УМЗЧ с выходным каскадом в режиме «А», по сравнению со всеми другими усилителями (класс AB, В, и D), имеют самый низкий КПД, но субъективно лучше звучат (о чем ведутся непрекращающиеся дискуссии на различных форумах).
Но остановимся пока на сугубо технических параметрах. Выходной каскад в режиме «А» должен работать без отсечки тока. При этом управление транзисторами должно осуществляться так, чтобы приращению тока одного плеча соответствовало уменьшение тока второго плеча. Начальный ток выходных транзисторов выбирают из условия:
Немного истории
В 60-е годы прошлого столетия были популярны различные усилители с динамической нагрузкой. Например, каскад с динамической нагрузкой (рис. ниже) можно было встретить в УЗЧ производства ГДР в качестве выходного каскада.
В нем вначале использовались первые отечественные мощные германиевые транзисторы (VT1 и VT2) типа П4, П201, позднее – П213…П217. АЧХ усилителя приведена ниже.
Видно, что усиление каскада по напряжению на нагрузке 8 Ом составляет примерно 32,5 дБ. Максимальная выходная мощность равна 1,5...2 Вт. К недостаткам этого каскада можно отнести низкое входное сопротивление (около 10 Ом), что требует соответствующего источника сигнала (с малым выходным сопротивлением), а также невысокую нагрузочную способность (искажения приближаются к 2% уже при выходной мощности 0,5...0,6 Вт). Входное сопротивление каскада для VT2 с h21э=20 определяется по формуле:
Налаживание каскада сводилось к установке подстроечным резистором R1 напряжения на коллекторе транзистора VT2, примерно равного половине напряжения питания.
При включении на входе резистора сопротивлением 100 Ом получается подача сигнала от генератора тока, и, тем самым, искажения при том же выходном напряжении снижаются примерно вдвое. Само собой разумеется, что в результате образовавшегося делителя на входе, коэффициент усиления по напряжению, а соответственно, и чувствительность усилителя снижалась более чем на 20 дБ.
Попытка повысить входное сопротивление и нагрузочную способность каскада заменой старых транзисторов на современные составные (рис. ниже), как показала проверка, существенного улучшения не дала. Несмотря на использование составного транзистора, входное сопротивление каскада остается достаточно низким из-за низкоомного делителя R5R6, включенного параллельно входу. В результате, такое решение вскоре было забыто.
Положение удалось коренным образом улучшить, введя дополнительный каскад усиления по схеме с ОЭ и охватив весь усилитель общей ООС (рис. ниже). Звучание получившегося усилителя, к удивлению скептиков, оказалось не хуже лампового, а на НЧ даже лучше.
Задавшись током покоя 0,67 А, получим падение напряжения на резисторе R10 соответственно 0,67 В. Делитель R8R9 выбран таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить необходимый ток базы транзистора VT2 при положительной полуволне сигнала (зависит от сопротивления R8), а с другой, чтобы падение напряжения на резисторе R9 было равно сумме падений напряжений на R10 и на переходе БЭ VT2.
АЧХ усилителя приведена на ниже.
Полоса частот сверху в основном ограничена большим сопротивлением резистора R5, включенного параллельно входу выходного каскада. Даже при полностью выключенном транзисторе VT1 ток рассасывания неосновных носителей в базе транзистора VT3 не превышает:
Положение можно несколько улучшить, уменьшив сопротивления резисторов R5...R7 и увеличив емкость конденсатора С3 примерно вдвое. Но в этом случае снизится общий коэффициент усиления без ООС, что приведет к некоторому увеличению искажений.
Также можно заменить резистор R5 активным источником тока (АИТ). Использование АИТ дает следующие преимущества: улучшает параметры каскадов в режиме больших сигналов; существенно ослабляет емкостные эффекты и, тем самым, увеличивает быстродействие каскадов без увеличения тока покоя.
При доработке усилителя были приняты меры, направленные на улучшение динамических характеристик и снижение интермодуляционных искажений. Доработанный усилитель (рис. ниже) имеет при том же выходном напряжении меньший на порядок коэффициент гармоник – 0,04% и значительно расширенную полосу рабочих частот.
Ток АИТ определяется резистором R10 и в состоянии покоя составляет:
что примерно в 4 раза выше, чем максимальный ток рассасывания неосновных носителей в базе транзистора выходного каскада в недоработанном варианте. Более того, при закрывании нижнего плеча (и, соответственно, открывании верхнего) ток АИТ возрастает примерно вдвое, а при его открывании уменьшается, способствуя более форсированному открыванию.
В отличие от исходной схемы, дополнительно введены резисторы R4, R6 и конденсаторы С3, С5. Конденсатор С5 сглаживает АЧХ в конце рабочего диапазона, а цепь R6С3 работает на опережение при крутых фронтах сигнала до тех пор, пока не поступит напряжение ООС. При этом обеспечивается улучшение динамических характеристик усилителя. Емкость конденсатора С3 подбирают в пределах 430...1000 пФ, С5 – 100...130 пФ.
Достоинством подобных усилителей является предельная простота, а также и то, что не требуется защита громкоговорителей от постоянной составляющей при выходе из строя одного из плеч усилителя. Недостатком является то, что для получения указанных характеристик питание усилителя должно быть стабилизированным.
В окончательном, на более современной электронной базе, исключён разделительный конденсатор на выходе и применено двухполярное питание, а также схема дополнена интегратором на ОУ DA1.
Схема электрическая
Диод VD1 уменьшает насыщение нижнего плеча при перегрузке и ускоряет выход нижнего плеча из насыщения.
При налаживании схемы верхний вывод резистора R2 временно выпаивают и соединяют с общим проводом. Резистором R3 в отсутствие входного сигнала выставляют постоянное выходное напряжение, равное нулю (как можно меньшее). После этого запаивают резистор R2 на место и проверяют работоспособность усилителя.
Основные технические характеристики усилителя аналогичны предыдущему варианту (при Uвх=510 мВ, Pвых (8 Ом) = 8 Вт), но полоса рабочих частот расширяется в сторону НЧ.
Чертёж печатной платы показан ниже на рисунке.