Прозрачное звучание
Звуковую аппаратуру, практически не вносящую в сигнал амплитудных и частотных искажений, т.е. не оказывающие на сигнал практически никакого влияния, часто называют с «прозрачным» звучанием.
При использовании различных видов ООС и схемотехническим решениям удается получить весьма высокое качество транзисторных усилителей в статическом режиме, где линейные и нелинейные искажения сводятся к пренебрежимо малым значениям.
В настоящем музыкальном сигнале, который имеет сложную импульсную форму, искажения возрастают из-за конечного времени задержки ООС по отношению к входному воздействию. В этот период времени резко возрастают как линейные искажения (из-за сужения полосы пропускания АЧХ и увеличения нелинейности ФЧХ), так и нелинейные (вызванные перегрузкой входных каскадов из-за отсутствия ООС). Кроме того, в эти моменты резко возрастает выходное сопротивление усилителя, т.е. оно становится равным выходному сопротивлению усилителя без ООС.
В отличие от усилителей, например громкоговорители не синтезируют гармоник высшего порядка, а потому вносимые ими искажения менее заметны на слух.
Об уровне интермодуляционных искажений усилителя косвенно говорит Кг в диапазоне частот 10…20 кГц. Эти искажения характеризуются возникновением новых комбинационных частот, которых в исходном сигнале нет – это серьезное последствие нелинейности АЧХ.
Качество УМЗЧ во многом зависит от равномерности усиления (т.е. от равномерности АЧХ) и линейности ФЧХ.
Не менее важным параметром усилителя является коэффициент демпфирования – отношение сопротивления нагрузки к выходному сопротивлению усилителя. УМЗЧ с одинаковыми параметрами (полоса частот, Кг, и т.д.), измеренными на активном эквиваленте нагрузки, звучат по-разному. Чем меньше выходное сопротивление, тем более равномерна АЧХ этого УМЗЧ, нагруженного на АС. Для высококлассного УМЗЧ коэффициент демпфирования должен быть не менее 40, т.е. Rвых ≤ 0,1 Ом.
Принципы конструирования «прозрачного» транзисторного УМЗЧ:
1. Схема должна быть инвертирующей, как имеющая более высокую линейность входного каскада на высших частотах и повышенную устойчивость усиления благодаря меньшей паразитной связи между выходом и неинвертирующим входом. Входное сопротивление такой схемы постоянно во всем диапазоне частот, в то время как неинвертирующий усилитель имеет высокое входное сопротивление (определяемое резистором между входом и общим проводом) лишь на низких частотах.
2. Линеаризация каскадов – за счет глубоких местных ОС.
3. Уменьшение числа каскадов усиления по напряжению до минимально возможного, вплоть до одного.
4. Симметрирование каскадов усиления с целью уменьшения (компенсации) нелинейных эффектов, а также уменьшения четных гармоник наиболее неприятных на слух.
Схема электрическая
Технические характеристики УМЗЧ:
Напряжение питания, В – ±25;
Ток покоя выходного каскада, А – 2×1,4;
Номинальное входное напряжение, мВ – 500;
Номинальная выходная мощность, Вт – 50;
Коэффициент усиления с разомкнутой ООС, дБ – 70;
Коэффициент усиления с замкнутой ООС, дБ – 30;
Верхняя граница полосы пропускания (с замкнутой ООС, на уровне -3 дБ), МГц – 1;
Коэффициент нелинейных искажений (f=1 кГц, Рвых=50 Вт), % – 0,03;
Коэффициент нелинейных искажений (f=20 кГц, Рвых=50 Вт), % – 0,05.
Принцип работы
Выходной каскад схемы работает в режиме «А», с целью минимизации коммутационных искажений. В спектре искажений практически отсутствуют гармоники выше третьей, что свойственно ламповым усилителям.
В отличие от стандартного выходного каскада по схеме двухтактного истокового повторителя, данная схема практически полностью использует напряжение питания и не требует отдельного повышенного напряжения для предварительного каскада. Другая особенность такого выходного каскада (как генератора тока) - минимальная чувствительность к реакции АС.
Схема инвертирующая и имеет сравнительно низкое входное сопротивление (1 кОм), поэтому рассчитан на работу от источника сигнала с низким выходным сопротивлением.
Структура усилителя
1. входной каскад – усилитель напряжения на транзисторах VT1, VT3, VT9, VT10 и VT2, VT4, VT11, VT12, где транзисторы VT3 и VT4 включены по схеме с общей базой, VT1, VT2, VT9...VT12 – с общим коллектором, а на транзисторах VT5…VT8 организованы цепи смещения;
2. выходной каскад – усилитель тока и напряжения на запараллеленных мощных комплементарных MOSFET VT13, VT15 и VT14, VT16, включенных по схеме с общим истоком.
Коэффициент усиления УМЗЧ с разомкнутой ООС составляет 70 дБ, причем вклад в усиление между входным и выходным каскадами распределяется примерно поровну.
Для хорошей термостабилизации каскад смещения (VT5...VT4) выполнен «зеркально» входному. Питание каскада смещения осуществляется от стабилизатора ±15 В – C4, C6, VD3, R6 и C5, C7, VD4, R7.
MOSFET почти не требуют тока управления (затвора) в «статике», но в «динамике» для перезаряда их значительных входных емкостей необходимы приличные токи. Поэтому для их управления используются двухтактные эмиттерные повторители на транзисторах VT9, VT10 и VT11, VT12.
БЭ-переходы транзисторов VT9 и VT12 в какой-то степени играют роль дополнительной термостабилизации выходного каскада.
Частотная коррекция усилителя выполнена с помощью конденсаторов С11 и С12.
Конструкция, детали и настройка
Односторонняя печатная плата для одного канала усилителя приведена ниже.
Входная ёмкость собрана из двух электролитических конденсаторов С1 и С2 емкостью по 100 мкФ (Audio\UKA\Nichicon), включенных встречно, параллельно им подсоединен неполярный керамический конденсатора емкостью 1 мкФ.
Защитные диоды на входе VD1, VD2 – типа 1N4148 (КД510, КД523 с любой буквой) или любые другие маломощные диоды.
В качестве транзисторов входного каскада можно пробовать любые маломощные комплементарные транзисторы, а еще лучше – транзисторные сборки. При использовании обычных транзисторов их надо подобрать по парам (зеркально) с примерно одинаковыми статическими коэффициентами передачи тока базы.
Для обеспечения режима класса А выбран ток выходного каскада, равный 2,8 А (по 1,4 А на транзистор). Ток покоя выходного каскада задаётся резисторами R11 и R12.
Теплоотводы выходных транзисторов должны быть рассчитаны на рассеиваемую мощность порядка 250 Вт. При недостаточных размерах теплоотводов необходимо использовать их принудительный обдув с помощью вентилятора. Источник питания также должен обеспечивать мощность не менее 250 Вт.
Усилитель можно перевести и в более экономичный режим АВ, но тогда коэффициент нелинейных искажений во всем диапазоне частот возрастет до 0,15-0,2%, правда, возникающие гармоники только низших порядков.