УМЗЧ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Я. ТОКАРЕВ, г. Москва

В нашей редакционной почте нередки письма с просьбой о публикации описаний УМЗЧ на полевых транзисторах. Отвечая пожеланиям наших читателей, предлагаем несложный усилитель мощности. Он отличается широкой полосой пропускания и линейностью даже при разомкнутой цепи общей ООС. Схемотехника усилителя позволяет при необходимости увеличить его выходную мощность или снизить допустимое сопротивление нагрузки.

Описываемый УМЗЧ с мощными полевыми транзисторами отличается высокой температурной стабильностью, имеет малый ток покоя, не боится замыканий в нагрузке, достаточно устойчив и надежен. К особенности предлагаемой конструкции можно отнести ограниченный выходной ток и в связи с этим необходимость использования громкоговорителей с номинальным сопротивлением 8 или 16 Ом.

Номинальная выходная мощность на нагрузке 8 Ом, Вт ..........................32

Чувствительность, В..............1

Входное сопротивление, кОм ......20

Глубина ООС на частоте 20 кГц, дБ....................36

Коэффициент гармонических искажений при Рвых=8 Вт на частоте 20 кГц, %, не более ..................0,015

Отношение сигнал/шум усилителя не измерялось, но вблизи АС заметного шума при включенном УМЗЧ не прослушивается.

Основная особенность устройства — использование высокочастотных генераторных полевых транзисторов с горизонтальной структурой канала (КП904А). Как известно из [1], этот тип МДП транзисторов отличается относительно линейной передаточной характеристикой и высоким быстродействием. Однако сравнительно невысокая крутизна характеристики и повышенное сопротивление в открытом состоянии ограничивают максимальный ток транзистора.

Как выяснилось из экспериментов с транзисторами КП904А, кривизна начального участка их проходной характеристики незначительна, и при токе покоя около 30 мА проходная характеристика выходного каскада уже достаточно линейна, поэтому коммутационные искажения оказываются очень низкими. Относительно малые значения емкостей этих транзисторов позволяют отказаться от их форсированной перезарядки.

Транзисторы серии КП904 перспективны и в качестве усилителя напряжения, так как дают значительное линейное усиление и быстродействие при отсутствии эффекта насыщения. Благодаря их достаточно линейным характеристикам искажения в таком усилителе не имеют широкого спектра гармоник, который бывает с биполярными транзисторами.

Сам усилитель охвачен общей ООС средней глубины, которая на всех звуковых частотах практически не уменьшается. Коррекции "вперед" или "назад", вызывающие перегрузку на импульсном сигнале либо снижающие скоростные характеристики, в нем не использованы.

Схема УМЗЧ приведена на рис. 1. Входной сигнал после ФНЧ R2C1 приходит на один из входов дифференциального усилителя, выполненного на транзисторах VT1—VT4. Применение составных транзисторов повышает линейность входного каскада и его входное сопротивление. Генератор тока каскада выполнен на VT5; диоды VD2, VD3 и резистор R11 задают его ток, а резистор R12 улучшает симметрию плеч каскада на высоких частотах. Сам этот генератор питается напряжением, определяемым стабилитроном VD1. Дифференциальный усилитель при токе покоя 3 мА имеет спад коэффициента усиления на 1 дБ на частоте около 360 кГц (входная емкость последующего каскада — около 300 пФ).

С выхода первого каскада противофазные сигналы подведены к затворам мощных полевых транзисторов VT6, VT7 второго дифференциального каскада — основного усилителя напряжения. Мощные транзисторы КП904А здесь использованы потому, что при токе стока VT7 20 мА они имеют высокую крутизну характеристики и большое усиление: на частоте 20 кГц — около 170. Каскад развивает напряжение до 25 Вэфф. Ток покоя подобран для обеспечения высокой скорости нарастания выходного напряжения и линейности.

С выхода усилителя напряжения сигнал поступает на затвор мощного транзистора VT11 через эмиттерный повторитель на VT9, а на затвор нижнего транзистора VT12 выходного каскада он приходит через фазоинверсныи каскад, выполненный на VT10. Резистор R23 подобран таким образом, чтобы коэффициент передачи обоих плеч выходного каскада был строго одинаков. Элементы R29—R31, СЗ задают глубину ООС УМЗЧ по постоянному и переменному току, а конденсатор С4 использован для фазовой коррекции петли ООС. Элементы L3, С23, R27, R28 обеспечивают нормальную работу усилителя при комплексном характере нагрузки на высоких частотах.

Этот УМЗЧ при заданной глубине общей ООС достаточно устойчив. В качестве эксперимента глубина ООС в нем была временно увеличена до 54 дБ и коэффициент усиления снижен до 2 при выпаянном С4 — и в этом случае неустойчивости не обнаружилось.

Схема источника питания приведена на рис. 2. Как видно, он предельно прост. Следует обратить внимание на то, что конденсаторы фильтра питания размещены на платах каждого канала УМЗЧ. Таким образом, у каждого канала получается свой фильтр, расположенный вблизи выходного каскада. Резисторы R2—R5 (0,5 Ом) ограничивают бросок тока во время включения в сеть и обеспечивают некоторую дополнительную развязку усилителей. Такой способ рекомендован в [2].

Устройство защиты для УМЗЧ не разрабатывалось, а реле на выходе УМЗЧ не используется ввиду того, что щелчок переходного процесса при включении едва слышен.

Следует иметь в виду, что более дорогие транзисторы серии 2П904А, имеющие меньший разброс параметров, в описываемом усилителе целесообразно использовать во втором дифференциальном каскаде. Схема приставки для измерения начального тока стока приведена на рис. 3. Транзисторы с большим начальным током, как правило, имеют и большую крутизну.

Немного о монтаже усилителя. Печатная плата под данный усилитель не разработана, изготовлен лишь двухка-нальныи макет с объемным монтажом. При монтаже или самостоятельной разводке печатной платы стоит обратить внимание на ряд важных моментов.

Общий провод цепей питания (показан на схеме утолщенной линией) и общий провод сигнальных цепей (тонкой линией) разделены между собой резистором 10 Om (R33).

На схеме в цепи истока VT12 включен диод VD8, зашунтированный танталовым конденсатором С22. Эти элементы следует устанавливать лишь в том случае, если конкретный экземпляр VT12 КП904А будет иметь начальный ток стока выше 5 мА; в таком случае эта "подставка" будет просто необходима. Но все же гораздо лучше будет установить на место VT12 экземпляр с начальным током стока менее 5 мА, а транзисторы с большим током установить в верхнее плечо или дифференциальный усилитель.

Нелишне будет напомнить и о том, что при монтаже все выводы элементов и проводники надо стараться делать как можно короче, а силовые — толще. Важно, чтобы сток VT11 и исток VT12 (или диодная "подставка") были подсоединены непосредственно к выводам конденсаторов фильтра, длина проводников здесь должна быть минимальна.

Выходные транзисторы VT11, VT12 расположены на отдельных ребристых теплотводах размерами 90x65x50 мм, использовавшихся в блоках строчной развертки МС-3 телевизоров. Толщина пластины теплоотвода — 5 мм, и для крепления корпуса транзистора нужно только рассверлить отверстие диаметром 8,5 мм.

Транзистор VT8 также надо ставить на теплоотвод, который в авторском варианте представляет собой две пластинки из дюралюминия размерами 40x25x2 мм, подложенные с обеих сторон монтажной платы и скрепленные винтом. При монтаже эти пластины оказываются соединенными с коллектором VT8, на котором действует напряжение большой амплитуды усиленного сигнала. Поэтому такой теплоотвод следует разместить подальше от входных цепей усилителя. Пластины можно изолировать от транзистора, но не стоит соединять их с общим проводом или корпусом, так как образуется значительная паразитная емкость нагрузки, которая может существенно снизить скорость нарастания выходного напряжения каскада.

В усилителе можно применять резисторы МЛТ-0,125, но в позициях R6—R9 лучше применить прецизионные резисторы С2-14, С2-29 с допуском не более 1 % или обычные, подобранные с помощью омметра.

Конденсаторы С1, С4 — КТ-1; С2, СЗ, С6, С9, С18—С21 — К73-17; С7, С22 — К53-4; С23 — К73-9. Оксидные конденсаторы С5, С8 на напряжение 63 В — фирмы JAMICON. Конденсаторы СЮ—С17 — малогабаритные импортные НРЗ, но подойдут и более крупные — JAMICON.

Дроссели L1, L2 — Д 1-0,1 из серии ДПМ или аналогичные индуктивностью 200...500 мкГн на-ток 100 мА. Катушка L3 намотана на резисторе МЛТ-2 (R27) виток к витку и содержит 20 витков провода ПЭВ-2 0,8 мм.

О налаживании усилителя. Подав питание, следует проверить, соответствуют ли режимы по постоянному току указанным на схеме. Ток второго дифференциального каскада (40 мА) в случае заметного отклонения можно изменять подбором резистора R11. Если напряжение на резисторах R8, R9 сильно отличается (более чем на 20 %), это свидетельствует о существенном различии параметров транзисторов VT6, VT7; желательно подобрать их более точно. Выбором резистора R17 устанавливают ток покоя выходных транзисторов 30...40 мА.

Далее УМЗЧ нагружают на эквивалент нагрузки сопротивлением 8 Ом и, подав на вход с генератора 34 сигнал частотой 1 кГц и амплитудой 1 В, проверяют наличие на выходе синусоидального сигнала амплитудой около 16 В. Причиной существенного отклонения от этого значения или искажений формы сигнала обычно является ошибка в монтаже или использование неисправных элементов.

Далее, временно отключив конденсатор С1, подают на вход УМЗЧ через конденсатор К73-17 емкостью 1,5 мкФ сигнал "меандр" с размахом около 0,25 В и частотой 100 кГц; подбором конденсатора С4 добиваются минимальной амплитуды и длительности переходного колебательного процесса. После этой проверки конденсатор С1 устанавливают на место. Может оказаться так, что конденсатор вообще не нужен. На этом настройку можно считать завершенной.

Усилитель отличается естественным, открытым и легким звучанием музыкальных инструментов, а малые искажения способствуют детальной передаче пространственной сцены и микродинамики звуковых образов. В качестве громкоговорителей с усилителем использовалась AC S-90D.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дьяконов В. П. и др. Схемотехника устройств на мощных полевых транзисторах. — М.: Радио и связь, 1994.

2. Атаев Д. И., Болотников В. А. Практические схемы высококачественного звуковоспроизведения. МРБ. — М.: Радио и связь, 1986.

Радио №8, 2002 г., с. 13-14.