Усилитель Василича с N-канальным выходным каскадом Алексея Никитина. Усилитель Василича с N-канальным выходным каскадом Алексея Никитина Основные технические характеристики

От
прототипа, с которым читатели журнала познакомились еще в 1988 г., этот усилитель
отличается повышенной выходной мощностью и защитой выходного каскада от
короткого замыка­ния. Усилитель а режиме покоя потребляет очень малый ток, но
при усилении сигнала переходит а режим класса АВ с динами­ческим смещением.

Усилитель
мощности, схема которо­го показана на рисунке, во многом напоминает
опубликованный ранее ав­тором этой статьи в журнале , одна­ко новый гораздо
мощнее. Повышение напряжения питания оказалось воз­можным благодаря применению
высо­ковольтных микросхем. Устройство до­полнено защитой мощных транзисто­ров
от короткого замыкания нагрузки.

Основные технические характеристики

Номинальное входное на­пряжение, В – 0,5

Номинальная выходная мощность, Вт, на
нагрузке 8 Ом – не менее 35

Номинальный диапазон час­тот, Гц – 20…20000

Коэффициент гармоник, %, при номинальной
мощно­сти на частоте 1 кГц, не более
– 0,1

Немного
о работе усилителя. Входной сигнал поступает на неинвертирующий вход ОУ DA1,
усилива­ется им примерно в 40 раз и с его вы­хода подается на выходной транзис­тор
VT3, а через конденсатор СЗ - на неинвертирующий вход ОУ DA2. Для напряжения
сигнала на базе транзистора VT3 выходного каскада ОУ DA2 действует как
повторитель напряжения (вследствие наличия конденсатора обратной связи 04).
Одновременно DA2 служит для сле­жения за током покоя выходного кас­када,
контролируя падение напряже­ния на резисторах R10, R11. Это на­пряжение
усиливается ОУ и совмест­но с сигналом поступает на базу транзистора VT4 выходного
каскада, приводя в паузах звукового сигнала к уменьшению его тока покоя практи­чески
до нуля. Это закрывание тран­зистора VT4 могло бы вызвать изме­нение выходного
напряжения усили­теля, однако напряжение обратной связи (по постоянному току)
через резистор R3, поступая с выхода DA1 на базу транзистора VT3, вызывает
соответствующее снижение и его то­ка, поддерживая на выходе усилителя среднее
напряжение, близкое к нулю.

При
усилении звуковых сигналов конденсаторы СЗ-С5 подзаряжаются пульсирующим
напряжением, дейст­вующим на переходах база-эмиттер мощных транзисторов.
Поэтому сквозной ток выходного каскада при нулевых значениях напряжения сигна­ла
фактически отличается от нуля и, в зависимости от уровня звуковых сиг­налов,
достигает 100…150 мА. При отсутствии сигнала диоды VD1-VD3 ус­коряют процесс
перехода в экономич­ный режим покоя, когда мощные тран­зисторы практически
закрыты.

Транзисторы
VT1, VT2 защищают вы­ходной каскад от короткого замыкания нагрузки за счет
обратной связи по току, используя напряжение, снимаемое с резисторов R10, R11 в
цепях эмитте­ров мощных транзисторов. В результате выходной ток мощного каскада
ограни­чивается на уровне около 6 А.

Питание
УМЗЧ возможно и от “однополярного” выпрямителя (без средней точки).
Так, выход усилителя, установ­ленного на АТС и питающегося от ис­точника
питания напряжением -60 В, подключен к нагрузке через оксидный разделительный
конденсатор емкос­тью 2200 мкФ на 100 В. Цепь питания VT3 и DA1 соединяют с общим
прово­дом, а на нижний вывод резистора R1 напряжение, примерно равное полови­не
напряжения питания, подают от де­лителя из двух резисторов сопротив­лением по
100 кОм с блокировочным оксидным конденсатором емкостью 200 мкФ на 50 В.

С
нагрузкой сопротивлением 4 Ома выходная мощность УМЗЧ немного меньше 100 Вт,
поэтому размеры теплоотвода должны быть не менее 35x100x200 мм. Максимальный
ток выпрямителя БП (лучше стабилизиро­ванного) должен быть не менее 6 А.

Монтаж
усилителя очень прост, и соединения между элементами, ус­тановленными на плате
и теплоотводе, выполнены гибким проводом. Для под­ключения транзисторов
выходного ка­скада рекомендуется использовать провод сечением не менее 0,75 мм2.

В
выходном каскаде можно также использовать составные транзисторы комплементарной
структуры КТ829А и КТ853А или аналогичные импортные либо включать отдельные
высокочас­тотные транзисторы средней и боль­шой мощности, соединив их как со­ставные
транзисторы (по схеме Дар­лингтона). Вместо указанных на схе­ме транзисторов в
позициях VT1, VT2 можно установить КТ315Б и КТ361Б соответственно. Конденсаторы
С1 - С6 - К73-17. При использовании ми­кросхемы К1408УД1 (зарубежный аналог - LM343)
в корпусе 301.8-1 следует иметь в виду отличия в цоколевке .

В
налаживании усилитель практи­чески не нуждается. При работе уси­лителя на
удаленную нагрузку, под­ключаемую через длинный кабель, ре­комендуется выход
усилителя под­ключить к нему через параллельную LR-цепь, выполненную из
резистора МЛТ-2 сопротивлением 10 Ом, на ко­тором намотана катушка проводом
ПЭВ-2 диаметром 0,38 мм
в один слой до заполнения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Компаненко Л. УМЗЧ с автоматичес­кой
стабилизацией тока покоя выходных кас­кадов. - Радио, 1988, № 4, с. 50.

2. Мячин Ю. А. 180 аналоговых микро­схем.
- М.: Патриот, 1993, с. 45.

Нет предела совершенствованию! После подключения к простому усилителю Василича приобретенных колонок DYNAUDIO Excite X12 возникло ощущение, что усилитель звуковой частоты немножко не дорабатывает на низких частотах. При прослушивании данных колонок в магазине они легко воспроизводили глубокий бас. В составе домашнего медиа центра этого не наблюдалось. После изучения данной темы в сети интернет я пришел к выводу для данных АС изготовить более качественный УМЗЧ. К улучшенному усилителю напряжения простого усилителя Василича (в УН введено токовое зеркало Уилсона) был добавлен улучшенный N-канальный выходной каскад Алексея Никитина (Q8-Q12). Схема нового усилителя мощности звуковой частоты приведена ниже.

В результате получился «Качественный усилитель Василича» с более низким выходным сопротивлением.

Основные технические характеристики усилителя мощности:
Номинальная выходная мощность (Вт) - 45 (при Rn = 4 Ом);
Полоса пропускаемых частот (кГц) - 0,01...100;
Коэффициент гармоник во всем диапазоне частот (%) - 0,001
(коэффициент гармоник собранного в железе аппарата без подбора элементов - не более 0,005);

Входное сопротивление (кОм) - 10;
Номинальное входное напряжение (В) - 3;
Выходное сопротивление (Ом) - не более 0,1;
Ток покоя выходного каскада (мА) - 200.

Ток покоя задается резистором R21. На плату был установлен многооборотный резистор номиналом 100 Ом. Рекомендую выставлять ток покоя не менее 75 мА. Уже при этом значении искажения оконечника Никитина в текущей реализации не превышают 0.1% и имеют короткий, быстро спадающий спектр гармоник. При токе покоя 200 мА в спектре остается почти одна вторая гармоника и искажения оконечника не превышают 0.02%.

Подбором резистора R5 добиваемся правильной балансировки плеч питания.

В качестве выходных транзисторов Q12/13 можно установить IRLZ24N, которые обладают почти в 2 раза меньшей входной емкостью. Это позволит добиться еще более прозрачного звучания на высоких частотах, но несколько ухудшит проработку баса на низкоомной АС. HUF76639P3, рекомендованные к применению в оригинальном усилителе Алексея Никитина, придавали усилителю более ватное звучание.

Для питания стереофонического усилителя используется блок питания, собранный по следующей схеме.

Тороидальный трансформатор, мощностью 120 Вт имеет две вторичные обмотки по 36 В. После выпрямительных диодов последовательно установлены электролитические конденсаторы, в месте соединения которых образуется средняя точка (для каждого канала своя) без гальванической связи с общим проводом . К этим точкам подключаются минусовые провода акустических систем левого (AS Rc) и правого (AS Rc) каналов. В свой УМЗЧ, исходя из наличия компонентов, я установил 12 фильтрующих конденсаторов (по 3 в каждом плече емкостью 6800 мкФ на 50В). Трансформаторов может быть два, каждый мощностью по 60 - 80 Вт. Электролитические конденсаторы могут быть зашунтированы бумажными.

Плата усилителя спроектирована с помощью программы Sprint-Layout. Виды со стороны деталей и дорожек приведены ниже.

Плата усилителя изготовлена по проверенной ЛУТ-технологии.

Фотографии собранного УМЗЧ:

Результат измерений собранного усилителя на нагрузку 4 Ом при выходной мощности 21 Вт:

В настоящее время для качественного воспроизведения музыки мною в составе мультимедийного центра используются: персональный компьютер, ЦАП с USB-входом, усилитель от Василича с оконечником Никитина и акустические колонки DYNAUDIO Excite X12. Теперь все компоненты звукового тракта примерно одного класса и на данный момент меня полностью устраивают.

Вложение : 991,62 KB (Скачиваний: 930)

Вложение : 192,60 KB (Скачиваний: 814)

Ниже приведены принципиальные схемы и статьи по тематике "УМЗЧ" на сайте по радиоэлектронике и радиохобби сайт .

Что такое "УМЗЧ" и где это применяется, принципиальные схемы самодельных устройств которые касаются термина "УМЗЧ".

Выбираем структурную схему усилителя мощности. Она представлена на рисунке 2. Входной каскад выполнен на транзисторе VT1 , включенный с общим эмиттером. Резистор R4 является нагрузкой первого каскада усиления. С него усиленный сигнал поступает на базу транзистора VT2 , являющимся промежуточным каскадом усиления. Выходной каскад собран на биполярных транзисторах VT7 …VT10 по схеме Дарлингтона. Таким образом, усилитель мощности является трёхкаскадным. Составим примерную схему будущего усилителя мощности:

Рисунок 2 - Ориентировочная схема УМЗЧ

Максимальное напряжение на выходе и максимальный выходной ток рассчитываются по выходной мощности PL = 5 Вт. и сопротивлению нагрузки RL = 4 Ом.

Выходной каскад

Традиционно работу и расчёт усилителя мощности начинают рассматривать с выходного каскада, так как от схемы выходного каскада существенно зависят многие параметры УМЗЧ такие как: энергетические показатели, нелинейные искажения, надёжность и т.д. Выходной каскад представляет собой эмиттерный повторитель на комплементарных транзисторах, включённых по схеме Дарлингтона. В этом каскаде нагрузка подключается к коллекторам выходных транзисторов. Выходной каскад УМЗЧ представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 - Выходной каскад УМЗЧ

Необходимое напряжение питание EП усилителя мощности найдём, исходя из формулы мощности:

Из получившейся пропорции находим:

При найдём EП ;

Выберем напряжение питания немного больше, учитывая погрешности при расчете и потери мощности питания на входном и промежуточном каскадах. Примем

Выходной каскад служит усилителем тока и в общем виде может рассматриваться как преобразователь импедансов, согласующий низкоомный выход каскада с нагрузочным сопротивлением.

Мощность выходных каскадов лежит обычно в пределах от 50мВт. до 100Вт. И более, поэтому при расчете усилителей всегда следует учитывать рассеиваемую транзисторами мощность.

Напряжение пробоя выходных транзисторов VT 8 и VT 10 должно быть:

Максимальная мощность рассеяния транзисторов VT 8 и VT 10 при активной нагрузке и гармоническом сигнале на входе равно:

Ток короткого замыкания выходных транзисторов равен:

Таким образом, при известных значениях параметров по справочным данным выбираем комплементарную пару выходных транзисторов: VT 8 - КТ 816В, VT 10 - КТ 817В.

По максимальному выходному току Imax и минимальному усилению по току B0 = 25, выбранного типа транзисторов VT 8 и VT 10, рассчитываем ток коллектора транзисторов VT 7 и VT 9:

Такому коллекторному току соответствует маломощный кремниевый транзистор КТ 3102Б - структуры n-p-n и маломощный кремниевый транзистор КТ 3107Б - структуры p-n-p .

В качестве транзистора VT 2 (транзистора промежуточного каскада) можно использовать практически любой маломощный низкочастотный транзистор. Следует только обратить внимание на предельное напряжение коллектор-эмиттер, которое не должно быть меньше, чем. Такому напряжению соответствует транзистор типа КТ 3107Б у которого максимальное напряжение коллектор-эмиттер равняется 45В.

Перейдём к рассмотрению и расчёту защиты от токовой перегрузки и короткого замыкания выхода. Из-за малого выходного сопротивления усилитель мощности легко может быть перегружен по току нагрузки и выведен из строя за счёт перегрева выходных транзисторов. Конструктивные меры повышения надёжности, такие как выбор транзисторов с большим запасом по мощности рассеяния, увеличение площади теплоотводящей поверхности, приводят к удорожанию конструкции и ухудшению её массогабаритных показателей. Поэтому целесообразно использовать схемотехнические способы повышения надёжности, вводя в усилитель мощности цепи защиты от токовых перегрузок и коротких замыканий выхода.

Рассмотрим принцип действия защиты выходного каскада УМЗЧ от токовой перегрузки и короткого замыкания выхода. Схема защиты состоит из транзисторов VT 5 и VT 6 и резисторов R 10…R 13. Схема защиты представлена на рисунке 4. Работает цепь защиты следующим образом.

При достаточно малом токе нагрузки транзистор VT 5 заперт, так как падение напряжения на резисторе R 11 недостаточно для его открывания, и цепь защиты практически не оказывает влияния на работу усилителя мощности. При увеличении тока нагрузки растёт падение напряжения на резисторе R 11 (для положительной полуволны; для отрицательной полуволны выходного напряжения будет увеличиваться падение напряжения на резисторе R 12). При достижении напряжения падающего на резисторе R 11, порога UБЭ ПОР открывания транзистора VT 5 он отпирается, забирая на себя часть тока источника, тем самым стабилизируя максимальный ток нагрузки. Номиналы резисторов R11 и R12 рассчитаем по формуле:

Резисторы R 11 и R 13 имеют малое сопротивление (100…150 Ом) и служат для ограничения тока базы транзисторов VT 11 VT 13. Резисторы R 11 и R 13 практически не влияют на работу цепи защиты.

Рисунок 4 - Схема защиты выходного каскада УМЗЧ от токовой перегрузки и короткого замыкания выхода.

Далее перейдем к рассмотрению схемы температурной стабильности тока покоя выходного каскада УМЗЧ. Существует достаточно много различных схемотехнических приёмов обеспечения температурной стабильности тока покоя выходных транзисторов. Все они в конечном счете требуют создания теплового контакта элементов стабилизирующей цепи либо с корпусом транзисторов, либо с теплоотводящей поверхностью. Еще один пример построения выходного каскада усилителя мощности с температурной стабилизацией тока покоя выходных транзисторов приведен на рисунке 4. Преимущество данного способа заключается в том, что на теплоотводящую поверхность помещается только один термочувствительный элемент - транзистор VT 4. Условие, из которого выбирают номиналы резисторов R 6 и R 8:

В общем случае отношение должно быть численно на единицу меньше количества p-n переходов в контуре. Резистор R 8 выполняется переменным для обеспечения установки требуемого тока покоя транзисторов выходного каскада усилителя мощности. Выберем номиналы сопротивлений R 6 и R 8, учитывая, что их отношение должно быть примерно равняться трём, так в выходном каскаде стоят четыре транзистора (т.е. имеется четыре p-n перехода). Возьмём сопротивление R 6 равным 1000 Ом, тогда R 8 будет равным:

Для расчёта резистора R7, воспользуемся выражением:

рассчитаем R 7.

Написать этот материал подтолкну­ла статья в , в которой автор вся­чески критикует все, что до сих пор сделано в области разработки усили­телей звуковой частоты, и предлагает структуру своего "абсолютного" УМЗЧ. Я не согласен с автором, и поэтому, на основе проведенного анализа из­вестных наработок по отдельным уз­лам УМЗЧ , хочу представить свой вариант простого, "безупречного", по выражению Дугласа Селфа , УМЗЧ.

На сегодня известны три основ­ных недостатка биполярных транзи­сторов:

Эффект Эрли (зависимость тока коллектора от напряжения эмиттер- коллектор);

Эффект Миллера (зависимость входной емкости от коэффициента усиления);

Тепловые искажения, связан­ные с зависимостью параметров от температуры кристалла.

Общепризнанный способ борьбы с первыми двумя недостатками и отчасти с третьим - это каскодные схемы. Снижению первого эффек­та, связанного также с пульсация­ми питания УМЗЧ под нагрузкой, способствует раздельное питание драйвера и выходного каскада. Для устранения тепловых искажений необходимо застабилизировать мощность, рассеиваемую на тран­зисторе, а если это выполнить не­ возможно, то хотя бы минимизиро­вать ее колебания.

Для начала определимся с драй­вером. Как показали исследования в , а позднее и в , предельно про­стые симметричные каскодные драй­веры не уступают, а в ряде случаев превосходят по параметрам более сложные схемы с использованием дифкаскада (ДК). Поэтому и остано­вимся на каскодном драйвере.

Теперь необходимо выбрать выход­ной каскад (ВК). Наиболее простой вариант, мало чем уступающий моди­фицированному ВК Хауксфорда, - экономичный ВК Шикпаи с составны­ми транзисторами Дарлингтона, на входе которого добавлен параллель ный повторитель. В этом ВК базо - эмиттерные переходы параллельно­го повторителя задают смещение для ВК и одновременно осуществляют термостабилизацию. Для этого нуж­но выбрать транзисторы VT 12, VT 16 и VT 13, VT 1 5 одного типа и попарно обеспечить тепловой контакт.

Достоинство такого решения еще и в том, что эти транзисторы рабо­тают как токовое зеркало, и изменяя ток коллектора транзисторов парал­лельного повторителя, можно регу­лировать ток покоя выходных тран­зисторов. В таком включении иска­жения мало зависят от тока покоя выходных транзисторов, поэтому, с целью повышения КПД, его можно выставить в пределах 5...30 мА. Еще одно достоинство этого ВК в том, что он и без ООС вносит очень малые искажения .

Диоды VD 5, VD 8 улучшают термо­стабилизацию и снижают искажения, так как выходные транзисторы рабо­тают как масштабные отражатели тока с большим коэффициентом от­ражения, а диоды VD 6, VD 7 служат для ограничения минимального на­пряжения база-коллектор выходных транзисторов с целью предотвраще­ния их насыщения. Низкоомные ре­зисторы R 29, R 30 способствуют бы­строму выключению транзисторов.

В результате объединения этих двух каскадов получим схему УМЗЧ с однокаскадным драйвером, приве­денную на рис.1.

Достоинством пол­ностью симметричной схемы УМЗЧ является то, что при подборе "зер­кальных" транзисторов по статичес­кому коэффициенту передачи тока базы (для себя, любимого, можно это позволить) и одинаковых элект­ролитических конденсаторов УМЗЧ не имеет переходных процессов. Поэтому отпадает необходимость в реле задержки подключения АС.

С целью минимизации искажений, связанных с перечисленными недо­статками, сделано небольшое услож­нение схемы драйвера: добавлен каск ад для входных транзисторов и в качестве генератора стабильного тока (ГСТ) использован любимый ГСТ Дугласа Селфа с токовой ОС, в кото­ром застабилизированы токи коллек­торов транзисторов токовой обратной связи. Такой ГСТ позволяет миними­зировать влияние пульсаций питаю­щего, напряжения и, таким образом, отказаться от дополнительных источ­ников питания. Наиболее линейный участок характеристики тока стабили­зации для диода Е202 (S 202) - при падении напряжения на нем в пре­делах 5...20 (3...50) В . Падение на диоде ограничено с учетом просадки напряжения под нагрузкой с помо­щью резистора R 18. При отсутствии диода его можно заменить перемыч­кой, от этого параметры практически не пострадают.

В качестве выходных транзисторов с успехом можно использовать тран­зисторы старого образца типа КТ825, КТ827 (аналоги приведенных на схе­ме). Еще лучшие результаты можно получить с современными транзисто­рами, например, 2SD 2560,2SB 1647; 2SD 2449, 2SB 1594; 2SD 2385, 2SB 1556 и аналогичными.

Нулевое смещение на выходе УМЗЧ отрабатывает интегратор на DA 1. Благодаря дополнительной фильтрации, в звуковом диапазоне он себя никак не проявляет. Учиты­вая, что использованный ВК сам по себе имеет малые искажения, мож­но предусмотреть перемычки для работы без общей ООС, как это предложено в .

Данный усилитель - с открытым входом, поэтому перед подключени­ем к нему нормирующего усилителя необходимо убедиться в отсутствии на его выходе постоянной составляю­щей. Входное сопротивление УМЗЧ- небольшое (около 3 кОм), поэтому если на выходе нормирующего усили­теля стоит конденсатор, его емкость должна быть не менее 10 мкФ. Так как неэлектролитические конденсаторы такой емкости достаточно велики, можно составить конденсатор из двух встречно включенных полярных емко­стью по 22...47 мкФ и параллельно им неполярного емкостью 1 ...2 мкФ. Луч­ше после регулятора громкости ис­пользовать буферный повторитель (а если чувствитель­ности недостаточ­но, то нормирую­щий усилитель с К и =2...3) на ОУ и непосредственно к его выходу под­ключить УМЗЧ.

Снимем стан­дартные характе­ристики: диаграм­му Боде без кон­денсатора С1, не­линейные иска­жения на часто­тах 1, 10 и 20 кГц, а также посмот­рим, нет ли видимых искажений фор­мы сигнала на частоте 100 кГц.

Диаграмма Боде показана на рис.2. Из нее видно, что усилитель доста­точно широкополосен: частота среза -около 500 кГц при частоте единич­ного усиления 2 МГц. Небольшой выброс в области 400 кГц обуслов­лен работой двухполюсной коррек­ции. Запас по амплитуде - 18 дБ, запас по фазе - около 60°, что яв­ляется оптимальным значением.

Вносимые нелинейные искажения при амплитуде сигнала на выходе 30 В на частотах 1,10 и 20 кГц соот­ветственно равны 0,0005, 0,001 и 0,003%. В качестве примера на рис.3 показан спектр искажений на часто­те 10 кГц.

Как видно из рисунка, в спектре имеются только 2-я и 3-я гар­моники. Уровень ближайшей гармо­ники, попадающей в звуковой диапа­зон, составляет те же 0,0005 %, как и на частоте 1 кГц.

Проверим скорость нарастания сигнала: нет ли каких-либо видимых искажений на полной мощности на частоте 100 кГц (рис.4)?

Как видим, и здесь все в порядке. При провер­ке УМЗЧ меандром частотой 2 кГц (без конденсатора С1) выяснилось, что на полках наблюдаются неболь­шие выбросы по окончании фрон­та. Но с установкой конденсатора С1 на место, полки меандра абсо­лютно ровные, а фронты сигнала достаточно крутые.

Вторая модификация УМЗЧ, на ко­торую также хочется обратить внима­ние, показана на рис.5. В ней количе­ство элементов такое же, как и в схе­ме на рис.1, но выходной каскад драй­вера, как и входной, - каскодный.