Двухтактные усилители класса В практически не используются в высококачественной звуковоспроизводящей аппаратуре. Несмотря на относительно высокие КПД и выходную мощность, такие устройства имеют существенный недостаток – из-за отсутствия начального смещения у транзисторов выходного каскада, на выходе присутствуют нелинейные искажения типа «ступенька». Малые же сигналы такой усилитель вообще «не видит».
Как справедливо предположил автор разработки, эти недостатки вызваны с неправильным использованием транзисторов. Схема, предложенная им, свободна от описанных проблем – ее КНИ на частоте 20 кГц не превышает 0.17, а на частоте 1 кГц – 0.08%.
Схема и принцип работы
Усилитель собран по трехкаскадной схеме. Первый каскад (Т1, Т2) работает в режиме с динамической нагрузкой. Для Т1 нагрузкой является внутреннее сопротивление Т2, а для Т2 – внутреннее сопротивление Т1. Поскольку оба транзистора включены по схеме с общим эмиттером, выходное сопротивление каскада достаточно высокое – порядка 500 кОм. Таким образом, все изменения коллекторных токов Т1 и Т2 практически полностью уходят в цепи баз Т2 и Т3.
Второй каскад (Т3, Т4) тоже собран по схеме с общим эмиттером и охвачен глубокой отрицательной обратной связью (ООС) за счет резистора R12. Поскольку внутреннее сопротивление предоконечных транзисторов тоже велико, для оконечного каскада (Т3 и Т4) они являются источниками тока. Таким образом, положительная полуволна сигнала усиливается транзисторами Т1, Т3, Т5, отрицательная – Т2, Т4, Т6.
На нагрузочном сопротивлении усиленные сигналы складываются, и на нем появляется напряжение, хотя все каскады работают как усилители тока. Напряжение это пропорционально коллекторным токам оконечных транзисторов.
Резисторы R3 и R6 обеспечивают начальное смещение транзисторам первого каскада. При этом R3 служит для установки коллекторного потенциала каскада в среднюю точку источников питания. Сигнал, подаваемый с выхода УНЧ на резистивный делитель R3-R6 в противофазе, охватывает весь усилитель ООС. C5, R8 и С3 исключают самовозбуждение схемы на высших звуковых частотах.
От сопротивления резистора R12 зависит максимальная выходная мощность. Если его подобрать так, чтобы выходная мощность УНЧ не превышала номинала, то схема не будет бояться даже короткого замыкания по выходу. Цепь R14, C7 предназначена для уменьшения коммутационных искажений.
Как показал эксперимент, при выходной мощности 15 Вт, нелинейные искажения типа «ступенька» на нагрузке отсутствуют полностью.
Вариант на микросхеме
Этот усилитель тоже работает в режиме В - начальное смещение на базах оконечных транзисторов отсутствует, и их токи покоя равны нулю. Открывается оконечный каскад, как и в предыдущем варианте, – коллекторными токами транзисторов предоконечного. Отличие же состоит в том, что для предварительного усиления используется операционный усилитель DA1.
Поскольку ОУ имеет большой коэффициент усиления, стало возможным введение глубокой ООС, а, соответственно, и увеличить положительную обратную связь (ПОС). Это позволило существенно улучшить переходную характеристику УНЧ. ПОС в схеме, приведенной выше, обеспечивает цепочка С2, R4.
В предыдущей схеме усиление зависело от выходной мощности УНЧ. Чем она выше, тем глубже ООС за счет увеличения коллекторных токов выходных транзисторов, и тем ниже усиление. В этой схеме коэффициент усиления зависит лишь от коэффициента передачи ОУ.
Питается операционный усилитель от простейшего параметрического стабилизатора, собранного на стабилитронах D1 и D2. Сами стабилизаторы питаются от общего БП усилителя.
Основные характеристики УМЗЧ на микросхеме следующие:
- Диапазон воспроизводимых частот – 20 Гц – 20 кГц.
- Номинальная выходная мощность на нагрузку 4 Ом – 40 Вт.
- Максимальная выходная мощность на нагрузку 4 Ом – 60 Вт.
- Входное сопротивление – 10 кОм.
- Коэффициент нелинейных искажений на частоте 1 кГц – 0.08%.
- Коэффициент нелинейных искажений на частоте 20 кГц – 0.17%.
- Относительный уровень шума – -86 дБ.
Питается схема от двуполярного блока питания, схема которого изображена ниже. В качестве Tr1 используется сетевой трансформатор, способный отдать ток минимум 2 А.
Детали и конструкция
В усилителе можно использовать ОУ К574УД1 или К554УД2. Стабилитроны D1 и D2 можно заменить на Д814А. Конденсаторы и резисторы – любого типа. Выпрямительный мост в блоке питания собран из диодов, выдерживающих обратное напряжение не ниже 70 В и прямой ток не менее 5 А. Транзисторы подбора не требуют.
Транзисторы оконечного каскада установлены на общем радиаторе с эффективной площадью не менее 600 см. кв. Предоконечные размещают на отдельных теплоотводах с эффективной площадью не менее 60 см. кв. каждый.
Автор рекомендует питать усилитель от стабилизированного источника, но вполне допустим и предложенный вариант.
Налаживание
В первую очередь необходимо выставить напряжение на базах транзисторов предвыходного каскада порядка 0.5 В. Делается это при помощи резисторов R7 и R8. Затем резистором R5 устанавливается нулевое напряжение на выходе УНЧ. Далее при подключенной нагрузке подбираются номиналы резисторов R4 и R13, добиваясь минимума искажений на частоте 20 кГц.
При подключении штатной нагрузки (АС) может потребоваться подбор номиналов конденсаторов С3, С4 и С6.
Вот такой усилитель класса В, вполне пригодный для использования в высококачественной звуковоспроизводящей аппаратуре, предложил М. Дорофеев. И хотя с момента разработки схемы прошло 30 лет, конструкция вполне отвечает основным требованиям современного звуковоспроизведения.
