Как видно из статьи, коэффициент
гармоник усилителя во всем звуковом диапазоне частот не превышает 0,003 %.
Может возникнуть вопрос, а нужно ли снижать его до такого значения?
Исследования позволили установить преимущества УМЗЧ с Кг = 0,003 %
перед УМЗЧ с Кг = 0,03 %; при прослушивании программ «легкость»
первого из них отмечалась большинством экспертов. В данном усилителе
нейтрализован характерный для УМЗЧ такого типа источник нелинейных искажений,
каким является процесс перезарядки входных емкостей ОУ при больших синфазных
сигналах.
Входная емкость ОУ (примерно 3 пФ)
складывается из нескольких линейных и нелинейных компонентов. Один из них –
емкость закрытого p-n-перехода затвор – сток полевого транзистора
входного каскада – существенно нелинеен. При работе УМЗЧ эта емкость (около 3 пФ)
интенсивно перезаряжается и, если сигнал синусоидальный, в цепи затвора
протекает значительный ток перезарядки (удвоенной частоты), создавая на
элементах входной цепи ОУ соответствующее падание напряжения. Складываясь с
входным сигналом, оно искажает его. Приведенное к входу значение второй
гармоники U2,
порождаемой процессом перезарядки емкости входного дифференциального каскада
ОУ, как было установлено экспериментально, может быть оценено соотношением:
U2 = A ∙ ∆R ∙ f ∙ (Uсф ÷ Uсф max)2, где
А = 0,5 ∙ 10-12 Кл;
∆R – величина разбаланса
сопротивлений цепей входов ОУ;
f – частота синусоидального
сигнала;
Uсф – амплитуда синфазного сигнала.
Если например, f=10 кГц, Uсф=Uсфmax, ∆R=100кОм, то U2=0,5 мВ, а это значит, что при входном сигнале 1 УЗ коэффициент гармоник УМЗЧ, даже если нет других продуктов нелинейностей, составит 0,05 %. Ограничив разбаланс сопротивлений ∆R пределом 1 кОм, можно пренебречь вкладом процесса перезарядки входных емкостей ОУ в коэффициент гармоник УМЗЧ.
Технические характеристики
Номинальная выходная мощность на
нагрузке сопротивлением 8 Ом: 25 Вт
Коэффициент гармоник в диапазоне
частот 20 – 20000 Гц, не более: 0,003 %
Скорость нарастания выходного
напряжения, не менее: 40 В/мкс
Номинальное входное напряжение: 0,7 В
УМЗЧ состоит из двухкаскадного
усилителя напряжения (ОУ DA1, DA2) и собственно усилителя мощности (VT1-VT4). Каскады на ОУ DA1, DA2 питаются от идентичных
источников, преобразованных элементами VD1, VD2, R6, R7, C6, C7 и VD3, VD4, R14, R15, C13, C14. Средние точки этих источников
питания соединены с низкоомным делителем напряжения R5R12R20, подключенным к выходу УМЗЧ,
чем обеспечивается подача отслеживающих потенциалов в каскады усилителя
напряжения. Цепи R16C10 фильтруют напряжения, питающие первые каскады,
от порождаемых сигналом нелинейных пульсаций в цепях питания выходного каскада.
Каскад на ОУ DA1 охвачен местной ООС (R2, R4) и усиливает сигнал в 10 раз.
Поскольку на выходе каскада имеется постоянное напряжение около 1 В, он отделен
от входа ОУ DA2 конденсатором С5. Второй каскад (DA2) совместно с выходным (VT1-VT4) усиливает напряжение сигнала
только в 2 раза. Коэффициент усиления этого ОУ «расходуется», таким образом,
только на линеаризацию выходного каскада. Последний представляет собой
известный параллельный усилитель. Резисторы R17, R18, R25, R26 корректируют АЧХ в области
высших частот.
Активные сопротивления входных
цепей ОУ DA1 согласованы с точностью около 1 кОм (предполагается, что источник
сигнала обладает низким выходным сопротивлением) Также согласованы
сопротивления входных цепей и второго каскада. Элементы R3, С2 образуют входной фильтр
нижних частот с частотой среза 110 кГц. Конденсатор С3 улучшает переходную
характеристику первого каскада. Элементы С4, R10 и С9, С11, С12 корректируют АЧХ
усилителя напряжения.
Коэффициенты усиления каскадов и
коэффициенты передачи делителя R5R12R20 выбраны таким образом, чтобы амплитуды синфазных
входных и выходных напряжений каждого из ОУ (относительно соответствующих
средних точек их «плавающих» источников питания) были равны примерно четверти
амплитуды выходного напряжения. В описываемом УМЗЧ амплитудные характеристики
ОУ используются менее чем наполовину, в то время как уровень ограничения
усилителя напряжения равен ±50 В. И это вообще говоря, не предел: вполне
реальным представляется четырехкаскадный усилитель напряжения с уровнем
ограничения ±100 В.
Как показали испытания, при питании напряжениями ±35 В выходной каскад УМЗЧ становится неустойчивым, так как рабочие точки транзисторов приближаются к границе области безопасных режимов. Стабилизировать режим работы оконечных транзисторов можн, включив в эмитерные цепи резисторы, как показано на рис. 2. Однако при этом резко уменьшается их ток покоя, что приводит к значительному увеличению коэффициента гармоник. Ослабить последствия введения резисторов удалось заменой транзисторов предоконечного каскада на транзисторы серий КТ814 и КТ815, у которых площадь переходов намного меньше, чем у КТ818, КТ819 (на таких переходах создаются большие падения напряжения, что и позволяет увеличить ток покоя транзисторов VT3, VT4). В каскаде по схеме на рис. 2 ток покоя транзисторов VT3, VT4 – примерно 0,2 А, а всего УМЗЧ – 0,4 А. Повышение питающих напряжений до ±40 В увеличило выходную мощность (на той же нагрузке) до 50 Вт при коэффициенте гармоник на частотах 2 и 10 кГц соответственно не более 0,007 и 0,015 %. Номинальное входное напряжение УМЗЧ с таким выходным каскадом – 1 В.
Конструкция и детали
В усилителе применены конденсаторы
КМ (С2-С4, С9, С11, С12), МБМ (С1, С5, С15, С16) и К50-6 (остальные); резисторы
МЛТ (R21-R24 составлены из трех резисторов МЛТ-1 сопротивлением 75 Ом). В
выходном каскаде можно использовать транзисторы указанных на схеме серий с
индексом Г (статический коэффициент передачи тока транзисторов VT3, VT4 должен быть не менее 30). В
усилителе напряжения возможно применение ОУ К140УД8, К544УД1, однако
коэффициент гармоник в этом случае возрастет примерно втрое. Стабилитроны
КС515А можно заменить двумя соединенными последовательно стабилитронами Д814А.
Детали УМЗЧ смонтированы на двух
печатных платах из фольгированного стеклотекстолита (рис. 3): на одной из них
(рис. 3а) размещены детали усилителя напряжения, на другой (рис. 3б) –
резисторы R16, R19, R21-R26 и конденсаторы С17б С18 (это предотвращает нагрев элементов
усилителя напряжения теплом, выделяемым назваными резисторами). Для повышения
надежности УМЗЧ микросхемы DA1, DA2 следует снабдить легкими теплоотводами с площадью
охлаждения около 8 см2. Транзисторы выходного каскада устанавливают
попарно (VT1 и VT4, VT2 и VT3), вплотную один к другому, на теплоотводах с эффективной площадью
охлаждения около 300 см2. Для уменьшения наводок, создаваемых токами
выходного каскада,, каждый транзистор следует соединить с платой тремя
сплетенными проводами. Такие же или скрученные провода необходимо использовать
и для соединения УМЗЧ с внешними устройствами. Конденсаторы С19, С20 размещают
как можно ближе к плате. С источником питания ее соединяют на выводах этих
конденсаторов.
Питать оба варианта УМЗЧ можно от нестабилизированного источника, напряжение которого (под нагрузкой) меньше указанных на схемах на 10%. Правильно собранные УМЗЧ налаживания не требуют. Их параметры в основном зависят от рациональности конструкции и, следовательно, от опыта радиолюбителя.
А. Агеев, г. Москва.