Использование полевых транзисторов в выходных каскадах УМЗЧ
К настоящему времени разработано много вариантов УМЗЧ с выходными каскадами на полевых транзисторах. Привлекательность этих транзисторов в качестве мощных усилительных приборов неоднократно отмечалась разными авторами.
На звуковых частотах полевые транзисторы (ПТ) работают как усилители тока, поэтому нагрузка на предварительные каскады незначительна и выходной каскад на ПТ с изолированным затвором можно непосредственно подключать к предварительному каскаду усиления, работающему в линейном режиме класса А.
При использовании мощных ПТ изменяется характер нелинейных искажений (меньше высших гармоник, чем при использовании биполярных транзисторов), снижаются динамические искажения, существенно ниже уровень интермодуляционных искажений.
Однако вследствие меньшей, чем у биполярных транзисторов, крутизны нелинейные искажения истокового повторителя оказываются большими, поскольку крутизна зависит от уровня входного сигнала.
Выходной каскад на мощных ПТ, где они выдерживают короткое замыкание в цепи нагрузки, обладает свойством термостабилизации. Некоторый недостаток такого каскада – меньший коэффициент использования напряжения питания, и поэтому необходимо применять более эффективный теплоотвод.
К главным же достоинствам мощных ПТ можно отнести невысокий порядок нелинейности их проходной характеристики, что сближает особенности звучания у усилителей на ПТ и ламповых, а также высокий коэффициент усиления по мощности для сигналов звукового диапазона частот.
Схема электрическая
Технические характеристики:
- Режим работы выходного каскада – AB;
- Напряжение питания – ±30 В;
- Ток покоя – 150 мА;
- Номинальное входное напряжение – 1В;
- Номинальный диапазон частот – 20…20000 Гц;
- Номинальная выходная мощность – 33 Вт (4 Ом);
- THD при Pвых=33 Вт на частотах:
1 кГц – 0,01 %;
20 кГц – 0,02 %
В предварительном усилителе использован ОУ LF357N (КР544УД2А) с высоким входным сопротивлением и повышенным быстродействием.
Этот операционник содержит входной дифференциальный каскад на ПТ с р-n переходом и выходной двухтактный повторитель напряжения. Внутренние элементы частотной коррекции обеспечивают стабильность в различных режимах обратной связи, в том числе в повторителе напряжения.
Цепь R1C1 обеспечивает устойчивость УМЗЧ. На не инвертирующий вход ОУ DA1 сигнал проходит через ФВЧ, состоящий из С3R3 с частотой среза 0,7 Гц, служащий для отделения сигнала от постоянной составляющей.
Местная ООС для операционного усилителя выполнена на элементах R4R2С2.
Стабилизатор напряжения двухполярного питания ОУ DA1 выполнен на элементах R6С6VD1 и R7С7VD2 соответственно.
Резистор R8 совместно с резисторами R6, R7 образуют делитель выходного напряжения УМЗЧ для подачи «следящего» питания на ОУ.
Для работы VT3 и VT4 требуется смещение около 4 В. Для этого в схеме для транзистора VT3 применена схема сдвига уровня сигнала на элементах R9, R10 и VD3, VD4 на 4,5 В. Сигнал с выхода ОУ через цепь VD3VD4C8 и резистор R13 поступает на затвор транзистора VT3, постоянное напряжение на котором относительно общего провода равно +4,5 В.
Электронный аналог стабилитрона на элементах VT1, VD5, VD6, R11 обеспечивает сдвиг напряжения на -1,5 В относительно выхода ОУ для обеспечения необходимого режима работы транзистора VT2. Сигнал с выхода ОУ через цепь VT1C9 также поступает на базу включенного по схеме с общим эмиттером транзистора VT2, который инвертирует сигнал.
На элементах R16, VD7, С12, R18 собрана цепь регулируемого сдвига уровня, позволяющая задать необходимое смещение для транзистора VT4 и тем самым установить ток покоя оконечного каскада.
Конденсатор С10 обеспечивает «следящее питание» цепи сдвига уровня путем подачи выходного напряжения УМЗЧ в точку соединения резисторов R9, R10 для стабилизации тока в этой цепи.
Соединение транзисторов VT2 и VT4 формирует виртуальный полевой транзистор с каналом p-типа, т. е. образуется квазикомплементарная пара с выходным транзистором VT3 (с каналом n-типа).
Цепь С11R17 увеличивает устойчивость усилителя в ультразвуковом диапазоне частот. Конденсаторы С13, С14, установленные в непосредственной близости от выходных транзисторов, служат той же цели.
Защита УМЗЧ от перегрузок при коротких замыканиях в нагрузке обеспечивается плавкими предохранителями (на схеме не показаны), так как полевые транзисторы IRFZ44 имеют максимальный ток стока 42 А и выдерживают перегрузки до сгорания предохранителей.
Для уменьшения постоянного напряжения на выходе УМЗЧ, а также снижения нелинейных искажений введена общая ООС на элементах R5, С5, R2, С2. Глубина ООС по переменному току ограничена значением 18,8 дБ, что стабилизирует коэффициент гармоник в звуковом диапазоне частот.
Конструкция и детали
Чертёж печатной платы приведён на рисунке выше.
Транзисторы запаиваются непосредственно на плату и крепятся к теплоотводу площадью от 500 см^2 через изоляционные термо-подложки.
Настройка усилителя заключается в установке тока покоя подстроечным резистором R18. В начале его движок «выкручивают» в нижнее по схеме положение, затем плавно прибавляя сопротивление выставляют ток покоя в диапазоне 150…200 мА.
В качестве индуктивности L1 можно применить готовый дроссель ДП 1-3-2 или же изготовить её самостоятельно, намотав на пластмассовой трубке d 7мм два слоя провода ПЭВ-2 0,8мм. Первый слой – 11 витков, второй – 10.
