Каскады унч. Схемотехника выходных каскадов усилителей мощности

Выходные каскады на базе " двоек "

В качестве источника сигнала будем использовать генератор переменного тока с перестраиваемым выходным сопротивлением (от 100 Ом до 10,1 кОм) с шагом 2 кОм (рис. 3). Таким образом, при испытаниях ВК при максимальном выходном сопротивлении генератора (10,1 кОм) мы в какой - то степени приблизим режим работы испытуемых ВК к схеме с разомкнутой ООС, а в другом (100 Ом) - к схеме с замкнутой ООС.

Основные типы составных биполярных транзисторов (БТ) показаны на рис. 4. Наиболее часто в ВК используется со ставной транзистор Дарлингтона (рис. 4 а) на базе двух транзисторов одной проводимости (" двойка " Дарлингтона), реже - составной транзистор Шиклаи (рис. 4б) из двух транзисторов разной проводимости с токовой отрицательной ОС, и еще реже - составной транзистор Брайстона (Bryston , рис. 4 в).
" Алмазный " транзистор - разновидность составного транзистора Шиклаи - показан на рис. 4 г. В отличие от транзистора Шиклаи, в этом транзисторе благодаря " токовому зеркалу " ток коллекторов обоих транзисторов VT 2 и VT 3 практически одинаков. Иногда транзистор Шиклаи используют с коэффициентом передачи больше 1 (рис. 4 д). В этом случае K П =1+ R 2/ R 1. Аналогичные схемы можно получить и на полевых транзисторах (ПТ).

1.1. Выходные каскады на базе " двоек ". " Двойка " - это двухтактный выходной каскад с транзисторами, включенными по схеме Дарлингтона, Шиклаи или их комбинации (квазикомлементарный каскад, Bryston и др.). Типовой двухтактный выходной каскад на " двойке " Дарлингтона показан на рис. 5. Если эмиттерные резисторы R3, R4 (рис. 10) входных транзисторов VT 1, VT 2 подключить к противоположным шинам питания, то эти транзисторы будут работать без отсечки тока, т. е. в режиме класса А.

Посмотрим, что даст спаривание выходных транзисторов для двойки " Дарлингт она (рис. 13).

На рис. 15 приведена схема ВК, использованная в одном из професс и ональных усилителей.

Менее популярна в ВК схема Шиклаи (рис. 18) . На первых порах развития схемотехники транзисторных УМЗЧ были популярны квазикомплементарные выходные каскады, когда верхнее плечо выполнялось по схеме Дарлингтона, а нижнее - по схеме Шиклаи. Однако в первоначальной версии входное сопротивление плеч ВК несимметрично, что приводит к дополнительным искажениям. Модифицированный вариант такого ВК с диодом Баксандалла, в качестве которого использован базо - эмиттерный переход транзистора VT 3, показан на рис. 20.

Кроме рассмотренных " двоек ", есть модификация ВК Bryston , в которой входные транзисторы эмиттерным током управляют транзисторами одной проводимости, а коллекторным током - транзисторами другой проводимости (рис. 22). Аналогичный каскад может быть реализован и на полевых транзисторах, например, Lateral MOSFET (рис. 24) .

Гибридный выходной каскад по схеме Шиклаи с полевыми транзисторами в качестве выходных показан на рис. 28 . Рассмотрим схему параллельного усилителя на полевых транзисторах (рис. 30).

В качестве эффективного способа повышения и стабилизации входного сопротивления " двойки " предлагается использовать на ее входе буфер, например, эмиттерный повторитель с генератором тока в цепи эмиттера (рис. 32).

Из рассмотренных " двоек " наихудшим по девиации фазы и полосе пропускания оказался ВК Шиклаи. Посмотрим, что может дать для такого каскада применение буфера. Если вместо одного буфера использовать два на транзисторах разной проводимости, включенных параллельно (рис. 35) , то можно ожидать дальнейшего улучшения пара метров и повышения входного сопротивления. Из всех рассмотренных двухкаскадных схем наилучшим образом по нелинейным искажениям показала себя схема Шиклаи с полевыми транзисторами. Посмотрим, что даст установка параллельного буфера на ее входе (рис. 37).

Параметры исследованных вы ходных каскадов сведены в табл. 1 .

Анализ таблицы позволяет сделать следующие выводы:
- любой ВК из " двоек " на БТ как нагрузка УН плохо подходит для работы в УМЗЧ высокой верности;
- характеристики ВК с ПТ на вы ходе мало зависят от сопротивления источника сигнала;
- буферный каскад на входе любой из " двоек " на БТ повышает входное сопротивление, снижает индуктивную составляющую выхода, расширяет полосу пропускания и делает параметры независимыми от выходного сопротивления источника сигнала;
- ВК Шиклаи с ПТ на выходе и параллельным буфером на входе (рис. 37) имеет самые высокие характеристики (минимальные искажения, максимальную полосу пропускания, нулевую девиацию фазы в звуковом диапазоне).

Выходные каскады на базе " троек "

В высококачественных УМЗЧ чаще используются трехкаскадные структуры: " тройки " Дарлингтона, Шиклаи с выходными транзисторами Дарлинг тона, Шиклаи с выходными транзис торами Bryston и другие комбинации. Одним из самых популярных вы ходных каскадов в настоящее вре мя является ВК на базе составно го транзис тора Дарлингтона из трех транзисторов (рис. 39). На рис. 41 показан ВК с разветвлением каскадов: входные повторители одновременно работают на два каскада, которые, в свою очередь, также работают на два каскада каждый, а третья ступень включена на общий выход. В результате, на выходе такого ВК работают счетверенные транзисторы.

Схема ВК, в которой в качестве выходных транзисторов использованы составные транзисторы Дарлингтона, изображена на рис. 43. Параметры ВК на рис.43 можно существенно улучшить, если включить на его входе хорошо зарекомендовавший себя с " двойками " параллельный буферный каскад (рис. 44).

Вариант ВК Шиклаи по схеме на рис. 4 г с применением составных транзисторов Bryston показан на рис. 46 . На рис. 48 показан вариан т ВК на транзисторах Шиклаи (рис.4 д) с коэффициентом передачи около 5, в котором входные транзисторы работают в классе А (цепи термоста билизации не показаны).

На рис. 51 показан ВК по структуре предыдущей схемы только с единичным коэффициентом передачи. Обзор будет неполным, если не остановиться на схеме выходного каскада с коррекцией нелинейности Хауксфорда (Hawksford), приведенной на рис. 53 . Транзисторы VT 5 и VT 6 - составные транзисторы Дарлингтона.

Заменим выходные транзисторы на полевые транзисторы типа Lateral (рис. 57

По вышению надежности усилите лей за счет исключения сквозных то ков, которые особенно опасны при кли пировании высокочастотных сиг налов, способствуют схемы антинасыщения выходных транзисторов. Варианты таких решений показаны на рис. 58. Через верхние диоды происходит сброс лишнего тока базы в коллектор транзистора при прибли жении к напряжению насы щен ия. На пряжение насыщения мощных транзисторов обычно находится в пределах 0,5...1,5 В, что примерно совпадает с падением напряжения на базо-эмиттерном переходе. В первом варианте (рис. 58 а) за счет дополнительного диода в цепи базы напряжение эмитте р - коллектор не доходит до напряжения насыщения пример но на 0,6 В (падение напряжения на диоде). Вторая схема (рис. 58б) требует подбора резисторов R 1 и R 2. Нижние диоды в схемах предназначены для быстрого выключения транзисторов при импульсных сигналах. Аналогичные решения применяются и в силовых ключах.

Часто для повышения качества в УМЗЧ делают раздельное питание, повышенное, на 10...15 В для входного каскада и усилителя на пряжения и пониженное для вы ходного каскада. В этом случае во избежание выхода из строя выходных транзисторов и снижения перегрузки предвыходных необходимо использовать защитные диоды. Рассмотрим этот вариант на примере модификации схемы на рис. 39. В случае повышения входного напряжения выше на пряжения питания выходных транзисторов открываются дополнительные диоды VD 1, VD 2 (рис. 59), и лишний ток базы транзисторов VT 1, VT 2 сбрасывается на шины питания оконечных транзисторов. При этом не допускается повышения входного на пряжения выше уровней питания для выходной ступени ВК и снижается ток коллектора транзисторов VT 1, VT 2.

Схемы смещения

Ранее, с целью упрощения, вместо схемы смещения в УМЗЧ использовался отдельный источник напряжения. Многие из рассмотренных схем, в частности, выходные каскады с параллельным повторителем на входе, не нуждаются в схемах смещения, что является их дополнительным достоинством. Теперь рассмотрим типовые схе мы смещения, которые представлены на рис. 60 , 61 .

Генераторы стабильного тока. В современных УМЗЧ широко используется ряд типовых схем: диф ференциальный каскад (ДК), отражатель тока (" токовое зеркало "), схема сдвига уровня, каскод (с последова тельным и параллельным питанием, последний также называют " лома ным каскодом "), генератор стабильного тока (ГСТ) и др. Их правильное применение позволяет значительно повысить технические характеристики УМЗЧ. Оценку параметров основных схем ГСТ (рис. 62 - 6 6) сделаем с помощью моделирования. Будем исходить из того, что ГСТ является нагрузкой УН и включенпараллельно ВК. Исследуем его свойства с помощью методики, аналогичной исследованиям ВК.

Отражатели тока

Рассмотренные схемы ГСТ - , это вариант динамической нагрузки для однотактного УН. В УМЗЧ с одним дифференциальным каскадом (ДК) для организации встречной динамической нагрузки в УН используют структуру " токового зеркала " или, как его еще называют, " отражателя тока " (ОТ). Эта структура УМЗЧ была характерна для усилителей Холтона, Хафлера и др. Основные схемы отражателей тока приведены на рис. 67 . Они могут быть как с единичным коэффициентом передачи (точнее, близким к 1), так и с большим или меньшим единицы (масштабные отражатели тока). В усилителе напряжения ток ОТ находится в пределах 3...20 мА: Поэтому испытаем все ОТ при токе, например, около 10 мА по схеме рис. 68.

Результаты испытаний приве дены в табл. 3 .

В качестве примера реального усилителя предлагается схема усилителя мощности S. BOCK , опубликованная в журнале Радиомир, 201 1 , № 1, с. 5 - 7; № 2, с. 5 - 7 Radiotechnika №№ 11, 12/06

Целью автора было построение усилителя мощности, пригодного как для озвучивания " пространства " во время прадничных мероприятий, так и для дискотек. Конечно, хотелось, чтобы он умещался в корпусе сравнительно небольших габаритов и легко транспортировался. Еще одно требование к нему - легкодоступность комплектующих. Стремясь достичь качества Hi - Fi , я выбрал комплементарно - симметричную схему выходного каскада. Максимальная выходная мощность усилителя была задана на уровне 300 Вт (на нагрузке 4 Ом). При таком мощности выходное напряжение составляет примерно 35 В. Следовательно для УМЗЧ необходимо двухполярное питающее напряжение в пределах 2x60 В. Схема усилителя приведена на рис. 1 . УМЗЧ имеет асимметричный вход. Входной каскад образуют два дифференциальных усилителя.

А. ПЕТРОВ, Радиомир, 201 1 , №№ 4 - 12

Структурная схема полного усилителя низкой частоты УНЧ изображена на Рис.14.

Рис.14 Структурная схема УНЧ.

Входной каскад выделен с группы каскадов предварительного усиления, так как к нему предъявляются дополнительные требования по согласованию с источником сигнала.

Для уменьшения шунтирования источника сигнала R i низким входным сопротивлением усилителя R ВХ~ должно выполнятся условие: R ВХ~ >> R i

Чаще всего входным каскадом является эмиттерный повторитель, в которого R ВХ~ достигает 50 кОм и более или используются полевые транзисторы, обладающие очень большим входным сопротивлением.

Кроме этого входной каскад должен обладать максимальным отношением сигнал / шум, так как он определяет шумовые свойства всего усилителя.

Регулировки позволяют оперативно устанавливать уровень выходной мощности (громкость, баланс) и изменять форму АЧХ (тембр).

Оконечные каскады обеспечивают требуемую выходную мощность в нагрузке при минимальных нелинейных искажениях сигнала и высокой экономичности. Требования к оконечным каскадам определяются их особенностями.

1. Работа усилителя мощности на низкоомную нагрузку акустических систем требует оптимального согласование оконечного каскада с полным звуковым сопротивлением АС: R ВЫХ~ ≈ R Н .

2. Оконечные каскады потребляют основную часть энергии источника питания и экономичность для них является одним из основных параметров.

3. Доля нелинейных искажений, вносимых оконечными каскадами, составляет 70…90%. Это учитывается при выборе их режимов работы.

Предоконечные каскады . При больших выходных мощностях усилителя назначение и требования к предоконечным каскадам аналогичны оконечным каскадам.

Кроме этого, если двухтактные оконечные каскады выполнены на транзисторах одинаковой структуры, то предоконечные каскады должны быть фазоинверсными .

Требования к каскадам предварительного усиления вы­текают из их назначения - усиливать напряжение и ток, создавае­мые источником сигнала на входе, до величины, необходимой для возбуждения каскадов усиления мощности.

Поэтому наиболее важными показателями для многокаскадного предварительного усилителя являются: коэффициент усиления напряжения и тока, частотная характеристика (АЧХ) и час­тотные искажения.

Основные свойства каскадов предварительного усиления:

1. Амплитуда сигнала в предварительных каскадах обычно мала, поэтому в большинстве случаев нелинейные искажения невелики и могут не учитываться.

2. Построение каскадов предварительного усиления по однотактным схемам требует применения в нихнеэкономичного режима А, что практически не сказывается на общей экономичности усилителя из-за малых значений токов покоя транзисторов.

3. Наибольшее распространение в предварительных каскадах получила схема включения транзистора с общим эмиттером, позволяю­щая получить наибольшее усиление иимеющая достаточно большое вход­ное сопротивление, так что каскады можно соединить без согласующих трансформаторов, не теряя в усилении.

4. Из возможных способов стабилизации режима в предварительных каскадах наибольшее распространение получила эмиттерная стабилизация как наиболее эффективная и простая по схеме.

5. Для улучшения шумовых свойств усилителя, транзистор первого каскада выбирают малошумящим с большим значением статического коэффициента усиления по току h 21э >100, а его режим по постоянному току должен быть сла­боточным I ок = 0,2…0,5 мА, а сам транзистор для повышения входного сопротивления УНЧ включают по схеме с общим коллектором (ОК).

Для исследования свойств предварительных каскадов уси­ления составляется эквивалентная электрическая схема их по перемен­ному току. Для этого транзистор заменяется схемой замещения (эк­вивалентным генератором Е ВЫХ , внутренним сопротивлением R ВЫХ ,проходной емкостью С К ),а к нему подключаются все элементы внеш­ней цепи, влияющие на коэффициент усиления и АЧХ (частотные ис­кажения).

Свойства предварительных каскадов усиления определяют­ся схемой их построения: с емкостной или гальванической связями, на биполярных или полевых транзисторах, дифференциальные , каскодные и другие специальные схемы.

Самая суть для разбирающихся практиков

Усилитель собран по принципу «двойное моно», схема одного канала показана на рис.1 . Первый каскад на транзисторах VT1-VT4 – это усилитель напряжения с коэффициентом около 2,9 , второй каскад на VT5 – усилитель тока (эмиттерный повторитель). При входном напряжении 1 В выходная мощность около 0,5 Вт на нагрузке 16 Ом. Рабочий диапазон частот по уровню -1 dB примерно от 3 Гц до 250 кГц. Входное сопротивление усилителя – 6,5…7 кОм, выходное – 0,2 Ом.

Графики КНИ на частоте 1 кГц при выходной мощности 0,52 Вт и 0,15 Вт показаны на рис.2 и рис.3 (сигнал в звуковую карту подаётся через делитель «30:1»).

На рис.4 показан результат интермодуляционных искажений при измерении двумя тонами равного уровня (19 кГц и 20 кГц).

Усилитель собран в подходящем по размерам корпусе, взятом от другого усилителя. К цепям питания одного из каналов подключен блок управления вентиляторами (рис.5 ), контролирующий температуру одного из радиаторов выходных транзисторов (монтажная плата с навесным монтажом видна в центре на рисунке 6 ).

Оценка звучания на слух – «неплохо». Звук к колонкам не «привязан», панорама есть, но её «глубина» меньше, чем та, к которой привык. С чем это связанно, пока не выяснил, возможно (варианты с другими транзисторами, с изменением тока покоя выходных каскадов и поиском точек подключения входных/выходных «земель» были проверены).

Теперь для тех, кому интересно, немного об экспериментах

Эксперименты заняли достаточно долгое время и проводились немного хаотично – переходы с одного на другое делались по мере решения одних вопросов и появлению других, поэтому в схемах и измерениях могут быть заметны некоторые несовпадения. В схемах это отражается как нарушение нумерации элементов, а в измерениях - как изменение уровня шумов, наводок от сети 50 Гц, пульсаций 100 Гц и их продуктов (применялись разные блоки питания). Но в большинстве случаев замеры проводились несколько раз, поэтому неточности не должны быть особо значимыми.

Все эксперименты можно разбить на несколько. Первый был проведён для оценки принципиальной работоспособности TND каскада, следующие – для проверки таких характеристик, как нагрузочная способность, коэффициент усиления, зависимость линейности, работа с выходным каскадом.

Достаточно полную теоретическую информацию о работе TND каскада можно узнать из статей Г.Ф. Прищепова в журналах «Схемотехника» №9 2006 г. и «Радиохобби» №3 2010 г. (там примерно одинаковые тексты), поэтому здесь будет рассмотрено только его практическое применение.

Итак, первое – оценка принципиальной работоспособности

Сначала была собрана схема на транзисторах КТ315 с коэффициентом усиления около трёх (рис.7 ). При проверке оказалось, что с теми номиналами R3 и R4, что показаны на схеме, усилитель работает только с сигналами малого уровня, а при подаче 1 В происходит перегруз по входу (1 В – это уровень, который могут отдавать ПКД и звуковая карта компьютера, поэтому почти все измерения приведены к нему). На рисунке 8 на нижнем графике показан спектр выходного сигнала, на верхнем – входного и на нём видны искажения (КНИ должен быть около 0,002-0,006%). Глядя на графики и сравнивая уровни в каналах, надо учитывать, что выходной сигнал поступает в звуковую карту через делитель 10:1 (с входным сопротивлением около 30 кОм, резисторы R5 и R6 на рис.7 ) – ниже по тексту параметры делителя будут другими и об этом всегда будет указано).

Если считать, что появление искажений во входном сигнале говорит об изменении входного сопротивления каскада (что обычно вызвано неправильно выбранным режимом по постоянному току), то для работы с бОльшими входными сигналами следует увеличивать сопротивление R4 и, соответственно, для сохранения Кус равного трём, увеличивать R3.

После установки R3=3,3 кОм, R4=1,1 кОм, R1=90 кОм и повышения напряжения питания до 23В, удалось получить более-менее приемлемый значения КНИ (рис.9 ). Также выяснилось, что TND каскад «не любит» низкоомную нагрузку, т.е. чем больше будет сопротивление следующего каскада, тем меньше уровни гармоник и тем ближе к расчетному значению становится коэффициент усиления (ниже будет рассмотрен ещё один пример).

Затем усилитель был собран на печатной плате и к нему был подключен эмиттерный повторитель на составном транзисторе КТ829А (схема на рисунке 1 ). После установки транзистора и платы на радиатор (рис.10 ), усилитель был проверен при работе на нагрузку 8 Ом. На рисунке 11 видно, что сильно выросло значение КНИ, но это результат работы эмиттерного повторителя (сигнал со входа усилителя (верхний график) берётся в компьютер напрямую, а с выхода – через делитель 3:1 (нижний график)).

На рисунке12 показан график КНИ при входном сигнале 0,4 В:

После этого было проверено ещё два варианта повторителей – с составным транзистором из биполярных КТ602Б+КТ908А и с полевым IRF630A (ему потребовалось увеличение тока покоя за счёт установки на затворе +14,5В и уменьшения сопротивления R7 до 5 Ом при постоянном напряжении на нём 9,9 В (ток покоя около 1,98 А)). Лучшее, что получилось при входных напряжениях 1 В и 0,4 В, показано на рисунках 13 и 14 (КТ602Б+КТ908А), 15 и 16 (IRF630A):

После этих проверок схема вернулась к варианту с транзистором КТ829, был собран второй канал и после прослушки макета при питании от лабораторных источников, был собран усилитель, показанный на рисунке 6 . Два или три дня ушло на отслушивание и мелкие доработки, но на звуке и характеристиках усилителя это почти не отразилось.

Оценка нагрузочной способности

Так как желание проверить каскад TND на «грузоподъемность» ещё не пропало, был собран новый макет на 4-х транзисторах в цепочке (рис.17 ). Напряжение питания +19 В, делитель на выходе каскада 30 кОмный «10:1», входной сигнал – 0,5 В, выходной – 1,75 В (коэффициент усиления равен 3,5, но если делитель отключить, то выходное напряжение получается около 1,98 В, что говорит об Кус=3,96):

Подбирая сопротивление резистора R1, можно получить некоторый минимальный КНИ и этот график при нагрузке 30 кОм показан на рисунке 18 . Но если теперь последовательно резистору R5 установить ещё один такого же номинала (54 кОм), то гармоники получают вид, показанный на рисунке 19 – вторая гармоника вырастает примерно на 20 dB относительно основного тона и чтобы её вернуть к низкому значению, нужно опять изменить сопротивление R1. Это косвенно указывает на то, что для получения максимально стабильных значений КНИ питание каскада должно быть стабилизировано. Проверяется просто – изменение напряжения питания примерно также меняет вид гармоникового «хвоста».

Так, хорошо, это каскад работает с 0,5 В на входе. Теперь надо бы проверить его при 1 В и, допустим, с коэффициентом усиления «5».

Оценка коэффициента усиления

Каскад собран на транзисторах КТ315, напряжение питания +34,5 В (рис.20 ). Чтобы получить Кус=5, были поставлены резисторы R3 и R4 номиналами 8,38 кОм и 1,62 кОм. На нагрузке в виде резисторного делителя «10:1» с входным сопротивлением около 160 кОм выходное напряжение получилось около 4,6 В.

На рисунке 21 видно, что КНИ менее 0,016%. Большой уровень помехи 50 Гц и других кратных выше по частоте – это плохая фильтрация питания (работает на пределе).

К этому каскаду был подключен повторитель на КП303+КТ829 (рис.22 ) и затем сняты характеристики всего усилителя при работе на нагрузку 8 Ом (рис.23 ). Напряжение питания 26,9 В, коэффициент усиления около 4,5 (4,5 В переменки на выходе на нагрузке 8 Ом – это примерно 2,5 Вт). При настройке повторителя на минимальный уровень КНИ пришлось изменить напряжение смещения TND каскада, но так как уровень его искажений намного меньше, чем повторителя, то на слух это никак не отразилось – были собраны два канала и отслушаны в макетном варианте. Разницы в звучании с описанным выше полуваттным вариантом усилителя не замечено, но так как усиление нового варианта было избыточно, а тепла он выделяет больше, то схема была разобрана.

При регулировке напряжения смещения TND каскада можно найти такое положение, что гармониковый «хвост» имеет более ровный спад, но становится длинней и при этом уровень второй гармоники вырастает на 6-10 dB (общий КНИ становится около 0,8-0,9%).

При таком большом КНИ повторителя изменением номинала резистора R3 можно смело менять коэффициент усиления первого каскада как в большую, так и в меньшую сторону.

Проверка каскада с бОльшим током покоя

Схема была собрана на транзисторной сборке КТС613Б. Ток покоя каскада 3,6 мА - это самый большой из всех проверенных вариантов. Выходное напряжение на резисторном делителе 30 кОм получился 2,69В, КНИ при этом около 0,008% ((рис.25 ). Это примерно в три раза меньше, чем показано на рисунке 9 при проверке каскада на КТ315 (с таким же коэффициентом усиления и приблизительно с таким же напряжением питания). Но так как ещё одну такую же транзисторную сборку найти не удалось, второй канал не собирался и усилитель, соответственно, не слушался.

При увеличении сопротивления R5 в два раза и без подстройки напряжения смещения КНИ становится около 0,01% (рис.26 ). Можно сказать, что вид «хвоста» меняется незначительно.

Попытка оценки полосы рабочих частот

Сначала проверялся макет, собранный на транзисторной сборке. При использовании генератора ГЗ-118 с полосой выдаваемых частот от 5 Гц до 210 кГц «завалов на краях» не было обнаружено.

Затем проверялся уже собранный полуваттный усилитель. Он ослабил сигнал частотой 210 кГц примерно на 0,5 dB (при этом на 180 кГц изменений не было).

Нижнюю границу оценить было нечем, по крайней мере, не удалось увидеть разницу между входным и выходным сигналами при запуске свип-генератора программы , начиная с частот 5 Гц. Поэтому можно считать, что она ограничивается ёмкостью разделительного конденсатора С1, входным сопротивлением TND каскада, а также ёмкостью «выходного» конденсатора С7 и сопротивлением нагрузки усилителя – примерный расчет в программе показывает -1 dB на частоте 2,6 Гц и -3 dB на частоте 1,4 Гц (рис.27 ).

Так как входное сопротивление TND каскада достаточно низкое, то регулятор громкости следует выбирать не более 22...33 кОм.

Заменой выходного каскада может быть любой повторитель (усилитель тока), обладающий достаточно большим входным сопротивлением.

В приложении к тексту находятся файлы двух вариантов печатных плат в формате программы 5 версии (рисунок при изготовлении плат по надо «зеркалить»).

Послесловие

Спустя несколько дней увеличил питание каналов на 3 В, заменил 25-тивольтовые электролитические конденсаторы на 35-тивольтовые и подстроил напряжения смещения первых каскадов на минимум КНИ. Токи покоя выходных каскадов стали около 1,27 А, значения КНИ и ИМД при 0,52 Вт выходной мощности уменьшились до 0,028% и 0,017% (рис.28 и 29 ). На графиках видно, что увеличились пульсации 50 Гц и 100 Гц, но на слух их не слышно.

Литература:
1. Г. Прищепов, «Линейные широкополосные TND-усилители и повторители», журнал «Схемотехника» №9, 2006 г.

Андрей Гольцов, r9o-11, г. Искитим

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
	Рисунок №1, детали на один канал
VT1...VT4	Биполярный транзистор	PMSS3904	4			В блокнот
VT5	Биполярный транзистор	КТ829А	1			В блокнот
VD1...VD4	Диод	КД2999В	4			В блокнот
R1	Резистор	91 кОм	1	smd 0805, точный номинал подбирать при настройке		В блокнот
R2	Резистор	15 кОм	1	smd 0805		В блокнот
R3	Резистор	3.3 кОм	1	smd 0805		В блокнот
R4	Резистор	1.1 кОм	1	smd 0805		В блокнот
R5, R6	Резистор	22 Ом	2	smd 0805		В блокнот
R7	Резистор	12 Ом	1	набрать из ПЭВ-10		В блокнот
R8, R9	Резистор

Усилители низкой частоты в основном предназначены для обеспечения заданной мощности на выходном устройстве, в качестве которого может быть – громкоговоритель, записывающая головка магнитофона, обмотка реле, катушка измерительного прибора и т. д. Источниками входного сигнала являются звукосниматель, фотоэлемент и всевозможные преобразователи неэлектрических величин в электрические. Как правило, входной сигнал очень мал, его значение недостаточно для нормальной работы усилителя. В связи с этим перед усилителем мощности включают один или несколько каскадов предварительного усиления, выполняющих функции усилителей напряжения.

В предварительных каскадах УНЧ в качестве нагрузки чаще всего используют резисторы; их собирают как на лампах, так и на транзисторах.

Усилители на биполярных транзисторах обычно собирают по схеме с общим эмиттером. Рассмотрим работу такого каскада (рис. 26). Напряжение синусоидального сигнала u вх подают на участок база – эмиттер через разделительный конденсатор С р1 , что создает пульсацию тока базы относительно постоянной составляющей I б0 . Значение I б0 определяется напряжением источника Е к и сопротивлением резистора R б . Изменение тока базы вызывает соответствующее изменение тока коллектора, проходящего по сопротивлению нагрузки R н . Переменная составляющая тока коллектора создает на сопротивлении нагрузки R k усиленное по амплитуде падение напряжения u вых .

Расчет такого каскада можно произвести графически с использованием приведенных на рис. 27 входных и выходных характеристик транзистора, включенного по схеме с ОЭ. Если сопротивление нагрузки R н и напряжение источника Е к заданы, то положение линии нагрузки определяется точками С и D . При этом точка D задана значением Е к , а точка С – током I к =Е к /R н . Линия нагрузки CD пересекает семейство выходных характеристик. Выбираем рабочий участок на линии нагрузки так, чтобы искажения сигнала при усилении были минимальны. Для этого точки пересечения линии CD с выходными характеристиками должны находиться в пределах прямолинейных участков последних. Этому требованию соответствует участок АВ линии нагрузки.

Рабочая точка при синусоидальном входном сигнале находится в середине этого участка – точка О . Проекция отрезка AO на ось ординат определяет амплитуду коллекторного тока, а проекция того же отрезка на ось абсцисс – амплитуду переменной составляющей коллекторного напряжения. Рабочая точка O определяет ток коллектора I к0 и напряжение на коллекторе U кэ0 соответствующие режиму покоя.

Кроме того, точка O определяет ток покоя базы I б0 , а следовательно, и положение рабочей точки O" на входной характеристике (рис. 27, а, б). Точкам А и В выходных характеристик соответствуют точки А" и В" на входной характеристике. Проекция отрезка А"O" на ось абсцисс определяет амплитуду входного сигнала U вх т , при которой будет обеспечен режим минимальных искажений.

Строго говоря, U вх т , необходимо определять по семейству входных характеристик. Но так как входные характеристики при различных значениях напряжения U кэ , отличаются незначительно, на практике пользуются входной характеристикой, соответствующей среднему значению U кэ =U кэ 0 .

Усилительный режим транзистора определяется постоянными напряжениями между электродами и токами, протекающими в цепях электродов. Их задают элементы внешних цепей транзистора, которые составляют схему его включения. Усилительный прибор, его обвязка, источник питания и нагрузка образуют усилительный каскад .

Рис.20 Схема усилительного каскада на транзисторе с ОЭ

Обозначения в схеме:

R ВХ. V ~ и R ВЫХ. V ~ - входное и выходное сопротивления транзистора V1 переменному току без

учёта элементов внешней цепи (обвязки).

R ВХ.~ и R ВЫХ.~ - входное и выходное сопротивления усилительного каскада.

R U - сопротивление источника сигнала.

R Н~ - эквивалентное сопротивление нагрузки каскада переменному току.

R ВХ.СЛ - входное сопротивление следующего каскада.

U m .ВХ - амплитуда входного сигнала.

U m .ВЫХ - амплитуда выходного сигнала.

Примечание: Все сопротивления цепей измерены в направлении стрелки при разрыве схемы вдоль пунктирных линий.

Независимо от схемы включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) или общим коллектором (ОК) назначение элементов усилительного каскада одинаково.

Рассмотрим назначения элементов стандартной обвязки транзистора включённого с общим эмиттером (ОЭ) в типовой схеме усилительного каскада (Рис.20).

Развязывающий фильтр по питанию R ф С ф .

При питании усилителя от выпрямителя фильтр по питанию R ф С Ф обеспечивает сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения электрической сети Е К .

Сопротивление резистора R Ф выбирается из расчёта допустимого снижения к.п.д. усилителя и лежит в пределах от долей Ома в оконечных каскадах до единиц кОм в маломощных каскадах, так чтобы ΔU = (0,1…0,2) E K . Тогда ёмкость конденсатора С Ф для звуковых частот может достигать десятки и сотни мкФ, а для её расчёта можно пользоваться приближённой формулой

С Ф > 10 ⁄ (2π F Н R Ф )

Базовый делитель R Б1 R Б2 .

Два резистора R Б1 и R Б2 , включённых последовательно по постоянному току между шиной питания E K и общим проводом, являются базовым делителем напряжения питания и образуют начальное базовое смещение U 0Б = U Б – U Э между базой и эмиттером транзистора V1. Это напряжение U 0б определяет режим работы транзистора: А, В или АВ.

Чем меньше сопротивления резисторов R Б1 R Б2 тем выше температурная стабильность каскада, но при этом недопустимо снижается входное сопротивление каскада по переменному току R ВХ~ , для которого R Б1 , R Б2 и R ВХ. V ~ (входное сопротивление транзистора) включены параллельно .

R ВХ~ = (R ВХ. V ~ ∙ R Б ) ⁄ (R ВХ. V ~ +R Б ), где R Б = (R Б1 ∙ R Б2 ) ⁄ (R Б1 + R Б2 )

Поэтому типовыми значениями номиналов резисторов базового делителя для каскадов предварительного усиления являются: R Б1 – десятки кОм, R Б2 – единицы - десятки кОм.

Сопротивление коллекторной нагрузки R К.

Резистор R К образует путь протекания коллекторного тока покоя I 0К , который определяется выбранным режимом работы транзистора V1 (А, В или АВ).

В сильной степени сопротивление коллекторной нагрузки R К влияет на усилительные свойства транзистора, так как от его номинала зависит угол наклона выходной динамической характеристики. Чем больше сопротивление резистора R К (десятки кОм) тем больше коэффициент усиления каскада по напряжению К U и, наоборот, чем меньше R К (сотни Ом) – тем больше коэффициент усиления по току К I .

Максимальное усиление мощности будет при соизмеримых значениях R К и R ВЫХ. V ~ (выходного сопротивления транзистора переменному току).

По переменному току сигнала сопротивление коллекторной нагрузки R К включено параллельно R ВЫХ. V ~ и может привести к недопустимому снижению выходного сопротивления каскада R ВЫХ.~ .

Резистор автосмещения R Э.

Эмиттерный ток транзистора I Э (как постоянный I 0Э так и переменный I m Э ), протекая через резистор R Э образует на нём падение напряжения U Э . Это напряжение является напряжением обратной связи U ОС , так как связано с входными параметрами транзистора выражением: U 0Б = U Б – U Э,

где U Б – напряжение на базе V1, измеренное по отношению общего провода.

Как будет доказано в последующих темах, отрицательная обратная связь (ООС) противодействует изменению параметров усилительного каскада, обеспечивая стабилизацию его режима, в том числе и температурного.

Например, повышение температуры tºС вызывает увеличение эмиттерного тока I 0Э и U Э , но при этом автоматически уменьшается начальное базовое смещение U 0Б = U Б – U Э , которое подзапирает транзистор и, как следствие, уменьшает эмиттерный ток, компенсируя его зависимость от температуры. Отсюда название R Э – резистор автосмещения . Таким образом ООС по постоянному току благоприятно сказывается на стабильность режима работы усилительного каскада.

Но за счёт протекания тока сигнала I m Э через R Э образуется ООС по переменному току, которая уменьшает, к сожалению, коэффициент усиления каскада. Включив параллельно резистору R Э конденсатор большой ёмкости С Э , можно уменьшить эквивалентное сопротивление эмиттерной цепи на несколько порядков для самых низких рабочих частот.

Конденсатор С Э предназначен для устранения отрицательной обратной связи по переменному току , в результате чего можно избежать снижения коэффициента усиления.

Разделительные конденсаторы С Р1 С Р2 – устраняют связь между каскадами по постоянному току. При их отсутствии режимы работы всех транзисторов гальванически (непосредственно) связанных между собой будут взаимозависимы. Причём, незначительное изменение режима первого транзистора за счёт усилительных свойств приведёт к недопустимому изменению режима последнего.

Емкость межкаскадного разделительного конденсатора в усилителях звуковых частот УЗЧ достигают десятки и сотни микрофарад (мкФ), а выходного разделительного конденсатора, перед громкоговорителем – тысячи мкФ. В высокочастотных цепях ёмкость С Р уменьшается обратно пропорционально рабочей частоте. При использовании полевого транзистора с большим входным сопротивлением, С Р составляет доли мкФ (например 0,1 мкФ).

2. Принцип работы усилительного каскада (Рис.22)

В режиме покоя (при отсутствие сигнала) постоянная составляющая коллекторного тока I 0К протекает от +Е К через R К , переход ЭК VT 1 , R Э , - Е К . Постоянная составляющая коллекторного напряжения, если считать I 0Э ≈ I 0К , равна:

U 0К = Е К - I 0К (R К + R Э)

В усилительном режиме , при подаче сигнала на вход каскада переменная составляющая тока коллекторной цепи I m К протекает по нескольким параллельным цепям:

1. ЭК VT 1 → С Р2 → ЭБ VT 2 → -Е К (общий провод);

2. ЭК VT 1 → R К → С Ф → -Е К;

3. ЭК VT 1 → С р2 → R Б1 → С Ф → -Е К;

4. ЭК VT 1 → С Р2 → R Б2 → -Е К.

Таким образом, полным сопротивлением нагрузки для переменного тока сигнала R н~ является эквивалентное сопротивление параллельно включённых R К, R Б1 , R Б2 , R ВХ. V 2 ,

R Н~ = (R К ∙ R ВХ.СЛ. ) ⁄ (R К +R ВХ.СЛ. ),

где R ВХ.СЛ = (R ВХ. V 2~ ∙ R Б1 ∙ R Б2 ) ⁄ (R ВХ. V 2~ ∙ R Б1 + R ВХ. V 2~ ∙ R Б2 + R Б1 ∙ R Б2 )

Рис.22 Схема усилительного каскада с ОЭ.

Полезной является только составляющая выходного тока усиленного сигнала I m Б2 , протекающая по первой из перечисленных ветвей, так как только она будет усиливаться в следующем усилительном каскаде. Остальные постоянные и переменные токи, протекая через элементы обвязки транзистора, приведут к рассеиванию энергии источника питания и сигнала, снижая к.п.д каскада.

Прохождение и обработка сигнала в цепях усилительного каскада наглядно видно по осциллограммам в характерных точках схемы, приведённых на Рис.22.

При подаче на вход каскада сигнала U m .ВХ ранее постоянные напряжения в схеме U 0Б, U 0К, U 0Э станут пульсирующими U m Б, U m К, U m Э , изменяясь синхронно амплитуде входного сигнала. На осциллограммах видно, что напряжения сигналов U m Б, U m К, U m Э , буду смещены по отношению оси времени в положительную или отрицательную область на величину постоянных потенциалов в этих точках U 0Б, U 0К, U 0Э, в зависимости от полярности источника питания “+ Е К ” или “- Е К ” .

Только при единственном включении транзистора по схеме с ОЭ фаза выходного сигнала (осциллограммы U m К и как следствие U m .ВЫХ ), снимаемого с коллектора изменится на 180º. Поэтому каскад с включением транзистора по схеме с ОЭ называется инверсным . При других включениях транзистора с ОК и ОБ выходной и входной сигналы всегда совпадают по фазе .

Для определения схемы включения транзистора с ОЭ, ОК, ОБ необходимо пользоваться следующим правилом (пример для ОЭ):

Если входной сигнал подаётся в базовую цепь транзистора, а выходной снимается с коллектора , то третий электрод – эмиттер , является общим для входного и выходного сигнала независимо от того, как он включён в схему.

На Рис.23 и Рис.24 представлены схемы с включением транзисторов с общим коллектором ОК и общей базой ОБ и приведены их особенности.

Рис.23 Схема усилительного каскада с ОК.

Важными свойствам усилительного каскада с транзистором, включенным с ОК являются:

1. Большое входное R ВХ (десятки кОм ) и малое выходное (десятки Ом ) сопротивления, что улучшает согласование с предыдущими и последующими каскадами.

2. Входной сигнал не инвертируется, т.е. входной U ВХ и выходной U ВЫХ сигналы совпадают по фазе (φ = 0).

3. Коэффициент усиления по напряжению меньше единицы (К U < 1 , но К I >> 1).

Рис.24 Схема усилительного каскада с ОБ.

Свойство транзисторного усилительного каскада с ОБ противоположные свойствам каскада с ОК. Каскады с включением транзистора по схеме с ОБ в низкочастотных усилителях УНЧ (звуковых частот УЗЧ) практически не используются.