Простой УМЗЧ с выходным каскадом на транзисторах MOSFET

Простой УМЗЧ с выходным каскадом на транзисторах MOSFET

В популярной научно-технической литературе опубликовано множество статей на тему качества звучания транзисторных усилителей. Предлагается много теоретических рассуждений и практических схем усилителей мощности звуковой частоты высокой верности. Автор представляет свой вариант решения этой проблемы.

Простые ламповые усилители мощности не имеют объективно высоких параметров, таких как коэффициент нелинейных искажений (КНИ) и полоса воспроизводимых частот. Эти параметры редко были лучше нескольких процентов и 15 кГц соответственно. Из-за применения выходного трансформатора глубина обратной связи таких усилителей не могла быть больше 12... 18 дБ по условиям обеспечения устойчивости. Однако ни один из ламповых усилителей мощности, по какой бы схеме он ни был выполнен (однотактной или двухтактной) и в каком бы режиме он не работал (А или АВ), не имел тех специфических искажений, которыми грешит большинство транзисторных усилителей с КНИ 0,01 %, полосой воспроизводимых частот до 200 кГц и глубиной отрицательной обратной связью 40 дБ.

Применение мощных кремниевых комплементарных транзисторов в выходном каскаде УМЗЧ не устраняет эти проблемы из-за их невысоких частотных свойств и неидентичности характеристик. Появление доступных мощных полевых транзисторов с изолированным затвором дало возможность построить УМЗЧ с качеством звучания, как у ламповых усилителей.

При разработке предлагаемой схемы УМЗЧ автор исходил из следующих соображений: глубина общей ОС должна быть минимальной или полностью отсутствовать, линейность АЧХ должна быть максимальной, частота среза усиления без ОС — не ниже 20 кГц.

Принципиальная схема усилителя изображена на рис. 1.

Технические характеристики усилителя без ООС:

Входное сопротивление, кОм ................................................................... 100 Коэффициент усиления по напряжению, дБ ............................................... 45 Частота среза по уровню -3 дБ, кГц ........................................................... 56 Время нарастания и спада напряжения при Rн = 8 Ом, мкс ....................... 5 Максимальная выходная мощность, Вт
на нагрузке 8 Ом ....................................................................................... 32
на нагрузке 4 Ом ....................................................................................... 64 Уровень шума при замкнутом входе, дБ ................................................... -78

Неинвертирующий УМЗЧ представляет собой двухкаскадный дифференциальный усилитель с мощными полевыми транзисторами на выходе. Входной дифференциальный каскад выполнен на полевых транзисторах с n-каналом, при этом отпадает необходимость в генераторе стабильного тока для его питания. Рабочий ток каскада равен 2 мА.

Входной сигнал поступает на затвор транзистора VT1 через фильтр высоких частот R1C4, защищающий вход от высокочастотных наводок. Режим дифференциального каскада задается резистором R9, резистор R8 служит для балансировки при настройке.

Интегратор на операционном усилителе DA1 с постоянной времени R5C3 служит для устранения постоянного напряжения на выходе усилителя. Отклонение постоянного напряжения от нулевого значения на выходе зависит только от напряжения смещения нуля примененного ОУ и не превышает 15 мВ.

Основное усиление по напряжению обеспечивает транзистор VT3 со следящим повторителем VT4 и генератором стабильного тока VT5 в нагрузке. Начальное смещение выходных полевых транзисторов составляет приблизительно 7,5 В и образуется на параллельном стабилизаторе DA2 с высокой температурной стабильностью и динамическим сопротивлением менее 1 Ом.

Фактически нагрузкой транзистора VT3 по переменному току является только резистор R12, меняя номинал которого, можно в широких пределах регулировать общий коэффициент усиления без обратной связи. При этом будет изменяться и частота среза.

Повторитель напряжения VT4 совместно с генератором стабильного тока VT5 нагружены на значительную емкость затвор-исток выходных транзисторов, поэтому величина тока выбрана достаточно большой (12 мА).

Резисторы R23, R24 служат для устранения паразитной генерации в выходном каскаде. Подавая на вход усилителя прямоугольные импульсы, резистором R23 можно при необходимости скорректировать время нарастания положительного импульса напряжения на нагрузке и уравнять его с отрицательным. Стабилитроны VD8, VD9 защищают затворы выходных транзисторов от пробоя в случае неисправности.

На транзисторах VT6 и VT7 собран узел защиты от перегрузки по току при коротком замыкании выхода. При выбранных номиналах резисторов R25, R26 и R28, R27 ток короткого замыкания ограничен на уровне 8 А. Усилитель питается от интегральных стабилизаторов DA3 и DA4 с выходным напряжением ±30 В. Это напряжение влияет на максимальную выходную мощность, но ограничено максимальным напряжением сток-затвор транзисторов дифференциального каскада.

При замкнутых контрольных точках КТ1 и КТ2 инвертирующий вход дифференциального каскада не используется, и усилитель работает с общей обратной связью глубиной не более 10 дБ, которая подается через частотнокомпенсированный делитель R14R13.

Ток покоя выходного каскада выбран достаточно большим (100 мА) и регулируется резистором R20. Термостабилизация не применяется благодаря отрицательному температурному коэффициенту крутизны передаточной характеристики выходных транзисторов. После небольшого начального прогрева схемы ток покоя практически стабилен.

УМЗЧ выполнен из широко распространенных деталей. Постоянные резисторы — любого типа указанной на схеме мощности с допуском ±5 %. Подстроечные резисторы лучше применить проволочные многооборотные, например, СП5-14, СП5-2. Конденсаторы С1, СЗ, С8, С15 — пленочные К73-17 или аналогичные, С6, С7 — КМ5, К10-17 групп М750, Ml500, остальные — Н50, Н90 или аналогичные импортные. Оксидные — К53-1, К52-1 или другие. Транзисторы VT1 и VT2 можно применить КПЗОЗГ, Д. Желательно подобрать пару с близкими значениями начального тока. Операционный усилитель — общего применения с малыми входными токами, например TL071. Стабилитроны VD1, VD5 — любые маломощные на напряжение 12 В, VD8 и VD4 — с напряжением стабилизации в диапазоне 10... 18 В.

Транзистор VT3 должен иметь минимальную емкость коллектора, возможно больший коэффициент передачи тока и максимальное напряжение коллектор-база не менее 100 В. Можно использовать 2SA1370 или БСИТ КП960. В качестве VT4, VT5 подойдут 2SC3953 или БСИТ КП959. Стабилизатор DA2 можно применить с любым буквенным индексом в корпусе ТО-92 или К142ЕН19А. Стабилизаторы DA3, DA4 можно заменить на К142ЕН12 и К142ЕН18. Транзисторы VT6, VT7 — любые маломощные кремниевые, например, 2SC945 и 2SA733, КТ315, КТ361.

В выходном каскаде усилителя можно применить транзисторы IRF532, IRF9532, IRF540, IRF9540, IRF640N, IRF9640N, а также 2SK1058, 2SJ162, EC10N20, 10Р20 или отечественные КП746А, КП785А. Катушка L1 без сердечника, содержит 20 витков провода ПЭВ-0,8, намотанных на оправке диаметром 8 мм.

Усилитель выполнен на плате из стеклотекстолита, фольгированного с одной стороны. Для стереофонического усилителя стабилизированные цепи питания ±30 В и ±12 В должны быть общими для обоих каналов. Транзисторы VT4, VT5 снабжены теплоотводами из свернутых в трубку алюминиевых пластинок, надетых на корпуса транзисторов. Диод VD4 смонтирован под корпусом транзистора VT5 и имеет с ним тепловой контакт. Стабилизаторы DA3 и DA4 снабжены небольшими пластинчатыми теплоотводами.

Выходные транзисторы VT8 и VT9 расположены на общем теплоотводе площадью 1000 см2 и изолированы от него керамическими теплопроводными прокладками. Можно использовать слюду или силикон. Теплоотвод выведен на заднюю стенку корпуса усилителя. Печатная плата расположена непосредственно над выходными транзисторами и соединена с ними короткими проводами. Источник питания является общим для двух каналов, выполнен на базе силового трансформатора ТС-250 и содержит мостовой выпрямитель на напряжение ±30 В и ток не менее 3 А с двумя конденсаторами 22000 мкФ на напряжение 50 В. Конденсаторы могут быть К50-18 или аналогичные импортные. Они соединены с выходными транзисторами и клеммами подключения нагрузки проводами минимальной длины. Другой мостовой выпрямитель содержит два конденсатора К50-24 2200 мкФ х 63 В и должен обеспечивать напряжение 40...45 В при токе 100 мА. Общие провода выпрямителей соединяются в одной точке около общей клеммы нагрузки.

Следует учесть, что высокоомный вход усилителя чувствителен к низкочастотным наводкам со стороны силового трансформатора, следовательно, последний следует располагать по возможности дальше от платы УМЗЧ.

Перед первым включением УМЗЧ необходимо проверить правильность монтажа, соединить вход с общим проводом, а нагрузку не подключать. Резистор R8 установить в среднее, R20 — в верхнее по схеме положение, между истоками выходных транзисторов подключить вольтметр постоянного тока на 1 В. Далее следует включить питание и, медленно подстраивая резистор R20, установить ток покоя выходного каскада равным 70... 100 мА (по показаниям вольтметра 50...66 мВ). Затем надо убедиться в том, что постоянное напряжение на выходе не более 15 мВ. С помощью подстройки резистора R8 установить минимальное напряжение на выходе DA1. Если нулевое напряжение на DA1 установить не удается, можно изменить номинал резистора R9. Признаком хорошей балансировки дифференциального каскада является примерное равенство напряжений на резисторах R6 и R7 и близкое к нулю напряжение на выходе DA1. На этом налаживание усилителя можно считать законченным.

У автора усилитель с двумя каналами эксплуатируется в составе стереокомплекса более двух лет. Предварительного усилителя-корректора нет, имеется только регулятор громкости, собранный на базе многопозиционного переключателя с шагом регулировки 2 дБ. Необходимости в регуляторах тембра не возникает.

Замыкая и размыкая контрольные точки КТ1 и КТ2 при включенном усилителе (изменение усиления компенсируется регулятором громкости), при прослушивании различных музыкальных произведений можно попробовать уловить разницу в звучании с обратной связью и без нее. Разница практически не ощущается, несмотря на некоторое объективное улучшение параметров при включении ОС. По субъективным оценкам при длительной эксплуатации с различными акустическими системами звучание усилителя характеризуется прозрачностью, легкостью, хорошей проработкой инструментов заднего плана.

ЛИТЕРАТУРА
1. Силовые полупроводниковые приборы. Пер. с англ. под ред. В. В. Токарева. — Воронеж, 1995.
2. А. Петров. УМЗЧ с комплементарными полевыми транзисторами.— Радио, 2004, № 4, с. 16.
3.
Александр Ефремов, Тверская обл., Калининский район, пос. Эммаус






Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.