Мощные усилители с режимом А+

категория Аудиотехника материалы в категории

Подкатегория Схемы усилителей на транзисторах

А. СЫРИЦО, г. Москва
Радио, 2002 год, № 9- 10

Среди экономичных вариантов режима выходного каскада УМЗЧ выделяется режим, получивший название А+ Это название отражает особенность структуры усилителя, когда каскад на мощных транзисторах в режиме А с низким и постоянным напряжением получает следящее питание от мощного каскада, работающего в более экономичном режиме — например, В, D, Е. Но замечательным отличием такой комбинации следует признать фильтрующие свойства каскада в режиме А по отношению к помехам и переключательным искажениям каскада, управляющего напряжением питания. О работе такого усилителя и варианте его построения на транзисторах и рассказано в этой статье. Краткий доклад от редакции на эту тему автор представил на семинаре в рамках работы выставки "Российский Hi-End'2002".

Известно, что УМЗЧ на транзисторах с выходным каскадом в режиме А позволяют достигать высокого качества звуковоспроизведения, не уступающего ламповым УМЗЧ на средних частотах. На краях диапазона рабочих частот УМЗЧ на транзисторах часто превосходят по качеству ламповые УМЗЧ из-за отсутствия выходного трансформатора.

Ограничениями в широком распространении УМЗЧ с выходным каскадом в режиме А являются их высокая стоимость, значительные размеры и вес. Это ≈ следствие усложнения конструкции, вызванного увеличением размеров и массы теплоотводов и блока питания из-за низкого КПД каскада.

Стремление исследователей к одновременному достижению высоких качественных характеристик в УМЗЧ на транзисторах и высокого КПД привело в конце 70-х годов к созданию усилителей мощности с управляемым напряжением питания, в которых такой режим получил название А+ [1, 2].

Структура и принцип работы усилителя

Структурная схема УМЗЧ с режимом А+ приведена на рис. 1. Здесь фактически два усилителя, каждый из которых состоит из усилителей напряжения УН₁ и УН₂, а также усилителей мощности УМ₁ и УМ₂ с коэффициентами передачи по напряжению К_U1≈К_U2≈1. Общий коэффициент передачи по напряжению от входа до выхода определяется их цепями общих ООС. Обеспечение режима А+ достигается разными режимами работы УМ₁ и УМ₂. Так, УМ₁ работает в режиме А (источник смещения не показан), обеспечивая высокое качество звуковоспроизведения. При этом относительно небольшая мощность, рассеиваемая в УМ₁ обусловлена малым напряжением источников питания G3, G4, обычно не превышающим 4...5 В, что значительно меньше амплитуды выходного напряжения U_вых.

УМ₂ работает в режиме с высоким КПД за счет использования одного из высокоэффективных режимов: В, D или Е. Напряжение источников питания G5 и G6 равно и несколько выше амплитуды выходного напряжения U_вых2.

Как видно из схемы на рис. 1, напряжение U_вых2 складывается с напряжением источников питания УМ₁.

Принцип работы поясняется эпюрами напряжений на рис. 2. Примечательно, что напряжения U_к1 и U_K2 на коллекторах VT1 и VT2 относительно общего с нагрузкой провода изменяются синфазно с выходным напряжением. При изменениях напряжения Uвых от нуля до +Uвых или -Uвых mах напряжения U_K1 принимают значения, соответствующие от U₃ (источника питания G3) до U₃+(+U_{вых max}), а напряжение U_K2 ≈ от U₄ (источника питания G4) доU₄+(-U_{вых max}). При этом напряжения на транзисторах VT1 и VT2 практически неизменны: U_кэ1 = U₃ = const; U_кэ2 = U₄ = const. Для показанной структуры УМЗЧ с режимом А+ синфазность и равенство колебаний U_Bblx1 и U_Bblx2 достигаются за счет параллельного возбуждения УМЗЧ₁ и УМЗЧ₂, а также равенства коэффициентов передачи по напряжению при соотношении R2/R1=R4/R3. (1)

Чтобы понять, насколько точно должно выполняться это условие, нужны некоторые уточнения. В частности, при соотношении R2/R1 > R4/R3 (2) изменения U_вых2 не соответствуют изменениям общего U_вых так как U_вых2 < U_вых. При этом U_Кэ1 и U_Кэ2 могут становиться меньше U₃ и U₄ что вызывает сильные искажения выходного напряжения. Таким образом, соотношение (2) недопустимо.

При обратном неравенстве ≈ R2/R1 < R4/R3 ≈ изменения U_вых2 также не соответствуют изменениям U_ВыХ так как U_вых2 > U_вых. При этом напряжения U_Кэ1 и U_Кэ2 могут превышать U₃ и U₄ (рис. 2,б); это снижает КПД, но не вызывает искажений выходного напряжения.

В результате уточненное соотношение принимает вид R2/R1 < R4/R3.

Обычно допустимо рассогласование по напряжению в пределах 0,2...1 дБ (при фактическом разбросе сопротивлений резисторов до 2... 10%), что практически не оказывает влияния на КПД.

Для оценки преимуществ применения УМЗЧ с режимом А+ по сравнению с УМЗЧ с режимом А в табл. 1 и 2 приведены результаты расчета мощности рассеяния выходных каскадов (Р_расA+, и Р_расA+)

для этих режимов при R_H = 4 Ом и 8 Ом и номинальных выходных мощностях Р_вых 100, 50 и 25 Вт. При расчетах не учитывались мощности рассеяния в УН₁ и УН₂, так как они значительно меньше в сравнении с Р_{рас A+} и Р_{рас A}. При расчете использованы формулы:

Р_расА Р_0A+≈ Р_вых =(2U_gA+ ╥I₀+ 2U_Ga ╥I_кoр)-Р_вых,

где Р_OA и Р_OA+ ≈ мощность, потребляемая от источников питания для режимов А и А+; Р_вых ≈ выходная мощность; U_ga и U_ga+ ≈ напряжения питания одного плеча выходного каскада для усилителя в режиме А и выходного каскада УМ₁; I₀ ≈ суммарный ток покоя коллектора транзисторов выходного каскада для усилителя в режиме А и выходного каскада УМ₁; I_КсР ≈ средний ток, потребляемый от источников питания для УМ₂.

Как следует из таблицы, эффективность использования УМЗЧ с режимом А+ повышается с ростом выходной мощности Р_ВЫХ и более заметна при большем значении сопротивления нагрузки R_H. И наоборот, при мощности Р_вых< 25 Вт эффективность заметно снижается и применение режима А+ нецелесообразно.

Практическая реализация узлов УМЗЧ с режимом А+ возможна в различных вариантах. При первом из них в качестве УМЗЧ₂ (для схемы рис. 1 это ≈ УН₂ + УМ₂) можно использовать готовый УМЗЧ. При этом получение режима А+ достигается при некоторых изменениях в структурной схеме (рис. 3), вызванных необходимостью согласования фаз и усиления для УМЗЧ₁ и УМЗЧ₂. В зависимости оттипаУМЗЧ₂ (инвертирующий или неинвертирующий вход) синфазность обеспечивается подключением источника входного сигнала через резистор R1 или R2 к соответствующему входу дополнительного усилителя напряжения на DA1 В качестве DA1 можно использовать ОУ с соответствующими характеристиками, сохраняющие устойчивость в режиме повторителя напряжения. Согласование по амплитуде достигается уточнением номинала R3.

Для схемы рис. 3 целесообразно выбирать R1=R2=R4. При построении УМЗЧ с режимом А+ в соответствии со структурными схемами на рис. 1 и 3 следует учитывать, что УМ, выполняет также и функцию фильтра искажений, возникающих в УМ₂. Проникание этих искажений в выходной сигнал достаточно ослабляется, поэтому требования к линейности УМЗЧ₂ могут быть существенно снижены и практически коэффициент гармоник может достигать 1.. .3%. В таком случае становится возможным использование в качестве УМЗЧ₂ (для схемы на рис. 3) мощных микросхем. Например, при Р_вых =100 Вт, R_н = 4 Ом или Р_выХ = 50 Вт, R_н = 8 Ом, в качестве УМЗЧ₂ можно рекомендовать микросхемы TDA7293, TDA7294. При неинвертирующем включении [3] следует соединить источник входного сигнала с инвертирующим входом DA1 (через R1), а неинвертирующий вход DA1 ≈ с общим проводом (через R2).

При снижении требований к искажениям УМЗЧ₂ (по структуре на рис. 1) возможно существенное упрощение усилителя: исключив УН₂, использовать УН₁ как общий источник сигнала для УМ₁ и УМ₂. При таком упрощении целесообразно также и изменение цепи ООС: вместо общей можно ограничиться ООС только в УН₁. Качество звуковоспроизведения при этом существенно улучшается за счет уменьшения влияния отклика от громкоговорителя [3]. Однако отказ от общей ООС приведет к небольшому увеличению выходного сопротивления УМЗЧ и, как следствие, к ухудшению ослабления помех (искажений) при колебаниях напряжения питания.

Структурная схема упрощенного варианта УМЗЧ с режимом А+ приведена на рис. 4, из которого видно, что в этом случае равенства фаз и амплитуд для U_Bblx и U_Bblx2 выполняются автоматически.

В некоторых случаях небольшая разница в коэффициентах передачи по напряжению (K_uум1 > К_uум2) вызвана различиями в режиме работы и выходного сопротивления этих повторителей. Это приводит, как уже отмечено ранее, к нарушению режима и росту нелинейных искажений. Рассогласование легко устраняется некоторым ослаблением сигнала на входе УМ, через дополнительный делитель на резисторах (на схеме не показаны).

Для этого варианта качественные характеристики УМЗЧ определяются главным образом качеством УН₁ поэтому проектированию этого узла уделено наибольшее внимание.

Схемотехника УМЗЧ с управляемым питанием

При разработке схемотехнических решений усилителя использованы следующие принципы:

≈ высокое качество при относительной простоте;
≈ конструктивная обособленность каждого узла УМЗЧ (УН₁, УМ₁, УМ₂) для возможности встраивания в другие усилители;
≈ применение отечественной элементной базы без подбора по характеристикам ТУ;
≈ обеспечение параметров без применения настройки режимов;
≈ широкий интервал напряжений питания при минимальной коррекции номиналов;
≈ автоматическая установка и стабилизация нулевого напряжения на выходе;
≈ максимальное ослабление помех, проникающих через цепи питания в выходной сигнал.

В приведенных здесь схемах УМЗЧ с целью упрощения не введены узлы защиты от короткого замыкания в нагрузке, от проникания постоянной составляющей на выход и от помех на выходе при коммутациях сетевого питания. В блоке питания отсутствует ограничитель импульсов тока в сети питания в момент включения.

Один из возможных вариантов схемы УН, приведен на рис. 5.

Для увеличения кликните по изображению (откроется в новом окне)

Входной каскад ≈ эмиттерный повторитель по схеме линейного "параллельного" усилителя [5] на транзисторах VT1 ≈ VT4 обеспечивает необходимое согласование с источником сигнала. Далее следуют симметричные дифференциальные каскады усиления по напряжению на транзисторах VT8, VT12 и VT9, VT13, с генераторами токов на VT5 и VT6 соответственно. Основу УН, составляет симметричный усилитель с включением транзисторов по структуре ОБ≈ ОБ≈ОК на транзисторах VT7, VT11, VT15 и VT10, VT14, VT16. Усилитель охвачен двумя цепями общей ООС: параллельной по переменному и постоянному напряжению ≈ R14, С1, R13, а также последовательной по постоянному напряжению ≈ R30, R31.C6, С7, DA1.R24.

ООС по переменному напряжению обеспечивает заданное усиление по напряжению с малыми искажениями, а ООС по постоянному напряжению ≈ автоматическую установку и стабилизацию нуля напряжения на выходе. Конденсатор С1 введен для коррекции АЧХ с целью обеспечения необходимого запаса по устойчивости.

Основные технические характеристики УН1

Коэффициент усиления, дБ, не менее ....................26
Входное сопротивление, кОм, не менее ................30
Максимальное выходное напряжение, В .................30
Диапазон воспроизводимых частот нижняя граница, Гц...........0
верхняя граница (-0,1 дБ), кГц, не менее .....40
Коэффициент гармоник при Rн=10 кОм и Uвыx = 30 В, %, в полосе 0,1... 1 кГц, не более ................0,02
в полосе 1...20 кГц, не более ................0,04
Глубина общей ООС по переменному напряжению, дБ, не более .................15
Скорость нарастания выходного напряжения, В/мкс, не менее ....................30
Напряжения источников питания (при токе потребления, мА), В............╠15 (35) ╠50(18)

Рекомендуемые варианты схем УМ₁ и УМ₂ приведены на рис. 6 и рис. 7 соответственно. Принцип их построения одинаков ≈ мощные линейные "параллельные" усилители, аналогичные используемым в [6]. Различия между УМ, и УМ₂ заключены в числе выходных транзисторов и режиме работы их выходных каскадов.

Работа УМ, (рис. 6) в режиме А обеспечивается за счет создания необходимого напряжения смещения для транзисторов VT5, VT7 и VT6, VT8, соответствующего току покоя I₀ ≈ 3 А. Автоматическая установка и термостабилизация тока покоя достигаются за счет ООС и основаны на стабильности напряжения на светодиоде при свечении в оптроне U1. Значение тока l₀ при этом определяется по формуле l₀ =U_д/(R11 + R12), где U_д ≈ 1,22 В.

Делитель напряжения R1R2 на входе создает необходимое согласование коэффициентов передачи напряжения УМ₁и УМ₂. Генераторы стабильного тока на транзисторах VT1 и VT4 (рис. 6) совместно с резисторами R3 ≈ R7 задают режим по постоянному току каскадов на VT5, VT6. Интеграторы на DA1 (рис. 6 и 7) образуют цепь общей параллельной ООС по постоянному напряжению, стабилизируя нуль напряжения на выходах УМ, и УМ₂. Диоды VD1 и VD2 (рис. 6 и 7) защищают выходные транзисторы от возможного появления напряжения с обратной полярностью.

Работа УМ₂ (рис. 7) в режиме В достигается соответствующим выбором режимов работы транзисторов VT1 ≈ VT4 и сопротивления резисторов R3≈ R7. Исследования возможных изменений значений тока l₀ при допустимых в характеристиках VT1 ≈ VT4 и разбросах сопротивления R4 ≈ R7 в пределах ╠10% показали, что этот ток может изменяться в интервале 0...5 мА для каждого из выходных транзисторов VT7, VT9, VT11 и VT8, VT10, VT12.

Основные технические характеристики УМ₁ и УМ₂

Входное сопротивление, кОм......110
Выходное сопротивление, Ом, не более.................0,4
Частота среза ФВЧ (С1R1R2), Гц, не более...................1
Коэффициент гармоник, %, при Рвых = 100 Вт, Rн = 8 Ом УМ₁, F= 20 Гц/20 кГц, не более ............0,02/0,04
УМ₂, F - 20 Гц/20 кГц, не более ............0,09/0,34
Скорость нарастания выходного напряжения, мкс, не менее.....................30

Ток, потребляемый УМ, от источника питания ╠5 В, в режиме покоя равен 3 А, а при Рвых = 100 Вт амплитуда тока через транзисторы достигает 5,5 А. Ток, потребляемый УМ₂ от источника ╠50 В, в режиме покоя близок нулю, а при Рвых = 100 Вт ток через транзисторы достигает 5 А.

Вариант схемы блока питания для одного канала УМЗЧ с режимом А+ приведен на рис. 8. В нем выпрямитель напряжением ╠50 В предназначен для УМ₂ (U₅ и U₆ на рис. 7), а также для питания УМ₁ (U₁ и U₂ на рис. 5); выпрямитель с напряжением ╠5 В ≈ для питания УМ₁ (U₃ и U₄ на рис. 6); выпрямитель стабилизированного напряжения ╠15 В ≈ для входных каскадов УН₁ (см. рис. 5).

рансформатор питания Т1 рассчитан на передачу мощности не менее 200 Вт.

Основные технические характеристики УМЗЧ с режимом А⁺

Номинальная выходная мощность, Вт, на нагрузке Rн = 8 Ом, не менее ...........100
Коэффициент гармоник при Рвых = 0...100Вт и Rн= 80м, %, не более в диапазоне 1... 1000 Гц ...............0,03
в диапазоне 1 ...20 кГц .....0,05
Входное сопротивление, кОм.........................30
Выходное сопротивление, Ом .........................0,3
Коэффициент усиления по напряжению, дБ...............26
Диапазон воспроизводимых частот, Гц, при неравномерности +0/-0.1 дБ . . .10...40000
Скорость нарастания выходного напряжения, В/мкс .......30
Отношение сигнал/шум, взвешенное по кривой А, дБ, не менее ................100

Детали и конструкция

В усилителе использованы детали отечественного производства: резисторы МЛТ либо С2-23, С2-33, С2-36 с отклонением не более ╠10%. Резисторы R11 и R12 (cm. рис. 6) ≈С5-16В с допустимым отклонением ╠2%. Выбор типа резисторов некритичен.

Разделительные конденсаторы С1 (см. рис. 6, 7) и С2, СЗ (см. рис. 6), С7 (см. рис. 7) ≈ пленочные К73-17. Конденсаторы емкостью 2,2 мкФ и блокировочные С10, С11 (см. рис. 6), С4, С5 (см. рис. 7) ≈ КМ-6 (группа ТКЕ ≈ Н90). В блоке питания применены конденсаторы серий К50-6, К50-35, К50-37 и КМ-6 (Н90). Конденсаторы К73-17 могут быть заменены любыми другими с аналогичными свойствами диэлектрика. Конденсаторы серии КМ ≈ на любые другие с малой индуктивностью. Транзисторы КТ3107Г и КТ3102ГМ ≈ соответственно на КТ3107 и КТ3102 с любой буквой или другие с соответствующей структурой проводимости при допустимых значениях Uкэ max > 20 В, Iк max > 20 мА, Pк max> 150 мВт, fт> 50 МГц.

Мощные транзисторы КТ9115А заменяемы другими ≈ КТ9115Б или аналогичным структуры р-n-р с допустимыми значениями UКэmax>150 В, IК max > 30 мА, Ркmax> 400 мВт, fT> 50 МГц. Вместо транзисторов КТ969А можно применить КТ940 с индексами А ≈ В или любой другой структуры n-р-n c Ukэ max > 150 В, I К max> 30 мА, Рк max> 400 мВт, fT > 50 МГц, вместо КТ850А ≈ КТ850Б или любой другой структуры n-р-n c UKэ max > 150 В, lK max > 2 А, Рк max> 10 Вт, fT> 5 МГц.

В выходном каскаде, кроме транзисторов КТ851А, пригодны КТ851Б или другие структуры p-n-p c UKэ max> 150 В, lк max > 2 А, РК max> 10 Вт, fT> 5 МГц; вместо КТ8101А ≈ КТ8101Б, КТ8101В или другие структуры n-p-n с допустимыми параметрами и Кэ max> 150 В, lK max> 10 А, Рк max > 100 Вт, fT > 5 МГц; вместо КТ8102А ≈ КТ8102Б или другие структуры р-n-р с параметрами иКэ max> 150 В, Iк max> ю А, Рк max> 100 Вт, fT 5МГц.

Диоды КД21ЗА заменяемы аналогичными с любым буквенным индексом, а также КД2997В, КД2998В или другими с Uобр max> 150 В, lcp> 3 A, fmax> 100 кГц.

Вместо АЛ307НМ можно установить любой светодиод с излучением в видимой части спектра.

Микросхемы ОУ КР140УД708 допустимо заменить другими с внутренней коррекцией, обеспечивающими необходимые параметры и сохраняющими стабильность при Кu = +1 без требований по скорости нарастания.

В качестве интегральных стабилизаторов на выходное напряжение +15 В можно использовать также КР142ЕН8Е или любой другой с lвых max> 1 А, на напряжение -15 В ≈ любой с Iвых max > 1 А.

Оптроны АОТ128В заменяемы аналогичными с индексами Б, Г либо АОТ127 с индексами А ≈ В или другими оптопарами светодиод-транзистор.

При выборе конструкции теплоотводов для транзисторов выходного каскада в УМ₁ следует учитывать допустимый нагрев корпусов транзисторов до 100...110╟С без опасности уменьшения их эксплуатационной надежности. Это возможно вследствие значительного превышения предельно допустимой мощности рассеяния на коллекторе транзисторов по отношению к действующей. Теплоотводы при этом оказываются достаточно малых размеров и веса.

Достижение высокого отношения сигнал/шум (100 дБ и более) для УМЗЧ с режимом А+ зависит от амплитуды пульсаций напряжения источников питания G3 и G4 для УМ₁ (см. рис. 3, 4), а также от выбора режима работы УМ, (тока покоя l₀) и типов выходных транзисторов. При необходимости следует использовать стабилизацию этих напряжений с учетом максимального тока каскада при полной мощности в нагрузке.

Если требуемая мощность в нагрузке менее 100 Вт, достаточно уменьшить напряжения источников питания до соответствующего значения (см. таблицу в первой части статьи). При снижении напряжения питания для сохранения режимов работы по постоянному току нужно пропорционально уменьшить сопротивления резисторов R9, R23 в УН, (см. рис. 5) и R3 ≈ в УМ₂ (см. рис. 7). Кроме того, следует увеличить R11 и R12 в УМ₁ (см. рис. 6) для получения l₀, соответствующего выходной мощности.

Рассмотрев примеры построения УМЗЧ с режимом А⁺ можно сформулировать следующие выводы.

1. УМЗЧ с режимом А⁺ имеет существенные преимущества перед УМЗЧ в обычном режиме А по КПД при сравнимом качестве звуковоспроизведения.

2. Конструкция УМЗЧ с режимом А⁺ может быть различной, в том числе с использованием готового УМЗЧ или любых других составляющих УН₁, УМ₁, УМ₂. Предложенный вариант схемы отличается простотой и рассчитан на широкий диапазон изменения максимальной выходной мощности и применение более мощных полупроводниковых приборов.

3. Использование в системе звуковоспроизведения УМЗЧ с режимом А⁺ обеспечивает лучшее качество при применении "акустического" кабеля с соответствующими характеристиками.

ЛИТЕРАТУРА
1. Sano N. u. a. High Efficiency Class ≈ А+ Audio Power Amlifier. Preprint no 1382, 61 AES-Convention, November, 1978
2. Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. ≈ М.: Мир, 1991, с. 219.
3. Левашов Н. Простой УМЗЧ на микросхеме TDA7294. ≈ Радио, 2001, № 3, с. 14.
4. Алейнов А., Сырицо А. Улучшение звуковоспроизведения в системе УМЗЧ ≈ громкоговоритель. ≈ Радио, 2000, № 7, с. 16≈18
5. Аналоговые интегральные схемы. Под редакцией Дж. Коннели. Пер. с англ. — М.:Мир. 1977, с. 101.
6. Лачинян С. Комбинированный УМЗЧ без общей ООС. — Радио, 2001, № 4, с. 13.