Высоколинейный УМЗЧ с большим выходным сопротивлением
 

Высоколинейный УМЗЧ с большим выходным сопротивлением

А. ОРЛОВ, г. Иркутск

Автором предложен интересный вариант усилителя мощности с высоким выходным сопротивлением. Его особенность — в использовании комбинации цепей отрицательной обратной связи. Применение определённых типов транзисторов способствовало минимизации нелинейных искажений. Это подтверждено и многочастотным методом измерения интермодуляционных искажений, совпадающим с субъективными оценками разрешения. Ограничения в выборе АС для работы с таким усилителем неоднократно обсуждались на страницах журнала — проблемы устраняют правильным выбором кроссовера, динамических головок и их акустического оформления.

В настоящее время усилители мощности звуковой частоты (УМЗЧ) подразделяются по выходному сопротивлению: с низким выходным сопротивлением и УМЗЧ с высоким выходным сопротивлением. С точки зрения теории электрических цепей УМЗЧ первого типа — источник напряжения, управляемый напряжением (ИНУН), а УМЗЧ второго типа — источник тока, управляемый напряжением (ИТУН). Преимущества и недостатки каждого из них достаточно подробно освещены как в печатных изданиях, так и в Интернете, и далее здесь рассматриваться не будут. Следует отметить, что автор предлагаемого УМЗЧ является сторонником именно "токового" способа управления динамическими головками громкоговорителя [ 1 ], и далее речь пойдёт в основном об усилителях с высоким выходным сопротивлением (УМ-ИТ).


Известен УМЗЧ с "плавающим" источником питания (непосредственно не соединённым с общим проводом усилителя), в котором к выходу ОУ подключён выходной каскад на биполярных транзисторах, включённых по схеме с общим эмиттером [2]. В отличие от классического выходного каскада на транзисторах, включённых по схеме с общим коллектором, такой каскад обладает усилением по напряжению. Такая архитектура УМЗЧ и легла в основу предлагаемого усилителя, поскольку позволяет простыми средствами реализовать УМЗЧ с высоким выходным сопротивлением и необходимым коэффициентом усиления по напряжению. Фактически это мощный генератор тока с транзисторами в режиме класса АВ с большим током покоя, выполненный на основе усилителя [3] и предназначенный для работы на широкополосный громкоговоритель либо акустическую систему с фильтрами, рассчитанными под высокое выходное сопротивление. Применённые в УМ-ИТ схемные решения позволили заметно снизить входную и выходную нелинейность и получить малые нелинейные искажения без применения цепи общей отрицательной обратной связи (ООС). Отличительной особенностью предлагаемого усилителя является использование в выходном каскаде каскодного включения мощных транзисторов (ОЭ—ОБ), что позволило получить высокую линейность, быстродействие и большое выходное сопротивление. Однако, как будет показано ниже, такая архитектура легко трансформируется в классический УМЗЧ с низким выходным сопротивлением. Если же говорить про субъективные оценки качества, то достигнуто весьма прозрачное звучание воспроизводимой музыки, и эта конструкция просто "отправила" предыдущие авторские проекты на разборку.

Обычно современный источник звукового сигнала имеет отличное от нуля выходное сопротивление, и если оно относительно велико, то классический "параллельный" повторитель вносит так называемые "интерфейсные" искажения. На рис. 1 показана упрощённая схема ИТУН, в котором такой вид искажений практически полностью устранён.

На транзисторах VT1—VT6 и резисторах R5, R6 выполнен параллельный повторитель (ПП), в котором входной каскад реализован по схеме Шиклаи (Sziklai) на транзисторах VT1—VT4, что позволило существенно снизить входную нелинейность в зависимости от выходного сопротивления источника сигнала [4]. Для стабилизации рабочей точки транзисторов ПП применено токовое смещение, реализованное на основе плавающего источника напряжения G1 и резисторах R5, R6.

В отличие от УМЗЧ [5], где использовано смещение напряжением (так называемая "батарейка"), смещение током позволяет повысить надёжность работы без принятия специальных мер по обеспечению термостабилизации транзисторов ПП. Мощные транзисторы VT7, VT8, как уже упоминалось, включены по схеме с общей базой, что в совокупности с плавающим источником питания (G2, G3) обеспечивает широкую полосу пропускания и высокое выходное сопротивление (десятки и сотни килоом). Поскольку напряжение на коллекторах транзисторов VT5, VT6 строго фиксировано напряжениями на эмиттерах транзисторов VT7, VT8, то такой каскад при монтаже транзисторов на общем теплоотводе не подвержен эффекту саморазогрева, даже в отсутствие эмиттерных резисторов. Реальные эксперименты с увеличением тока покоя каскада до 3...4 А подтверждают надёжность такого способа смещения.


Коэффициент усиления по напряжению определяется отношением сопротивления нагрузки RH к сопротивлению датчика тока Rc (Ку = RH/Rc) и может задаваться в широких пределах. Усилитель не критичен к качеству питающего напряжения G2, G3, и в нём снижено влияние паразитных свойств фильтрующих конденсаторов источников питания благодаря высокому выходному сопротивлению. Независимо от того, есть ли дополнительная активная или реактивная составляющая в цепи нагрузки, усилитель благодаря местной цепи ОС через резистор Rc всегда обеспечивает требуемый ток через RH, корректируя выходное напряжение.

Отдельно следует сказать про необычное включение конденсаторов С1 и С2, ведь с первого взгляда можно посчитать это классической "вольтдобав-кой", но это не так. Конденсаторы С1, С2, будучи включёнными между низко-импедансными узлами — эмиттерами VT5, VT6 и эмиттерами VT1, VT2, для сигнала исключают местную токовую ОС и одновременно обеспечивают обратную связь по вычитанию искажений (ОСВИ). Введение этих конденсаторов приводит к возрастанию выходного напряжения на 0,5...0,7 дБ и снижению нелинейных искажений на выходе УМ-ИТ на 20...30 дБ, причём подобного применения такой "гибридной" отрицательной ОС автору ранее встречать не доводилось. Конденсатор СЗ дополнительно стабилизирует напряжение между базами транзисторов VT5, VT6 в динамическом режиме.

К недостаткам архитектуры УМЗЧ на рис. 1 следует отнести несколько худший КПД. Это связано с тем, что эмиттеры транзисторов VT3, VT4 подключены перекрёстно к эмиттерам транзисторов VT8, VT7 и ток покоя транзисторов VT7, VT8 превышает ток покоя
транзисторов VT5, VT6 на эмиттерный ток транзисторов VT3, VT4. Этот ток зависит от выбора номиналов резисторов R1, R2 и R5, R6, и такое ветвление тока приводит к снижению КПД каскада и большему нагреву мощных транзисторов VT7, VT8, что увеличивает требования к охлаждению УМЗЧ. Ток покоя зависит от сопротивления резисторов R1—R4 и напряжения источника G1 и может регулироваться в довольно широких пределах.

На рис. 2 показан способ трансформации УМ-ИТ в УМЗЧ с низким выходным сопротивлением.
Здесь использовано плавающее подключение нагрузки RH, и её "холодный" вывод подключён к точке соединения эмиттеров VT5, VT6, а коэффициент усиления УМЗЧ по напряжению задан отношением резисторов: Ку = ROC2/Roci [6].

Основные

технические характеристики УМ

Номинальное входное напряжение, В 2,3

Номинальная выходная мощность, Вт, на нагрузке 8 0м ... .20,5

Максимальная выходная мощность, Вт, на нагрузке

8 0м 26

Коэффициент усиления по

напряжению, дБ 18

Полоса усиления, Гц 0,1...3-105

Входное сопротивление,

кОм 1,5

Нелинейные искажения, %, при уровне -1 дБ от ограничения 0,0055

Интермодуляционные искажения, %, при уровне

-2 дБ от ограничения 0,0033

Отношение сигнал/шум, дБ,

не хуже 100

Полная схема УМ-ИТ представлена на рис. 3.

Во входном каскаде (VT1, VT2) применены комплементарные пары биполярных транзисторов Hitachi 2SB647 и 2SD667, а в качестве транзисторов VT3—VT8 — приборы Motorola MJE15030 и MJE15031, MJL21193 и MJL21194. На элементах Т1, VD1—VD4, DA1, R1—R3,
+26 В
С1 —С8 и R10, R11 собран источник токового смещения, формирующий необходимое для работы транзисторов постоянное напряжение 6,5 В, которое можно регулировать резистором R2. Входной сигнал подаётся через цепь защиты от помех R4R5C9 на базы транзисторов VT1, VT2. Сопротивление резистора R9 намеренно уменьшено в два раза по сравнению с сопротивлением резистора R8, что позволило снизить нелинейные искажения усилителя в режиме большого сигнала.

Поскольку падение напряжения между эмиттерами транзисторов VT5,
VT6 и эмиттерами транзисторов VT1, VT2 не превышает 600 мВ, а приложенное к конденсатору С12 напряжение не превышает 1300 мВ, то в качестве С12— С14 были использованы низковольтные (на 4,5 В) сверхъёмкие конденсаторы "Supercap" от компании AVX — BZ054B223ZSBAE [7]. Конденсаторы СЮ, С11, С15 и дроссель L1 повышают устойчивость усилителя и снижают требования к качеству монтажа конструкции.

Дроссель L1 желательно выполнить на замкнутом магнитопроводе или с магнитным экранированием, а его ак-
тивное сопротивление не должно быть более 0,1 Ом. На элементах ТЗ, VD6— VD9, R14, С18—С24 выполнен плавающий источник питания с так называемой "виртуальной" средней точкой (элементы С16, С17, VT9, VT10, VD5, R12, R13). Данное решение заимствовано из схемотехники транзисторных усилителей QUAD и позволяет отказаться от системы защиты АС, к тому же, по мнению автора, с УМЗЧ и "виртуальной" средней точкой звучание лучше. В то же время УМ-ИТ может работать также и от классического источника питания.

С помощью подстроечного резистора R13 балансируют усилитель по постоянному току, добиваясь равенства напряжения коллекторов транзисторов VT7, VT8 относительно общего провода УМЗЧ. В цепях питания плёночные конденсаторы отсутствуют, при этом усилитель сохраняет хорошую устойчивость. Ток покоя транзисторов оконечного каскада VT7, VT8 составляет 800 мА и для охлаждения теплоотводов применены компьютерные вентиляторы (на 12 В), которые для снижения числа оборотов вращения запитаны через интегральные стабилизаторы на микросхемах 7809 (на схеме не показаны). Для защиты от помех, проникающих со стороны блока питания, служит синфазный фильтр, выполненный на трансформаторе Т2; его обмотки намотаны на ферритовом кольце М2000НМ (или близком аналоге, например N87) с внешним диаметром 28...40 мм и содержат по 18 витков провода диаметром 1 мм.


На фото рис. 4 представлен монтаж элементов УМЗЧ, выполненный навесным способом без применения печатных плат. Все транзисторы усилителя расположены на общем теплоотводе рядом друг с другом, благодаря чему и достигается хорошая температурная стабильность. Мощные транзисторы VT7, VT8 прикреплены к теплоотводу через изолирующие прокладки из оксида алюминия и прикрыты сверху медной пластиной—экраном; эта мера позволяет несколько снизить уровень излучения выходного каскада.

Медная пластина закрыта текстолитовой пластиной толщиной 1,5 мм, поверх которой приклеены оксидные конденсаторы С16, С17. Транзисторы VT3—VT8 крепят на теплоотвод также через изолирующие керамические прокладки. Транзисторы VT1, VT2 через термопасту закреплены поверх транзисторов VT3, VT4. В качестве датчика тока Rc применён мощный толстоплёночный резистор Caddock МР930, который крепится на том же теплоотводе, что и транзисторы VT1—VT6. Конструкция усилителя в сборе со снятой верхней крышкой показана на фото рис. 5.

В УМЗЧ использованы хорошо зарекомендовавшие в звуковых устройствах оксидные конденсаторы Panasonic FC (С6), ELNA Silmic II (С7), Rubycon Black Gate FK (C8), Nichicon KG (C16, C17) и
Nippon Chemi-Con KMG (C18, C19). Bee плёночные конденсаторы — полипропиленовые: Wima FKP2 (C9—С11, С15) и Rita РНЕ426 (С1—С5, С20—С24). Резисторы — Vishay Dale (R5— R8, R10, R11), Caddock MP930 (RC), Firstronics RM (R3, R4, R9, R12), Phoenix Passive Components PR01 (R1, R14) и Bourns 3299W (R2, R13).

Каждый канал усилителя питается от отдельных сетевых трансформаторов Т1 и ТЗ. Поскольку использовано "плавающее" питание, желательно применять трансформаторы с минимальной ёмкостью между сетевой и вторичной обмотками. Широко используемые в аудиотехнике трансформаторы с кольцевым магнитопроводом из-за повышенной межобмоточной ёмкости здесь применять не следует. В качестве Т1 и ТЗ автором были использованы изделия от фирмы Pro-Power. В этих трансформаторах первичная и вторичная обмотки пространственно разнесены, а

Рис. 5
реально измеренная ёмкость между ними не превышает 18...28 пФ.

В ходе многочисленных экспериментов с различными активными элементами были опробованы некоторые типы транзисторов и проверялись следующие элементы в парах (см. рис. 3).

Транзисторы VT1, VT2 — 2SA970 и 2SC2240; 2SA1015 и 2SC1815; 2SA1145 и 2SC2705; ВС550 и ВС560; 2SA1360 и 2SC3423; 2SA1370 и 2SC3467; 2SA1380 и 2SC3502; 2SB649A и 2SD669A;

КТА1024 и КТС3206; КТА1268 и

КТС3200; 2N5401 и 2N5551; MJE340 и MJE350; ВС639 и ВС640; 2SB647 и 2SD667.

Транзисторы VT3, VT4 — 2SA1930 и 2SC5171; 2SB649A и 2SD669A;

MJE15030 и MJE15031; BD911 и BD912.

Транзисторы VT5, VT6 — 2SB817 и 2SD1047; MJL21193 и MJL21194;

MJE15030 и MJE15031; BD911 и BD912.


Однако лучшим по результатам измерений, как и по звучанию, оказался именно комплект, указанный на схеме рис. 3. Следует отметить, что приемлемой альтернативы транзисторным парам 2SB647, 2SD667 и MJE15030, MJE15031 в этом усилителе автор, похоже, не нашёл. Различные варианты их замены какими-либо из выше перечисленных транзисторов заканчивались всегда увеличением нелинейных искажений в десять и более раз. Возможна замена транзисторов MJE15030, MJE15031 парой MJE15028, MJE15029, так как они лишь немного отличаются уровнем легирования коллекторного слоя. В качестве мощных транзисторов VT7, VT8 можно применить практически любые современные мощные комплементарные биполярные транзисторы, такие как 2SA1943 и 2SC5200, MJL1302A и MJL3281 A, MJL21195 и MJL21196, NJW0302 и NJW0281, NJW1302 и NJW3281.

При измерении нелинейных искажений УМ-ИТ использован эквивалент нагрузки сопротивлением 8 Ом, который представляет собой соединённые последовательно резистор 7,5 Ом (набор резисторов МЛТ-2, включённых параллельно) и измерительный резистор 0,5 Ом Caddock МР930. С этого резистора измерительный сигнал подавался на вход звуковой карты Echo MiaMIDI, а эквивалент нагрузки при этом подключался к выходу усилителя через коаксиальный кабель длиной 1 м. На рис. 6 показан спектр сигнала частотой 1 кГц, напряжением 10 В на выходе усилителя при сопротивлении нагрузки 8 Ом и напряжении питания УМЗЧ 2x26 В. Из рис. 6 видно, что быстро спадающий спектр усилителя не содержит высших гармоник.
На рис. 7 представлен спектр сигнала на выходе УМ-ИТ, снятый при уровне выходного сигнала -1 дБ от ограничения.

На рис. 8 представлен спектр сигнала на выходе УМ-ИТ, который был снят на двухчастотном сигнале 19 и 20 кГц. Размах выходного напряжения комплексного сигнала составляет 30 В на нагрузке 8 Ом.


На рис. 9 представлен спектр сигнала на выходе УМ-ИТ, который был снят на многотональном сигнале по методу измерения реального разрешения усилителя [8]. Сам сигнал представлял собой смесь из 16 частот в интервале 16,352...28160 Гц, выбранных таким образом, чтобы не маскировались нижние гармоники и кросс-частоты. Коэффициент амплитуды каждой из частот был выбран -20 дБ. Размах выходного напряжения комплексного сигнала составлял 30 В на нагрузке 8 Ом.

Описываемый здесь усилитель используется автором совместно с четырёхполосной АС. Головки НЧ ("midbass"), СЧ и ВЧ питаются от данного УМ-ИТ через кроссовер с фильтрами последовательного типа, рассчитанными на источник сигнала с бесконечно большим выходным сопротивлением. На самых низких частотах (в четвёртой полосе АС) применена электроакустическая обратная связь с отдельными мостовыми УМЗЧ.

УМЗЧ с высоким выходным сопротивлением не очень популярен у любителей высококачественного звуковоспроизведения, так как накладывает сильные ограничения на типы применяемых АС: это либо широкополосный громкоговоритель, либо самодельная многополосная экзотика со сведением под источник тока.

Доброе время суток!
Прочитал статью, размещенную выше "Высоколинейный УМЗЧ с высоким выходным сопротивлением"
(автор А. Орлов г. Иркутск):
http://scbist.com/ugolok-radiolyubit...tivleniem.html

Очень понравилась реализация и достигнутые параметры! Но есть вопросы к автору статьи.
Возможно ли получить адрес его почты или др. контактные данные?

Дома из АС это ГИ (щит), думаю это как раз подходящий вариант.

С уважением, Белявцев Алексей Николаевич
г. Омск
тел. +79247307317 (МТС)
E-mail: 2lbm12042012@gmail.com