Усилители нч на транзисторах своими руками: Схемы усилителей мощности на транзисторах, самодельные УНЧ и УМЗЧ — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Автомобильный усилитель на транзисторах своими руками

Опубликовано: 06.09.2019

Этот усилитель был создан для улучшения звучания в машине. Усилитель будет управлять басовой колонкой с динамиком диаметром 25 см с номинальной мощностью 150 Вт. Конструкция самой схемы УМЗЧ старая и проверенная неоднократно на обычных домашних УНЧ. Печатная плата была немного изменена из-за меньшего размера элементов. Усилитель имеет мощность 50 Вт, работает в классе AB, питается от 48 В, потребляемый ток при полной раскачке достигает 1,5 А.

Схема усилителя для авто
Схема преобразователя для авто
Прошло время…

Схема усилителя для авто

Принципиальная схема основана на силовых транзисторах 2N3055. В сочетании с регулятором НЧ (активный фильтр) звук просто уникален — дешевые TDA стоят на обочине)). Автомобильный сабвуфер оснащен инвертором питания 12 В в двухполярное повышенное.

Схема преобразователя для авто

Напряжение питания: 12,5 В (батарея авто)
Выходное напряжение: 40 В (1×15 витков и первичные 2×5 витков)

При испытаниях преобразователя подключите резистор сопротивлением 16 Ом и ток, потребляемый преобразователем, составит около 3 А, а ток протекающий через этот резистор будет 1,2 А. При этом рабочая частота инвертора: 55 кГц, сердечник трансформатора ETD44-3F3.

Почему всё собрано на транзисторах? Нет интегральных схем усилителей, имеющих мощность более 50 Вт, имеющих систему повышения напряжения. Даже TDA1560, TDA1562, TDA8571 не дадут равную мощность.

Но если уже есть преобразователь 12-220 Вольт, можете изменить его трансформатор и подключить к нему микросхему с более высокой мощностью, даже TDA7294 или любые другие, сняв по крайней мере 70 Вт.

Что касается 50 Вт, они получены с сопротивлением катушки громкоговорителя 8 Ом. Увеличьте напряжение до 55-60 В, усилитель должен справиться с этим, и мощность будет намного больше. Кроме того, вместо 2200 мкФ на выходе (для 8 Ом) дайте 4700 мкФ для 4 Ом.

На этих транзисторах схема выжмет и 100 Вт. Только надо преобразовать схему усилителя и преобразователи в более высокое напряжение. Радиаторы для тех 100 Вт также надо больше.

Прошло время…

Усилитель работает и используется. Однако он не достигает полной мощности из-за слишком слабого преобразователя, все из-за трансформатора, у которого маленькое поперечное сечение сердечника. Планируется иметь больший трансформатор и хорошую обмотку, может даже тороидальные сердечники. Выходное напряжение инвертора при подключении к усилителю составляет 48 В, но с нагрузкой падает даже до 36 В, то есть происходит провал на басах.

Усилитель, преобразователь и блок управления тембром звука встроен в короб самодельного исполнения. Ящик изготовлен из белого мебельного ДСП толщиной 18 мм, всё соединено с помощью клея Викол и скручено шурупами для дерева. Короб имеет вместимость 34 литра и представляет собой корпус басс-рефлекс, отверстие + труба находится на высоте динамика в задней стенке. Коробка покрыта материалом для упаковки оборудования CarAudio. На задней стенке есть гнездо для подключения.

Усилитель низкой частоты своими руками, схема

Привет радиоэлектроникам. Часто начинающие радиолюбители просят привести схему простого УМЗЧ построенный только на транзисторах,

который будет обеспечить более-менее нормальное качество звучания. Схема такого усилителя сейчас перед вами.

Интересна она тем, что работает с широким разбросом номиналов использованных компонентов, имеет широкий диапазон питающих напряжений, работать будет буквально от одной батарейки в полтора вольт. Оптимальное напряжение питания 6-9 Вольт, максимальное 12 — больше подавать не советую.

Максимальная выходная мощность с соответствующими ключами до 1 Ватт, это гораздо громче, чем телефон, с таким же исполнением мощность не более 200 мВт.

Выходной каскад построен на комплементарной паре средней мощности. В этом варианте использовал импортные BD139/140, отлично подойдут наши КТ814/815 или 816/817, можно использовать и более мощные КТ818/819, в этом случае спокойно можно питать усилитель от 12-и вольт, при этом мощность увеличиться до 1 ватт

Маломощный NPN транзистор буквально любой, в моем варианте 2N5551, но можно даже наши КТ315, но в случае замены транзисторов обратите внимание на расположение выводов ключей, так, как они могут отличаться от тех, что на печатной плате.

Начальный каскад из себя представляет усилитель по напряжению, выходной каскад двухтактный, по сути эмиттерный повторитель, если выражаться максимально просто — то он тупо усиливает ток сигнала. От количества пар таких каскадов и от напряжения питания зависит мощность любого усилителя.

При мощности в 1Вт, транзисторы можно не устанавливать на радиатор, хотя небольшую пластинку закрепить все же советую, в случае общего радиатора ключи изолируются прокладками.

Используемые электролитические конденсаторы должны быть рассчитаны на напряжение не менее 16 Вольт, входной разделительный конденсатор — любой с емкостью от 0,1 до 0,47мкФ, лучше пленочный, хотя для таких усилителей, особой разницы нет, можно и керамику. резисторы 0,25Вт, можно и 0,125. На выходе установлен разделительный конденсатор, его емкость может быть от 220 до 2200 мкФ, оптимальное — 1000 мкФ

Динамическая головка любая, усилитель прекрасно работает на 4-х Омные головки, так, что проблем с головкой не возникнет.
На выход можно подключить переменный резистор для регулировки громкости, в случае, если же усилитель планируется для портативной колонки телефона, его не обязательно ставить.

Падение напряжения на диодах FR107 обеспечивают начальное смещение на базах транзисторов выходного каскада. Если собранный усилитель будет работать некорректно, что крайне маловероятно, стоит поставить еще один диод последовательно тем, что уже есть, этим обеспечив нужное смещение для работы ключей.

Обратная связь построена на резисторе R2. Замечу, что номиналы всех компонентов можно отклонять в ту или иную сторону на 20%.

С бумажными динамическими головками орет довольно громко, и качество вполне неплохое, но с учетом современных микросхем усилителей мало кто решит внедрить такой усилитель в реальную конструкцию, подобные схемы уже ни так популярны, как во времена нерушимого союза.

Плата в формате .lay скачать.

Автор; АКА КАСЬЯН.

73900cookie-checkУсилитель низкой частоты своими руками, схемаno

PassDiy

Нельсон Пасс

Введение

В большинстве аудиоусилителей мощности используются схемы класса A, за исключением каскадов привода и выходных каскадов, где они используют рабочие режимы класса B или AB для достижения высокой эффективности. В режимах класса B и AB выходной каскад работает в двухтактной конфигурации, где один набор выходных устройств выдает положительное напряжение и ток, а другой набор выдает отрицательное напряжение и ток. Когда один набор работает, другой набор выключен. Эта схема работает эффективно, но имеет два серьезных недостатка: крайне нелинейную характеристику транзисторов в области отсечки коллектора и времена включения/выключения устройств. Разработчики транзисторных усилителей, как правило, используют большое количество отрицательной обратной связи для коррекции нелинейности, но это хорошо работает только на низких частотах.

На высоких частотах обратная связь не способна адекватно корректировать, а возникающие на выходе искажения усугубляются перегрузкой входной схемы.

Обычные общие цифры гармонических и интермодуляционных искажений не позволяют точно выявить резкие искажения выходного каскада из-за коэффициента усреднения, используемого в таких измерениях. Всплеск перекрестного искажения может достигать 2 процентов, но если он возникает только на 5 процентах формы сигнала, в среднем он составляет приличное значение искажения 0,1 процента. Учитывая этот коэффициент погрешности, легко понять, почему два усилителя с одинаковыми характеристиками могут звучать по-разному. Для правильной оценки искажения необходимо учитывать пиковое искажение и распределение гармоник. Типичные усилители класса А демонстрируют гармоники низкого порядка, а их пиковые искажения менее чем в два раза превышают средние искажения. В усилителях класса AB возникают гармоники очень высокого порядка, а пиковое искажение может в тридцать раз превышать среднее искажение.

Еще одна проблема, характерная для выходных каскадов классов B и AB, связана с неодинаковым временем включения/выключения транзисторов. Поскольку время выключения больше, оба набора транзисторов могут неконтролируемо проводить ток в условиях большого нарастания, что делает опасной работу усилителя на высоких частотах, что является особенно серьезной проблемой для некоторых квазикомплементарных схем.

Однако в выходном каскаде класса А отсутствуют резкие нелинейности и задержки включения/выключения. Гладкая передаточная характеристика дает гармонические искажения низкого порядка, и эти гармоники могут легко стать неизмеримыми при низких уровнях мощности.

Схема

В ходе наших исследований мы разработали небольшой усилитель мощности класса А, который выдает 20 Вт на 8 Ом. Он обеспечивает превосходную производительность в широкой полосе пропускания, а конструкция проста и достаточно стабильна, поэтому его может построить продвинутый конструктор с низкими затратами и с минимумом испытательного оборудования. Используемые детали обычно доступны со склада у дистрибьюторов Motorola и RCA, а конструкция без проблем приспосабливается к обычным вариациям компонентов, поэтому нет необходимости выбирать полупроводники по конкретным характеристикам. Стереоверсия этого усилителя может быть построена примерно за 200 долларов.

Базовая конфигурация схемы показана на рис. 1, где пара входных дифференциальных транзисторов управляет транзистором с током, формируя два каскада усиления по напряжению усилителя. Выход второго транзистора с усилением по напряжению управляет выходным каскадом с тройным эмиттерным повторителем, который обеспечивает усиление по току чуть меньше миллиона. Четыре источника тока в схеме используются для одновременного увеличения полосы пропускания и линейности, достигая этого за счет холостого хода полупроводников при токах, намного превышающих токи, необходимые для питания усилителя. За исключением выходного каскада, транзисторы усиления работают с небольшими отклонениями рабочих точек.

Компенсационный конденсатор, показанный на рис. 1, используется для демпфирования цепи, устраняя выбросы и звон на выходе. Его эффект противоположен обычной компенсации запаздывания, используемой в транзисторных усилителях, потому что он фактически уменьшает переходные интермодуляционные эффекты, создавая внутреннюю высокочастотную петлю обратной связи, аналогичную схемам демпфирования, используемым в сервосистемах, где входной каскад усилителя может удовлетворять свои собственные потребности. требования петли на высоких частотах, избегая перегрузки переднего конца.

Схема реального усилителя представлена на рис. 2. Транзисторы Q3, 6, 7, 13, 14, 15, 16 образуют источники тока на рис. 1. Их значение тока определяется активным источником напряжения Q8, где схема стабилизируется за счет обратной связи с R22. Эта система источника тока точно отслеживает текущее значение после его правильной настройки. Рисунок печатной платы «один к одному» и схема расположения деталей увеличенного размера представлены на рис.

3 и рис. 4. Расположение деталей не требует пояснений, за исключением того, что Q5 и Q7 должны быть оснащены радиаторами. Необходимо проявлять разумную осторожность, чтобы избежать перегрева полупроводников и других компонентов во время пайки, и нельзя использовать паяльные пистолеты высокой мощности. Если используются какие-либо замещающие транзисторы, может потребоваться регулировка значений C7 и C4 для стабильной работы с использованием неиндуктивной нагрузки 8 Ом и возбуждения усилителя прямоугольными импульсами с частотой 100 кГц. Если усилитель должен показывать высокочастотные колебания, увеличьте значение C4 или уменьшите значение C7.

Для этого усилителя не существует такой вещи, как слишком большой отвод тепла для выходного каскада. Экстравагантность в этой области не порок, и хорошая вентиляция тоже очень важна. Использование более 100 квадратных дюймов черного анодированного алюминиевого радиатора на выходной транзистор должно обеспечивать работу без вентилятора. Безопасное эмпирическое правило для оценки качества теплоотвода состоит в том, чтобы посмотреть, можете ли вы положить руку на радиатор, не поранившись. Радиатор следует заземлить на шасси усилителя, а между радиатором и выходными транзисторами необходимо использовать теплопроводящие изоляторы с большим количеством силиконовой смазки.

На рис. 5 показан блок питания для двухканальной системы, которая допускает различные напряжения питания для оптимизации выходной мощности в зависимости от импеданса нагрузки. Отвод первичной обмотки трансформатора на 105 В будет служить для нагрузки 8 Ом, отвод 115 В — для нагрузки 6 Ом, а отвод 125 В — для нагрузки 4 Ом. С 120 вольт переменного тока. линия, максимальная выходная мощность составляет 20 Вт на канал при 8 Ом, 24 Вт при 6 Ом и 28 Вт при 4 Ом. Чтобы изменить усилитель для оптимальной работы на заданную нагрузку, необходимо изменить отвод и повторно сместить усилитель. Если диодные мосты в блоке питания не смонтированы на металлическом шасси, то и они должны быть снабжены радиаторами. Используйте провода калибра 16 для подключения источника питания и выхода усилителя, в то время как провод калибра 24 подходит для других подключений.

Важно, чтобы все заземляющие соединения использовались обоими каналами в одной точке на заземляющей шине. Заземляющая шина должна соединять все четыре конденсатора источника питания и быть толстой. Дополнительная информация о проводке приведена на рис. 6, где заземление и силовые соединения должны выполняться буквально для снижения уровня шума. На входных разъемах земля входа физически изолирована от шасси. Конденсатор 0,1 мкФ соединяет каждую входную землю с шасси на входе и используется для устранения ВЧ. подобрать.

Настройка

Смещение усилителя довольно просто с помощью постоянного тока. вольтметр или осциллограф. Перед включением усилителя R16 необходимо настроить на максимальное сопротивление (минимальный ток смещения). Если смещение установлено слишком высоким, предохранитель отрицательного источника питания перегорит, не повредив цепь. Если это происходит при одном крайнем положении потенциометра, замените предохранитель, установите потенциометр в другое крайнее положение и повторите попытку. После того, как усилитель включился и не перегорели предохранители, смещение необходимо выставить регулировкой R16, желательно с помощью осциллографа. С помощью осциллографа смещение настраивается путем возбуждения усилителя синусоидой до соответствующего номинала нагрузочного резистора. Установите R16 так, чтобы усилитель подрезал нагрузку на отрицательной половине волны раньше, чем на положительной половине. Затем включите усилитель в течение 15 минут без входного сигнала. Через 15 минут отрегулируйте смещение для симметричного ограничения цепи, когда она немного перегружена. Повторите регулировку еще раз через 15 минут, чтобы убедиться, что радиаторы достигли теплового равновесия.

При использовании высококачественного постоянного тока. вольтметра, смещение можно отрегулировать аналогичной процедурой, измеряя напряжение, возникающее на R22. Для нагрузки 8 Ом напряжение на R22 должно быть 125 милливольт. Для нагрузки 6 Ом напряжение должно быть 170 мВ, а для нагрузки 4 Ом 220 мВ. Как и прежде, смещение должно быть установлено немного ниже и медленно увеличиваться до нужного значения после того, как усилитель прогреется. Напряжение следует контролировать и периодически регулировать в течение получаса или около того.

Прототип усилителя был построен без специально подобранных компонентов, а единственными изменениями были выходные токи смещения. Усилитель выдал показатели

цифры приведены в Таблице I.

Отклик усилителя на прямоугольные волны показан на частотах 20 Гц (рис. 7) и 100 000 Гц (рис. 8). На рисунке 9 показана форма сигнала на частоте 500 000 Гц при уровне мощности -6 дБ. Все тесты проводились с неиндуктивными нагрузочными резисторами, но при наличии реактивных элементов в нагрузке характеристики не изменились. Характеристики искажения усилителя

остаются практически неизменными при полностью реактивных нагрузках, и мы не смогли обнаружить существенной разницы в амплитудах гармоник между нагрузкой 8 Ом и конденсатором емкостью 2 мкФ, работающим на частоте 10 килогерц.

Усилитель не может быть поврежден закорачиванием выхода или перегрузкой входа. Он не требует нагрузки для стабильности и может безопасно работать при любой нагрузке на любой частоте. Компоненты выбраны для очень консервативной работы; например, выходные транзисторы работают при одной трети их номинального напряжения, одной десятой их номинального постоянного тока и примерно одной десятой их рассеиваемой способности, что обеспечивает длительный срок службы усилителя.

После обширных прослушиваний мы пришли к выводу, что звуковая чистота усилителя более чем оправдывает его высокое энергопотребление (меньше, чем у цветного телевизора). Звук нейтральный, и мы нашли его полезным в качестве инструмента для оценки схем предусилителя, поскольку он превосходит многие из них. Он также хорошо подходит для управления электростатическими наушниками и в качестве высокочастотного драйвера в системе с несколькими усилителями.

Технические характеристики конструктора

Таблица 1

Мощность: 20 Вт/ч. 8 Ом, 24 Вт/канал. 6 Ом и 28 Вт/канал. 4 Ом.p

Частота Ответ: -3 дБ при 0,33 Гц, -3 дБ при 500 000 Гц.

Скорость нарастания: 30 В/мкс, передний и задний фронты

Коэффициент демпфирования: 100 от постоянного тока. до 50000 герц.

Шум: 0,8 мВ на выходе, преимущественно 120 Гц.

Harmonic Distortion: после отсечения гармоники ограничиваются второй и третьей; все остальные гармоники были ниже остаточного значения нашего теста 90 дБ; при 16 Вт, 20 000 Гц и 8 Ом, -73 дБ в секунду, -74 дБ в третьей; при 10 Вт, 20 000 Гц и 8 Ом, -75 дБ в секунду, -75 дБ в трети; при 5 Вт, 20 000 Гц и 8 Ом, -76 дБ в секунду; на более низких частотах и уровнях мощности искажение становится очень трудно точно измерить.

Table 2 — Parts list for One Channel,

Q1,2,3,8

Motorola MPSL01

RCA 1A16

Q5,6,7

RCA 1A15

Q9-16

Motorola 2N5877

D1,2

1N914

Any germanium diode

D4,5

1N4004

C1,2

1000 uF, PC mount electrolytic, 16 volt

C3,4

75 pF, 5 % полистирола, слюды или майлара

C5,6

100 UF, монтирование ПК 50 В, электролитическое

0,004UF, 5%

0,1UF, 20%, 100V

1Megohm, 5%, 1/4W, 4W, 4W, 4W, 4W, 4W, 4W, 1W, 1W, 1W, 1W, 1W,

. углеродная пленка

1k, 5%, 1/4W, углеродная пленка

10k, 5%, 1/4W, углеродная пленка

470, 1/W, металлическая пленка, 1

4,7k, 1%, металлическая пленка, 1/4W

R6,7

680, 5%, 1/4W, карбоновая пленка

100, 5%, 1/4W, карбоновая пленка

100, 5%, карбоновый комп., 1W

R10

47, 5%, карбоновый комп., 1/2W 7

R 68, 5%, 1/4W, карбоновая пленка

R12

47, 5%, 1/4W, карбоновая пленка

R13,14

4,7k, 5%, 1/4W, карбоновая пленка

R15

47, 5 %, 1/4 Вт, карбоновая пленка

R16

Потенциометр триммера 5k от CTS

R17,18

1,5, 5 % карбон, 1 Вт

R19-24

0,22, 5% проволочная обмотка, 1W от IRC (TRW)

R25

10, 1/2W, карбоновый комп., 5%

Части питания для двух каналов

Сигнал 56-12

B1,2

Диодные мосты, 25 амп, 100 В

C1,2

0,05UF, 600 В

C3-6

20 000 Электролитический 50 В компьютерного класса

Быстродействующий предохранитель 10 А

F2,3

Быстродействующий предохранитель 4 А

Быстродействующий предохранитель 2 А

Переключатель SPST для тяжелых условий эксплуатации

Разное Сетевой шнур переменного тока, пять держателей предохранителей, шасси, радиаторы для выходного каскада (Thermalloy 2228B или эквивалент), входные и выходные разъемы, два конденсатора 0,1 мкФ 22%, 10В.

Самодельный усилитель, управляемый напряжением

Самодельный управляемый усилитель напряжения

Эллиот Саунд Продактс

пр.213

Основной индекс Индекс проектов

Введение

VCA (управляемые напряжением усилители/аттенюаторы) представляют собой особый случай в электронике. Есть несколько возможных способов их создания, но большинство из них не являются линейными. Это относится либо к самому управлению напряжением, либо к искажению, создаваемому простыми схемами (или к тому и другому). Одним из лучших решений является оптрон LED/LDR, который может обеспечить очень хорошие показатели искажений, но его характеристики управления в лучшем случае представляют собой лотерею. Система управления непредсказуема из-за того, что светодиод и LDR (светозависимый резистор). Может быть возможно сопоставить отдельные единицы, чтобы получить полезный результат, но в большинстве случаев это почти невозможно.

Прежде чем идти дальше, я предлагаю вам прочитать статью VCA Techniques. Существует множество различных способов изготовления VCA, но большинство из них не подходят для сборки своими руками, поскольку требуют тщательно подобранных компонентов. Версии IC особенно сложны — ходят слухи, что люди делали блоки VCA Blackmer с дискретными частями, но я нигде не видел ни одного опубликованного. BJT (биполярные переходные транзисторы) работают на удивление хорошо, при условии, что уровень входного сигнала поддерживается «разумным» (что в данном контексте означает не более 500 мВ RMS).

Версия, показанная в статье VCA Techniques, использует текущее зеркало в качестве нагрузки для длинной пары (LTP). Вместо этого я решил использовать простую резистивную нагрузку не только для снижения стоимости деталей, но и для упрощения схемы. Токовая зеркальная нагрузка требует точно согласованных транзисторов, что усложняет конструкцию. Зеркало также нуждается в некоторой коррекции смещения, что является необязательным для резисторных нагрузок.

Описанная здесь схема не претендует на «превосходное качество звука», она практична и доставляет массу удовольствия при сборке и использовании. Это было моей целью — не пытаться представить что-то, что никто не может собрать, а образовательную схему, которую также можно использовать. Это было смоделировано, но, что более важно, оно также было полностью испытано на стенде. Я совершенно сознательно не подбирал транзисторы для V _BE или β (beta-gain, он же h _FE), но установил их сразу, как достали из сумки. Я создал стереоверсию, чтобы увидеть, сколько различий существует между ними, без какой-либо обрезки. Я был приятно удивлен как характеристиками искажения, так и шумом и трекингом между ними.

Раньше существовало несколько различных «OTA» (операционных усилителей крутизны), наиболее распространенными из которых были CA3280 и LM13600/LM13700, но большинство из них исчезло несколько лет назад. Интересно, что LM13700 в настоящее время указан как активный и доступен у нескольких поставщиков. Пара перечисляет это как «конец жизни», и вы можете получить его только в корпусе SOIC (SMD). У меня их нет, поэтому я не могу сравнивать с представленным здесь дизайном. Я ожидаю, что они будут довольно похожи, но версия DIY может быть немного лучше.

Описание схемы

Схема очень похожа на показанную в статье «VCA Techniques», но немного проще. В каждом канале используются четыре транзистора и один операционный усилитель, плюс, конечно, обязательные резисторы и конденсаторы. Неудивительно, что я использовал Veroboard для того, что я построил, и он был протестирован с музыкой и генератором аудиосигнала для тестов искажения и частотной характеристики. Частота хорошая, по крайней мере, до 100 кГц, а нижний предел на 3 дБ ниже на 7 Гц со значениями, которые я использовал.

Чтобы обеспечить правильную работу операционного усилителя, секция VCA питается от отдельного источника питания +5 В. Это должно быть тихо, иначе в LTP (пара с длинным хвостом) будет введен шум. Теоретически он будет компенсирован дифференциальным входом операционного усилителя, но реальность (и закон Мерфи) свидетельствует об обратном. Мой прототип не включает фильтр, так как мне нужен тестовый модуль для «наихудшего случая». Он оказался на удивление тихим даже на максимальном усилении.

Обратите внимание, что управляющее напряжение 0–10 В является ориентировочным. Его можно изменить по желанию, и во время некоторых тестов я использовал 0-12 В. Более высокое управляющее напряжение даст соответственно более высокий коэффициент усиления с ограничительным резистором CV (R7), оставленным на 10 кОм. Аналогичным образом, уменьшение сопротивления резистора R7 увеличивает максимальное усиление, но при этом значительно увеличивается сквозное прохождение управляющего напряжения. Где-то между 0-10В и 0-12В при рекомендованном сопротивлении близко к оптимальному. Существует «мертвая зона» при самых низких напряжениях. Ток не может протекать до тех пор, пока напряжение на базе транзисторов Q3/Q4 не достигнет 500 мВ, а входной ток Q3/Q4 находится в диапазоне от 10 мкА до 930 мкА в рабочем диапазоне.

Рисунок 1. Схема VCA

Управляющее напряжение составляет от нуля до +10 В, что обеспечивает минимальное усиление, равное нулю (максимальное ослабление), и максимальное, равное 3,18 (10 дБ) при указанных значениях. Максимальное рекомендуемое входное напряжение составляет 1 В RMS, но искажения уменьшаются при более низких уровнях. Перед самим VCA вход ослабляется на 100 (точнее, на 101), поэтому входное напряжение 1 В уменьшается до 10 мВ. Очень жаль, что входной уровень такой низкий, но искажения быстро растут с увеличением. Согласно симулятору, искажение при входном напряжении 1 В составляет около 0,54%, что намного больше, чем обычно считается приемлемым. Уменьшение искажений требует гораздо большей сложности, и становится почти невозможным подобрать транзисторы достаточно точно, чтобы получить хороший результат.

Теоретически добавление эмиттерных резисторов к двум LTP-транзисторам может улучшить линейность, но на практике это практически не имеет значения. Можно использовать примерно до 22 Ом, что уменьшит искажения, но за счет линейности управления. В тестовой версии, которую я построил, я не включал резисторы, и измеренные искажения составили около 0,08% при входном напряжении 250 мВ RMS. Даже при согласовании транзисторов с нулевым транзистором два VCA отслеживаются с точностью до 1 дБ, и это можно улучшить, добавив подстроечный резистор последовательно с входом управляющего напряжения. Как только усиление согласовано с номинальным выходным уровнем (скажем, 500 мВ RMS), два VCA отслеживаются почти идеально (в пределах 0,5 дБ по всему диапазону). Характеристики искажения показаны на рис. 8.

Есть некоторое просачивание управляющего напряжения (CV), так что никуда не годится, чтобы коэффициент усиления менялся быстро. Для управления громкостью (например) это не будет проблемой, но может вызвать проблемы с быстродействующими лимитерами или где-либо еще, где быстро меняется усиление. Потенциометр (около 100 Ом) можно использовать для балансировки Q1 и Q2, а контактор подключается к источнику питания +5 В, одним концом к R5, а другим к R6. Горшок отрегулирован для минимального прохода CV. Я не включил это в свой прототип, но полная схема показана на рис. 3.

Рис. 2. Сравнение выхода VCA. Управляющее напряжение

На приведенном выше графике виден сдвиг уровня. Положительные пики достигают +1,3 В, а отрицательные пики достигают -1,645, что указывает на смещение около -144 мВ. Выходной конденсатор, конечно, устраняет это, но любой быстрый переход будет слышен (в зависимости от того, как используется VCA). Вы можете использовать версию, показанную на рисунке 3 (с диодами или без них), если хотите улучшить подавление CV. После первоначальных тестов я добавил балансировочные горшки для Q1 и Q2. Они помогли, но не имели оглушительного успеха, потому что я не подобрал транзисторы.

Линейность выходного сигнала по отношению к управляющему напряжению очень хорошая, что является важным фактором для отслеживания нескольких устройств. Как показано, в качестве управляющего напряжения используется идеально линейный линейный генератор (в симуляторе), изменяющийся от нуля до 10 В. Таким образом, ток управления составляет от нуля до ~ 935 мкА, и это отражает Q4, управляющий хвостовым током LTP. Они никогда не будут равны, даже если транзисторы идеально подобраны, поскольку текущее зеркало является лишь базовым. Для этого приложения нет смысла усложнять его.

Уровень входного сигнала составлял 500 мВ RMS (707 мВ пик), что приводило к искажению около 0,18%. Максимальное усиление составляет чуть более двух (6 дБ), но его можно увеличить, увеличив значение резисторов R10 и R11. Это не влияет на искажения, но увеличивает максимальное прохождение управляющего напряжения. Обратите внимание, что выходной конденсатор (C4) подключен таким образом, чтобы обеспечить небольшое отрицательное выходное напряжение при максимальном усилении. Если эти резисторы заменить на 22k, максимальное усиление будет около 4,6 (чуть более 13 дБ). Вы также можете изменить диапазон усиления, изменяя резистор ограничения управляющего напряжения (R7, который действует как преобразователь напряжения в ток). См. ниже подходящие предупреждения по этому поводу — показанное значение близко к идеальному.

Рис. 3. «Расширенная» схема VCA

Версия, показанная выше, включает доступные методы балансировки управляющего напряжения и уменьшения искажений. Два диода действуют как устройства «предварительного искажения» и помогают снизить искажения, особенно при более высоких входных (сигнальных) напряжениях. Диоды могут уменьшить искажения примерно с 0,54% до 0,34% при входном напряжении 1 В RMS или с 0,057% до 0,04% при входном напряжении 250 мВ. Конструктор должен решить, принесет ли это пользу приложению. Обратите внимание, что эти результаты были смоделированы, но симуляция схемы на Рисунке 1 почти полностью согласовывалась с построенным мной устройством, поэтому результаты, вероятно, заслуживают доверия.

Значение R3 может потребоваться изменить в зависимости от диодов (которые должны быть согласованы, если вы согласовали Q1 и Q2). Это то, с чем может играть конструктор, но показанное значение (15k) кажется правильным. Обратите внимание, что значения R2, R4 и R9 также изменены, а максимальное усиление немного ниже. Лично я не думаю, что это стоит дополнительных частей, но я оставляю это вам.

Конечно, один из вопросов, который неизбежно возникнет: «Как это работает?». Коэффициент усиления LTP определяется «хвостовым» током. Когда он низкий (скажем, 50 мкА), очевидно, что ток через Q1 и Q2 составляет всего 25 мкА. Увеличьте хвостовой ток до 500 мкА, и каждый транзистор будет иметь ток коллектора 250 мкА. Управление усилением использует тот факт, что усиление сигнала транзистора можно изменять, изменяя ток эмиттера. Это во многом связано с собственным (внутренним) сопротивлением эмиттера, широко известным (буквально) как «маленькое r-e» (r _и). Принятое значение определяется . ..

r _e = 26 / I _e (в миллиамперах)

При токе эмиттера 25 мкА сопротивление r _и составит около 1 МОм, упав до 104 кОм при 250 мкА. Естественно, при изменении значения r _e изменяется и коэффициент усиления транзистора. Поскольку ток через каждый транзистор изменяется лишь на небольшую величину из-за сигнала, искажения довольно низкие и в основном второго порядка. Поскольку операционный усилитель подключен дифференциально, большая часть 2 9Гармонические искажения 0318 и компенсируются. При CV-сигнале 1 В транзисторы имеют коэффициент усиления 0,38 (т. е. потери), а при 5 В коэффициент усиления равен 3,94. Таким образом, изменяя хвостовой ток, крутизна транзисторов Q1 и Q2 изменяется, что приводит к изменению коэффициента усиления. Хотя некоторым читателям может понравиться полный анализ, я ожидаю, что большинство будет достаточно удовлетворено показанной очень упрощенной версией — она быстро спускается к серьезной математике, чтобы копнуть глубже. Операционный усилитель используется для суммирования двух выходов в дифференциальном режиме, поэтому используется выход обоих транзисторов.

Два транзистора в LTP «разговаривают» друг с другом через свои эмиттеры (обратите внимание, что база Q2 заземлена для переменного тока). Импеданс источника тока очень высок (не совсем бесконечен, но по крайней мере несколько МОм), и сигнал эмиттера практически не «теряется» через источник тока. Если внутреннее сопротивление эмиттера изменяется, то же самое происходит и с сигналом коллектора для обоих транзисторов. Информация, доступная в Сети, не особенно полезна в этом вопросе, хотя этот метод существует уже давно. Все распространенные усилительные устройства (BJT, JFET, MOSFET и лампы [вакуумные лампы]) показывают одинаковый эффект.

Были смоделированы все устройства (BJT, JFET, MOSFET и 12AU7), и все они обеспечивали переменный коэффициент усиления. Интересно, что BJT — это единственное устройство, способное обеспечить почти идеально линейную амплитудную характеристику при изменении управляющего (хвостового) тока, как показано на рис. 2. Все остальные устройства быстрее увеличивали свое усиление при низких токах хвоста, и оно уменьшалось. по мере приближения к максимуму.

Искажение всегда является важным параметром, поэтому я провел некоторые измерения. Я измерил выходной сигнал измерителя искажений, а также запустил функцию БПФ (быстрое преобразование Фурье), чтобы посмотреть на выходные частоты. Нет смысла показывать сам сигнал, так как ни один осциллограф не имеет разрешения, позволяющего увидеть искажения менее 1% или около того (и даже это может быть сложно во многих случаях).

Рис. 4. Форма волны искажения (среднеквадратичное значение 1 В при входной частоте 400 Гц)

Так как это с выхода моего измерителя искажений, поэтому основная частота (400 Гц) удаляется, оставляя только искажение и шум. Искажение интересное. В отличие от большинства схем, искажения ограничены второй и третьей гармониками, и почти ничего кроме них. При входной частоте 400 Гц есть пик на частоте 800 Гц (гармоника 2 ^и) и еще один пик на частоте 1200 Гц (гармоника 3 ^и), а то, что остается, скрыто в шуме. Это соответствует симуляции почти идеально. Форма волны примечательна тем, что она довольно гладкая, что указывает на отсутствие гармоник более высокого порядка вообще (они проявляются в виде резких разрывов поверх более низких частот, которые вы можете видеть).

Рис. 5. Спектр искажений (среднеквадратичное значение 1 В при входной частоте 400 Гц)

Используя функцию БПФ осциллографа, вы можете увидеть две гармоники, и они имеют почти одинаковую амплитуду. Если используется «балансный» потенциометр с коллекторными резисторами для Q1 и Q2, гармоники 2 ^и подавляются немного больше, но не настолько, чтобы быть значительным (измеренный THD изменяется очень мало).

Обратите внимание, что показанная схема имеет температурную компенсацию , а не , поэтому коэффициент усиления немного зависит от температуры. Он не предназначен для точной схемы, и дополнительная сложность выведет его из области «простого» DIY. При обычном использовании температура транзистора будет почти одинаковой (при комнатной температуре), так как рассеяние очень низкое, поэтому самонагревание отсутствует. Максимальное рассеивание на любом из транзисторов будет менее 2 мВт при любых настройках.

С другой стороны, вы можете получить хороший результат от JFET, и хотя искажения ниже, общее усиление также ниже, а управление не является линейным. JFET также имеют широкий разброс параметров, поэтому может быть трудно получить хорошо согласованную пару. Хотя согласованные пары доступны от Linear Systems (например, LSK389), они недешевы. Версия JFET показана ниже и была смоделирована, но не тестировалась на стенде.

Рис. 6. VCA с использованием полевых транзисторов

Использование JFET означает, что общий коэффициент усиления снижается примерно вдвое по сравнению с BJT. Кривая контроля также нелинейна, и хотя можно изменить «закон» контрольного горшка, вы, вероятно, не будете беспокоиться. Вполне вероятно, что вы сможете уменьшить искажения до уровня менее 0,01%, используя согласованные JFET, но стоимость может быть такой, что будет дешевле использовать THAT2181 или аналогичный, что в целом даст лучшую производительность. Тем не менее, эти VCA имеют логарифмическая функция управления (обычно около 6 мВ/дБ), и это может не подходить для некоторых цепей.

Строительство

Это больше образовательный проект, чем что-либо еще, но его можно использовать в относительно нетребовательных приложениях. Искажения слишком велики, чтобы их можно было квалифицировать как hi-if, хотя они намного лучше, чем некоторые ламповые (ламповые) усилители, которые, кажется, нравятся некоторым людям. Искажения низкого порядка, показывающие только вторую и третью гармоники на любом уровне выше -100 дБ относительно 1 В. Используя только дешевые детали, это простой способ поиграть с «настоящим» VCA с минимальными затратами.

Как уже отмечалось, Q1 и Q2 идеально совпадают. Раньше было обычным делом получать двойные согласованные пары в одном корпусе, но сейчас большинство доступных только SMD, что затрудняет самостоятельную работу. Это особенно актуально, если вы используете Veroboard, так как нет простого способа соединения SMD-деталей. Несмотря на то, что некоторые типы сквозных отверстий все еще доступны, «ужасающе дорого» при обсуждении стоимости ничего не стоит. Это неприемлемый путь для дешевого «забавного» проекта «сделай сам» !

Шум на удивление низок, и его не было слышно в моей мастерской, пока я не оказался всего в 100 мм от динамика. Я был приятно удивлен, тем более, что я не включал никакой фильтрации после стабилизатора 78L05, который я использовал для подачи 5В на LTP.

В конструкции нет ничего критичного, и большая часть схем имеет низкое сопротивление и минимальные помехи.

Рис. 7. Фотография прототипа Dual VCA (наведите курсор мыши, чтобы увидеть полный размер)

На фото также показано расположение входов, выходов, постоянного тока и земли. Кусок Veroboard, который я использовал, был обрезком, который оказался достаточно большим, чтобы все поместилось (я изменил фотографию, чтобы удалить «мертвое пространство» справа от операционного усилителя). VCA являются зеркальными отражениями, с двойным операционным усилителем между ними. Регулятор 5 В питает оба набора транзисторов. Различные части схемы должны быть легко узнаваемы на схеме. Разъемы питания постоянного тока находятся справа от операционного усилителя, так как изначально я планировал сделать только один VCA. Второй был добавлен, чтобы я мог сравнить их для отслеживания. Ни у одного из них не было возможности балансировки LTP, но это было добавлено позже (два синих триммера). Я схитрил с ними, так как они являются подстроечными резисторами на 1 кОм, поэтому сопротивление коллекторных резисторов составляет 1500 Ом. Это почти не влияет на работу схемы.

На плате отсутствуют только выходные конденсаторы операционных усилителей и резисторы (C4 и R13). Во всех тестах, которые я проводил, использовалась схема, связанная по постоянному току с выходов, с использованием выводов резистора от контактов 1 и 7 в качестве точек подключения. Резисторные выводы также использовались для ввода сигнала (вверху слева и справа) и управляющего напряжения (внизу слева и справа).

Рис. 8. Гармоники и шум, измеренные с помощью Project 232

Я использовал систему измерения искажений Project 232, чтобы лучше понять характеристики схемы. Система говорит, что THD + N (искажения плюс шум) составляет 0,28%, а шум -82 дБ (достаточно близко). Учитывая, что входной сигнал ослабляется в 100 раз, прежде чем он даже достигает VCA, это указывает на то, что сама схема на удивление тихая. Это не так хорошо, как операционный усилитель среднего уровня, но для простого (и очень дешевого) VCA это намного лучше, чем я ожидал.

Выводы

Помимо очевидного удовольствия от сборки чего-то подобного и игры с ним, VCA идеально подходит для гитарного тремоло (амплитудной модуляции). В отличие от комбинации LED/LDR, глубина тремоло не зависит от частоты и очень линейна. Обратите внимание, что амплитудная модуляция — тремоло , а частотная модуляция — вибрато . «Ручка тремоло» на гитарах Fender названа неправильно — она вызывает вибрато , а не тремоло. Точно так же усилители Fender, заявляющие о «вибрато», обеспечивают тремоло. Максимальная частота тремоло, используемая большинством гитаристов, составляет около 15 Гц (после этого она начинает звучать 90 252, действительно 90 253, странно), но схема будет работать с любой частотой до 100 Гц — почти наверняка бесполезно, но может быть «интересно». Естественно, модулирующий сигнал должен иметь подходящее смещение по постоянному току, чтобы обеспечить некоторое усиление. Например, близкая к 100% модуляция достигается при наложении пиковой синусоиды 4 В на уровень постоянного тока 5 В. Прохождение CV становится слышимым выше 30 Гц, но это слишком высоко для цепей тремоло.

Существует множество приложений для VCA, но если вы хотите использовать их для управления громкостью Hi-Fi, вам лучше подойдет что-то вроде предусилителя Project 141 VCA. Схемы, описанные здесь, предназначены в первую очередь для развлечения (и да, мне было весело играть с различными эффектами). Что еще более важно, собрать что-то подобное вместе и посмотреть, как это работает, познавательно.

Если кто-то вздумает пожаловаться на то, что я недостаточно далеко продвинулся с улучшениями, то это вполне сознательно. Как сказано во введении, любая самодельная схема должна быть достаточно простой (и дешевой), чтобы каждый мог ее построить и повозиться с результатом, чтобы посмотреть, что получится. Его можно использовать в реальной схеме, если вы не ожидаете чудес. Я, конечно, не стал бы использовать его для hi-if, но как модулятор гитарного тремоло или как простой VCA, предназначенный для поддержания заданного уровня фонового звука (с выпрямителем и фильтром для генерации управляющего напряжения), он должен работать очень хорошо.

Как видно из характеристик искажения, показанных на рис. 8, они намного лучше, чем можно было бы ожидать от чего-то, что стоит менее 5 долларов по частям. Это не привет-если, но это более чем приемлемо для случайного прослушивания, и я ожидаю, что

Каталожные номера

В Сети есть довольно много схем , похожих на VCA, но большинство (хорошо, ни одна из тех, что я видел) используют текущее зеркало для управления хвостовым током LTP. Эта схема была разработана с использованием основных принципов, и никаких конкретных ссылок не показано, так как они не использовались для создания схемы.

Один полезный сайт (найденный, когда эта статья была почти закончена, и который включает все формулы) находится на веб-сайте Analog Devices — см. главу 12: Дифференциальные усилители, которая является частью серии AD ‘University’. Хотя объяснения в основном довольно хорошие, я считаю, что в представленных формулах есть ошибки (я также могу ошибаться).