Схемотехника усилителей мощности звуковой частоты. Схемотехника умзч со стабилизацией режима Схемотехника усилителей мощности высокой частоты

Изготовление высококачественного УМЗЧ - еще не решение проблемы, так как он - лишь одно из звеньев цепи устройств, образующих звуковоспроизводящий комплекс. И создавать такой комплекс следует системно, начиная с разработки требований, основанных как на желаемых результатах, так и на имеющихся возможностях. При этом в расчет должны приниматься не только технические характеристики звуковоспроизводящего тракта, но и параметры громкоговорителей, акустические параметры помещения, вопросы эргономики и надежности. Многие из этих требований взаимно противоречивы, поэтому решение такой задачи под силу только большому, связанному общей идеей коллективу конструкторов, каким является армия радиолюбителей.

Хотелось бы продолжить разработку идей, способствующих достижению высоких результатов при изготовлении высококачественных комплексов различной степени сложности. И начать не с их электрических характеристик, а с состава и конструктивного оформления.

По мнению автора, в радиокомплекс, кроме усилительно-коммутационного устройства, должны входить ЭПУ, кассетный магнитофон-приставка и тюнер с основными параметрами, обеспечивающими суммарный эффект, соответствующий акустическим характеристикам громкоговорителей. В комплекс может входить и катушечный магнитофон с более высокими параметрами, чем другие блоки, для перезаписи программ с кассет и катушек. Конструктивно названные части радиокомплекса должны быть объединены в неделимый музыкальный центр. Существующее мнение о возможном дальнейшем развитии радиокомплекса, блоки которого соединены между собой многочисленными кабелями, не разделяется автором. Дело в том, что при согласованных характеристиках блоков, обеспечивающих заданное качество вуковоспроизведения, улучшение параметров одного из них не приведет к улучшению суммарного эффекта. Последний может быть получен только в том случае, если радио-комплекс состоит из элементов с различными, заведомо худшими параметрами качества, а это в корне неверно. Но если даже такой радиокомплекс удовлетворяет по звучанию своего владельца при работе на громкоговорители низкой группы сложности, то он немедленно перестанет его удовлетворять после замены их акустической системой более высокой группы: сразу начнут проявляться недостатки слабых звеньев.

Таким образом, при замене громкоговорителей неминуемо возникает необходимость замены и других блоков, а в случае согласованности их характеристик - и всего радиокомплекса. Поэтому-то и целесообразно выполнять его в виде объединенных в музыкальный центр блоков, согласованных по основным параметрам. Такая конструкция комплекса обеспечивает повышение надежности, улучшение качественных и эргономических характеристик. Выигрыш в надежности обусловливается отсутствием соединительных кабелей и невозможностью неправильных соединений, в технических характеристиках – облегчением борьбы с фоновыми наводками, в эргономике -возможностью целесообразного размещения органов управления и самих узлов при компоновке музыкального центра в целом.

Тезис: громкоговорители - важнейший компонент радиокомплекса, вряд ли требует особых пояснений. Можно говорить о качестве любого звена звуковоспроизводящего тракта, о влиянии его параметров на качество звуковоспроизведения, но если электроакустический, преобразователь не может преобразовать электрические сигналы в звуковые в определенном диапазоне частот с приемлемым уровнем искажений, то никакое улучшение других узлов тракта, как правило, не приведет к пропорциональному улучшению звучания. Конечно, степень демпфирования громкоговорителей выходным сопротивлением УМЗЧ может в некоторой степени влиять на качество воспроизведения, но только до тех пор, пока она не достигнет предельного для данного электроакустического преобразователя значения. Частотной коррекцией усилителя можно расширить диапазон воспроизводимых акустической системой частот, но в ущерб другому параметру - динамическому диапазону усиливаемых без нелинейных искажений сигналов.

Громкоговорители приходится выбирать не только по параметрам и стоимости, но и с учетом возможности их размещения в жилом помещении, где они, видимо, не должны являться главным элементом интерьера. Последнее обстоятельство часто является определяющим: далеко не каждая семья рискнет сделать главным украшением своей квартиры два громоздких и не всегда изящно оформленных громкоговорителя.

Для ликвидации разрыва между желаемым качеством звуковоспроизведения и возможностями размещения громкоговорителей в квартире основные усилия промышленности и радиолюбителей-конструкторов следует, видимо, направить на создание достаточно высококачественных малогабаритных, эстетически грамотно оформленных и доступных но цене акустических систем. Их частотный диапазон, по мнению автора, должен быть не уже 30…16 000 Гц. Дальнейшее его расширение для бытовой радиоаппаратуры вряд ли целесообразно. Коэффициент гармоник в указанном диапазоне частот не должен превышать 3 % при номинальной мощности 25 Вт.

Практически такие же требования по частотной характеристике следует предъявить н ко второму по значимости звену радиокомплекса - УМЗЧ: оптимальным диапазоном частот дли него можно считать 20-20000 Гц (при спаде АЧХ на краях не более – 3 дБ). Не принципиальным был бы и коэффициент гармоник, который вполне мог бы достигать 0,5-1%, если бы нелинейность амплитудной характеристики УМЗЧ не приводила к появлению негармонических составляющих в спектре усиливаемого сигнала, называемых нитермодуляционными искажениями. Именно они, а не гармонические составляющие, являются источником неприятных призвуков. Частотные компоненты, лежащие за верхней границей звукового.диапазона и, следовательно, не слышимые ухом, при близком их расположении на частотной оси могут порождать комбинационные частоты, попадающие в область максимальной чувствительности человеческого уха . Высокая крутизна характеристик биполярных транзисторов, а следовательно, и кривизна (нелинейность) приводят к появлению комбинационных составляющих довольно высокого (6-го – 10-го) порядка со значительными уровнями.

Борьба с интермодуляционными искажениями, возникающими при ограничении сигнала, довольно проста: достаточно правильно выбрать амплитуду напряжения на входе УМЗЧ.

Пикфактор многочастотного сигнала близок, к пикфактору шума и наиболее вероятно равен 3. Следовательно, величина входного напряжения для неискаженного звуковоспроизведения должна быть в 3 раза меньше максимального значения, при котором выходной синусоидальный сигнал еще не искажается. Требуемый уровень входного напряжения подбирают при установке регулятора громкости в положение, соответствующее максимальной громкости. Следует, однако, учесть, что средняя мощность на выходе при этом будет примерно равна 0.1 от номинальной, и громкость звучании для выбранной акустической системы и конкретного помещения будет определяться именно ею. Учитывая, что наиболее типичный объем жилого помещения, составляющий 40-60 м 3 , требует подведения средней мощности около 4 Вт, номинальная суммарная мощность стереофонического УМЗЧ должна составлять 40 Вт – по 20 Вт на канал. Это значение и следует, по мнению автора, считать минимальным для высококачественного звуковоспроизведения.

Очевидно, что при указанной выходной мощности интермодуляционные искажения должны быть ниже уровня шумов УМЗЧ. Однако измерить интермодуляционные искажения с уровнем -70 дБ (0,03%) в присутствии основного сигнала большого уровни можно только при наличии анализатора спектра с динамическим диапазоном не менее 80 дБ. К сожалению, такие приборы практически недоступны большинству радиолюбителей. Косвенно о величине интермодуляционных искажений можно судить по коэффициенту гармоник, однако измерить и этот параметр на уровне -70 дБ также практически нечем: подходящего измерителя нелинейных искажений среди доступных радиолюбителю нет.

Правда, существует известный метод взаимной компенсации входного и выходного сигналов УМЗЧ. Оценка искажений таким способом наиболее приемлема для радиолюбителей, однако при уровнях -70 дБ и в этом случае возникают определенные трудности. Поэтому первоочередной задачей радиолюбителей-конструкторов, по мнению автора, следует считать разработку доступных для повторения интермодулометров. А до их появления придется пользоваться менее объективными, но более доступными методами.

Метод экспертиз, дает хорошие результаты и доступен широкому кругу радиолюбителей. Наблюдения Ю. Солнцева хорошо согласуются с наблюдениями автора. Некоторые выводы из них стоит повторить, придав им смысл критериев оценки качества. Это, во-первых, достижение наилучшего звучания высококачественных фонограмм при установке органов регулировки АЧХ предварительного усилителя в среднее положение. Всякое желание придать АЧХ форму, отличную от линейной, особенно в области высших частот, всегда свидетельствует о нелинейности амплитудной характеристики УМЗЧ, приводящей к появлению интермодуляционных и гармонических составляющих в спектре выходного сигнала.

Во-вторых, испытание усилителя сигналом того же музыкального содержания, но с внесенными в него гармоническими искажениями, например, при записи на магнитофон относительно невысокого качества. Чем линейнее УМЗЧ, тем менее будет кажущееся отличие от оригинала. Наличие в спектре фонограммы гармонических составляющих, еще не очень снижающих качество при воспроизведении через УМЗЧ с линейной амплитудной характеристикой, приводит к интермодуляционным искажениям и негармоническому засорению выходного сигнала при прослушивании через усилитель с недостаточно линейной характеристикой, что сразу улавливается даже не очень искушенным слухом.

К объективным методам оценки качества УМЗЧ, как, впрочем, и любого радиоэлектронного устройства, следует отнести экспертизу схемотехнических решений. Конечно, такая оценка требует определенных знаний в области радиоэлектроники и не под силу радиослушателям без радиотехнической подготовки, однако она вполне доступна радиолюбителям, способным сравнить схемотехнические особенности того или иного усилителя по предлагаемой ниже методике.

Прежде всего следует обратить внимание на выходной каскад УМЗЧ. Известно, что добиться приемлемого уровня нелинейных искажений в усилителях, работающих в режиме В, при малой выходной мощности очень трудно.

Известно также, что режим А в УМЗЧ приводит к недопустимому снижентю КПД и существенным конструктивным затратам на отвод тепла от выходных транзисторов.

Промежуточный режим АВ тоже нелишен недостатков: он требует тщательного выбора режима транзисторов выходного каскада и температурной стабилизации их тока покоя. Применение различных тепловых ООС конструктивно сложно и недопустимо инерционно. Токосъемы подстроечных резисторов, с помощью которых устанавливают ток покоя выходных транзисторов, со временем окисляются и могут стать причиной выхода транзисторов оконечного каскада из строя.

Наиболее удачным решением, по мнению автора, является сочетание усилителей, работающих в режимах А и В (и даже А и С), причем такое, в котором при малой выходной мощности работает только первый из них, а при большой мощности - оба (маломощный усилитель, работающий в режиме А, является одновременно возбудителем выходного каскада, транзисторы которого работают в режиме В и закрыты при малых уровнях сигнала). Это позволяет отказаться от стабилизации рабочей точки транзисторов оконечного каскада, обеспечив постоянство режима только маломощного усилителя. ООС в подобных усилителях работает в режимах как малого, так и большого сигналов, что достигается прямой связью входа и выхода оконечного каскада.

Для повышения линейности амплитудных характеристик предварительных усилителей напряжение питания должно значительно (в 5-10 раз) превосходить амплитуду необходимого выходного напряжения. Это особенно важно для усилительных каскадов темброблоков и эквалайзеров, в которых линейность усиления должна обеспечиваться при максимальном подъеме АЧХ в соответствующих областях звукового диапазона частот.

С этой же целью предварительные усилители должны быть выполнены на основе дифференциальных каскадов в комбинации с эмиттерными повторителями. Преимущество первых – значительно большая линейность по сравнению с каскадом ОЭ (для получения коэффициента гармоник, равного 1%, на вход каскада ОЭ достаточно подать напряжение 1 мВ тогда как дифференциальный каскад вносит такие искажения при уровне, в 18 раз большем), вторых - 100 %-ная ООС по току, исправляющая искажения, и низкое выходное сопротивление, уменьшающее наводки.

Очень существенно распределение усиления по тракту радиокомплекса. С одной стороны, номинальное входное напряжение УМЗЧ должно гарантировать отсутствие фоновых наводок и значительное превышение сигнала над шумом (те же 70 дБ), с другой стороны – оно не должно приводить к искажениям сигнала в предварительных усилителях из-за захода пиков сложного сигнала в область ограничения.

Наиболее правильным было бы выбрать чувствительность УМЗЧ максимально возможной (по превышению над шумами), а с фоновыми наводками бороться схемотехническими и конструктивными решениями. Одним из них дожег быть, например, применение симметричного входного каскада УМЗЧ с заключением обоих проводов, идущих к нему от предварительного усилителя, в общий экран и соединением этого экрана и одного из сигнальных проводов с общим проводом на плате предварительного усилителя. К чисто конструктивным решениям следует отнести объединение блоков радиокомплекса в музыкальный центр, где все они питаются от одного сетевого трансформатора; рациональное размещение узлов (в первую очередь, сетевого трансформатора, двигателей ЭПУ и магнитофона) по отношению один к другому, входам, усилителей, коммутационным устройствам, регуляторам громкости и тембра; правильное выполнение экранировки и шины общего провода.

Все названные схемотехнические условия обеспечения высокого качества усилительной части радиокомплекса, на первый взгляд, требуют существенного его усложнения. Однако применение ОУ во всех звеньях тракта позволяет добиться нужных результатов при простоте реализации.

Принципиальная схема этого усилителя (на отечественных деталях) приведена на рис. 1. Его первый каскад выполнен на ОУ DA1, включенном вместе с транзисторами VT1 и VT2 таким образом, чтобы, во-первых, увеличить скорость нарастания напряжения на выходе усилителя, а во-вторых, обеспечить номинальное напряжение питания ОУ. Предоконечный каскад (VT3 и VT4) работает в режиме А, выходной (VT5 и VT6) – в режиме В. Диоды VD1 и VD2 гарантируют отсутствие тока покоя выходного каскада при изменении тока через транзисторы VT3 и VT4 (за счет их нагрева) в 1,5-2 раза. Цель ООС, общая для постоянного и переменного токов, не содержит конденсатора большой емкости и обладает малой постоянной времени для переходных процессов. Элементы R10, R11 C5 и L1 корректируют ФЧХ цепи ООС, обеспечивая при правильной настройке малый уровень интермодуляционных искажений и коэффициента гармоник. Параметры этих элементов связаны простым соотношением (L1 = R10R11C5) и могут быть легко рассчитаны для каждого конкретного случая.

При напряжении питания ±30 В, сопротивлении нагрузки 4 Ом и входном напряжении 100 мВ УМЗЧ отдает максимальную мощность 100 Вт. При номинальной мощности 60 Вт коэффициент гармоник на частоте 1000 Гц не превышает 0,006 %.

Автором этот УМЗЧ испытан при напряжении питания ±20 В и сопротивлении нагрузки 4 Ом (были изменены номиналы элементов R5, R6, С5, R11). Номинальное входное напряжение было выбрано равным 0,75 В (при желании его можно изменить в любую сторону подбором резистора R3). Налаживание свелось к установке тока покоя транзисторов VT3 и VT4 (в пределах 10-20 мА) подбором резисторов R7 и R8 при отсутствии тока через транзисторы VT5 и VT6. При питании от стабилизированного источника УМЗЧ в диапазоне частот 20-20000 Гц обеспечивал максимальную выходную мощность 40 Вт, от нестабилизированного - около 35 Вт. Коэффициент гармоник на частоте 1000 Гц при выходной мощности 20 Вт, измеренный векторным индикатором нелинейных искажений, не превышал 0,01 %. Испытания проводились совместно с И. T. Акулиничевым. Субъективно усилитель обеспечивает более высокое качество звуковоспроизведения, чем УМЗЧ музыкального центра «Вега-115-стерео», удовлетворяя критериям оценки. Полученные результаты подтвердили возможность создания простого в схемотехническом отношении высококачественного УМЗЧ.

Возможный вариант печатной платы показан на рис. 2. Она рассчитана на установку резисторов МЛТ и конденсаторов КМ (о назначении элементов, изображенных штриховыми линиями, будет сказано далее). Катушка L1 намотана в два слоя (9+7 витков) проводом ПЭВ-2, 0,8 на оправке диаметром 7 мм и для жесткости пропитана клеем «Момент-1».

Описанный УМЗЧ не имеет защиты от короткого замыкания в нагрузке и не содержит устройств, защищающих громкоговорители при пробое одного из его транзисторов. По мнению автора, эти функции вполне способны выполнить калиброванные плавкие предохранители.

Схемотехнические решения, примененные в усилителе, гарантируют отсутствие щелчков в громкоговорителях при включении и выключении питания.

При использовании совместно с УМЗЧ предварительного усилителя, у которого на выходе присутствует постоянное напряжение, возможно появление щелчков по его вине. В этом случае можно применить устройство защиты акустической системы, выполненное по схеме рис. 3. Срабатывает оно при появлении на выходе УМЗЧ напряжения более 1,2 В любой полярности, в том числе и в случае, если напряжения на выходах каналов имеют разную полярность. Задержка подключения громкоговорителей - 1,5-2 с. Применение стабилитронов VD5 и VD6 с малым напряжением стабилизации предохраняет ОУ DA1 от перегрузок по входу при значительных уровнях постоянного напряжения на выходах каналов стереоусилителя. Для питания устройства необходима отдельная обмотка сетевого трансформатора напряжением 5-6 В.

Для получения нулевого потенциала на выходе рокот-фильтра необходимо через резисторы сопротивлением 68-82 кОм подать на базу транзисторов V1 и V1′ дополнительное смещение от источника положительного напряжения.

В заключение несколько слов о выборе деталей. Параметры усилительного тракта в значительной мере зависят от элементной базы. В частности, ОУ которые предполагается использовать в предварительном или корректирующем усилителях, не должны содержать в выходном каскаде транзисторов, работающих в режиме В, как это, например, имеет место в К153УД1. ОУ, предназначенные для УМЗЧ, аналогичных по схеме приведенному на рис. 1, обязательно должно иметь двухтактный выходной каскад, работающий в режиме АВ (К140УД6, К154УД1, К154УД2, К154УДЗ, К140УД7, К544УД2 и т. п.). Кроме того, желательно использовать ОУ со скоростью нарастания выходного напряжения не менее 2 В/мкс.

Некоторые из названных ОУ требуют балансировки или включения корректирующей цепи. На этот случай в печатной плате (рис. 2) предусмотрены отверстия для установки балансировочных резисторов R15, RI6 (их суммарное сопротивление - около 10 кОм) и корректирующего конденсатора С13. Печатный проводник, к которому припаяны выводы резисторов R15, R16, соединяют с соответствующим выводом питания ОУ. При использовании ОУ К544УД2, К154УД1-У154УДЗ на входе УМЗЧ рекомендуется включить ФНЧ. состоящий из резистора R14 (10 кОм) и конденсатора С12 (150 пФ).

В усилителях с. входным и выходным потенциалом, близким к 0, нельзя использовать в качестве переходных оксидные конденсаторы, в том числе и неполярные. Все оксидные конденсаторы требуют подачи поляризующего напряжения, в 410 раз превышающего амплитуду приложенного переменного напряжения. Невыполнение этого условия снижает надежность усилителя и может привести к дополнительным искажениям.

Все транзисторы, через которые проходит сигнал в усилительном тракте, обязательно должны быть высокочастотными, а используемые во входных каскадах - малошумящими. В усилителях мощности желательно применять транзисторы с металлическим корпусом, так как обеспечить хороший отвод тепла при существующей конструкции металло-пластмассовых корпусов удается с большим трудом.

Используемая литература:

1. Лексины Валентин и Виктор. О заметности нелинейных искажений усилителя мощности.- Радио, 1984, .№ 2, с. 33-35.
2. Солнцев Ю, Высококачественный усилитель мощности.-Радио, 1984, № 5, с. 29-34
3. Солнцев Ю. Какой же Кг допустим? -Радио, 1985, .№ 2, с. 26-28.
4. Атаев Д.. Болотников В. Как снизить уровень помех в тракте ЗЧ.- Радио, 1984, № 4, с. 43-45; № 5, с. 35, 36.
5. Атаев Д., Болотников В. Унификация в радиолюбительских конструкциях.- Радио, 1983, № 12, с. 32-35.
6. Пикерсгнль А., Беспалов И. Феномен «транзисторною» звучания.- Радио, 1981, № 12, с. 36-38.
7. Ефимов А., Ефимов Б., Томас Г. Выбор мощности стереофонических усилителей.- Радио, 1977, № 6, с. 39-41.
8. Акулиинчев И. Селекция сигнала искажений.- Радио. 1983, № 10, с. 42-44.
9. Тнтце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника.- М.: Мир, 1982.
10. Schmidt G. Current dumping amplifier.- Elector. 1978, .№ 7/8.
11. Роганов В. Устройство защиты громкоговорителей.- Радио, 1981. № 11, с. 44. 45.
12. Агеев А. Усилительный блок любительского радиокомплекса.- Радио, 1982, № 8, с. 31-35.
13. Солнцев Ю. Высококачественный предварительный усилитель.- Радио, 1985, № 4, с. 32-35.
14. Лексины Валентин и Виктор. Предусилитель-корректор с рокот-фильтром,- Радио. 1983, № 7, с. 48-50.

Рассказать в:

СХЕМОТЕХНИКА УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ ВЫСОКОЙ ВЕРНОСТИ

М. КОРЗИНИН, г. Магнитогорск

В настоящее время известен не один десяток вариантов как любительских, так и промышленных усилителей мощности звуковой частоты (УМЗЧ), но только некоторые из них можно действительно отнести к высококачественным. В связи с этим перед любителями звуковоспроизведения встает непростой вопрос: приобрести УМЗЧ промышленного изготовления или попытаться сконструировать его самому? На первый взгляд, приобретение готового устройства представляется более простым, поскольку для этого потребуются лишь необходимые средства. Однако лучший ли это выход из положения? Ответить на этот вопрос попытался радиолюбитель М. Корзинин в публикуемой ниже статье.

Из высококачественных УМЗЧ отечественного производства по своим параметрам к усилителям высокой верности звуковоспроизведения можно отнести только полный усилитель "Форум 180У-001 С" и блочный усилитель мощности "Корвет 200УМ-088С".

Оговоримся сразу, по каким критериям УМЗЧ можно отнести к высококачественным. Напомним, что условное обозначение высококачественной радиоаппаратуры "hi-fi" представляет собой сокращение от английского "high fidelity", что в переводе означает "Высокая верность (звуковоспроизведения)".

К этим аппаратам относятся только те, которые не вносят в усиливаемый сигнал заметных на слух непрограммируемых искажений. В последнее время в самостоятельный класс звуковоспроизводящей аппаратуры выделилась группа аппаратов, обладающих такой высокой линейностью усиления сигнала которая отвечает требованиям самых взыскательных слушателей. Этот класс получил название "high-end" - "Наивысший". Именно аппаратура этого класса представляет для нас наибольший интерес.

Оба указанных выше усилителя звуко вой частоты, безусловно, могут быть отнесены к категории усилителей высокой верности звуковоспроизведения. По отдельным же характеристикам и субъективным оценкам их можно отнести к нижней группе класса "high-end".

При решении вопроса о приобретении названных нами отечественных УМЗЧ следует иметь в виду, что хотя они и выпускались предприятиями оборонной промышленности, оба усилителя имели существенные конструктивные недостатки.

У полного усилителя "Форум 180У-00tc производства завода им. М.И.Калинина в г.Санкт-Петербурге отмечалась крайне низкая надежность. В гарантийный период заводской брак превышал 30% в основном из-за аварийного перегрева выходного каскада. Попытки найти оптимальное конструктивное и схемотехническое решения не увенчались успехом, и в 1994 г. усилитель был снят с производства.

Следует также сказать об очень высокой сложности схемотехники усилителя, в котором использовалось около 200 транзисторов. В результате гарантийный ремонт аппарата приходилось производить в заводских условиях. Именно по этой причине альбом схем к усилителю при продаже не прикладывался.

Что касается усилителя мощности "Корвет 200УМ-088С. который до последнего времени выпускался заводом "Водтрансприбор" в г. Санкт-Петербурге то его конструкторы более удачно решили проблему отвода тепла от нагревающихся элементов Правда, в процессе работы верхняя крышка усилителя все же нагревалась до 40...50 С, а корпусы выходных транзисторов - до 90...95°С. Процент брака данной конструкции существенно ниже, чем у "Форума 180У-001 С", однако ее ремонтопригодность крайне низка, и ремонт также производился только в заводских условиях.

Остальные усилители звуковой частоты нельзя отнести к аппаратуре высокой верности. Так, выпускаемый заводом "Ладога" в г.Кировске Ленинградской области полный усилитель "Корвет 100У-068СМ" можно причислить лишь к аппаратам так называемого потребительского класса с весьма средними качественными параметрами

На внутреннем рынке продаются усилители 34 зарубежного производства. Однако они также далеко не всегда отвечают требованиям, предъявляемым к аппаратуре высокой верности воспроизведения звука. У многих из них характеристики находятся на уровне хороших аппаратов потребительского класса, что касается их стоимости, то она существенно выше. Следует, однако, отметить, что разница в цене полностью окупается несравнимо более высокой надежностью в эксплуатации, прекрасным дизайном с использованием современных технологий, большими потребительскими возможностями Схемотехника, как правило, достаточно проста, но стоимость ремонта от этого не становится ниже. Объясняется это недостатком радиокомпонентов в наших мастерских.

В последнее время на наших рынках начали появляться и усилители 34 высокого качества.

Стоимость их очень высока. Так, комплект из предварительного и оконечного усилителей звуковой частоты модели su-2000e фирмы "technics" стоит примерно столько же, сколько подержанный автомобиль.

По мнению автора, для радиолюбителей средней квалификации оптимальным является самостоятельное изготовление высококачественного усилителя. Этот путь длиннее, сложнее и вряд ли дешевле но он позволяет создать действительно высоколинейньй относительно простой и надежный усилитель мощности с использованием нестандартных радиокомпонентов и схемотехнических решений. Задача радиолюбителя значительно облегчается, если у него есть возможность основные конструктивные элементы усилителя - платы, панели, шас си, корпус, ручки управления - изготовить в заводских условиях.

В настоящей статье автором сделана попытка в максимально простой и доступной форме помочь радиолюбителям проанализировать известные и малоизвестные конструкции усилителей мощности, выбрать оптимальные схемотехнические и конструктивные решения, подобрать необходимые радиокомпоненты, а также настроить усилитель без использования сложной измерительной техники.

1. Основные концепции конструирования усилителей мощности 34 высокой верности

Как правило, подаваемое на вход усилителя мощности напряжение звуковой частоты составляет 0,25...2,0 В, а ток - единицы и десятки мкА Выходное напряжение УМЗЧ может достигать десятков вольт, а выходной ток-десятков ампер. Отсюда следует, что УМЗЧ должен обеспечить линейное без искажений усиление сигнала по напряжению в десятки, а по току - в десятки тысяч раз.

Для выполнения этих функций любой высококачественный УМЗЧ содержит три основных последовательно соединенных между собой узла. Сначала сигнал звуковой частоты поступает на входной каскад, где предварительно усиливается по напряжению и току. Усиленный сигнал поступает на усилитель напряжения, в котором усиливается по напряжению до конечной величины. Затем он попадает на усилитель тока, называемый также оконечным каскадом, где усиливается по току до конечной величины. В ряде конструкций любительских и промышленных усилителей мощности 34 делались попытки совместить в одном узле как усилитель напряжения, так и усилитель тока, либо возложить на усилитель тока дополнительно функции частичного усиления сигнала по напряжению. Попытки эти реализовывались путем схемотехнического компромисса за счет заведомого снижения линейности усилителя, что неприемлемо для техники высококачественного звуковоспроизведения

Упрощенная структурная схема УМЗЧ приведена на рис. 1,а. Известна разновидность УМЗЧ, называемая мостовой. Она представляет собой два обычных УМЗЧ, работающих в противофазе на общую нагрузку. Для мостовой схемы справедливы концепции обычного УМЗЧ высокой верности. Упрощенная структурная схема мостового усилителя мощности приведена на рис. 1 ,б

Чтобы УМЗЧ отвечал требованиям высокой верности звуковоспроизведения, его схемотехника и конструкция должны соответствовать определенным принципам, которые можно сформулировать следующим образом.

Все узлы такого УМЗЧ должны быть выполнены с использованием высоколинейных схемотехнических решений, современных высококачественных радиокомпонентов и согласованы между собой по электрическим, частотным и качественным характеристикам. Важно, чтобы схемотехнические решения по возможности были рациональны, а блок питания обеспечивал питание узлов УМЗЧ максимально отфильтрованным от пульсаций сети током с необходимыми стабильными напряжениями с учетом импульсного характера их потребления и независимого питания каналов усилителя. Следует стремиться к тому, чтобы глубина общей обратной связи была минимальна, а в идеале - равнялась нулю. Все радиокомпоненты должны работать в щадящих режимах по току, напряжению, мощности и рабочей температуре. С этой целью в конструкции нужно предусмотреть эффективный теплоотвод выделяющегося в процессе работы усилителя тепла, комплекс систем защиты узлов усилителя от перегрузок всех видов и возникновения аварийных режимов, индикации текущих и аварийных состояний.

В следующих разделах статьи будет рассказано, каким образом можно реа-лизовывать эти принципы при конструировании узлов УМЗЧ

2. Схемотехника входных каскадов УМЗЧ

Схемотехника и конструкция входного каскада УМЗЧ в основном определяет такие его характеристики, как диапазон допустимых входных напряжений, входное сопротивление, входные токи, отношения сигнал/шум, сигнал/фон/, сигнал/ помеха.

себя номинальное входное напряжение, которое соответствует номинальной выходной мощности усилителя, максимальное долговременное входное напряжение, соответствующее максимальной долговременной выходной мощности усилителя, и максимальное кратковременное входное напряжение, соответствующее максимальной кратковременной мощности усилителя. Эти параметры тесно связаны друг с другом и находятся в определенной зависимости, поскольку в рабочем диапазоне частот усилитель обладает конструктивным коэффициентом усиления по напряжению. Этот параметр при отсутствии цепей общей обратной связи определяется усилением по напряжению входного каскада и усилителя напряжения, а также потерями напряжения в усилителе тока. При наличии цепей общей обратной связи его коэффициент усиления по напряжению определяется параметрами именно этих цепей Поясним это на примере. Для УМЗЧ высокой верности указана чувствительность порядка 0,8 В.

Он собран по схеме неинвертирующего усилителя. Соотношение величин резисторов его цепи ООС составляет 33. Следовательно, коэффициент усиления по напряжению равен 34 Для входного напряжения 0,8 В (эффективное значение) величина выходного напряжения составит около 27 В (эффективное значение), что при сопротивлении нагрузки УМЗЧ, равном 8 Ом, соответствует выходной мощности порядка 92 Вт. Для того, чтобы этот усилитель на такой же нагрузке развил выходную мощность порядка 200 Вт, нужно чтобы напряжение на нагрузке составляло примерно 40 В. При коэффициенте усиления УМЗЧ по напряжению, равном 34, входное напряжение составит примерно 1,2 В

Поскольку такая мощность для этого УМЗЧ является долговременной максимальной, можно утверждать, что максимальное входное долговременное напряжение для него составит 1,2 В. Если принять максимальную кратковременную выходную мощность этого УМЗЧ равной 300 Вт, то напряжение на нагрузке должно составить примерно 49 В, что соответствует максимальному кратковременному входному напряжению УМЗЧ порядка 1,45 В. Следовательно, диапазон допустимых входных напряжений для этого УМЗЧ составляет 0,8...1,45 В. Диапазон входных напряжений ниже уровня 0,8 В является рабочим. Так, для выходной мощности УМЗЧ порядка 32 Вт необходимое рабочее входное напряжение составляет около 0,47 В, а для выходной мощности порядка 8 Вт - около 0,24 В.

Таким образом, рабочий диапазон входных напряжений УМЗЧ высокой верности находится в пределах 0,12...0,8 В, а диапазон допустимых входных напряжений - в пределах 0,8...1,45 В. При дальнейшем повышении входного напряжения УМЗЧ начинает работать в заведомо нелинейном режиме из-за перегрузки всех его узлов и нарушения линейности их работы

В связи с этим представляется целесообразным ограничить с помощью специального устройства максимальную величину входного напряжения УМЗЧ, рассчитав ее аналогичным образом для каждой конкретной конструкции. Для УМЗЧ высокой верности, описанного в [ 1 ], эта величина может быть определена на уровне 1,2...1,4 В. Принципиальная схема такого ограничителя, использованного в [ 2 ], приведена на рис. 2.

Это устройство представляет собой двусторонний симметричный диодный ограничитель входного сигнала УМЗЧ, собранный на кремниевых диодах КД521А Можно применить и любые кремниевые маломощные импульсные выпрямительные и универсальные диоды с допустимым током до 50 мА. Резисторы r1 и r2 ограничивают прямой ток через ограничитель при открывании диодов. Резисторы r3, r4 обеспечивают прямой ток на уровне около 2 мА для линеаризации амплитудной характеристики ограничителя на рабочем участке.

Уровень ограничения входного сигнала УМЗЧ устанавливается конструктивно изменением числа диодов в обеих ветвях одновременно как для отрицательной, так и для положительной полярности. Конструкция ограничителя максимально проста и надежна, легко адаптируется под любой УМЗЧ и может быть рекомендована для использования в каждом усилителе мощности 34.

Представляется оптимальной и уста-

Высоколинейный входной каскад УМЗЧ может быть выполнен как на интегральных операционных усилителях, так и на дискретных транзисторах. Рассмотрим оба варианта подробнее.

Интегральный операционный усилитель-это многокаскадный усилитель постоянного тока. Его внутренняя схемотехника сходна со схемотехникой усилителей мощности 34. Он содержит входной каскад, собранный по дифференциальной схеме с источниками тока, усилитель напряжения и усилитель тока. ОУ способен усиливать переменный ток, однако его конструкция не является оптимальной для этого из-за ограничений, накладываемых интегральной технологией его изготовления. Так, выходной ток ОУ составляет обычно единицы миллиампер, а выходное напряжение - единицы вольт. АЧХ интегрального ОУ на переменном токе далека от идеальной: начиная с определенной частоты коэффициент усиления ОУ начинает монотонно уменьшаться. Таких частот может быть несколько в зависимости от собственных частотных характеристик узлов ОУ. Частота, на которой усиление ОУ падает до единицы, называется частотой единичного усиления. Этот параметр достаточно хорошо характеризует частотные свойства ОУ как усилителя. Вторым важным параметром ОУ такого рода является скорость нарастания выходного напряжения. Этот параметр характеризует искажения, вносимые ОУ в сигнал импульсного характера с крутыми фронтами. Чем выше значение скорости нарастания выходного напряжения ОУ, тем меньше собственные искажения такого рода. На рис. 4 приведена типовая АЧХ интегрального ОУ без обратной связи, а на рис. 5 показано влияние скорости нарастания выходного напряжения интегрального ОУ на воспро- изведение переднего фронта прямоугольного импульса. Оба графика максимально упрощены для лучшего восприятия указанных положений.

Входные каскады современных ОУ выполняются, как правило, на полевых транзисторах по дифференциальным схемам и имеют вполне приемлемые для линейного усиления входные характеристики. В них зачастую предусматривается внешняя балансировка ОУ изменением токового режима плеч дифференциального каскада таким образом, чтобы постоянное напряжение на выходе ОУ в режиме покоя отсутствовало. Основные искажения ОУ вносятся в усиливаемый им сигнал его выходным каскадом.

В режиме покоя этот каскад работает в режиме класса А с небольшим током покоя, не превышающим, как правило, величины в 1 мА.

При работе ОУ в малосигнальном режиме его выходной каскад продолжает работать в режиме класса А, обладающем наименьшими искажениями. При увеличении входного сигнала свыше определенной величины выходной каскад ОУ переходит в режим класса АВ и его искажения увеличиваются примерно в 4 раза .

Это пороговое значение величины входного сигнала тесным образом связано с сопротивлением нагрузки ОУ. Действительно, если критерием является выходной ток ОУ при определенном значении коэффициента его усиления по напряжению, то при увеличении значения сопротивления нагрузки ОУ становится возможным увеличить допустимый диапазон входных и выходных напряжений ОУ, при которых его выходной каскад остается работать в режиме класса А, не переходя в режим класса АВ.

В любом случае следует стремиться к максимальному увеличению сопротивления нагрузки ОУ, используемого во входном каскаде высококачественного УМЗЧ По данным при увеличении значения сопротивления нагрузки ОУ К574УД1 с 10 до 100 кОм коэффициент его собственных искажений уменьшился в 10 (!) раз и составил всего 0,01%.

Известны попытки увеличить сопротивление нагрузки интегрального ОУ для постоянной работы его выходного каскада в режиме класса А. Делалось это с помощью подключения к его выходу в качестве динамической нагрузки эмит-терного повторителя на биполярном транзисторе, нагруженного в свою очередь на генератор тока .

Данные о конструктивной собственной линейности отечественных интегральных ОУ в справочной литературе не приводятся. Отрывочные сведения об этом можно найти в различных источниках. Так, собственный коэффициент нелинейных искажений (КНИ) интегрального ОУ К544УД2 составляет 1% (19 ], а ОУ К574УД2 - порядка 0,005% . Однако в справочной литературе можно найти данные о конструктивной собственной линейности для отдельных типов ОУ зарубежного производства. Так, собственный КНИ ОУ tl081 и tl083 по данным составляет всего 0,003%. Этот параметр весьма важен при выборе ОУ для входного каскада УМЗЧ высокой верности, так как невозможно получить высокую линейность всего УМЗЧ только за счет глубокой обратной связи: начиная с определенного значения КНИ при увеличении глубины ООС не уменьшается из-за низкой линейности исходного усилителя.

Оценивая шумовые параметры, а также параметры по подавлению помех всех видов, следует признать, что вполне достаточным для УМЗЧ высокой верности является отношение сигнал/шум, сигнал/ фон и сигнал/помеха порядка 100 дБ. При использовании ОУ К574УД1 и номинальном входном напряжении 0,8 В по данным этот параметр не превышает величины -112 дБ при измерении со взвешивающим фильтром МЭК-А. Подбор ОУ по шумовым параметрам для входного каскада УМЗЧ позволяет получить существенный выигрыш по шумам. Так, замена ОУ КР544УД1 на ОУ А081 позволила улучшить отношение сигнал/взвешенный шум в усилителе мощности "Корвет 100УМ-048С" со 100 до 110 дБ .

Подбирая ОУ по частотным характеристикам, следует отметить, что пригодны ОУ, имеющие частоту единичного усиления не менее 5 МГц и скорость нарастания выходного напряжения более 5 В/мкс .

Суммируя все сказанное, можно сформулировать следующие принципы построения высоколинейного входного каскада на интегральном ОУ для УМЗЧ высокой верности.

Во входном каскаде такого УМЗЧ следует использовать ОУ с полевыми транзисторами на входе, имеющий незначительные собственные искажения всех видов, частоту единичного усиления не ниже 5 МГц и скорость нарастания выходного напряжения более 5 В/мкс,

Важно, чтобы ОУ работал только в малосигнальном режиме и на высокоом-ную нагрузку;

ОУ в режиме покоя должен быть максимально сбалансирован, по возможности постоянное напряжение на его выходе в режиме покоя должно отсутствовать;

Обязательно нужно принять меры по ограничению до безопасных величин всех видов напряжений, поступающих на выводы ОУ;

Проследить, чтобы в процессе эксплуатации температура корпуса ОУ не превышала температуру окружающей среды.

Последнее утверждение необходимо дополнительно пояснить. Отсутствие нагрева корпуса ОУ косвенно показывает, что его выходной каскад работает во всех режимах только в классе А, т.е. наиболее линейном.

Нагрев же корпуса ОУ свидетельствует о работе его выходного каскада в режиме класса АВ и соответствующей потере линейности. Простейший расчет позволяет установить, что при напряжении питания ОУ порядка ±13 В и токе покоя 1 мА рассеиваемая ОУ мощность постоянна и составляет всего около 50 мВт с учетом токопотребления его входного каскада и усилителя напряжения. При такой рассеиваемой мощности корпус ОУ практически не нагревается. В любом случае нагрев ОУ однозначно говорит о неоптимальном режиме его использования.

Попробуем применить эти принципы для оценки линейности входного каскада на интегральном ОУ, примененном в УМЗЧ высокой верности, описанном в [ 1).

Упрощенная схема этого УМЗЧ приведена на рис. 6. Удалены система "чистой земли" и триггерная встроенная система защиты, поскольку усилитель вполне работоспособен без потерь в качественных показателях и без этих систем. Следует отметить, что система "чистой земли" малоэффективна при использовании соединительных кабелей с малым активным сопротивлением для соединения усилителя с акустическими системами. В то же время эта система может создать серьезные проблемы при использовании ее совместно с УМЗЧ в помещении, имеющем высокий электромагнитный фон сети, подавая этот фон на вход УМЗЧ со своего входа. Триггерная система защиты, по мнению автора, малоэффективна в случае аварии усилителя, поскольку не отключает напряжений его питания и имеет ограниченную функцию воздействия на УМЗЧ: предполагается, что она срабатывает при перегрузке УМЗЧ. Гораздо проще и надежнее ограничить напряжение входного сигнала, подаваемое на вход УМЗЧ и правильно рассчитать его схемотехнику.

Входной каскад УМЗЧ собран на интегральном ОУ К574УД1. Этот ОУ полностью соответствует требованиям, предъявляемым к входному каскаду УМЗЧ высокой верности.

В то же время из схемы усилителя следует, что на выходе ОУ в режиме покоя постоянно присутствует напряжение по рядка 4,9 В при напряжении питания ОУ ±13 В. Из описания УМЗЧ следует, что корпус ОУ в процессе работы ощутимо нагревается и его температура составляет 45...50°С.

Это позволяет сделать вывод: правильно выбранный по типу ОУ в данной конструкции используется в нелинейном режиме со значительными собственными искажениями. Поскольку такой потенциал на выходе ОУ создается в связи с конструктивными особенностями схемотехники УМЗЧ системой его балансировки, намеренно следует говорить о схемотехнически некорректном для УМЗЧ высокой верности решении входного каскада этого усилителя.

Даже в данном случае линейность УМЗЧ весьма высока. Однако если доработать входной каскад и поставить ОУ в линейный режим, мы сможем существенно улучшить качественные характеристики усилителя.

[Усилители мощности низкой частоты (на транзисторах)]
Сохрани статью в:

Рассматриваются вопросы минимизации искажений и повышения линейности усиления, затрагиваются проблемы, связанные с проектированием усилителей, такие как надежность, обеспечение стабильным питанием, защита от перегрузок и т.п. Приведен уникальный материал по режимам работы на реактивную нагрузку, необычным способам компенсации искажений и др.
Обсуждаемые вопросы снабжены подробными ссылками на справочные издания, призванные помочь читателю в дальнейшем исследовании в этой области.
Издание предназначено разработчикам аудиоаппаратуры, квалифицированным радиолюбителям, а также может быть полезно студентам старших курсов радиотехнических специальностей и всем читателям, интересующимся современной аудиоэлектроникой.

Предисловие
Глава 1. Общие сведения о УМЗЧ
Глава 2. История, архитектура и отрицательная обратная связь
Глава 3. Общие сведения об усилителях мощности
Глава 4. Малосигнальные каскады предварительного усиления
Глава 5. Оконечный каскад I
Глава 6. Выходной каскад II
Глава 7. Коррекция, скорость нарастания выходного напряжения и устойчивость
Глава 8. Источники питания и коэффициент подавления источника питания (PSRR)
Глава 9. Усилители мощности Класса А
Глава 10. Усилители мощности Класса G
Глава 11. Выходные каскады на полевых транзисторах
Глава 12. Термокомпенсация и динамика передачи тепла
Глава 13. Защита усилителя и громкоговорителей
Глава 14. Заземление и некоторые другие практические вопросы
Глава 15. Тестирование, требования к безопасности

Издательство: ДМК Пресс
Год: 2011
Страниц: 528
ISBN: 978-5-94074-702-4
Формат: PDF
Язык: русский
Размер: 13 Мб
Скачать: Дуглас С. Схемотехника современных усилителей
В случае обнаружения "битых" ссылок - Вы можете оставить комментарий, и ссылки будут восстановлены в ближайшее время.

Большинство аудиолюбителей достаточно категорично и не готово к компромиссам при выборе аппаратуры, справедливо полагая, что воспринимаемый звук обязан быть чистым, сильным и впечатляющим. Как этого добиться?

Поиск данных по Вашему запросу:

Схемотехника усилителей мощности низких частот

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.
По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Пожалуй, основную роль в решении этого вопроса сыграет выбор усилителя.
Функция
Усилитель отвечает за качество и мощь воспроизведения звука. При этом при покупке стоит обратить внимание на следующие обозначения, знаменующие внедрение высоких технологий в производство аудио - аппаратуры:

• Hi-fi. Обеспечивает максимальную чистоту и точность звука, освобождая его от посторонних шумов и искажений.
• Hi-end. Выбор перфекциониста, готового немало заплатить за удовольствие различать мельчайшие нюансы любимых музыкальных композиций. Нередко к этой категории относят аппаратуру ручной сборки.

Технические характеристики, на которые следует обратить внимание:

• Входная и выходная мощность. Решающее значение имеет номинальный показатель выходной мощности, т.к. краевые значения часто недостоверны.
• Частотный диапазон. Варьируется от 20 до 20000 Гц.
• Коэффициент нелинейных искажений. Здесь все просто - чем меньше, тем лучше. Идеальное значение, согласно мнению экспертов - 0,1%.
• Соотношение сигнала и шума. Современная техника предполагает значение этого показателя свыше 100 дБ, что сводит к минимуму посторонние шумы при прослушивании.
• Демпинг-фактор. Отражает выходное сопротивление усилителя в его соотношении с номинальным сопротивлением нагрузки. Иными словами, достаточный показатель демпинг-фактора (более 100) уменьшает возникновение ненужных вибраций аппаратуры и т.п.

Следует помнить: изготовление качественных усилителей - трудоемкий и высокотехнологичный процесс, соответственно, слишком низкая цена при достойных характеристиках должна Вас насторожить.

Классификация

Чтобы разобраться во всем многообразии предложений рынка, необходимо различать продукт по различным критериям. Усилители можно классифицировать:

• По мощности. Предварительный - своеобразное промежуточное звено между источником звука и конечным усилителем мощности. Усилитель мощности, в свою очередь, отвечает за силу и громкость сигнала на выходе. Вместе они образуют полный усилитель.

Важно: первичное преобразование и обработка сигнала происходит именно в предварительных усилителях.

• По элементной базе различают ламповые, транзисторные и интегральные УМ. Последние возникли с целью объединить достоинства и минимизировать недостатки первых двух, например, качество звука ламповых усилителей и компактность транзисторных.
• По режиму работы усилители подразделяются на классы. Основные классы - А, В, АВ. Если усилители класса А используют много энергии, но выдают высококачественный звук, класса B с точностью до наоборот, класс AB представляется оптимальным выбором, представляя собой компромиссное соотношение качества сигнала и достаточно высокого КПД. Также различают классы C, D, H и G, возникшие с применением цифровых технологий. Также различают однотактные и двухтактные режимы работы выходного каскада.
• По количеству каналов усилители могут быть одно-, двух- и многоканальными. Последние активно применяются в домашних кинотеатрах для формирования объемности и реалистичности звука. Чаще всего встречаются двухканальные соответственно для правой и левой аудиосистем.

Внимание: изучение технических составляющих покупки, конечно, необходимо, но зачастую решающим фактором является элементарное прослушивание аппаратуры по принципу звучит-не звучит.

Применение

Выбор усилителя в большей степени обоснован целями, для которых он приобретается. Перечислим основные сферы использования усилителей звуковой частоты:

1. В составе домашнего аудиокомплекса. Очевидно, что лучшим выбором является ламповый двухканальный однотакт в классе А, также оптимальный выбор может составить трехканальный класса АВ, где один канал определен для сабвуфера, с функцией Hi - fi.
2. Для акустической системы в автомобиле. Наиболее популярны четырехканальные усилители АВ или D класса, в соответствии с финансовыми возможностями покупателя. В автомобилях также востребована функция кроссовер для плавной регулировки частот, позволяющей по мере необходимости срезать частоты в высоком или низком диапазоне.
3. В концертной аппаратуре. К качеству и возможностям профессиональной аппаратуры обоснованно предъявляются более высокие требования в силу большого пространства распространения звуковых сигналов, а также высокой потребности в интенсивности и длительности использования. Таким образом, рекомендуется приобретение усилителя классом не ниже D, способного работать почти на пределе своей мощности (70-80% от заявленной), желательно в корпусе из высокотехнологичных материалов, защищающем от негативных погодных условий и механических воздействий.
4. В студийной аппаратуре. Все вышеизложенное справедливо и для студийной аппаратуры. Можно добавить о наибольшем диапазоне воспроизведения частот - от 10 Гц до 100 кГц в сравнении с таковым от 20 Гц до 20 кГц в бытовом усилителе. Примечательна также возможность раздельной регулировки громкости на различных каналах.

Таким образом, чтобы долгое время наслаждаться чистым и качественным звуком, целесообразно заранее изучить все многообразие предложений и подобрать вариант аудио аппаратуры, максимально отвечающий Вашим запросам.

Схемотехника усилителей мощности звуковой частоты

Весьма интересен один из первых автомобильных усилителей с преобразователем напряжения питания - "Monacor HPB 150" (рис. 2). Он был выпущен в Германии во второй половине 80-х годов и поныне используется в достаточно мощных системах. Максимальная выходная мощность усилителя на нагрузке 4 Ом порядка 40 Вт на канал в обычном включении. В мостовом включении выходная мощность на той же нагрузке составляет около 150 Вт.

Рис. 2

Схема усилителя - пример остроумных и простых технических решений. На входе установлен коммутируемый переключателем SA1 делитель напряжения из резисторов R2-R6. Коммутация обеспечивает выбор трех уровней чувствительности усилителя - 150, 250 и 500 мВ при входном сопротивлении около 20 кОм. Кроме линейного входа имеется также вход высокого уровня XS1, рассчитанный на подключение магнитолы как с обычным, так и с мостовым усилителем мощности. Чувствительность усилителя с этого входа - около 2,5 В, входное сопротивление - порядка 150 Ом.

Первый каскад усилителя мощности звуковой частоты дифференциальный, напряжение в цепи эмиттеров стабилизировано на уровне -12В общим для обоих каналов параметрическим стабилизатором R8VD101. Второй каскад - усилитель напряжения с ПОС по питанию ("вольтодобавкой") и двухтактный выходной каскад на комплементарных составных транзисторах. В выходном каскаде применена защита по току за счет нелинейной ООС. Ток выходного каскада контролируется по падению напряжения на резисторах R24, R25 в цепи эмиттеров транзисторов VT9,VT10.

Характерная особенность усилителя в мостовом включении, не встречающаяся в современных схемах, - переключение левого усилительного канала в инвертирующий "режим с единичным коэффициентом передачи выходного сигнала правого канала. Секция переключателя SA2.2 замыкает на общий провод вход левого канала, а секция SA2.3 через резистор R115 подключает базу транзистора VT2 к выходу правого канала. Вход левого канала в мостовом режиме отключается, суммирование сигналов левого и правого каналов в этом режиме не предусмотрено. Нет в усилителе и активных фильтров.

При повторении конструкции в выходном каскаде можно использовать комплементарные пары транзисторов серий КТ818 и КТ819, в предоконечном - КТ816 и КТ817. Цепи защиты можно исключить - при разумной эксплуатации это никак не скажется на надежности.

На входе каждого канала усилителя мощности установлен линейный усилитель (драйвер), выполненный на ОУ DA1 (рис. 3, нумерация элементов условная). Коэффициент усиления переменным резистором R5 изменяется на 20 дБ. Это позволяет регулировать чувствительность усилителя в диапазоне 0,15...1,5 В. Питание ОУ осуществляется от простейшего параметрического стабилизатора напряжения на стабилитронах VD1, VD2.

Рис. 3

Схема усилителя мощности полностью симметрична от входа до выхода, что способствует уменьшению искажений сигнала. В выходном каскаде использованы параллельно включенные транзисторы. Для линеаризации характеристик выходного каскада при малом уровне сигнала введена глубокая местная ООС за счет резисторов сопротивлением 10 Ом в эмиттерах выходных транзисторов. При увеличении падения напряжения на этих резисторах до 0,7 В они шунтируются диодами и на работу усилителя при большом сигнале влияния не оказывают.

Такое построение выходного каскада обеспечивает глубокую местную ООС при малых уровнях сигнала, что положительно сказывается на качестве звучания. Обычно в усилителях классов В и АВ с малым током покоя наблюдается резкий рост искажений сигналов низкого уровня, что приводит к потере "прозрачности" звучания и детализации звуковых образов (в слуховых тестах усилителей подобные искажения описываются как "смазанный звук"). Для уменьшения искажений приходится увеличивать ток покоя выходного каскада. Примененное решение позволяет сохранить экономичность усилителя и повысить качество "первого ватта".

Фильтр R1 R2C2 на входе УМ с частотой среза порядка 100 кГц предотвращает попадание в тракт радиопомех и наводок от встроенного преобразователя напряжения питания. Корректирующие конденсаторы С5-С7 обеспечивают устойчивость работы усилителя. С этой же целью на его выходе установлена традиционная цепочка R22C10. Конденсатор С8 снижает искажения сигнала на верхних частотах диапазона.

Усилитель смонтирован в массивном алюминиевом корпусе с ребрами, выполняющем функцию теплоотвода. Транзистор VT7 и терморезистор R15 с положительным ТКС (так называемый позистор) имеют тепловой контакт с корпусом. Защита от перегрузки усилителя осуществляется в блоке питания.

Указанные на схеме транзисторы ВС546В и ВС556В можно заменить соответственно на КТ3102Ж и КТ3107Б, ВС639 и ВС640 - на КТ645А и КТ644А, 2SC2389 - на любой из серии КТ315. У составных транзисторов выходного каскада TIP142 и TIP147 прямых аналогов нет, но их могут заменить соответственно КТ827 и КТ825 с любым буквенным индексом и дополнительные защитные диоды КД213 (их подключают между коллектором и эмиттером в обратной полярности). При повторении конструкции имеет смысл отказаться от предварительного усилителя на ОУ и регулировать коэффициент усиления изменением глубины ООС усилителя мощности звуковой частоты.

У четырехканального усилителя "PPI 4240" (4x60 Вт) аналогичная структура (рис. 4). На входе каждого канала установлен предварительный усилитель на ОУ DA1 с общим для каждой пары каналов регулятором уровня входной чувствительности VR1 (сохранена заводская нумерация элементов). Коэффициент передачи предварительного усилителя изменяется от -6 до +20 дБ, что обеспечивает широкий диапазон регулировки чувствительности - от 150 мВ до 3 В. Для работы каналов усилителя в мостовом включении предусмотрен инвертор на ОУ микросхемы DA2, включаемый в один из каналов каждой пары.

Рис. 4

Ключи на полевых транзисторах VT1, VT2 блокируют вход усилителя мощности звуковой частоты на время переходных процессов при включении и выключении источника сигнала, обеспечивая "бесшумную" коммутацию. Это необходимо, поскольку усилитель имеет открытый по постоянному току вход. Сигнал для управления ключами и блоком питания формируется отдельным каскадом.

Усилитель мощности имеет симметричную структуру. На входе установлен двойной дифференциальный каскад. Для расширения динамического диапазона дифференциального каскада в эмиттеры транзисторов VT3-VT6 включены резисторы R17, R18, R21, R22. Цепи эмиттеров дифференциальных каскадов питаются от дополнительного источника напряжения (на схеме не показан). Второй каскад - усилитель напряжения с местной ООС. Третий каскад - двухтактный эмиттерный повторитель на составных транзисторах. Корректирующие конденсаторы С4, С6, С7 обеспечивают устойчивость усилителя. Ток выходного каскада контролируется на резисторе R31. При увеличении его до 5 А транзистор VT14 открывается и включает триггерную защиту блока питания. Работа преобразователя напряжения блокируется. Для снятия блокировки после устранения перегрузки нужно выключить и вновь включить усилитель.

Рассмотренные усилители мощности звуковой частоты выполнены на дискретных компонентах. Во многих усилителях ОУ используют не только в каскадах предварительного усиления, но и для "раскачки" транзисторов выходного каскада.

Пример такого схемотехнического решения - усилитель мощности "Hifonics Mercury" (рис. 5). Его особенность - применение многопетлевой ООС. Первый каскад усилителя выполнен на ОУ DA1.1 и через цепь R2R3 охвачен петлей ООС, устанавливающей его усиление 35 дБ. Второй и третий каскады усиления - двухтактные на комплементарных парах транзисторов VT1, VT2 и VT3, VT4, включенных по схеме с ОЭ. Для обеспечения работы транзисторов VT1 ,VT2 на линейном участке характеристики их базовые цепи подключены к цепочке сдвига уровня из последовательно включенных диодов VD1 - VD4. Выходной каскад построен по традиционной схеме на составных эмиттерных повторителях. Его особенность - наличие "выравнивающего" резистора R21 в цепи смещения выходных транзисторов.

Рис. 5

Эти каскады усилителя мощности звуковой частоты также охвачены петлей ООС, снижающей их усиление до 15 дБ. Напряжение обратной связи подается с выхода усилителя на эмиттеры транзисторов VT1 и VT2 через независимые цепи R10R11СЗи R12R13C4. Помимо этого, весь усилитель охвачен общей ООС через резистор R4. Для обеспечения устойчивости усилителя при многопетлевой ООС в выходных каскадах использована коррекция (конденсаторы СЗ-С9). Примененные решения позволяют получить очень низкий коэффициент гармоник усилителя - менее 0,05 % при выходной мощности 2x50 Вт на нагрузке 4 Ом.

Рассмотренный канал усиления - инвертирующий. Для работы усилителя с мостовым включением нагрузки второй канал выполнен неинвертирующим. С этой целью там использовано соответствующее включение ОУ первого каскада (рис. 6). Остальная часть схемы отличий не имеет.

Рис. 6

Рассмотренные в статье модели усилителей обеспечивают выходную мощность до 50 Вт на канал. Для большинства автомобильных аудиосистем этого более чем достаточно. С учетом уровня шумов в салоне, чувствительности АС и динамического диапазона сигнала средняя выходная мощность обычно не превышает 3...5 Вт на канал. Запас мощности требуется только для неискаженной передачи кратковременных пиков сигнала. Поэтому многие недорогие модели усилителей спроектированы с учетом этого фактора и долговременная мощность блока питания не соответствует максимальной мощности усилителя. Перегрузочная способность таких усилителей при большой выходной мощности зависит не от схемотехники УМ, а от энергетических возможностей блока питания.

Создать усилитель большой мощности не так уж сложно. Намного труднее обеспечить ему надежное питание. Без преувеличения можно сказать, что качественные показатели автомобильного усилителя в режиме большой мощности определяются исключительно блоком питания. Недостаточность мощности преобразователя приводит к дополнительным искажениям пиков сигнала, ухудшению разделения каналов, повышению выходного сопротивления усилителя и, следовательно, снижению демпфирования. В случае работы усилителя на сабвуфер последнее обстоятельство имеет решающее значение. Словом, надежный блок питания - это больше, чем "пол-усилителя".