УМЗЧ класса АВ без тепловых искажений

автор:  А. П. Петров
источник:  Радиоаматор, 3, 2006

Несмотря на то, что большинство транзисторных усилителей имеет низкий суммарный коэффициент гармонических и интермо дуляционных искажений многие из них "звучат" не лучшим образом (слово звучат взято в кавычки потому, что сами по себе усилители не излучают звук). Объясняется это широким спектром высших гармоник, а чем выше номер гармоники, тем заметнее она на слух. 

Ламповые же усилители хотя и имеют относительно большие искажения (до 1% и более) имеют резко спадающий ряд гармоник (как правило, не выше 5-й, чаще ограничивается 3-й), что придает звучанию "теплый" характер, ласкающий слух, хотя при этом оно и далеко от натурального. Это можно сравнить с водой: одним нравится родниковая, другим минеральная, а третьим обыкновенная вода из под крана, и вряд ли кому нибудь понравится чистая дистиллированная вода. В то же время, "слепое" сравнительное тестирование лучших транзисторных и ламповых усилителей не выявляет различий в их "звучании". 

Транзисторный УМЗЧ с дифкаскадом (ДК) на входе традиционно строится по трех каскадной схеме: ДК входной усилитель напряжения; усилитель напряжения; выходной двух тактный усилитель тока. При этом наибольший вклад в спектр искажений вносит именно выходной каскад. Это, в первую очередь, искажения типа "ступенька", коммутационные искажения, усугубляемые наличием сопротивлений в эмиттерных (истоковых) цепях, а также тепловые искажения, которым до недавних пор не придавали должного внимания. Все эти искажения, будучи сдвинутыми по фазе в цепях отрицательной обратной связи, способствуют формированию широкого спектра гармоник (вплоть до 11 й). Это и обусловливает в ряде неудачных разработок характерное транзисторное звучание. 

По всем каскадам на сегодняшний день накоплен огромный набор схемотехнических решений от простых несимметричных каскадов до сложных полностью симметричных. Тем не менее, поискирешений продолжаются. Искусство схемотехники в том и заключается, чтобы простыми решениями добиться хорошего результата. Одно из таких удачных решений опубликовано в [1]. Авторы отмечают, что режим работы наиболее распространенных выходных каскадов с общим коллектором задается напряжением на эмиттерных переходах, которое сильно зависит как от тока коллектора, так и от температуры. Если в маломощных эмиттерных повторителях можно стабилизировать напряжение база эмиттер путем стабилизации тока коллектора [2], то в мощных выходных каскадах класса АВ это сделать практически невозможно.

Рис .2.

Схемы термостабилизации с термочувствительным элементом(чаще всего транзистор) даже при установке последнего на корпусодного из выходных транзисторов инерционны и могут отслеживать только среднее изменение температуры кристалла, но не мгновенное, что приводит кдополнительной модуляции выходного сигнала. В ряде случаев схемы термостабилизации являются источником мягкого возбужденияили подвозбуждения, что тоже придает звучанию определенное окрашивание. Для принципиального решения этой проблемыавторы [1] предложили выполнить выходной каскад по схеме с ОЭ (идея не нова, см. например [3]). В результате, в отличие от традиционного трех каскадного построения (каждый каскад со своей частотой среза и своим с пектром гармоник), получился всего двухкаскадный усилитель. Его упрощенная схема показана на рис.1. 

Первый каскад выполнен по традиционной схеме ДК с нагрузкой в виде токового зеркала. Симметричный съем сигнала с ДК с помощью токового зеркала (встречная динамическая нагрузка) позволяет получить вдвое большее усиление с одновременным уменьшением шумов. Выходное сопротивление каскада при таком съеме сигнала достаточно высокое, что обусловливает его работу в режиме генератора тока. В этом случае ток вцепи нагрузки (базы транзистора VT8 и эмиттера транзистора VT7)мало зависит от входного сопротивления и определяется, в основном, внутренним сопротивлением источника тока. Эмиттерные токи транзисторов VT8, VT9 являются базовыми для транзисторов VT10, VT11. Генератор тока I2 и схема сдвига уровня на транзисторах VT5 VT7 задают и стабилизируют начальный ток транзисторов VT8 VT11 независимо от их температуры.

Рассмотрим подробнее работу схемы управления током выходных транзисторов. Переходы база эмиттер транзисторов VT5 VT8 образуют между выходом источника тока I2 и базой транзистора VT10 две параллельные цепи. Это не что иное, как сложный масштабный отражатель тока. Принцип работы простейшего отражателя тока основан на том, что конкретному значению тока коллектора (эмиттера) соответствует вполне определенное падение напряжения на его базо эмиттерном переходе и наоборот, т.е. если это напряжение приложить к базо эмиттерному переходу другого транзистора с такими же параметрами, то его ток коллектора будет равен току коллектора первого транзистора. Правая цепь (VT7, VT8) состоит из базо эмиттерных переходов с разными токами коллектора (эмиттера). Чтобы заработал принцип "отражателя тока" левая цепь должна быть зеркальной по отношению к правой,т.е. содержать идентичные элементы. Для того чтобы ток коллектора транзистора VT6 (он же ток генератора тока I2) соответствовал току коллектора транзистора VT8, падение напряжения на базо эмиттерном переходе транзистора VT5, в свою очередь, должно быть равно падению напряжения на базо эмиттерном переходе транзистора VT7. 

Рис 3

Для этого в реальной схеме (рис.2) транзистор VT5 заменен составным транзистором по схеме Шиклаи. На основании выше изложенного напрашивается выполнение следующих условий:  

статические коэффициенты передачи тока транзисторов VT7, VT8, VT11 (VT12) должны быть равны;
статические коэффициенты передачи тока транзисторов VT9 и VT10 также должны быть равны между собой, а еще лучше, если все 6 транзисторов (VT7 VT12) будут иметь одинаковые характеристики, что трудно выполнимо при ограниченном количестве транзисторов, имеющихся в наличии;
в качестве транзисторов VT8, VT9 необходимо отобрать транзисторы с минимальным базо эмиттерным напряжением (с учетом разброса параметров), поскольку эти транзисторы работают при пониженном напряжении эмиттер коллектор;
произведения статических коэффициентов передачи тока транзисторов VT11, VT13 и VT12, VT14 также должны быть близкими.

Таким образом, если мы хотим задать ток коллектора транзисторов VT13, VT14 равным 100 мА и имеем выходные транзисторы с h21э=25, то ток генератора тока на транзисторе VT6 должен составлять: Iк(VT6)/h21э=100/25=4 мА, что и определяет сопротивление резистора R11 около 150Ом (0,6 В/0,004 А=150 Ом). 

Поскольку выходной каскад управляется выходным током ДК, общий эмиттерный ток смещения выбран достаточно большим около 6 мА (определяется резистором R6), он же определяет и максимально возможный выходной ток ДК. Отсюда можно рассчитать и максимальный выходной ток усилителя. Например, если произведение коэффициентов усиления по току выходных транзисторов равно 1000, то максимальный выходной ток усилителя будет близок к 6 А. Для заявленного максимального выходного тока 15 А коэффициент усиления выходного каскада по току должен быть соответственно не менее 2500, что вполне реально. Более того, с целью повышения нагрузочной способности ДК общий эмиттерный ток смещения можно увеличить до 10 мА, уменьшив сопротивление резистора R6 до 62 Ом.

Приведены следующие технические характеристики усилителя: 

- Выходная мощность в полосе до 40 кГц на нагрузке 8 Ом- 40 Вт.
- Импульсная мощность на нагрузке 2 Ом- 200 Вт.
- Амплитудное значение неискаженного выходного тока- 15 А.
- Коэффициент гармоник на частоте 1 кГц (1 Вт и 30 Вт, рис.3)- 0,01%
- Скорость нарастания выходного напряжения- 6 В/мкс
- Коэффициент демпфирования, не менее- 250

График зависимости коэффициента гармоник при выходной мощности 1 Вт (кривая а) и при выходной мощности 30 Вт (кривая b) на нагрузке 8 Ом показан на рис.3. В комментариях к схеме [1] утверждается, что усилитель имеет высокую стабильность, в нем отсутствуют "переключательные искажения", а также гармоники высших порядков. 

Рис 4

Прежде чем собрать опытный образец усилителя схема была смакетирована виртуально и исследована с помощью программы Multisim 2001. Поскольку в базе данных программы не оказалось указанных в схеме выходных транзисторов, они были заменены ближайшими аналогами отечественных транзисторов КТ818, КТ819. Исследования схемы (рис.4) дали результаты, несколько отличные от приведенных в [1]. Нагрузочная способность усилителя оказалась ниже заявленной, а коэффициент гармоник более чем на порядок хуже. Недостаточным оказался и коэффициент запаса по фазе всего 25°. Наклон АЧХ в районе 0 дБ близок к 12 дБ/окт., что также говорит о недостаточной устойчивости усилителя.

В целях опытной проверки был собран макет усилителя и установлен в гитарный комбик рок группы "Афазия". Для увеличения устойчивости усилителя емкость коррекции увеличена до 2,2 нФ. Натурные испытания усилителя в сравнении сдругими усилителями подтвердили его достоинства и усилитель получил высокую оценку музыкантов.

Технические параметры усилителя

-Полоса пропускания на уровне 3 дБ-15 Гц-190 кГц
-Коэффициент гармоникна частоте 1 кГц (25 Вт, 8 Ом)-0,366%
-Частота единичного усиления-3,5 МГц
-Запас по фазе- 25°

Строго говоря, приведенные рассуждения по поводу токового управления выходным каскадом справедливы для усилителя с разомкнутой ООС. При замкнутой ООС в соответствии с ее глубиной уменьшается не только выходное сопротивление усилителя в целом, но и всех его каскадов, т.е. они посути начинают работать как генераторы напряжения. 

Рис 5

Поэтому с целью получения заявленных в [1] технических характеристик усилитель был доработан до вида рис.5, а результат его исследования приведен на рис.6. Как видно из рисунка, в схему добавлено всего два транзистора, которые образуют двухтактный гибридный повторитель класса А. Введение буферного каскада с высокой нагрузочной способностью позволило более эффективно использовать усилительные свойства ДК по напряжению и существенно повысить нагрузочную способность усилителя в целом. Увеличение усиления с разорванной ООС благоприятно сказалось и на уменьшении коэффициента гармонических искажений.

Увеличение емкости коррекции с 1 нФ до 2,2 нФ хоть и сузило полосу пропускания сверху до 100 кГц, но зато увеличило запас по фазе на 30° и обеспечило наклон АЧХ в области единичного усиления 6 дБ/окт., что гарантирует хорошую устойчивость усилителя.

В качестве испытательного сигнала на вход усилителя подавался сигнал типа "меандр" частотой 1 кГц (калибровочный сигнал от осциллографа). Выходной сигнал усилителя неимел ни завала фронтов, ни выбросов на фронтах сигнала,т.е. полностью соответствовал входному.

Технические характеристики доработанного усилителя

Полоса пропускания на уровне 3 дБ- 8 Гц-100 кГц
Частота единичного усиления- 2,5 МГц Запас по фазе- 55°
Коэффициент усиления- 30 дБ
Коэффициент гармоник на частоте1 кГц (25 Вт, 8 Ом)- 0,007%
Коэффициент гармоник на частоте1 кГц (50 Вт, 4 Ом)- 0,017%
Коэффициент гармоник при Ku=20 дБ- 0,01%

С целью натурных испытаний доработанного усилителя было изготовлено два образца в габаритах платы усилителя "Лорта 50У 202С" (он же "Амфитон 001") и установлено в указанный усилитель. Одновременно был доработан регулятор громкости в соответствии с [4]. 

Рис 6

В результате доработки хозяин усилителя полностью отказался от регулятора тембра, а натурные испытания показали его явное преимущество над прежним усилителем. Звучание инструментов стало более чистым и натуральным, сталичетче формироваться кажущиеся источники звука (КИЗ), онистали как бы более "осязаемыми". Заметно повысилась и неискаженная выходная мощность усилителя. Термостабильность усилителя превзошла все ожидания. После двухчасового испытания усилителя на выходной мощности, близкой к максимальной, боковые теплоотводы оказались практически холодными, в то время как с прежними усилителями дажев отсутствие сигнала усилитель, будучи оставленным во включенном состоянии, достаточно сильно разогревался.

Рис 7

Конструкция и детали 
Плата (с элементами на просвет) усилителя, предназначенного для установки в усилитель "Лорта", показана на рис.7. В плате предусмотрены места для установки диодного моста и резистора R43 из старой схемы, а также места для установки токо выравнивающих базовых и эмиттерных резисторов для спаренных выходных транзисторов. В нижней части платы зарезервированы места для установки элементов активного источника тока (АИТ) в виде отражателя тока, состоящего из токо задающего резистора сопротивлением 75 кОм с выхода УМ, двух транзисторов типа КТ3102Б и двух резисторов по 200 Ом для активного выключения нижнего плеча усилителя (в опытном образце не устанавливались). Конденсаторы С4, С6 типа К73 17. Емкость конденсатора С2 можно безболезненно увеличить до 1 нФ, при этомчастота среза входного фильтра НЧ будет 160 кГц.

Транзисторы VT13, VT14 снабжены небольшими алюминиевыми флажками толщиной 2 мм. Транзисторы VT8 и VT12для лучшей термостабилизации усилителя установлены пообе стороны общего флажка, причем транзистор VT8 черезслюдяную прокладку или эластичный тепло проводящий изолятор типа "Номакон Gs" ТУ РБ 14576608.003 96. Что касается параметров транзисторов, то они подробно оговорены выше. В качестве транзисторов VT1, VT5 можно использовать транзисторы КТ503Е, а вместо транзисторов VT2, VT3 транзисторы типа КТ3107 с любым буквенным индексом. Желательно, чтобы статические коэффициенты усиления тока транзисторов были попарно равны с разбросом не более 5%, а коэффициенты усиления транзисторов VT2, VT4 были несколько больше или равны коэффициентам усиления транзисторов VT1, VT5.

В качестве транзисторов VT3, VT6 можно использовать транзисторы типов КТ815Г, КТ6117А, КТ503Е, КТ605. Транзисторы VT8, VT12 можно заменить транзисторами типа КТ626В. При этом транзистор VT12 крепится на флажок, атранзистор VT8 на транзистор VT12. Под головку винта состороны транзистора VT8 следует подложить тексто литовую шайбу. В качестве транзистора VT10 из отечественных полевых транзисторов наилучшим образом подходит транзистор типа КП302А, 2П302А, КП307Б(В), 2П307Б(В). Желательно подобрать транзисторы с начальным током стока 7-12 мА и напряжением отсечки в пределах (0,8-1,2) В. Резистор R15 типа СП3 38б. Транзисторы VT15, VT16 можно заменить соответственно КТ837 и КТ805, а также КТ864 и КТ865 с более высокочастотными характеристиками. Плата разрабатывалась для установки спаренных выходных транзисторов (КТ805, КТ837). Для этой цели в плате предусмотрены места для установки как базовых (2,2-4,3 Ом), так и эмиттерных (0,2-0,4 Ом) токо выравнивающих резисторов. В случае установки одиночных выходных транзисторов вместо токо выравнивающих резисторов следует запаять перемычки или сразу распаять провода выходных транзисторов в соответствующие места платы. Вопытном образце оставлены "родные" выходные транзисторы, только их пришлось поменять местами.

В усилителе желательно увеличить емкости по питанию (в исходном усилителе в каждом плече по 2.2200 мкФ.50 В) Как минимум, желательно добавить в каждое плечо еще по 2200 мкФ, а еще лучше заменить конденсатором 10000мкФ. 50 В. На 50 В зарубежные конденсаторы относительно дешевы.

Налаживание 
Прежде чем подключать выходные транзисторы, необходимо временно припаять на место базо эмиттерных переходов выходных транзисторов любые диоды средней мощности (например, КД105, КД106), подать питание на плату и, не подключая нагрузку, убедиться, что усилитель отрабатывает среднюю точку. Подайте на вход усилителя сигнал и убедитесь с помощью осциллографа, что на "холостом ходу" он усиливается без искажений и возбуждения. Это говорит оправильности монтажа и исправности всех элементов усилителя. Только после этого можно впаять выходные транзисторы и приступить к установкеих тока покоя.

Для установки тока покоя необходимо выставить движок резистора R15 в нижнее по схеме положение, снять предохранитель в одном из плеч усилителя и вместо него включить амперметр. Ток потребления выставляют под строечным резистором R15 в пределах 110-130 мА (с учетом тока ДК около 6 мА и тока буферного повторителя около 3-5 мА). Затем проверяют чувствительность усилителей и при необходимости корректируют резисторы ОС.

После этого можно приступать к различным исследованиям, если, конечно, позволяет оборудование лаборатории радиолюбителя. Для этой цели можно воспользоваться прямым входом усилителя, сняв с него заглушку перемычку на задней стенке усилителя.  

Литература

Дайджест УМЗЧ//Радиохобби. 2000. №1. С.8 10.
Петров А. Сверхлинейный ЭП с высокой нагрузочной способностью//Радіоаматор. 2002. №4. С.16.3.
Дорофеев М. Режим В в усилителях мощности ЗЧ//Радио. 1991. №3. С.53 56.
Петров А. Доработка регулятора громкости усилителя "Лорта 50У 202С"//Радіоаматор. 2000. №3. С.10