Усилитель мощности (УМЗЧ) с усилителем напряжения по схеме с общей базой

В предлагаемом усилителе мощности (далее УМЗЧ) основной каскад усиления напряжения выполнен на транзисторе, включенном по схеме с общей базой. Это обеспечивает его высокую устойчивость к самовозбуждению, что дает возможность применять широкополосную ООС и эффективно снижать нелинейность каскадов и помехи в широкой полосе частот. При чувствительности 2 В описываемый УМЗЧ обеспечивает на нагрузке сопротивлением 8 Ом синусоидальную мощность 120 Вт. Уровень гармонических искажений составляет примерно 0,03 %

До недавнего времени среди радиолюбителей была популярна классическая структура усилителя мощности [1], в которой дифференциальный каскад на входе УМЗЧ нагружен на каскад усиления напряжения с транзистором по схеме с общим эмиттером, за которым следует каскад усиления мощности, как правило, представляющий собой двух или трехступенчатый усилитель тока. Такая структура и теперь является базовой для интегральных микросхем УМЗЧ.

За последние четыре десятка лет эта схема мало изменилась, ее варианты умножились за счет распространения мощных полевых транзисторов. Она обеспечивает необходимые параметры, измеряемые малыми значениями нелинейных искажений, легко поддающиеся расчету выходную мощность и коэффициент усиления. Вполне объяснима целесообразность применения входного дифференциального каскада, обеспечивающего высокую стабильность всего устройства в статическом режиме Выходной каскад, представляющий собой двух или трехступенчатый эмиттерный повторитель, вносит минимальные гармонические искажения при почти полном, соизмеримым с напряжением питания (правильнее сказать, с его половиной) размахом напряжения на выходе устройства. Сложнее обстоят дела с усилителем напряжения — драйвером. За 60-летний период существования биполярного транзистора его включение по схеме с общим эмиттером (ОЭ) неплохо изучено, выявлены все его сильные и слабые места, что и послужило его применению во всех аналоговых и цифровых устройствах в широком диапазоне частот, а также в усилителях постоянного тока.

К недостаткам транзисторного каскада по схеме с ОЭ стоит отнести низкую температурную стабильность и далеко не самый линейный режим усиления. И то, и другое в большинстве устройств устраняется разного рода отрицательными обратными связями, которые снижают динамические характеристики каскада и его коэффициент усиления. Кроме того, ухо слушателя за эти годы привыкло к звуку классического транзисторного усилителя, и большинство слушателей новых требований не предъявляют.

В описываемом УМЗЧ (его схема на рисунке) драйверный каскад собран на биполярных транзисторах VT6, VT7, включенных по схеме с общей базой (ОБ). Такой каскад имеет лучшую частотную характеристику и позволяет получить большую амплитуду сигнала на выходе, так как напряжение насыщения у транзистора, включенного по схеме с ОБ, меньше, чем у аналогичного каскада с включением транзистора по схеме с ОЭ Конечно, каскад по схеме с ОБ также не лишен недостатков. Он не обеспечивает усиления по току поэтому ток нужно усилить в предшествующем ему дифференциальном каскаде, который можно собрать на составных транзисторах.

На входе устройства имеется фильтр R1C3, не пропускающий сигналы с частотой выше 100 кГц, с него сигнал поступает на инвертирующий вход УМЗЧ через аналог неполярного оксидного конденсатора в виде С1, С2. На точку соединения этих конденсаторов подано поляризующее напряжение смещения через резистор R2 На этот же вход поступает сигнал ООС с выхода устройства через резистор R14. Ток через каждое плечо дифференциального каскада, как и коллекторный ток каскада усиления напряжения, равен 3 мА. При всех своих недостатках инвертирующий усилитель известен своей большей устойчивостью по сравнению с неинвертирующим фазу сигнала.

Выходной каскад, состоящий из двух ступеней эмиттерного повторителя, имеет несколько нестандартный узел стабилизации тока покоя и температурного режима на транзисторах VT8 и VT9. Он обеспечивает стабилизацию тока покоя первой ступени выходного каскада, а следовательно, и напряжения на резисторе R15. Это соответственно, приводит к стабилизации тока покоя транзисторов VT12 и VT13, в эмиттерных цепях которых имеются проволочные резисторы R16 и R17 Как показала многолетняя авторская практика, такая схема стабилизации позволяет заметно снизить переключательные искажения, приводящие к появлению гармоник высокого порядка, свойственных "транзисторному звучанию". Автор более десятка лет использует в своей конструкторской и ремонтной практике это техническое решение [2], и оно вполне себя оправдывает. Плавная "ступенька" хорошо отслеживается цепями ООС, приближая работу выходного каскада к так называемому режиму экономичного класса А, что делает субъективное восприятие воспроизведения звукового сигнала легче и прозрачней. Штриховыми линиями показана схема при использовании сетевого трансформатора без вывода средней точки во вторичной обмотке В этом случае резисторы R20 и R21 в цепи питания обязательны, резистор R22 следует заменить проволочной перемычкой, а предохранитель FU3 исключить.

Кратко о параметрах усилителя. При чувствительности 2 В описываемый УМЗЧ обеспечивает на нагрузке сопротивлением 8 Ом синусоидальную мощность 120 Вт При использовании нагрузки сопротивлением 4 Ом следует удвоить число выходных транзисторов вместе с резисторами в их эмиттерных цепях, тогда можно будет получить выходную синусоидальную мощность до 180.200 Вт. Осциллографическое наблюдение через активный режекторный фильтр, подавляющий на 40 дБ основную гармонику синусоидального сигнала, показало, что уровень гармонических искажений составляет примерно 0,03 % При указанных на схеме номиналах резистора R14 цепи ООС и резистора на входе R3 коэффициент усиления равен 26 дБ.

Для монтажа усилителя использована макетная плата, на которой собраны дифференциальный каскад и усилитель напряжения для двух каналов. Их цепи питания плюсовой и минусовой полярности соединены ’'звездой" на выводах конденсаторов С5, С6 соответственно.
Весь выходной каскад был собран на общем теплоотводе вместе с узлом стабилизации тока выходного каскада. Важно, чтобы мощные транзисторы каждого канала (VT10—VT13) были установлены на общий теплоотвод, а транзисторы VT8 и VT9 цепи токовой и термостабилизации имели бы с ними тепловой контакт (их можно смонтировать на выводах транзисторов VT10 и VT11). Цепи питания выходного каскада также соединены "звездой" на выводах конденсаторов С7 С9 и С8, С10 соответственно.

Сетевой трансформатор Т1 должен быть габаритной мощностью не менее 250 Вт с вторичной обмоткой, рассчитанной на напряжение 70 В при токе не менее 3,5 А с выводом средней точки (или без него — с учетом указанных выше изменений).
Все транзисторы выходного каскада должны быть установлены на теплоотводе площадью не менее 1200 см2 (на один канал).
Вместо оксидных конденсаторов С1 С2 можно применить один пленочный (полиэтилентерефталатный) конденсатор емкостью 1...2,2мкФ на напряжение 63 В (К73-16, К73-17), исключив, естественно, резистор поляризации R2. Емкость блокировочных конденсаторов С7, С8 можно увеличить до 1 ...2,2 мкФ.

Налаживание усилителя следует начать с проверки правильности монтажа и его соответствия принципиальной схеме. В авторском варианте дифференциальный каскад и усилитель напряжения собраны на отдельной плате, поэтому сначала был проверен именно этот узел без подключения его к выходному каскаду. Для этого коллекторы транзисторов VT6 и VT7 и правый по схеме вывод резистора R14 временно соединили вместе. После подачи на усилитель питания в этой точке соединения напряжение не должно превышать 10 ..15 мВ. Также полезно проверить токи плеч дифференциального каскада и усилителя напряжения на соответствие указанным на схеме значениям.

После проверки следует подключить усилитель напряжения к выходному каскаду включив вместо одного из предохранителей (FU2 или FU3) миллиамперметр, и, подав напряжение питания, убедиться в том, что потребляемый ток всего устройства не более 150. .200 мА (как правило, он не более 100 мА). Также необходимо убедиться в том, что на выходе устройства напряжение близко к нулю.

Затем, подключив к выходу УМЗЧ резистор сопротивлением 8 Ом и осциллограф, необходимо подать на вход УМЗЧ сигнал прямоугольной формы чтобы с помощью осциллографа на разных уровнях сигнала убедиться в отсутствии самовозбуждения или существенных выбросов на перепадах напряжения. Если таковое все-таки присутствует, то необходимо увеличить емкость конденсатора С4 (в авторском варианте усилитель устойчив и без него).

Следует иметь в виду, что сразу после включения ток покоя выходных транзисторов должен быть в пределах 70...90 мА. Однако после получасового прогрева он должен подняться до 120 ..150 мА и стабилизироваться.

М. САПОЖНИКОВ, г. Ганей-Авив, Израиль

ЛИТЕРАТУРА
1. Данилов А. А. Прецизионные усилители низкой частоты. — М.: Горячая линия — Телеком, 2004. с. 56. 57.
2 Сапожников М. Доработка УМЗЧ с нестандартным включением ОУ — Радио 2000, № 8, с. 17.

Источник: Журнал Радио 2010 №2 стр.17