Простейший усилитель на транзисторах может быть хорошим пособием для изучения свойств приборов. Схемы и конструкции достаточно простые, можно самостоятельно изготовить устройство и проверить его работу, произвести замеры всех параметров. Благодаря современным полевым транзисторам можно изготовить буквально из трех элементов миниатюрный микрофонный усилитель. И подключить его к персональному компьютеру для улучшения параметров звукозаписи. Да и собеседники при разговорах будут намного лучше и четче слышать вашу речь.
Частотные характеристики
Усилители низкой (звуковой) частоты имеются практически во всех бытовых приборах – музыкальных центрах, телевизорах, радиоприемниках, магнитолах и даже в персональных компьютерах. Но существуют еще усилители ВЧ на транзисторах, лампах и микросхемах. Отличие их в том, что УНЧ позволяет усилить сигнал только звуковой частоты, которая воспринимается человеческим ухом. Усилители звука на транзисторах позволяют воспроизводить сигналы с частотами в диапазоне от 20 Гц до 20000 Гц.
Следовательно, даже простейшее устройство способно усилить сигнал в этом диапазоне. Причем делает оно это максимально равномерно. Коэффициент усиления зависит прямо от частоты входного сигнала. График зависимости этих величин – практически прямая линия. Если же на вход усилителя подать сигнал с частотой вне диапазона, качество работы и эффективность устройства быстро уменьшатся. Каскады УНЧ собираются, как правило, на транзисторах, работающих в низко- и среднечастотном диапазонах.
Классы работы звуковых усилителей
Все усилительные устройства разделяются на несколько классов, в зависимости от того, какая степень протекания в течение периода работы тока через каскад:
- Класс «А» – ток протекает безостановочно в течение всего периода работы усилительного каскада.
- В классе работы «В» протекает ток в течение половины периода.
- Класс «АВ» говорит о том, что ток протекает через усилительный каскад в течение времени, равного 50-100 % от периода.
- В режиме «С» электрический ток протекает менее чем половину периода времени работы.
- Режим «D» УНЧ применяется в радиолюбительской практике совсем недавно – чуть больше 50 лет. В большинстве случаев эти устройства реализуются на основе цифровых элементов и имеют очень высокий КПД – свыше 90 %.
Наличие искажений в различных классах НЧ-усилителей
Рабочая область транзисторного усилителя класса «А» характеризуется достаточно небольшими нелинейными искажениями. Если входящий сигнал выбрасывает импульсы с более высоким напряжением, это приводит к тому, что транзисторы насыщаются. В выходном сигнале возле каждой гармоники начинают появляться более высокие (до 10 или 11). Из-за этого появляется металлический звук, характерный только для транзисторных усилителей.
При нестабильном питании выходной сигнал будет по амплитуде моделироваться возле частоты сети. Звук станет в левой части частотной характеристики более жестким. Но чем лучше стабилизация питания усилителя, тем сложнее становится конструкция всего устройства. УНЧ, работающие в классе «А», имеют относительно небольшой КПД – менее 20 %. Причина заключается в том, что транзистор постоянно открыт и ток через него протекает постоянно.
Для повышения (правда, незначительного) КПД можно воспользоваться двухтактными схемами. Один недостаток – полуволны у выходного сигнала становятся несимметричными. Если же перевести из класса «А» в «АВ», увеличатся нелинейные искажения в 3-4 раза. Но коэффициент полезного действия всей схемы устройства все же увеличится. УНЧ классов «АВ» и «В» характеризует нарастание искажений при уменьшении уровня сигнала на входе. Но даже если прибавить громкость, это не поможет полностью избавиться от недостатков.
↑ Возможная модернизация
1. Транзисторы типа КТ814, вставленные в панельки «смотрят» надписями от пользователя. Для устранения надо зеркально поменять справа налево рисунок печатной платы.
2. Если пробит переход К-Б, на стабилитрон TL431 поступит напряжение без ограничительного резистора. Поэтому сомнительные транзисторы надо предварительно проверять на замыкание омметром тестера. Для защиты TL431 можно вместо резистора 100 кОм (он предотвращает режим с оторванной базой, я поставил его для перестраховки) поставить резистор 100 Ом и включить его последовательно с миллиамперметром.
3. При длительной подаче повышенного напряжения питания, мощность на балластном резисторе TL431 превышает номинальную. Резистор надо умудриться сжечь, но если есть такие таланты, можно поставить его мощностью 0,5 Вт сопротивлением 200 Ом.
Я не стал вносить эти изменения — делать «защиту от дурака» для себя в схеме из одного стабилитрона и нескольких резисторов считаю ненужным. Плата просто приклеена к кусочку пенопласта с жесткой пленкой. Выглядит неэстетично, но работает, меня это устраивает, как говорится: «дёшево, надёжно и практично».
Работа в промежуточных классах
У каждого класса имеется несколько разновидностей. Например, существует класс работы усилителей «А+». В нем транзисторы на входе (низковольтные) работают в режиме «А». Но высоковольтные, устанавливаемые в выходных каскадах, работают либо в «В», либо в «АВ». Такие усилители намного экономичнее, нежели работающие в классе «А». Заметно меньшее число нелинейных искажений – не выше 0,003 %. Можно добиться и более высоких результатов, используя биполярные транзисторы. Принцип работы усилителей на этих элементах будет рассмотрен ниже.
Но все равно имеется большое количество высших гармоник в выходном сигнале, отчего звук становится характерным металлическим. Существуют еще схемы усилителей, работающие в классе «АА». В них нелинейные искажения еще меньше – до 0,0005 %. Но главный недостаток транзисторных усилителей все равно имеется – характерный металлический звук.
«Альтернативные» конструкции
Нельзя сказать, что они альтернативные, просто некоторые специалисты, занимающиеся проектировкой и сборкой усилителей для качественного воспроизведения звука, все чаще отдают предпочтение ламповым конструкциям. У ламповых усилителей такие преимущества:
- Очень низкое значение уровня нелинейных искажений в выходном сигнале.
- Высших гармоник меньше, чем в транзисторных конструкциях.
Но есть один огромный минус, который перевешивает все достоинства, – обязательно нужно ставить устройство для согласования. Дело в том, что у лампового каскада очень большое сопротивление – несколько тысяч Ом. Но сопротивление обмотки динамиков – 8 или 4 Ома. Чтобы их согласовать, нужно устанавливать трансформатор.
Конечно, это не очень большой недостаток – существуют и транзисторные устройства, в которых используются трансформаторы для согласования выходного каскада и акустической системы. Некоторые специалисты утверждают, что наиболее эффективной схемой оказывается гибридная – в которой применяются однотактные усилители, не охваченные отрицательной обратной связью. Причем все эти каскады функционируют в режиме УНЧ класса «А». Другими словами, применяется в качестве повторителя усилитель мощности на транзисторе.
Причем КПД у таких устройств достаточно высокий – порядка 50 %. Но не стоит ориентироваться только на показатели КПД и мощности – они не говорят о высоком качестве воспроизведения звука усилителем. Намного большее значение имеют линейность характеристик и их качество. Поэтому нужно обращать внимание в первую очередь на них, а не на мощность.
Схема усилителя.
В качестве эксперимента соберем простой усилитель на одном транзисторе и разберем его работу.
В коллекторную цепь транзистора VT1
включим высокоомный электромагнитный телефон
BF2
, между базой и минусом источника питания
GB
установим резистор
Rб
, и развязывающий конденсатор
Cсв
, включенный в базовую цепь транзистора.
Конечно, сильного усиления от такого усилителя мы не услышим, да и чтобы услышать звук в телефоне BF1
его придется очень близко преподнести к уху. Так как для громкого воспроизведения звука нужен усилитель как минимум с
двумя-тремя
транзисторами или так называемый
двухкаскадный
усилитель. Но чтобы понять сам принцип усиления, нам будет достаточно и усилителя, собранного на одном транзисторе или
однокаскадном
усилителе.
Усилительным каскадом
принято называть транзистор с резисторами, конденсаторами и другими элементами схемы, обеспечивающими транзистору условия работы как усилителя.
Схема однотактного УНЧ на транзисторе
Самый простой усилитель, построенный по схеме с общим эмиттером, работает в классе «А». В схеме используется полупроводниковый элемент со структурой n-p-n. В коллекторной цепи установлено сопротивление R3, ограничивающее протекающий ток. Коллекторная цепь соединяется с положительным проводом питания, а эмиттерная – с отрицательным. В случае использования полупроводниковых транзисторов со структурой p-n-p схема будет точно такой же, вот только потребуется поменять полярность.
С помощью разделительного конденсатора С1 удается отделить переменный входной сигнал от источника постоянного тока. При этом конденсатор не является преградой для протекания переменного тока по пути база-эмиттер. Внутреннее сопротивление перехода эмиттер-база вместе с резисторами R1 и R2 представляют собой простейший делитель напряжения питания. Обычно резистор R2 имеет сопротивление 1-1,5 кОм – наиболее типичные значения для таких схем. При этом напряжение питания делится ровно пополам. И если запитать схему напряжением 20 Вольт, то можно увидеть, что значение коэффициента усиления по току h21 составит 150. Нужно отметить, что усилители КВ на транзисторах выполняются по аналогичным схемам, только работают немного иначе.
При этом напряжение эмиттера равно 9 В и падение на участке цепи «Э-Б» 0,7 В (что характерно для транзисторов на кристаллах кремния). Если рассмотреть усилитель на германиевых транзисторах, то в этом случае падение напряжения на участке «Э-Б» будет равно 0,3 В. Ток в цепи коллектора будет равен тому, который протекает в эмиттере. Вычислить можно, разделив напряжение эмиттера на сопротивление R2 – 9В/1 кОм=9 мА. Для вычисления значения тока базы необходимо 9 мА разделить на коэффициент усиления h21 – 9мА/150=60 мкА. В конструкциях УНЧ обычно используются биполярные транзисторы. Принцип работы у него отличается от полевых.
На резисторе R1 теперь можно вычислить значение падения – это разница между напряжениями базы и питания. При этом напряжение базы можно узнать по формуле – сумма характеристик эмиттера и перехода «Э-Б». При питании от источника 20 Вольт: 20 – 9,7 = 10,3. Отсюда можно вычислить и значение сопротивления R1=10,3В/60 мкА=172 кОм. В схеме присутствует емкость С2, необходимая для реализации цепи, по которой сможет проходить переменная составляющая эмиттерного тока.
Если не устанавливать конденсатор С2, переменная составляющая будет очень сильно ограничиваться. Из-за этого такой усилитель звука на транзисторах будет обладать очень низким коэффициентом усиления по току h21. Нужно обратить внимание на то, что в вышеизложенных расчетах принимались равными токи базы и коллектора. Причем за ток базы брался тот, который втекает в цепь от эмиттера. Возникает он только при условии подачи на вывод базы транзистора напряжения смещения.
Но нужно учитывать, что по цепи базы абсолютно всегда, независимо от наличия смещения, обязательно протекает ток утечки коллектора. В схемах с общим эмиттером ток утечки усиливается не менее чем в 150 раз. Но обычно это значение учитывается только при расчете усилителей на германиевых транзисторах. В случае использования кремниевых, у которых ток цепи «К-Б» очень мал, этим значением просто пренебрегают.
На первый взгляд, все это традиционно и хорошо известно. Однако каждый усилитель звучит по-своему. В чем же дело? А дело все в схемотехнических решениях отдельных каскадов, качестве применяемой элементарной базы, выборе режимов активных элементов, конструктивных решениях аппаратов. Но все по порядку.
Входной каскад
Хорошо известный дифференциальный каскад на самом деле не так прост, как кажется на первый взгляд. От его качества во многом зависят такие параметры усилителя, как отношение сигнал/шум и скорость нарастания выходного напряжения, а также напряжение смещения “нуля” и температурная стабильность усилителя.
Требования к дифференциальному каскаду определяются видом отрицательной обратной связи (ООС), охватывающей весь усилитель. При сравнении неинвертирующего, с последовательной ООС (рис. 2) и инвертирующего, с параллельной ООС (рис. 3) усилителей, преимущества по линейности оказываются на стороне последнего. Дело в том, что при достаточно большом коэффициенте усиления усилителя без ООС напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах практически одинаковы. Например, если на неинвертирующий вход неинвертирующего усилителя поступает сигнал напряжением 1 В, то такое же напряжение будет на его инвертирующем входе. Другими словами, на входах усилителя присутствует переменное синфазное напряжение амплитудой 1,4 В. Легко заметить, что напряжения коллектор– эмиттер транзисторов входного дифференциального каскада будут при этом колебаться с размахом 2,8 В. Такая паразитная модуляция приводит к нелинейному изменению параметров транзисторов в такт с входным сигналом. Это влечет за собой увеличение искажений, в первую очередь интермодуляционных, крайне отрицательно влияющих на качество звука. В инвертирующем усилителе синфазная составляющая практически равна нулю и вышеуказанные искажения не возникают.
Отсюда первый вывод: переход от неинвертирующего включения к инвертирующему существенно повышает качество звучания усилителя. Осуществить такой переход на практике в готовом устройстве довольно легко. Для этого достаточно подать сигнал с входных разъемов на конденсатор С2, предварительно отсоединив его от шины нулевого потенциала усилителя, и удалить конденсатор С1.
| Рисунок 2. Схема неинвертирующего усилителя |
| Рисунок 3. Схема инвертирующего усилителя |
Входное сопротивление инвертирующего усилителя практически равно сопротивлению резистора R2. Это намного меньше, чем входное сопротивление неинвертирующего усилителя, которое определяется резистором R1. Поэтому чтобы сохранить неизменной АЧХ в области низких частот, в ряде случаев требуется увеличить емкость конденсатора С2, которая должна быть во столько раз больше емкости конденсатора С1, во сколько сопротивление резистора R1 больше сопротивления резистора R2. Кроме того, для сохранения неизменным коэффициента усиления всего устройства придется подобрать резистор R3 в цепи ООС, т.к. коэффициент усиления инвертирующего усилителя К = R3/R2, а неинвертирующего К = 1 + R3/R2. При этом для минимизации напряжения смещения нуля на выходе резистор R1 необходимо подобрать с тем же сопротивлением, что у вновь установленного резистора R3.
Если все же необходимо сохранить неинвертирующее включение первого каскада, но при этом устранить влияние синфазных искажений, следует повысить выходное сопротивление источника тока, заменив резистор R7 в эмиттерных цепях дифференциального каскада на транзисторный источник стабильного тока (рис. 4). Если такой источник в усилителе уже имеется, повысить его выходное сопротивление можно, увеличив номинал резистора R14 в эмиттере транзистора VT8. При этом для сохранения неизменной величины тока через этот транзистор следует увеличить опорное напряжение на его базе, например, заменив стабилитрон VD1 на другой, с более высоким напряжением стабилизации.
| Рисунок 4. Схема источника стабильного тока |
Весьма эффективным путем снижения искажений усилителя является использование в дифференциальном каскаде однотипных транзисторов, предварительно подобранных по статическому коэффициенту усиления и напряжению база – эмиттер.
Такой способ неприемлем при серийном производстве усилителей, но вполне подходит при модернизации единичных экземпляров готовых устройств. Отличные результаты дает установка в дифференциальном каскаде транзисторной сборки из двух транзисторов, выполненных в едином технологическом процессе на одном кристалле и поэтому имеющих близкие значения вышеуказанных параметров.
Снижению искажений способствует также введение в первый каскад усилителя местной отрицательной обратной связи по току посредством установки в цепях эмиттеров транзисторов VT1, VT2 резисторов с сопротивлением до 100 Ом (R9, R10). При этом может потребоваться некоторая корректировка сопротивления резистора R3 в цепи ООС.
Разумеется, этим не исчерпываются все способы модернизации входного дифференциального каскада. Возможна также установка вместо однотранзисторного двухтранзисторного источника тока с рекордными показателями выходного сопротивления, введение так называемого токового зеркала в усилителях с несимметричным съемом сигнала с первого каскада на каскад усиления напряжения, включение каждого из транзисторов по каскодной схеме и т.д. Однако такие переделки трудоемки и не всегда конструкция усилителя позволяет их выполнить.
Выходной каскад
Выходной каскад является основным источником искажений в любом усилителе мощности. Его задачей является формирование неискаженного сигнала требуемой амплитуды в рабочем диапазоне частот на низкоомной нагрузке.
Рассмотрим традиционный каскад на комплементарных парах биполярных транзисторов, включенных по схеме двухтактного эмиттерного повторителя. У биполярных транзисторов существует емкость p-n-перехода эмиттер– база, которая может достигать величины десятых и сотых долей микрофарады. Величина этой емкости влияет на граничную частоту транзисторов. При подаче на вход каскада положительной полуволны сигнала работает верхнее плечо двухтактного каскада (VT4, VT6). Транзистор VТ4 включен по схеме с общим коллектором и имеет малое выходное сопротивление, поэтому протекающий через него ток быстро заряжает входную емкость транзистора VT6 и открывает его. После изменения полярности входного напряжения включается нижнее плечо выходного каскада, а верхнее выключается. Транзистор VТ6 закрывается. Но чтобы полностью закрыть транзистор, необходимо разрядить его входную емкость. Разряжается она, в основном, через резисторы R5 и R6, причем относительно медленно. К моменту включения нижнего плеча выходного каскада полностью разрядиться эта емкость не успевает, поэтому транзистор VТ6 полностью не закрывается, и через транзистор VТ7, помимо своего, протекает коллекторный ток транзистора VТ6. В результате из-за возникновения сквозного тока на высоких частотах при большой скорости переключения не только повышается рассеиваемая транзисторами мощность и падает КПД, но и растут искажения сигнала. Простейший способ устранения описанного недостатка – уменьшение сопротивления резисторов R5 и R6. Однако при этом возрастает мощность, рассеиваемая на транзисторах VТ4 и VТ5. Более рациональный способ уменьшить искажения – изменить схему выходного каскада усилителя таким образом, чтобы форсировать рассасывание избыточного заряда (рис. 5). Этого можно добиться с помощью подключения резистора R5 к эмиттеру транзистора VТ5.
| Рисунок 5. Схема выходных каскадов усилителя |
В случае высокого выходного сопротивления предоконечного каскада избыточный заряд может накапливаться и на базах транзисторов VT4 и VT5. Для устранения этого явления необходимо соединить базы этих транзисторов с точкой нулевого потенциала усилителя через резисторы R11 и R12 с номиналами 10…24 кОм.
Описанные меры достаточно эффективны. По сравнению с типовым включением, скорость убывания коллекторного тока в выходном каскаде после описанных переделок оказывается приблизительно в четыре раза больше, а искажение на частоте 20 кГц – примерно втрое меньше.
Очень важное значение с точки зрения вносимых искажений имеет предельная граничная частота используемых транзисторов, а также зависимость их статического коэффициента усиления по току и граничной частоты от тока эмиттера. Поэтому дальнейшего улучшения качественных показателей усилителей с выходным каскадом на биполярных транзисторах можно достичь путем замены выходных транзисторов на более высокочастотные с меньшей зависимостью коэффициента усиления от тока эмиттера. В качестве таких транзисторов можно порекомендовать комплементарные пары 2SA1302 и 2SC3281; 2SA1215 и 2SC2921; 2SA1216 и 2SC2922. Все транзисторы производства фирмы Toshiba в корпусах ТО-247.
В значительной степени на качество звучания усилителя влияет его способность работать на низкоомную нагрузку, т.е. отдавать в нагрузку максимальный ток сигнала без искажений.
Известно, что любая акустическая система (сокращенно АС) характеризуется модулем выходного комплексного сопротивления Z. Обычно величина этого сопротивления указывается в паспортах серийных АС бытового назначения и составляет 4 или 8 Ом. Однако это верно только на какой-то одной частоте, обычно на 1 кГц. В диапазоне же рабочих частот модуль комплексного сопротивления изменяется в несколько раз и может уменьшаться до 1…2 Ом. Другими словами, для непериодических импульсных сигналов с широким спектром, к которым относится музыкальный сигнал, АС представляет для усилителя низкоомную нагрузку, с которой многие из серийных усилителей просто не справляются.
Поэтому наиболее эффективным способом улучшения качественных показателей выходного каскада при работе на реальную комплексную нагрузку является увеличение количества транзисторов в плечах двухтактного усилителя. Это позволяет не только повысить надежность усилителя, так как расширяется область безопасной работы каждого транзистора, но, самое главное, снизить искажения за счет перераспределения коллекторных токов между транзисторами. В этом случае сужается диапазон изменения тока коллектора и, соответственно, коэффициента усиления, что приводит к уменьшению искажений на низкоомной нагрузке, разумеется, при соблюдении определенных требований к источнику питания.
Совсем радикальным способом, позволяющим коренным образом улучшить звучание усилителя, является замена биполярных транзисторов в выходном каскаде на полевые с изолированным затвором (MOSFET).
| Рисунок 6. Схема выходного каскада усилителя на полевых транзисторах |
По сравнению с биполярными MOSFET выгодно отличаются лучшей линейностью проходных характеристик и существенно более высоким быстродействием, т.е. лучшими частотными свойствами. Эти особенности полевых транзисторов в случае их применения позволяют относительно простыми средствами доводить параметры и качество звучания модернизируемого усилителя до самого высокого уровня, что неоднократно подтверждено на практике. Улучшению линейности выходного каскада способствует и такая особенность полевых транзисторов, как высокое входное сопротивление, что позволяет обойтись без предоконечного каскада, выполняемого обычно по схеме Дарлингтона, и дополнительно снизить искажения, сократив путь сигнала.
Отсутствие явления вторичного теплового пробоя у полевых транзисторов расширяет область безопасной работы выходного каскада и тем самым позволяет повысить надежность работы усилителя в целом, а также в некоторых случаях упростить цепи температурной стабилизации тока покоя.
Разумеется, установка полевых транзисторов вместо биполярных требует некоторой модернизации цепей начального смещения транзисторов выходного каскада. Такая модернизация сводится к замене номиналов резисторов R17…R19. Это необходимо из-за существенно большей величины отпирающего напряжения на затворе полевого транзистора по сравнению с отпирающим напряжением на базе биполярного транзистора. Требуется также коррекция тока покоя предвыходного каскада, который должен иметь достаточную величину для быстрой перезарядки больших входных емкостей MOSFET, существенно больших, чем у биполярных транзисторов. Величина тока 10 мA обычно достаточна для практических целей. В некоторых случаях при увеличении заданного производителем усилителя тока покоя потребуется установка дополнительных радиаторов на транзисторы предвыходного каскада. Кроме того, необходимо установить антипаразитные резисторы сопротивлением 200…470 Ом в цепи затворов каждого полевого транзистора. Без этих резисторов или при их меньшей величине усилитель самовозбуждается. В качестве транзисторов выходного каскада можно рекомендовать комплементарные пары IRFP240, IRFP9240 фирмы InternationalRectifier и 2SK1530, 2SJ201 в корпусах ТО-247 фирмы Toshiba.
И последнее. Для повышения надежности усилителя не лишним будет установка защитных стабилитронов VD3, VD4 с напряжением стабилизации 10…15 В в цепи затворов транзисторов. Эти стабилитроны будут защищать от пробоя затвор, величина обратного пробивного напряжения которого обычно не превышает 20 В.
При анализе цепей установки начального смещения выходного каскада любого усилителя следует обратить внимание на два момента.
Первый момент связан с тем, какой начальный ток покоя установлен. Многие зарубежные производители устанавливают его в пределах 20…30 мА, что явно недостаточно с точки зрения высококачественного звучания на малых уровнях громкости. Хотя видимые искажения типа “ступенька” в выходном сигнале отсутствуют, недостаточная величина тока покоя приводит к ухудшению частотных свойств транзисторов, и как следствие, к неразборчивому, “грязному” звучанию на малых уровнях громкости, “замазыванию” мелких деталей. Оптимальной величиной тока покоя следует считать 50…100 мA. Если в усилителе установлено несколько транзисторов в плече, то эта величина относится к каждому транзистору. В подавляющем большинстве случаев площадь радиаторов усилителя позволяет долговременно отводить от выходных транзисторов тепло при рекомендованной величине тока покоя.
Второй, очень важный момент состоит в том, что нередко применяемый в классической схеме установки и термостабилизации тока покоя высокочастотный транзистор возбуждается на высоких частотах, причем его возбуждение очень сложно обнаружить. Поэтому желательно использовать вместо него низкочастотный транзистор с fт В любом случае замена этого транзистора на низкочастотный гарантирует от неприятностей. Устранить динамическое изменение напряжения помогает и включение между коллектором и базой конденсатора С4 емкостью до 0,1 мкФ.
Частотная коррекция усилителей мощности
Важнейшим условием обеспечения высококачественного звуковоспроизведения является снижение до возможного минимума динамических искажений транзисторного усилителя. В усилителях с глубокой ООС этого можно достичь, уделив серьезное внимание частотной коррекции. Как известно, реальный звуковой сигнал имеет импульсный характер, поэтому достаточное для практических целей представление о динамических свойствах усилителя можно получить по его реакции на скачок входного напряжения, которое, в свою очередь, зависит от переходной характеристики. Последняя может быть описана с помощью коэффициента затухания. Переходные характеристики усилителей при различных значениях этого коэффициента приведены на рис. 7.
| Рисунок 7. Переходные характеристики усилителей |
По величине первого выброса выходного напряжения Uвых = f(t) можно сделать однозначный вывод об относительной устойчивости усилителя. Как видно из приведенных на рис. 7 характеристик, этот выброс максимален при малых коэффициентах затухания. Такой усилитель обладает малым запасом устойчивости и при прочих равных условиях имеет большие динамические искажения, которые проявляют себя в виде «грязного», «непрозрачного» звучания, особенно на высоких частотах слышимого звукового диапазона.
С точки зрения минимизации динамических искажений, наиболее удачен усилитель с апериодической переходной характеристикой (коэффициент затухания менее 1). Однако реализовать на практике такой усилитель технически очень сложно. Поэтому большинство фирм-производителей идут на компромисс, обеспечивая более низкий коэффициент затухания.
На практике оптимизация частотной коррекции осуществляется следующим образом. Подав с генератора импульсов на вход усилителя сигнал типа «меандр» частотой 1 кГц и наблюдая переходный процесс на выходе с помощью осциллографа, подбором емкости корректирующего конденсатора добиваются формы выходного сигнала, наиболее приближенной к прямоугольной.
Влияние конструкции усилителя на качество звука
В хорошо спроектированных усилителях, с тщательно проработанной схемотехникой и режимами работы активных элементов, к сожалению, далеко не всегда продуманы вопросы конструктивного исполнения. Это приводит к тому, что искажения сигнала, вызванные монтажными наводками от токов выходного каскада на входные цепи усилителя, вносят заметный вклад в общий уровень искажений всего устройства. Опасность таких наводок состоит в том, что формы токов, проходящих по цепям питания плеч двухтактного выходного каскада, работающего в режиме класса АВ, сильно отличаются от форм токов в нагрузке.
Если наводки от этих токов попадают во входные цепи, возникают заметные искажения, особенно на высоких частотах, на которых усиливаются паразитные связи.
Для борьбы с этим явлением необходимо предельно минимизировать паразитную индуктивность сильноточных цепей усилителя. В уже готовой конструкции этого можно достичь установкой по цепям питания выходного каскада дополнительных конденсаторов меньшей емкости, включенных параллельно конденсаторам фильтра выпрямителя. При этом дополнительные конденсаторы должны располагаться физически как можно ближе к потребителям, т.е. транзисторам выходного каскада усилителя. Самый лучший вариант – установка по одному конденсатору непосредственно на вывод коллектора или стока каждого выходного транзистора. Не будет лишним и шунтирование вновь установленных оксидных электролитических конденсаторов пленочными, желательно с диэлектриком из полипропилена или полистирола.
Второй конструктивной причиной повышенных искажений усилителя является неудачная разводка «земляных» шин на печатной плате. Из-за недостаточного сечения на шинах происходит заметное падение напряжения, создаваемое токами в цепях питания выходного каскада. В результате потенциалы «земли» входного каскада и «земли» выходного каскада становятся различными. Происходит так называемое искажение «опорного потенциала» усилителя. Эта постоянно изменяющаяся разность потенциалов добавляется на входе к напряжению полезного сигнала и усиливается последующими каскадами усилителя, что равноценно наличию помехи и приводит к росту гармонических и интермодуляционных искажений.
Для борьбы с такой помехой в готовом усилителе необходимо проводами достаточно большого сечения соединить в одной точке (звездой) шины нулевого потенциала входного каскада, нулевого потенциала нагрузки и нулевого потенциала источника питания. Но наиболее радикальным способом устранения искажения опорного потенциала является гальваническая развязка общего провода входного каскада усилителя от мощной шины питания. Такое решение возможно в усилителе с дифференциальным входным каскадом. С общим проводом источника сигнала (левым на схеме на рис. соединены лишь выводы резисторов R1 и R2. Все остальные проводники, соединенные с общим проводом, подключены к мощной шине источника питания, правой на схеме. Однако в этом случае отключение по каким-либо причинам источника сигнала может привести к выходу усилителя из строя, так как левая «земляная» шина оказывается ни к чему не подключенной и состояние выходного каскада становится непредсказуемым. Во избежание аварийной ситуации обе «земляные» шины соединяют между собой резистором R4. Его сопротивление должно бить не очень маленьким, чтобы помехи от мощной шины питания не могли попасть на вход усилителя, и в то же время не слишком большим, чтобы не влиять на глубину ООС. На практике сопротивление резистора R4 составляет около 10 Ом.
| Рисунок 8. Развязка общего провода входного каскада усилителя от мощной шины питания |
Энергоемкость источника питания
В подавляющем большинстве промышленных усилителей емкость накопительных (фильтрующих) конденсаторов блока питания явно недостаточна, что объясняется исключительно экономическими причинами, т.к. электрические конденсаторы больших номиналов (от 10 000 мкФ и более) – явно не самые дешевые компоненты. Недостаточная емкость фильтрующих конденсаторов приводит к «зажатости» динамики усилителя и повышению уровня фона, т.е. к ухудшению качества звучания. Практический опыт автора в области модернизации большого числа различных усилителей свидетельствует о том, что «настоящий звук» начинается при энергоемкости источника питания не менее 75 Дж на канал. Для обеспечения такой энергоемкости требуется суммарная емкость фильтрующих конденсаторов не менее 45 000 мкФ при напряжении питания 40 В на одно плечо (Е = CU2/2).
Качество элементной базы
Далеко не последнюю роль в обеспечении высокого качества звучания усилителей играет качество элементной базы, причем главным образом пассивных компонентов, т.е. резисторов и конденсаторов, а также монтажных проводов.
И если большинство производителей применяет в своих изделиях постоянные углеродистые и металлопленочные резисторы достаточно высокого качества, то этого нельзя сказать в отношении постоянных конденсаторов. Стремление сэкономить на себестоимости продукции часто приводит к плачевным результатам. В тех цепях, где необходимо использовать высококачественные пленочные полистироловые или полипропиленовые конденсаторы с малыми диэлектрическими потерями и низким коэффициентом диэлектрической абсорбции, зачастую установлены грошовые оксидные конденсаторы или, что несколько лучше, конденсаторы с диэлектриком из лавсановой (полиэтилентерафталат) пленки. Из-за этого даже грамотно спроектированные усилители звучат «неразборчиво», «мутно». При воспроизведении музыкальных фрагментов отсутствуют детали звучания, нарушен тональный баланс, явно не хватает скорости, что проявляется в вялой атаке звучания музыкальных инструментов. При этом страдают и другие аспекты звука. В целом звучание оставляет желать лучшего.
Поэтому при модернизации действительно высококачественных усилительных устройств необходимо заменить все низкокачественные конденсаторы. Хорошие результаты дает применение конденсаторов фирм Siemens, Philips, Wima. При доводке дорогих аппаратов высокого класса лучше всего использовать конденсаторы американской компании Reelcup типов PPFX, PPFX-S, RTX (типы указаны в порядке возрастания стоимости).
И в последнюю очередь следует обратить внимание на качество диодов выпрямителя и монтажных проводов.
Повсеместно применяемые в блоках питания усилителей мощные выпрямительные диоды и выпрямительные мосты обладают низким быстродействием из-за наличия эффекта рассасывания неосновных носителей заряда в p-n-переходе. В результате при смене полярности подводимого к выпрямителю переменного напряжения промышленной частоты находящиеся в открытом состоянии диоды закрываются с некоторой задержкой, что в свою очередь приводит к появлению мощной импульсной помехи. Помеха проникает по цепям питания в звуковой тракт и ухудшает качество звучания. Для борьбы с этим явлением необходимо применять быстродействующие импульсные диоды, а еще лучше диоды Шоттки, в которых эффект рассасывания неосновных носителей заряда отсутствует. Из доступных можно рекомендовать диоды фирмы International Rectifier. Что касается монтажных проводов, то лучше всего заменить, имеющиеся обычные монтажные провода на кабели большого сечения из бескислородной меди. Прежде всего следует заменить провода, передающие усиленный сигнал к выходным клеммам усилителя, провода в цепях питания, а также по мере необходимости проводку от входных гнезд до входа первого усилительного каскада.
Конкретные рекомендации по маркам кабелей дать затруднительно. Все зависит от вкуса и финансовых возможностей владельца усилителя. Из известных и доступных на нашем рынке можно рекомендовать кабели фирм Kimber Kable, XLO, Audioquest.
Ремонт электронной техники №3 2002г.
Усилители на МДП-транзисторах
Усилитель на полевых транзисторах, представленный на схеме, имеет множество аналогов. В том числе и с использованием биполярных транзисторов. Поэтому можно рассмотреть в качестве аналогичного примера конструкцию усилителя звука, собранную по схеме с общим эмиттером. На фото представлена схема, выполненная по схеме с общим истоком. На входных и выходных цепях собраны R-C-связи, чтобы устройство работало в режиме усилителя класса «А».
Переменный ток от источника сигнала отделяется от постоянного напряжения питания конденсатором С1. Обязательно усилитель на полевых транзисторах должен обладать потенциалом затвора, который будет ниже аналогичной характеристики истока. На представленной схеме затвор соединен с общим проводом посредством резистора R1. Его сопротивление очень большое – обычно применяют в конструкциях резисторы 100-1000 кОм. Такое большое сопротивление выбирается для того, чтобы не шунтировался сигнал на входе.
Это сопротивление почти не пропускает электрический ток, вследствие чего у затвора потенциал (в случае отсутствия сигнала на входе) такой же, как у земли. На истоке же потенциал оказывается выше, чем у земли, только благодаря падению напряжения на сопротивлении R2. Отсюда ясно, что у затвора потенциал ниже, чем у истока. А именно это и требуется для нормального функционирования транзистора. Нужно обратить внимание на то, что С2 и R3 в этой схеме усилителя имеют такое же предназначение, как и в рассмотренной выше конструкции. А входной сигнал сдвинут относительно выходного на 180 градусов.
Печатные платы для сборки
Блок питания 24 В и защита. Источник питания подает напряжение для управления реле. Чтобы избежать неприятных звуковых эффектов при включении / выключении усилителя, добавлена защита в виде задержки включения и немедленного отключения громкоговорителей и защиту от возникновения постоянного напряжения на выходе АС. Два реле позволяют подключить два громкоговорителя.
Всё собрано в оригинальный корпус от УНЧ.
УНЧ с трансформатором на выходе
Можно изготовить такой усилитель своими руками для домашнего использования. Выполняется он по схеме, работающей в классе «А». Конструкция такая же, как и рассмотренные выше, – с общим эмиттером. Одна особенность – необходимо использовать трансформатор для согласования. Это является недостатком подобного усилителя звука на транзисторах.
Коллекторная цепь транзистора нагружается первичной обмоткой, которая развивает выходной сигнал, передаваемый через вторичную на динамики. На резисторах R1 и R3 собран делитель напряжения, который позволяет выбрать рабочую точку транзистора. С помощью этой цепочки обеспечивается подача напряжения смещения в базу. Все остальные компоненты имеют такое же назначение, как и у рассмотренных выше схем.
↑ Техническое задание
Как всегда, считаю, что любительская конструкция, как правило, должна быть простой, дешевой, технологичной, состоять из недефицитных деталей. Кроме того, я давно пришел к выводу, что для подобных целей лучше делать небольшие простые платы без блока питания, без цифрового индикатора, без сложного корпуса. Достаточно предусмотреть зажимы для подключения внешнего лабораторного регулируемого блока питания, индикатора в виде простого цифрового тестера или стрелочного прибора, при необходимости — осциллографа и т. п.
Такие приборы быстро делаются и переделываются, а главное — они работают и приносят пользу. Если же задумать многофункциональный самодостаточный прибор в отдельном красивом корпусе, он обычно так и останется в прожектах. Кроме того, если прибор сделан, вдруг оказывается, что надо добавить еще одну функцию, например, капацитовизор, а места на передней панели уже нет и дизигн надо портить… Поэтому я считаю, что неказистые любительские узкофункциональные изделия имеют право на жизнь.
Итак, задумана проверка кремниевых транзисторов в режиме — ток 200 мА, напряжение К-Э = 2 В. Оперативно можно изменять ток в диапазоне примерно 150…300 мА, напряжение К-Э до 5…7 В. Можно проверять (чуть изменив настройки) составные транзисторы с двумя последовательными P-N переходами.
Тумблером можно изменить ток, например, в 10 раз. Это позволит проверять и маломощные транзисторы при токе 15…30 мА (заменой одного резистора можно установить любой разумный ток). Важным считаю удобство подключения любых транзисторов. Для транзисторов КТ814-819 на плате стоят панельки, для мощных транзисторов в корпусах типа ТО-247, ТО-3Р, есть зажимы. В них устанавливают провода с «крокодилами», которые позволяют подключать транзисторы в корпусе ТО-3, любые транзисторы с гнутыми паяными выводами и т. д.
Изменение напряжения К-Э осуществляется внешним источником питания, цель – проверка идентичности режимов при большем напряжении и значительном нагреве транзисторов. При 5 В и 200 мА получаем предельную мощность для КТ814 без теплоотвода — 1 Вт. Для бОльших корпусов без теплоотводов тепловая мощность обычно = 2 Вт.
Легко заметить, что усиление транзистора зависит в некоторых пределах как от напряжения, так и от температуры, поэтому определение абсолютного значения усиления транзистора с помощью микропроцессора с точностью до седьмого знака, не имеет смысла. По этой причине выбрано простейшее схемное решение, которое дает достаточную для практики точность и позволяет обойтись без ОУ, МК и нескольких источников питания. Для измерения тока базы годится любой цифровой тестер, например, М-832.
Двухтактный усилитель звука
Нельзя сказать, что это простой усилитель на транзисторах, так как его работа немного сложнее, чем у рассмотренных ранее. В двухтактных УНЧ входной сигнал расщепляется на две полуволны, различные по фазе. И каждая из этих полуволн усиливается своим каскадом, выполненном на транзисторе. После того, как произошло усиление каждой полуволны, оба сигнала соединяются и поступают на динамики. Такие сложные преобразования способны вызвать искажения сигнала, так как динамические и частотные свойства двух, даже одинаковых по типу, транзисторов будут отличны.
В результате на выходе усилителя существенно снижается качество звучания. При работе двухтактного усилителя в классе «А» не получается качественно воспроизвести сложный сигнал. Причина – повышенный ток протекает по плечам усилителя постоянно, полуволны несимметричные, возникают фазовые искажения. Звук становится менее разборчивым, а при нагреве искажения сигнала еще больше усиливаются, особенно на низких и сверхнизких частотах.
Бестрансформаторные УНЧ
Усилитель НЧ на транзисторе, выполненный с использованием трансформатора, невзирая на то, что конструкция может иметь малые габариты, все равно несовершенен. Трансформаторы все равно тяжелые и громоздкие, поэтому лучше от них избавиться. Намного эффективнее оказывается схема, выполненная на комплементарных полупроводниковых элементах с различными типами проводимости. Большая часть современных УНЧ выполняется именно по таким схемам и работают в классе «В».
Два мощных транзистора, используемых в конструкции, работают по схеме эмиттерного повторителя (общий коллектор). При этом напряжение входа передается на выход без потерь и усиления. Если на входе нет сигнала, то транзисторы на грани включения, но все равно еще отключены. При подаче гармонического сигнала на вход происходит открывание положительной полуволной первого транзистора, а второй в это время находится в режиме отсечки.
Следовательно, через нагрузку способны пройти только положительные полуволны. Но отрицательные открывают второй транзистор и полностью запирают первый. При этом в нагрузке оказываются только отрицательные полуволны. В результате усиленный по мощности сигнал оказывается на выходе устройства. Подобная схема усилителя на транзисторах достаточно эффективная и способна обеспечить стабильную работу, качественное воспроизведение звука.
↑ Предыстория
При изготовлении любительских конструкций, особенно усилителей, весьма желательно, чтобы пары транзисторов, как одной проводимости, так и комплементарных, имели возможно близкие параметры. При прочих равных условиях, лучше работают транзисторы, подобранные по коэффициенту передачи по току, особенно в эпоху моды на усилители с неглубокой ОООС или даже без нее. Современные промышленные приборы слишком дороги и не рассчитаны на любителей, а старые неэффективны. Встроенные в дешевые цифровые тестеры измерители транзисторов вообще не годятся для этой цели т. к. обычно проводят измерения при токе 1 мА и напряжении 5 В. Поиски в интернете простой, но функциональной конструкции результатов не дали, а заниматься очередной раз подбором «на коленке» уже не хочется, хочется комфорта. Пришлось изобретать самому. Надеюсь, что найдутся желающие повторить эту конструкцию.
Схема УНЧ на одном транзисторе
Изучив все вышеописанные особенности, можно собрать усилитель своими руками на простой элементной базе. Транзистор можно использовать отечественный КТ315 или любой его зарубежный аналог – например ВС107. В качестве нагрузки нужно использовать наушники, сопротивление которых 2000-3000 Ом. На базу транзистора необходимо подать напряжение смещения через резистор сопротивлением 1 Мом и конденсатор развязки 10 мкФ. Питание схемы можно осуществить от источника напряжением 4,5-9 Вольт, ток — 0,3-0,5 А.
Если сопротивление R1 не подключить, то в базе и коллекторе не будет тока. Но при подключении напряжение достигает уровня в 0,7 В и позволяет протекать току около 4 мкА. При этом по току коэффициент усиления окажется около 250. Отсюда можно сделать простой расчет усилителя на транзисторах и узнать ток коллектора – он оказывается равен 1 мА. Собрав эту схему усилителя на транзисторе, можно провести ее проверку. К выходу подключите нагрузку – наушники.
Коснитесь входа усилителя пальцем – должен появиться характерный шум. Если его нет, то, скорее всего, конструкция собрана неправильно. Перепроверьте все соединения и номиналы элементов. Чтобы нагляднее была демонстрация, подключите к входу УНЧ источник звука – выход от плеера или телефона. Прослушайте музыку и оцените качество звучания.
Подбор транзисторов в усилитель JLH
Выходные транзисторы
- Старые экземпляры, которые делались по меза-планарной технологии (2N3055), которую вытеснила эпитаксильно-паланарная современная (MJE3055) — очень музыкальные транзисторы.
- Несмотря на АЧХ, звук 2n3055 звонче и прозрачнее, но у 2sc3281 звук более приглушённый и ламповый, что ли. Видимо, сказывается распределение гармоник
- Самыми лучшими и стабильными в этом агрегате все-таки оказались MJ15024, MJ15003, 2N2773. Бэтта транзисторов выходного каскада при 4 Ом нагрузке должна быть не менее 120.
- Супер транзисторы — MJ15026, 15027 за 27 $ один, в Штатах 7 $.
Ну и моторолловский клон 2SC3281 — это MJL3281A, он по линейности Кус вообще рекордсмен. Практически прямая «полка», а спад беты начинается с 5-6 Ампер. По звуку лидируют MJL3281A (NPN) MJL1302A (PNP) как самые интегрально-линейные мощные биполярные транзисторы для ЗЧ.
Очень хороший результат дает параллельное включение на выходе 2-х 3-х транзисторов средней мощности 2sc5707, предварительно отобранных по бэтте (она у них очень высокая – до 560). Паяем по 2-3 транзистора на общую медную пластину, а потом ее крепим к радиатору через прокладку, паять лучше легкоплавким припоем пос-61.
В пластике (ТО-247) можно ставить MJE21193, 2CS5200, КТ8101 (в порядке ухудшения качества); В металле (ТО-3) можно MJ15003, MJ15024, 2N3055, КТ819ВМ, ГМ (в таком же порядке); Из наших — КТ908, КТ903, КТ808, КТ805, КТ803 (КТ908 на голову выше всех, из отечественных они самые лучшие).
Не применяйте MJL21294, эти транзисторы не для этого усилителя. Тем более при 4 Ом нагрузке. Вот в однотактном повторителе Игоря Семынина или усилителях с составными транзисторами на выходе им самое место. В усилителе по схеме JLH чем выше Кус выходных транзисторов и предвыходного — тем лучше. MJL-21194 сейчас лучшие для звука но не для Худа, в JLH можно применить MJ15003, но у них корпус неудобный, как и у 2N3055
Смотрел характеристики аппарата на таком комплекте транзисторов: Выходные высокочастотные 2sc5200 + драйверный каскад на вс550bp, входной транзистор bc109b. Искажения получились 0,02. 0,03 % при прекрасном меандре. При тех же условиях низкочастотные моторолы с невысокой бэтой дают искажения 0,08-0,1 % при сильно заваленном фронте меандра.
Схема с ВЧ транзисторами на выходе должна обязательно корректироваться от возбуждения установкой конденсаторов между базой и коллектором драйверного транзистора порядка 10-15 пФ и конденсатором емкостью 22-60 пФ параллельно резистору ООС R5 2,7 кОм. Если конденсатор ООС имеет номинал 470-680 мкФ, то делитель ООС 2,7 кОм/240 Ом лучше уменьшить до 1,2 кОм/120 Ом, что даст меньшие искажения и большую устойчивость.
Современные транзисторы проигрывают винтажным по качеству воспроизведения НЧ. Я считаю, что 2SA1943, 2SC5200 обеспечивают лучшее звучание, чем MJ15003, 15004 или MJ15024, 25.
MJL21194 сочетают в себе плюсы: плоский удобный для монтажа корпус и узкую полосу в 4-6,5 МГц. Правда они имеют два «минуса» — высокую стоимость и маленький коэффициент усиления. Мощные современные транзисторы с ft>30MHz ставить не рекомендуются — будет возбуд. Старые НЧ транзисторы лучше себя ведут, чем новодельные ВЧ. В этом смысле стоит попробовать наши Кт805-Кт819
У транзисторов серий: MJ, MJL, MJW – 21193, 21194, 21195, 21196… применена медная металлизация на поверхности кристалла для формирования вывода базы, что выравнивает температуру поверхности кристалла, улучшает распределение тока по площади кристалла и расширяет ОБР, особенно в области высоких напряжений.
Драйверный транзистор
Перепробовал множество транзисторов в драйвере, лучшие результаты показал 2sc2240, что закономерно т.к. у него 300-700 бэтта, при прекрасной линейности тока коллектора в диапазоне 1,0-50 мА и малая емкость 3 пФ, приклеиваем к нему медную пластинку получаем превосходный драйвер средней мощности = Ибуки
Если у вас выходные транзисторы с большой бэттой, то ток от драйверного транзистора нужен не очень большой 15-25 мА, так что не нужно туда ставить тупой конский транзистор. Из советских неплох кт602Б, но его нужно отбирать с бетой при токе 20-30 мА не менее 200.
Маломощный предвыходной транзистор показывает намного лучшие результаты по качеству меандра и искажениям чем BD139 и такие же «среднемощные» из-за более линейных характеристик при токах 10-30 мА, высокого h21э и малых межэлектродных емкостей. Особенно хорош прирост качества в классической схеме 1969 года.
