Новая топология для мощных УМЗЧ

При создании усилителей большой мощности в выходном каскаде приходится применять параллельное включе­ние специально подобранных и согласованных групп тран­зисторов, что заметно усложняет и удорожает изготовление усилителя. Гораздо проще и дешевле использовать в этом каскаде лидеров по коэффициенту усиления и мощности - биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), так как отпадают вопросы подбора и установки групп тран­зисторов. Но считается, что такие транзисторы могут рабо­тать только в переключательных режимах. К тому же среди них практически нет комплементарных пар.

В настоящее время сложилось устойчивое мнение, что только каскады с симметричным выходом на комплементар­ных транзисторах способны обеспечить высокие параметры УМЗЧ . Это происходит из-за того, что практически все они повторяют топологию разработанную Лином на фирме RCA еще в 1956 г., - входной дифференциальный каскад, второй каскад усиления напряжения и выходной симметричный двух­тактный каскад - усилитель тока. Но эта структура далеко не оптимальна, если одно из плеч выходного каскада пост­роено по схеме Шикпаи, как это бывает при конструирова­нии УМЗЧ с мощными транзисторами одинаковой проводи­мости.

Главная проблема усилителя с выходным каскадом на транзисторах одинаковой проводимости - это потенциаль­ная неустойчивость порождаемая тем, что одно из плеч вы­ходного каскада охвачено местной отрицательной обратной связью. В результате существенно различаются фазо-частотные характеристики плеч. А это порождает звон и пара­зитную генерацию в выходном каскаде и требует дополни­тельной коррекции, симметрирующей такой выходной кас­кад, что снижает общую частоту среза УМЗЧ и приводит в итоге к повышению искажений [1]. Хотя такие схемы у конст­рукторов энтузиазма не вызывают, тем не менее, транзис­торы одинаковой проводимости широко используются в вы­ходных каскадах мощных микросхем УМЗЧ в силу дешевиз­ны производства. Конечно, среди биполярных транзисторов комплементарных пар достаточно много, и трудности возни­кают только с подбором пар комплементарных транзисто­ров группы IGBT, привлекательность использования которых очевидна. Это сдерживает применение таких транзисторов, при их неоспоримых достоинствах перед биполярными и по­левыми транзисторами.Существуют мостовые схемы мощ­ных каскадов, в которых не требуются комплементарные пары транзисторов. Но они довольно сложны, и в них слож­но использовать эффективную обратную связь, в результа­те мостовые схемы не получили широкого распространения, кроме автомагнитол, где их используют из-за ограниченного напряжения питания.

Рассмотрим отдельно несимметричный двухтактный вы­ходной каскад на IGBT (рис. 1), когда верхний транзистор включен по схеме с общим коллектором а нижний транзи­стор- по схеме с общим эмиттером.

Зависимость выход­ного напряжения от тока управления для верхнего транзис­тора составит: U_H = l_э(1+R₃ * S ) *Rн, а для нижнего транзистора - U_H = l_э^*R₃^*S*R_H. Можно заметить, что эти зависимости выход­ного напряжения очень близки, и при равном значении кру­тизны и большом сопротивлении резисторов в цепи затвора (R1, R2) выходной каскад практически симметричен. Но сим­метрия и линейность - это разные свойства. А замечатель­ное свойство этой схемы в том, что различие крутизны тран­зисторов можно компенсировать подбором резисторов. Та­кая симметрия недостижима для комплементарных полевых транзисторов. Различие крутизны у комплементарных пар полевых транзисторов достигает 300%, примерно такая же разница и их входной емкости.

Конечно, симметрия высока только на низких частотах, какими представляют и звуковые частоты. Задача состоит в том, чтобы построить схему с сохранением симметрии в наи­более широком диапазоне частот. И здесь топология Лина уже не является оптимальной.

Но вернемся к схеме на рис. 1. Недостаток каскада зак­лючается в том, что для каждого плеча требуется свой гене­ратор сигнала, и в результате возникают трудности с обес­печением термостабильности тока покоя каскада. Гораздо удобнее схема возбуждения каскада на рис. 2. Привлекатель­ность ее в том, что теперь не требуются два источника сигна­ла, и управление таким каскадом гораздо проще. Более того, здесь изменение сопротивления источника сигнала R изме­няет ток от источника тока к резисторам в цепи затворов транзисторов, причем изменение сопротивления R_r приво­дит к противофазному изменению напряжения на затворах транзисторов. При увеличении Rr отпирается верхний тран­зистор и запирается нижний, при уменьшении Rr запирает­ся верхний транзистор и отпирается нижний. Суммарное зна­чение токов на затворных резисторах, при любом значении Rr, остается неизменным и определяется источником тока.   ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,То есть, здесь осуществляется преобразование входного сиг­нала в управляющий симметричный противофазный ток, но в десятки раз различающееся управляющее напряжение, для верхнего и нижнего плеча несимметричного выходного кас­када, что необходимо для управления несимметричным вы­ходным каскадом. Так реализуется двухтактный режим ра­боты мощного несимметричного выходного каскада. Началь­ный ток выходных транзисторов и термостабилизация тока покоя достигается изменением тока одного источника тока, так как при уменьшении тока источника тока запираются оба транзистора.

Построение выходного каскада на транзисторах одина­ковой структуры проводимости по предлагаемой схеме дос­таточно привлекательно простотой, особенно при большой выходной мощности усилителя (более 100 Вт), когда IGBT- транзисторы имеют ряд преимуществ перед биполярными и полевыми транзисторами. К тому же, по мнению разработ­чиков фирмы PLINIUS звучание с усилителями на транзис­торах п-р-п структуры лучше, чем на транзисторах р-п-р струк­туры, и в дорогих моделях они предпочитают асимметрич­ный выходной каскад [2]. Объясняют это тем, что транзисто­ры предпочтительной структуры более линейны и имеют луч­шие частотные свойства, а также больший коэффициент уси­ления.

Для эффективного использования IGBT, а также поле­вых транзисторов одинаковой проводимости мною предла­гается новая структура УМЗЧ [3] - входной каскодный уси­литель далее составной каскад на транзисторах разной про­водимости с источником тока и стабилитроном и, наконец, двухтактный несимметричный выходной каскад с транзис­торами одинаковой структуры. Эта структура с вольтдобавкой и вспомогательными цепями показана на рис. 3. Новая структура создает самый короткий путь прохождения сигна­ла к нижнему транзистору, который имеет наихудшие час­тотные свойства и, несмотря на простоту, имеет большой общий коэффициент усиления.

Рассмотрим схему на рис. 3 подробнее. Входной сигнал, через резистор R1, определяющий входное сопротивление усилителя, поступает на базу транзистора VT1. Включение этого транзистора в каскоде позволяет использовать на вхо­де низковольтный высокочастотный малошумящий транзи­стор и нейтрализовать эффект Миллера, а также уменьшить влияние синфазного напряжения. Транзистор VT2 должен выдерживать требуемое напряжение, т.е. быть относитель­но высоковольтным. Использование "сломанного каскода", вместо обычного, защищает транзисторы VT1 и VT2 от про­боя, так как при перегрузке входным сигналом рост тока VT1 и VT2 ограничен резистором R3.

Использование дифференциального входного усилителя вместо каскодного приведет к уменьшению крутизны вход­ного каскада в два раза и увеличению шума входного каска­да на 2 дБ, а это, в конечном счете, приведет к росту искаже­ний. Также появится необходимость в подборе пары вход­ных транзисторов.

С выхода каскодного усилителя сигнал поступает на со ставной каскад на транзисторах VT3 VT4, которые осуще­ствляют функцию Rr. Эти транзисторы включены по струк­туре ОБ-ОЭ с объединением по эмиттерам, что является оп­тимальным для выбора и использования транзисторов. Ко­эффициенты усиления по напряжению и по мощности тран­зисторов VT3 и VT4 сильно различаются, это требует приме­нения в качестве VT3 высоковольтного транзистора средней мощности, частотные свойства которых, как правило, гораздо хуже маломощных низковольтных транзисторов. Поэто­му включение его в режиме ОБ более эффективно, чем в режиме ОЭ. Усиление по напряжению для VT4 не столь ве­лико, как для VT3. Поэтому включение его в режим ОЭ не слишком сильно ухудшит общую АЧХ.

Выбор подходящего дешевого высоковольтного транзистора п-р-п структуры для VT3 не вызывает проблем, а транзистор VT4 - низковольтный маломощный р-п-р структуры из высокочастотных транзисторов широкого применения.

Полевые транзисторы в качестве VT1 ...VT4 использовать нецелесообразно, так как они имеют меньшую крутизну, чем биполярные  транзисторы, что будет эквивалентно снижению усиления каскадов и линейности усилителя в целом.

С целью увеличения максимальной амплитуды напряже­ния для полупериодов плюсовой полярности введена вольт- добавка в виде цепи R6, С1. Хотя вместо вольтдобавки мож­но применить дополнительное питание, что расширит диа­пазон работы усилителя в область низких частот. Стабилитрон VD1 компенсирует остаточное падение напряжения на транзисторах VT3, VT4 в полупериоды минусовой полярности и тем самым уменьшает напряжение насыщения по мину­су питания.

Применение параллельной ООС, вместо более распрос­траненной последовательной ООС, делает усилитель менее чувствительным (в части линейности) к изменению сопро­тивления источника сигнала. Так, при его увеличении нели­нейные искажения усилителя не возрастают как это происходит при использовании последовательной ООС [4].

Замечательным свойством предлагаемой структуры яв­ляется "естественное" ограничение максимального выходного тока. Дело в том, что напряжение на резисторах R5, R7 мо­жет максимально принимать только удвоенное значение от первоначального, и выбором сопротивления эмиттерных резисторов R8, R9 можно ограничить максимальный ток тран­зисторов, рассчитав его по формуле: Imax = (2Uнач – Umax)/Rэ,

где U_нач - напряжение затвор-эмиттер транзисторов VT5, VT6, при котором через транзисторы течет заданный началь­ный ток; Umax - напряжение затвор-эмиттер транзисторов VT5, VT6 при протекании через них максимального тока; R_э - сопротивление резисторов R8, R9.

Благодаря тому, что максимальное напряжение на рези­сторах R5, R7 не превышает удвоенного значения от началь­ного (например: если Uзэ нач 5,7 В, то Uзэ max = 11,4 В), нет смысла устанавливать защиту затворов от перенапряжения. А так как токи всех приборов усилителя ограничены, нет не­обходимости в дополнительных схемах защиты каскадов, что заметно упрощает усилитель.

На практике напряжение затвор-эмиттер транзисторов при протекании через них максимального тока заранее не известно, поэтому экспериментальным подбором Rэ осуще­ствляется выбор I max.

Как нетрудно заметить, R8 и R9 выполняют не только ограничительную, но и линеаризующую функцию для VT5 и VT6, создавая местную ООС в самих нелинейных эле­ментах.

Вариант практической схемы реализации мощного УМЗЧ приведен на рис. 4.

Как видно из приведенных параметров технических ха­рактеристик, описываемый усилитель не уступает по каче­ству лучшим усилителям с симметричной структурой, и та­кая высокая выходная мощность реализована всего на вось­ми транзисторах! Неплохой результат при затратах на комп­лектующие порядка 10 USD, с учетом того, что не нужен под­бор и отбор групп транзисторов. И вообще схема является одной из лучших по соотношению затраты/качество.

Наиболее подробно особенности работы УМЗЧ можно описать по полной схеме (рис. 4) следующим образом. Вход­ной сигнал, через цепь С1, R1, задающую нижнюю гранич­ную частоту и входное сопротивление, поступает на базу тран­зистора VT1. В качестве входного выбран СВЧ транзистор КТ368А (для быстрого выхода из насыщения после перегруз­ки при ограничении вы­ходного сигнала). На базу этого же транзис­тора поступает сигнал обратной связи через цепь С2, R3.

Цепь СЗ, R2, R4 , R7 предназначена для ус­тановки нулевого на­пряжения смещения на выходе усилителя. Так как подстроечный ре­зистор R7 со временем может изменить сопро­тивление, вместо него лучше установить по­добранный при настройке постоянный резистор. Диоды VD2 и HL1 задают смещение на базу транзистора VT2 и одновременно осуществляют термо­компенсацию нулевого напряжения на выходе усилителя за счет одинаковых тепло­вых коэффициентов транзистора VT1 и диода VD2 (он же задает напряжение смещения по цепи R2, R4, R7).

Конденсатор С4 осуществляет коррекцию входного кас­када. С коллектора VT1 сигнал через VT2 поступает на базу эмиттерного повторителя на транзисторе VT3. Его задача - повышение входного сопротивления и тем самым повыше­ние общего усиления, а также ускорение запирания транзи­стора VT5 и нейтрализация эффекта Миллера. Стабилитрон VD3 увеличивает напряжение питания для VT3 и тем ускоря­ет запирание транзисторов VT4, VT5, увеличивая скорость переднего фронта.

С эмиттера VT3 сигнал поступает на базу транзистора VT5. Цепь L1, R13 осуществляет коррекцию составного кас­када на транзисторах VT4 и VT5. С коллектора транзистора VT5 сигнал поступает на затвор выходного транзистора ниж­него плеча. С коллектора транзистора VT4 аналогичный, но противофазный токовый сигнал поступает через стабилитрон VD7 на затвор выходного транзистора верхнего плеча.

Цепь R11, С7 в базе VT4 осуществляет инклюзивную коррекцию выходного каскада, повышающую устойчивость усилителя в режиме ограничения. Цепи С10, R22 и L2, R24 повышают устойчивость усилителя при изменении сопротив­ления нагрузки и при ее емкостном характере.

Диод VD8 уменьшает в два раза тепловую мощность, рас­сеиваемую на резисторе R20, за счет того, что по нему течет только ток зарядки конденсатора С8. Ток покоя выходного каскада, равный 0,2 А, выставляют подстроенным резисто­ром R17.

Для термостабилизации тока покоя УМЗЧ диоды VD5 и VD6 устанавливают на теплоотвод рядом с выходными тран­зисторами. Транзисторы VT4, VT6 снабжают небольшими пластиночными теплоотводами, так как рассеиваемая ими тепловая мощность достигает 0,8 Вт. Светодиод HL2 исполь­зуется для задания смещения источника тока на транзисторе VT6 и одновременно для индикации включения усилителя.

Выходные транзисторы необходимо установить на ради­аторе площадью не менее 3000 см². Применение вентилято­ра позволит резко сократить его размеры, что заметно умень­шит габариты и вес усилителя.

При первом включении усилителя для защиты выходных транзисторов резисторы R19 и R23 рекомендуется заменить более высокоомными (до 3…10 Ом), и лишь после проверки напряжения на затворах можно установить соответствующие схеме 0,1 0м и выставить ток покоя. При этом для IRG4PC30W напряжение Uзэ = 5,7 В.

Требования к монтажу усилителя подробно описаны в многочисленных работах и статьях, и для получения достой­ного результата ими нельзя пренебрегать. Следует раздель­но провести слаботочные и сильноточные шины питания, об­щие провода сигнальных цепей и питания разделять объе­диняя их в одной точке только подводкой "звездой", полезно применять экраны для входных и слаботочных цепей. Здесь наиболее важно общую шину входного сигнала соединить непосредственно с эмиттером VT1, чтобы по ней не текли посторонние токи, создающие наведенные искажения. Со­единения выводов выходных транзисторов с платой необхо­димо выполнять по возможности более короткими. Мощные транзисторы желательно установить на радиаторы через бериллиевые прокладки для уменьшения емкостной паразит­ной связи.

Как видно из полной схемы (рис. 4), в усилителе приме­нена довольно сложная коррекция АЧХ (четыре конденсато­ра и дроссель, не считая резисторов). Это небольшая плата за то, чтобы несимметричная структура вела себя не хуже симметричной (с комплементарными приборами) и получить высокую устойчивость усилителя в зоне ограничения.  Мож­но сказать, что первая проблема достижения малых искаже­ний после выбора структурной схемы - это проблема выбо­ра коррекции АЧХ усилителя создающей необходимый за­пас устойчивости усилителя при большом изменении выход­ных токов и напряжений, и в то же время обеспечивающей минимальную фазовую задержку в рабочем диапазоне час­тот. В большинстве случаев именно коррекция становится определяющей, сводя на нет достоинства многих схем.

Разработчик всегда находится перед дилеммой - увели­чить ли глубину общей ООС для улучшения линейности уси­лителя или уменьшить ее глубину, чтобы увеличить запас устойчивости, который необходим, если сопротивление АС имеет сложный характер. И если усилители звучат по-раз­ному, то в большой степени это связано с запасом устойчи­вости, который очень заметно проявляется на больших уров­нях [5]. Именно поэтому УМЗЧ с "простыми" схемами часто показывают лучшие результаты, чем имеющие сложную (ча­сто на микросхемах) структуру. А каждый новый каскад дол­жен вводиться после тщательных испытаний эффективнос­ти новых элементов. Тем более, что увеличение глубины ООС в большинстве случаев не дает желаемого результата, а лишь ухудшает запас устойчивости. И тут на первый план выхо­дит правильная оценка критериев линейности и динамичес­кой устойчивости усилителя, которые в свою очередь зави­сят от грамотной коррекции. Причем грамотная коррекция должна минимизировать фазовую задержку в рабочем диа­пазоне частот, не ухудшая общую устойчивость. Часто го­раздо эффективней хорошая коррекция, чем новый каскад.

Конечно, выбранный способ баланса нуля на выходе уси­лителя далеко не лучший, и он привлекателен лишь своей простотой. На выходе УМЗЧ может возникать "плавающее" смещение до нескольких десятков милливольт, но оно не ска­зывается заметно ни на звуке, ни на рабочей точке выход­ных транзисторов. Для уменьшения же ухода "нуля" полезно ввести узел слежения на прецизионной микросхеме, пусть это и усложнит усилитель.

Примененные транзисторы IRG4PC30W недороги, но они имеют заметную нелинейность на начальном участке и боль­шую входную емкость. Если проверить весь ряд серий IGBT, предлагаемых изготовителями, то наверняка можно найти приборы с большей линейностью и меньшей входной емкос­тью. У автора не было возможности провести такую работу. С предложенными транзисторами можно улучшить линей­ность в два раза увеличением тока покоя до 0,5 А, но это потребует увеличения площади радиатора.

В заключение хочу отметить, что если нет потребности в большой мощности усилителя, то вполне можно использо­вать на выходе вместо IGBT транзисторов полевые транзис­торы с изолированным затвором и каналом n-типа, линей­ность которых заметно выше. Усилитель получит более вы­сокую линейность, при этом надо только подобрать резисто­ры для другого напряжения питания и стабилитроны для дру­гого напряжения затвора. Уменьшенный по мощности ана­лог УМЗЧ на полевых транзисторах, соответствующий при­веденной здесь схеме, успешно эксплуатируется автором в течение шести лет, доставляя массу приятных минут при про­слушивании в домашних условиях разного рода музыкаль­ных программ.

Литература

1.   Данилов А.А. Прецизионные усилители низкой часто­ты М Горячая линия - Телеком, 2004.

2.   Козырев В Усилители "Krell KAV-4-xi", "Audio Analogue Maestro", "Plinius 9200". - Аудио Магазин, 2003, №6, с. 71,72.

3.   Шпак С.В. Патент RU №2316891 от 10.04.2006.

4 Дуглас Селф о ранее не замеченном источнике иска­жений транзисторных УМЗЧ с общей ООС - Радиохобби, 2003, №3, с. 10,11.

5. Витушкин А., Телеснин В. Устойчивость усилителя и естественность звучания. - Радио 1980, №7, с 36,37.

Сергей Шпак г.Казань Татарстан 

P.S. На сайте уже поднималась тема редакционных ошибок , здесь ещё один пример такой ошибки : -

Vovk@