СХЕМОТЕХНИКА УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ ВЫСОКОЙ ВЕРНОСТИ

МОСТОВЫЕ УMЗЧ

М. КОРЗИНИН, г. Магнитогорск

Мостовые усилители мощности 34 известны довольно давно, ио использовались они в основном в таких усилительных устройствах, где необходимо было получить повышенную выходную мощность при относительно невысоких напряжениях питания, в частности в автомобильной аудиотехнике. Применение же их в стационарной аппаратуре высокой верности воспроизведения с сетевым питанием сдерживалось из-за присущих им повышенных, по сравнению с обычными УМЗЧ, искажений усиливаемого сигнала.

Однако в последнее время в печати появились сообщения об успешном использовании рядом зарубежных фирм мостовых усилителей в аппаратуре класса High-End. Для примера назовем усилители таких фирм как АМС ("CTV-2030a" и "CTV-2W0 ) Briston 2B-LP" и "4B-LP"), MeCotmack Audio ("DNA-1"), Parasound {"HSA-22Q0") и других, в которых устранены недостатки, свойственные мостовым усилителям. Это позволяет утверждать, что и в любительских условиях можно попытаться создать мостовой усилитель, способный работать в аппаратуре высокой верности звуковоспроизведения. Этой проблеме и посвящена публикуемая статья.

Свое знакомство с мостовыми УMЗЧ начнем с устройстве, описенного в 151). Его схем в упрощенном виде показана на рис. 44 и содержит две независимых ветви усиления сигнала. Входные каскады и усилители напряжении совмещены и выполнены на интегральных OУ общего применения К140УД11 с повышенным быстродействием и высокой нагрузочной спо собностью го току. Для увеличения максимального напряжения на общей нагрузке OV их выходы подключены к ней е противо-фазе. Это позволило получить удвоенное по сравнению с обычным включением нагрузки максимальное выходное напряжение 3Ч для возбуждения выходного каскаде Чтобы при параллельном соединении входса OУ получить противофазное напряжение на их выходвх. OУ включены по схемам инвертирующего и неинвертнрующего усилителей. Соответственно ветви усиления охвачены двумя самостоятельными цепями ООС одинаковой глубины.

Выходной наскад УMЗЧ собран по мостовой балансной схеме на мощных составных биполярных транзисторах КТ827Б. Относительно нагрузки эти транзисторы включены по схеме с общим коллектором (рис. 45). 

Начальное смещение на их переходах база-эмиттер создается за счет падении напряжения на резисторах R9. R12 при протекании через них выходного тока 0У в режиме покоя. Параллельно этим разисторам включены конструктивно встроенные в выходные транзисторы делители смещения, включенные, в свою очередь, параллельно переходам ба эа-эмиттер. Чераз них также протекает часть выходного тока ОУ. Получение смещения поясняет рис. 46. Поскольку выходные транзисторы работают в этом YM34 с относительно небольшим током покоя, каждая из ветвей усиления фактически усиливает только одну полуволну сигнала, одна - положительную, другая - отрица тельную В нагрузке же эти полуволнь складываются.

Несмотря на большую глубину общих ООС. описываемый УMЗЧ имеет невысокие параметры коэффициент гармоник в звуковом диапазоне частот составляет примерис 0,03%. а обеспечиваемое им звучание можно охарактеризовать как утомительное, невыразительное, лишенное прозрачности, с грубым басом.

Стремление избавиться от указанных недостатков привело к разработке более совершенных мостовых УМЗЧ. Конструкция одного из таких УМЗЧ описана в статье "Полевые транзисторы в мостовом УМЗЧ" ("Радио", 1986. № 9 с. 38, 39), а несколько упрощенная его схеме приведена

на на рис. 47. В усилителе использованы ОУ К574УД1Б и мощные полевые МОП транзисторы типа КП904А. При этом благодаря использованию линейных компонентов удалось существенно снизить искажения Правда, выходная мощность усилите ля при этом упала из-за меньшей крутизны МОП-транзисторов.

На рис 48 приведена полная схеме еще одного малоизвестного мостового УМЗЧ выполненного полностью на дискретных активных элементах (52)

При глубина общей ООС всего в 20 дБ автору этой конструкции удалось получить

искажения порядка 0,1% при номинально выходной мощности 60 Вт на нагрузке 4 Ома во всем звуковом диапазоне частот и обеспечить вполне приличное качество звучания. Упрощенная схема усилителе приведена нв рис. 49. Схемотехника этого усилителя имеет свои недостатки, применены устаревшие типы транзисторов с низкой собственной линейностью, использованы неоптимальные скемы входного дифференциального усилителя и некоторые другие. 

В то же время, создав такой усилитель, автор доказал возможность изготовления неплохого мостового усилителя на дискретных транзисторах без использования

Рассмотренные выше схемотехнические решения мостовых усилителей могут Быть использованы в VM34 высокой верности при условии устранения имеющихся в них источников нелинейности усиления.

Каковы эти источники? Начнем с выходного каскада На рис. 50 приведена схема замещения выходного каскада Здесь Rвн1 и Rвн2 сопротивления переходов сток-исток (коллектор-эмиттер) соответственно выходных транзисторов VT1 и VT2. Uпит1 и Uпит2 напряжения источников питания выходного каскада. Нагрузка выходного каскада Rн включена в диагональ моста, который считается сбалансированным в том случае, если в режиме покоя Uпит1 равно Uпит2, а Rвн1 равно Rвн2.

Итак, первым обязательным условием баланса моста является поддержание постоянными и одинаковыми напряжений питакия Uпит1 и Uпит2 

В обоих рассмотренные выше УМЗЧ (см рис 44 и 47 использованы нестабилизироввнные блоки питания, причем во втором (см. рис. 47) - импульсный блок с малыми ямкостями фильтров выходное напряжение которого обладает очень невысокой стабильностью. Значит, здесь на соблюдается первое условие баланса моста. В связи с этим для пи тзния выходного каскада лучше всего подходят стабилизированные источники питания с большими емкостями фильтров на выходе. Если же источники питания не стабилизированы, для уменьшения колебаний их выходных напряжений при росте потребляемого выходным каскадом тока емкости фильтров необходимо увеличить е несколько раз. Это условие справедливо для обычных УМЗЧ, питающихся от двухполярных источников.

Второе условие баланса моста состоит в равенстве сопротивлений выходных транзисторов Rвн1 и Rвн2 в режиме покоя Если первое условие баланса моста соблюдается, то для выполнения второго условия достаточно с максимальной точностью установить одинаковую величину тока покоя каждого из выходных транзисторов Следует отметить, что выходные каскады мостовых VM34 крайне чувствительны к разбалансу токов покоя выходных транзисторов в отличие от выходных каскадов обычного - типа, раэбалано вызывает у них в два раза большее изменение напряжения на нагрузка.

Величину тока покоя мостового выходного каскада выбирают в зависимости от

назначения УM3Ч, Если требуется относительно небольшая выходная мощность при максимальной линейности, необходимо ис пользовать чистый режим А. Большим достоинством такого мостового выходного каскада является возможность применения транзисторов одной структуры и одного типа, что позволяет существенно упростить их подбор. Для работы в нем подойдут биполярные составные и дискретные транзисторы. а также мощные МОП и СИТ-транзисторы. Очень на плохие результаты можно получить при использовании составных транзисторов, из МОП или маломощных СИТ-транзисторов и мощных биполярных транзисторов (рис 51)

Выбирая транзистор для выходного каскада УМЗЧ, следует учитывать величину тока, потребляемого им от усилителя напряжения. Он максимален для выходных каскадов на дискретных биполярных транзисторах и минимален для каскадов на МОП-транзисторах, которые этот ток практически на потребляют Составные биполярные транзисторы занимают по этому параметру промежуточное положение.

Применение составного транзистора на дискретных элементах, включенных по схеме. показанной на рис. 51, позволяет реализовать преимущества как МОП-транзисторов, так и биполярных транзисторов.

Как известно, для выходного каскада на биполярных транзисторах, работающего в режиме АВ. крайне желательно обеспечить режим работы транзисторов без отсечки тока. Составной транзистор, показанный на рис. 51, имеет очень высокое входное и низкое выходное сопротивлении Чтобы обеспечить невыключающийся режим работы транзистора VT2 и соответственно 

снижение всех видов искажений

Транзистор VT1 следует выбирать по величине начального тока стока, поскольку именно он определяет падение напряжением на резисторе R1 и соответственно величину начального тока биполярного транзистора VT2

Описываемый составной транзистор может иметь хорошие частотные параметры и высокий коэффициент усиления по току, а также превосходную линейность. 

Прекрасные результаты были получены при работе на месте VT1 МОП-транзисторов КП904 Применание же в качестве VT1 СИТ-транзистора. например КП959А. или составного транзистора BU931 позволяет создать высоколинейный усилительный элемент с очень высоким усилением по току и в ряде случаев вообще отказаться от предварительного усиления напряжения в УМЗЧ.

Использование во входных каскадах мостового УМЗЧ высокой верности интегральных OУ представляется неоптимальным из-за их низкой линейности плохих частотных и нагрузочных характеристик.

Анализ работы УМЗЧ, выполненных по схемам, приведенным на рис. 44 и 47, позволяет утверждать, что ОУ используются в них в неблагоприятном с точки зрения линейности режимах, поскольку выходные каскады этих OУ работают в режиме АВ с полной загрузкой по току вследствие того, что цепи смещения выходного каскада УМЗЧ потребляют достаточно большой ток.

Так, в УM3Ч (см. рис. 44) выходной ток OУ DA1 протекает не только через разистор R9, но и через подключенные ему параллельно резисторы Rсм1. Rсм2 и частично открытые переходы база-эмиттер составного транзистора VT1 (см. рис. 46). причем этот ток при увеличении амплитуды напряжения выходного сигнала ОУ растет.

В УМЗЧ (см. рис. 47) выходной ток OУ протеквет только через резистор R9, но в режиме покоя он равен примерно 1 мА, в затем увеличивается с ростом амплитуды выходного сигнала ОУ, что не оптимально для ОУ К574УД1.

Любителям простых усилительных устройств можно рекомендовать заменить в УМЗЧ (см. рис, 44) ОУ К140УД11 на мощные интегральные OУ группы 2030 (например TDA2030) с относительно высокой собственной линейностью, которые предназначены для использовании в качестве интегральных УМЗЧ с двухполяриым питанием. По паспортным данным напряжение питания этих OУ составляет +18...22 В, ток покоя - 30. 50 мА. В УМЗЧ. показанном на рис- 44, выходной каскад ОУ во всем диапазоне выходных напряжений работает только в ражиме А, обеспечивая выходной ток до 10 мА, что вполне достаточно для линейной работы мостового выходного каскада на составных транзисторах. Безусловно, оба ОУ следует снабдить теплоотводами. Доработанный таким образом УМЗЧ имеет большую неискаженную выходную мощность и обеспечивает более естественное звучание.

О примененной в обоих УМЗЧ общей ООС следует сказать особо. Дело в том, что в балансных и мостовых УМЗЧ используются две самостоятельные цепи ООС, что вызвано конструктивными особенностями выходного каскада и способом включения его нагрузки. В результате такого схемотехнического решения появился со вершенно специфический источник искажений - сама ООС. Рассмотрим это явление подробнее.

Как уже указывалось выше, мостовой УМЗЧ представляет собой два отдельных УМЗЧ с входным каскадом и усилителем напряжения на интегральном ОУ и выходным однотактным каскадом на транзисторах. Поскольку напряжение ООС в каждом из них снимается с разных концов нагрузки Rн, для обеспечения противофазности возбуждения транзисторов выходного каскада в одной ветви пришлось использовать инвертирующую ООС, а в другой - не-инвертирующую Именно поэтому конструкторы вынуждены были цепи ООС разделить. Усиление по напряжению в УМЗЧ с общей ООС определяется, как известно, схемой не включения (инвертирующая и иеинвертирующая) и соотношением сопротивлений разисторного делителя. В УМЗЧ с двумя независимыми цепями ООС для идентичного усиления обеих полуволн сигнала необходимо обеспечить с очень высокой точностью (с использованием прецизионных резисторов и конденсаторов) одинаковый коэффициен усиления в обоих каналах УМЗЧ. К чему может привести несоблюдение этого условия, можно продемонстрировать на следующем примера.

Предположим, что цепи общей ООС в обоих каналах УMЗЧ образуются с помощью простейшего разисторного делителя Для резисторов широкого применении обычно допускается отклонение сопротивления от номинального значения ±5%. В УM3Ч (см. рис 47) использованы резисторы сопротивлением 91 и 10 кОм в одном канале и 100 и 10 кОм во втором канале. При указанных пределах отклонения от номинального значения их фактические со противления составят 86,45.-95,55 кОм, 8.64...Э.56 кОм, 95.J.05 кОм и 8,64...9.56 кОм- Коэффициент усиления каждой ветви сигнала при этом може находиться в пределах 10,04... 11,0,6 и 9 9...12,15 соответственно. При крайних значениях этих величин разница в усилении ветвей, т е. обусловленная этой причиной нелинейность УМЗЧ составит около 20(!)%.  Использованием прецизионных резисторов можно уменьшить эту величину примерно до 5%. Это, конечно, крайний случай, вполне возможно и случайное блаоприятное соотношение величин приме ненных разисторов. 

Однако в любом случае предоставляется затруднительным уменьшить эту нелинейность хотя бы до 1%.

Ранее уже говорилось о елиянии ООС на уровень динамических искажений В связи с этим представляется необходимым отказ в высококачественном мостовом УМЗЧ от общей ООС и от использования интегральных 0У входной каскад и усилитель напряжения лучше всего выполнить на дискретных транзисторах, отказав ись от обшей ООС. В атом случае сразу же исчезает и проблема исходной нелмнеЛ*эсти УМЗЧ из-за наличия двух раздельных цепей ООС.

Таким образом, мостовой УМЗЧ высокой верности должен быть полностью выполнен на дискретных элементвх. Причем возможно несколько вариантов его построения в зависимости от заданных пера-метров и желания изготовителя: работе е режиме А или режиме АВ, применение только биполярных или только МОП и СИТ-

ранзисторов либо комбинации тех и других приборов. Возможны также варианты питания УМЗЧ от двух или трех независимых источников питания, использование во входных каскадах и усилителях напряжения квк балансных, тек и одиотактных каскадов, с симметричным (балансным] или несимметричным входом и т п

ЛИТЕРАТУРА

51. Сырные А. Усилитель мощности на ннтвг. равных 0У. - Радио. 1984. № 8. стр. 35, 36.

52. Нечаев Ю. Симметричный усилитель низкой частоты с тоновым управлением. Сб. "В помощь радиолюбителю", № 17, с. 32-39. - М ДОСААФ, 1989.