вариант 2, вариант 3.

Этот усилитель мощности звуковой частоты разрабатывался с соблюдением следующих условий:

1. Усилитель должен быть прост в изготовлении и настройке, и доступен для  повторения.            
2. УМ должен обладать как мягкостью, так и жёсткостью звука в зависимости от фонограммы.
3. Схема УМ должна быть полностью симметрична.
4. Все качественные параметры должны задаваться операционным усилителем, а выходные каскады их точно повторять.
5. Допустимо использование только комплементарных (p-n и n-p) пар транзисторов для симметрии схем.
6. Выбор режима работы оконечных каскадов (А, ЭА, АВ, В) без переделки схемы.  (В любом из этих режимов выходные транзисторы закрываются и открываются  плавно).
7. Применение полевых транзисторов без изменения схемы (только подстройкой смещения).                                                    
8. Нечувствительность к просадкам питания (не требуется стабилизированный блок питания).
9. Возможность задать различные тепловые режимы и широкий диапазон питания для возможности       встроить УМ в уже имеющуюся аппаратуру.
10. Формирование режимов транзисторов только полезным сигналом относительно стабильного напряжения или тока для снижения искажений от нестабильности и просадок питания.

       Принцип работы. Изначально этот УМЗЧ (рис.1) разрабатывался как макет для исследования нелинейных искажений в усилителях, в частности в выходном каскаде. Входные каскады вообще не должны были иметь искажений типа "ступенька”. Для этого наиболее подходят каскады как бы подключенные в параллель между + и – питания (VT1,VT2), за что и получили название "параллельные”. Эмиттер VT1 был подключен к потенциалу ниже отрицательного входного напряжения, чтобы получить возможность регулирования момента и характера  закрывания VT5 (режим А, ЭА, АВ, В). Затем возникла идея подавать на эмиттеры VT1,VT2 напряжение обратной связи (ООС) через R5 (R6) в уже образовавшийся параллельный (он же одновременно и композитный) каскад, которое понижает потенциал эмиттера VT1 (VT2), препятствуя резкому закрыванию VT5 (VT6), и таким образом формировать токи покоя в режиме ЭА.

Результаты исследований сведены в осциллограмму выходных токов (рис.2), где (1) – ток в нагрузке, +I – ток VT5, -I – ток VT6. Точка 2 – искажения типа "ступенька” в режиме В, когда VT5 резко закрылся, а VT6 ещё не открылся. (Эти режимы устанавливались умышленно для определения порога появления искажений). В т.2 возможны всплески сигнала с другой частотой, присутствующей в составе сигнала или при подаче на вход усилителя одновременно двух частот. Такой УМ имеет большой коэффициент гармоник, ВЧ в  нём будут звучать резко, с шипящими призвуками, а синусоида будет иметь повышенную крутизну спада-подъёма. Медленно открывавшийся на малых сигналах транзистор, затем резко открывается, искажая сигнал. Правильная траектория – линия 3. Видно, что относительно линии 3 (полупериод) образовалась синусоида (период),  что означает призвуки с удвоенной частотой (гулкий звук). При улучшении режима В участок 2 превращается в яркостную точку, а затем исчезает. Далее, при исследовании нелинейных искажений, стало ясно, что  искажения формы сигнала и увеличение коэффициента гармоник (т.4) происходят даже в режиме А с большими токами покоя, если противоположное плечо закрывается непропорционально сигналу (слишком резко), ускоряя тем самым прирост тока в нагрузке. Звук у такого УМ будет звонкий, с металлическим эхом, как при ударе по резиновому мячу. По этой причине некоторые усилители с высокими параметрами и большими токами покоя звучали хуже, и обладали худшей естественностью звучания, чем более простые в схемотехническом отношении усилители. В режиме А, если жёстко придерживаться определённой величины тока покоя (в данном случае 250 мА,  штриховая линия) в точке 5 происходит резкий излом, что моментально сказывается на линейности характеристики открывающегося в этот момент нижнего плеча (4). В точке 4 возможны изломы и всплески выходного сигнала. Значит важен не столько ток покоя транзисторов, сколько их плавное (как можно ближе к форме полезного сигнала) открывание и закрывание, даже в режиме В (линия 6). В этом УМ в режиме В отсечка тока верхнего плеча (линия 6) происходит при токе нижнего плеча 2-3А, что мало сказывается на форме полезного сигнала. Это полностью подтверждает правоту источника [1], и позволяет применить в данном УМ экономичный режим А (ЭА) (Iо, сплошная линия 7 на рис.2). Этот режим ещё называют Super A [1], но название ЭА ближе к истине. Дело в том, что ЭА производит динамическое снижение токов покоя без ухудшения параметров (с улучшением качества звучания!), что уменьшает нагрев выходных транзисторов за счёт уменьшения сквозных токов (через VT5–VT6), повышает экономичность и КПД усилителя. При открывании верхнего плеча (Рис.1, VT5), ток покоя нижнего плеча (VT6) плавно уменьшается до 60 мА (т.7 рис.2, оптимальная величина, определена экспериментально и может быть выбрана по желанию от 0 до 100 мА). Это позволяет избежать искажений (т.4, рис.2) и повысить линейность усиления и естественность звучания. В обычной схеме входные транзисторы (VT1) при изменении входного напряжения от 0 до +8В открываются, а закрываются (при изменении Uвх. от 0 до -8В) уже при величине -0,55В, или же в неопределённый момент, который зависит от составляющих сигнала, создавая этим нелинейные искажения. В данной схеме этого не происходит. Как видно из графика (рис.2), процесс закрывания и открывания выходных транзисторов (наиболее нелинейная область) происходит близко к форме полезного сигнала, сводя к минимуму знаменитую нелинейность биполярных транзисторов на малых токах коллектора.  Работа выходных каскадов становится похожей на работу двух однотактных каскадов, между которыми включена нагрузка, но с гораздо меньшими токами покоя. Токи верхнего инижнего плеча изменяются синхронно и противофазно от 6 А до 60 мА.

Принцип работы усилителя (рис.3). Входной сигнал подаётся на неинвертирующий вход ОУ и усиливается до 8В.  С выхода ОУ через R8 сигнал поступает на базы VT3, VT4. Так как эмиттеры VT3 и VT4 подключены к стабилизированному источнику напряжения, а питание ОУ тоже стабилизировано, то ток коллектора VT3,VT4 зависит только от уровня сигнала, и мало зависит от напряжения питания. Фактически  VT3(VT4) является управляемым генератором тока для VT5(VT6), а значит, влияние Uпит на ток коллектора VT5 тоже будет ослаблено. А ток VT11 в свою очередь зависит от тока коллектора VT5. Поэтому для усилителя не требуется стабилизированный источник питания. Это означает, что качество звучания, особенно на НЧ, будет такое же, как в усилителях со стабилизированным источником питания. Максимальная мощность, конечно же, при просадках питания будет уменьшаться. Кроме того, VT3 и VT5 составляют композитный каскад. Такое удачное сочетание даёт возможность подать сигнал  отрицательной обратной связи (ООС) непосредственно в цепь эмиттера VT3 (VT4),  и одновременно позволяет простым способом формировать работу выходных каскадов в режиме ЭА, получив высокую линейность при большой скорости нарастания и коэффициенте усиления. При открывании противоположного плеча напряжение с выхода усилителя через R27(R28) подаётся на эмиттер VT3(VT4), препятствуя его резкому закрыванию. Коэффициент усиления транзисторной части усилителя равен отношению R27/R17 (R28/R18)+1. Коэффициент усиления всего усилителя равен отношению R5/R3+1. Чувствительность усилителя устанавливается подбором R3.

Второй вариант усилителя (рис.3) практически не отличается схемотехнически от описанного ранее, за исключением  изменённых режимов работы VT3-VT4  и введения более глубокого режима ЭА. Увеличен динамический прирост тока коллектора VT3-VT4 и уменьшена его постоянная составляющая (R15-R16). Кроме повышения качества звука это повысило эффективность термокомпенсации. Более глубокий режим ЭА значительно снизил уровень звонких тембров (нечетные гармоники), и почти полностью исключил какую-либо тембровую окраску звука.(!) В сочетании с нулевым выходным сопротивлением усилителя это заставляет очень качественно звучать любые АС. Внести изменения в первый вариант усилителя очень легко. (Осторожно, увеличиваются токи покоя! Их после этого следует вновь отрегулировать).  Изменения коснулись только номиналов четырёх элементов (R13,R14,R27R28), но звук изменился кардинально. При правильном выборе ОУ, подборе транзисторов по коэффициенту усиления и номиналов элементов для симметрии плеч,  коэффициент гармоник составляет  не более 0,0006% на 1 кГц, и  0,002 на частоте 20кГц.  

Третий вариант усилителя. (рис.4) Пути дальнейшего улучшения параметров вытекают из особенностей элементной базы. Известно, что искажения ОУ растут с повышением частоты, выходного напряжения и тока. Достичь всех высоких параметров в одном ОУ затруднительно. Выходом из этой ситуации является применение буферного каскада из ОУ с высокой нагрузочной способностью, т.е. композитное включение двух ОУ. Сразу в 2-4 раза снижается выходное напряжение первого ОУ, почти во столько же коэффициент гармоник,  и в два раза коэффициент усиления второго (буферного) ОУ. В качестве первого каскада лучше всего применить ОУ с полевыми транзисторами на входе, с очень низким Кг и первым полюсом выше звукового диапазона, а в качестве второго – ОУ с ТОС, обладающие очень высокой скоростью нарастания выходного напряжения и нагрузочной способностью. Высокочастотные ОУ с ТОС имеют очень низкие искажения в звуковом диапазоне.  Известно также, что коэффициент усиления и линейность характеристики транзистора зависит от тока коллектора, т.е. чем меньше диапазон изменения тока, тем искажения ниже. Выход – применение  спаренных транзисторов в выходных каскадах. На основании этого и был разработан третий вариант усилителя. При правильном подборе ОУ, коэффициентов усиления транзисторов и номиналов элементов для симметрии плеч, в нём реально достичь коэффициента гармоник не более 0,0005% на 1кГц, и не более 0,001 во всём диапазоне частот и мощностей.

Параметры усилителя полностью зависят от типа применяемого ОУ. Номинальная (она же и максимальная) синусоидальная выходная мощность усилителя второго варианта - 120 Вт на любой нагрузке, но на нагрузке 4 Ом и напряжении питания выше +/-35В нужно ограничивать ток VT11, VT12 (R33, R34) или умощнять их, иначе рассеиваемая мощность на выходных транзисторах превысит предельно допустимую. При применении нагрузки только 4 Ом, напряжение питания не обязательно поднимать выше +/-35В, и защиту по току можно исключить. Правда при этом понизится выходная мощность на нагрузке 8 Ом. По мнению автора,  АС с сопротивлением 6-8 Ом обладают большей естественностью звучания.  АЧХ усилителя линейна от постоянного тока (без С1) до 200 кГц (без С2, С6), с плавным уменьшением  амплитуды от 200кГц до 1мГц. При подаче на вход усилителя сигнала частотой 1мГц с амплитудной модуляцией частотой 1кГц его принимал средневолновый приёмник. Постоянное напряжение подавалось на вход УМ (без С1) от 0 до 1В с шагом 10мВ, при этом выходное напряжение абсолютно линейно возрастало от 0 до 30В, т.е. усилитель вёл себя как прецизионный  усилитель постоянного тока, что свидетельствует о его высокой линейности усиления и как следствие – низком коэффициенте гармоник и высокой верности звучания.  Усилитель был испытан прямоугольными импульсами частотой 2 кГц на активной нагрузке 6 Ом. При этом была получена скорость нарастания выходного напряжения 30 В/мкс и была ограничена только источником прямоугольных импульсов, искажений формы сигнала и выбросов не замечено. Номинальное выходное напряжение = Uпит.-5 В. Максимальное выходное напряжение усилителя = Uпит.-3В. При уменьшении напряжения питания двуполярным регулируемым блоком питания амплитуда выходного сигнала не уменьшается до тех пор, пока питание не достигнет величины Uвых + 5В, и при Uпит = Uвых+3В наступает плавное ограничение выходного сигнала. Выходное сопротивление усилителя = 0. Усилитель не чувствителен к фону блока питания с переменной составляющей до 100мВ.  Диапазон питающих напряжений - от +/- 25 до +/-40В. Измерения искажений производились с помощью двух генераторов Г3-118 и входящих в комплект режекторных фильтров. Уровень общих нелинейных искажений, при подаче на вход сигналов от 20 Гц до 20 кГц, был ниже, чем приведён в [1] (рис.8), и находился на уровне наводок самого осциллографа С1-65А (0,2…0,3мВ при выходном напряжении 32В), что предполагает коэффициент гармоник не более 0,002%. То же самое показали измерения с помощью спектр-анализатора компьютера. Но при этом главной целью было выполнение условия 2.  Усилитель обладает способностью плавного закрывания транзисторов оконечного каскада, что позволяет легко перестраивать его в режимы А, ЭА, АВ, В, задавая ток покоя (R16). (Усилитель испытывался и эксплуатировался в режиме ЭА (при Iо = 150 мА). Несмотря на относительно большое количество деталей, собственно усилитель состоит из микросхемы и 6 транзисторов (VT3, VT4, VT5, VT6, VT11, VT12). VT1 и VT2 – стабилизаторы напряжения +/- 15 В; VT7, VT8 – узлы термокомпенсации тока покоя выходных транзисторов; VT9, VT10 – ограничители максимального тока (6А). VT1, VT2, VT9, VT10, VD1, VD2, R9, R10, R19-R20, R33, R34 при наличии отдельного стабилизированного источника +/- 15 В и при уменьшении выходной мощности (Uпит.= +/-25В, Pвых 50Вт) из схемы можно исключить и изготовить упрощённый малогабаритный  вариант  УМ.  

Устройство термокомпенсации.. После проведенных исследований тепловых режимов УМЗЧ автор пришёл к следующим выводам: 1.Увеличение тока покоя выходных транзисторов в 2-3 раза может произойти даже при незначительном нагреве самого маломощного входного транзистора, поэтому желательно контролировать режимы как можно большего количества каскадов. 2. Желательно каждый выходной транзистор размещать на отдельном радиаторе без изолирующих прокладок и контролировать его температуру. В усилителе применена очень эффективная термокомпенсация. Устройство термокомпенсации работает следующим образом. Транзистор VT7, генератор стабильного тока, закреплён на радиаторе VT11  через слюдяную прокладку. (VT8 на радиаторе VT12). При нагреве радиатора ток VT7 увеличивается и подаётся через R23 (R24) в цепь эмиттера VT3 (VT4), прикрывая его. Сюда же подаётся и сигнал ограничения тока выходных транзисторов. Подбором резисторов R21- R22 можно установить разные температурные режимы усилителя (графики рис. 5).

 В режиме 1, сплошная линия (при величине R21, R22 = 100 Oм) ток покоя будет стабильным до 65–70 градусов, а затем будет резко уменьшаться до 0. В режиме 2 (R21,R22 = 68 Ом) ток покоя уменьшается пропорционально температуре, т.е. устройство выдерживает заданную  температуру. В режиме 3 (R21,R22 = 150 Ом) ток покоя не будет расти с увеличением температуры, но и не будет снижаться для уменьшения нагрева транзисторов (устройство выдерживает заданный ток).  При изменении напряжения питания усилителя от +/-25 до +/- 40В необходимо подобрать величину R29-R30 в пределах 56-91кОм так, чтобы смещение на R25-R26 было величиной 0,41-0,45В.

При умышленной переустановке выходных транзисторов на радиаторы меньшей площади  устройство термокомпенсации перестраивало и выдерживало заданные тепловые режимы. В сочетании  со слабой чувствительностью к просадкам питания это позволяет встроить этот УМ в уже имеющуюся аппаратуру, где недостаточно мощности силового трансформатора  (например " Вега 50У-122С), или площади радиаторов (музыкальный центр). Конечно же, можно собрать УЗЧ на микросхемах, но (по мнению автора) они не обладают таким же качеством звука, как УМ на дискретных элементах. 

 Детали и конструкция. В усилителе лучше всего применить ОУ со скоростью нарастания выходного напряжения не менее 50 В/мкс с низким уровнем гармоник и собственных шумов, с полевыми транзисторами на входе. Желательно, чтобы транзисторы VT3, VT4 были с как можно большим коэффициентом усиления и малым уровнем шумов. В качестве VT5-VT6 желательно применить транзисторы с высокой частотой усиления и малой ёмкостью коллектора. В усилителе вполне можно применить отечественный ОУ КР574УД1 и транзисторы с коэффициентами усиления 130 – 150, с целью получить возможность переделки уже имеющегося усилителя (например ”Амфитон”) из тех же деталей. Максимально допустимое напряжение всех транзисторов в этом случае должно быть не менее 80В. В зависимости от необходимого Uвых, необходимо изменить сопротивление R5, соблюдая условие: (R5/R3)+1=Uвых/Uвх. При применении других выходных  транзисторов (полевых или при подключении в параллель) возможно придётся подобрать сопротивление R31-R32 по падению на них напряжения величиной 0,55В в среднем положении движка R16 при отключенных VT11-VT12.  По расчётам автора на базе этой схемы можно сконструировать УМ с выходным напряжением 80-100 В. (Усилитель способен выдавать выходное напряжение, близкое к напряжению питания). Комплементарные пары (VT3 – VT4, VT5 – VT6 и т.д) противоположных плеч не должны отличаться по усилению более, чем на 5%. Симметрично расположенные резисторы верхнего и нижнего плеча тоже подбираются с допуском 5%. Это необходимое условие для симметрии выходного сигнала и избежания нелинейных искажений. Резисторы R33 - R34 состоят из двух включенных в параллель резисторов по 0,2 Ом 2Вт каждый, расположенных друг над другом. R33, R34 обязательно следует применять безындукционные. Нельзя применять проволочные витые резисторы. Катушка L1 наматывается на резисторе R35, содержит 2 слоя провода ПЭЛ 0,8 и пропитана лаком или клеем. L1, C9, R36 монтируются на выходной плате. Площадь поверхности радиаторов VT5 – VT6 не менее 30 см, VT1 -VT2 -1..2 см. Малогабаритный вариант усилителя можно смонтировать на плате   размером 60х65 мм из фольгированного текстолита толщиной 1,5 мм (рис.6, рис.7). При необходимости изменить размер платы, её можно перенести по сетке.  В отверстия для подсоединения проводов, транзисторов и R33-R34 завальцованы  пистоны диаметром 1,5 мм. Все дорожки облужены припоем. Токоведущие дорожки цепей питания, нагрузки и корпуса облужены толстым слоем припоя с прокладкой одной жилы медного провода. Для всех транзисторов, закреплённых на радиаторах, обязательно применение теплопроводной пасты, а для транзисторов термодатчиков прокладки обязательно должны быть из слюды.

Размер платы 60х65 мм. Шаг сетки 2,5

Второй и третий варианты усилителя можно собрать на универсальной плате (рис.8, рис.9). В случае балансировке ОУ между выводами 1-8, перерезается дорожка в точке Х1 и ставится перемычка на вывод 8. Она должна быть надёжной во избежание грубой разбалансировки ОУ. Резистор R6 можно переключать к точкам + и – 15В на плате. Если ОУ DA2 не используется, следует перерезать дорожку в точке Х2. При использовании двух ОУ резистор  R8 переключается на вывод 6 DA2.

Размер 90х65 мм. Шаг сетки 2,5 мм.

Налаживание усилителя. После проверки правильности монтажа следует:

1. Установить R6 и R16 в среднее положение.
2. Закоротить на корпус вход усилителя.
3. Отпаять выходные транзисторы (VT11-VT12)
4. Включить питание.
5. Замерить напряжение +/- 35 В и +/- 15 В.
6. Установить (R6) на выходе усилителя напряжение 0В. Если микросхема не сбалансируется, её нужно сменить, если на выходе 6 микросхемы устанавливается 0В, а на выходе УМ нет, то следует проверить транзисторы.
7. Установить на R31-R32 напряжение 0,55 – 0,58 В с помощью R16.
8. Отключить питание, подключить выходные транзисторы, включив в разрыв цепи коллектора VT11 амперметр на 1 А.
9. Включить питание и R16 установить ток покоя коллектора VT11 в пределах 100 – 200 мА.
10. Замерить ток покоя VT12, он не должен отличаться от тока VT11 более, чем на 5%.      
Ток покоя выходных транзисторов может быть установлен в пределах от 0до 250 мА, в зависимости от желаемого качества звучаия, режима работы, тепловых режимов, размеров радиаторов. Установку тока покоя нужно производить при температуре выходных транзисторов 35-40 градусов.
11. Проконтролировать работу  термокомпенсации, замерив токи покоя при максимальной температуре радиаторов выходных транзисторов.    

          Применение полевых транзисторов. Конструкция усилителя позволяет применять в нём комплементарные полевые транзисторы без изменения схемы, только (если понадобится) подбором R13-R14 для VT5-VT6, и R31-R32 для VT11-VT12 в широких пределах изменяя на их затворах начальное напряжение смещения, которое следует определить из вольтамперных характеристик применяемых полевых  транзисторов или по их току покоя. Только следует придерживаться величины тока покоя VT5-VT6 в пределах 15 – 20 мА.

              Блок защиты АС . В аварийных ситуациях, при протекании постоянного тока через динамик, его катушка сгорает, поэтому обязательным условием для мощных усилителей является применение защиты АС. Блок защиты (рис. 10) работает следующим образом.

При включении питания начинает заряжаться конденсатор С3 (от источника +35 В через R3, R5, а от -35 В через R4, R6). Через 1 сек напряжение на нём достигнет величины, достаточной для открывания VT3, затем открывается VT4, и реле своими контактами подключает АС к усилителю. R7 подбирается таким образом, чтобы при отсутствии +35 или -35 В  VT3 не открывался, а при понижении сетевого напряжения на 25% не было ложных отключений. (подстроечный резистор вместо R7 применять нельзя). При нормальной работе УМ переменное напряжение с его выхода не успевает зарядить С1-С2, а при аварийной ситуации постоянное напряжение с выхода усилителя откроет VT1 или  VT2 (в зависимости от полярности), напряжение на С3 уменьшится и реле отключит АС. Защита срабатывает от постоянного напряжения 0,8 В через 1сек, что достаточно для защиты АС. При ложных срабатываниях защиты на большой громкости следует увеличить сопротивление R1, R2 или ёмкость С1-C2. Чертёж печатной платы блока защиты АС приведён на рис.11.  Желательно использовать длякаждого канала отдельный блок защиты АС.

 Размер60х30 мм. Шаг сетки 2,5 мм.

Усилитель эксплуатируется с февраля 2004 года (рис.10), и показал исключительную естественность и качество звучания с АС "Корвет 150АС-001М”, Wharfedale -  Pacific Evolution - 20 и "Вега 50АС-106”, что и побудило предложить эту конструкцию вашему вниманию.

Для тестирования использовался CD "TRIANGLE electroacoustique laboratory”. www.triangle-fr.com.

Литература:
[1] Ю.Митрофанов. ЭА в УМЗЧ. Радио №5,1986 г.                Лайков А. В.    г. Астрахань , 2009г.     
[2] Г. Брагин. УМЗЧ. Радио №12,1990 г.                                       

Аватор:  Лайков А. В (alexandr.laykov@rambler.ru)