Предлагаемый вниманию читателей усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) разработан на основе технических решений, описанных в [1 — 4], и объединяет их наиболее ценные качества. Кроме того, в нем нейтрализован характерный для УМЗЧ такого типа источник нелинейных искажений, каким является процесс перезарядки входных емкостей ОУ при больших синфазных сигналах.

Напомним, что 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 дифференциального каскада - существенно нелинеен. При работе УМЗЧ эта емкость (около 0,3 пФ) интенсивно перезаряжается и, если сигнал синусоидальный, в цепи затвора протекает значительный ток перезарядки (удвоенной частоты), создавая на элементах входной цепи ОУ соответствующее падение 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= АΔRfХ(U_сф/U_{сф max})², где А=0,5 X 10^-12 Кл; ΔR - величина разбаланса сопротивлений цепей входов ОУ; f - частота синусоидального сигнала; U_сф - амплитуда синфазного сигнала. Если, например, f=10 кГц, U_сф= U_{сф max}, ΔR = 100 кОм, 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 ΔR пределом 1 кОм, можно пренебречь вкладом процесса перезарядки входных емкостей ОУ в коэффициент гармоник УМЗЧ.

Рис. 1 крупнее

Принципиальная схема УМЗЧ приведена на рис. 1. Его основные технические характеристики следующие:

Коэффициент гармоник измерялся анализатором спектра СК4-58, позволяющим регистрировать искажения, начиная с 0,03 %. Для расширения его динамического диапазона использовались режекторные фильтры, что позволило довести нижний предел измерений до 0,001 %. Точность измерений ограничивалась шумами испытательного генератора. Реальный коэффициент гармоник использованного генератора Г3-102 не превышал 0,003 %.

УМЗЧ состоит из двухкаскадного усилителя напряжения (ОУ DA1, DA2) и собственно усилителя мощности (VT1 - VT4). Каскады на ОУ DA1, DA2 питаются от идентичных источников, образованных элементами VD1, VD2, R6, R7, С6, С7 и VD3, VD4, R14, R15, С13, С14 [3]. 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 R16C8 и R19C10 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 его АЧХ в области высших частот.

Активные сопротивления входных цепей ОУ DA1 согласованы с точностью около 1 кОм, т. е. ΔR=|R3—R2llR4|»0 (предполагается, что источник сигнала обладает низким выходным сопротивлением). Так же согласованы сопротивления входных цепей и второго каскада (ΔR=|R11 — R9||R13|»0). Элементы R3, С2 образуют входной фильтр нижних частот с частотой среза 110 кГц. Конденсатор СЗ 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 амплитудпые 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.

Рис. 2

Как показали испытания, при питании напряжениями более ± 35 В выходной каскад УМЗЧ становится неустойчивым, так как рабочие точки транзисторов приближаются к границе области безопасных режимов. Стабилизировать режим работы оконечных транзисторов можно, включив в эмиттерные 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 серии 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 (C1, 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 h_21э транзнсторов 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 KC515A можно заменить двумя соединенными последовательно стабилитронами Д814А.

Рис. 3 крупнее

Детали УМЗЧ смонтированы па двух печатных платах из фольгированного стеклотекстолита (рис. 3): на одной из них (рис. 3, а) размещены детали усилителя напряжения, на другой (рис. 3, б) - резисторы R16, R19, R21-R26 и конденсаторы С17, С18 (это предотвращает нагрев элементов усилителя напряжения теплом, выделяемым названными резисторами). Дли повышения надежности УМЗЧ микросхемы DA1, DA2 следует снабдить легкими ребристыми 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, напряжения которого (под нагрузкой) меньше указанных на схемах на 10 %.

Правильно собранные УМЗЧ налаживания не требуют. Их параметры в основном зависят от рациональности конструкции [5] и.следовательно, от опыта радиолюбителя.

ЛИТЕРАТУРА

1. Карев В., Терехов С. Операционные усилители в усилителях мощности НЧ. — Радио. 1977, № 10, с. 42 - 43.
2. Кузнецов П., Бурмистров Ю., Валышваный А.. Колесников Ю., Шадров А. «Электроника T1-002-стерео», - Радио. 1981, № 1, с. 32 - 34.
3. Агеев А. Усилительный блок любительского радиокомплекса. - Радио. 1982, № 8, с. 31-35.
4. Агеев А. Параллельный усилитель в УМЗЧ. - Радио. 1985, № 8, с. 26 - 29.
5. Дмитриев Н., Феофилактов Н. Схемотехннка усилителей мощности ЗЧ. - Радио. 1985, № 6, с. 27 - 28.

Радио 1987, № 2