Усилитель Зуева с многопетлевой ООС

Исследования заметности искажений, вносимых транзисторными усилителями мощности ЗЧ, показали, что она находится в прямой зависимости от величины коэффициента гармоник. В частности, такое неприятное явление, как «транзисторное звучание», полностью исчезает при коэффициенте гармоник менее 0,03%. Получить столь низкое значение коэффициента гармоник можно только при достаточно большой глубине отрицательной обратной связи (ООС). Однако увеличение глубины общей ООС снижает быстродействие усилителя (скорость нарастания его выходного напряжения) и может привести к динамическим искажениям. Линеаризации усилителя НЧ и одновременное снижение глубины общей ООС повышают быстродействие усилителя, но получить таким путем коэффициент гармоник 0,03% сложно, так как линеаризации подвергаются, как правило, предварительные каскады, а основным источником нелинейных искажений в усилителе мощности ЗЧ является выходной каскад. Анализ свойств ООС позволил сделать вывод о том, что малый коэффициент гармоник при высокой скорости нарастания сигнала и хорошей устойчивости усилителя можно получить введением многопетлевой (многоканальной) ООС. Усилитель мощности с такой ООС и предлагается вниманию читателей в публикуемой ниже статье. Достоинствами усилителя являются также эффективная электронная триггерная защита от перегрузок и коротких замыканий на выходе и хорошая повторяемость, выражающаяся в том, что его технические характеристики не зависят от разброса усилительных параметров применяемых транзисторов.

Основные технические характеристики:

Номинальный диапазон частот при неравномерности АЧХ ±0,25 дБ: 20 – 20000 Гц

Номинальное сопротивление нагрузки: 4 Ом

Номинальная выходная мощность: 70 Вт/4 Ом (40 Вт/8 Ом)

Максимальная выходная мощность: 100 Вт/4 Ом (60 Вт/8 Ом)

Диапазон частот при выходной мощности -3 дБ от номинальной: 5 – 100000 Гц

Скорость нарастания выходного напряжения: 15 В/мкс

Коэффициент гармоник при номинальной выходной мощности на частоте:

20 – 5000 Гц: 0,001%

10000 Гц: 0,003%

20000 Гц: 0,01%

Коэффициент гармоник при выходной мощности 0,25-70 Вт в диапазоне 20-20000 Гц: 0,01%

Номинальное входное напряжение: 1 В

Входное сопротивление в полосе 20-20000 Гц: 47 кОм

Выходное сопротивление в полосе 20-20000 Гц при отключенной катушке L3: 0,001 Ом

Выходное сопротивление в полосе частот 20-3000 Гц при подключенной катушке L3: 0,1 Ом

Максимально допустимая емкость нагрузки: 0,1 мкФ

Относительный уровень шума в диапазоне 20-20000: -105 дБ

Относительный уровень фона: -105 дБ

Принципиальная схема усилителя мощности показана на рис.1. Первый каскад собран на операционном усилителе (ОУ) DA1, остальные – на транзисторах (второй и третий – соответственно на УТ1, VT3, четвертый – на VT8, VT11 и VT10, VT12, пятый – на VT13, VT14). В четвертом (предоконечном) каскаде использованы транзисторы разной структуры, включенные по схеме составного эмиттерного повторителя, что позволило ввести в него местную ООС и таким образом повысить линейность и снизить выходное сопротивление. Для снижения переходных искажений на высоких частотах выходной каскад работает в режиме АВ, а сопротивления резисторов цепей смещения (R30, R33) ограничены величиной 15 Ом.

Рис. 1. Принципиальная схема усилителя:

Все транзисторные каскады усилителя охвачены цепью местной ООС глубиной не менее 50 дБ. Напряжение ООС снимается с выхода усилителя и через делитель R10R12 подается в цепь эмиттера транзистора VT1. Частотная коррекция и устойчивость по цепи ООС обеспечиваются конденсатором С4. Введение местной ООС позволило даже при самых неблагоприятных сочетаниях усилительных свойств транзисторов ограничить коэффициент гармоник этой части усилителя величиной 0,2%.

Дальнейшее снижение нелинейных искажений усилителя в целом достигнуто введением глубокой (не менее 66 дБ) общей ООС через делитель напряжения R3, R6. В результате, независимо от разброса параметров примененных экземпляров транзисторов и ОУ, удалось получить очень малый коэффициент гармоник. Частотная коррекция по цепи общей ООС осуществляется в самом ОУ при замкнутых выводах 1 и 8. На частотах выше 1 МГц, где сигнал общей ООС ослабляется и приобретает большой фазовый сдвиг, устойчивость усилителя обеспечивается местной ООС, напряжение которой снимается с выхода ОУ и через цепь R5C3 подается на его инвертирующий вход.

Необходимо отметить, что добиться значительного снижения нелинейных искажений при введении общей ООС возможно только в том случае, если первый каскад усилителя (в нашем случае, ОУ) обладает достаточно малыми искажениями. В частности, совершенно недопустимо использовать в этом каскаде усилителя ОУ с нулевым током покоя выходного каскада (даже если ОУ быстродействующий).

Несколько слов о назначении отдельных элементов усилителя

Цепь R1С2 ограничивает полосу пропускания усилителя мощности частотой 100 кГц и таким образом, ослабляет проникающие на его вход внешние высокочастотные помехи, цепь R2C1 определяет нижнюю частоту среза АХЧ усилителя (5 Гц на уровне -3 дБ), L3R34C10 предотвращает его самовозбуждение на высоких частотах при емкостной характере нагрузки. Включенные в эмиттерные цепи транзисторов VT8, VT10 резисторы R25, R27 повышают устойчивость работы предоконечного каскада, а безындукционные резисторы R28, R29 – выходного. Резистором R4 балансируют усилитель при его налаживании (поддержание нулевого потенциала на выходе усилителя). Транзисторы VT4 и VT5 и резисторы R14, R15, R16 образуют цепь смещения выходного каскада. Резисторы R31, R32 в цепях эмиттеров транзисторов выходного каскада служат для температурной стабилизации тока покоя и одновременно являются датчиками тока для устройства защиты усилителя от перегрузок.

Устройство защиты состоит из триггера на транзисторах VT6, VT7 и порогового элемента на транзисторе VT9. Работает оно следующим образом. Как только ток через любой из выходных транзисторов превысит 8-9 А, транзистор VT9 открывается, и его коллекторный ток открывает транзисторы триггера VT6, VT7. В результате закрываются транзисторы VT2,VT3, а вслед за ними и транзисторы VT8, VT10 и VT11 – VT14. Диоды VD7, VD8 защищают выходные транзисторы VT13, VT14 от напряжения обратной полярности, возникающего при срабатывании электронной защиты из-за появления ЭДС самоиндукции на катушке L3 и катушках фильтров акустической системы.

Состояние перегрузки индицирует светодиод VD5. Выходной каскад усилителя мощности находится в выключенном состоянии до тех пор, пока не будет снято напряжение питания. Если причина перегрузки устранена, то при повторном включении работоспособность восстановится. В противном случае снова сработает защита, и выходной каскад будет отключен.

Достоинство рассмотренной системы защиты – ее высокое быстродействие (несколько микросекунд), повышающее эксплуатационную надежность усилителя. Однако, перегрузка выходного каскада может быть вызвана не только чрезмерным уровнем входного сигнала, но и большой перегрузкой входа высокочастотной помехой, а также некоторыми неисправностями в цепи смещения выходных транзисторов. В этих случаях через оба транзистора может потечь опасный для них сквозной ток. Порог срабатывания описанной системы защиты от сквозного тока в два раза ниже, чем по току каждого из плеч выходного каскада, поскольку он создает падение напряжения на двух резисторах R31 и R32, и это, безусловно, повышает эффективность защиты усилителя от перегрузок. Порог срабатывания системы защиты по току регулируют подбором резистора R26.

При работе усилителя на нагрузку 8 Ом резистор R26 можно исключить, что снизит порог срабатывания системы защиты до 6-6,5 А.

Усилитель может питаться от нестабилизированного двуполярного источника питания напряжением (в режиме холостого хода) ±36 В с допустимым током нагрузки не ниже 3 А и емкостью конденсаторов фильтра выпрямителя не менее 2х10000 мкФ (параллельно зашунтировать пленочными). Уменьшение напряжения источника питания при номинальной выходной мощности усилителя не должно превышать 5 В. Работоспособность усилителя сохраняется при снижении напряжения питания до ±25 В, при этом его номинальная выходная мощность на нагрузке 4 Ом падает до 30 Вт.

Конструкция и детали

Детали усилителя размещены на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм (рис.2). Транзисторы VT11, VT12 предоконечного каскада смонтированы на П-образных теплоотводах (рис.3), установленных на печатной плате, выходные транзисторы (VT13, VT14) – на теплоотводах с площадью охлаждающей поверхности на каждый транзистор около 600 см2. К теплоотводу (в непосредственной близости от одного из этих транзисторов) приклеен и транзистор VT5.

Рис. 2. Печатная плата:

В усилителе применены подстроечные резисторы СП4-1В, СП5-2 (R16) или импортные желательно многооборотные, проволочные, постоянные резисторы МОН-1a (R28, R29, R34) и МЛТ (остальные, кроме R31, R32). Резисторы R31, R32 (СП5-16) выполнены из нихромового провода диаметром 0,7-0,8 мм (отклонение их сопротивлений от номиналов, указанных на схеме, не должно превышать ±5%). Конденсаторы С1 (качественный пленочный полипропиленовый МКР, полистирольный К71-7, а также известных зарубежных брендов-производителей, С2-С4 – КМ, КТ, КСО и т.п. Катушки L1, L2 намотаны на. корпусах резисторов R28, R29 и содержат по 30 витков провода ПЭВ-1 0,2мм. Катушка L3 – намотана, на тороидальном (для уменьшения внешнего магнитного поля) текстолитовом каркасе с наружным диаметром 18, внутренним 11 и высотой 18 мм. Она содержит 35 витков провода ПЭВ-1 0,8мм, равномерно размещенных на каркасе в один слой.

Рис. 3. Теплоотводы для транзисторов VT11, VT12:

Заменимость деталей:

• КТ630Б (VT3, VT8) могут быть заменены на КТ630А, КТ630Г или на КТ602А(М), КТ602Б(М);
• КТ361К (VT1) – на KT3107A, КТ3107Б, КТ3107И или на КТ313А, КТ313Б.
• Диоды VD3, VD4 – любые из серий Д220, Д223, КД503, КД513, КД522;
• VD6 – любой кремниевый импульсный диод с допустимым обратным напряжением не менее 80 В и емкостью не более 20 пФ.
• Резисторы MOH-1a (R28, R29) можно заменить на резисторы С2-1 того же номинала.
• ОУ DA1 — любой из серии К(Р)544УД2 или К(Р)574УД1 (в последнем случае понадобится доработка печатной платы, поскольку для коррекции АЧХ ОУ необходимо дополнительно установить конденсатор емкостью 1,8 пФ, а для балансировки ОУ – подстроечный резистор с сопротивлением 3,3 МОм).
• При напряжениях питания усилителя не выше ±30 В транзисторы КТ814Г и КТ815Г (VT11, VT12) можно заменить на КТ814В И КТ815В, а КТ819ГМ и КТ818ГМ (VT13, VT14) – на 2Т819А, КТ819В (металлопластик) и на 2Т818А, КТ818В соответственно.

Требования к монтажу

Низкий коэффициент гармоник усилителя накладывает определенные требования на монтаж внешних цепей.

Для уменьшения наводок от магнитных полей, возникающих в монтажных проводах при протекании по ним электрического тока, провода, соединяющие выводы транзисторов выходного каскада с печатной платой, необходимо свить на всем протяжении, причем их длина не должна быть более 15 см, а сечение – не менее 1 мм² , лучше 1,5 мм². Провода питания от конденсаторов фильтра выпрямителя до самой печатной платы также должны быть свиты. Длина этих проводов – не более 20 см, сечение – не менее 1 мм² , лучше 1,5 мм² (от этого зависит преобладание более низкочастотных составляющих в звуке).

Провода питания нужно припаять к соответствующим контактам 3, 12 печатной платы, а общий, провод – сначала к шасси усилителя (в непосредственной близости от контакта 7 печатной платы), а затем (от точки пайки) – к этому контакту. Провода, идущие от вторичных обмоток трансформатора питания к выпрямителю и от выпрямителя к конденсаторам фильтра, тоже должны быть по возможности более короткими и обязательно свитыми по всей длине.

Скрученными проводами соединяют и выход усилителя с разъемом для подключения громкоговорителя. При этом общий провод соединяют с шасси усилителя в той же точке, что и общий провод питания. Рекомендуемый шаг скрутки проводов – не более 40 мм.

Сигнал следует подавать на вход усилителя через экранированный провод с наружной изоляцией, причем экранирующую оплетку необходимо надежно припаять сначала к шасси (в непосредственной близости от контакта 1 печатной платы), а затем и к самому контакту 1. Для уменьшения высокочастотных помех, наводимых на каскады предварительного усиления, шасси усилителя рекомендуется изготавливать из немагнитного материала с хорошей электропроводностью (алюминий, латунь и т. п.), а трансформатор питания разместить по возможности дальше от каскадов предварительного усиления или же отделить экраном.

Налаживание

Налаживание начинают (при отключенной нагрузке) с установки (подстроечным резистором R16) тока покоя транзисторов VT13, VT14 в пределах 150-250 мА. После прогрева в течение 20-30 мин ток покоя измеряют еще раз и при необходимости, устанавливают в пределах, указанных выше. Затем подстроечным резистором R4 добиваются отсутствия постоянного напряжения на выходе усилителя (допустимое его значение не более ±10 мВ).

После этого подключают к выходу усилителя эквивалент нагрузки, подают на выход синусоидальный сигнал частотой 20 кГц и напряжением 0,6 В и на экране осциллографа наблюдают выходное напряжение усилителя. Оно должно быть без видимых искажений и характерной для самовозбуждения «размытости». Для повышения вероятности обнаружения этих дефектов усилителя выходной сигнал рекомендуется подавать на вход осциллографа через дифференцирующую цепь с постоянной времени около 0,2 мкс, например, из резистора сопротивлением 200 Ом и конденсатора емкостью 1000 пф (на мой взгляд нет особой необходимости собирать дополнительную ниже приведенную схему для измерений, схема устойчивая, достаточно генератор и осциллограф). При этом необходимо предварительно убедиться в отсутствии искажений формы сигнала самого генератора.

Далее увеличивают входной сигнал до тех пор, пока выходное напряжение не начнет ограничиваться. Ограничение должно наступить практически одновременно по обеим полуволнам синусоиды.

Вносимые усилителем искажения оценивают компенсационным методом. Схема соединений измерительных устройств показана на рис.4. Резисторами R3, R4, R7 компенсируют активные составляющие разбаланса, резисторам R2 – реактивные. Компенсацию производят до получения минимального уровня остаточного сигнала (между точками А и В), наблюдаемого на экране осциллографа. Для повышения точности измерения входной сигнал следует подавать непосредственно на резистор R2 усилителя (при отключенных элементах R1 C1, C2), а выходное напряжение снимать с точки соединения резисторов R31, R32. Цепь R9C4 ослабляет попавшие на выход усилителя высокочастотные внешние наводки и, таким образом, повышает точность измерения.

Рис.4. – Схема соединений измерительных устройств:

Устройство защиты от перегрузок проверяют следующим образом. При отсутствии сигнала на входе подключают к выходу усилителя нагрузочный резистор сопротивлением 2,45…2,55 Ом и вольтметр переменного тока (класса 1,5) с верхним пределом измерений 20…30 В, устанавливают частоту генератора в пределах 1…2 кГц и плавно повышают его выходное напряжение до тех пор, пока не сработает устройство защиты. Показание вольтметра в момент, непосредственно предшествующий его срабатыванию, должно составлять 14…16 В. В противном случае следует подобрать резистор R26 и повторить испытание. Эту процедуру нужно проводить достаточно быстро, чтобы не перегрелись выходные транзисторы.

В завершение вместо нагрузочного резистора сопротивлением 2,5 Ом подключают эквивалент номинальной нагрузки (4 Ом), подают на вход усилителя номинальное входное напряжение частотой 1 кГц и замыкают накоротко выход усилителя. При этом сразу должно сработать устройство защиты, а после повторного включения питания работоспособность усилителя должна полностью восстановиться.

Несколько слов о характере искажений усилителя. Указанные в технических характеристиках коэффициенты гармоник измерялись в полосе частот до 250 кГц, т. е. учитывалось не менее 10 гармоник даже высшей воспроизводимой усилителем частоты 20 кГц. Выходной каскад усилителя работал при этом в режиме АВ. Вносимые усилителем искажения носили импульсный характер, длительность импульсов лежала в пределах 0,5-1 мкс, и возникали они в момент переключения транзисторов выходного каскада. Наличие импульсов отражает тот факт, что глубина ООС в усилителе падает с ростом частоты, и самые высокочастотные составляющие продуктов искажений слабо подавляются ООС. Степень подавления этих составляющих зависит, как известно, от быстродействия усилителя.

Быстродействие рассматриваемого усилителя (предельная скорость нарастания S_пр его выходного напряжения) определяется током покоя Iп каскада на транзисторе VT1 и суммарной емкостью С_Σ корректирующего конденсатора С4 и коллекторного перехода транзистора VT3 (S_пp=I_п/C_Σ). При I_п=1,2 мА и С_Σ=60 пФ S_пр=20 В/мкс.

Для исключения динамических искажений в усилителе, S_пp должна быть не менее 3 В/мкс, т.е. рассматриваемый усилитель имеет, как минимум, пятикратный запас по быстродействию. Поэтому он способен обеспечить на частоте 100 кГц мощность в нагрузке лишь на 3 дБ меньше номинальной.

В тех случаях, когда допустимо некоторое увеличение коэффициента гармоник, выходной каскад усилителя можно перевести в режим В (с нулевым током покоя выходных транзисторов). Для этого между базами холодных транзисторов VT13, VT14 необходимо (резистором R16) установить напряжение 0,8-0,9 В. Искажения типа «ступенька» при этом будут отсутствовать, так как в переходной зоне, когда выходные транзисторы закрыты, ток в нагрузке усилителя обеспечивается предоконечным каскадом.

Наибольший коэффициент гармоник (0,1%) будет в этом случае на частоте 20 кГц при выходной мощности около 0,25 Вт. На средних частотах звукового диапазона и при больших выходных мощностях он снизится до 0,002-0,02% (измерения продуктов искажений усилителя проводились в полосе частот 0-2 МГц).

Анализ спектрального состава продуктов искажений, вносимых усилителем, показал, что наиболее мощные составляющие приходятся на область частот 100-2000 кГц, т. е. лежат за пределами звукового диапазона. Мощность компонентов, попадающих в полосу звуковых частот, очень мала по сравнению с полной мощностью продуктов искажений и составляет примерно одну тысячную ее часть. Поэтому подобные искажения можно рассматривать как высокочастотную помеху, не воспринимаемую на слух, а значит, и не влияющую на качество звучания несмотря на то, что объективно измеренный (в широкой полосе частот) коэффициент гармоник усилителя может быть довольно большим.

Видимо, имеет смысл практически исследовать степень заметности таких искажений на слух и, если они не будут оказывать заметного влияния на качество звучания, можно поставить вопрос о нормировании коэффициента гармоник высококачественных усилителей мощности ЗЧ (естественно, на достаточно малом уровне) с учетом только тех составляющих, которые попадают в полосу частот 20-20000 Гц.

Интересно, что измеренный таким способом (в полосе частот 5-20000 Гц) коэффициент гармоник рассматриваемого усилителя (в режиме В) не превышал 0,003% в диапазоне частот 20-20000 Гц и выходных мощностей 2-70 Вт, что подтверждает сказанное выше о спектральном составе продуктов искажений. Измеренный этим же способом коэффициент гармоник усилителя, выходной каскад которого работает в режиме АВ, не превышает 0,002% в тех же диапазонах частот и выходных мощностей, что говорит о высокой эффективности ООС в полосе звуковых частот. При мощности менее 2 Вт продукты искажений столь малы, что маскируются выходными шумами усилителя, поэтому измерение коэффициента гармоник становится практически невозможным.

Автор: Зуев П., г. Челябинск.

По материалам: журнала “Радио” за 1984 год, №11 и №12.