Выходной каскад класса А для УМЗЧ без общей ООС

Предлагаемая автором концепция построения мощного выходного каскада УМЗЧ исключает большинство нелинейных искажений, присущих двухтактным выходным каскадам на лам­пах или транзисторах. Введение следящего питания позволяет достичь очень малых нелинейных искажений — на уровне тысяч­ных долей процента! Такой выходной каскад (его мощность более 20 Вт) вполне пригоден для работы с АС чувствитель­ностью не менее 90 дБ.

Назначение выходного каскада (ВК) УМЗЧ — передать сигнал с выхода усилителя напряжения (УН) на низкоимпедансную нагрузку (акустическую систему) с наименьшими искажениями. Очень часто такой усилитель тока вы­полняют в виде мощного повторителя напряжения на транзисторах.

ВК присущи следующие основные виды искажений: тепловые, кроссоверные, переключательные и искажения, связанные со спадом статического ко­эффициента передачи тока базы с рос­том тока нагрузки. Ну и в некоторой сте­пени проявляются нелинейные искаже­ния, связанные с эффектом Эрли в уси­лительных приборах.

Тепловые искажения обусловлены мгновенным изменением температуры кристаллов и связанным с этим измене­нием в несколько раз (2…3 раза) стати­ческого коэффициента передачи тока базы, а также изменением падения на­пряжения на эмиттерном переходе. Это проявляется в виде паразитной ампли­тудной модуляции полезного сигнала его собственной огибающей [1].

Кроссоверные искажения в ВК, рабо­тающем в режиме класса АВ, возникают вблизи переходов сигнала через ноль из-за неоптимального выбора тока по­коя и нестабильности выходного сопро­тивления.

Переключательные искажения воз­никают из-за стабилизирующих режим резисторов, включённых в цепи эмитте­ров или истоков мощных транзисторов. Чем меньше сопротивление этих резисторов, тем меньше переключательные искажения.

С ростом тока нагрузки (тока эмитте­ра, истока) растёт и необходимое на­пряжение на управляющем электроде: например, у биполярных транзисторов (БТ) — с 0,5 до 2,5 В при изменении тока с 0,1 до 10 А, у полевых транзисто­ров (ПТ) с вертикальным каналом — с 4 до 6 В, а у транзисторов с горизонталь­ной структурой канала — с 0,6 до 8 В при изменении тока с 0,1 до 7 А. Это и определяет, наряду с изменяющимся выходным сопротивлением, основную ошибку (искажения) между входом и выходом простого повторителя.

Кроме того, в двухтактных повтори­телях на комплементарных транзис­торах возникают дополнительные иска­жения из-за их неполной комплемен­тарное, в том числе и на высоких час­тотах из-за разных частотных свойств. Неудивительно, что многие разработчи­ки до сих пор отдают предпочтение квазикомплементарным ВК.

В УМЗЧ без общей ООС, характери­зующихся менее широким спектром гармоник по сравнению с усилителями с глубокой ООС, более высоки требова­ния к ВК. Поэтому типовые выходные каскады класса АВ, обычно используе­мые в усилителях с глубокой ООС, не годятся. Исключением являются ВК с корректором Хаксфорда как на БТ [2], так и на ПТ [3], а также более сложные повторители с использованием диффе­ренциального каскада [4] или со струк­турой ОБ-ОК (ОЗ-ОС) [5]. Такие повто­рители, в том числе и с отрицательным выходным сопротивлением, были пред­ставлены и обсуждены на форуме [6].

На основании вышеизложенного в качестве ВК для УМЗЧ без общей ООС наиболее привлекательны всё же повто­рители на транзисторах в режиме клас­са А. Основное условие принадлежнос­ти к классу А — отсутствие режима отсечки во всех режимах работы, т. е. ток сигнала через транзисторы каждого плеча ВК протекает в течение полного периода сигнала. Однако это справед­ливо для нагрузки с постоянным импе­дансом. Акустические системы такой нагрузкой не являются, так как могут иметь существенную просадку импе­данса, что неизбежно ведёт к выходу из режима класса А.

В однотактных повторителях в качест­ве нагрузки нередко используют резис­тор (можно встретить даже дроссель или лампу накаливания), с помощью которого и задают необходимый ток покоя, а с него через конденсатор подают сигнал на акустическую систему. Искажения такого ВК относительно велики, хотя и низкого порядка, так как нелинейность передаточной характери­стики преимущественно квадратичная. Звучание с такими повторителями в УМЗЧ напоминает звучание с однотактными ламповыми усилителями. Су­щественно улучшить параметры однотактного ВК можно, если в качестве нагрузки использовать генератор ста­бильного тока (ГСТ) [7]. По этому пути последовал Чиуффоли (Ciuffoli, его уси­литель Follower 99), а также разработчи­ки усилителей Grimmi. Однако и это ре­шение улучшает параметры однотактного ВК недостаточно эффективно. Бо­лее высоких параметров (меньшие ис­кажения, низкое выходное сопротивле­ние) можно добиться, используя псевдодвухтактные каскады [8]. Дальнейшее усовершенствование одного из повто­рителей на БТ представлено на форуме [в].

В отношении двухтактных повторите­лей в ВК принято считать, что для дости­жения малых искажений достаточно взять типовой (например, «тройку» Дар­лингтона на БТ или ВК на ПТ) и увели­чить ток покоя до выхода в режим клас­са А. Однако, как показали исследова­ния такого ВК [9], его нелинейные иска­жения и выходное сопротивление отно­сительно велики и не могут в полной ме­ре отвечать требованиям высококачест­венного звуковоспроизведения. Более правильный подход к стабилизации то­ка покоя с помощью токового шунта был предложен Алисоном ещё в 1972 г., но и шунт не решает в полной мере проб­лему коммутационных искажений.

Среди схем управления транзисто­рами в плечах ВК можно встретить и трансформаторные с отдельными вы­ходными обмотками. С помощью тер­мокомпенсированных источников на­пряжения задают смещение для полу

чения оптимального тока покоя, а через вторичные обмотки трансформатора управляют в противофазе транзистора­ми плеч ВК. Преимуществом такого подхода является возможность исполь­зования в обоих плечах ВК транзисто­ров одинаковой структуры, что устра­няет недостатки, связанные с неполной комплементарностью мощных транзис­торов. Но и этот способ управления так­же не позволяет отказаться от резис­торов в цепях эмиттеров (истоков) — источника коммутационных искажений.

Двухтактный повторитель можно сделать на транзисторах одинаковой структуры с использованием отражате­ля тока [10]. Такое решение позволило существенно повысить параметры ма­ломощных повторителей. Суть идеи со­стоит в том, чтобы сохранить режим А при максимальной амплитуде выходно­го напряжения и обеспечить ток тран­зистора, работающего в режиме повто­рителя, строго постоянным. С целью устранения тепловых искажений в пред­лагаемом здесь ВК, наряду со стабили­зацией тока повторителя, стабилизиро­вано и напряжение на нём посредством дополнительного следящего каскада, как показано на рис. 1.

Основные технические характеристики

• Выходная мощность на на­грузке 8 Ом, Вт…………… 14
• Максимальная выходная мощность при К_Г= 0,2 %, Вт…………… 22,5
• Полоса пропускания на уров­не -3 дБ, Гц …………. 2…300000
• Коэффициент нелинейных искажений (К_г) при Рвых ⁼ 14 Вт, %

-на частоте 1 кГц…………… 0,001

-на частоте 20 кГц…………… 0,007

-на частоте 50 кГц…………… 0,05

• Коэффициент демпфирова­ния…………… 80
• Входное сопротивление, кОм…………… 47
• Входная ёмкость, пф…………… 130
• Ток покоя выходных транзис­торов, А…………… 2,5

ВК выполнен на распространённых полевых транзисторах вертикальной структуры IRF9630, IRF640. Входной сигнал поступает на повторитель напря­жения на транзисторе VT2 с каналом р- типа. Он же играет роль термокомпен­сатора напряжения смещения для тран­зистора выходного каскада. С целью уменьшения нелинейных искажений повторитель нагружен на генератор стабильного тока (ГСТ) с током около 20 мА на транзисторах VT1, VT3. Выход­ной же повторитель выполнен на тран­зисторах VT5—VT7, причём VT5 обеспе­чивает следящее питание транзистора VT6, a VT7 входит в узел прецизионного масштабного отражателя тока.

Одновременно входной сигнал по­ступает на полевой транзистор VT4 — преобразователь напряжение—ток от­носительно плюсовой шины питания. Питание преобразователя повышено на 5 В с помощью изолированного стаби­лизированного источника напряжения U2. Теоретически надбавка напряжения питания должна быть равна напряже­нию затвор—исток транзистора VT4, в этом случае падение напряжения на резисторе R9 равно напряжению пита­ния верхнего плеча ВК. В практической реализации это напряжение принято равным 5 В, чтобы использовать интег­ральный стабилизатор на микросхеме. Питание ГСТ от этого же источника поз­воляет более полно использовать ис­точник напряжения U3 (сделать ограничение максимальной амплитуды сигнала более симметричным и близ­ким к напряжению питания).

На микросхеме DA1, транзисторе VT7 и резисторах R10, R11, R13, R14 вы­полнен прецизионный масштабный от­ражатель тока. Подстроенным резис­тором R11 выставляют расчётный ток покоя. Резистор R14 должен иметь малый температурный коэффициент (ТКС), его можно сделать из константа- на или манганина. В качестве транзис­тора VT7, кроме ПТ, можно использо­вать мощный транзистор Дарлингтона n-p-n структуры. В качестве ОУ необхо­димо использовать быстродействую­щие микросхемы с минимальным напряжением питания не более +/-5 В, способные работать с единичным коэф­фициентом усиления, например, AD823, ОРА134, ОР275, ОР249, ОРА627, LT1122, AD845, AD843 и др. Из ОУ более ранних разработок можно использовать LM318 (LM118, LM218). Для увеличения нагру­зочной способности выходы сдвоенных ОУ можно объединять через резисторы сопротивлением 100…200 Ом.

Все ПТ и диод VD1 должны быть за­креплены на общем теплоотводе.

Источник питания усилителя, стаби­лизированный на напряжение +/-20 В, выполнен по схеме из [11], но выходное напряжение увеличено за счёт включе­ния последовательно со стабилитрона­ми светодиодов красного свечения. Кроме того, добавлены изолированные источники питания с напряжением по 5 В (на микросхемах стабилизаторов LM78L05, LM79L05 или аналогичных). Это позволило получить максимальную амплитуду выходного сигнала до ± 19,5 В (при общем суммарном напряжении питания ВК 40 В).

Спектр гармоник при выходной мощ­ности 14 Вт (амплитуда напряжения 15 В) на частоте 20 кГц показан на рис. 2.

Как видно из графика, спектр гармо­ник содержит в основном вторую и тре-

тью гармоники и носит спадающий ха­рактер. В качестве мощных транзисто­ров, кроме IRF640, можно использовать IRFP140, IRFP150. С транзисторами IRFP240 нелинейные искажения возрас­тают примерно на порядок, т. е. до 0,01 %.

Для минимизации искажений мощ­ного повторителя (да и всего УМЗЧ) важна стабильность его выходного со­противления, которое зависит как от то­ка ПТ, так и от температуры его кристал­ла. А так как ток стока и выделяемая на транзисторе VT6 мощность постоянны, то и все виды искажений, в том числе и тепловые, минимальны. Например, со­противление канала исток—сток тран­зистора IRF640 при изменении темпе­ратуры кристалла с 25 до 150°С увели­чивается в 2,5 раза.

Кроме того, нелинейные искажения минимальны при оптимальном импе­дансе нагрузки. Его отклонение (как в плюс, так и в минус), что имеет место для реальных АС, ведёт к росту второй гармоники при сохранении всех осталь­ных.

Преимущества предлагаемого кас­када наиболее заметно проявятся при полосовом усилении СЧ-ВЧ с совре­менными динамическими головками (с постоянным импедансом). Для полосы же НЧ более пригодны ВК с отрицатель­ным импедансом, например, с коррек­тором Хаксфорда или по структуре ОБ­ОК с охватом ОС.

Что касается применимости для полосы НЧ выходных каскадов с токовым выходом (ИТУН), который увеличи­вает отдачу АС в области основного резонанса НЧ-головки, для линеариза­ции результирующей АЧХ включают параллельно этой головке последова­тельный LC-фильтр оптимальной доб­ротности. Получаемый эффект, по моему мнению, напоминает работу АС с фазоинвертором (с теми же недостат­ками). На самом деле в этой области частот головка слабо контролируется самим ВК, и большая часть тока ВК ухо­дит в LC-фильтр. Выравнивание АЧХ лучше делать с помощью корректора Линквица, а ВК с отрицательным выход­ным импедансом даёт эффект, похожий на действие ЭМОС [12].

Теперь о мощности, выделяемой в ВК. В отсутствие сигнала на выходных транзисторах выделяется суммарная мощность 100 Вт (40 В ж 2,5 А = 100 Вт, по 50 Вт в плечах). На рис. 3 показаны колебания мощности, рассеиваемой на выходных транзисторах VT5, VT6 и VT7 при амплитуде выходного напряжения 4 и 16 В.

Анализ показывает, что для верхнего плеча повторителя рассеваемая мощ­ность на транзисторе VT6 равна при­мерно 9 Вт во всех режимах работы ВК. Остальные 41 Вт выделяются на тран­зисторе VT5, обеспечивающем следя­щее питание. Тепловые искажения транзистора VT5 могут сказываться только на эффекте Эрли транзистора VT6, но это ничтожно малые искажения по сравнению с другими видами иска­жений.

На нижнем плече ВК (VT7) в отсутст­вие сигнала выделяется мощность 50 Вт (20 В х 2,5 А = 50 Вт). По мере уве­личения выходного напряжения сред­няя мощность, выделяемая этим тран­зистором, снижается примерно до 35 Вт при выходном напряжении 16 В на на­грузке 8 Ом. Но так как этот транзистор работает в режиме прецизионного мас­штабного отражателя тока с глубокой ООО, то и тепловые искажения этого транзистора существенно подавлены и не сказываются на точности работы отражателя.

При увеличении напряжения питания до +/-25 В в качестве выходных транзи­сторов следует использовать спарен­ные транзисторы, в том числе и более мощные, например, IRFP140, IRFP240,

IRFP150. При этом неис­кажённая выходная мощ­ность достигает 25 Вт при токе покоя 3 А и средней рассеиваемой мощности на выход­ных транзисторах около 150 Вт (по 75 Вт на пле­че), что потребует при­нудительного охлажде­ния теплоотводов вы­ходных транзисторов.

В случае отсутствия для БП сетевого транс­форматора с дополни­тельными отдельными обмотками для изолиро­ванных источников пи­тания 2×5 В можно ис­пользовать автогенераторный конвертор с на­пряжения 20 В на 2×5 В (нестабилизированное) по схеме на рис. 4, а также с более сложным трансформатором на ос­нове ГСП магнитофонов «Маяк-001», «Электрони­ка ТА1-003» или других, либо отдельными гото­выми конверторами ТМА1505D, MAU151, VBTI-S15-S5-SMT, PS1R5-12-5, SPS1R5-12-5 и другими, снизив напряжение питания до оптимального для входа конвертора.

Трансформатор Т1 выполнен в бро­невом магнитопроводе 22Б-22 из фер­рита М2000НМ1 или на кольце типо­размера К20х10х5. Обмотка I содержит 20 витков провода ПЭВ-2 0,33, обмот­ки II и III содержат по 11 витков того же провода. Достоинство такого конвер­тора — в простоте трансформатора и отсутствии необходимости фазировки обмоток. Частота преобразования за­висит от ёмкости конденсатора С6. При использовании стабилизаторов LM78L05, LM79L05 число витков вто­ричных обмоток необходимо увеличить в 1,5 раза, т. е. до 16 витков. При этом дополнительное напряжение в нижнем плече может быть нестабилизированным от 5 до 8 В.

Помехоподавляющий дроссель L1 намотан на металлопорошковом кольце (iron powder core) С12-В4 (Т50-52В — кодировка Micrometals) зелёного цвета и содержит две обмотки по 25 витков провода ПЭВ-2 0,22. За неимением кольца из альсифера можно использо­вать ферритовое М2000НМ типоразме­ра К12x6x4,5 или аналогичное.

О налаживании. Подстроенным ре­зистором R1 выставляют ноль на выхо­де ВК при питании от источника с «за­землённой» средней точкой или поло­вину напряжения питания (по 20 В на конденсаторах С8, С9) при питании от источника 40 В с «незаземлённой»сред­ней точкой.

Регулировкой подстроенным резис­тором R11 устанавливают расчётный ток покоя (2,5 А) или по минимуму нели­нейных искажений при амплитуде вы­ходного напряжения на 3…5 В ниже на­пряжения питания одного плеча ВК.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ежков Ю. Справочник по схемотехнике усилителей. — М.: РадиоСофт, 2002.
2. Hawksford М. Distortion correction in audio power amplifiers. — Journal AES. 1981, № 1/2, p. 27-30.
3. Cordel R. A MOSFET power amplifier with error correction. — Journal AES, 1984, № 1/2. — URL: http://www.cordellaudio.com/papers/pdf (14.04.15).
4. Петров А. Повторитель напряжения класса AB. — Радиомир, 2010, № 8, с. 5—8.
5. Петров А. Новое в схемотехнике выход­ных каскадов. — Радиомир, 2014, № 5, с. 3—5.
6. Новый усилитель Петрова. — URL: http://forum.vegalab.ru/showthread.php7t =67498&page=1 (14.04.15).
7. Вонфор К. Транзисторный биполярно­полевой УНЧ класса А. — Радиохобби, 1999, № 2, с. 14.
8. Петров А. Псевдодвухтактные выход­ные каскады класса А. — Радиохобби, 2014, № 4, с. 57—61.
9. Петров А. Взаимодействие выходного каскада безОСного УМЗЧ с АС и его чувстви­тельность к внешним воздействиям. — Ра­диомир, 2014, №9, 10.
10. Петров А. Сверхлинейный ЭП с высо­кой нагрузочной способностью. — Радиоаматор, 2002, № 4, с. 16.
11. И.Орешкин В. Стабилизатор напряже­ния питания УМЗЧ. — Радио, 1987, № 8, с. 31.
12. Акулиничев И. Токовая обратная связь в усилителе НЧ. — Радио, 1975, № 1, с. 54, 55.

Автор: А. ПЕТРОВ, г. Могилёв, Белоруссия
Источник: Радио №8, 2015