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(Uсф/Uсф max)2, где А=0,5 X
10-12 Кл; ΔR - величина разбаланса сопротивлений цепей входов ОУ; f -
частота синусоидального сигнала; Uсф - амплитуда синфазного сигнала.
Если, например, f=10 кГц, Uсф= Uсф 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.
Принципиальная схема УМЗЧ приведена на рис. 1. Его основные технические
характеристики следующие:
Номинальная выходная мощность на нагрузке сопротивлением 8 Ом, Вт | 25 | Коэффициент гармоник в диапазоне частот 20...20 000 Гц. %, не более | 0,003 | Скорость нарастания выходного напряжения, В/мкс, не менее | 40 | Номинальное входное напряжение, В | 0,7 |
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 h21э 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.
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
- Карев В., Терехов С. Операционные усилители в усилителях мощности НЧ. —
Радио. 1977, № 10, с. 42 - 43.
- Кузнецов П., Бурмистров Ю., Валышваный А.. Колесников Ю., Шадров А.
«Электроника T1-002-стерео», - Радио. 1981, № 1, с. 32 - 34.
- Агеев А. Усилительный блок любительского радиокомплекса. - Радио. 1982, № 8,
с. 31-35.
- Агеев А. Параллельный усилитель в УМЗЧ. - Радио. 1985, № 8, с. 26 - 29.
- Дмитриев Н., Феофилактов Н. Схемотехннка усилителей мощности ЗЧ. - Радио.
1985, № 6, с. 27 - 28.
Радио 1987, №
2
|