Усилитель Владимира Нехая с двухканальной ООС (60 Вт/4 Ом)

Основная идея построения схемы усилителя, описанной в этой статье, основана на конструкции усилителя (УМЗЧ) автора П. Зуева, которая была опубликована в 1984 году под названием «Усилитель с многопетлевой ООС» [1], хотя описываемый усилитель имеет существенные отличия, о которых рассказано ниже. В нём применены оригинальные схемные решения, взятые из литературы, перечисленной ниже, а так же многих других отдельных фрагментов схем различных разработчиков, начиная от 80-х годов прошлого столетия. На мой взгляд, было найдено оптимальное решение для схемы на биполярных транзисторах, при условии минимума деталей для такого качества воспроизведения звука.

^Нажмите для увеличения^

Описываемый усилитель имеет номинальную выходную мощность 60 Вт. Этот усилитель, так же как и прототип [1] характеризуется отсутствием «транзисторного» звучания, более детальной передачей высоких частот и имеет «прозрачный звук» на средних частотах. Это можно объяснить весьма низким коэффициентом интермодуляционных помех (искажений), образующихся во время прохождения сигнала через нелинейные элементы, при смешении двух или чаще нескольких составляющих комплексного сигнала, которым обычно является прослушиваемая музыкальная программа.

Схема состоит как бы из двух частей. Первая часть (транзисторная) – «внутренний» усилитель, охваченный «своей» цепью отрицательной обратной связью (ООС). В соответствии с принятой классификацией эта ООС для всей схемы усилителя является местной. Вторая часть – это усилитель с «внешней» – общей ООС, с управлением на операционном усилителе (ОУ).

Характеристики данного УМЗЧ:

Номинальная выходная мощность: 60 Вт/4 Ом или 38 Вт/8 Ом

Номинальный диапазон частот: 20 – 30000 Гц

Коэффициент гармоник в полосе частот 20-20000 Гц при Pвых.=60 Вт/4 Ом: 0,008%

Коэффициент интермодуляционных искажений при Pвых.=55 Вт/4 Ом: 0,01%

Входное сопротивление в диапазоне частот 20 – 20000 Гц: 25 кОм

Номинальное входное напряжение: 1,1 В

Отношение сигнал/шум (взвешенное значение): 100 дБ

^Нажмите для увеличения^

Электрическая схема

^Нажмите для увеличения^

Печатная плата

Эти характеристики были сняты для элементной базы, обозначенной на схеме, лишь только в качестве VT3 и VT4 в схеме стояли 2SC3599 и его пара 2SA1405. Все комплементарные пары применённых транзисторов подбирались по параметрам (Н21э) с разбросом не более ±20%. (Например, статический Н21э одного транзистора мог быть – 80, а другого – 120).

Перед тем как описать данный УМЗЧ скажу, что коэффициент гармоник на выходе измерялся с помощью устройства, собранного по схеме И. Т. Акулиничева [2], путём прямого вычитания сигналов разных частот от генератора ЗЧ. Здесь указан худший результат измерений. Затем был измерен коэффициент интермодуляционных искажений, путём подачи на вход от двух независимых генераторов ЗЧ через смеситель, (состоящий из двух резисторов, и фильтра-пробки, настроенного на частоту 1кГц) двух сигналов частотой 15 и 16 кГц. При этом на выходе был зафиксирован (осциллографом через полосовой фильтр «1кГц», с учётом потерь) сигнал частотой 1 кГц, который на 4 порядка меньший по уровню, чем исходные сигналы (амплитуда измерялась относительно выходной). Это соответствует уровню минус 80 дБ, или 0.01% искажений. Измерения проводились при Uвых.=15В (действующее значение), на эквиваленте нагрузки 4 Ома.

УМЗЧ содержит, в основном 4 каскада. Первый каскад – это быстродействующий ОУ К574УД1А (Б, В), нагруженный на второй симметричный каскад на транзисторах, который обладает высоким входным сопротивлением (свыше 40 кОм), позволяющий ОУ работать практически без нагрузки, а значит с малыми нелинейными искажениями, и хорошим быстродействием, даже если в ОУ выходной каскад работает в режиме АВ.

Дело в том, что второй каскад выполнен на транзисторах VT1 и VT2, базы которых соединены. Это позволяет создать баланс постоянных токов баз, и в этом случае ток (на входе каскада) через общий провод не протекает, что создаёт большое входное сопротивление каскада (при условии, что эти транзисторы подобраны по параметрам). При этом питание эмиттеров VT1 и VT2 осуществляется стабилизированным током, что обеспечивает стабильность токов коллекторов транзисторов третьего каскада VT3 и VT4, а также высокую термостабильность всего усилителя.

Третий каскад выполнен на транзисторах VT3 и VT4, так же симметричен, что позволяет существенно уменьшить вторую и последующие чётные гармоники. Кроме этого местная обратная связь, образованная резисторами R18 и R19 в эмиттерных цепях VT3, VT4 уменьшает нелинейность этого каскада и одновременно превращает VT3 и VT4 в генераторы стабильного тока, работающие друг на друга, создавая режим «А» и повышая усиление по напряжению, быстродействие и стабильность режимов. Это дало возможность стабилизировать токовый режим всего усилителя. Диоды VD3 и VD4, включённые параллельно резисторам R18, R19, создают ограничение падения напряжения на них при выходной мощности более 30 Вт. Они (диоды) увеличивают КИНП (коэффициент использования напряжения питания) всего усилителя. Нелинейность этих диодов практически полностью компенсируется местной ООС.

Четвёртый каскад образован двумя двухтактными эмиттерными повторителями – стандартный вариант для многих схем. Двух эмиттерных повторителей здесь достаточно для получения выходной мощности 80 – 90 Вт, так как перед ними стоит двухтактный усилитель напряжения. Для получения большей выходной мощности необходимо три эмиттерных повторителя, как это было сделано в [1] или [3].

Цепь первой (местной) ООС образована резисторами R13 и R15, включенных по переменному току параллельно, конденсаторами С5, С6 и резистором R14. Цепь второй (общей) ООС снимается с выхода усилителя и через делитель напряжения, образованный резисторами R4, R3 и конденсатором С3, подаётся на инвертирующий вход ОУ. Конденсатор C3 необходим для лучшего поддержания нуля на выходе схемы, так как в этом случае, на постоянном токе ООС будет 100%-ная. Частотная коррекция транзисторной части усилителя обеспечивается конденсаторами С7 и С8.

Ток покоя выходных транзисторов равен всего 50-60 мА. Этого достаточно для исключения искажений типа ступенька, так как в переходной нулевой зоне ток обеспечивают одновременно и транзисторы предвыходного каскада через резисторы 39 Ом [1].

Ток покоя дополнительно стабилизирован с помощью вспомогательного каскада на транзисторах VT5, VT6. Один из них германиевый (VT6). Его желательно применить для того чтобы был запас по напряжению для регулировки тока покоя в достаточном диапазоне [2]. Дело в том, что напряжение питания этого «транзисторного шунта» ограничивается напряжением между базами предвыходных транзисторов. В отличие от схемы, описанной в [2], здесь датчиками тока выходных транзисторов являются резисторы в их эмиттерных цепях (0.2 Ома). Эта схема работает как дополнительный усилитель напряжения, создающий отрицательную обратную связь по току для выходного каскада, поддерживая постоянный сквозной ток через VT9 и VT10 на частотах вплоть до 100 кГц. Последнее требуется для исключения коммутационных искажений (они же – искажения типа ступенька), а так же для ограничения сквозного тока выходных транзисторов при перегрузках усилителя.

Наличие германиевого транзистора VT6 помимо компенсации температуры окружающего воздуха, так же даёт возможность иметь более чувствительную температурную компенсацию нагрева выходных транзисторов (если он рядом с ними), позволяющую не ставить какие-либо термодатчики на радиаторы VT9, VT10. Так, при длительной работе усилителя на средней мощности 60 Вт, ток покоя выходных транзисторов увеличивался с 60 мА до значения не более чем 150 – 170 мА. (Дальше ток не растёт, как бы вы этого не хотели, потому что падение напряжения, образующееся на резисторах 0.2 Ома поступает на базы транзисторов VT5 и VT6, которые резко уменьшают своё сопротивление между коллектором и эмиттером ). Причина роста тока покоя до значения 150-170 мА очень проста: при повышении температуры выходных транзисторов падает сопротивление переходов Б-Э VT9 и VT10. А датчиками тока покоя здесь оказываются и эти переходы, включённые последовательно с резисторами 0,2 Ома.

Вместе с этим усилителем необходимо использовать устройство релейной защиты от постоянного напряжения на выходе с задержкой включения. Схему такой защиты можно позаимствовать, например, от усилителя В. Шушурина (Радио №11, 1980 г.) или аналогичную.

Особенности конструкции и детали: Для нормальной работы и температурной стабильности необходимо, чтобы к VT3, VT4 были прикручены небольшие радиаторы в виде пластинок из алюминия размерами 15х20 мм и толщиной 1,5 мм. А транзисторы VT7, VT8 установлены на П-образные радиаторы из алюминия или крашеной тёмной меди, толщиной 1,5-2 мм размерами 22х40 мм. Резистор R22 для надёжности лучше заменить на постоянный (после настройки). Конденсаторы С1 и С3 – неполярные. С10 и С11 – желательно танталовые, могут быть и по 4,7 мкФ. Конденсаторы С5 и С6, равные по ёмкости, можно ставить в пределах 100 – 220 мкФ. Их незначительная нелинейность компенсируется цепью общей ООС. Конденсаторы С10, С11, C12, С14 и С15 – должны быть хорошего качества, так как они подвержены токовым нагрузкам. Конденсаторы С7, С8, С14, С15 а так же С12 – должны быть рассчитаны на напряжение не ниже 100 В.

Для усилителя необходим источник питания, с трансформатором 220-250 Вт (ТС-250), который при токе нагрузки 2,1 А на канал, выдавал бы напряжение не менее ±28 Вольт. Ёмкость электролитических конденсаторов должна быть не менее 10000 мкФ/плечо из расчёта на каждый канал УМЗЧ. «Общий провод» должен быть раздельным в цепи предварительного усилителя – входа УМЗЧ, по отношению к цепи его выхода и питания (пред. усилитель должен как бы питаться по общему проводу от входа УМЗЧ – тогда фона не будет). Входы УМЗЧ (если усилитель двухканальный) с предварительным усилителем необходимо соединить экранированными проводами, в оплётках которых должны идти по два провода – нулевой и сигнальный. А сама оплётка должна быть соединена с общей земляной точкой или шиной, куда сходятся все заземления усилителя. Так же соединяются и входы предварительного усилителя. В остальном монтаж стандартный.

Ниже описана возможная замена активных элементов на другие. Современные импортные транзисторы обладают лучшими частотными свойствами, благодаря меньшим внутренним ёмкостям, большими допустимыми предельными параметрами, а также лучшей линейностью H21э. Можно заметить, что транзисторы VT1 и VT2, обозначенные на схеме, работают на пределе Uкэ max, а VT3, VT4 – имеют приличные ёмкости коллекторов (это влияет на быстродействие в целом и на эффективность действия общей ООС на высоких частотах звукового диапазона [2], то есть незначительно ухудшает эти характеристики).

^Нажмите для увеличения^

Настройка УМЗЧ :

1. Проверить монтаж платы. Выставить R22 (номинал 220 Ом) в положение минимального сопротивления (0 Ом). Закоротить вход. Подключить на выход контрольную АС. (Автор подключал НЧ динамик в корпусе, от колонки S-90).

2. Подать питание на усилитель через гасящие резисторы 15 – 20 Ом, мощностью 10 – 15 Вт.

3. Выставить ток покоя выходных транзисторов с помощью R22 на уровне 50 – 80 мА, измеряя напряжения на резисторах R25 и R26 (на них должно быть постоянное напряжение, равное 10 – 15 мВ).

4. Параллельно входу поставить резистор 10 кОм, а параллельно нагрузке (АС) подключить осциллограф. На его экране должна быть только горизонтальная линия с шумами – несколько милливольт.

При наличии возбуждений (что маловероятно – схема очень стабильная) параллельно R4 можно поставить конденсатор ёмкостью 10 – 15 пФ. Если это не помогает, то советую перейти к следующему алгоритму проверок схемы – закоротить вход усилителя и измерить следующие напряжения:

Напряжение питания после вспомогательных гасящих резисторов, номиналом 15 Ом.
Напряжение на стабилитронах, равное 15 вольт.
Напряжение на выводах 8 и 5 микросхемы (±15 В).
Напряжение на выходе микросхемы (постоянное ±0,5 В)
На R9 и R10 (1,2 В, постоянное)
На R18 и R19 (0,5 В, постоянное)
На R23 и R24 (0,7 В, постоянное)
На R25 и R26 (12 – 14 мВ, постоянное – отрегулировать на холодную с помощью R22)
Напряжения на VT1, VT2, на эмиттерах, должны быть по 0,7 В.

— Транзисторы VT3 и VT4 должны иметь близкие характеристики (включая и ёмкости коллекторных переходов). При необходимости их (транзисторы) можно заменить. Разброс H21э их по величине на ±20% вполне допустим. Не рекомендую ставить какие либо СВЧ транзисторы в качестве VT3 или VT4 (например, типа MRF544 или MRF545).

— Далее: проверить цепи коррекции ОУ. Устранить паразитные связи. Провода, идущие к выходным транзисторам должны быть как можно короче.

— При наличие возбуждений, в крайнем случае, можно увеличить ёмкость конденсатора С4 до величины 27 пФ. Если это помогает, то это говорит о сильном расхождении параметров применённых транзисторов VT3 и VT4 по частотным свойствам, либо неправильные цепи частотной коррекции ОУ. При этом не рекомендую увеличивать ёмкости конденсаторов С7, С8.

5. После успешного запуска и контроля с помощью осциллографа, можно проверить, как изменяется ток покоя выходных транзисторов, в зависимости от температуры. Обычно он не превышает 180 мА в самом худшем случае. Но для этого нужны радиаторы с площадью не менее 500 см2 на каждый выходной транзистор.

6. Далее можно подключить питание усилителя напрямую и ещё раз проконтролировать “ток покоя” и “ноль” на выходе. Обычно схема работает сразу. Если ноль на выходе не точен, то можно подобрать один из резисторов R16 и R17, временно заменив его на переменный, номиналом 1,2 Мом. Обычно этого не требуется, так как допустимо постоянное напряжение на выходе порядка 15 мВ. На этом настройка заканчивается.

Хотелось бы отметить, что данный усилитель был проверен в «экстремальном» режиме, на предельных мощностях в течение длительного времени, так как эксплуатировался на улице. Усилитель работал одно время даже при плохом, искрящемся на большой мощности, контакте в цепи предохранителей. После устранения этой неисправности никаких изменений не произошло. Правда, один раз сгорел конденсатор С14 в одном канале. После его замены и анализа причины происшедшего, было решено дополнить схему ещё и конденсаторами С10, С11, для более надёжной блокировки питания. Была изготовлена новая плата с другой нумерацией элементов. Измерения характеристик проводились после всех доработок.

Недостатком этого усилителя можно считать отсутствие триггерной защиты от короткого замыкания на выходе (а так же необходимость установки мини-радиаторов на VT3 и VT4). Это оправдывается простотой схемы. Роль защиты выполняют плавкие предохранители. Но, нужно предусмотреть и надёжное, изолированное соединение в выходном разъёме каждого канала усилителя, чтобы не допускать коротких замыканий. Эксплуатировать такой усилитель без предохранителей нельзя. Можно установить предохранители номиналом 4 А каждый, но не более. При желании, можно ввести в схему и триггерную защиту, аналогичную [1].

Примечания:

Если вам достаточна выходная мощность 30 Вт на нагрузке 4 Ома, то напряжение питания можно снизить до величины ±25 В. Тогда диоды VD3, VD4 можно исключить, а радиаторы для VT3 и VT4 не нужны. Резисторы R7, R8 надо установить номиналом по 680 Ом, а R18 и R19 – номиналом по 62 Ома. Предохранители F1 и F2 можно поставить по 3 А.
Если у вас 8-ми-омная акустика, и необходима мощность 50 Вт/канал. То нет ничего проще. Достаточно подключить блок питания с напряжением ±40 В, заменить R18 и R19 – номиналом по 100 Ом. Резисторы R7, R8 – установить номиналом по 1,2 кОм. Транзисторы VT1, VT2 – как указано ниже. А предохранители F1 и F2 – поставить по 3 А.

Список замены транзисторов для схемы УМЗЧ – 60 Вт:

VT1 – BC556, 2N5401

VT2 – BC546, 2N5551

VT3 – 2SC3421, 2SC3599

VT4 – 2SA1358, 2SA1405

VT5 – 2N3904, ВС182 (а также любой из серии кт3102 и подобные ему)

VT6 – ГТ308Б(В), ГТ320, ГТ321 – с любым буквенным индексом

VT7 – 2SC4793 (2SC3421)

VT8 – 2SA1837 (2SA1358)

VT9 – 2SC5200, VT10 – 2SA1943

Стабилитроны VD1 и VD2 – можно заменить на зарубежные аналоги, с напряжением стабилизации 15 В.

Диоды VD3 и VD4 – любые импульсные, с максимальным прямым током не менее 50 мА, например КД521А, КД522Б или их зарубежные аналоги.

Диоды VD5, VD6 – любые диоды с допустимым импульсным током не менее 10 А и рабочей частотой более 5 кГц.

Микросхему ОУ DA1 можно заменить на КР574УД1А (В) или её зарубежный аналог, а также на КР544УД2 (выводы 1 и 8 соединить), TL051 или 3505J и 3507J, с коррекцией в соответствии с «datasheet» (цоколёвка микросхем 3507J и 3505J совпадает с К574УД1А, отличается лишь сдвигом на одну ножку и цепями коррекции). Для микросхем серий КР574, КР544 и TL051 – необходима корректировка платы, хотя можно припаять их на проводках, по 15 мм каждый (кто умеет).

После такой замены транзисторов можно ожидать уменьшения нелинейных искажений УМЗЧ, (не считая ОУ, замена, которой в данном случае особой роли не играет).

Послесловие:

Для тех, кто любит эксперименты, скажу, что убедиться в эффективности работы двойной ООС можно довольно легко на примере описанного здесь усилителя. Для начала надо конечно собрать и настроить эту схему. Затем, достаточно на время превратить её в «обычный усилитель», разомкнув внешнюю общую ООС и создать последовательное соединение двух получившихся при этом усилителей. Для этого надо отсоединить правый вывод резистора R4, (предварительно заменив его номиналом, равным 22 кОм для подстройки усиления), от выхода усилителя и подсоединить его к выходу микросхемы (вывод 7). Сделать это лучше с обратной стороны платы. После такой доработки мы будем иметь обычный предварительный усилитель на ОУ и усилитель мощности, связанные между собой гальванически. Послушаем, как они будут «звучать», используя нормальные АС. Даже если выставить ток покоя по 100 мА в каждом канале (когда выходные транзисторы ещё не прогрелись), звук будет иметь характерный, не очень ярко выраженный, но слегка жестковатый оттенок, на низких, средних и высоких частотах, особенно на большой мощности. (Слушать лучше не в квартире, если соседи не любят музыку).

После возврата в первоначальное состояние, думаю, вы сразу же заметите разницу. Звук покажется вам более естественным. Особенно если источник сигнала подключен через хороший пред. усилитель, либо без него. Выражено это будет в лучшей детализации ВЧ и «прозрачности» СЧ звукового диапазона. Низкие частоты будут так же заметно «улучшены» – более «мягкие» и «глубокие».

В обычных схемах стремятся увеличить линейность транзисторных усилителей с помощью местных ООС в отдельных каскадах. Это, безусловно, эффективная мера для получения высокой верности звучания, и она здесь тоже применяется. Но в нашем случае помимо этого, исходный усилитель (транзисторная часть) уже имеет малые нелинейные искажения (0,5%), так как он охвачен как бы «своей внутренней» ООС, что существенно меняет ситуацию [1].

Литература: