Бюджетные усилители «Super — A» класса с выходным каскадом на биполярных транзисторах

В статье приводится обзор усилителей мощно­сти звуковой частоты (УМЗЧ) радиолюбитель­ской разработки, позиционируемых как усилите­ли класса «Super — А». Статья адресована в основном тем читателям журнала, которые при­выкли думать самостоятельно, и обладают доста­точной квалификацией. Надеюсь, что приведенная ниже информация окажется для них полезной.

К написанию данной статьи подтолкнула попыт­ка реанимации (проведения профилактического ремонта) заслуженного, с более чем двадцатилет­ним стажем работы, усилителя Брагина образца 1990 г. [1]. В процессе проведения работ возник­ло желание заменить примененный в усилителе ОУ современным и собрать еще один экземпляр это­го УМЗЧ. В процессе выполнения задачи поиска подходящего ОУ, в Интернете был обнаружен зна­чительный объем полезной информации, относя­щийся к современным разработкам усилительных устройств, и сделаны соответствующие выводы. Некоторые из них будут кратко изложены ниже.

Начнем с краткого описания самой идеи режи­ма «Super — А», а затем обнаруженных в сети про­ектов (всего лишь 2), являющихся прямым ее про­должением. Еще два УМЗЧ радиолюбительской разработки, вклинившиеся в этот обзор, актуаль­ны и по сей день. Их исходные схемы взяты со страниц журнала «Радио».

Усилия разработчиков транзисторных усилите­лей давно уже направлены на поиск технических ре­шений, исправляющих присущие им недостатки. В рассматриваемом случае на уменьшение искаже­ний в области нуль-перехода сигнала, характер­ных для класса АВ, стараясь удержать транзисто­ры неработающего плеча усилителя от полного запирания путем динамического управления его смещением (так называемый, режим «Super — А» и аналогичные) или создать схемотехническую структуру, сглаживающую начальный, наиболее не­линейный участок ВАХ и биполярных транзисторов. Характерные для режимов «Super — А» и АВ осцил­лограммы продуктов нелинейности, полученные с выхода измерителя нелинейных искажений, на ко­торые для наглядности наложен исходный синусо­идальный сигнал, показаны на рис.1.

Рис. 1

Применение на выходе УМЗЧ полевых транзи­сторов, вопреки распространенному мнению, про­блему не устраняет: «В момент перехода плеча в неактивное состояние происходит «звон» на индуктивностях конструктива. Поэтому важно обес­печить минимальные длины проводников от поли­гонов платы до самих транзисторов (в идеале — транзисторы впаяны в плату), безындуктивные эмиттерные резисторы и т.п. Об этом уже много­кратно говорилось. Поскольку причина возникно­вения искажений не в транзисторах, то и методы борьбы идентичны. Либо «вылизывание» конструк­тива, либо недопущение перехода плеча в режим отсечки, а лучше всё вместе [4]».

Изложенное выше, к сожалению, относится не ко всем разработчикам. К примеру, Н. Сухов в сво­ей статье «К вопросу об оценке линейных искаже­ний УМЗЧ» [5] практически прямо заявляет, что он ничего не понял, разницы не услышал, или не за­метил и не собирается работать в этом направле­нии. Его слова «Проведенные автором испытания ряда усилительных устройств с динамическим смещением транзисторов выходного каскада (Super А фирмы JVC, Non Switching фирмы Pioneer, New Class А фирмы Technics) показали, что дейст­вие динамического смещения ощутимо только при малых токах покоя выходных каскадов (менее 20…30 мА), а при больших токах оно практически не влияет на линейность усилителя. Другими сло­вами, каскады с динамическим смещением позво­ляют практически устранить «ступеньку» при токе покоя выходных транзисторов порядка 15…20 мА вместо 50… 100 мА, но в то же время требуют зна­чительного усложнения схемы (наиболее совер шенное усилительное устройство с динамическим смещением — «Super — А» реализуется на 11 тран­зисторах) и заметно ухудшают термостабиль­ность тока покоя, не изменяя линейность усилите­ля в режиме номинальной мощности и не улучшая КПД усилителя» однозначно на это указывают.

Причем автор не удосужился даже информиро­вать читателя, какие именно усилительные устрой­ства им были испытаны. Это, естественно, наталки­вает на мысль, основанную на ряде приводимых автором якобы обнаруженных им недостатков реше­ния, что под веским определением «ряд усилитель­ных устройств» скрывается всего лишь одно [2]. Ста­тья предшествует ряду публикаций этого же автора под названием «УМЗЧ высокой верности», и поэто­му позиция автора в этом вопросе становится абсо­лютно понятной. Уровень этой его разработки крат­ко и грамотно рассмотрен в [6]. Фактически Н. Сухов своей публикацией надолго перекрывает направле­ние развития схемотехники УМЗЧ, заданное Ю. Ми­трофановым [2]. По этой же причине появление в 1990 г УМЗЧ Брагина [1] прошло незамеченным. Тем не менее, это направление радиолюбительских разработок до сих пор живет. Рассмотрим некото­рые из разработок в этой области.

УМЗЧ проекта «Натали»

Все его построение [7] зиждется на базе уси­лителя Брагина. Режим «Super-А» как таковой от­сутствует. Вместо него используется жесткая ста­билизация остаточного тока покоя не активного плеча выходного каскада усилителя [11]. Полно­стью отследить историю создания данного аппа­рата не представляется возможным ввиду того, что разработчик проекта на текущий момент уда­лил практически все промежуточные схемотехни­ческие решения. Сам проект «Натали» является яв­но коммерческим.

Случайно обнаруженные не окончательные ва­рианты схем этого усилителя выглядят, тем не ме­нее, на первый взгляд более привлекательными, чем некоторые последующие их версии, и вполне работоспособными. В них было использовано весьма оригинальное и интересное решение — оптронное управление коллекторными токами тран­зисторов выходного каскада, в последствии замещенное относительно тривиальным, но более бы­стродействующим вариантом.

В настоящее время присутствует несколько версий этого усилителя, в основном отличающих­ся максимальной выходной мощностью. Позици­онируются данные версии как Ноте и Pro. Повторять или не повторять этот УМЗЧ — это личное дело каждого, но надо учитывать, что в настоящее вре­мя ведется разработка очередной версии этого УМЗЧ с существенно сниженным коэффициентом нелинейных искажений (КНИ).

УМЗЧ Лайкова

Происхождение его [8] легко узнаваемо и представляет собой не совсем удачный симбиоз из входных цепей усилителя Брагина и оконечно­го каскада, заимствованного у усилителя В. Жбанова образца 1983 г. [9]. Исходная версия усили­теля Лайкова абсолютно неинтересна и провоцирует эффект неприятия специалистами, с чем автор сразу же и столкнулся, только попытавшись опуб­ликовать свою разработку в одном из журналов ра­диотехнического направления.

Тем не менее, находятся люди, весьма далекие от знания удачных схемотехнических решений 1980-х годов, которые готовы поучаствовать в строительстве и доводке данного усилителя. В ре­зультате коллективных стараний появилась на свет относительно интересная версия этого усилителя под номером 6 («Лайков v.6», см. рис.2), назначен­ная автором в последствии «базовой». До этого ба­зовой значилась исходная версия усилителя.

Рис. 2

Режим «Super — А» отсутствует. Используется простое решение, известное в прошлом веке как «усилитель с компенсацией нелинейности ампли­тудной характеристики» [10].

Показательно, что номиналы элементов кор­ректирующих цепей разных версий усилителей по­вторяются один в один и исходно использованы в УМЗЧ Брагина. Эти УМЗЧ уже давно разные по схемотехнике, а цепи коррекции у них одинаковы. Возникает закономерный вопрос, адресованный к разработчику: «а умеет ли он самостоятельно корректировать усилители?». Усилитель Лайкова подкупает своей простотой и неплохими заявлен­ными характеристиками.

УМЗЧ Брагина

В нём [1] использует режим, очень близкий по характеру и форме коллекторных токов к исходно­му «Super — А», однако схемотехническое решение узла управления базируется не на разработке инженеров JVC, а на базе промелькнувшего в жур­нале «Wireless World» в 1987 году [11] схемотех­нического решения стабилизации тока покоя транзисторов оконечного каскада усилителя. До­полнительно было введено слежение за выходным напряжением усилителя, что позволило превра­тить эти цепи стабилизации в цепи управления, практически полностью повторяющие результат работы цепей, формирующих режим «Super — А» в усилителях марки JVC.

Такое интересное и лаконичное решение, в со­вокупности с грамотно выполненной стыковкой транзисторной части усилителя с ОУ, использован­ном во входных цепях (прототипом данного реше­ния для Брагина является усилитель 1970-х годов производства компании Tesla [12]), обеспечивает очень высокие характеристики УМЗЧ в целом.

УМЗЧ Митрофанова

Одна [2] из первых реализаций попыток повто­рить принцип, заложенный в усилителях, исполь­зующих, так называемый, режим «Super-А», про­стыми и доступными средствами. Усилитель можно характеризовать как «условно работоспо­собный», хотя для своего времени (1986 г.) он был не так уж и плох. Основной проблемой была невы­сокая стабильность параметров и недостаточная устойчивость усилителя, вынуждающая приме­нять в нем исключительно низкоскоростные ОУ (хотя автор в этом и не признается, оправдывая свое неудачное решение другими причинами), что не способствовало достижению достаточно хоро­ших характеристик УМЗЧ в целом. Следующей проблемой была сильная зависимость работы цепей управления коллекторными токами выходных транзисторов от сопротивления нагрузки, т.е. их поведение на активной нагрузке нормально и предсказуемо, а на реальной нагрузке (акустиче­ских системах) уже отлаженные цепи управления зачастую полностью теряли свою работоспособ­ность, произвольно переводя усилитель в режим, близкий к стандартному АВ. К повторению не ре­комендуется, хотя с теоретическим его обоснованием и схемотехническими решениями ознако­миться все же следует.

УМЗЧ JVC А-Х50

Три из четырех перечисленных УМЗЧ были по­строены в железе, отлажены и испытаны. Во всех случаях, для определения действительного уровня качества УМЗЧ дополнительно производилось контрольное сравнительное прослушивание.

В качестве эталонного усилителя был выбран JVC А-Х50, входивший в линейку усилителей, раз­работанных в 1982 г., которые используют режим работы УМЗЧ «Super — А».

Усилитель обладает весьма высокими заявлен­ными параметрами и радует неожиданно хорошим звучанием. Это усилитель на самом деле очень вы­сокого класса. К сожалению, в более поздних ли­нейках УМЗЧ JVC разработчики стали применять электронные коммутаторы входов (например, в по­пулярном УМЗЧ АХ-400), что привело к заметной деградации звука.

Литература и полезные ссылки:

1. Брагин Г. Усилитель мощности 34 // Радио. — 1990. -№12. -С.63.
2. Митрофанов Ю. Экономичный режим А в уси­лителе мощности // Радио. — 1986. — №5. — С.40-43.
3. Kondo Hikaru. Nuevo concepto en amplificatores de potencia para audio si sterna «super А» de JVC // Mundo electronico. — 1980. — №102. — P.75-81.
4. http://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=61611 &p=1704685&viewfull-1#post1704685
5. Сухов H. К вопросу об оценке линейных ис­кажений УМЗЧ // Радио. — 1989. — №5. — С.54.
6. http://premium-a-class.rU/content/view/12/15/
7. Усилитель мощности «Натали»: http://forum.cxem.net/index.php?showforum=95
8. Усилитель А. Лайкова: http://cxem.net/sound/amps/ampphp
9. Жбанов В. Высоколинейный термостабильный усилитель НЧ // Радио. — 1983. — №10. — С.44-46.
10. Король В. УМЗЧ с компенсацией нелиней­ности амплитудной характеристики // Радио. — 1989.-№12.-С.52.
11. «Add-on current dumpig», Electronics & Wireless World, October, 1985, p.40.
12. Левинзон Г.Л., Логинов A.B. Высококачест­венный усилитель низкой частоты. — М.: Энергия, 1977. — С.61.

Автор: Алексей Ковальский, г. Киев
Источник: журнал Радиоаматор №1, 2016