Двухтактные транзисторные усилители мощности ЗЧ, работающие в режиме В, обладают такими достоинствами, как высокий КПД, большая выходная мощность, высокая температурная стабильность [1, 2]. Однако их широкому применению в высококачественных звуковоспроизводящих устройствах мешает один существенный недостаток. Как известно, отличительной особенностью работы таких усилителей является отсутствие начального смещения на базах транзисторов выходного каскада. Ток покоя этих транзисторов практически равен нулю, что обеспечивает высокую температурную стабильность каскада, но из-за кривизны начального участка входной характеристики транзисторов в выходном сигнале появляются характерные нелинейные искажения типа «ступенька», а сигналы малого уровня вообще не усиливаются.
С точки зрения автора, эти искажения возникают из-за неправильного использования транзистора как усилительного прибора. Дело в том, что транзистор является усилителем тока, а его заставляют выполнять несвойственные ему функции усилителя напряжения.
В усилителях напряжения сигнал на транзистор подается от источника с малым внутренним сопротивлением, т.е. от генератора напряжения. В результате все напряжение сигнала падает на входном сопротивлении транзистора и ток его базы целиком определяется величиной входного сопротивления. А поскольку эта величина на начальном участке входной характеристики очень велика ток базы чрезвычайно мал. Только тогда, когда величина входного сигнала превысит по рог открывания транзистора (примерно 0,6 В для кремниевых транзисторов) и входное сопротивление уменьшится до единиц кОм или меньше, ток в цепи базы начинает увеличиваться.
В усилителях тока сигнал на транзистор подается от источника с большим внутренним сопротивлением, т.е. от генератора тока. В этом случае ток в цепи базы транзистора мало зависит от входного сопротивления и определяется в основном внутренним сопротивлением источника тока. Кривая зависимости тока коллектора от тока базы проходит через начало координат и на начальном участке почти линейна.
Об этом в свое время мною писали |3, 4, 5]. Однако последователей у этих авторов оказалось немного. Единственный усилитель ЗЧ, в котором используется принцип токового управления, был описан в журнале «Радио» К. Качуриным [2]. К сожалению, он не лишен недостатков, главный из которых тот, что токовый принцип управления транзисторами не выдержан до конца.
^Нажмите для увеличения^
Рис. 1
Исходя из изложенных соображений, автором статьи были разработаны усилители мощности ЗЧ класса В. Первый из них (рис. 1) содержит три каскада: входной (VT1 и VT2), предвыходной (VT3 и VT4) и выходной (VT5 и VT6). Транзисторы входного каскада включены по схеме с динамической нагрузкой. Коллекторной нагрузкой транзистора VT1 служит внутреннее сопротивление транзистора VT2, а коллекторной нагрузкой транзистора VT2 — внутреннее сопротивление транзистора VT1. Внутренние сопротивления этих транзисторов достаточно велики, так как транзисторы включены по схеме с ОЭ и охвачены местной ООС по току, создаваемой резисторами в цепи эмиттеров. В результате, несмотря на то что выходы каскадов на транзисторах VT1 и VT2 по переменному току включены параллельно и шунтируют друг друга, выходное сопротивление первого каскада достигает большой величины — около 0,5 МОм — и приращения коллекторных токов транзисторов VT1 и VT2, вызванные воздействием входного сигнала, практически полностью уходят в базовые цепи транзисторов VT3 и VT4 в зависимости от знака приращения.
Транзисторы предвыходного каскада VT3 и VT4 также включены по схеме с ОЭ, охвачены ООС по току (резистор R12) и имеют большие внутренние сопротивления. Следовательно, для выходных транзисторов VT5 и VT6 они являются источниками тока. Усиленный транзисторами VT3 и VT4 ток полностью уходит в базовые цепи транзисторов VT5 и VT6 и усиливается ими. Причем положительный полупериод сигнала усиливается транзисторами VT1, VT3, VT5, отрицательный — VT2, VT4, VT6. На нагрузочном сопротивлении усиленные сигналы складываются, и на нем выделяется напряжение, пропорциональное коллекторным токам транзисторов VT5 и VT6. Таким образом, конечным результатом работы усилителя является усиление напряжения, хотя все транзисторы усиливают токи.
Постоянные смещения на базах транзисторов VT1 и VT2 создаются с помощью резисторного делителя R3 — R6. Подстроенным резистором R3 потенциал их коллекторов приравнивается к потенциалу средней точки источников питания, которая может быть соединена с корпусом усилителя. С коллекторов транзисторов VT5 и VT6 напряжение выходного сигнала в противофазе подается на среднюю точку резисторного делителя R3 — R6, а через резистор R2 и конденсаторы С1 и С2 — на базы транзисторов VT1 и VT2. Так осуществляется ООС. Конденсатор С5 и цепочка R8C3 корректируют частотную характеристику усилителя и предотвращают его самовозбуждение на высших звуковых частотах.
Резистор R12 в цепи эмиттеров транзисторов VT3 и VT4 ограничивает максимальный коллекторный ток транзисторов VT5 и VT6 и, таким образом, определяет максимальную выходную мощность усилителя, а также предохраняет выходные транзисторы от пробоя при коротком замыкании в нагрузке. Сопротивление резистора R12 можно подобрать таким образом, чтобы выходная мощность усилителя не превышала номинальную, тогда усилитель будет вообще нечувствителен к коротким замыканиям на выходе. Но при этом импульсные сигналы большой амплитуды, всегда присутствующие, например, в музыкальном сигнале, будут обрезаться. Чтобы этого не происходило, резистор выбран с таким расчетом, чтобы коллекторный ток выходных транзисторов слегка превышал величину, необходимую для получения максимальной мощности. В этом случае усилитель может выдержать короткое замыкание в течение непродолжительного времени, достаточного, для перегорания плавкого предохранителя FU1, который, включен последовательно с нагрузкой. Цепь R14С7 уменьшает коммутационные искажения [6].
Слева – рис.2, спава рис.3:
^Нажмите для увеличения^
^Нажмите для увеличения^
На базы транзисторов VT3 и VT4 подано небольшое постоянное смещение 0,8-1 В (по 0,4-0,5 В на каждый транзистор). Оно недостаточно для того, чтобы открыть транзисторы, но значительно снижает порог их открывания напряжением сигнала. Смещение выбрано экспериментально с таким расчетом, чтобы при температурре транзисторов до 60 °С они еще были бы практически закрыты 0,4-0,5 В (рис. 2). Фактически транзисторы VT3 и VT4 нагреваются до значительно меньших температур, так как не имеют теплового контакта с выходными транзисторами и размещаются на отдельных теплоотводах с площадью охлаждающей поверхности около 40 см2 каждый. Выходные транзисторы установлены на одном теплоотводе с площадью охлаждающей поверхности 300 см2. Максимальная выходная мощность, выделяемая на нагрузке 4 Ома при напряжении питания ±15 В, равна 15 Вт. Коэффициент усиления равен 3,3. Входное сопротивление — 2 кОм. Искажения типа «ступенька» в выходном сигнале усилителя отсутствует полностью, о чем свидетельствует его амплитудная характеристика на рис. 4.
^Нажмите для увеличения^
Рис. 4
На рис. 5 представлена схема усилителя, а котором использован операционный усилитель (ОУ). Усилитель также работает в режиме В, поскольку начальное смещение на базах транзисторов выходного класса отсутствует и их токи покоя равны нулю. Выходные транзисторы управляются коллекторными токами транзисторов VT1 и VT2, которые так же, как и в рассмотренном выше усилителе, включены по схеме ОЭ с резистором в цепи эмиттера и имеют большое выходное сопротивление. Все сказанное выше о работе выходного каскада усилителя, представленного на рис. 1, справедливо и для усилителя, показанного на рис. 5.
^Нажмите для увеличения^
Рис. 5
Использование ОУ дает новые возможности для улучшения работы усилителя. Так, например, большой коэффициент усиления ОУ позволяет увеличить глубину ООС. Появляется возможность относительно просто ввести положительную обратную связь (ПОС) нужной глубины, что улучшает переходную характеристику усилителя. ПОС реализуется с помощью цепи C2R4, связывающей выход ОУ с неинвертирующим входом. Можно существенно увеличить выходную мощность. Дело в том, что в рассмотренном выше усилителе (рис. 1) усиление сигнала при увеличении выходной мощности снижается, так как при больших коллекторных токах коэффициент передачи транзисторов, как известно, заметно падает. Вследствие этого уменьшается глубина ООС и ухудшаются качественные показатели усилителя. В рассматриваемом усилителе (рис. 5) глубина ООС не зависит от выходной мощности и обеспечивается ОУ.
На первый взгляд, может показаться, что использование ОУ само по себе гарантирует нужные качественные показатели усилителя за счет очень глубокой ООС. Однако это не так. Во-первых, глубину ООС нельзя увеличивать беспредельно, так как одновременно с увеличением ООС снижается устойчивость усилителя. В усилителях со стандартным включением ОУ глубина ООС обычно не превышает 60 дБ. В высококачественных усилителях для того, чтобы уменьшить динамические искажения и не нарушить устойчивость усилителя с расширением полосы рабочих частот, глубину ООС уменьшают до 20-30 дБ [6]. Во-вторых, даже при наличии глубокой ООС снизить искажения до любого желаемого уровня не удастся. Теоретически в усилителе, охваченном ООС, нелинейные искажения уменьшаются в А раз, где А — коэффициент обратной связи. Однако это утверждение справедливо только при условии, что исходный усилитель имеет небольшие собственные искажения, менее 5%. В транзисторных усилителях это условие выполняется редко, особенно когда выходной каскад работает в режиме В. Поэтому степень уменьшения нелинейных искажений может быть во много раз меньше коэффициента обратной связи [6]. Более того, могут появиться новые искажения.
По определению, напряжение на базах выходных транзисторов усилителя, работающего в режиме В, в отсутствие входного сигнала равно нулю. Кремниевый транзистор откроется только тогда, когда напряжение на его базе возрастет от нуля до 0,6-0,7 В. На это требуется какое-то время, в течение которого выходное напряжение усилителя будет равно нулю, даже если входной сигнал растет. Выходной сигнал искажается, на нем появляется горизонтальный участок. Но, если выходное напряжение равно нулю, то равно нулю и напряжение обратной связи, то есть обратная связь не действует. ОУ развивает полное усиление, и на его выходе появляется импульс напряжения с амплитудой, близкой к напряжению питания ОУ. Этот импульс подается на транзистор предвыходного каскада к переводит его в состояние насыщения. Рост напряжения на базе выходного транзистора ускоряется, и время, требуемое для его открытия, уменьшается, но не может стать равным нулю, поэтому ступенька сохраняется. Как только выходной транзистор откроется; на его выходе появится импульсный выброс напряжения, так как ООС еще не действует. ОУ не может сработать мгновенно, поскольку требуется некоторое время, пока сигнал ООС пройдет от его входа до выхода (время задержки). Когда же управляющий сигнал появится на выходе ОУ и поступит на базу предвыходного транзистора, пройдет еще некоторое время, пока транзистор выйдет из состояния насыщения. Это время значительно больше, чем время, необходимое для насыщения транзистора, и оно прибавляется к времени задержки.
^Нажмите для увеличения^
Рис. 6
В результате описанных процессов на выходном напряжении усилителя, в месте перехода синусоиды через ноль, появляется небольшой горизонтальный участок, а за ним следует импульсный всплеск. Их можно хорошо рассмотреть на экране осциллографа. Описанные искажения растут с ростом частоты усиливаемого сигнала. Избежать этих искажений можно, подав на базы выходных транзисторов начальное смещение, но усилитель в этом случае уже будет работать не в режиме В, а в режиме А или АВ.
Использование токового управления выходным каскадом без начального смещения дает возможность решить эту задачу. Оно позволяет снизить собственные искажения исходного усилителя до такой величины, при которой применение ОУ приобретает смысл и становится необходимым. ОУ включен по схеме инвертирующего усилителя, обладающей хорошей устойчивостью. Усилитель охвачен общей параллельной ООС.
Основные технические характеристики усилителя (рис. 5):
Выходная мощность в диапазоне 20-20000 Гц на нагрузке 4 Ом:
номинальная 40 Вт
максимальная 60 Вт
Коэффициент усиления: 26 дБ
Входное напряжение: 0,75 В
Входное сопротивление: 10 кОм
Скорость нарастания выходного напряжения (без входного фильтра): 12 В/мкс
Величина выброса на переходной характеристике: 5%
Коэффициент нелинейных искажений при номинальной мощности на частоте:
1000 Гц: 0,08%
20000 Гц: 0,17%
Относительный уровень фона: 80 дБ
Относительный уровень внутреннего шума: 86 дБ
Выходные транзисторы размещены на одном теплоотводе с площадью охлаждающей поверхности 600 см2. На рис. 3 изображена зависимость температуры теплоотвода от выходной мощности. Транзисторы VT1 и VT3 размещены на отдельных теплоотводах с площадью охлаждающей поверхности по 60 см2 каждый.
Немаловажным достоинством обоих усилителей является то, что постоянное напряжение на их выходах устойчиво поддерживается на нулевом уровне (с точностью до единиц мВ) за счет сильной ООС по постоянному току. Усилители рассчитаны на питание от стабилизированных источников, однако их можно питать и нестабилизированным напряжением. В этом случае придется повысить напряжение питания и увеличить площадь теплоотвода для выходных транзисторов.
Налаживание усилителей сводится к подбору напряжения между базами транзисторов предвыходного каскада до значений 0,4-0,5 В. Практически это делается путем подбора резисторов R9 (рис. 1) и R7, R8 (рис. 2). Затем резисторами R3 (рис. 1) и R5 (рис. 5) устанавливают нулевое напряжение на выходе усилителей. После этого нужно подключить к выходу усилителя нагрузку и подобрать резисторы R8 и R14 (рис. 1) и R4 и R13 (рис. 5) по минимуму искажений на частоте 20 кГц.
Транзисторы подбора не требуют. При подключении реальной нагрузки может потребоваться подбор корректирующих конденсаторов С3 и С5 (рис. 1) и С6 (рис. 5).
Вместо ОУ К140УД8А можно использовать ОУ того же типа с любым индексом, а также К574УД1 и К544УД2. Стабилитроны КС515А можно заменить двумя последовательно включенными стабилитронами Д814А. Конденсаторы и резисторы — любые.
Используемая литература:
- Я. Будинский. Усилители низкой частоты на транзисторах.— М.: Энергия, 1963.
- К. Качурин. Токовое управление оконечным каскадом усилителей НЧ.— Радио, 1967, № 9, с. 32, 33.
- В. Демьянов. Широкополосные усилители на триодах.— Радио, 1966, № 10, с. 50—53.
- В. Демьянов, И. Акулиничев. Резонансные усилители на лампах и транзисторах.— М.: Энергия, 1970.
- С. Бирюков. Усилители мощности низкой частоты. Авторское свидетельство СССР № 315267, класс H03F3/18.— Бюллетень «Открытия, изобретения, товарные знаки», 1971, № 28.
- А. Майоров. Динамические искажения в транзисторных усилителях НЧ.— Радио, 1976, № 4, с. 41, 42.
- М. Дорофеев. Приставки для измерения коэффициента гармоник.— Радио, 1990, № 6, с. 62, 63.
Автор: Дорофеев М., по материалам: журнал “Радио” №3, 1991 год
