Особенности схемы
В публикации рассматривается схема УМЗЧ, с выходным каскадом на n-канальных МОП-транзисторах, особенностью которой является высокая термостабильность выходного каскада, которая обеспечена дополнительной схемой компенсацией тока покоя в зависимости от температуры теплоотвода (радиатора).
Также схема имеет защиту от перегрузки и перегрева.
Термостабильность МОП-транзисторов
Температурные свойства МОП-транзисторов на порядок лучше, чем у биполярных, и связано это с движением потока основных носителей заряда. Концентрация основных носителей почти не зависит от температуры, поэтому и характеристики МОП-транзистора меняются в меньшей степени с изменением температуры. Но тем не менее они меняются.
У МОП-транзисторов температурный коэффициент положителен, поэтому ток стока при росте температуры уменьшается.
При правильном выборе рабочей точки на ВАХ этот факт позволяет скомпенсировать изменения тока стока при изменении контактной разности потенциалов и удельного сопротивления канала. В итоге ток стока будет поддерживаться почти постоянным в широком диапазоне температур, а рабочую точку при этом называют термостабильной. В реальных конструкциях УМЗЧ это означает, как правило, высокое начальное значение начального тока – порядка150…250 мА.
Для любого типа полевого транзистора существует такое значение тока стока, при котором его величина мало зависит от температуры, объясняется это действием двух противоположных факторов:
1. повышение температуры окружающей среды приводит к повышению сопротивления полупроводника и уменьшению тока стока;
2. повышение температуры приводит к уменьшению толщины p-n-перехода и, следовательно, к расширению канала и увеличению тока стока.
Эти два фактора компенсируют друг друга, и ток стока слабо реагирует на изменения температуры окружающей среды.
Но в режиме больших токов, при росте температуры, происходит уменьшение тока стока и уменьшение мощности, рассеиваемой на транзисторе, что сказывается на звучании усилителя мощности в росте искажений звукового сигнала.
И не смотря на «саморегуляцию» МОП-транзисторов, лучшие результаты по звучанию можно получить если использовать дополнительные внешние цепи регулирования начального тока в зависимости от температуры теплоотвода.
Схема электрическая
Для поддержания стабильного тока покоя во всём диапазоне рабочих температур применена дополнительная схема температурной компенсации на ntc-термисторе (терморезисторе). Это позволило снизить начальный уровень тока покоя транзисторов до 100 мА и поддерживать его при росте температуры.
Технические характеристики:
- Режим работы выходного каскада – AB;
- Напряжение питания - ±40В;
- Начальный ток – 100 мА;
- Номинальное входное напряжение – 700 мВ;
- Рабочий диапазон частот – 20…20000 Гц;
- Номинальная выходная мощность – 100 Вт (4 Ом);
- THD при Pвых=100 Вт на частотах:
1 кГц – 0,03 %;
20 кГц – 0,04 %.
Для удобства восприятия схемы, дополнительные каскады, связанные с регуляцией тока покоя, выделены пунктирными линиями.
Схема усиления трёхкаскадная:
- дифференциальный усилитель, на транзисторах VT1VT3;
- усилитель напряжения – транзисторы VT10VT14;
- токовый усилитель (мощности) на mosfet-транзисторах VT15VT16.
Коэффициент усиления задаётся цепью обратной связи на R8R6C3. В качестве источника тока для дифференциального каскада VT1VT3 использована схема токового зеркала на транзисторах VT2VT5. Ток для VT2VT5 задан током коллектора VT6 со стабилизацией базового напряжения. Потенциалы на затворах (ток покоя) выходных транзисторов устанавливаются регулировкой тока через транзисторы VT10VT14 подстроечным резистором R29.
Стабилизация тока покоя, защита от перегрева и перегрузки на выходе
Для компенсации положительного температурного коэффициента и установки максимально допустимой температуры теплоотводов выходных транзисторов в схеме применены ntc-термисторы, которые вкручиваются непосредственно в радиатор.
Нагрев терморезистора R21 т.е. уменьшение его сопротивления, вызывает уменьшение тока зеркала VT12VT13, а значит и тока через транзисторы VT10VT14, что в свою очередь приводит к уменьшению смещения на затворах VT15VT16 и уменьшению тока покоя.
Параллельно терморезистору R21 и VD3 включен переход КЭ VT8. Управляет проводимостью этого перехода, т.е. его сопротивлением схема максимально допустимой температуры теплоотвода выходных транзисторов на ntc-термисторе R7 и транзисторах VT4VT7.
Максимально допустимая температура устанавливается с помощью подстроечного резистора R10, при достижении которой, транзистор VT8 зашунтирует R21 и ток покоя VT14VT15 примет практически нулевое значение.
Ограничение максимально допустимого тока через транзисторы VT15VT16 составляет 3,3 А и реализовано на каскаде с транзистором VT9.
Короткое замыкание или перегрузка в нагрузке вызывает увеличение падения напряжения на резисторах R34R35, которое отпирает транзистор VT9, а он в свою очередь ограничивает ток VT12VT13, а, следовательно, и напряжение на затворах VT15VT16.
Конструкция
Чертёж печатной платы для схемы показана на рисунке выше. Плата двухсторонняя. Нижний слой изготовляется как обычно методом ЛУТ, а три дорожки верхнего дорисовываются маркером или вместо них можно использовать монтажный провод.
Регулировка
Перед первым включением выставить подстроечные резисторы:
R29 – в максимальное сопротивление;
R10 – в минимальное.
Резистором R29 задаётся ток покоя выходного каскада на уровне 100 мА.
Тепловая защита настраивается путём принудительного нагрева теплоотвода до температуры 70…100 °С и вращением движка подстроечного резистора добиваются снижения тока покоя до нулевого значения.