ПРАКТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННОГО ЗВУКОВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ

УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ


Усилители мощности выполняют функции оконечных каскадов усили­телей 34 и предназначены для создания необходимой мощности на внешней на­грузке, которой обычно является акустическая система.

В комплексах высококачественного звуковоспроизведения усилитель мощно­сти обычно выполняют в виде отдельного блока (или субблока). Он не содер­жит корректирующих АЧХ элементов и имеет плоскую АЧХ в широком диа­пазоне частот. В этом блоке не предусматривают никаких регулировок. Уста­навливается лишь индикатор уровня выходной мощности. Уровень входного сигнала для этого усилителя нормируется, и обычно он равен 775±50 мВ. Уси­литель мощности имеет большую выходную мощность (более 10 Вт), мини­мальный уровень собственных шумов (ниже — 60 дБ) и коэффициент гармоник меньше 1%. Фазо-частотная характеристика усилителя линейиа в диапазоне частот 20 Гц... 30 кГц.

Значительный запас мощности, которым обладает усилитель, позволяет по­лучить большой динамический диапазон громкостей, что повышает естествен­ность звучания, улучшает стабильность работы при номинальной мощности и обеспечивает незначительные нелинейные искажения. Максимальная выходная мощность, которая может быть передана в нагрузку, определяется максималь­ными значениями напряжения, действующего на выходе усилителя, и тока, про­текающего через усилитель при заданной нагрузке. Эти значения целиком и полностью определяются параметрами выходных транзисторов. Поэтому для усилителей мощности характерным является применение в оконечном каскаде высоковольтных транзисторов повышенной мощности, потребляющих от источни­ков питания большую энергию. В свою очередь, максимальное использование оконечных транзисторов по напряжению и току приводит к росту нелинейных искажений.

Снижение уровня нелинейных искажений достигается в основном введением глубокой ООС. Однако при этом возрастает запаздывание сигнала на выходе и в цепи ООС, что является причиной динамических искажений.

На слух динамические искажения проявляются в виде потери высших частот, в неестественном оттенке звучания, так называемом «транзисторном звуке».
Сте­ пень динамических искажений оценивается по скорости нарастания выходного напряжения усилителя мощности. Для уменьшения динамических искажений в высококачественных усилителях глубина ООС ограничивается в пределах 20... ... 30 дБ. В качестве оконечных применяют мощные высокочастотные биполяр­ные или полевые транзисторы, которые позволяют расширить диапазон усили­ваемых частот и тем самым повысить быстродействие усилителя. Меры, прини­маемые для снижения динамических искажений, приводят к возрастанию нели­нейных искажений, и условие обеспечения их (динамических и нелинейных иска­жений) на низком уровне является противоречивым.

Часто для снижения нелинейных искажений для усилителей малой мощно­сти выходной каскад работает в режиме А. Однако это затрудняет термостаби-лизацию большого тока покоя транзисторов выходного каскада и снижает КПД усилителя.

В настоящее время в основном применяют бестрансформаторные выходные каскады, которые реализуют на трех-, четырехэлементных составных транзисто­рах при нескольких параллельно соединенных выходных транзисторах. Для них обычно предусматривается уетройство защиты при перегрузке сигналом боль­шого уровня и при коротком замыкании на выходе.

Качественные показатели усилителей мощности, их физические размеры в основном определяют качество всего усилительного устройства и поэтому не­удивительно, что разработчики аппаратуры высококачественного звуковоспроиз­ведения уделяют наибольшее внимание созданию высококачествен­ных усилителей мощности. Поскольку требования к. снижению нелинейных и динамических искажений являются противоречивыми, то это является источни­ком поиска для разработчиков, это же обстоятельство объясняет многообразие технических решений, появляющихся ;в последнее время.

К основным параметрам усилителей мощности звуковой частоты относятся следующие:

максимальная выходная мощность Ртах [Вт] — выходная электрическая мощность на частоте 1 кГц при значении коэффициента гармоник 10%;





номинальная выходная мощность РЯОм [Вт] — выходная электрическая мощ­ность, при значении коэффициента гармоник, заявленного для этого усилителя на частоте 1 кГц;

номинальная выходная мощность в полосе рабочих частот Рном (Дf) [Вт] — минимальная выходная электрическая мощность в диапазоне частот 20 Гц... 20 кГц при значении коэффициента гармоник, заявленного для этого усилителя на частоте 1 кГц;

коэффициент гармоник КГ [%] — коэффициент нелинейных искажений, ког­да входным низкочастотным сигналом является синусоидальное напряжение;

коэффициент гармоник в режиме малой выходной мощности Кг (50 мВт) [%] — коэффициент гармоник, измеренный при выходной мощности 50 мВт;

коэффициент гармоник в полосе частот Kг (Дf) [%] — максимальный ко­эффициент гармоник в диапазоне частот 20 Гц... 20 кГц при номинальной вы­ходной мощности;

отношение сигнал-шум [дБ] — логарифм отношения выходного напряжения усилителя при номинальной мощности к среднеквадратическому напряжению шумов усилителя в полосе частот 20 Гц... 20 кГц;

нормированная АЧХ [дБ] — зависимость нормированного значения усиления G от частоты; G = 20 lg (К/Ко), где К — коэффициент усиления усилителя в диапазоне частот, Ко — коэф.фициент усиления на частоте 1 кГц;

полоса рабочих частот Аf [Гц] — диапазон частот, внутри которого норми­рованная АЧХ усилителя имеет неравномерность не более ±1,5 дБ, измеряют при Pвых = 0,1 РНОМ;

фазо-частотная характеристика Аф [градус] — зависимость фазового сдвига­Дф между составляющими входного и выходного напряжения от частаты f; ДФН — значение Дф на частоте 20 Гц (нижнее), Дфв — значение Аф на час­тоте 20 кГц (верхнее);

коэффициент нелинейности фазовой характеристики бф [градус] — наиболь­шее отклонение фазовой характеристики реального усилителя относительно иде­альной фазовой характеристики, изменяющейся по линейному закону; бфн — значение б (ф) на частоте 20 Гц, б (фв) — значение б (ф) на частоте 20 кГц;

максимальная скорость нарастания выходного напряжения Vmax [В/мкс] — максимальное отношение ДUВЫх/Дt, где Дt — интервал времени, за который происходит изменение выходного напряжения Uвых на значение ДUВых на участке с наиболее крутым фронтом.



Далее будут описаны усилители мощности, согласованные по входу с выхо­дами узлов, описанных ранее « обеспечивающих согласованную работу на вось­ми- и четырехомную нагрузку. Чтобы получить приводимые технические харак­теристики, монтаж усилителей должен соответствовать приведенным чертежам печатной платы и монтажной схемы. Изменение компоновки может привести к ухудшению коэффициента гармоник и отношения сигнал — шум. В качестве ма­териала печатных плат во всех случаях использован односторонний фольгиро-вгнный стеклотекстолит толщиной 1,5 мм.

Усилитель мощности с балансным дифференциальным входным каскадом, Он имеет следующие основные технические характеристики:

Номинальная выходная мощность....... 55 Вт

Коэффициент гармоник.......... 0,07%

Полоса рабочих частот . . . . , , . . . . 20... 50 000 Гп

Отношение сигнал-шум.......... 89 дБ

Напряжение питания........... ±36 В

Ток покоя............ . . 100 мА

Полные технические характеристики усилителя приведены в табл. 4.

Таблица 4

Технические характеристики усилителей мощности

Усилитель

Рmах. ВТ

Pном (Дf) Вт

КГ (Дf), %

Кг (50 мВт), %

Дf. Гц

в (Фн). град

в (ФВ), град

Фн,Гград

Фв, град

Vmах, в/мкс

Рис. 66

60

55

0,07

0,15

20... 50000

8

8

30

2

20

Рис. 69

80

75

0,06

0,12

20... 40000

7

7

25

2

16

Рис. 72

70

60

0,04

0,1

20... 150000

5

3

18

5

17

Рис. 75

80

70

0,05

0,1

20... 80000

1

2

8

7

Рис. 79

70

60

0,04

0,08

20... 100000

10

3

35

11

12,5

Рис. 82

20

.ЛЬ

0,03

0,07

20... 80000

4

3

16

8

10

Рис. 85

70

60

0,5

0,7

10... 25000

8

5

40

10

7,5

Одной из особенностей данного усилителя мощности является его питание от двухполярного источника. Это позволяет включить нагрузку между выходом усилителя и общим проводом без переходного конденсатора.


Другая особенность состоит в применении входного балансного дифференциального каскада, обла­дающего хорошей термостабильностью.

Принципиальная схема усилителя приведена на рис. 66. Он состоит из вход­ного каскада (транзисторы VT1, VT2), каскада усиления напряжения (VT3) и выходного (VT4 — VT7) и элементов защиты выходных транзисторов (VD3 — VD6). Входной каскад выполнен по схеме дифференциального каскада е не­симметричным выходом. Входной сигнал поступает на базу транзистора VT1 через разделительный конденсатор С1. Сигнал ООС подается с выхода через резистор R6 на базу транзистора VT2. Дифференциальный каскад сравнивает выходное напряжение с нулевым напряжением общего провода, и еели по ка­ким-либо причинам постоянное напряжение на выходе усилителя станет отлич­ным от нуля, сигнал рассогласования с выхода дифференциального каскада по­ступает на выходной каскад, обеспечивая тем самым нулевое напряжение на выходе усилителя. С выхода дифференциального каскада сигнал поступает на усилитель напряжения и через резистор R7 на выходной каскад. Выходной кас­кад выполнен на составных комплементарных транзисторах VT4, VT6 и VT5, VT7, обладающих большим входным и весьма малым выходным сопротивле­ниями.

Диоды VD1 и VD2 создают начальное смещение выходного каскада и обес­печивают температурную стабилизацию тока покоя выходных транзисторов. Че­рез конденсатор вольтдо-бавки С5 подключается ПОС в цепь коллекторной на­грузки транзистора VT3, обеспечивая тем самым получение максимального размаха выходного напряжения. Диоды VD3, VD4 и VD5, VD6 защищают выход­ные транзисторы, шунтируя в случае перегрузки, переходы транзисторов. Эле­менты СЗ, С6, R14, С7, L1 предотвращают самовозбуждение усилителя на вы­соких частотах.

Конструктивно усилитель мощности смонтирован на печатной плате, пока­занной на рис. 67. Для температурной стабилизации тока покоя выходных транзисторов диоды VD1 и VD2 устанавливают на общий с транзисторами VT6 и УТ7 теплоотвод.


Катушка L1 намотана на резисторе R15 (МЛТ-2) и содержит 25 витков провода ПЭВ-2 0,8. Резисторы R12 и R13 изготовлены из высокоом-ного провода (манганин, константан).

Налаживание усилителя заключается в проверке правильности монтажа. При правильном монтаже и использовании исправных элементов дополнитель­ной настройки не требуется. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характе­ристики усилителя приведены на рис. 68. Для питания усилителя необходим двухполярный источник, обеспечивающий при напряжении ±36 В ток не менее 1,2 А.



Рис. 66. Принципиальная схема усилителя мощности с балансным дифференци­альным входным каскадом

Усилитель мощности с полевым транзистором в качестве источника тока для входного каскада и элементами симметрирования выходного каскада. Он имеет следующие основные технические характеристики (см. также табл. 4):

Номинальная выходная мощность....... 75 Вт

Коэффициент гармоник.......... 0,06%

Полоса рабочих частот.......... 20... 40 000 Гц

Отношение сигнал-шум.......... 86 дБ

Напряжение питания........... ±40 В

Ток покоя.......... 20 мА

Улучшение качественных показателей в этом усилителе по сравнению с предыдущим достигнуто рядом схемотехнических решений. В эмиттерную цепь входного дифференциального каскада включен источник тока на полевом тран­зисторе. Это позволяет повысить коэффициент передачи первого каскада и улуч­шить его термсстабильность. Для улучшения симметрии плеч выходного каска­да усилителя и уменьшения нелинейных искажений в эмиттерную цепь одного из транзисторов лредоконечного каскада вводятся корректирующая цепь, со­стоящая из диода, резистора и конденсатора.

Принципиальная схема усилителя приведена на рис. 69. Он содержит диф­ференциальный входной каскад (VT2, VT4), усилители тока (VT3) и напряже­ния (VT6), выходной каскад (VT9 — VT12) и устройство защиты от перегрузок (VT7, VT8). Как уже говорилось, источник тока на транзисторе VT1, включен­ный в эмиттерные цепи транзисторов VT2, VT4, позволяет, не увеличивая тем­пературную нестабильность, повысить коэффициент передачи по напряжению дифференциального каскада.


Транзистор VT3 позволяет уменьшить нагрузку на выход дифференциального каскада. Каскад с разделенной нагрузкой на транзис­торе VT6 усиливает сигнал по напряжению, обеспечивая максимальный размах выходного напряжения.

Квазикомплементарный выходной каскад, выполненный на составных тран­зисторах (VT9, VT11 и VT10, VT12), хорошо согласовывается с низкоомной на­грузкой. Корректирующая цепь, состоящая из параллельно соединенных диода VD2, резистора R28 и конденсатора С10, улучшает симметрию плеч усилителя, уменьшая тем самым нелинейные искажения. Начальное смещение на базах вы­ходных транзисторов для работы в режиме АВ определяется падением на­пряжения на участке коллектор — эмиттер транзистора VT5 и регулируется ре­зистором R16. Транзисторы VT7 и VT8 шунтируют при перегрузке эмиттерный переход выходных транзисторов, осуществляя тем самым их защиту. Элементы €3, R5, С4, R31, С12 предотвращают самовозбуждение усилителя на высоких частотах. Цепь R7, С6 служит для выравнивания АЧХ усилителя на высоких ча­стотах звукового диапазона (до 20 кГц).



Рис. 67. Печатная (а) и монтажная (б) платы усилителя мощности с балансным дифференциальным входным каскадом



Рис. 68. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики усилителя мощ­ности с балансным дифференциальным входным каскадом

Конструктивно усилитель собран на печатной .плате, показанной на рис. 70. Температурная стабилизация тока покоя выходных транзисторов осуществляет­ся с помощью транзистора VT5, установленного на общем с VT12 или VT11 радиаторе, в непосредственной близости от них. Для питания усилителя необ­ходим двухполярный источник, обеспечивающий при напряжении ±40 В ток не менее 2,5 А.

Налаживание усилителя, собранного из исправных элементов, заключается в проверке правильности монтажа и установке тока покоя выходных транзисто­ров резистором R16 в пределах 20... 40 мА. Амплитудно-частотная и фазочас-тотная характеристики усилителя приведены на рис. 71.



Рис. 69.


Принципиальная схема усилителя мощности с полевым транзистором в качестве источника тока

Усилитель мощности на комплементарных транзисторах с полной симметри­ей плеч для обеих полуволн усиливаемого сигнала и с двойным дифференциальным каскадом на входе. Он имеет следующие основные технические харак­теристики (см. также табл. 4):

Номинальная выходная мощность....... 60 Вт

Коэффициент гармоник.......... 0,04%

Полоса рабочих частот.......... 20... 150000 Гц

Отношение сигнал-шум.......... 88 дБ

Напряжение питания........... ±40 В

Ток покоя.............. 50 мА

Усилитель полностью выполнен на комплементарных транзисторах. Он рабо­тает в режиме АВ. Примененные схемные решения позволили до минимума сни­зить нелинейные искажения. Основная особенность усилителя — симметричность плеч для обеия полуволн усиливаемого сигнала. Это дало возможность снизить нелинейные искажения усилителя без введения ООС. Другая особенность со­стоит в схеме выходного каскада, позволяющей усиливать сигнал не только по току, но и по напряжению. При этом облегчился режим работы транзисторов предварительного каскада, поскольку требуемая амплитуда сигнала существен­но меньше, чем для обычного выходного каскада.



Рис. 70. Печатная (а) и монтажная (б) платы усилителя мощности с полевым транзистором в качестве источника тока



Рис. 71. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики усилителя мощ­ности с полевым транзистором в качестве источника тока

Принципиальная схема усилителя показана на рис. 72. Он содержит диффе­ренциальный каскад на комплементарных транзисторах (VT1, VT4, VT2, VT5), каскад усиления сигнала по напряжению (УТ7, VT8), выходной каскад (VT10 — VT13, VT15, VT16) и устройство защиты от перегрузок по току (VT14, VT17). Дифференциальный входной каскад на комплементарных транзисторах имеет дополнительное преимущество по сравнению с обычным: ери равенстве базовых токов транзисторов VT1 и VT2 (VT4 и VT5) через резисторы R2 и R3 и через резистор R30 ток .может вообще не протекать.Это позволяет, не нарушая балансировки каскада, изменять сопротивление этих резисторов в достаточно боль­ших пределах. Чтобы увеличить коэффициент передачи по напряжению и улуч­шить линейность при высокой термостабильности, в эмиттерные цепи транзис­торов дифференциального каскада включены источники тока на транзисторах VT3 и VT6. Каскад усиления по напряжению выполнен на комплементарной паре транзисторов VT7 и VT8, работающих в режиме А.




Содержание раздела