Улучшенный выходной каскад УМЗЧ на полевых транзисторах

В статье рассматриваются различные схемо­технические решения для улучшения линейности работы выходного каскада УМЗЧ на n-канальных полевых транзисторах.

Классический выходной каскад на двух n-ка­нальных полевых транзисторах был предложен Дж. Линсли Худом ещё в 1969 г. В этой схеме (рис.1) в фазоинверторном каскаде для n-канальных мощ­ных полевых транзисторов VT1 и VT2 использует­ся также n-канальный транзистор VT3 меньшей мощности. Использование в выходном каскаде мощных транзисторов одного типа проводимости вызвано тем, что n-канальные и р-канальные тран­зисторы, имеющие одинаковую мощность и напря­жение сток-исток, очень сильно отличаются по ос­тальным параметрам: крутизне, напряжению отсечки и т.д. Соответственно, при их совместном использовании в выходном каскаде УМЗЧ крайне трудно добиться его качественной работы.

В этой схеме ток источника тока I1 делится по­левым транзистором VT3 на две части. Это два то­ка протекают через резисторы R1 и R2, имеющие одинаковый номинал. Таким образом, создается U_3И для выходных транзисторов VT1 и VT2. Причём при работе каскада сумма U_3ИVT1 + U_3ИVT2 = const. Т.е. обеспечивается абсолютно точное противо­фазное управление транзисторами выходного ка­скада VT1 и VT2.

Эта схема была разработана для УМЗЧ с глубо­кой ООС, значительно уменьшающей выходное со­противление УМЗЧ. Однако в настоящее время для звуковоспроизводящей аппаратуры высокого класса считается предпочтительным разрабаты­вать УМЗЧ, не использующие глубокую ООС. А в этом случае схема рис. 1 имеет весьма ощутимый недостаток, а именно высокое выходное сопротив­ление, что не позволяет такому УМЗЧ работать на акустическую систему (АС) с импедансом 4…8 Ом.

Модернизированный вариант УМЗЧ Дж. Лин­сли Худа показан на рис.2. Основное отличие этой схемы — замена транзистора VT3 р-канальным прибором. По сути, схема рис.2 — это повторитель входного напряжения с низким выходным сопро­тивлением.

Однако у такого выходного каскада также есть не­достаток: для обеспечения малых КНИ требуется зна­чительный ток покоя выходных транзисторов — не ме­нее 75…100 мА. Основная причина этого — наличие местной ООС через резистор R1 в фазоинверторе на VT1, что снижает его коэффициент усиления.

Ещё один недостаток такой схемы — это то, что нелинейная выходная ёмкость затвор-исток тран­зистора VT2 включена параллельно этому же ре­зистору R1. Это оказывает частотно-зависимое влияние на местную ООС, что ухудшает линей­ность каскада на высоких частотах.

Рассмотрим ещё один вариант построения вы­ходного каскада с n-канальными выходными тран­зисторами, а именно с использованием диффе­ренциального фазоинвертора (рис.3). Эта схема содержит не только источник образцового тока, но и источник образцового напряжения, что зна­чительно усложняет её по сравнению со схемами, показанными на рис.1 и рис.2. Однако из-за это­го она имеет тот же недостаток, что и схема рис. 1, — высокое выходное сопротивление при от­сутствии глубокой ООС.

Чтобы устранить этот недостаток, доработаем схему с дифференциальным фазоинвертором, исключив из нее источник образцового напряжения и введя ме­стную ООС (рис.4). Эта схема как бы объединяет схемы, показанные на рис.2 и рис.3. В схеме присутствует дифференциальный фазоинвертор на p-канальных транзисторах, и, в то же время, имеется местная ООС, ко­торая превращает весь выходной ка­скад в повторитель входного напря­жения.

Для работы схемы важно, чтобы напряжение отсечки выходных тран­зисторов было заметно ниже, чем на­пряжение отсечки транзисторов фа­зоинверторного каскада. Этого можно добиться, если в качестве выходных транзисторов VT1 и VT2 использовать полевые транзисторы типа «Logic lev­el» с напряжением отсечки менее 2 В, а в качестве транзисторов VT3 и VT4 — обычные полевые транзисторы с на­пряжением отсечки 3,5…4 В.

Можно конечно использовать транзисторы и с одинаковым напряжени­ем отсечки, однако в этом случае по­надобится организация дополнительного смещения для тран­зистора VT4.

Достоинство схемы, показанной на рис.4, — существенное повышение линейности работы выходного каска­да УМЗЧ. Происходит это по двум причинам:

• во-первых, нелинейная емкость затвор-исток транзистора VT2 больше не является частью местной ООС, как это имело место в схеме, показанной на рис.2;
• во-вторых, увеличенный коэффициент усиле­ния каскада фазоинвертора до замыкания петли ООС.

Чтобы сравнить работу схем, показанных на рис.2 и рис.4, достаточно просто в схеме рис.4 закоротить транзистор VT4 перемычкой, и схема рис.4 тут же превратиться в схему рис.2. При этом разница в звучание УМЗЧ будет более чем за­метная.

Оказалось, что в схеме рис.4 ток покоя выход­ных транзисторов VT1 и VT2 можно уменьшить практически вдвое, по сравнению со схемой рис.2 — до 50…60 мА. Но даже в этом случае уро­вень КИИ в схеме рис.4 был ниже, и звучала она заметно лучше.

Выходной каскад УМЗЧ.

На рис.5 показана полная схема выходного кас­када УМЗЧ, построенного на основании схемы рис.4.

Основные характеристики этого УМЗЧ:

1. Выходная мощность (на нагрузке 4 Ом) 70 Вт.
2. Рабочий диапазон частот (при неравномер­ности 1 дБ) 3 Гц — 50000 Гц.
3. Коэффициент нелинейных искажений (в ди­апазоне 20 Гц — 20 кГц), менее 0,05%.
4. Разделение каналов, более 60 дБ.
5. Отношение сигнал / шум, более 100 дБ.

Такой выходной каскад использовался в усили­теле «Creek 4330» А. Никитина (см. фото в начале статьи). Более подробно: http://www.hi-fi.ru/catalog/dom/catalog_data_amp_integr/detail/603025.

УМЗЧ обеспечивает выходную мощность 40 Вт на нагрузке 8 Ом при напряжении питания ±35 В.

Выходной каскад УМЗЧ выполнен на мощных n-канальных транзисторах HUF76639 типа Logic Level, которые имеют следующие основные параметры:

1. Напряжение пробоя сток-исток 100 В.
2. Предельный ток затвора транзистора 50 А.
3. Сопротивление сток-исток во включенном состоянии (при токе 10А) 0,027 Ом.
4. Напряжение отсечки, не более 3 В.
5. Емкость затвор-исток (при напряжении 25 В) 2400 пФ.
6. Максимальная рассеиваемая мощность 180 Вт.
7. Предельная температура 150°С.

Ток покоя выходных транзисторов VT5 и VT6 контролируют на резисторе R16 номиналом 0,47 Ом. Ток покоя должен составлять около 70 мА, и его выставляют подстроечным резистором R24. При этом напряжение на R16 между контрольны­ми точками В1 и В2 должно составлять 33 мВ.

Интересное свойство УМЗЧ, показанного на рис.5, — это симметричное ограничение по току выходного сигнала. При использовании в качест­ве выходных транзисторов VT5 и VT6 HUF76639 оно составляет 30…35А пикового значения, что замет­но меньше максимального тока для данного типа транзисторов. Для достижения этого в схеме уста­новлены резисторы R16 и R17, которые обеспечи­вают защиту УМЗЧ при КЗ на его выходе, при этом минимально влияя на его работу. При отсутствии этих резисторов при КЗ нагрузки возможно само­возбуждении УМЗЧ. При этом возникала кратко­временная перегрузка транзистора VT6 по напря­жению на затворе, этакая «игла» напряжения, которая приводит к выходу из строя транзисторов VT5и VT6.

Наличие в схеме резисторов R16 и R17 устра­няет возможность выхода из строя VT5 и VT6, да­же при относительно длительном КЗ (при котором сгорали предохранители в выпрямителях источни­ка питания УМЗЧ).

При этом R16 и R17 берут на себя основную мощность теплового удара при КЗ. Поэтому они должны быть с мощностью не менее 6 Вт и повы­шенной теплостойкости.

В выходном каскаде УМЗЧ используется общая обратная связь с точки соединения транзисторов

VT5 и VT6 на вход усилителя. Но выходной каскад (рис.5) неплохо работает и без ОООС. При этом он имеет низкое выходное сопротивлением (око­ло 0,1 Ом) и КНИ примерно 0,2% на нагрузке 8 0м при токе покоя в 100 мА. При увеличении тока по­коя КНИ резко уменьшается.

Никакой асимметрии выходного сопротивления плеч на VT5 и VT6 (хотя один из них включён по схе­ме ОС, а второй — ОИ) в УМЗЧ нет из-за наличия местной ООС. Поскольку схема рис.5 хорошо ра­ботает сама по себе, её параметры ещё более улучшаются при охвате всего УМЗЧ общей ООС — ведь такая глубокая ООС ей не нужна для достиже­ния малого КНИ и низкого выходного сопротивле­ния. Без общей ООС в выходном каскаде КНИ на­чинает расти примерно с частоты 4…5 кГц.

Благодаря тому, что выходные транзисторы уп­равляются точно противофазными напряжениями на затворах, этот двухтактный каскад может быть по желанию пользователя смещен в класс работы В, АВ или даже в почти чистый класс А. Если исполь­зовать эффективный радиатор и понизить напря­жение питания до 20…24 В, то можно ещё больше увеличить ток покоя выходных транзисторов VT5 и VT6 и перевести схему из работы в классе АВ го­раздо ближе к работе в классе А. При этом КНИ вы­ходного каскада (без общей ООС) может соста­вить 0,05%.

Скорость нарастания выходного напряжения для данного выходного каскада УМЗЧ составляет около 35 В/мкс, что обеспечивает полосу полной мощности 200 кГц.

Диод D8 защищает р-канальный транзистор VT2 от положительного напряжения затвор-исток.

Диоды D6, D7 защищают выходные транзисто­ры VT5 и VT6. Конечно, диод — элемент нелиней­ный, и его наличие в звуковом тракте крайне не­желательно. В данном случае нелинейность диодов влияет на работу схемы крайне незначи­тельно. Дело в том, что D6, D7 включены по току дифференциально, то есть когда сопротивление у одного уменьшается, у второго оно растёт. Для звукового сигнала эти диоды включены последо­вательно, поскольку выходное сопротивление ге­нератора тока на транзисторах VT1, VT3 достаточ­но большое. Таким образом, в рабочем диапазоне токов диодов D6, D7 их нелинейность практичес­ки полностью компенсируется.

При настройке УМЗЧ также может потребовать­ся подбор в небольших пределах номинала R21 (150…330 Ом) для правильной температурной компенсации тока покоя. Если ток покоя с нагре­вом увеличивается, то сопротивление R21 надо уменьшить, и наоборот. Лучше сделать небольшой отрицательный наклон температурной характери­стики УМЗЧ, чтобы с прогревом теплоотвода ток покоя слегка уменьшался примерно на 10… 15% после работы на полной мощности в течение не­которого времени.

Конструкция и детали выходного каскада.

Выходные транзисторы VT5 и VT6 помещены на ра­диатор с тепловым сопротивлением не больше 1 …1,5°С/Ватт, закреплены посредством прижима свер­ху алюминиевым блоком 10х10х45мм. Изоляция тран­зисторов — только слюдяная с теплопроводящей смазкой с обеих сторон. В качестве изоляционной про­кладки нельзя использовать силиконовые проклад­ки — только слюду или, в крайнем случай, керамику обя­зательно с термопастой. Радиатор следует заземлить.

Для обеспечения термостабильности УМЗЧ транзистор VT1 следует разместить на общем ра­диаторе транзисторов VT5 и VT6, лучше всего пря­мо между ними. Номинал резистора R21 опреде­ляет крутизну температурной компенсации и может быть слегка изменен, при использовании другого типа выходных транзисторов.

В качестве R24 следует использовать много­оборотный подстроенный резистор, например, ти­па СП-38а.

Индуктивность L1 представляет собой отрезок провода сечением 0,5..0,75 мм² и длиной 15 см между точкой соединения транзисторов VT5 и VT6 и выходными клеммами усилителя. Этого обычно хватает для обеспечения стабильности на ёмкост­ной нагрузке.

Без этой небольшой индуктивности выходной каскад может возбуждаться даже при работе на от­носительно небольшую емкостную нагрузку 5000… 10000 пФ. Надо проверить стабильность работы УМЗЧ при входном прямоугольном сигнале с частотой 1 кГц с емкостью нагрузки от 5000 пФ до 1…2 мкФ. Лучше всего в качестве L1 R30 ис­пользовать резистор 1 Ом 3 Вт с намотанными на него 10 витками провода ПЭВ или ПЭЛ диаметром 1 мм. Это в целом обеспечит хорошую стабиль­ность работы УМЗЧ на реактивную нагрузку.

Выходные транзисторы VT5 и VT6 можно заме­нить HUF76633P3, но при этом выходная мощность УМЗЧ уменьшится до 30 Вт. Другие типы транзи­сторов лучше не устанавливать. Дело в том, что схема УМЗЧ оптимизирована для того, чтобы при КЗ в нагрузке сгорали предохранители на 3 А в вы­прямителях источника питания УМЗЧ, без по­вреждения выходных транзисторов. Поэтому при использовании в качестве VT5 и VT6 других мощ­ных n-канальных Logic level транзисторов они мо­гут быть повреждены при КЗ нагрузки.

Кроме того, применение Logic level транзисто­ров другого типа, например, IRFP15QN потребует заметной переработки схемы, поскольку они име­ют крутизну в 2-3 раза меньше, чем транзисторы HUF76639.

В качестве VT2 VT4 в предвыходном каскаде можно использовать p-канальные транзисторы ZVP2110 или ZVP2120. В самом крайнем случае — IRF9610 вместо ZVP3310.

Транзистор VT3 типа ВС640 можно заменить транзистором типа BD140 (производства компа­нии «Филипс»).

Подготовил: Валерий Костырко, г. Воронеж

Источник: журнал Радиоаматор №9, 2015