Огляд статті в журналі "Радіо" № 12, 2004 р.,
дізнатися більш детально принципи роботи,
конструкцію та методику налаштування
можна в журналах Радіо № 12,2004 і № 1,2005.

Транзисторний підсилювач потужності без зворотного зв'язку

К. Мусатов, м. Москва

У статті запропоновано варіант транзисторного стереопідсилювач на базі популярного свого часу серед меломанів лампового підсилювача "Прибій-204" або "Прибій-104". Фактично від нього використовуються лише корпус, мережевої та вихідні трансформатори. Використання компенсаційного методу лінеаризації характеристик підсилювальних каскадів і застосування приладів з "вбудованої" зворотним зв'язком дозволило отримати невеликі нелінійні перекручування з гармоніками низького порядку і мале вихідний опір без впровадження зовнішнього негативного зворотного зв'язку.

Людське вухо – нелінійний перетворювач; як показали дослідження [1], рівень гармонійних спотворень у ньому спадає в енергетичному вираженні приблизно як 10 ", де п – номер гармоніки. У логарифмічному вимірі це по 10 дБ на кожен інтервал між гармоніками. Вихідні дані, зняті на тональному сигналі Г. Олсон, були оброблені Д. Чівер в [2] і в нормованому щодо рівня тестового сигналу вигляді представлені на рис. 1. З графіків видно, що при зміні звукового тиску від 50 дБ (тихий голос) до 90 дБ (рівень звучання в студії) нелінійні спотворення, які продукують вухом при перетворенні чутного звуку у вусі й обробці його в мозку, змінюються від 1,5 до 20% за другий гармоніці і від 0,3 до 3% по третій. Виходить, що якщо підсилювач внесе в сигнал менший рівень гармонійних спотворень, то ці спотворення будуть замасковані власними спотвореннями вуха. Враховуючи, що слух частково адаптується до власних спотворень, встановимо запас за рівнем спектральних складових спотворень в 10 дБ. Цей запас дозволить не демаскувати спотворення на низьких частотах, коли гармоніки потрапляють в область максимальної чутливості слуху, а також забезпечити прийнятний рівень інтермодуляціонних спотворень, до яких слух більш чутливий. Оскільки автор поставив завдання побудови двотактного підсилювача (у таких підсилювачів в спектрі спотворень основна гармоніка третя), то орієнтиром буде служити значення 1% спотворень по третій гармоніці при рівні звукового тиску близько 90 дБ. Також з графіка видно, що при рівнях звукового тиску до 70. .. 80 дБ підсилювач не має продукувати вищі гармоніки, починаючи з сьомої.

У роботах [2, 3] показано, що при замиканні ланцюга зворотного зв'язку відбувається розширення спектру гармонік. Підсилювачі з ламповими тріодах і польовими транзисторами мають передатну функцію, близьку до лінійно-параболічної. Підсилювальний каскад на потужному польовому транзисторі при рівні спотворень по другій гармоніці 10% до замикання ланцюга ООС створює різко спадаючий спектр. Після замикання ланцюга ООС виходить більш широкий спектр зменшених за рівнем спотворень.

У тих же роботах [2, 3] представлені розрахункові характеристики відносних амплітуд гармонік як функції глибини ООС, причому для розрахунків була обрана квадратична характеристика каскаду, не охопленого зворотним зв'язком. Залежність рівня гармонійних спотворень такого каскаду від глибини зворотного зв'язку, що охоплює каскад, представлена на рис. 2. Оскільки передавальні характеристики реальних підсилювальних елементів містять не тільки квадратичний член в розкладі, Д. Чівер провів відповідні вимірювання на потужному польовому транзисторі з ізольованим затвором. При глибині ООС до 5 дБ рівні гармонік від третьої до шостої мало змінювалися, при більшій же глибині ООС реальні значення були близькі до розрахункових, але завжди більше. У результаті видно, що є суттєве зростання рівня вищих гармонік при глибині ООС, часто застосовується на практиці. Застосування глибокої ООС (50 … 60 дБ) пов'язане з труднощами забезпечення стійкості підсилювача, до того ж у таких підсилювачах глибина ООС зазвичай спадає вже на звукових частотах. Є й інші негативні властивості глибокої ООС (про їх нижче).

Реальний підсилювач складається не з одного каскаду, а транзистори, що призводить до продукування широкого спектру гармонік, що перевищує поріг помітності, що в свою чергу підвищує інтермодуляціонних спотворення

Рішення для створення підсилювачів, що задовольняють вимогам психоакустики.

1.Созданіе підсилювача з глибокої ООС, щоб за допомогою неї постаратися придушити вищі гармоніки [4, 5].

2.Построеніе підсилювача без загальної ООС. Для лінеаризації в цьому випадку застосовують кілька місцевих ланцюгів ООС [6].

3.Іспользованіе підсилювальних каскадів без введення додаткової ООС. (Hi-End).

Вибір транзисторів для вихідного каскаду дуже важливий.

У лампових підсилювачах без ООС у вихідному каскаді використовується тріод, що володіє невеликим вихідним опором, яке з допомогою вихідного трансформатора знижується до прийнятного рівня (2 … 3 Ом на навантаження опором 8 Ом). Пошук транзисторів, що володіють схожими характеристиками, привів до класу польових транзисторів з статичною індукцією каналу. Транзистори цього типу за кордоном представлені виробами фірми Tokin (Японія). Є й приклади реалізації підсилювачів з їх використанням [7]. Придбати ці транзистори в Росії зараз не представляється можливим. Були розроблені вітчизняні транзистори з аналогічною структурою: це серії КП801, КП802 і КП926. Перші дві вже не виробляють і не продають, а остання ще зустрічається в продажу. Вольт-амперні характеристики (ВАХ) цього транзистора показали його близькість до ламповим тріодах.

Максимальна потужність, яку можна зняти з такого каскаду в лінійному режимі (з урахуванням обмежень у мінімальній напрузі і струму), дорівнює

Рвих = Uвих m * Iвихm / 2 = 120 В * 0,13 А / 2 = = 7,8 Вт,

що відповідає напрузі 11,2 В на навантаженні опором 8 Ом. Таким чином, для узгодження з таким навантаженням буде потрібно трансформатор з коефіцієнтом трансформації 11,2 / 120 = 0,0933. Приведений до вторинної обмотки вихідний опір каскаду без обліку втрат у трансформаторі виходить

R'вих = Rвихn2 = 540 * 0,09332 = 4,7 Ом.

Це забагато, тому була обрана двотактних схема, яка дозволила знизити вихідний опір, підняти вихідну потужність і підвищити лінійність підсилювача.

Схема і параметри підсилювача

Схема з'єднань вузлів стереофонічного підсилювача показана на рис. 3. Кожен з каналів підсилювача має два входи: простий (Х2, Х4) і балансний (Х1, ХЗ). При подачі сигналу від симетричного джерела треба розімкнути контакти вимикача SA1. В підсилювачі регулятор гучності побудовано за схемою L-регулятора [8]. Це дозволяє домогтися зниження вносяться регулювальним резистором перешкод і спотворень.

Схема двокаскадного УМЗЧ показана на рис. 4. Для стабілізації режимів транзисторів (у підсилювача немає ООС по постійному струму) він побудований у вигляді двох диференціальних каскадів по симетричною балансної схемою з безпосереднім зв'язком. Джерела стабільного струму задають робочі режими каскадів по постійному струму.

Схема блока живлення наведена на рис. 5.

Джерело живлення першого каскаду – спільний для обох каналів, з паралельними стабілізаторами напруги.

Для других каскадів УМЗЧ випрямлячі роздільні.

Основні параметри підсилювача зведені у таблиці. Залежність амплітуди гармонік від рівня сигналу представлена на рис. 6.

Параметр

Значення

Примітка

Смуга відтворених частот за рівнем -3 дБ, Гц

2…60000

На навантаженні 6 … 8 Ом

2…20000

На навантаженні 4 Ом

Нерівномірність у діапазоні частот 20 … 20000 Гц, дБ

0,5

На навантаженні 6 … 8 Ом

Вихідна потужність на навантаженні опором 5,5 Ом, Вт

20

При коефіцієнті гармонік 5%

15

При коефіцієнті гармонік 3%

5

При коефіцієнті гармонік 1%

Відношення сигнал / шум, дБ

96

При вихідний потужності 15 Вт

106

Регулятор гучності замкнутий

Вхідна ємність, пФ

110

Регулятор гучності замкнутий

Чутливість, мВ

200…250

При вихідний потужності 5 Вт

Вих. опір, Ом

2,5…3

По виходу на навантаження 8 Ом

Коефіцієнт придушення синфазного сигналу, дБ

36

Залежить від підбору вхідних транзисторів. SA1 розімкнений

Для сумісності результатів вимірювання до графіка на рис. 1 вихідна потужність перерахована в звуковий тиск (горизонтальна вісь) з розрахунку, що при подачі потужності, рівний 1 Вт на канал, в середній за площею кімнаті буде отримано звуковий тиск близько 90 дБ. За таких умов підсилювач виконує вимоги за спектральним складом спотворень аж до звукового тиску 102 дБ. У всіх проведених вимірах рівень інтермодуляціонних викривлень був рівний або менше рівня гармонійних спотворень для однакового рівня сигналів.

ЛІТЕРАТУРА

1. Harry F. Olson. Physics and Engineering. – Dover Publications, 1966, ISBN: 0486217698.

2. Daniel H. Cheever. A new methodology for audio frequency power amplifier testing based on psychoacoustic data that better correlates with sound quality, 1989. <http://altor.sytes.net/cheever.pdf>.

3. Baxandall PJ Audio power amplifier design. – Wireless World, december 1978, p. 53-56.

4. Акулінічев І. УМЗЧ з широкосмугової ООС. – Радіо, 1989, № 10, с. 56-58.

5. Агеєв С. Сверхлінейний УМЗЧ з глибокої ООС. – Радіо, 1999, № 11, с. 13-16.

6. Орлов А. УМЗЧ з симетричним входом без загальної ООС. – Радіо, 2002, № 4, с. 12-14.

7. SIT Р-Р 60W +60 W Power Amplifier. – <http://www.ne.jp/asahi/evo/amp/SIT/pagei.htm>.

8. Белканія А. Сиди собі, регулюю … L-аттенюатор. – Вісник А.Р.А., 1999, № 1.

(Закінчення)

Радіо № 12, 2004.