Схемотехника выходных каскадов усилителей мощности. Безооосный унч с tnd каскадом Каскады унч

Одним из вариантов заметного повышения качества воспроизведения музыкальных файлов является способ разделения сигнала на частотые составляющие (НЧ, СЧ, ВЧ) в предварительных маломощных каскадах и дальнейшее их усиление соответствующими узкополосными усилителями и динамическими системами. Такой вариант позволяет, например, избавиться от необходимости применения пассивных RLC-фильтров в акустических системах, которые вносят неизбежные затухания и искажения в сигнал уже на выходе его из усилительного тракта. Также, такой вариант даёт возможность применения раздельных акустических систем для низких частот () и значительно менее требовательных к мощности небольших СЧ и ВЧ излучателей. Требования к характеристикам самих усилителей мощности тоже не одинаковы для НЧ, СЧ и ВЧ сигналов и предлагаемый вариант даёт возможность использовать такие усилители оптимальным образом. В этой статье будет приведён пример построения системы раздельного, двухполосного воспроизведения средней мощности. При её изготовлении ставилась задача максимально эффективного использования имеющихся ещё с советских времён малогабаритных широкополосных акустических систем «Radiotehnika S-30» и АС «PHILIPS FB-20PH». Конечно, с предлагаемым усилителем возможно применение и любых других систем, аналогичных по мощности и характеристикам.

Как известно всем, кто сталкивался в своё время с колонками S-30, качество воспроизведения звука этими АС было весьма посредственным, особенно в среднем диапазоне (СЧ-ВЧ) из за применения динамических головок с не очень высокими параметрами. Но использовать эти колонки в качестве «сабвуферов» для обычных жилых помещений вполне возможно. В то же время имеющиеся колонки от миникомплекса «PHILIPS»с номинальной мощностью по 20 Вт, довольно качественно воспроизводят как раз СЧ-ВЧ составляющие сигнала, но имеют ощутимый завал на частотах ниже 90 Гц. Поэтому и возник такой вариант использования этой акустики с максимально возможной отдачей.

Одним из важных плюсов в этом варианте, как уже говорилось выше, является то, что усилитель мощности для каждой полосы частот — отдельный и может быть подобран по мощности и характеристикам оптимальным образом. Исходя из номинальных мощностей применяемой акустики, было принято решение использовать в качестве УМЗЧ специализированные микросхемы-усилители мощности (конечно, можно использовать МС других серий в соответствующем включении или, например, транзисторные схемы). Такие микросхемы мощностью до 45 ВТ на канал (содержат обычно 2, 4 канала) широко применяются в малогабаритной радиотехнике, например в автомагнитолах.

Предварительные каскады с фильтрами

Поскольку микросхемы усилителей мощности серии TDA, применённые в данном усилителе, имеют однополярное питание (+8...18 В), то и каскады предварительного усиления выбирались с однополярным питанием. При этом ставилась задача использовать схемы с минимальным количеством каскадов и активных элементов в них для снижения вносимых этими каскадами искажений в исходный сигнал. В качестве входного каскада с фильтром, выделяющим НЧ-составляющую сигнала, была применена схема на рис.1, опубликованная в своё время в одном из номеров журнала «Моделист-Конструктор», но с заменой транзисторов на современные аналоги и изменением частоты среза фильтра под вышеуказанную акустику.

Здесь транзистор Т1 работает как фазовращатель, напряжения в противофазе возникают на резисторах R3 и R4. Прямой сигнал снимается с эмиттера и подаётся на следующий каскад на транзисторе Т2. Он пропускает СЧ и ВЧ составляющие сигнала и задерживает низкие частоты, которые проходят на выход НЧ через каскад на Т3. Частота среза выбирается подбором конденсаторов С3 и С4, в данном случае она около 150 Гц. Частоту среза можно сдвинуть в сторону более высоких частот, уменьшая эти ёмкости. Например в исходной схеме, при ёмкостях С3=С4 = 330 пФ частота среза была указана равной 3 кГц. К сожалению, найти исходную схему с подробным описанием и расчётами мне не удалось, поэтому частота среза и эти ёмкости подбирались в готовой схеме опытным путём по наилучшему соотношению звучания НЧ и СЧ-ВЧ колонок. Крутизна среза фильтра около 12 дБ на октаву. Сигнал СЧ+ВЧ с выхода этого фильтра подаётся непосредственно на усилитель мощности средних-высоких частот, а низкочастотный сигнал на ещё один фильтр — инфранизких частот (сабсоник), который срезает частоты ниже 30 Гц (рис.2).

Это позволяет избавиться от соответствующих колебаний очень низких частот, которые практически не воспроизводятся применяемыми динамиками, тем не менее вызывают ненужные нам колебания их диффузоров с большой амплитудой, что приводит к большим перегрузкам и искажениям сигнала. Частота среза фильтра задаётся элементами С2, С3, С4, R4, R5, а режим работы транзистора Т1 подбором номинала резистора R3 (следует выставить на коллекторе этого транзистора примерно половину напряжения питания каскада, т. е. 4,5 V). На выходе фильтра включен переменный резистор (может быть от 10 до 100 кОм, это зависит от входного сопротивления включенного за ним усилителя мощности). С его помощью можно регулировать уровень усиления низких частот относительно СЧ-ВЧ для выравнивания суммарной частотной характеристики всей системы. Шунтирующий конденсатор C5 после переменного резистора нужен для дополнительного среза частот выше 1000 Гц, чтобы убрать возможные вч-шумы и наводки, а разделительный C6 мкФ можно не ставить, если на входе усилителя мощности такой конденсатор уже используется. Для снижения собственных шумов, схемы выбраны без использования оксидных электролитических конденсаторов в сигнальных цепях (за исключением входного конденсатора С1 первого фильтра, но и его можно заменить при желании на обычный, например, плёночный). Транзисторы в обоих фильтрах можно применить любые маломощные n-p-n структуры, но, желательно с высоким коэффициентом усиления и низким уровнем собственных шумов (2РС1815L, BC549C, BC550C, BC849C (smd) , BC850C (smd), BC109C, BC179C и др.)

Оконечные усилители мощности

Для упрощения схемы и в целях уменьшения размеров готового устройства, в качестве оконечных усилителей были использованы микросхемы серии TDA, которые широко применяются в малогабаритной аудио аппаратуре, например, в автомагнитолах. Эти микросхемы имеют, как правило, достаточно приемлемые характеристики для бытовой аппаратуры вполне высокого качества. При этом они имеют встроенные схемы защиты от перегрузки, перегрева и коротких замыканий в нагрузке. Мощностные характеристики определялись исключительно мощностями имеющихся акустических систем. Так, для СЧ-ВЧ полосы была использована МС TDA1558Q в мостовом включении. Эта МС может включаться по схеме 4 канала по 11 Вт, либо по мостовой схеме 2х22 Вт). Для колонок мощностью 20 ватт была применена такая мостовая схема включения (рис.3)

Схема предельно простая и отдельного описания, явно, не требует. Неиспользуемые выводы МС — 4,9,15 — следует оставить свободными. Если отдельный выключатель MUTE / ST-BY использоваться не будет, контакт 14 МС следует соединить напрямую с плюсовым проводом питания. Электролитический конденсатор большой ёмкости (2200 mF) желательно ставить как можно ближе к выводам МС. От его ёмкости зависит не только качество сглаживания питающего напряжения, но и перегрузочная способность усилителя. Конденсатор 0,1 mF в цепи питания ставится для фильтрация возможной высокочастотной составляющей. Рабочее напряжение всех элементов должно быть не ниже напряжения питания (+U).

Для низкочастотной полосы была использована одна из имеющихся в наличии оригинальных МС TDA7575. Эти микросхемы действительно «оригинальны» и встречаются, как правило, в аппаратах более высокого класса и мощности. Найти такую не очень просто, как и схему её подключения. Конечно, здесь можно применить и многие другие МС с подобными характеристиками (2 или 4 канала по 45 Вт), даташиты на которые без труда можно найти в интернете. Данная же микросхема здесь будет описана немного более подробно для тех, кто захочет применить именно её (рис.4).

Основные характеристики: мощность — 2х45 W или 1х75 W (на нагрузку 1 Om), линейная АЧХ 20...20 000 Гц, Rвх = 100 кОm.

Минусовые входные выводы 9 и 19 в моём варианте включения соеденины на «землю» (общий провод), НЧ сигнал подаётся на выводы 8 и 20 (соответственно левый и правый канал). В случае установки здесь входных конденсаторов по 0,33 мкФ, конденсатор С6 на выходе фильтра по схеме рис.2 ставить, естественно, не нужно. Как видно, в МС присутствуют различные входы и выходы дополнительного управления, которые в нашем случае не используются и их можно оставить свободными (выводы 3,13,14,16,17,18 и 25). Для включения МС в рабочий режим на контакты ST-BY и MUTE нужно подать напряжение питания +U. Микросхема позволяет подключать акустику сопротивлением 1 Ом и может тогда выдать мощность до 75 Вт, но при мостовом включении и, соответственно, в одноканальном режиме. При этом следует соблюдать следующие условия:

• запараллелить выходы (OUT1+ соединить с OUT2+; OUT1- соединить с OUT2-);
• минимизировать сопротивление выходного шлейфа, т.е. провода от выхода МС до динамика сделать как можно толще и короче, а для этого сам усилитель должен быть расположен рядом с динамиком. Сопротивления выходного шлейфа очень существенно влияет на коэффициент гармоник;
• входной сигнал подавать на вход IN2 (IN1 — оставить свободным или заземлить);
• на вывод «1 Om SETTING» подать U=2,5V (для двухканального варианта по 45 Вт, как в нашем случае, этот выход следует оставить свободным или соединить с общим проводом). Сам не пробовал использовать схему с таким включением для 1 Ом-динамика, так как у меня нет динамиков сопротивлением 1 Ом, поэтому привожу здесь как справку данные для такого варианта, которые смог найти в доступных мне источниках.

Источник питания

Для питания усилителя в целом были использованы два трансформатора мощностью по 60-70 Вт, по одному для для НЧ и СЧ-ВЧ каналов. Один трансформатор достаточной мощности (120 и более Вт) просто не «вписывался» в малогабаритный корпус по высоте. Стабилизаторов тоже, соответственно, два. Питание использованных здесь МС лежит в пределах от 8 до 18 вольт, поэтому трансформатор может быть выбран с соответствующим напряжением на вторичной обмотке и выходным током не менее 3-х ампер без значительной «просадки». После трансформатора ставятся обычные двухполупериодные мостовые выпрямители с диодами нужной мощности, или диодная сборка (например KBU810 на 8 А). Далее выпрямленное напряжение стабилизируется в схеме «умощнённого» стабилизатора на МС типа КРЕН8 или аналогичной с дополнительным регулирующим транзистором (рис.5)

Выходное напряжение стабилизатора может быть в пределах 12 — 17 вольт для достижения максимально возможной мощности при минимуме искажений. В данном случае применена микросхема KIA7812 с напряжением стабилизации 12 вольт и для поднятия выходного напряжения до 15-16 вольт между средним выводом и общим проводом установлен дополнительно стабилитрон на 3-4 вольта (КС133, КС 139). Поднимать напряжение питания до 18 вольт не следует, хоть такой предел и указан в даташитах на МС TDA, так как на практике, в момент включения возможно срабатывание системы внутренней защиты этих микросхем из-за «перегрузки». Можно питать усилители и нестабилизированным напряжением, но это увеличит их нагрев во время работы и уменьшит перегрузочную способность.

Каскады предварительного усиления — фильтры, возможно питать от этих же стабилизаторов, но лучше, всё-таки, сделать для них один общий стабилизатор на 9...12 вольт для развязки от помех и возможного взаимного влияния полосных каналов.

Все микросхемы (усилители мощности и стабилизаторы), а также дополнительные мощные транзисторы (КТ818 или аналогичные импортные) блока питания следует закрепить на теплоотводах достаточной площади. В моём случае все эти элементы расположены на одном общем теплоотводе, состоящим из двух параллельно закреплённых алюминиевых пластин толщиной 3 мм и размером 70х200 мм. Как правило, большинство микросхем TDA и аналогичных имеют минус питания на корпусе и их можно, соответственно, крепить к одному теплоотводу без изоляционных прокладок. Транзисторы же и микросхемы стабилизатора следует изолировать. Печатные платы в архиве .

Заключение

Использование усилителя по приведённым здесь схемам позволило значительно повысить качество воспроизведения фонограмм даже с использованием акустики среднего уровня и качества. При этом колонки PHILIPS никак не переделывались, а в S-30 были отключены все внутренние пассивные фильтры и СЧ-ВЧ-головка 6ГДВ-1, а НЧ сигнал подавался напрямую на НЧ динамик (25ГДН-1-4). Регулировка уровня НЧ составляющей позволяет сбалансировать общую частотную характеристику всей системы в зависимости от размеров помещения и расстояния слушателя до акустики. Специально для сайта - А. Барышев .

Обсудить статью СХЕМА САМОДЕЛЬНОЙ ДВУХПОЛОСНОЙ АС С УНЧ

Каскады предварительного усиления. Типовой источник сигнала раньше развивал выходное напряжение на уровне 50-200 мВ. На это напряжение ориентировали высококачественные усилители. Между входными гнездами и сеткой первой лампы раньше располагали корректирующие цепи, в которых сигнал ослаблялся минимум вдвое (6 дБ) на самом чувствительном входе. В тонкомпенсированном регуляторе громкости минимальное ослабление сигнала составляет еще 6дБ. Регуляторы тембра, обеспечивающие глубину регулирования ±20дБ, обычно ослабляют сигнал еще на 30-40дБ. При наличии во входных цепях катодных повторителей потери сигнала возрастали еще на 3-6дБ. Итак, общее затухание сигнала раньше составляло 45-58дб. Величина напряжения сигнала на сетках ламп оконечного каскада составляет в среднем 10-20 в. Отношение этой величины к входному напряжению сигнала составляет 10/0,05 = 200 (46 дБ). Итак, усиление предварительных каскадов с учетом затухания сигнала и необходимого напряжения на сетках ламп оконечного каскада раньше должно было иметь величину порядка 90-100 дб. Иначе говоря, коэффициент усиления предварительных каскадов должен быть равен примерно 100000. Это довольно значительная для низкочастотного усилителя величина. Если коэффициент усиления по напряжению каждого из усилительных каскадов равен примерно 10, то, очевидно, число каскадов должно быть равно 5. При коэффициенте усиления каждого каскада порядка 100 общее количество каскадов будет равно 3 (с некоторым запасом). Поскольку коэффициент усиления, равный 10 на каждый каскад, обеспечивает практически любой современный низкочастотный ламповый триод, а коэффициент усиления 100 на каскад является предельным даже для хороших НЧ пентодов, то можно утверждать, что для ламповых усилителей число каскадов предварительного усиления должно лежать в пределах от трех до пяти.

Сколько же каскадов делать: 3 или 5? Первым, разумеется, напрашивается ответ "3". Однако не стоит торопиться. Три каскада - это значит минимальный коэффициент усиления каскада равен корню третьей степени из 10000. Заметим, что это не μ лампы, а коэффициент усиления каскада, который редко превышает 50% от μ лампы. Следовательно, триоды отпадают. Значит, будет три каскада на пентодах или, в крайнем случае, два на пентодах и один на триоде. Последняя схема, не имеющая никакого запаса по усилению, не позволяет использовать в схеме отрицательную обратную связь, т.е. практически непригодна для Hi-Fi - усилителей, ибо без отрицательной обратной связи немыслимо снизить коэффициент нелинейных искажений и расширить частотный диапазон до требуемых величин. Три каскада на пентодах могут позволить ввести отрицательную обратную связь, но тогда на пентоде оказывается собран и первый, входной каскад, а в этом случае, как показывает опыт, практически невозможно добиться полного отсутствия микрофонного эффекта и уровня фона ниже - 60 дб. Другая крайность - пять каскадов на триодах - всегда обеспечивает нужный коэффициент усиления даже на самых плохих лампах, однако, применяя лампы со средним коэффициентом усиления порядка 20-50, без труда удается получить требуемый коэффициент усиления с достаточным запасом при четырех триодах (т. е. на двух сдвоенных лампах). Такая схема и является наиболее распространенной. Правда, многие зарубежные фирмы выпускают специально разработанный пентод для входного каскада с малым уровнем собственных шумов и не склонный к микрофонному эффекту (EF-184, EF-804 и др.). Применяя такой пентод и последующие триоды с большим μ (90-120) по типу ЕСС-83, удается получить нужный коэффициент усиления на трех каскадах по системе пентод - триод – триод, но во-первых, такая система требует применения специальных ламп, а во-вторых - очень высокого качества трансформаторной стали, высокочувствительных оконечных ламп и т.д. Поэтому такая схема не подходит.

Примечание. В 21 веке ситуация существенно изменилась. Физические аналоговые каскады предварительного усиления сейчас никто не городит. Предварительную обработку сигнала доверяют высококачественным ЦАПам. Входной сигнал считают нормой в 1-2 вольта. Поэтому для лампового оконечника достаточно усиления в 20-50 раз. А с такой задачей справляется одна электронная лампа в каскаде предварительного усиления. Это, например, двойной триод, в котором совмещены функции фазоинвертора. Именно поэтому весь мусор от многочисленных последовательных каскадов остался в далёком прошлом. Евгений Бортник.

Фазоинверторы. Если фазоинвертор собран по схеме, в которой каждое плечо является одновременно и усилителем (например, по схеме рис.1), то коэффициент усиления этого плеча учитывается в общем усилении тракта. Напоминаем, что учитывать нужно усиление только одного плеча, так как второе плечо инвертора является лишь согласователем для второго плеча двухтактного оконечного каскада и не входит в общий усилительный тракт.

Если же фазоинвертор собран по схеме симметричного катодного повторителя (рис.2), то его коэффициент усиления всегда меньше единицы, поэтому такой каскад не только не является усилительным каскадом, но еще требует дополнительного увеличения общего усиления на 4-6 дб.

Методика выбора коэффициента усиления для усилителя на транзисторах совершенно та же. Теперь конкретно о самих схемах каскадов предварительного усиления (КПУ). Это - простейшие резистивные усилители без каких-либо схемных особенностей. Типичным для всех каскадов, как на триодах, так и на пентодах, являются уменьшенные в 2-5 раз по сравнению с оптимальными расчетными величинами анодных (коллекторных) нагрузок для расширения полосы пропускания в сторону более высоких частот, увеличенные до 0,1-0,25 мкф переходные конденсаторы и до 1-1,5 Мом резисторы утечки сетки для снижения спада частотной характеристики на низких частотах, применение отрицательной обратной связи по току во всех каскадах, кроме того, на котором собран блок регулировок частотной характеристики. Что касается самих усилительных элементов, то за последние годы появилось множество различных новых типов ламп и транзисторов с отличными параметрами. Так, величина S у маломощных ламп стала равна 30-50 мА/В против привычных значений 3-10 мА/В, в связи с чем резко возросла чувствительность ламп. Подсчеты показывают, что теоретически все предварительное усиление можно получить даже на двух каскадах с такими лампами. Однако полезно будет предостеречь любителей от поспешности в выборе таких ламп. И дело здесь не в консерватизме, а в том, что увеличение, скажем, крутизны ламп достигается резким уменьшением зазора между управляющей сеткой и катодом, что значительно повышает склонность лампы к появлению термотоков и вытекающих из этого огромных нелинейных искажений. Немаловажны, также большая стоимость и меньшая долговечность таких ламп. Можно утверждать, что такие проверенные многолетней практикой лампы как 6Н1П, 6Н2П, 6НЗП, 6Н23П, 6Н24П, 6Ж1П, 6Ж5П вполне годятся для предварительных каскадов даже самых лучших, самых современных усилителей. Для примера, ниже показаны несколько схем КПУ на лампах в их обычных режимах

На рис.3. показаны каскады предварительного усиления на лампах. а - двухкаскадный усилитель с междукаскадной внутренней обратной связью; б - каскад с линеаризирующей обратной связью в цепи защитной сетки.

Оконечные и предоконечные каскады – усилители мощности. Формально предоконечные каскады (драйверы, от английского слова drive - возбуждать, задавать, раскачивать) относят к усилителям напряжения, т. е. к предварительным каскадам, однако рассмотрены они в этом, а не в предыдущем параграфе, чтобы подчеркнуть, что по характеру работы и по режимам использования драйверы значительно ближе к оконечным усилителям, т.е. усилителям мощности. Для Hi-Fi усилителей характерна значительная величина выходной мощности порядка 15-50Вт. Это значит, что для возбуждения (раскачки) оконечного каскада без заметных нелинейных искажений уже требуется мощность порядка 1-5Вт, при напряжении до 25-35В, а если учесть требования к уменьшению нелинейных искажений, то становится ясным, что обычные маломощные триоды не могут обеспечить возбуждения мощных оконечных ламп. Поэтому логичным и оправданным становится использование в последнем каскаде усиления напряжения мощных ламп. Возможно, что теоретически более правильно предоконечные каскады во всех случаях делать трансформаторными или дроссельными, чтобы получить наибольшую величину коэффициента использования по анодному напряжению ξ, однако есть несколько соображений, почему этого делать не следует. Трансформаторный каскад всегда вносит заметные частотные искажения, а при мощностях свыше 1-2 вт и ощутимые нелинейные искажения. К тому же трансформаторы относительно дороги, сложны и трудоемки в изготовлении, тяжелы и громоздки, чувствительны к магнитным наводкам и одновременно являются источником наводок звуковой частоты для других цепей усилителя (в первую очередь входных).

В то же время в распоряжении радиолюбителей сейчас есть лампы средней мощности, широкополосные и экономичные, позволяющие без труда получить неискаженную мощность порядка 2-4Вт на активном сопротивлении нагрузки. К ним в первую очередь нужно отнести лампы типов 6П15П, 6Э5П, 6Ф3П, 6Ф4П, 6Ф5П, 6Ж5П, 6Ж9П и др. Впрочем, к этому вопросу нужно подходить внимательнее. В ряде случаев по соображениям более простого согласования всё же целесообразно использовать трансформаторную связь. Схемы предоконечных усилителей показаны ниже

Для оконечных НЧ каскадов мощностью до 10-12 Вт радиолюбители в большинстве случаев используют лампы типа 6П14П отчасти потому, что они довольно легко обеспечивают получение указанной мощности. Кроме того, других подходящих для этой цели ламп, к сожалению, нет. Такую устаревшую, хотя и очень неплохую лампу, как 6П3С (6L6) в наше время рекомендовать нельзя, а более мощных специальных ламп для оконечных каскадов УНЧ по типу немецкой EL-34 промышленность не выпускает. [Странное заключение, безо всяких оснований, в 1980-90 гг нельзя рекомендовать применение 6П3С! Чистый волюнтаризм из совдепии. В 21 веке, например, лампы 6П3С могут быть настойчиво рекомендованы для конструирования лампового усилителя. Важно найти экземпляры в хорошей сохранности. Е.Б.] Нередко люди пытаются путем форсирования режима получить большую мощность от тех же ламп 6П14П, однако такой путь совершенно недопустим из-за резкого ухудшения надежности усилителя и возрастания нелинейных искажений при появлении сеточного термотока.

Учитывая сказанное, можно рекомендовать радиолюбителям применять лампы 6П14П в любых двухтактных схемах только при мощностях, не превосходящих 10 вт. [Поразительно бессмысленная рекомендация в стиле, «раз ничего хорошего нету, ну и делайте, то, что делаете». Автор вроде крутой авторитет, а пишет ахинею. Е.Б.] При большей выходной мощности надо переходить на такие явно не "низкочастотные" лампы, как 6П31С, 6П36С, 6П20С, ГУ-50, 6Н13С (6Н5С) как в классических двухтактных и ультралинейных схемах, так и в менее знакомых радиолюбителям мостовых схемах, называемых также двухтактно-параллельными. Первые три из указанных ламп предназначены для использования в оконечных каскадах строчной развертки телевизоров и позволяют снимать с двух ламп мощность до 25Вт, генераторная лампа ГУ-50 при анодном напряжении 500-750 в (а она по паспорту имеет Uа.раб = 1000 в) легко отдает в двухтактной схеме мощность 40-60Вт; двойной триод 6Н13С, сконструированный специально как управляющая лампа в схемах электронных стабилизаторов напряжения, имеет очень низкое внутреннее сопротивление и при сравнительно небольшом анодном напряжении позволяет получить в обычной двухтактной схеме мощность не менее 15Вт (на один баллон), а при включении в каждом плече по два триода параллельно (два баллона) в обычной двухтактной и в мостовой схемах обеспечивает выходную мощность до 25вт. Используя перечисленные лампы, радиолюбитель получает большой выбор для творческой деятельности.

[Очередная рекомендация в смутном состоянии сознания. Интересно, почему для творческой деятельности не подходят сдвоенные или строенные лампы? Может автор просто не знает правила параллельного соединения радиоэлементов? А именно параллельное соединение, при качественном подборе экземпляров, даёт массу промежуточных вариантов очень мощных усилителей с достойными характеристиками. Странно читать рекомендацию лампы 6П31С, которая ничуть не мощнее, чем 6П14П, зато значительно кривее по характеристикам. А ещё с разочарованием приходится наблюдать резвые рекомендации в применении ламп 6Н13С (запараллеленных кстати). Удивительная демонстрация легкомыслия, поскольку автор совершенно не ориентируется в практике, ведь лампы 6Н13С редкостное гуано. Разброс характеристик половинок имеет диапазон 100% и более. Их практически невозможно точно подобрать для параллельного включения, поэтому усилитель не может выдать значительную мощность в нагрузку без перегрева одной из половинок, и коэффициент использования вряд ли превысит 40-50%. И простые схемы параллельного включения для 6Н13С, без выравнивающих обвесов, непригодны. А рассуждения про лампы умиляют, ведь есть большое количество других превосходных ламп, в отличие от рекомендованных, например 6П13С, 6П44С, 6П45С, Г807, в крайнем случае годятся лампы 6Р3С. Е.Б.]

Рис.5. Мощные оконечные каскады низкочастотного тракта УНЧ. а - на лампах 6П36С в ультралинейном включении; б - на лампах ГУ-50 в двухтактно-параллельной схеме; в - на лампах 6Н13С с балансировкой фиксированного смещения

Поскольку все схемы были рассмотрены как низкочастотные, т.е. рассчитанные на ограниченную полосу пропускания (не свыше 5-8 кГц), ничего не говорилось о выходных трансформаторах, дросселях, и автотрансформаторах. Все они - самые обычные, собранные на Ш-образных или ленточных сердечниках из простой трансформаторной стали толщиной 0,35мм. К конструкции каркаса и обмоткам не предъявляется повышенных требований, за исключением высокой степени симметрии отдельных половин первичной обмотки. Это требование особенно существенно для ультралинейных схем включения оконечных ламп. Величины индуктивности рассеяния и емкости первичной обмотки не существенны. Вторичные обмотки при мощностях свыше 10Вт надо наматывать возможно более толстым проводом для уменьшения активных потерь. Желательно сделать несколько отводов, чтобы подобрать наилучший режим работы оконечного каскада. Подробнее этот вопрос рассмотрен в следующем параграфе. Высокочастотные оконечные каскады двухканальных Hi-Fi усилителей существенно отличаются от низкочастотных, поэтому и рекомендации относительно них будут другими. Прежде всего, это относится к типам ламп. [Поразительные рассуждения . Автор изобрёл собственную классификацию НЧ и ВЧ. Даже махровому дилетанту, причитавшему раздел про вакуумные лампы, прежде всего, очевидно то, что придуманное частотное разделение никакого отношения к вакуумным лампам не имеет вообще, их диапазон уходит в сотни мегагерц. Лампе 6П14П фиолетово, сигналы какой частоты усиливать, будь то 0,1кГц, 1кГц, 5кГц, 8 кГц, 16 кГц или 32кГц. А вот в отношении согласующего трансформатора этот вопрос уже актуален. Но и здесь беспокойств не нужно, т.к. до 18-20кГц годятся обычные трансформаторы, ничего наматывать вовсе не надо. А для частот выше 20кГц следует переходить на ферриты. Такое ощущение, что автор ничего не слышал про секционирование обмоток для улучшения АЧХ, и рекомендует толстый провод вторичной обмотки. А понятие АКТИВНЫЕ ПОТЕРИ - абсолютный собачий бред, поскольку пассивных потерь не бывает и реактивных потерь тоже нетю. Е.Б.]

Поскольку мощность высокочастотных каналов даже в усилителях экстра-класса лежит в пределах 10-12 вт, наиболее подходящими будут лампы 6П14П и 6Н13С. Наилучшие схемы включения - двухтактная ультралинейная, мостовая на 6П14П в триодном включении и "двухэтажная" на 6Н13С. Относительно последней схемы, наиболее часто встречающийся вариант которой, приведен на рис.6, можно сказать, что хотя она и не нова в теоретическом смысле, однако массовое распространение в радиовещательной аппаратуре получила только в 60-х годах прошлого века. Как это нередко бывает, схема стала очень распространенной, причем, говоря о достоинствах схемы, обычно умалчивали о ее недостатках. Попробуем объективно оценить и те и другие.

[Прежде всего, предлагаю здраво оценить самое важное последствие создания бестрансформаторных схем. Прошедшие 50 лет показали, что никакого распространения такие схемы не получили, да и не могли получить. С повышением уровня жизни ценность здоровья возрастает. Поэтому главный и непреодолимый недостаток бестрансформаторный схем – отсутствие гальванический развязки с источником высокого напряжения, никогда не позволит таким схемам достичь хоть какого-то распространения среди человеческого населения. А фантазёры пусть изучают и анализируют режимы такой схемотехники хоть до посинения.]

Рис.6. Одна из наиболее распространенных схем оконечного каскада с последовательным включением ламп по постоянному току

Последовательное включение двух ламп по постоянному току равносильно тому, что по переменному току обе они относительно нагрузки включены параллельно, в силу чего их общее внутреннее сопротивление фактически вчетверо меньше, чем у обычного двухтактного каскада. Если для такой схемы взять лампы, внутреннее сопротивление которых ниже обычного, а в качестве нагрузки использовать сравнительно высокоомные громкоговорители, то оказывается, что выходной трансформатор по расчету имел бы в этом случае коэффициент трансформации, близкий к единице или, во всяком случае, измеряемый единицами. Тогда оказывается возможным подключить нагрузку к лампам непосредственно, без выходного трансформатора. Это, разумеется, является безусловным достоинством схемы. Однако за это достоинство приходится дорого расплачиваться. Прежде всего, непосредственное включение нагрузки все-таки оказывается невозможным из-за наличия в точках ее включения, половины напряжения источника питания (120-150В). Поэтому громкоговорители приходится включать через разделительный конденсатор, емкость которого прямо связана с активным сопротивлением нагрузки и нижней границей полосы пропускания. Действительно, если допустимая потеря напряжения полезного сигнала на разделительном конденсаторе составляет 10% от величины самого сигнала, то при Rн=20Ом и fниж=40Гц реактивное сопротивление конденсатора не должно превышать 2 Ом, откуда его емкость равна

Ясно, что такую емкость может иметь только электролитический конденсатор, но при этом нужно помнить, что его рабочее напряжение должно быть по крайней мере не ниже полного напряжения источника питания, т.е. 300-350В. И тогда оказывается, что стоимость такого конденсатора ничуть не ниже стоимости выходного трансформатора, тем более, что трансформатор в отличие от конденсатора радиолюбитель в случае необходимости всегда может изготовить сам. Конечно, можно изготовить громкоговоритель с сопротивлением звуковой катушки не 20, а 200 Ом, что позволит при тех же условиях уменьшить емкость разделительного конденсатора до 200мкФ, однако в этом случае резко возрастает стоимость громкоговорителя. Впрочем, это не единственный недостаток данной схемы. Второй состоит в том, что при последовательном включении ламп по постоянному току к каждой из них оказывается приложена только половина напряжения анодного источника, поэтому схема может хорошо работать только на специальных лампах, номинальное анодное напряжение которых не превышает 100-150В. Однако большинство ламп подобного типа имеют незначительную максимальную отдаваемую мощность, редко превышающую единицы ватт. Кроме того, исследования показали, что при использовании пентодов эта схема принципиально несколько асимметрична, что делает ее мало пригодной для оконечных НЧ каскадов Hi-Fi усилителей. В высокочастотных каскадах первый недостаток сразу же отпадает, поскольку при выбранных в предыдущем расчете величинах и нижней границе ВЧ канала fниж=2кГц величина емкости разделительного конденсатора

причем в этом случае десятипроцентная потеря сигнала будет иметь место только в самой худшей, практически нерабочей части полосы пропускания, а на fверх=20кГц потери сигнала составят всего лишь 1%. Кроме того, требуемая выходная мощность для оконечного ВЧ каскада значительно меньше, чем для НЧ каскада, что позволяет использовать в этой схеме двойной триод 6Н13С, имеющий низкое внутреннее сопротивление и хорошо работающий при низких анодных напряжениях. Практическая схема такого каскада приведена на рис.7.

Рис.7. Практическая схема "двухэтажного" оконечного каскада на двойном триоде 6Н13С (6Н5С)

Если мощность ВЧ канала не превышает 2-3Вт, можно собрать оконечный каскад по схеме рис.8 на лампах типов 6Ф3П или 6Ф5П. Выходной трансформатор для этой схемы собирают на ленточном сердечнике при толщине ленты не более 0,2мм либо на Ш-образном пермаллое. Для того, чтобы ультралинейная схема дала ощутимый результат и нелинейные искажения действительно были порядка 0,2-0,5%, точку отвода первичной обмотки нужно в каждом случае подбирать опытным путем непосредственно по результатам измерений к.н.и. в процессе налаживания усилителя. Для этого при намотке трансформатора у каждой половины первичной обмотки нужно предусмотреть по 4-6 отводов.

Рис.8. Двухтактный высокочастотный оконечный каскад на лампах 6Ф3П или 6Ф5П (Рвых=2,5Вт)

Для транзисторных усилителей "двухэтажная" схема, напротив, оказывается предпочтительнее всех остальных. Это объясняется низкими величинами внутреннего сопротивления мощных транзисторов и коллекторного напряжения (по сравнению с лампами). Поэтому обеспечивается отличное согласование каскада с нагрузкой даже при использовании обычных низкоомных громкоговорителей, например, типа 4ГД-35. Кроме того, разделительный конденсатор оказывается небольших размеров даже при емкости 2000-5000мкФ, поскольку его рабочее напряжение не превышает 20-30В. Такие схемы широко распространены и радиолюбителям хорошо известны.

В качестве некоторого обобщающего заключения могу привести несколько соображений, которые в 21 веке будут наверняка восприняты как рациональные. Первое соображение – правильность обсуждения автором только двухтактных усилителей, поскольку однотактные схемы предназначены для начинающих. Второе – основательность подхода к систематизации схемотехники каскадов тоже заслуживает уважения. Третье – бесспорная квалификация автора в некоторых случаях граничит с поразительными предрассудками, а промахи в размышлизмах видимо есть следствие высокой теоретической подготовки и недостаточной практической опытности автора. Четвертое – прошедшие десятилетия существенно изменили расклад, как в основных понятиях, так и в схемотехнике, особенно в отношении выходных каскадов высокоэффективных усилителей. Да и церемонности чрезмерной сейчас уже нет. Многое стало проще и понятнее. Некоторые понты умерли не показав жизнестойкости. Но зато им на смену появилить новые понты, вроде бескислородной меди. Очень важным представляется необходимость осознания того факта, что изменение технологического уклада общества не должно изменять принципиальные жизненные ценности, например славянской цивилизации. По материалам из книги Гендина, скачанным в сети публикацию подготовил

Евгений Бортник, Красноярск, Россия, март 2018

Структурная схема полного усилителя низкой частоты УНЧ изображена на Рис.14.

Рис.14 Структурная схема УНЧ.

Входной каскад выделен с группы каскадов предварительного усиления, так как к нему предъявляются дополнительные требования по согласованию с источником сигнала.

Для уменьшения шунтирования источника сигнала R i низким входным сопротивлением усилителя R ВХ~ должно выполнятся условие: R ВХ~ >> R i

Чаще всего входным каскадом является эмиттерный повторитель, в которого R ВХ~ достигает 50 кОм и более или используются полевые транзисторы, обладающие очень большим входным сопротивлением.

Кроме этого входной каскад должен обладать максимальным отношением сигнал / шум, так как он определяет шумовые свойства всего усилителя.

Регулировки позволяют оперативно устанавливать уровень выходной мощности (громкость, баланс) и изменять форму АЧХ (тембр).

Оконечные каскады обеспечивают требуемую выходную мощность в нагрузке при минимальных нелинейных искажениях сигнала и высокой экономичности. Требования к оконечным каскадам определяются их особенностями.

1. Работа усилителя мощности на низкоомную нагрузку акустических систем требует оптимального согласование оконечного каскада с полным звуковым сопротивлением АС: R ВЫХ~ ≈ R Н .

2. Оконечные каскады потребляют основную часть энергии источника питания и экономичность для них является одним из основных параметров.

3. Доля нелинейных искажений, вносимых оконечными каскадами, составляет 70…90%. Это учитывается при выборе их режимов работы.

Предоконечные каскады . При больших выходных мощностях усилителя назначение и требования к предоконечным каскадам аналогичны оконечным каскадам.

Кроме этого, если двухтактные оконечные каскады выполнены на транзисторах одинаковой структуры, то предоконечные каскады должны быть фазоинверсными .

Требования к каскадам предварительного усиления вы­текают из их назначения - усиливать напряжение и ток, создавае­мые источником сигнала на входе, до величины, необходимой для возбуждения каскадов усиления мощности.

Поэтому наиболее важными показателями для многокаскадного предварительного усилителя являются: коэффициент усиления напряжения и тока, частотная характеристика (АЧХ) и час­тотные искажения.

Основные свойства каскадов предварительного усиления:

1. Амплитуда сигнала в предварительных каскадах обычно мала, поэтому в большинстве случаев нелинейные искажения невелики и могут не учитываться.

2. Построение каскадов предварительного усиления по однотактным схемам требует применения в нихнеэкономичного режима А, что практически не сказывается на общей экономичности усилителя из-за малых значений токов покоя транзисторов.

3. Наибольшее распространение в предварительных каскадах получила схема включения транзистора с общим эмиттером, позволяю­щая получить наибольшее усиление иимеющая достаточно большое вход­ное сопротивление, так что каскады можно соединить без согласующих трансформаторов, не теряя в усилении.

4. Из возможных способов стабилизации режима в предварительных каскадах наибольшее распространение получила эмиттерная стабилизация как наиболее эффективная и простая по схеме.

5. Для улучшения шумовых свойств усилителя, транзистор первого каскада выбирают малошумящим с большим значением статического коэффициента усиления по току h 21э >100, а его режим по постоянному току должен быть сла­боточным I ок = 0,2…0,5 мА, а сам транзистор для повышения входного сопротивления УНЧ включают по схеме с общим коллектором (ОК).

Для исследования свойств предварительных каскадов уси­ления составляется эквивалентная электрическая схема их по перемен­ному току. Для этого транзистор заменяется схемой замещения (эк­вивалентным генератором Е ВЫХ , внутренним сопротивлением R ВЫХ ,проходной емкостью С К ),а к нему подключаются все элементы внеш­ней цепи, влияющие на коэффициент усиления и АЧХ (частотные ис­кажения).

Свойства предварительных каскадов усиления определяют­ся схемой их построения: с емкостной или гальванической связями, на биполярных или полевых транзисторах, дифференциальные , каскодные и другие специальные схемы.

При решении многих инженерных задач возникает необходимость в усилении электрических сигналов. Для этой цели служат усилители, т.е. устройства, предназначенные для усиления напряжения, тока и мощности. В усилителях обычно используют биполярные и полевые транзисторы и интегральные микросхемы.

Простейшим усилителем является усилительный каскад.

Состав простейшего усилительного каскада:

УЭ – нелинейный управляемый элемент (биполярный или полевой транзистор);

R – резистор;

E – источник электрической энергии.

Усиление основано на преобразовании электрической энергии источника постоянной э.д.с. E в энергию выходного сигнала за счет изменения сопротивления УЭ по закону, задаваемому входным сигналом.

Основные параметры усилительного каскада:

Для многокаскадных усилителей

В зависимости от диапазона усиливаемых частот входных сигналов усилители подразделяют:

УПТ (усилители постоянного тока) - для усиления медленно изменяющихся сигналов;

УНЧ (усилители низкой частоты) - для усиления сигналов в диапазоне звуковых частот (20-20000 Гц);

УВЧ (усилители высокой частоты) - для усиления сигналов в диапазоне частот от десятков килогерц до десятков и сотен мегагерц;

Импульсные/широкополосные - для усиления импульсных сигналов, имеющих спектр частот от десятков герц до сотен мегагерц;

Узкополосные/избирательные - для усиления сигналов в узком диапазоне частот.

По способу включения усилительного элемента разделяют:

В случае применения биполярного транзистора в качестве усилительного элемента:

С общей базой

С общим эмиттером

С общим коллектором

В случае использовании полевого транзистора:

С общим истоком

С общим стоком

С общей базой

Усилительный каскад с общим эмиттером.

Усилительный каскад с ОЭ является одним из наиболее распро­страненных усилительных каскадов, в котором эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей.

Схема усилительного каскада с ОЭ для бипо­лярного транзистора структуры п-р-п.

Для коллекторной цепи усилительного каскада в соответствии со вторым законом Кирхгофа можно записать следующее уравнение электрического состояния:

ВАХ коллекторного резистора Rк является линейной, а ВАХ транзистора нелинейна и представляет собой семейство выходных (коллекторных) характеристик эмиттера, включенных по схеме с ОЭ.

Расчет нелинейной цепи, т.е. определение I к , , и U к для различных токов базы I б и сопротивлений резистора R к , можно провести графически. Для этого на семействе выходных характеристик транзистора необходимо провести прямую из точки E к на оси абсцисс ВАХ резистора Rк, удовлетворяющую уравнению .

Точки пересечения нагрузочной прямой с линиями выходных характеристик дают графическое решение уравнения для данного R б и различных I б .

По этим точкам можно определить ток в коллекторной цепи, напряжения U кэ и .

Сопротивление резистора R к выбирают исходя из требований усиления входного сигнала. При этом необходимо учитывать, чтобы нагрузочная прямая проходила левее и ниже допустимых значений U к max , I к max , P к max и обеспечивала достаточно протяженный линейный участок переходной характеристики.

Эквивалентная схема замещения усилительного каскада с ОЭ и его параметры.

Считая , можно записать эти уравнения в виде

Решая совместно эти уравнения, получим

Знак минус означает, что выходное напряжение находится в противофазе с входным. Получим формулу для коэффициента усиления по напряжению ненагруженного усилительного каскада с общим эмиттером :

Так как . Поэтому

Входное сопротивление усилительного каскада с ОЭ на низких частотах:

Выходное сопротивление усилительного каскада с ОЭ определяется выражением

Температурная стабилизация усилительного каскада с ОЭ

С
ущественным недостатком транзисторов является их зависимость от температуры. С повышением температуры за счет возрастания числа неосновных носителей заряда в полупроводнике увеличивается коллекторный ток транзистора. Это приводит к изменению выходных характеристик транзистора. При увеличении коллекторного тока наΔI k , коллекторное напряжение уменьшается на . Это вызывает смещение рабочей точки транзистора, что может вывести ее за пределы линейного участка характеристик транзистора, и нормальная работа усилителя нарушается.

Для уменьшения влияния температуры на работу усилительного каскада с общим выпрямителем, в его эмиттерную цепь включают резистор R э , шунтированный конденсаторомС э . В цепь базы для создания начального напряжения включают делитель напряжения.

Увеличение тока эмиттера из-за повышения температуры приводит к возрастанию падения напряжения на сопротивлении R э , что вызывает снижение напряжения , а это вызывает уменьшение тока базы. Ток эмиттера и коллектора сохраняют положение рабочей точки на линейном участке характеристики.

Влияние изменения тока коллектора в выходной цепи на входное напряжение транзистора называют отрицательной обратной связью по постоянному току. При отсутствии конденсатора работа усилительного каскада изменяется не только по постоянному току, но и по переменной составляющей.

Усилительный каскад с ОК

К
оллектор транзистора через источник питания соединен непосредственно с общей точкой усилителя, т.к. падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника незначительно. Можно считать, что входное напряжение подается на базу транзистора относительно коллектора через конденсаторС 1 , а выходное напряжение равно падению напряжения наR э , которое снимается с эмиттера относительно коллектора. Резистор задает начальный ток смещения цепи базы транзистора, который определяет положение рабочей точки в режиме покоя. При наличииU вх в цепи появляется переменная составляющая , которая создает падение напряжения наR э ( )

Коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада с ОК меньше единицы, поэтому его правильнее называть коэффициентом передачи напряжения.

Так как входное значение K u близко к единице, входное сопротивление эмиттерного повторителя много больше входного сопротивленияh 11 транзистора и достигает нескольких сотен килоом.

Выходное сопротивление эмиттерного повторителя имеет значение порядка десятков ом. Таким образом, эмиттерный повторитель обладает очень большим входным и малым выходным сопротивлением, следовательно, его коэффициент усиления по току может быть очень высоким.

Усилительный каскад на полевом транзисторе

У
силительные каскады на полевых транзисторах обладают большим входным сопротивлением.

В этом каскаде резистор R c , с по­мощью которого осуществляется усиление, включен в цепь стока. В цепь истока включен резистор R и , создающий необходимое паде­ние напряжения в режиме покояU 30 , являющееся напряжением сме­щения между затвором и истоком.

Резистор в цепи затвора R 3 обе­спечивает в режиме покоя равенство потенциалов затвора и общей точки усилительного каскада. Следователь­но, потенциал затвора ниже потен­циала истока на величину падения напряжения на резисторе R и от по­стоянной составляющей токаI и0 .Таким образом, потенциал затвора является отрицательным относитель­но потенциала истока.

Входное напряжение подается на резистор R 3 через раздели­тельный конденсатор С. При подаче переменного входного напряже­ния в канале полевого транзистора появляются переменные состав­ляющие тока истокаi и и тока стокаi с, причемi и i с. За счет паде­ния напряжения на резисторе R и от переменной составляющей тока i и , переменная составляющая напряжения между затвором и истоком, усиливаемая полевым транзистором, может быть значи­тельно меньше входного напряжения:

Это явление, называемое отрицательной обратной связью, при­водит к уменьшению коэффициента усиления усилительного кас­када. Для его устранения параллельно резистору R и включают конденсатор С и, сопротивление которого на самой низкой частоте усиливаемого напряжения должно быть во много раз меньше со­противления резистора R н . При этом условии падение напряжения от тока истокаi и на цепочке R и -С и, называемой звеном автомати­ческого смещения, очень небольшое, так что по переменной состав­ляющей тока исток можно считать соединенным с общей точкой усилительного каскада.

Выходное напряжение снимается через конденсатор связи С с между стоком и общей точкой каскада, т. е. оно равно переменной составляющей напряжения между стоком и истоком.

Обратные связи в усилителях

О
братной связью в усилителях называют подачу части (или всего) выход­ного сигнала усилителя на его вход.

Обратные связи в усилителях обычно создают специально. Од­нако иногда они возникают самопроизвольно. Самопроизвольные обратные связи называют пара­зитными.

Если при наличии обратной связи входное напряжение u вх складывается с напряжением об­ратной связи u ос , в результате чего на усилитель подается уве­личенное напряжение u 1, то такую обратную связь называют поло­жительной.

Если после введения обратной связи напряжения u 1 на входе иu вых на выходе усилителя уменьшаются, что вызывается вычита­нием напряжения обратной связи из входного напряженияu вх, то такую обратную связь называют отрицательной.

Все обратные связи делятся на обратные связи по напряжению и по току. В обратной связи по напряжениюu oc =βu вых, где β - коэффициент передачи четырехполюсника обратной связи. В об­ратной связи по токуu ос = R ос i вых, гдеR ос - взаимное сопротив­ление выходной цепи и цепи обратной связи. Кроме того, все об­ратные связи подразделяют на последовательные, при которых цепи обратной связи включают последовательно с входными цепями уси­лителя, и параллельные, когда цепи обратной связи включают параллельно входным цепям усилителя.

Влияние отрицательной обратной связи на коэффициент усиления.

Для усилителя без обратной связи

Вывод: введение отрицательной обратной связи уменьшает коэффициент усиления усилителя в 1+βК раз.

Введение положительной обратной связи по­вышает коэффициент усиления усилителя. Однако положительная обратная связь в электронных усилителях практически не применяется, так как при этом, как будет показано далее, стабильность коэффициента усиления значительно ухуд­шается.

Несмотря на снижение коэффициента усиления, отрицательную обратную связь в усилителях применяют очень часто. В результате введения отрицательной обратной связи существенно улучшаются свойства усилителя:

а) повышается стабильность коэффициента усиления усилителя при изменениях параметров транзисторов;

б) снижается уровень нелинейных искажений;

в) увеличивается входное и уменьшается выходное сопротивле­ния усилителя, и т. д.

Для оценки стабильности коэффициента усиления усилителя с обратной связью следует определить его относительное изменение:

Вывод: всякое изменение коэффициента усиления ослабляется действием отрицательной обратной связи в 1+βК раз.

Если значение βК много больше единицы, что представляет собой глубокую отрицательную обратную связь, то

В случае положительной обратной связи стабильность коэффициента усиления ухудшается:

Введение последовательной обратной связи по напряжению увеличивает входное сопротивление.

Схема усилителя с параллельной обратной связью:

При глубокой отрицательной обратной связи

3) магнитная связь, появляющаяся при близком расположении входных и выходных трансформаторов усилителя.

Усилители постоянного тока

Устройства, предназначенные для усиления сигнала очень низких частот (порядка долей Гц), имеющие амплитудно-частотную характеристику до самых низких частот называются усилителями постоянного тока (УПТ).

Требования к характеристикам УПТ:

в отсутствие входного сигнала должен отсутствовать выходной сигнал;

при изменении знака входного сигнала должен изменять знак и выходной сигнал;

напряжение на нагрузочном устройстве должно быть пропорционально входному напряжению.

Наилучшим образом данным требованиям удовлетворяют УПТ, построенные на дифференциальных балансных каскадах. Они так же обеспечивают эффективную борьбу с так называемым дрейфом нуля УПТ. Построены по принципу четырехплечевого моста.

У
равнение баланса моста:

При изменении Ек баланс не нарушается и в нагрузочном резисторе R н ток равен нулю. С другой стороны, при пропорциональном изменении сопротивлений резисторов R 1 , R 2 или R 3 , R 4, баланс моста тоже не нарушается. Если заменить резисторы R 2 , R 3 транзисторами, то получим дифференциальную схему, очень часто применяемую в УПТ.

В
дифференциальном усилителе сопротивления резисторов R 2 , R 3 в коллекторных цепях транзисторов выбирают равными, режимы обоих транзисторов устанавливают одинаковыми. В таких усилителях подбирают пары транзисторов со строго идентичными характеристиками.

На стабильность электрических режимов существенное влияние оказывает сопротивление резистора R 1 , который стабилизирует ток транзисторов. Чтобы можно было использовать резистор с большим сопротивлением R l , увеличивают напряжение источника питания Ек до значения Е 2 Е 1 , а в интегральных микросхемах часто вместо резистора R 1 применяют стабилизатор постоянного тока, который выполняют на 2-4 транзисторах.

Переменный резистор R п служит для балансировки каскада (для установки нуля). Это необходимо в связи с тем, что не удается подобрать два абсолютно идентичных транзистора и резисторы с равными сопротивлениямиR 2 , R 3 . При изменении положения движка потенциометра R п изменяются сопротивления резисторов, включенных в коллекторные цепи транзисторов, и, следовательно, потенциалы на коллекторах. Перемещением движка потенциометраR п добиваются нулевого тока в нагрузочном резисторе R н в отсутствие входного сигнала.

При изменении э. д. с. источника коллекторного питания Е 1 или смещения Е 2 изменяются токи обоих транзисторов и потенциалы их коллекторов. Если транзисторы идентичны и сопротивления резисторов R 2 , R 3 в точности равны, то тока в резисторе R H за счет изменения э. д. с. E l , Е 2 не будет. Если транзисторы не совсем идентичны, то появится ток в нагрузочном резисторе, однако он будет значительно меньше, чем в обычном, небалансном УПТ.

Аналогично изменения характеристик транзисторов вследствие изменения температуры окружающей среды практически не будут вызывать тока в нагрузочном резисторе.

В то же время при подаче входного напряжения на базу транзистора Т 1 изменятся его коллекторный ток и напряжение на его коллекторе, что вызовет появление напряжения на нагрузочном резисторе R н.

При тщательном подборе транзисторов и резисторов, при стабилизации напряжений источников питания дрейф удается снизить до 1-20 мкВ/°С или при работе в температурном диапазоне от -50 до +50°С составит 0,1-2 мВ, т. е. в сравнении с небалансным УПТ он может быть уменьшен в 20-100 раз.

По таким же схемам можно выполнять усилители на полевых транзисторах. Аналогичные балансные схемы могут быть построены на основе эмиттерных и истоковых повторителей.

Операционные усилители

Операционный усилитель – дифференциальный усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе в схемах с отрицательной обратной связью.

ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.

Схема и условное графическое обозначение интегральной микросхемы К140УД8:

Первый каскад на полевых транзисторах VТ 1 VТ 11 иVT 2 ,VT 9 , с каналом р-типа является симметричным дифференциальным каскадом с нагрузочными транзисторамиVТ 3 ,VT 10 . ТранзисторыVТ 4 ,VТ 5 образуют стабилизатор тока в истоковой цепи первого каскада.

Второй каскад - несимметричный дифференциальный каскад на двух эмиттерных повторителях - выполнен на транзисторах VT 7 ,VТ 12 . Связь между первым и вторым каскадами непосредственная.

Н
а составном транзистореVТ 15 , выполнен усилитель напряжения, нагрузкой которого служит полевой транзисторVT 17 . На выходе микросхем применен бестрансформаторный усилитель мощности на составных транзисторахVТ 20 ,VТ 22 иVТ 23 ,VТ 24 .

Микросхема К140УД8 имеет два входа (4- неинвертирующий, 3 - инвертирующий) и один выход (вывод 7), общий вывод 1 и выводы подсоединения питающих напряжений: 8 - для +E 1 и5- для -Е 2 . Выводы 2и 6используют для балансировки микро­схемы с помощью переменного резистора сопротивлением 10 кОм.

УПТ с преобразованием напряжения

Способ снижения дрейфа основан на двойном преобразовании усиливаемого напряже­ния.

Структурная схема:

Модулятор предназначен для преобразования медленно изменяю­щегося входного напряжения в переменное напряжение, амплитуда которого пропорциональна входному напряжению, причем при из­менении знака входного напряжения изменяется фаза переменного напряжения.

Uвх преобразуется с частотой от 50 Гц до 20 МГц.

Существует много различных схем модуляторов. Наиболее рас­пространенными из них являются:

модулятор с вибропреобразователем;

модулятор на транзисторах.

М
одулятор с вибропреобразователем пред­ставляет собой маломощный электромагнитный контактор, периодически (с частотой тока, питающего катушку электромагнита) подключающий входное напряжение то к верхней, то к нижней (по схеме) половине первичной обмотки трансформатора. При этом ток в первичной обмотке изменяет направление. Во вторичной обмотке трансфор­матора возникает переменное напряжение. Обычно применяется повышающий трансфор­матор с коэффициентом трансформации до 10, поэтому амплитуда напряжения в не­сколько раз больше входного напряжения.

Достоинство вибропреобразователя - не­большой дрейф, который определяется в основном термо-э. д. с. контактной пары и мо­жет быть снижен до 0,01-0,1 мкВ/ч (0,1- 0,5 мкВ/сут). Входное сопротивление равно 1-10 кОм.

Д – демодулятор – предназначен для преобразования переменного напряжения на входе, медленно изменяющегося постоянного напряжения на выходе.

Преимущества:

Низкий дрейф нуля;

Недостатки:

Плохая АЧХ в области высоких частот.

Модулятор, стоящий на входе усилителя, хорошо преобразует постоянные и медленно изменяющиеся напряжения. При увели­чении частоты входного напряжения работа модулятора ухудша­ется. В то же время на выходе демодулятора применяется сглаживающий фильтр. При частоте сигнала, приближающейся к частоте опорного напряжения u оп, фильтр не может отделить сигнал от опорного напряжения.

Для расширения диапазона частот применяют высокочастотные преобразователи, которые позволяют повысить частоту f оп до 0,5- 10 МГц.

Комбинированные усилители сочетают в себе преимущества усилителей без преобразователя напряжения и с ним.

Структурная схема комбинированного УПТ:

Комбинированный усилитель имеет дрейф на уровне УПТ с преобразованием спектра сигнала, а амплитудно-частотную ха­рактеристику не хуже, чем усилитель без преобразования спектра сигнала. Некоторая неравномерность амплитудно-частотной харак­теристики в области средних частот легко выравнивается за счет отрицательной обратной связи. (КД140УД13).

Операционные усилители являются основой большого класса усилителей со специальными частотными характеристиками. Это достигается применением различных цепей обратной связи.

В операционных усилителях обратная связь отрицательная, если она подается с выхода усилителя на инвертирующий вход. Действительно, при этом напряжение U oc , находящееся в фазе сU вых, будет в противофазе с входным напряжением на инверти­рующем входе. И наоборот, обратная связь является положитель­ной, если она подается на неинвертирующий вход. При последо­вательной обратной связи входной сигналu вх и сигнал обратной связи подаются на разные входы микросхемы, при параллельной - на один.

Самая суть для разбирающихся практиков

Усилитель собран по принципу «двойное моно», схема одного канала показана на рис.1 . Первый каскад на транзисторах VT1-VT4 – это усилитель напряжения с коэффициентом около 2,9 , второй каскад на VT5 – усилитель тока (эмиттерный повторитель). При входном напряжении 1 В выходная мощность около 0,5 Вт на нагрузке 16 Ом. Рабочий диапазон частот по уровню -1 dB примерно от 3 Гц до 250 кГц. Входное сопротивление усилителя – 6,5…7 кОм, выходное – 0,2 Ом.

Графики КНИ на частоте 1 кГц при выходной мощности 0,52 Вт и 0,15 Вт показаны на рис.2 и рис.3 (сигнал в звуковую карту подаётся через делитель «30:1»).

На рис.4 показан результат интермодуляционных искажений при измерении двумя тонами равного уровня (19 кГц и 20 кГц).

Усилитель собран в подходящем по размерам корпусе, взятом от другого усилителя. К цепям питания одного из каналов подключен блок управления вентиляторами (рис.5 ), контролирующий температуру одного из радиаторов выходных транзисторов (монтажная плата с навесным монтажом видна в центре на рисунке 6 ).

Оценка звучания на слух – «неплохо». Звук к колонкам не «привязан», панорама есть, но её «глубина» меньше, чем та, к которой привык. С чем это связанно, пока не выяснил, возможно (варианты с другими транзисторами, с изменением тока покоя выходных каскадов и поиском точек подключения входных/выходных «земель» были проверены).

Теперь для тех, кому интересно, немного об экспериментах

Эксперименты заняли достаточно долгое время и проводились немного хаотично – переходы с одного на другое делались по мере решения одних вопросов и появлению других, поэтому в схемах и измерениях могут быть заметны некоторые несовпадения. В схемах это отражается как нарушение нумерации элементов, а в измерениях - как изменение уровня шумов, наводок от сети 50 Гц, пульсаций 100 Гц и их продуктов (применялись разные блоки питания). Но в большинстве случаев замеры проводились несколько раз, поэтому неточности не должны быть особо значимыми.

Все эксперименты можно разбить на несколько. Первый был проведён для оценки принципиальной работоспособности TND каскада, следующие – для проверки таких характеристик, как нагрузочная способность, коэффициент усиления, зависимость линейности, работа с выходным каскадом.

Достаточно полную теоретическую информацию о работе TND каскада можно узнать из статей Г.Ф. Прищепова в журналах «Схемотехника» №9 2006 г. и «Радиохобби» №3 2010 г. (там примерно одинаковые тексты), поэтому здесь будет рассмотрено только его практическое применение.

Итак, первое – оценка принципиальной работоспособности

Сначала была собрана схема на транзисторах КТ315 с коэффициентом усиления около трёх (рис.7 ). При проверке оказалось, что с теми номиналами R3 и R4, что показаны на схеме, усилитель работает только с сигналами малого уровня, а при подаче 1 В происходит перегруз по входу (1 В – это уровень, который могут отдавать ПКД и звуковая карта компьютера, поэтому почти все измерения приведены к нему). На рисунке 8 на нижнем графике показан спектр выходного сигнала, на верхнем – входного и на нём видны искажения (КНИ должен быть около 0,002-0,006%). Глядя на графики и сравнивая уровни в каналах, надо учитывать, что выходной сигнал поступает в звуковую карту через делитель 10:1 (с входным сопротивлением около 30 кОм, резисторы R5 и R6 на рис.7 ) – ниже по тексту параметры делителя будут другими и об этом всегда будет указано).

Если считать, что появление искажений во входном сигнале говорит об изменении входного сопротивления каскада (что обычно вызвано неправильно выбранным режимом по постоянному току), то для работы с бОльшими входными сигналами следует увеличивать сопротивление R4 и, соответственно, для сохранения Кус равного трём, увеличивать R3.

После установки R3=3,3 кОм, R4=1,1 кОм, R1=90 кОм и повышения напряжения питания до 23В, удалось получить более-менее приемлемый значения КНИ (рис.9 ). Также выяснилось, что TND каскад «не любит» низкоомную нагрузку, т.е. чем больше будет сопротивление следующего каскада, тем меньше уровни гармоник и тем ближе к расчетному значению становится коэффициент усиления (ниже будет рассмотрен ещё один пример).

Затем усилитель был собран на печатной плате и к нему был подключен эмиттерный повторитель на составном транзисторе КТ829А (схема на рисунке 1 ). После установки транзистора и платы на радиатор (рис.10 ), усилитель был проверен при работе на нагрузку 8 Ом. На рисунке 11 видно, что сильно выросло значение КНИ, но это результат работы эмиттерного повторителя (сигнал со входа усилителя (верхний график) берётся в компьютер напрямую, а с выхода – через делитель 3:1 (нижний график)).

На рисунке12 показан график КНИ при входном сигнале 0,4 В:

После этого было проверено ещё два варианта повторителей – с составным транзистором из биполярных КТ602Б+КТ908А и с полевым IRF630A (ему потребовалось увеличение тока покоя за счёт установки на затворе +14,5В и уменьшения сопротивления R7 до 5 Ом при постоянном напряжении на нём 9,9 В (ток покоя около 1,98 А)). Лучшее, что получилось при входных напряжениях 1 В и 0,4 В, показано на рисунках 13 и 14 (КТ602Б+КТ908А), 15 и 16 (IRF630A):

После этих проверок схема вернулась к варианту с транзистором КТ829, был собран второй канал и после прослушки макета при питании от лабораторных источников, был собран усилитель, показанный на рисунке 6 . Два или три дня ушло на отслушивание и мелкие доработки, но на звуке и характеристиках усилителя это почти не отразилось.

Оценка нагрузочной способности

Так как желание проверить каскад TND на «грузоподъемность» ещё не пропало, был собран новый макет на 4-х транзисторах в цепочке (рис.17 ). Напряжение питания +19 В, делитель на выходе каскада 30 кОмный «10:1», входной сигнал – 0,5 В, выходной – 1,75 В (коэффициент усиления равен 3,5, но если делитель отключить, то выходное напряжение получается около 1,98 В, что говорит об Кус=3,96):

Подбирая сопротивление резистора R1, можно получить некоторый минимальный КНИ и этот график при нагрузке 30 кОм показан на рисунке 18 . Но если теперь последовательно резистору R5 установить ещё один такого же номинала (54 кОм), то гармоники получают вид, показанный на рисунке 19 – вторая гармоника вырастает примерно на 20 dB относительно основного тона и чтобы её вернуть к низкому значению, нужно опять изменить сопротивление R1. Это косвенно указывает на то, что для получения максимально стабильных значений КНИ питание каскада должно быть стабилизировано. Проверяется просто – изменение напряжения питания примерно также меняет вид гармоникового «хвоста».

Так, хорошо, это каскад работает с 0,5 В на входе. Теперь надо бы проверить его при 1 В и, допустим, с коэффициентом усиления «5».

Оценка коэффициента усиления

Каскад собран на транзисторах КТ315, напряжение питания +34,5 В (рис.20 ). Чтобы получить Кус=5, были поставлены резисторы R3 и R4 номиналами 8,38 кОм и 1,62 кОм. На нагрузке в виде резисторного делителя «10:1» с входным сопротивлением около 160 кОм выходное напряжение получилось около 4,6 В.

На рисунке 21 видно, что КНИ менее 0,016%. Большой уровень помехи 50 Гц и других кратных выше по частоте – это плохая фильтрация питания (работает на пределе).

К этому каскаду был подключен повторитель на КП303+КТ829 (рис.22 ) и затем сняты характеристики всего усилителя при работе на нагрузку 8 Ом (рис.23 ). Напряжение питания 26,9 В, коэффициент усиления около 4,5 (4,5 В переменки на выходе на нагрузке 8 Ом – это примерно 2,5 Вт). При настройке повторителя на минимальный уровень КНИ пришлось изменить напряжение смещения TND каскада, но так как уровень его искажений намного меньше, чем повторителя, то на слух это никак не отразилось – были собраны два канала и отслушаны в макетном варианте. Разницы в звучании с описанным выше полуваттным вариантом усилителя не замечено, но так как усиление нового варианта было избыточно, а тепла он выделяет больше, то схема была разобрана.

При регулировке напряжения смещения TND каскада можно найти такое положение, что гармониковый «хвост» имеет более ровный спад, но становится длинней и при этом уровень второй гармоники вырастает на 6-10 dB (общий КНИ становится около 0,8-0,9%).

При таком большом КНИ повторителя изменением номинала резистора R3 можно смело менять коэффициент усиления первого каскада как в большую, так и в меньшую сторону.

Проверка каскада с бОльшим током покоя

Схема была собрана на транзисторной сборке КТС613Б. Ток покоя каскада 3,6 мА - это самый большой из всех проверенных вариантов. Выходное напряжение на резисторном делителе 30 кОм получился 2,69В, КНИ при этом около 0,008% ((рис.25 ). Это примерно в три раза меньше, чем показано на рисунке 9 при проверке каскада на КТ315 (с таким же коэффициентом усиления и приблизительно с таким же напряжением питания). Но так как ещё одну такую же транзисторную сборку найти не удалось, второй канал не собирался и усилитель, соответственно, не слушался.

При увеличении сопротивления R5 в два раза и без подстройки напряжения смещения КНИ становится около 0,01% (рис.26 ). Можно сказать, что вид «хвоста» меняется незначительно.

Попытка оценки полосы рабочих частот

Сначала проверялся макет, собранный на транзисторной сборке. При использовании генератора ГЗ-118 с полосой выдаваемых частот от 5 Гц до 210 кГц «завалов на краях» не было обнаружено.

Затем проверялся уже собранный полуваттный усилитель. Он ослабил сигнал частотой 210 кГц примерно на 0,5 dB (при этом на 180 кГц изменений не было).

Нижнюю границу оценить было нечем, по крайней мере, не удалось увидеть разницу между входным и выходным сигналами при запуске свип-генератора программы , начиная с частот 5 Гц. Поэтому можно считать, что она ограничивается ёмкостью разделительного конденсатора С1, входным сопротивлением TND каскада, а также ёмкостью «выходного» конденсатора С7 и сопротивлением нагрузки усилителя – примерный расчет в программе показывает -1 dB на частоте 2,6 Гц и -3 dB на частоте 1,4 Гц (рис.27 ).

Так как входное сопротивление TND каскада достаточно низкое, то регулятор громкости следует выбирать не более 22...33 кОм.

Заменой выходного каскада может быть любой повторитель (усилитель тока), обладающий достаточно большим входным сопротивлением.

В приложении к тексту находятся файлы двух вариантов печатных плат в формате программы 5 версии (рисунок при изготовлении плат по надо «зеркалить»).

Послесловие

Спустя несколько дней увеличил питание каналов на 3 В, заменил 25-тивольтовые электролитические конденсаторы на 35-тивольтовые и подстроил напряжения смещения первых каскадов на минимум КНИ. Токи покоя выходных каскадов стали около 1,27 А, значения КНИ и ИМД при 0,52 Вт выходной мощности уменьшились до 0,028% и 0,017% (рис.28 и 29 ). На графиках видно, что увеличились пульсации 50 Гц и 100 Гц, но на слух их не слышно.

Литература:
1. Г. Прищепов, «Линейные широкополосные TND-усилители и повторители», журнал «Схемотехника» №9, 2006 г.

Андрей Гольцов, r9o-11, г. Искитим

Список радиоэлементов