УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ
Усилители мощности выполняют функции оконечных каскадов усилителей 34 и предназначены для создания необходимой мощности на внешней нагрузке, которой обычно является акустическая система.
В комплексах высококачественного звуковоспроизведения усилитель мощности обычно выполняют в виде отдельного блока (или субблока). Он не содержит корректирующих АЧХ элементов и имеет плоскую АЧХ в широком диапазоне частот. В этом блоке не предусматривают никаких регулировок. Устанавливается лишь индикатор уровня выходной мощности. Уровень входного сигнала для этого усилителя нормируется, и обычно он равен 775±50 мВ. Усилитель мощности имеет большую выходную мощность (более 10 Вт), минимальный уровень собственных шумов (ниже — 60 дБ) и коэффициент гармоник меньше 1%. Фазо-частотная характеристика усилителя линейиа в диапазоне частот 20 Гц... 30 кГц.
Значительный запас мощности, которым обладает усилитель, позволяет получить большой динамический диапазон громкостей, что повышает естественность звучания, улучшает стабильность работы при номинальной мощности и обеспечивает незначительные нелинейные искажения. Максимальная выходная мощность, которая может быть передана в нагрузку, определяется максимальными значениями напряжения, действующего на выходе усилителя, и тока, протекающего через усилитель при заданной нагрузке. Эти значения целиком и полностью определяются параметрами выходных транзисторов. Поэтому для усилителей мощности характерным является применение в оконечном каскаде высоковольтных транзисторов повышенной мощности, потребляющих от источников питания большую энергию. В свою очередь, максимальное использование оконечных транзисторов по напряжению и току приводит к росту нелинейных искажений.
Снижение уровня нелинейных искажений достигается в основном введением глубокой ООС. Однако при этом возрастает запаздывание сигнала на выходе и в цепи ООС, что является причиной динамических искажений.
На слух динамические искажения проявляются в виде потери высших частот, в неестественном оттенке звучания, так называемом «транзисторном звуке».
Сте пень динамических искажений оценивается по скорости нарастания выходного напряжения усилителя мощности. Для уменьшения динамических искажений в высококачественных усилителях глубина ООС ограничивается в пределах 20... ... 30 дБ. В качестве оконечных применяют мощные высокочастотные биполярные или полевые транзисторы, которые позволяют расширить диапазон усиливаемых частот и тем самым повысить быстродействие усилителя. Меры, принимаемые для снижения динамических искажений, приводят к возрастанию нелинейных искажений, и условие обеспечения их (динамических и нелинейных искажений) на низком уровне является противоречивым.
Часто для снижения нелинейных искажений для усилителей малой мощности выходной каскад работает в режиме А. Однако это затрудняет термостаби-лизацию большого тока покоя транзисторов выходного каскада и снижает КПД усилителя.
В настоящее время в основном применяют бестрансформаторные выходные каскады, которые реализуют на трех-, четырехэлементных составных транзисторах при нескольких параллельно соединенных выходных транзисторах. Для них обычно предусматривается уетройство защиты при перегрузке сигналом большого уровня и при коротком замыкании на выходе.
Качественные показатели усилителей мощности, их физические размеры в основном определяют качество всего усилительного устройства и поэтому неудивительно, что разработчики аппаратуры высококачественного звуковоспроизведения уделяют наибольшее внимание созданию высококачественных усилителей мощности. Поскольку требования к. снижению нелинейных и динамических искажений являются противоречивыми, то это является источником поиска для разработчиков, это же обстоятельство объясняет многообразие технических решений, появляющихся ;в последнее время.
К основным параметрам усилителей мощности звуковой частоты относятся следующие:
максимальная выходная мощность Ртах [Вт] — выходная электрическая мощность на частоте 1 кГц при значении коэффициента гармоник 10%;
номинальная выходная мощность РЯОм [Вт] — выходная электрическая мощность, при значении коэффициента гармоник, заявленного для этого усилителя на частоте 1 кГц;
номинальная выходная мощность в полосе рабочих частот Рном (Дf) [Вт] — минимальная выходная электрическая мощность в диапазоне частот 20 Гц... 20 кГц при значении коэффициента гармоник, заявленного для этого усилителя на частоте 1 кГц;
коэффициент гармоник КГ [%] — коэффициент нелинейных искажений, когда входным низкочастотным сигналом является синусоидальное напряжение;
коэффициент гармоник в режиме малой выходной мощности Кг (50 мВт) [%] — коэффициент гармоник, измеренный при выходной мощности 50 мВт;
коэффициент гармоник в полосе частот Kг (Дf) [%] — максимальный коэффициент гармоник в диапазоне частот 20 Гц... 20 кГц при номинальной выходной мощности;
отношение сигнал-шум [дБ] — логарифм отношения выходного напряжения усилителя при номинальной мощности к среднеквадратическому напряжению шумов усилителя в полосе частот 20 Гц... 20 кГц;
нормированная АЧХ [дБ] — зависимость нормированного значения усиления G от частоты; G = 20 lg (К/Ко), где К — коэффициент усиления усилителя в диапазоне частот, Ко — коэф.фициент усиления на частоте 1 кГц;
полоса рабочих частот Аf [Гц] — диапазон частот, внутри которого нормированная АЧХ усилителя имеет неравномерность не более ±1,5 дБ, измеряют при Pвых = 0,1 РНОМ;
фазо-частотная характеристика Аф [градус] — зависимость фазового сдвигаДф между составляющими входного и выходного напряжения от частаты f; ДФН — значение Дф на частоте 20 Гц (нижнее), Дфв — значение Аф на частоте 20 кГц (верхнее);
коэффициент нелинейности фазовой характеристики бф [градус] — наибольшее отклонение фазовой характеристики реального усилителя относительно идеальной фазовой характеристики, изменяющейся по линейному закону; бфн — значение б (ф) на частоте 20 Гц, б (фв) — значение б (ф) на частоте 20 кГц;
максимальная скорость нарастания выходного напряжения Vmax [В/мкс] — максимальное отношение ДUВЫх/Дt, где Дt — интервал времени, за который происходит изменение выходного напряжения Uвых на значение ДUВых на участке с наиболее крутым фронтом.
Далее будут описаны усилители мощности, согласованные по входу с выходами узлов, описанных ранее « обеспечивающих согласованную работу на восьми- и четырехомную нагрузку. Чтобы получить приводимые технические характеристики, монтаж усилителей должен соответствовать приведенным чертежам печатной платы и монтажной схемы. Изменение компоновки может привести к ухудшению коэффициента гармоник и отношения сигнал — шум. В качестве материала печатных плат во всех случаях использован односторонний фольгиро-вгнный стеклотекстолит толщиной 1,5 мм.
Усилитель мощности с балансным дифференциальным входным каскадом, Он имеет следующие основные технические характеристики:
Номинальная выходная мощность....... 55 Вт
Коэффициент гармоник.......... 0,07%
Полоса рабочих частот . . . . , , . . . . 20... 50 000 Гп
Отношение сигнал-шум.......... 89 дБ
Напряжение питания........... ±36 В
Ток покоя............ . . 100 мА
Полные технические характеристики усилителя приведены в табл. 4.
Таблица 4
Технические характеристики усилителей мощности
|
Усилитель |
Рmах. ВТ |
Pном (Дf) Вт |
КГ
(Дf), % |
Кг
(50 мВт), % |
Дf. Гц |
в (Фн). град |
в (ФВ), град |
Фн,Гград |
Фв, град |
Vmах, в/мкс |
|
Рис. 66 |
60 |
55 |
0,07 |
0,15 |
20... 50000 |
8 |
8 |
30 |
2 |
20 |
|
Рис. 69 |
80 |
75 |
0,06 |
0,12 |
20... 40000 |
7 |
7 |
25 |
2 |
16 |
|
Рис. 72 |
70 |
60 |
0,04 |
0,1 |
20... 150000 |
5 |
3 |
18 |
5 |
17 |
|
Рис. 75 |
80 |
70 |
0,05 |
0,1 |
20... 80000 |
1 |
2 |
8 |
7 |
|
|
Рис. 79 |
70 |
60 |
0,04 |
0,08 |
20... 100000 |
10 |
3 |
35 |
11 |
12,5 |
|
Рис. 82 |
20 |
.ЛЬ |
0,03 |
0,07 |
20... 80000 |
4 |
3 |
16 |
8 |
10 |
|
Рис. 85 |
70 |
60 |
0,5 |
0,7 |
10... 25000 |
8 |
5 |
40 |
10 |
7,5 |
Другая особенность состоит в применении входного балансного дифференциального каскада, обладающего хорошей термостабильностью.
Принципиальная схема усилителя приведена на рис. 66. Он состоит из входного каскада (транзисторы VT1, VT2), каскада усиления напряжения (VT3) и выходного (VT4 — VT7) и элементов защиты выходных транзисторов (VD3 — VD6). Входной каскад выполнен по схеме дифференциального каскада е несимметричным выходом. Входной сигнал поступает на базу транзистора VT1 через разделительный конденсатор С1. Сигнал ООС подается с выхода через резистор R6 на базу транзистора VT2. Дифференциальный каскад сравнивает выходное напряжение с нулевым напряжением общего провода, и еели по каким-либо причинам постоянное напряжение на выходе усилителя станет отличным от нуля, сигнал рассогласования с выхода дифференциального каскада поступает на выходной каскад, обеспечивая тем самым нулевое напряжение на выходе усилителя. С выхода дифференциального каскада сигнал поступает на усилитель напряжения и через резистор R7 на выходной каскад. Выходной каскад выполнен на составных комплементарных транзисторах VT4, VT6 и VT5, VT7, обладающих большим входным и весьма малым выходным сопротивлениями.
Диоды VD1 и VD2 создают начальное смещение выходного каскада и обеспечивают температурную стабилизацию тока покоя выходных транзисторов. Через конденсатор вольтдо-бавки С5 подключается ПОС в цепь коллекторной нагрузки транзистора VT3, обеспечивая тем самым получение максимального размаха выходного напряжения. Диоды VD3, VD4 и VD5, VD6 защищают выходные транзисторы, шунтируя в случае перегрузки, переходы транзисторов. Элементы СЗ, С6, R14, С7, L1 предотвращают самовозбуждение усилителя на высоких частотах.
Конструктивно усилитель мощности смонтирован на печатной плате, показанной на рис. 67. Для температурной стабилизации тока покоя выходных транзисторов диоды VD1 и VD2 устанавливают на общий с транзисторами VT6 и УТ7 теплоотвод.
Катушка L1 намотана на резисторе R15 (МЛТ-2) и содержит 25 витков провода ПЭВ-2 0,8. Резисторы R12 и R13 изготовлены из высокоом-ного провода (манганин, константан).
Налаживание усилителя заключается в проверке правильности монтажа. При правильном монтаже и использовании исправных элементов дополнительной настройки не требуется. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики усилителя приведены на рис. 68. Для питания усилителя необходим двухполярный источник, обеспечивающий при напряжении ±36 В ток не менее 1,2 А.
Рис. 66. Принципиальная схема усилителя мощности с балансным дифференциальным входным каскадом
Усилитель мощности с полевым транзистором в качестве источника тока для входного каскада и элементами симметрирования выходного каскада. Он имеет следующие основные технические характеристики (см. также табл. 4):
Номинальная выходная мощность....... 75 Вт
Коэффициент гармоник.......... 0,06%
Полоса рабочих частот.......... 20... 40 000 Гц
Отношение сигнал-шум.......... 86 дБ
Напряжение питания........... ±40 В
Ток покоя.......... 20 мА
Улучшение качественных показателей в этом усилителе по сравнению с предыдущим достигнуто рядом схемотехнических решений. В эмиттерную цепь входного дифференциального каскада включен источник тока на полевом транзисторе. Это позволяет повысить коэффициент передачи первого каскада и улучшить его термсстабильность. Для улучшения симметрии плеч выходного каскада усилителя и уменьшения нелинейных искажений в эмиттерную цепь одного из транзисторов лредоконечного каскада вводятся корректирующая цепь, состоящая из диода, резистора и конденсатора.
Принципиальная схема усилителя приведена на рис. 69. Он содержит дифференциальный входной каскад (VT2, VT4), усилители тока (VT3) и напряжения (VT6), выходной каскад (VT9 — VT12) и устройство защиты от перегрузок (VT7, VT8). Как уже говорилось, источник тока на транзисторе VT1, включенный в эмиттерные цепи транзисторов VT2, VT4, позволяет, не увеличивая температурную нестабильность, повысить коэффициент передачи по напряжению дифференциального каскада.
Транзистор VT3 позволяет уменьшить нагрузку на выход дифференциального каскада. Каскад с разделенной нагрузкой на транзисторе VT6 усиливает сигнал по напряжению, обеспечивая максимальный размах выходного напряжения.
Квазикомплементарный выходной каскад, выполненный на составных транзисторах (VT9, VT11 и VT10, VT12), хорошо согласовывается с низкоомной нагрузкой. Корректирующая цепь, состоящая из параллельно соединенных диода VD2, резистора R28 и конденсатора С10, улучшает симметрию плеч усилителя, уменьшая тем самым нелинейные искажения. Начальное смещение на базах выходных транзисторов для работы в режиме АВ определяется падением напряжения на участке коллектор — эмиттер транзистора VT5 и регулируется резистором R16. Транзисторы VT7 и VT8 шунтируют при перегрузке эмиттерный переход выходных транзисторов, осуществляя тем самым их защиту. Элементы €3, R5, С4, R31, С12 предотвращают самовозбуждение усилителя на высоких частотах. Цепь R7, С6 служит для выравнивания АЧХ усилителя на высоких частотах звукового диапазона (до 20 кГц).
Рис. 67. Печатная (а) и монтажная (б) платы усилителя мощности с балансным дифференциальным входным каскадом
Рис. 68. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики усилителя мощности с балансным дифференциальным входным каскадом
Конструктивно усилитель собран на печатной .плате, показанной на рис. 70. Температурная стабилизация тока покоя выходных транзисторов осуществляется с помощью транзистора VT5, установленного на общем с VT12 или VT11 радиаторе, в непосредственной близости от них. Для питания усилителя необходим двухполярный источник, обеспечивающий при напряжении ±40 В ток не менее 2,5 А.
Налаживание усилителя, собранного из исправных элементов, заключается в проверке правильности монтажа и установке тока покоя выходных транзисторов резистором R16 в пределах 20... 40 мА. Амплитудно-частотная и фазочас-тотная характеристики усилителя приведены на рис. 71.
Рис. 69.
Принципиальная схема усилителя мощности с полевым транзистором в качестве источника тока
Усилитель мощности на комплементарных транзисторах с полной симметрией плеч для обеих полуволн усиливаемого сигнала и с двойным дифференциальным каскадом на входе. Он имеет следующие основные технические характеристики (см. также табл. 4):
Номинальная выходная мощность....... 60 Вт
Коэффициент гармоник.......... 0,04%
Полоса рабочих частот.......... 20... 150000 Гц
Отношение сигнал-шум.......... 88 дБ
Напряжение питания........... ±40 В
Ток покоя.............. 50 мА
Усилитель полностью выполнен на комплементарных транзисторах. Он работает в режиме АВ. Примененные схемные решения позволили до минимума снизить нелинейные искажения. Основная особенность усилителя — симметричность плеч для обеия полуволн усиливаемого сигнала. Это дало возможность снизить нелинейные искажения усилителя без введения ООС. Другая особенность состоит в схеме выходного каскада, позволяющей усиливать сигнал не только по току, но и по напряжению. При этом облегчился режим работы транзисторов предварительного каскада, поскольку требуемая амплитуда сигнала существенно меньше, чем для обычного выходного каскада.
Рис. 70. Печатная (а) и монтажная (б) платы усилителя мощности с полевым транзистором в качестве источника тока
Рис. 71. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики усилителя мощности с полевым транзистором в качестве источника тока
Принципиальная схема усилителя показана на рис. 72. Он содержит дифференциальный каскад на комплементарных транзисторах (VT1, VT4, VT2, VT5), каскад усиления сигнала по напряжению (УТ7, VT8), выходной каскад (VT10 — VT13, VT15, VT16) и устройство защиты от перегрузок по току (VT14, VT17). Дифференциальный входной каскад на комплементарных транзисторах имеет дополнительное преимущество по сравнению с обычным: ери равенстве базовых токов транзисторов VT1 и VT2 (VT4 и VT5) через резисторы R2 и R3 и через резистор R30 ток .может вообще не протекать.Это позволяет, не нарушая балансировки каскада, изменять сопротивление этих резисторов в достаточно больших пределах. Чтобы увеличить коэффициент передачи по напряжению и улучшить линейность при высокой термостабильности, в эмиттерные цепи транзисторов дифференциального каскада включены источники тока на транзисторах VT3 и VT6. Каскад усиления по напряжению выполнен на комплементарной паре транзисторов VT7 и VT8, работающих в режиме А.
