней крутизны перекрестно связаны, так что токи вычитаются, а результат возвращается обратно с правильной полярностью. Входной каскад крутизны работает без глобальной обратной связи, и для получения низких искажений в замкнутом контуре оба каскада крутизны должны иметь одинаковые передаточные характеристики. Резисторы R15 и R20 обеспечивают локальную обратную связь в каскадах крутизны, что делает их передачу менее зависимой от согласования пар JFET.

На рис. 18 показаны результаты измерений для этой схемы при усилении 20 дБ. Наблюдается повышенный уровень шума, вызванный местными резисторами обратной связи (R15, R20) в каскадах крутизны. Общий коэффициент усиления определяется Rf1, Rf2 и коэффициентом крутизны обоих каскадов крутизны. Для улучшения общего искажения можно использовать двойные части таким образом, чтобы первый транзистор в паре относился к первому каскаду крутизны, а второй транзистор принадлежал ко второму каскаду крутизны (противоположно рисунку, показанному на рисунке 17). Это может привести к сдвигу постоянного тока, который может быть устранен сервосхемой.

Возможно, имеет смысл объединить входную пару JFET, которую можно оптимизировать для конкретного источника (например, магнитного картриджа), и пару обратной связи BJT. Еще одним интересным применением является дифференциальный преобразователь тока в напряжение. В этом случае ток (например, от ЦАП) может подаваться в исходную сеть входной пары.

Рисунок 17: На этой схеме показан сбалансированный усилитель на полевых транзисторах с суммированием тока. Рисунок 18: THD+N показан на частоте 10 кГц как функция выходной амплитуды для схемы, представленной на рисунке 5, усиление 20 дБ.

Сводка
Это усилитель All-JFET. Измерения показали, что гармоническая картина усилителя остается неизменной при изменении выходной нагрузки. Получается, что распределение гармоник по выходному уровню соответствует той картине, которую воспроизводил слух. Это может обеспечить определенное слуховое преимущество. aX

Эта статья была первоначально опубликована в audioXpress, октябрь 2017 г.

Файлы проекта
Чтобы загрузить дополнительные материалы, посетите страницу дополнительных материалов.

Ресурсы
Э. Борбели, «Стартовые комплекты: линейный усилитель EB-604/410 All-JFET», audioXpress, март 2005 г. Доступно в Интернете
. ———, «Серия стартовых комплектов: фонокорректор All-JFET MM/MC: Часть 1», audioXpress, июнь 2005 г.
———, «Серия стартовых комплектов: фонокорректор All-JFET MM/MC: Часть 2», audioXpress, июль 2005 г.
Д. Ф. Бауэрс, «Монолитный микрофонный предусилитель со сверхнизким уровнем шума», Конференционный документ
. № 2495, 83-я конвенция Общества звукоинженеров (AES), 19 октября.87.
А. П. Брокау и П. М. Тимко, «Улучшенный монолитный инструментальный усилитель», Журнал Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE), Твердотельные схемы, Vol. СЦ-10, № 6, декабрь 1975 г.
Б. Корделл, «Указания по применению LSK489», Указания по применению,
www.linearsystems.com/assets/media/application_notes/LSK489_Application_Note.pdf
Дж. Керл, «Предусилитель JC-2», The Audio Amateur, № 3 1977
———, «Усилитель мощности JC-3», Аудиолюбитель, № 2 1981.
Т. Дэвис, «Схемы дифференциального усилителя», патент США 3815038 A.
. Р. Демроу, «Эволюция от операционного усилителя к усилителю данных», Analog Devices, Application Note, 09/1968,
www.analog.com/en/education/education-library/evolution-opamp-to-data-amplifier.html
Дж. Хирага, «Музыкальность усилителя», Hi-Fi News & Record Review, март 1977 г.
. В. Кулас, «Широкополосные транзисторные усилители с уменьшением количества каскадов усиления на более высоких частотах», патент США 3562659.А. Р. Лохман и Г. Шиклай, «Транзисторный усилитель с эмиттерной связью», патент США 2885495A.

Об авторе
Дмитрий Данюк является главным инженером по оборудованию в подразделении Harman Luxury Audio с 2013 года. Он с отличием окончил Киевский политехнический институт в 1985 году. Его страсть — помогать меломанам во всех аспектах аудиодизайна. Его статьи публиковались в ряде журналов, в том числе в Journal of the Audio Engineering Society, IEEE Transactions, EDN, Electronic Design и т. д. Данюк также оказывает консультационные услуги различным предприятиям.

Топ-5 лучших транзисторов для схем усилителя мощности звука

Если ваши динамики издают слабый сигнал, и вы устали от этого, покупка и установка нового транзистора может быть всем, что вам нужно для усиления звука. власть. Если вы знаете, как установить и создать схему аудиоусилителя, этот компонент будет довольно недорогим и его легко найти, если вы знаете, где искать и что вы ищете. В зависимости от того, насколько сильным вы хотите, чтобы был сигнал, и какую акустическую систему вы используете, вы сможете найти идеальный транзистор для ваших нужд, доступный для доставки прямо с Amazon. Они идеально подходят для увеличения мощности вашей аудиосистемы.

Наш лучший выбор

В этой статье мы рассмотрим 5 самых популярных и хорошо рассмотренных транзисторов для схемы усилителя мощности, которые доступны для доставки прямо сейчас с Amazon, а также добавим описание и соответствующую ссылку. так что вы можете всего одним щелчком мыши получить идеальный транзистор для ваших конкретных потребностей усилителя мощности звука.

#1) NTE181 Кремниевый силовой транзистор NPN от NTE Electronics

Это мощный кремниевый силовой транзистор с усилением звука на 100 В, 30 ампер производства NTE Electronics. В настоящее время он имеет рейтинг пользователей 5 звезд на Amazon.com и доступен в настоящее время на момент написания этой статьи за 9 долларов..78 с бесплатной доставкой при заказе на сумму более 25 долларов США. Он способен выдерживать температуры от -65 до 200 градусов по Цельсию, что означает, что он имеет очень высокий температурный диапазон и должен выдерживать экстремальные сигналы и условия. Его мощность составляет 200 ватт. Если вы заинтересованы в этом мощном кремниевом силовом транзисторе для усиления звука, нажмите кнопку «Купить» ниже, чтобы перейти непосредственно к его списку на Amazon.com. Купить на амазонке >>

#2) MJ802 Кремниевый транзистор NPN от NTE Electronics

Это 100-вольтовый, 30-амперный кремниевый NPN-транзистор, снова изготовленный NTE Electronics. В настоящее время он имеет рейтинг пользователей 5 звезд на Amazon и в настоящее время доступен на момент написания этой статьи за 8,17 доллара США с бесплатной доставкой для всех заказов независимо от суммы. Он способен выдерживать температуры до 200 градусов по Цельсию, что означает, что он может выдавать очень сильные сигналы, не беспокоясь о хлопках или деформации, и может выдерживать экстремальные условия. Это прочный транзистор, который хорошо удовлетворит ваши потребности и прослужит долгое время, обеспечивая практически неограниченный уровень громкости. Если вы считаете, что вам будет интересен этот кремниевый NPN-транзистор, нажмите кнопку «Купить» ниже, и вы сразу перейдете к его списку на Amazon.com. Купить на amazon >>

#3) NTE285 PNP кремниевый комплиментарный транзистор от NTE Electronics

Это кремниевый комплементарный транзистор PNP на 180 В, 16 ампер, опять же производства NTE Electronics. Текущий пользовательский рейтинг на Amazon составляет 5 звезд, и на момент написания этой статьи он продается за 10,69 долларов США с бесплатной доставкой снова для всех заказов, общая стоимость которых превышает 25 долларов США. Это отличный комплементарный PNP-транзистор, изготовленный из прочного силикона, который может выдерживать высокие температуры и обеспечивать максимальную громкость с мощными сигналами. Если вы заинтересованы в приобретении этого кремниевого комплементарного транзистора PNP, не стесняйтесь нажимать кнопку «Купить» ниже, и вы сразу попадете на соответствующий листинг на Amazon. com. Купить на Amazon >>

#4) MJ4502 Silicon PNP Transistor от NTE Electronics

Это мощный дополнительный аудиоусилитель на 100 В, 30 ампер, предназначенный для работы в тандеме с кремниевым NPN транзистором MJ802. , оба производства NTE Electronics. Он доступен на момент написания этой статьи за 3,94 доллара США с доставкой 1,99 доллара США. Максимальная температура, как и у кремниевого NPN-транзистора MJ802, составляет 200 градусов по Цельсию, а это означает, что оба транзистора, работая вместе, должны выдерживать очень сильные сигналы с такой высокой громкостью, какая вам может понадобиться. Как и другие вышеупомянутые транзисторы, произведенные NTE Electronics, этот продукт изготовлен из высококачественного и прочного силикона, который выдержит все, что вы можете на него бросить, и прослужит вам очень долго. Если вы заинтересованы в приобретении этого кремниевого PNP-транзистора в качестве дополнительного дополнения к кремниевому NPN-транзистору MJ802, все, что вам нужно сделать, это нажать на кнопку «Купить» ниже, нажать на нее, и вы попадете прямо в соответствующий раздел. листинг продукта на Amazon.com. Купить на amazon >>

#5) NTE280 NPN Кремниевый Комплементарный Транзистор от NTE Electronics

Это 140-вольтовый, 12-амперный кремниевый аудиоусилитель мощности, изготовленный, как и все остальные, компанией NTE Electronics. На момент написания этой статьи она в настоящее время доступна на Amazon за 7,55 долларов США с бесплатной доставкой для любого заказа, превышающего 25 долларов США. Это, как и кремниевый PNP-транзистор MJ4502, комплементарный транзистор, который работает в тандеме с другим транзистором для значительного усиления аудиосигнала. Как и все остальное, он изготовлен из прочного силикона и способен выдерживать невероятно высокие температуры. Это высококачественный и мощный комплементарный транзистор, который прослужит вам долгие годы и обеспечит максимальное усиление вашей звуковой системы при использовании в тандеме с правильным транзистором. Если вы считаете, что заинтересованы в покупке этого кремниевого комплементарного NPN-транзистора, нажмите кнопку «Купить» ниже, и вы сразу перейдете к его списку на Amazon. com. Купить на Amazon >>

Итак, у вас есть 5 лучших транзисторов для схемы усилителя мощности звука, которые в настоящее время доступны на Amazon на основе рейтингов и обзоров, созданных пользователями. Надеюсь, эта статья помогла вам выяснить, какой транзистор лучше всего подходит для ваших нужд, чтобы вы могли быть на пути к воспроизведению музыки в своей машине или домашней акустической системе с выбранной вами громкостью! Любой из этих транзисторов для усиления мощности звука станет отличным дополнением к вашей акустической системе и, вероятно, прослужит вам долгое время, даже если вы планируете воспроизводить музыку на невероятно высокой громкости.