Возможные доработки усилителей на основе схемы Бать-Середа

Данилов А.А рассказывая об истории создания прецизионного усилителя УМВТ50- 84 (danilovaudio.ru/umvt84.html) пишет следующее:

«В 1972 году Сергей Давидович Бать опубликовал в журнале «Радио» схему усилителя мощности из зарубежного издания (к сожалению в журнале Радио нет ссылки на первоисточник, да и Данилов не указал), которая была переведена на советскую элементную базу. Усилитель работал «как из пушки», не генерировал, звучал довольно прилично, выдавая до 50 Вт/4 Ом без неприятных на слух искажений, и его стали повторять по всему Советскому Союзу. Единственным дефицитным транзистором в этом усилителе был 60-вольтовый германиевый p-n-p ГТ321В, остальные были кремниевыми, что – по тем временам – было в новинку для аудитории журнала. Так произошло мое знакомство с «классической» топологией Лина.»

И действительно, уже с 1974 года Муромский завод радиоизмерительных приборов начал выпуск на базе этой схемы усилителя Электрон 103 стерео. С 1977 года пошла новая модификация Электрон 104 стерео, а в 1979 году стали выпускать Электрон 104-2 стерео. Ростовский завод «Электроаппарат» также выпускал с 1976 года усилители на основе этой схемы под названием Ростов-Дон-101 стерео.

В усилителе Электрон 103 во входном дифкаскаде были применены транзисторы типа П307А, а вместо ГТ321В — транзистор П605А. В качестве выходных транзисторов применялись КТ803А. Более того, несколько уменьшен ток УН заменой резистора R11 сопротивлением 1 кОм на 1,5 кОм. Емкость конденсатора коррекции с 1000 пФ увеличена до 2200 пФ.

В модификации усилителя Электрон 104 во входном дифкаскаде были применены транзисторы типа П308А, а вместо ГТ321В — транзистор КТ501М. Была изменена и коррекция усилителя — в УН применена коррекция Миллером в виде конденсатора 330 пФ.

В усилителе Ростов-Дон-101 транзистор ГТ321В был заменен на МП26Б и несколько изменена коррекция: уменьшена емкость конденсатора С4 до 100 пФ, добавлена пассивная коррекция 620 пФ с базы транзистора Т4 на шину питания и добавлен конденсатор 75 пФ параллельно резистору ООС R7. В качестве выходных транзисторов применялись КТ805Б.

Подобные изменения схемы и ее коррекции в перечисленных моделях были вынужденными и не способствовали сохранению потенциала исходной схемы.

Основные параметры использованных в исходной схеме транзисторов приведены в таблице 1.

Таблица 1:

Наименование	Ток, А	Мощность, Вт	Ft, MHz	Ск, пФ	h21
КТ315Г	0,1	0,15	250	7	160
ГТ321	0,2	0,16	60	80	100
КТ601	0,03	0,5	40	15	16
КТ801	2	5	10	–	40
КТ802	5	50	10	500	15

Примечание. При компьютерном моделировании использовались модели транзисторов с частотой единичного усиления и BF (h21) из таблицы 1 и полностью подтвердили скромные параметры (20 Вт при Кг = 0,7%) приведенные авторами статьи.

Выходной мощности 20 Вт на нагрузке 4 Ома соответствует пиковое напряжение равное 12,65 В.

Вот результат теста модели на частоте 20 кГц, рис. 1:

Рис. 1

Из теста видно, что спектр продуктов искажений короткий (по сути одна 2-я гармоника) причем уровень искажений при заявленной мощности существенно ниже.

Диаграмма Боде исходной схемы показана на рис. 2:

Рис. 2

Малосигнальная полоса модели усилителя простирается выше 1 МГц. Время задержки прохождения сигнала (time Propagation Delay), которое отвечает за векторные погрешности, равно 170 нс. Это сравнительно малая величина по сравнению с более сложными схемами у которых этот параметр колеблется от 300 нс до 2…3 мкс.

Компьютерный анализ исходной схемы показал что слабое место усилителя УН.

Так как в исходной схеме был применен транзистор слишком малой мощности ток каскада был выбран сравнительно малой величины — всего 5 мА. И если на положительной полуволне сигнала емкость коррекции заряжается транзистором в активном режиме, то на отрицательной полуволне емкость заряжается вольтодобавкой (аналог ГСТ на ток 5 мА). Этого тока недостаточно чтобы адекватно ее перезаряжать конденсатор емкостью 1 нФ. Поэтому на полной мощности (близкой к клипированию) на отрицательной полуволне сигнала рано начинались TIM-искажения (отрицательный фронт начинал превращаться в пилу уже с 30 кГц).

Замена транзистора ГТ321В на более мощный современный кремниевый позволяет поднять ток каскада до 12 мА. Для этого необходимо заменить резистор R10 с сопротивлением 3,9 кОм на 1 кОм. При этом амплитуда полной мощности неискаженного сигнала повышается как минимум до 100 кГц.

Следующее слабое место исходной схемы конденсаторы. Для минимизации линейных искажений в области НЧ, а также уменьшения искажений памяти (болтанка продуктов искажений вверх-вниз в зависимости от полярности первого полупериода бурста) желательно увеличить емкости всех конденсаторов:

• С1 емкостью 20 мкФ заменить на 100 мкФ;
• С2 и С5 увеличить до 470 мкФ;
• С3 увеличить до 1…2,2 мФ.

С целью уменьшения проникания помех с положительной шины питания и увеличения показателя SRPP(+) необходимо прервать шину питания между коллекторами транзисторов Т4 и Т6 и впаять туда резистор сопротивлением 10…15 Ом, а после него включить конденсатор 470 мкФ на общий.

В качестве транзисторов ДК желательно использовать транзисторы типа 2N3904 (Ft = 250 МГц) или 2N5401 (Ft = 100 МГц) что несколько хуже. Вместо маломощного германиевого транзистора типа ГТ321В можно использовать 2N5551 (Ft = 100 Мгц), либо транзисторы типа КТ6116, 2SA1225, 2SB647 а еще лучше 2SA1407.

Транзистор Т4 можно заменить любым комплементарным выше перечисленным транзисторам (2N5401, КТ6117, 2SC2383, 2SD667, 2SC3601).

В качестве предвыходной пары транзисторов можно использовать BD139, TTA004B, 2SD669, 2SB631K, MJE340 и др.

Для выходных транзисторов с частотой единичного усиления 10 МГц и выше сегодня большой выбор (главное чтобы они не были подделкой). Можно оставить и родные типа КТ802, КТ803 или КТ805.

Чтобы расширить полосу полной мощности до 250 кГц и более потребуется отказаться от пассивной коррекции емкостью 1000 пФ и применить коррекцию УН так называемым Миллером небольшой емкости (33 пФ). Такая коррекция образует местную обратную связь вокруг УН и превращает его в интегратор. Дополнительно придется установить емкость 1…2 пФ (3..6 витков эмалированного провода диаметром 0,5 мм поверх отрезка эмалированного провода диаметром 1 мм) параллельно резистору ООС.

В случае разработки и изготовления новой печатной платы имеет смысл применить в качестве схемы температурной стабилизации умножитель напряжения на транзисторе и внести небольшие изменения, например как показано ниже, рис. 3:

Рис. 3

Диаграмма Боде этого варианта показана на рис. 4:

Рис. 4

Благодаря применению современных транзисторов время задержки прохождения сигнала снижается более чем в 3 раза и сохраняется постоянной величины как минимум до частоты 2 МГц.

Спектр продуктов искажений на нагрузке 4 Ома при выходной мощности 50 Вт показан на рис. 5:

Рис. 5

Работа модели на частоте 250 кГц показана на рис. 6:

Рис. 6

Как видим, по крайней мере в модели, и на частоте 250 кГц мы не наблюдаем признаков TIM-искажений. В модели использованы транзисторы отечественные транзисторы КТ6116/КТ6117. Думаю что в ДК можно вполне оставить транзисторы КТ315 заложенные авторами схемы (с частотой единичного усиления 250 МГц).

Заменим вольтодобавку простейшим ГСТ на ток 12 мА и посмотрим что это дает, рис. 7:

Рис. 7

Как видим, замена вольтодобавки на ГСТ позволяет дополнительно снизить уровень гармоник. Спектр по прежнему короткий, по сути одна 2-я гармоника.

При замене вольтодобавки на ГСТ целесообразно ввести фильтр и в отрицательной шине питания для уменьшения проникания помех с шины.

Нет смысла вводить ГСТ в ДК, а также делать каскод со следящим питанием. Кроме усложнения схемы ничего не дает.

При введении отражателя тока в нагрузке ДК (любимое решение Дугласа Селфа) можно получить дальнейшее незначительное снижение низших гармоник, но уровень высших гармоник при этом увеличивается.

На выходе модели добавлена индуктивность L1 небольшой емкости. Такую индуктивность имеет отрезок провода длиной 10 см которым обычно подключают выходные клеммы. Авторский усилитель не нуждался в индуктивности на выходе. В некоторых моделях промышленных усилителей применялись индуктивности на выходных клеммах. Выкорачивание этих индуктивностей приводило к заметному улучшению качества звучания. Улучшению качества звучания способствует и отказ от схем защиты от перегрузки выполненных безграмотно в усилителе Электрон 104-2.

Радио 1972 №6

Краткий анализ модели усилителя из Радио 1972-06 и реализация его модели на современной элементной базе

С наилучшими пожеланиями, Александр Петров.