УМЗЧ без общей обратной связи. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Усилители мощности транзисторные

 Комментарии к статье

Предлагаемый УМЗЧ построен без общей обратной связи. Неоднократно, сравнивая методом прослушивания, качество разных транзисторных УМЗЧ с ООС, приходилось задумываться над тем, как улучшить их способность передавать полностью сценический образ, а локализацию источников сделать естественней. Результатом поисков в этом направлении стали схемотехнические решения УМЗЧ, в которых либо ООС отсутствует, либо она местная. По моему мнению, есть две главные причины нарушения естественности музыкального образа.

Во-первых, это внесение в сигнал фазовых искажений и расширение спектра искажений в УМЗЧ с 00С - для передачи звука ярче или мягче важен баланс между гармониками.

Во-вторых, контроль напряжения подводимого к громкоговорителю сигнала представляется как "насилие" над акустической системой. Ведь изначально при записи фонограмм звук воспринимается как уровень давления, т.е. как мощность в интегральном ее исчислении. И соответственно при воспроизведении фонограмм усилитель обязан передавать мощность сигнала, а не только мгновенные значения тока или напряжения. При этом условии вносятся меньшие искажения в выходной сигнал, что очень благоприятно отражается на точности передачи сценического образа. Технические параметры своих УМЗЧ я перестал измерять пять лет назад, поскольку при многократных прослушиваниях усилителей, изготавливаемых под заказ, никто не отдавал предпочтения тем или иным техническим параметрам. Главный критерий - субъективная оценка свойств каждого усилителя, а то, что усилители по этому критерию могут существенно различаться, известно, пожалуй, всем! Так вот, с учетом субъективных оценок свойств УМЗЧ предлагаемый вариант окажется отличной заменой многим промышленным усилителям. Повторяемость конструкции проверена на четырех образцах подобного стереофонического усилителя.

Основные технические параметры

Максимальная мощность на нагрузке сопротивлением 4 Ом лимитирована устройством защиты по току. Для контрольного прослушивания с этим усилителем были использованы проигрыватель компакт-дисков DENON DVD 700 и акустическая система Monitor Audio Silver 81, в контрольном тракте использован усилитель ARCAM "Diva A-75S". При воспроизведении фонограммы с компакт-диска "Темная сторона Луны" (Pink Floyd) фантомный вертолет поднялся на метр над акустической системой и производил полет над ней, а не из одного громкоговорителя в другой, как это обычно бывает с большинством усилителей. Сценические и музыкальные образы концертных записей также передаются достаточно естественно.

(нажмите для увеличения)

О схеме усилителя

Схема одного канала УМЗЧ показана на рис. 1. Входной каскад - дифференциальный на транзисторах VT1, VT5 и VT2, VT6 с источниками стабильного тока на VT3, VT4. Далее следует усилитель напряжения с транзисторами VT7, VT9, VT11 и VT8, VT10, VT12, особенность которого состоит в том, что транзисторы не насыщаются при максимальной амплитуде выходного напряжения благодаря диодам VD3, VD4. В режиме амплитудного ограничения по напряжению выходного сигнала ток базы транзисторов усилителя напряжения VT7, VT9, VT11 и VT8, VT10, VT12 ограничивается, и они работают в режиме, исключающем режим насыщения. Тем самым обеспечено отсутствие задержки выхода из ограничения выходного сигнала по напряжению питания. Транзисторы включены параллельно для увеличения тока управления затворами выходных транзисторов. Это позволило получить с выхода УМЗЧ на нагрузке 8 Ом максимальную амплитуду, соответствующую 30 В эфф. неискаженного синусоидального сигнала частотой до 200 кГц (максимальная частота генератора). С выхода усилителя напряжения через делитель R15R17R18 действует сигнал обратной связи.

Как видно по схеме, в усилителе полностью отсутствуют корректирующие конденсаторы. Это стало возможным потому, что выходной каскад исключен из цепи обратной связи и устойчивость усилителя резко возросла. Выходной каскад - это повторитель напряжения, выполненный на комплементарных полевых транзисторах фирмы HITACHI. Он отличается одинаковым выходным сопротивлением и симметричными гармоническими искажениями для сигнала положительной и отрицательной полярности. Большинство же комплементарных транзисторов различаются по многим, в том числе и динамическим параметрам. Поэтому в усилителях без общей ООС возникает выраженная асимметрия нелинейности, особенно на высоких частотах; на самых низких она связана с различными термодинамическими свойствами транзисторов.

Напротив, однотактный усилитель обладает почти равным спектром гармоник в обеих частях амплитудной характеристики (для напряжения сигнала отрицательной и положительной полярности), хотя численное значение этого параметра зачастую более 1 % - и при этом хорошее звучание! В этом усилителе мной применено схемотехническое решение, при котором в двухтактном выходном каскаде в любой момент времени работают два транзистора разной проводимости с одинаковым током стока. Оно позволило сблизить спектры гармоник для сигналов на разных участках амплитудной характеристики, и достигнуто это без мостовой схемы каскада. Еще немного о неявных субъективных предпочтениях. Усилитель с общей ООС воспринимает реактивные возмущения нагрузки, а также внешние акустические воздействия на подвижную систему головки громкоговорителя, контролируя напряжение на выходе.

На практике звуковоспроизведение с таким усилителем нередко выражается "пустым" пространством звуковой сцены между громкоговорителями и ее центром. Был проведен простой эксперимент. Последовательно с громкоговорителями АС были включены резисторы сопротивлением, примерно равным половине их импеданса, после чего производилось прослушивание с усилителем при общей ООС тех фонограмм, где наиболее ярко проявляются "провалы" в звуковой сцене. Результат прослушивания подтвердил предположение: такой эффект значительно заметнее с усилителем с общей ООС без добавочных резисторов.

Предлагаемый выходной каскад обеспечивает низкий коэффициент демпФирования K_д=R_н/R_вых, здесь выходное сопротивление равно 2 Ом. Это стало возможным за счет последовательного включения транзисторов выходного каскада, и в результате крутизна эквивалентного мощного транзистора уменьшилась в два раза. Такое выходное сопротивление при отсутствии общей ООС позволило улучшить локализацию виртуальных источников звучания, а для этого необходимо максимально правильно передать фазу сигнала. При этом важное значение имеет скорость нарастания выходного сигнала. На основании измерения реальных параметров высокочастотных динамических головок получены следующие результаты: R_к=4.5-12.2 Ом; L_k=0.16-0.33 мГн. Для наиболее высокочастотной головки конкретные значения соответствуют постоянной времени t=L_k/R_k=0.00027 Гн/12.2 Ом = 0.000022 с, а частота среза такого преобразователя f_ср=ω/2π=7191 Гц. Выше этой частоты динамическая головка работает как ФНЧ и вносит в передаваемый сигнал заметные фазовые искажения.

Разработчики АС уделяют особое внимание подбору динамических головок и фильтров с одинаковыми параметрами. Для того чтобы усилитель не оказывал существенного влияния на частотные свойства тракта звуковоспроизведения, его максимальная рабочая частота должна превышать частоту среза ВЧ головки на порядок - в данном случае 71910 Гц, а скорость нарастания SR = 29,3 В/мкс при 65 В. Подсчитаем необходимую максимальную скорость нарастания выходного сигнала для варианта усилителя с максимальным выходным напряжением 65 В и максимальной рабочей частотой 24100 Гц (частота среза ФНЧ проигрывателей аудиокомпакт-дисков с ЦАП без повышения частоты дискретизации): SR'=2πf_maxU_нагр=2*3.14*24100*65=9.8 В/мкс . Усилитель обеспечивает скорость нарастания выходного сигнала не менее SR=2*3.14*200000*(30*1.41)=53 В/мкс. Таким образом, усилитель способен работать с АС, имеющей расширенную АЧХ (выше 20 кГц). Высокая температурная стабильность выходного каскада не требует применения мер по дополнительной стабилизации тока покоя, с активной нагрузкой его АЧХ линейна до 200 кГц.

Схема узла защиты АС - классическая и многократно проверенная. При подаче питания действует задержка на подключение нагрузки на 10 с (ее можно изменить подбором резисторов R32, R33). При наличии постоянной составляющей на выходе усилителя более ±0,6 В происходит отключение нагрузки размыканием контактов реле. При выключении питания производится отключение АС в течение 0,2 с. Защита от токовых перегрузок в усилителе основана на ограничении тока стока мощных транзисторов через ограничение напряжения на затворах стабилитронами и диодами VD13, VD14 и VD15, VD16; таким образом, максимальный ток через выходные транзисторы не превышает 7 А. Следует учесть, что эти элементы могут вносить искажения на частотах выше 100 кГц, поэтому без нужды устанавливать их не рекомендуется. В описании транзисторов указано наличие встроенного двуханодного стабилитрона в цепи затвор-исток на 15 В, это позволяет защитить затвор от пробоя при более высоких амплитудах управляющего напряжения.

Коэффициент усиления по напряжению холостого хода усилителя K_u=1+(R17/2R15)=51(34 дБ).

(нажмите для увеличения)

Конструкция усилителя

Конструктивно усилитель выполнен на печатной плате размерами 160x100 мм. Чертежи печатной платы и расположения элементов показаны на рис. 2. На плате расположены все элементы усилителя и выпрямитель блока питания. К ней подведены провода цепей питания и нагрузки, а также входной цепи. Транзисторы прижимают к теплоотводу непосредственно через плату. Такое решение применяется мной в своих конструкциях более 10 лет. Это позволяет сделать все связи минимальными. В качестве теплоотвода используется любая ровная металлическая поверхность, например, корпуса; расположение и крепление самой платы также не вызывает затруднений. Следует обратить внимание, что общий провод входной цепи не соединен на плате с общим проводом блока питания. Это сделано для того, чтобы можно было соединить общие провода соответствующих цепей в общей точке (звездой) многоканальной системы с целью уменьшения уровня помех. В отсутствие такой необходимости можно сделать наплавную перемычку между точкой вывода к контакту Х2 и расположенным рядом проводником общего провода.

Предварительный усилитель питается от отдельного источника напряжением, превышающим на 10...25 В напряжение питания выходного каскада. Это обеспечивает более полное использование напряжения и устраняет проникновение выходного сигнала в другие каскады по цепям питания. В выходном каскаде можно оставить по одному транзистору, в этом случае выходное сопротивление усилителя станет 1 Ом, при этом следует либо уменьшить число диодов в цепи смещения до трех или четырех, либо включить параллельно по два транзистора в плечо - тогда выходное сопротивление усилителя станет равным 0,5 Ом и максимальный выходной ток возрастет до 14 А При этом опять-таки следует уменьшить число диодов в цепи смещения до трех или четырех. Для случаев параллельного или последовательного включения выходных транзисторов на плате есть места для перемычек со стороны монтажа, они просто замыкаются наплавлением припоя в соответствии с выбранной схемой соединений. Напряжение питания выходного каскада для работы на нагрузку 8 Ом - не более 2х70 В при мощности в нагрузке до 190 Вт; для 4 Ом - 2x40 В при мощности до 100 Вт. При параллельном включении двух транзисторов в плече мощность на нагрузке 4 Ом достигает 350 Вт при напряжении питания 2x65 В. Указанным на схеме максимальным значениям переменного напряжения от обмоток сетевого трансформатора соответствуют напряжения 2x40 В для питания выходного каскада и немногим менее 2x70 В - для предварительных каскадов.

При последовательном включении полевых транзисторов субъективный результат прослушивания был наиболее благоприятным, и было отмечено, что характер звучания имеет особенности, присущие ламповым усилителям. Параллельное включение мощных транзисторов особенно полезно применять в усилителе сабвуферного канала с громкоговорителем закрытого типа, имеющим малое время задержки, - звучание такого сабвуфера аккуратно дополняет звуковую сцену. По одному транзистору в плече я применял только в своих автомобильных усилителях; их высокое качество позволило занять четыре призовых места (из них два первых) на соревнованиях по автозвуку в 1992г. После сборки платы следует установить ток покоя выходного каскада набором необходимого числа диодов в цепи VD5-VD12. Для этого достаточно подать питание на предварительный и выходной каскады.

Транзисторы выходного каскада следует прижимать к теплоотводу через теплопроводящий электроизоляционный материал. В цепи смещения для простого и параллельного каскадов можно оставить два диода и четыре - для последовательного. После этого увеличением их числа устанавливают выбранный ток покоя. Для проявления нюансов воспроизведения рекомендую выбрать ток покоя в интервале 200...500 мА, это зависит от площади применяемого теплоотвода и эффективности его охлаждения. Каких-либо дополнительных мер по стабилизации тока покоя не требуется. Точка нечувствительности к изменению температуры кристалла оказывается при токе покоя около 100 мА и напряжении затвор-исток 0,6 В. После установки тока покоя необходимо минимизировать постоянное напряжение на выходе усилителя.

Поскольку в цепи обратной связи нет ни одного конденсатора, усиление для переменного и постоянного напряжений равно. Следствием этого может быть небольшое постоянное напряжение на выходе усилителя. Практика показала, что на выходе такого усилителя встречается только положительное напряжение до 1,5 В. Для подстройки режима следует отключить предохранители в цепи питания выходного каскада и подать питание на предварительный усилитель. Балансировку каскада производят выбором места соединения верхнего по схеме вывода резистора R17 с диодами VD5-VD12 цепи смещения: чем ниже по схеме будет выбрана точка перемыкания диодов, тем больше компенсация постоянной составляющей. Измеряя мультиметром напряжения на коллекторах транзисторов VT11 и VT12 относительно общего провода, добиваются их равенства по модулю. Для такой настройки на плате предусмотрена установка наплавных перемычек, когда каплей припоя замыкают выбранные проводники в нужной цепи (это можно сделать только при снятой с теплоотвода плате). Но резистор R17 можно припаять и со стороны деталей прямо к выводу одного из диодов, не снимая платы с теплоотвода, а ток покоя корректировать, замыкая на плате диоды кусочками провода со стороны элементов. На этом регулировка усилителя заканчивается.

На входе усилителя можно установить разделительный конденсатор С16 емкостью 1 мкФ (показан только на плате), например, группы К73-17, но в стационарных музыкальных центрах обычно этого не требуется. Реле, устанавливаемое на печатной плате, - WJ113A, WJ113-2C на напряжение 12 или 24 В либо другое похожей конструкции на ток не менее 16 А, например, фирмы TTI. Диоды в цепи смещения можно ставить любые высокочастотные. Отечественные стабилитроны также применимы, например, КС215Ж, КС218Ж, КС515Г, КС509А-КС509В.

Все детали, примененные в усилителе (кроме выходных транзисторов), свободно продаются во многих фирмах, торгующих радиодеталями. Документацию на выходные транзисторы в формате PDF можно легко найти в Интернете на сайтах отечественных компаний по продаже радиодеталей.

Автор: А. Григорьев, г. Томск. Радио №1, 2007г.; Публикация: cxem.net

Смотрите другие статьи раздела Усилители мощности транзисторные.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Нобелевская разработка собирает питьевую воду прямо из воздуха 24.02.2026

Доступ к чистой воде остается одной из самых острых проблем на планете, особенно в районах, подверженных ураганам, засухам и разрушению инфраструктуры. Современные технологии ищут пути решения этой задачи, и один из прорывов предложил нобелевский лауреат по химии 2025 года, профессор Омар Яги, разработав устройство, способное извлекать воду из сухого воздуха. Технология Яги основана на принципах ретикулярной химии, позволяющей создавать молекулярные материалы, которые эффективно улавливают влагу из атмосферы и конденсируют ее даже в условиях экстремальной сухости и пустынного климата. Такие установки могут обеспечивать автономный доступ к питьевой воде там, где централизованные системы водоснабжения недоступны или полностью разрушены. Компания Atoco, выпускающая эти устройства, сообщает, что они имеют размеры, сопоставимые с 20-футовым морским контейнером, и работают исключительно на низкопотенциальной тепловой энергии окружающей среды. Каждое устройство способно производить до 1 ...>>

Hyperloop готовится к запуску 23.02.2026

Современные транспортные системы сталкиваются с ограничениями скорости и комфорта, особенно на длинных межгородских маршрутах. В Европе активно исследуют технологию Hyperloop - инновационный способ перемещения пассажиров, который потенциально способен сократить время поездки между крупными городами до считанных минут и значительно изменить представление о путешествиях. Технология Hyperloop предполагает движение пассажирских капсул внутри герметичных труб, из которых частично откачан воздух. Такая конструкция снижает аэродинамическое сопротивление и позволяет теоретически развивать скорость более 900 км/ч. Если идея будет реализована, расстояния, которые сегодня преодолеваются за несколько часов, можно будет проходить за десятки минут. Инженеры прогнозируют, что маршрут между London и Paris потенциально можно будет пройти менее чем за полчаса, а поездки в Brussels или Amsterdam займут около 20-22 минут. Путь до Berlin при этом может составлять примерно один час, что существенно ус ...>>

Игровой монитор Gigabyte MO27Q28GR 23.02.2026

Компания Gigabyte выпустила свой игровой монитор MO27Q28GR. Главной особенностью нового устройства стала 27-дюймовая панель Tandem OLED от LG Display с частотой обновления 280 Гц, построенная на технологии WOLED четвертого поколения. Разрешение дисплея составляет QHD (2560 x 1440 пикселей), а время отклика - всего 0,03 мс (GTG), что обеспечивает исключительную четкость динамичных сцен в играх. Пиковая яркость монитора достигает 1500 нит в режиме HDR, а цветовое покрытие составляет 99,5% DCI-P3 и 84% BT.2020. Благодаря новой архитектуре WOLED четвертого поколения производитель смог снизить энергопотребление на 20% по сравнению с предыдущими моделями, что делает монитор более эффективным при длительных игровых сессиях. Ключевое отличие MO27Q28GR от версии 2025 года (MO27Q28G) заключается в покрытии экрана. Если прошлогодняя модель имела матовую поверхность, то новинка получила глянцевое покрытие RealBlack Glossy с оптическим слоем "zero-haze". Такое решение обеспечивает более гл ...>>

Случайная новость из Архива Глаз-протез с ночным видением 29.05.2020 Ученые из Гонконгского университета науки и технологии представили прототип искусственного электрохимического глаза, строение и принцип работы которого аналогичны обычному человеческому глазу. Провода, имитирующие зрительную кору головного мозга, передают визуальную информацию, собранную этими датчиками, на компьютер для обработки. А нанопроволоки настолько чувствительны, что могут превзойти оптический диапазон длин волн человеческого глаза, позволяя бионическую глазу реагировать на длины волн 800 нм, то есть работать на пороге между визуальным светом и инфракрасным излучением. Это означает, что устройство может видеть вещи в темноте, когда человеческий глаз уже ничего не различает. По словам разработчиков, обладатель такого глаза приобретет способность ночного видения. Исследователи также утверждают, что глаз может реагировать на изменения света быстрее, чем человеческий, что позволяет ему приспособиться к изменяющимся условиям за меньшее время. Каждый квадратный сантиметр искусственной сетчатки может вмещать около 460 млн наноразмерных датчиков. Тогда в сетчатке человека примерно 10 миллионов клеток на квадратный сантиметр. Теперь ученые намерены сконцентрироваться на том, чтобы иметь возможность подключения этого бионического глаза к визуальной системе человека.

Другие интересные новости:

▪ Интернет для стиральной машины

▪ Озеленение городов защитит от глобального потепления

▪ Смарт-часы BoAT Lunar Tigon

▪ Электрический мусоровоз Mack

▪ Гибкие светодиодные ленты Phanteks Neon

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Нормативная документация по охране труда. Подборка статей

▪ статья Сирота казанская. Крылатое выражение

▪ статья Кто обитал на Олимпе, а кто - на Парнасе? Подробный ответ

▪ статья Педагог-психолог. Должностная инструкция

▪ статья Ремонт резиновых трубок. Простые рецепты и советы

▪ статья Простой терморегулятор. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026