Входной буфер и регулятор уровня громкости для УМЗЧ. Часть 2

Привет! Продолжаем тему, поднятую в моей статье «Входной буфер и регулятор уровня громкости для УМЗЧ. Часть 1». На датагорском форуме Владимир (vol2008
) поднял тему усилителя ретро-структуры [1, 2] и предложил свой вариант буферного каскада для оконечного усилителя [3].

Я также предлагаю вариант буферного каскада с псевдодвухтактным повторителем.

↑ Возможные варианты реализации буферных каскадов

приведены на рис. 1а-г.

Рис. 1. Варианты буферного каскада для усилителя мощности: а) эмиттерный повторитель, б) эмиттерный повторитель с динамической нагрузкой, в) псевдодвухтактный эмиттерный повторитель на транзисторах одной структуры, г) псевдодвухтактный эмиттерный повторитель на комплементарных транзисторах

Эмиттерный повторитель с резистором в цепи эмиттера (рис. 1а) обладает недостатком, заключающимся в том, что при увеличении амплитуды входного сигнала ограничение одной полуволны сигнала может наступать раньше, чем другой [4].

Во время положительной полуволны входного сигнала ток эмиттера VT1 делится между сопротивлениями в эмиттере Rэ и в нагрузке Rн. Во время отрицательной полуволны ток через Rн протекает в противоположном направлении.

Чтобы избежать ограничения, ток эмиттера транзистора VT1 всегда должен быть больше нуля.

Нетрудно показать, что максимальная пиковая амплитуда выходного сигнала связана с напряжением на эмиттере Uэ и сопротивлениями нагрузки Rн и эмиттера Rэ следующим образом: Uвыхмакс=UэRн/(Rэ+Rн).

Для схемы, показанной на рис. 1а получаем: Uвыхмакс=7,5·0,62/(0,62+1,1)=2,7 В.

Устранить недостаток эмиттерного повторителя с резистивной нагрузкой и дополнительно снизить искажения позволяет использование активной нагрузки в цепи эмиттера (рис. 1 б). Отчасти недостаток простого эмиттерного повторителя остается и здесь: при положительной полуволне входного сигнала ток выдается не только в нагрузку, но и в источник тока.

Существенно уменьшить все виды искажений, а также выходное сопротивление позволяют псевдодвухтактные повторители. Здесь в качестве эмиттерной нагрузки применяется управляемый генератор тока, образующий для второго плеча встречную динамическую нагрузку, рис. 1в.

Изображенная на рис. 1в схема – перенос патента лампового повторителя сороковых годов прошлого столетия на транзисторную схемотехнику [5].

Поскольку транзисторная схемотехника, в отличие от ламп, использует транзисторы двух типов проводимости, можно модифицировать эту схему, в результате получим комплементарный псевдодвухтактный повторитель, рис. 1 г. Эту схему удачно применил Владимир (vol2008

).

Низкое выходное сопротивление схем, показанных на рис. 1в и рис. 1 г, а также меньшие искажения по сравнению со схемами, изображенными на рис. 1а и рис. 1 б, положительно сказываются на звуковоспроизведении.

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА.

Принципиальная схема буфера представлена на рисунке:

Увеличение по клику

Вкратце суть метода такова. Транзисторы Т3 и Т4 представляют собой токовое зеркало. Их выходные токи питают входной и выходной транзисторы. Таким образом, изменение тока через один транзистор (Q1) вызывает аналогичное изменений тока через другой (Т2). За счёт того, что транзисторы комплементарны, происходит взаимная компенсация нелинейности их характеристик.

↑ Буферный усилитель с регулятором уровня на основе псевдодвухтактного повторителя

На рис. 2 показан двухканальный буферный усилитель с регулятором уровня на основе псевдодвухтактного повторителя, рис. 1в. Здесь вместо эмиттерного повторителя применена схема Шиклаи на транзисторах VT1, VT3 (VT5, VT4 в другом канале).
Исключён фрагмент. Полный вариант доступен меценатам и полноправным членам сообщества.

Рис. 2. Принципиальная схема буферного каскада с псевдодвухтактным повторителем

Ток коллектора транзистора VT1 (VT5) задается резистором R5 (R11) и составляет I0=Uбэ/R5=0,2 мА, где Uбэ=0,66 В – напряжение база-эмиттер транзистора VT3 (VT4).

Источники тока выполнены на транзисторах VT2 (VT6), цепи баз транзисторов питаются от общего параметрического стабилизатора напряжения HL1, R8, C3 через резисторы R7 и R9 соответственно. Ток источника тока равен 10 мА.

Противофазный сигнал с резистора R4 (R10) через разделительный конденсатор C2 (C4) поступает на базу транзистора источника тока VT2 (VT6), чем обеспечивается активный режим работы повторителя на обеих полуволнах входного сигнала.

↑ Характеристики

Напряжение питания: 15 В; Ток потребления: 25 мА; Нижняя частота по уровню – 0,5 дБ: 1 Гц; Выходное сопротивление: 0,5 Ом; Коэффициент гармоник во всем диапазоне рабочих частот (20…20000 Гц) при Uвх=1 В, Rн=620 Ом: не более 0,001%.
Сравните технические характеристики псевдодвухтактного повторителя с конструкцией из [2]. Псевдодвухтактный буфер имеет в шесть раз меньшее выходное сопротивление, а нелинейные искажения уменьшились в семнадцать раз!

Входное сопротивление буферного каскада Rвх=47 кОм. При необходимости оксидные конденсаторы С1 (С5) на входах повторителей могут быть заменены на пленочные, например, емкостью 1 мкФ или 2,2 мкФ; при этом нижняя частота по уровню – 3 дБ останется допустимой (3,4 Гц и 1,5 Гц соответственно).

↑ Детали псевдодвухтактного повторителя

VT1, VT2, VT5, VT6 – Транзистор BC546 – 4 шт., VT3, VT4 – Транзистор BC556 – 2 шт., HL1 – Светодиод red d=3 мм BL-B51V1 – 1шт., R1, R14 – Рез.-0,25-82кОм (Серый, красный, оранжевый, золотистый) – 2 шт., R2, R15 – Рез.-0,25-110кОм (Коричневый, коричневый, желтый, золотистый) – 2 шт., R3, R4, R6, R10, R12, R13 – Рез.-0,25-100 Ом (Коричневый, черный, коричневый, золотистый) – 6 шт., R5, R8, R11 – Рез.-0,25-3,3 кОм (Оранжевый, оранжевый, красный, золотистый) – 3 шт., R7, R9 – Рез.-0,25-1,0 кОм (Коричневый, черный, красный, золотистый) – 2шт., R16 – Рез.-0,25-10 Ом (Коричневый, черный, черный, золотистый) – 1 шт., C1, C5 – Конд. 10/25V 0511 +105°C– 2 шт., C2, C3, C4 – Конд. 100/25V 0812 +105°С – 3 шт., C6 – Конд. 1000/25V 1021 +105°C – 1 шт. Печатная плата 54×54 мм – 1 шт.

↑ Плата повторителя

Все детали псевдодвухтактного повторителя размещены на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 2 мм (рис. 3).
Исключён фрагмент. Полный вариант доступен меценатам и полноправным членам сообщества.

↑ Сборка и налаживание

Сначала монтируют постоянные резисторы и перемычку, затем, соблюдая полярность и цоколевку, конденсаторы, транзисторы и светодиод. Последним на плату устанавливают переменный резистор.
Налаживание сводится к проверке режимов по постоянному току, указанных на рис. 2. Корректировка режимов при необходимости может быть осуществлена подбором резисторов R1 (R14).

ХАРАКТЕРИСТИКИ СХЕМЫ.

• Общее гармоническое искажения: типовое значение менее — 0.001% , на опытном экземпляре измерили —
  0.00025%!
• линейность искажений: искажения удваиваются на частотах выше 55КГц, а затем удваиваются каждую октаву.
• уровень шумов: ниже 138db на 1 кГц
• Полоса частот: более 50 МГц (зависит от применённых транзисторов).
• Ограничение сигнала: + 4,9 В -6.3В
• Максимальный выходной ток: -10mA
• Входное сопротивление: 10k — 100k (зависит от входных цепей, см. далее по тексту).
• Выходное сопротивление:<52R.
• смещение нуля на выходе: менее 5 мВ.

↑ Список упомянутых источников

1. Мосягин В., Кремний против германия в усилителях одинаковой ретро-структуры и новый германиевый кит в конце // Журнал практической электроники «Датагор», 2016. 2. Мосягин В., Входной буфер и регулятор уровня громкости для УМЗЧ // Журнал практической электроники «Датагор», 2016. 3. Классическая схема УМЗЧ (PowerAmplifier) на «Датагорских» транзисторах // Форум на Датагоре. 4. Rysin A. Как избежать ограничения сигнала в эмиттерном повторителе с емкостной развязкой нагрузки // Радиолоцман, 2015, апрель, с. 54 – 57. 5. White Е. Improvements in or relating to thermionic valve amplifier circuit arrangements, British patent no. 564,250 (1940). 6. Петров А. Псевдодвухтактные выходные каскады класса А. // Радиохобби, 2014, № 4, с. 57 – 61.
Спасибо за внимание!

Содержание

• 1 Буфер напряжения
• 2 Текущий буфер
• 3 Примеры буфера напряжения 3.1 Реализация операционного усилителя
• 3.2 Однотранзисторные схемы 3.2.1 Преобразование импеданса с помощью биполярного повторителя напряжения
• 3.2.2 Преобразование импеданса с использованием повторителя напряжения MOSFET
• 3.2.3 Схема однотранзисторных усилителей
• 3.2.4 Логические буферные усилители
• 3.2.5 Усилители массива громкоговорителей
• 3.2.6 Управляемая охрана

Конструкция и детали.

Для удобства повторения Главный редактор «РадиоГазеты» разработал печатную плату устройства(45мм Х 45мм):

Скачать чертеж печатной платы в формате Layout можно здесь.

Индуктивность L1 — ферритовая бусинка. Для обеспечения высокой термостабильности каскада транзисторы Т1-Т3 и Т2-Т4 нужно попарно склеить задними стенками. Вот как это выглядело на макете:

Обратная связь ОУ

Как я уже упоминал операционные усилители почти всегда используют с обратной связью (ОС). Но что представляет собой обратная связь и для чего она нужна? Попробуем с этим разобраться.

С обратной связью мы сталкиваемся постоянно: когда хотим налить в кружку чая или даже сходить в туалет по малой нужде