Транзисторный усилитель мощности без обратной связи

К. МУСАТОВ, г. Москва

Человеческое ухо — нелинейный преобразователь; как показали исследования [1], уровень гармонических искажений в нем спадает в энергетическом выражении примерно как 10", где п — номер гармоники. В логарифмическом исчислении это по 10 дБ на каждый интервал между гармониками. Исходные данные, снятые на тональном сигнале Г. Олсоном, были обработаны Д. Чивером в [2] и в нормированном относительно уровня тестового сигнала виде представлены на рис. 1. Из графиков видно, что при изменении звукового давления от 50 дБ (тихий голос) до 90 дБ (уровень звучания в студии) нелинейные искажения, продуцируемые ухом при преобразовании слышимого звука в ухе и обработке его в мозге, изменяются от 1,5 до 20 % по второй гармонике и от 0,3 до 3 % по третьей. Получается, что если усилитель внесет в сигнал меньший уровень гармонических искажений, то эти искажения будут замаскированы собственными искажениями уха. Учитывая, что слух частично адаптируется к собственным искажениям, установим запас по уровню спектральных составляющих искажений в 10 дБ. Этот запас позволит не демаскировать искажения на низких частотах, когда гармоники попадают в область максимальной чувствительности слуха, а также обеспечить приемлемый уровень интермодуляционных искажений, к которым слух более чувствителен. Поскольку автор поставил задачу построения двухтактного усилителя (у таких усилителей в спектре искажений основная гармоника третья), то ориентиром будет служить значение 1 % искажений по третьей гармонике при уровне звукового давления около 90 дБ. Также из графика видно, что при уровнях звукового давления до 70. ..80 дБ усилитель не должен продуцировать высшие гармоники, начиная с седьмой.

В работах [2, 3] показано, что при замыкании цепи обратной связи происходит расширение спектра гармоник. Усилители с ламповыми триодами и полевыми транзисторами имеют передаточную функцию, близкую к линейно-параболической. Усилительный каскад на мощном полевом транзисторе при уровне искажений по второй гармонике 10 % до замыкания цепи ООС создает резко спадающий спектр. После замыкания цепи ООС получается более широкий спектр уменьшенных по уровню искажений.

В тех же работах [2, 3] представлены расчетные характеристики относительных амплитуд гармоник как функции глубины ООС, причем для расчетов была выбрана квадратичная характеристика каскада, не охваченного обратной связью. Зависимость уровня гармонических искажений такого каскада от глубины обратной связи, охватывающей каскад, представлена на рис. 2. Поскольку передаточные характеристики реальных усилительных элементов содержат не только квадратичный член в разложении, Д. Чивер провел соответствующие измерения на мощном полевом транзисторе с изолированным затвором. При глубине ООС до 5 дБ уровни гармоник от третьей до шестой мало изменялись, при большей же глубине ООС реальные значения были близки к расчетным, но всегда больше. В итоге видно, что есть существенное возрастание уровня высших гармоник при глубине ООС, часто применяемой на практике. Применение глубокой ООС (50...60 дБ) сопряжено с трудностями обеспечения устойчивости усилителя, к тому же в таких усилителях глубина ООС обычно спадает уже на звуковых частотах. Есть и другие отрицательные свойства глубокой ООС (о них ниже).

Реальный усилитель состоит не из одного каскада, а транзисторы, что приводит к продуцированию широкого спектра гармоник, превышающего порог заметности, что в свою очередь повышает интермодуляционные искажения

Решения для создания усилителей, удовлетворяющих требованиям психоакустики.

1.Создание усилителя с глубокой ООС, чтобы с помощью нее постараться подавить высшие гармоники [4, 5].

2.Построение усилителя без общей ООС. Для линеаризации в этом случае применяют несколько местных цепей ООС [6].

3.Использование усилительных каскадов без введения дополнительной ООС. (Hi-End).

Выбор транзисторов для выходного каскада весьма важен.

В ламповых усилителях без ООС в выходном каскаде используется триод, обладающий небольшим выходным сопротивлением, которое с помощью выходного трансформатора снижается до приемлемого уровня (2...3 Ом на нагрузку сопротивлением 8 Ом). Поиск транзисторов, обладающих похожими характеристиками, привел к классу полевых транзисторов со статической индукцией канала. Транзисторы этого типа за рубежом представлены изделиями фирмы Tokin (Япония). Есть и примеры реализации усилителей с их использованием [7]. Приобрести эти транзисторы в России сейчас не представляется возможным. Были разработаны отечественные транзисторы с аналогичной структурой: это серии КП801, КП802 и КП926. Первые две уже не производят и не продают, а последняя еще встречается в продаже. Вольт-амперные характеристики (ВАХ) этого транзистора показали его близость к ламповым триодам.

Максимальная мощность, которую можно снять с такого каскада в линейном режиме (с учетом ограничений по минимальному напряжению и току), равна

Рвых = Uвых m*Iвыхm/2 = 120 В*0,13 А/ 2 = =7,8 Вт,

что соответствует напряжению 11,2В на нагрузке сопротивлением 8 Ом. Таким образом, для согласования с такой нагрузкой потребуется трансформатор с коэффициентом трансформации 11,2/120 = 0,0933. Приведенное к вторичной обмотке выходное сопротивление каскада без учета потерь в трансформаторе получается

R'вых=Rвыхn2 = 540*0,09332= 4,7 Ом.

Это многовато, поэтому была выбрана двухтактная схема, которая позволила снизить выходное сопротивление, поднять выходную мощность и повысить линейность усилителя.

Схема и параметры усилителя

Схема соединений узлов стереофонического усилителя показана на рис. 3. Каждый из каналов усилителя имеет два входа: простой (Х2, Х4) и балансный (Х1, ХЗ). При подаче сигнала от симметричного источника надо разомкнуть контакты выключателя SA1. В усилителе регулятор громкости построен по схеме L-регулятора [8]. Это позволяет добиться снижения вносимых регулировочным резистором помех и искажений.

Схема двухкаскадного УМЗЧ показана на рис. 4. Для стабилизации режимов транзисторов (у усилителя нет ООС по постоянному току) он построен в виде двух дифференциальных каскадов по симметричной балансной схеме с непосредственной связью. Источники стабильного тока задают рабочие режимы каскадов по постоянному току.

Схема блока питания приведена на рис. 5.

Источник питания первого каскада — общий для обоих каналов, с параллельными стабилизаторами напряжения.

Для вторых каскадов УМЗЧ выпрямители раздельны.

Основные параметры усилителя сведены в таблице. Зависимость амплитуды гармоник от уровня сигнала представлена на рис. 6.

Для совместимости результатов измерения с графиком на рис. 1 выходная мощность пересчитана в звуковое давление (горизонтальная ось) из расчета, что при подаче мощности, равной 1 Вт на канал, в средней по площади комнате будет получено звуковое давление около 90 дБ. При таких условиях усилитель выполняет требования по спектральному составу искажений вплоть до звукового давления 102 дБ. Во всех проведенных измерениях уровень интермодуляционных искажений был равен или меньше уровня гармонических искажений для одинакового уровня сигналов.

АЧХ усилителя достаточно равномерна, график ее в полосе частот 2...90000 Гц приведен на рис. 7.

Ограничения по полосе обусловлены только качеством выходного трансформатора. Оно же является и причиной нелинейности ФЧХ, график которой представлен на рис. 8.

Усилитель не создает выраженной окраски и обеспечивает музыкальное, тембрально сбалансированное звучание во всем динамическом диапазоне. Этому способствует слабая зависимость коэффициента гармонических искажений от частоты, она показана в виде графика на рис. 9 для разных уровней выходной мощности.

Некоторый подъем искажений на низких частотах при небольших уровнях сигнала связан с гистерезисными потерями в магнитопроводе выходного трансформатора. (Искажения обусловленные третьей гармоникой рис. 10).

Это хорошо согласуются с принципами В. Шушурина [9].

В дополнение приведем две спектрограммы. Первая, показанная на рис. 11,— спектр гармонических искажений на разных частотах. Здесь совмещены спектры искажений на частотах 20 Гц, 1 и 20 кГц.

На рис. 12 представлен спектр интермодуляционных искажений при подаче двух тональных сигналов частотой 14 и 15 кГц с одинаковой амплитудой.

Усилитель собран на основе лампового усилителя "Прибой-204" или "Прибой-104".

Сетевой трансформатор подлежит частичной перемотке

Если громкоговорители имеют повышенное сопротивление — 12...16 Ом, то обмотки следует соединить последовательно-параллельно в соответствии с рис. 13.

Поскольку усилитель не имеет ООС, которая стабилизировала бы его параметры, он очень критичен к активным и пассивным элементам и желателен их подбор.

Транзисторы VT4, VT5 установлены на теплоотводы площадью 700... 1000 см2 каждый. Транзисторы VT1—VT3, VT6 установлены на общем для каждого канала теплоотводе площадью 80...120 см2. Транзисторы блока питания VT7—VT9 установлены через изолирующие прокладки на общем теплоотводе из согнутого листа дюралюминия толщиной 1,5 мм площадью 50 см2.

Фото усилителя со снятой верхней крышкой представлено на рис. 14 (вид сверху).

Плата блока питания сделана из нефольгированного текстолита точно в размер старой платы.

Основная часть усилителя собрана на 12-контактной колодке, установленной на малых теплоотводах с зазором в 10... 15 мм.

Малосигнальные провода в усилителе разведены микрофонным проводом Luxman внешним диаметром около 3...5 мм. Весь монтаж малосигнальных цепей размещен на задней стенке усилителя.

Еще одна доработка. На верхнюю крышку усилителя с внутренней стороны нужно наклеить кусок звукопоглощающего материала для предотвращения "подзванивания" в такт музыки или вибрации сетевого трансформатора. Сам сетевой трансформатор лучше закрепить на корпусе через двойные прокладки из пористой резины для снижения передачи его вибрации на каркас усилителя.

Cобираем стабилизированный блок питания для первого каскада. Учтите, что этот стабилизированный блок питания нельзя надолго включать без нагрузки.

До сборки усилителя надо подобрать транзисторы в пары. Для подбора транзисторов первого каскада соберите стендовый усилитель по схеме, представленной на рис. 15.

На вход подайте с генератора синусоидальный сигнал частотой 1 кГц и амплитудой 0,2 В. Подбор транзисторов следует проводить по постоянному напряжению на истоке и переменному напряжению на выходе каскада. В любом случае желательно выбирать транзисторы из одной партии.

Для подбора транзисторов выходного каскада удобен стендовый усилитель, собранный по схеме на рис. 16, с питанием от одного из блоков питания выходных каскадов.

При подборе транзисторов производите измерения по прошествии одинакового времени после включения для измерений при одинаковой температуре. Когда будет подобрано по две близких по параметрам пары приборов, то для обеспечения минимального различия в усилении между каналами используйте в одном канале транзисторы с меньшим усилением в первом каскаде и с большим — во втором; для второго канала — наоборот.

Налаживание каналов усилителя лучше производить раздельно.

В усилителе возможно проводить изменения и замены элементов для достижения наилучшего качества звука. Очередными шагами к этому могут быть замена выходных трансформаторов на более качественные, замена входных конденсаторов на дорогие серии audio или их исключение, если выход источника сигнала не имеет постоянной составляющей. Оксидные конденсаторы в усилителе и в блоке питания также можно заменить на серию audio.

Обращаем внимание на схемы измерительных каскадов для подбора транзисторов. Первую из них (см. рис. 15) легко использовать в качестве усилителя для головных телефонов. При этом можно в 2...3 раза поднять ток покоя и соответственно уменьшить сопротивление нагрузочного резистора R3, увеличить емкость выходного конденсатора СЗ и убрать делитель на выходе. Такой усилитель обладает коэффициентом гармоник 0,15 % при выходном напряжении 1,5 В. Вторую схему (рис. 16) можно рекомендовать для однотактного усилителя. Исключив выходной конденсатор и нагрузку, вместо дросселя включаем трансформатор с зазором в магнитопроводе, рассчитанный на ток подмагничивания не менее 150 мА и приведенное к первичной обмотке сопротивление нагрузки 650...900 Ом. Такой усилитель имеет чувствительность около 1,5 В и вдвое меньшую мощность. Искажения его немного выше за счет четных гармоник. Однако вторая гармоника при этом только на несколько децибел выше третьей. Однотактный усилитель будет гораздо критичней к качеству оксидных конденсаторов в блоке питания и в шунтировании цепи истока. Учтите, что без первого каскада такой усилитель имеет высокую входную емкость и его нельзя подключать к регулятору громкости.

Радио №1, 2005 г., с. 20-22.

ЛИТЕРАТУРА

1. Harry F. Olson. Physics and Engineering. — Dover Publications, 1966, ISBN: 0486217698.

2. Daniel H. Cheever. A new methodology for audio frequency power amplifier testing based on psychoacoustic data that better correlates with sound quality, 1989. <http://altor.sytes.net/cheever.pdf>.

3. Baxandall P. J. Audio power amplifier design. — Wireless World, december 1978, p. 53—56.

4. Акулиничев И. УМЗЧ с широкополосной ООС. — Радио, 1989, № 10, с. 56—58.

5. Агеев С. Сверхлинейный УМЗЧ с глубокой ООС. — Радио, 1999, № 11, с. 13—16.

6. Орлов А. УМЗЧ с симметричным входом без общей ООС. — Радио, 2002, № 4, с. 12-14.

7. SIT Р-Р 60W+60W Power Amplifier. — <http://www.ne.jp/asahi/evo/amp/SIT/pagei.htm>.

8. Белканов А. Сиди себе, регулируй... L-аттенюатор. — Вестник А.Р.А., 1999, № 1. К. МУСАТОВ, г. Москва

9. Lamm "ideal" measurements, March 1999. — http://www.soundstage.com/ reve-quip/lamm ideal.htm