"Безупречный" УМЗЧ

Написать этот материал подтолкну­ла статья в [1], в которой автор вся­чески критикует все, что до сих пор сделано в области разработки усили­телей звуковой частоты, и предлагает структуру своего "абсолютного" УМЗЧ. Я не согласен с автором, и поэтому, на основе проведенного анализа из­вестных наработок по отдельным уз­лам УМЗЧ [2], хочу представить свой вариант простого, "безупречного", по выражению Дугласа Селфа [3], УМЗЧ.

На сегодня известны три основ­ных недостатка биполярных транзи­сторов:

- эффект Эрли (зависимость тока коллектора от напряжения эмиттер- коллектор);

-     эффект Миллера (зависимость входной емкости от коэффициента усиления);

-     тепловые искажения, связан­ные с зависимостью параметров от температуры кристалла.

Общепризнанный способ борьбы с первыми двумя недостатками и отчасти с третьим — это каскодные схемы. Снижению первого эффек­та, связанного также с пульсация­ми питания УМЗЧ под нагрузкой, способствует раздельное питание драйвера и выходного каскада. Для устранения тепловых искажений необходимо застабилизировать мощность, рассеиваемую на тран­зисторе, а если это выполнить не­ возможно, то хотя бы минимизиро­вать ее колебания.

Для начала определимся с драй­вером. Как показали исследования в [2], а позднее и в [4], предельно про­стые симметричные каскодные драй­веры не уступают, а в ряде случаев превосходят по параметрам более сложные схемы с использованием дифкаскада (ДК). Поэтому и остано­вимся на каскодном драйвере.

Теперь необходимо выбрать выход­ной каскад (ВК). Наиболее простой вариант, мало чем уступающий моди­фицированному ВК Хауксфорда, — экономичный ВК Шикпаи с составны­ми транзисторами Дарлингтона, на входе которого добавлен параллельный повторитель. В этом ВК базо - эмиттерные переходы параллельно­го повторителя задают смещение для ВК и одновременно осуществляют термостабилизацию. Для этого нуж­но выбрать транзисторы VT12, VT16 и VT13, VT15 одного типа и попарно обеспечить тепловой контакт.

Достоинство такого решения еще и в том, что эти транзисторы рабо­тают как токовое зеркало, и изменяя ток коллектора транзисторов парал­лельного повторителя, можно регу­лировать ток покоя выходных тран­зисторов. В таком включении иска­жения мало зависят от тока покоя выходных транзисторов, поэтому, с целью повышения КПД, его можно выставить в пределах 5...30 мА. Еще одно достоинство этого ВК в том, что он и без ООС вносит очень малые искажения [2].

Диоды VD5, VD8 улучшают термо­стабилизацию и снижают искажения, так как выходные транзисторы рабо­тают как масштабные отражатели тока с большим коэффициентом от­ражения, а диоды VD6, VD7 служат для ограничения минимального на­пряжения база-коллектор выходных транзисторов с целью предотвраще­ния их насыщения. Низкоомные ре­зисторы R29, R30 способствуют бы­строму выключению транзисторов.

В результате объединения этих двух каскадов получим схему УМЗЧ с однокаскадным драйвером, приве­денную на рис.1.

 Достоинством пол­ностью симметричной схемы УМЗЧ является то, что при подборе "зер­кальных" транзисторов по статичес­кому коэффициенту передачи тока базы (для себя, любимого, можно это позволить) и одинаковых элект­ролитических конденсаторов УМЗЧ не имеет переходных процессов. Поэтому отпадает необходимость в реле задержки подключения АС.

С целью минимизации искажений, связанных с перечисленными недо­статками, сделано небольшое услож­нение схемы драйвера: добавлен каскад для входных транзисторов и в качестве генератора стабильного тока (ГСТ) использован любимый ГСТ Дугласа Селфа с токовой ОС, в кото­ром застабилизированы токи коллек­торов транзисторов токовой обратной связи. Такой ГСТ позволяет миними­зировать влияние пульсаций питаю­щего, напряжения и, таким образом, отказаться от дополнительных источ­ников питания. Наиболее линейный участок характеристики тока стабили­зации для диода Е202 (S202) — при падении напряжения на нем в пре­делах 5...20 (3...50) В [5]. Падение на диоде ограничено с учетом просадки напряжения под нагрузкой с помо­щью резистора R18. При отсутствии диода его можно заменить перемыч­кой, от этого параметры практически не пострадают.

В качестве выходных транзисторов с успехом можно использовать тран­зисторы старого образца типа КТ825, КТ827 (аналоги приведенных на схе­ме). Еще лучшие результаты можно получить с современными транзисто­рами, например, 2SD2560,2SB1647; 2SD2449, 2SB1594; 2SD2385, 2SB1556 и аналогичными.

Нулевое смещение на выходе УМЗЧ отрабатывает интегратор на DA1. Благодаря дополнительной фильтрации, в звуковом диапазоне он себя никак не проявляет. Учиты­вая, что использованный ВК сам по себе имеет малые искажения, мож­но предусмотреть перемычки для работы без общей ООС, как это предложено в [6].

Данный усилитель — с открытым входом, поэтому перед подключени­ем к нему нормирующего усилителя необходимо убедиться в отсутствии на его выходе постоянной составляю­щей. Входное сопротивление УМЗЧ— небольшое (около 3 кОм), поэтому если на выходе нормирующего усили­теля стоит конденсатор, его емкость должна быть не менее 10 мкФ. Так как неэлектролитические конденсаторы такой емкости достаточно велики, можно составить конденсатор из двух встречно включенных полярных емко­стью по 22...47 мкФ и параллельно им неполярного емкостью 1 ...2 мкФ. Луч­ше после регулятора громкости ис­пользовать буферный повторитель (а если чувствитель­ности недостаточ­но, то нормирую­щий усилитель с К_и=2...3) на ОУ и непосредственно к его выходу под­ключить УМЗЧ.

Снимем стан­дартные характе­ристики: диаграм­му Боде без кон­денсатора С1, не­линейные иска­жения на часто­тах 1, 10 и 20 кГц, а также посмот­рим, нет ли видимых искажений фор­мы сигнала на частоте 100 кГц.

Диаграмма Боде показана на рис.2. Из нее видно, что усилитель доста­точно широкополосен: частота среза —около 500 кГц при частоте единич­ного усиления 2 МГц. Небольшой выброс в области 400 кГц обуслов­лен работой двухполюсной коррек­ции. Запас по амплитуде — 18 дБ, запас по фазе — около 60°, что яв­ляется оптимальным значением.

Вносимые нелинейные искажения при амплитуде сигнала на выходе 30 В на частотах 1,10 и 20 кГц соот­ветственно равны 0,0005, 0,001 и 0,003%. В качестве примера на рис.3 показан спектр искажений на часто­те 10 кГц. 

Как видно из рисунка, в спектре имеются только 2-я и 3-я гар­моники. Уровень ближайшей гармо­ники, попадающей в звуковой диапа­зон, составляет те же 0,0005 %, как и на частоте 1 кГц.

Проверим скорость нарастания сигнала: нет ли каких-либо видимых искажений на полной мощности на частоте 100 кГц (рис.4)? 

Как видим, и здесь все в порядке. При провер­ке УМЗЧ меандром частотой 2 кГц (без конденсатора С1) выяснилось, что на полках наблюдаются неболь­шие выбросы по окончании фрон­та. Но с установкой конденсатора С1 на место, полки меандра абсо­лютно ровные, а фронты сигнала достаточно крутые.

Вторая модификация УМЗЧ, на ко­торую также хочется обратить внима­ние, показана на рис.5. В ней количе­ство элементов такое же, как и в схе­ме на рис.1, но выходной каскад драй­вера, как и входной, — каскодный.

Вместо токостабилизирующего ди­ода использована схема неполярно­го ГСТ со встречной токовой стаби­лизацией на светодиодах HL2, HL3 и транзисторах VT9, VT10. К этим же светодиодам подключены и базы каскодных транзисторов VT6, VT7. Ре­жимы драйвера по постоянному току оставлены как у предыдущей схемы: общий ток 6 мА и по 3 мА на плечо.

Параметры обоих УМЗЧ примерно одинаковые, но у второго чуть выше частота единичного усиления. Спектр гармоник на частоте 20 кГц в полосе до 400 кГц показан на рис.6.

 Как вид­но из рисунка, ближайшая вторая гар­моника частотой 40 кГц имеет уро­вень всего 0,001 % (-100 дБ).

Рассмотренные усилители пре­красно работают и на нагрузку 4 Ом. При этом выходная мощность воз­растает примерно в 1,7 раза.

Литература

1. С.Шпак. Архитектура абсолютного УМЗЧ. — Радиолюбитель, 2011, №12; 2012, №№1-4.

2.    А.Петров. Эволюция транзисторных УМЗЧ. — Радиомир, 2011, №№4-11; 2012, №№2-6.

3.   Дуглас Селф. Проектирование усилите­лей мощности звуковой частоты. — М., 2009.

4.    АПетров. Усилители напряжения без ООС. — Радиоаматор, 2011, №№9,10.

5.    АПетров. Токостабилизирующие дио­ды. — Радиомир, 2010, №4.

6.    АПетров. УМЗЧ с компенсатором иска­жений по Хауксфорду. — Радиохобби, 2011, №4.

А.ПЕТРОВ,

г.Могилев.