Каталог радиолюбительских схем

Обзор статьи в журнале "Радио" №12, 2004 г.,
узнать более подробно принципы работы,
конструкцию и методику настройки
можно в журналах Радио №12,2004 и №1,2005.

Транзисторный усилитель мощности без обратной связи

К. МУСАТОВ, г. Москва

Человеческое ухо — нелинейный преобразователь; как показали исследования [1], уровень гармонических искажений в нем спадает в энергетическом выражении примерно как 10", где п — номер гармоники. В логарифмическом исчислении это по 10 дБ на каждый интервал между гармониками. Исходные данные, снятые на тональном сигнале Г. Олсоном, были обработаны Д. Чивером в [2] и в нормированном относительно уровня тестового сигнала виде представлены на рис. 1. Из графиков видно, что при изменении звукового давления от 50 дБ (тихий голос) до 90 дБ (уровень звучания в студии) нелинейные искажения, продуцируемые ухом при преобразовании слышимого звука в ухе и обработке его в мозге, изменяются от 1,5 до 20 % по второй гармонике и от 0,3 до 3 % по третьей. Получается, что если усилитель внесет в сигнал меньший уровень гармонических искажений, то эти искажения будут замаскированы собственными искажениями уха. Учитывая, что слух частично адаптируется к собственным искажениям, установим запас по уровню спектральных составляющих искажений в 10 дБ. Этот запас позволит не демаскировать искажения на низких частотах, когда гармоники попадают в область максимальной чувствительности слуха, а также обеспечить приемлемый уровень интермодуляционных искажений, к которым слух более чувствителен. Поскольку автор поставил задачу построения двухтактного усилителя (у таких усилителей в спектре искажений основная гармоника третья), то ориентиром будет служить значение 1 % искажений по третьей гармонике при уровне звукового давления около 90 дБ. Также из графика видно, что при уровнях звукового давления до 70. ..80 дБ усилитель не должен продуцировать высшие гармоники, начиная с седьмой.

В работах [2, 3] показано, что при замыкании цепи обратной связи происходит расширение спектра гармоник. Усилители с ламповыми триодами и полевыми транзисторами имеют передаточную функцию, близкую к линейно-параболической. Усилительный каскад на мощном полевом транзисторе при уровне искажений по второй гармонике 10 % до замыкания цепи ООС создает резко спадающий спектр. После замыкания цепи ООС получается более широкий спектр уменьшенных по уровню искажений.

В тех же работах [2, 3] представлены расчетные характеристики относительных амплитуд гармоник как функции глубины ООС, причем для расчетов была выбрана квадратичная характеристика каскада, не охваченного обратной связью. Зависимость уровня гармонических искажений такого каскада от глубины обратной связи, охватывающей каскад, представлена на рис. 2. Поскольку передаточные характеристики реальных усилительных элементов содержат не только квадратичный член в разложении, Д. Чивер провел соответствующие измерения на мощном полевом транзисторе с изолированным затвором. При глубине ООС до 5 дБ уровни гармоник от третьей до шестой мало изменялись, при большей же глубине ООС реальные значения были близки к расчетным, но всегда больше. В итоге видно, что есть существенное возрастание уровня высших гармоник при глубине ООС, часто применяемой на практике. Применение глубокой ООС (50...60 дБ) сопряжено с трудностями обеспечения устойчивости усилителя, к тому же в таких усилителях глубина ООС обычно спадает уже на звуковых частотах. Есть и другие отрицательные свойства глубокой ООС (о них ниже).

Реальный усилитель состоит не из одного каскада, а транзисторы, что приводит к продуцированию широкого спектра гармоник, превышающего порог заметности, что в свою очередь повышает интермодуляционные искажения

Решения для создания усилителей, удовлетворяющих требованиям психоакустики.

1.Создание усилителя с глубокой ООС, чтобы с помощью нее постараться подавить высшие гармоники [4, 5].

2.Построение усилителя без общей ООС. Для линеаризации в этом случае применяют несколько местных цепей ООС [6].

3.Использование усилительных каскадов без введения дополнительной ООС. (Hi-End).

Выбор транзисторов для выходного каскада весьма важен.

В ламповых усилителях без ООС в выходном каскаде используется триод, обладающий небольшим выходным сопротивлением, которое с помощью выходного трансформатора снижается до приемлемого уровня (2...3 Ом на нагрузку сопротивлением 8 Ом). Поиск транзисторов, обладающих похожими характеристиками, привел к классу полевых транзисторов со статической индукцией канала. Транзисторы этого типа за рубежом представлены изделиями фирмы Tokin (Япония). Есть и примеры реализации усилителей с их использованием [7]. Приобрести эти транзисторы в России сейчас не представляется возможным. Были разработаны отечественные транзисторы с аналогичной структурой: это серии КП801, КП802 и КП926. Первые две уже не производят и не продают, а последняя еще встречается в продаже. Вольт-амперные характеристики (ВАХ) этого транзистора показали его близость к ламповым триодам.

Максимальная мощность, которую можно снять с такого каскада в линейном режиме (с учетом ограничений по минимальному напряжению и току), равна

Рвых = Uвых m*Iвыхm/2 = 120 В*0,13 А/ 2 = =7,8 Вт,

что соответствует напряжению 11,2В на нагрузке сопротивлением 8 Ом. Таким образом, для согласования с такой нагрузкой потребуется трансформатор с коэффициентом трансформации 11,2/120 = 0,0933. Приведенное к вторичной обмотке выходное сопротивление каскада без учета потерь в трансформаторе получается

R'вых=Rвыхn2 = 540*0,09332= 4,7 Ом.

Это многовато, поэтому была выбрана двухтактная схема, которая позволила снизить выходное сопротивление, поднять выходную мощность и повысить линейность усилителя.

Схема и параметры усилителя

Схема соединений узлов стереофонического усилителя показана на рис. 3. Каждый из каналов усилителя имеет два входа: простой (Х2, Х4) и балансный (Х1, ХЗ). При подаче сигнала от симметричного источника надо разомкнуть контакты выключателя SA1. В усилителе регулятор громкости построен по схеме L-регулятора [8]. Это позволяет добиться снижения вносимых регулировочным резистором помех и искажений.

Схема двухкаскадного УМЗЧ показана на рис. 4. Для стабилизации режимов транзисторов (у усилителя нет ООС по постоянному току) он построен в виде двух дифференциальных каскадов по симметричной балансной схеме с непосредственной связью. Источники стабильного тока задают рабочие режимы каскадов по постоянному току.

Схема блока питания приведена на рис. 5.

Источник питания первого каскада — общий для обоих каналов, с параллельными стабилизаторами напряжения.

Для вторых каскадов УМЗЧ выпрямители раздельны.

Основные параметры усилителя сведены в таблице. Зависимость амплитуды гармоник от уровня сигнала представлена на рис. 6.

Параметр	Значение	Примечание
Полоса воспроизводимых частот по уровню -3 дБ, Гц	2...60000	На нагрузке 6...8 Ом
	2...20000	На нагрузке 4 Ом
Неравномерность в диапазоне частот 20...20000 Гц, дБ	0,5	На нагрузке 6...8 Ом
Выходная мощность на нагрузке сопротивлением 5,5 Ом, Вт	20	При коэффициенте гармоник 5 %
	15	При коэффициенте гармоник 3 %
	5	При коэффициенте гармоник 1 %
Отношение сигнал/шум, дБ	96	При выходной мощности 15 Вт
	106	Регулятор громкости замкнут
Входная емкость, пФ	110	Регулятор громкости замкнут
Чувствительность, мВ	200...250	При выходной мощности 5 Вт
Вых. сопротивление, Ом	2,5...3	По выходу на нагрузку 8 Ом
Коэффициент подавления синфазного сигнала, дБ	36	Зависит от подбора входных транзисторов. SA1 разомкнут

Для совместимости результатов измерения с графиком на рис. 1 выходная мощность пересчитана в звуковое давление (горизонтальная ось) из расчета, что при подаче мощности, равной 1 Вт на канал, в средней по площади комнате будет получено звуковое давление около 90 дБ. При таких условиях усилитель выполняет требования по спектральному составу искажений вплоть до звукового давления 102 дБ. Во всех проведенных измерениях уровень интермодуляционных искажений был равен или меньше уровня гармонических искажений для одинакового уровня сигналов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Harry F. Olson. Physics and Engineering. — Dover Publications, 1966, ISBN: 0486217698.

2. Daniel H. Cheever. A new methodology for audio frequency power amplifier testing based on psychoacoustic data that better correlates with sound quality, 1989. <http://altor.sytes.net/cheever.pdf>.

3. Baxandall P. J. Audio power amplifier design. — Wireless World, december 1978, p. 53—56.

4. Акулиничев И. УМЗЧ с широкополосной ООС. — Радио, 1989, № 10, с. 56—58.

5. Агеев С. Сверхлинейный УМЗЧ с глубокой ООС. — Радио, 1999, № 11, с. 13—16.

6. Орлов А. УМЗЧ с симметричным входом без общей ООС. — Радио, 2002, № 4, с. 12-14.

7. SIT Р-Р 60W+60W Power Amplifier. — <http://www.ne.jp/asahi/evo/amp/SIT/pagei.htm>.

8. Белканов А. Сиди себе, регулируй... L-аттенюатор. — Вестник А.Р.А., 1999, № 1.

(Окончание)

Радио №12, 2004 г..