Глава 2. Выбор усилителя

Для выполнения курсовой работы был выбран усилитель мощности звуковой частоты высокой верности, схема которого была разработана Н.Суховым.

Предлагаемый вниманию читателей УМЗЧ обладает настолько высокими параметрами, что может быть использован при экспертизе звучания звуковых программ, в том числе воспроизводимых проигрывателями компакт-дисков. О принципах построения таких усилителей рассказывалось в статье автора «К вопросу о природе нелинейных искаже­ний УМЗЧ», опубликованной в предыдущем номере журнала «Радио».

Принципиальная схема одного из каналов УМЗЧ приведе­на на рис. 1. При ее разработке использованы отдельные схемные решения усилителя мощности, описанного в [1]- Отличительная особенность УМЗЧ — отсутствие усилительных каскадов, выполненных по схеме с ОЭ, а также отсутствие оксидных конденсаторов в сигнальных цепях.

Входной сигнал, пройдя че­рез пассивные ФВЧ C1R2 с ча­стотой среза 5 Гц и ФНЧ R1C2 с частотой среза 130 кГц, по­ступает на ОУ DA1 с входным каскадом на полевых транзи­сторах. Усиленный сигнал с вы­хода ОУ через повторитель (VT1) и цепь коррекции на опе­режение R6C6, компенсиру­ющую создаваемый выходным каскадом полюс АЧХ на часто­те 2,3 МГц, поступает на каска­ды сдвига уровня (VT2) и уси­ления напряжения (VT7). Кас­кад усиления напряжения на­гружен на генератор тока на транзисторе VT9 и три после­довательно соединенных двух­тактных эмиттерных повтори­теля на транзисторах VT10— VT12, VT14—VT16, выполняю­щих функции каскада усиле­ния мощности. Размещенный на теплоотводе транзистора VT15 транзистор VT8 задает на­пряжение смещения на базе транзисторов выходного каска­да в режиме АВ и обеспечи­вает его термостабилизацию.

На транзисторах VT3, VT4 со­бран триггер защиты УМЗЧ от токовых перегрузок [2]. Он уп­равляется импульсами коллек­торного тока транзистора VT13, являющегося датчиком

тока транзисторов выходного каскада. При срабатывании триггера открываются ключи на транзисторах VT5 и VT6, которые закрывают транзисто­ры каскада усиления напряже­ния (VT7) и генератора тока (VT9), вследствие чего оказы­ваются закрытыми и транзи­сторы VT10—VT12, VT14— VT16. Индикацию аварийного состояния УМЗЧ обеспечивает светодиод HL1. Возврат УМЗЧ в рабочее состояние (сброс триггера) возможен только после устранения причин пере­грузки выходного каскада. Для этого с помощью выведенной на переднюю панель УМЗЧ кнопки SB1 следует через цепь R8C5 соединить базу транзи­стора VT4 с его эмиттером.

На ОУ DA2 выполнено уст­ройство поддержания нулево­го потенциала по постоянному току на выходе усилителя. Ра­ботает оно следующим обра­зом. Выходной сигнал усилите­ля через ФНЧ R30C17 с часто­той среза 1,5 Гц поступает на активный интегратор

С18 R31DA2, а затем через ре­зистор R7 в виде управляюще­го напряжения в соответству­ющей полярности подается на вход коррекции нуля основно­го ОУ DA1. В результате по­стоянный потенциал на выхо­де УМЗЧ определяется лишь собственным дрейфом напря­жения смещения ОУ D А2 и не превышает ± 0,5 мВ при на­гревании любого из элемен­тов УМЗЧ до температуры 110 ⁵С и асимметрии пита­ющих напряжений в диапазоне от +7 В, —45 В до +45 В, —7 В. Кроме того, такое схе­мотехническое решение по­зволило избавиться от приме­нения блокировочных и раз­делительных оксидных конден­саторов в цепи прохождения сигнала и цепи сигнальной

ООС, а также разделить точки подключения ООС по постоян­ному и переменному токам.

Последнее обстоятельство нуждается в особом поясне­нии. Дело в том, что в УМЗЧ обычно используется совме­щенная цепь общей ООС, ко­торая замыкает ее петлю как по постоянному, так и по пере- менному току (рис. 2). При этом сигнал ООС снимают не­посредственно с выхода усили­теля, в то время как нагрузка R_H подключена к нему через контактную группу К1.1 реле защиты АС от аномального по­тенциала на выходе УМЗЧ. То есть нелинейный элемент (контактная группа) оказывает­ся вне петли ООС, в результа­те чего проявление его нели­нейности максимально. Под­ключение петли ООС к общей точке контактной группы К1.1 и нагрузки (т. е. охват ее пет­лей ООС), как показано штри­ховой линией, в этом случае невозможно, так как в первый момент после включения УМЗЧ контакты К1.1 будут разомкнуты, цепь ООС по по­стоянному току не замкнута и усилитель не сможет войти в нормальный режим работы. В рассматриваемом УМЗЧ цепь ООС по постоянному току подключена непосредственно к его выходу, а по перемен­ному (резистор R36) — после контактной группы К1.1. В ре­зультате нулевой потенциал на выходе УМЗЧ устанавливается независимо от положения кон­тактов, а проявление нелиней­ности контактной группы К1.1 практически устранено петлей общей ООС по переменному току.

На ОУ DA3 выполнено уст­ройство компенсации сопро- тивления проводов, соединя­ющих выход УМЗЧ с АС. Его схемотехническое решение за­имствовано из [3]. Работает оно следующим образом. Протекающий по «земляному» соединительному проводу ток нагрузки создает на нем падение напряжения, которое от­дельным тонким проводником подводится к инвертирующему входу удвоителя напряжения на ОУ DA3. При этом напряжение на выходе этого ОУ равно падению напряжения на обоих соединительных проводах (как «земляной», так и «горячий» провода имеют практически одно и то же сопротивление и по ним протекает один и тот же ток), но противоположно по фазе. Это на­пряжение через резистор дополнительной ООС R35 пода­ется в цепь инвертирующего входа ОУ DA1, суммируясь с сигналом основной ООС, в результате чего напряжение на выходе усилителя увеличивается ровно на падение напряжения на обоих соединительных проводах, чем и обеспечивается компенсация их сопротивления. Такое устройство не нуждается в каком-либо на­лаживании при замене АС или соединительных проводов и компенсирует не только ре­зистивную, но и реактивную составляющие их полного рас­пределенного сопротивления.

Рис. 1

Аналогичные схемные реше­ния применены в ряде пре­стижных УМЗЧ японских фирм «Toshiba» (так называемая «Clean Drive System»), «Kenwood» («Sigma Drive System») [4], «Akai» («Zero Drive System»).

С целью уменьшения низко­частотных межканальных помех и искажений каждый канал УМЗЧ питается от отдельного

нестабилизированного источника. Питающие напряжения зависят от необходимой выходной мощности, сопротивле­ния нагрузки и могут быть установлены без каких-либо изменений схемы в диапазоне от ±25 до ±45 В. Требуется только замена реле устройства защиты АС (см. ниже) на более низкоомное. Для выбора питающих напряжений можно воспользоваться формулой и_пи,= 5+.. 2PнRн; где р_н — номинальная мощность в нагрузке, R_H — номинальное сопротивление АС. Емкость конденсаторов сглаживающего фильтра выпрямителей каждого канала должна быть не менее 2X10 000 мкФ при Р_н>40 Вт и 2X6000 мкФ при Р_н<40 Вт.

На рис. 3 приведена прин­ципиальная схема устройства защиты АС, обеспечивающего задержку подключения АС к выходу УМЗЧ при включении

Рис. 2

питания и отключение их при срабатывании триггеров защиты усилителя от токовых перегрузок, появлении на выходах аномального постоянного напряжения, снижения любого из четырех постоянных напряжений питания, а также при падении напряжения в сети переменного тока. При включении питания подключение АС к выходу УМЗЧ задерживает (на 1...2 с) интегрирующая цепь R7C4 в цепи базы коммутирующего транзистора VT4. Нормальный режим индицирует зеленый светодиод HL1.

Появившееся на выходе лю­бого канала УМЗЧ аномальное постоянное напряжение поло­жительной полярности через развязывающие диоды VD4, VD5 поступает на базу тран­зистора VT1, а отрицательной через диоды VD6, VD7 и ин­вертор VT2 — на базу транзи­стора VT3. При этом соответ­ствующий транзистор (VT1 или VT3) открывается и база коммутирующего транзистора VT4 оказывается соединенной с об­щим проводом. В результате последний транзистор закры­вается и контакты К1.1 и К1.2 (рис. 1) реле К1 отключают АС от УМЗЧ.

При срабатывании триггеров токовой защиты УМЗЧ отрица­тельное напряжение с их вы­ходов через цепи R10VD8 или R11VD9 и инвертор VT2 посту­пает на базу транзистора VT3,

который открывается и соединяет базу коммутирующего транзистора VT4 с общим проводом, что, как и в предыдущем случае, влечет за собой срабатывание реле К1 и отключение АС от УМЗЧ.

Отрицательное напряжение с выходов триггеров поступает также и на мультивибраторы на микросхеме DD1, которые запускаются, обеспечивая прерывистое свечение свето­диодов HL2 или HL3, подклю­ченных к ним через транзи­сторы VT5, VT6, что и сигнали­зирует о срабатывании токовой защиты.

При уменьшении (по моду­лю) напряжения питания —и_пит2 или напряжения сети (пропорциональное ему напряжение вторичной обмотки сетевого трансформатора, выпрямленное диодами VD1 и VD2) изменится (с отрицательного на положительный) по­тенциал точки соединения резисторов R3, R4, R5. В резуль­

тате мгновенно откроется транзистор VT1, а вслед за ним закроется транзистор VT4 и ре- ре К1 отключит АС от УМЗЧ. При уменьшении модулей напряжений — U_nMT, и +и_пит, обесточивается непосредственно обмотка реле К1, поскольку оно питается от источников этих напряжений соответственно через резисторы R8 и R6. И наконец, при уменьшении напряжения +U_nMt2 отключение АС от УМЗЧ достигается за счет срабатывания реле К1 в результате падения ниже порогового значения тока базы коммутирующего транзистора VT4, протекающего че­рез соединенную с этим ис­точником питания цепь VD10R7.

ДЕТАЛИ И КОНСТРУКЦИЯ

Каждый канал усилителя собран на отдельной печатной плате. Чертеж печатной платы одного канала УМЗЧ показан на рис. 4. Транзисторы VT12, VT13 установлены на теплоотводах из листового металла толщиной 0,5...1 мм (латунь, алюминий) площадью 6 см".

Для исключения «наведенных» искажений каждый из общих выводов печатной платы О,, О г, Oj (рис. 1), а также «земляной» провод нагрузки каждого канала необходимо соединить с общей точкой всех четырех конденсаторов сглаживающих фильтров выпрямителей отдельными проводниками, как показано на рис. 5.

Резисторы R37 — R40 и кон­денсатор С21 (см. рис. 1), смонтированы на печатной пла­те устройства защиты АС (рис. 6).

Мощные выходные транзи­сторы VT15, VT16 должны быть установлены на теплоотводы с такой площадью, при которой температура их корпусов в наиболее термонапряженном режиме (или рассеиваемой на одном транзисторе мощности ^ркп,_а, U^_r/10R_H) не превы- шала бы -j-80 С. Автор применил теплоотводы с тепловым сопротивлением 1,2 °С/Вт. Транзистор VT8, обеспечивающий гермостабилизацию тока покоя, установлен через изолирующую прокладку на теплоотводе транзистора VT15.

Вторичные обмотки каждого из сетевых трансформатор рассчитаны на средний ток IJS\/2P^7R^7 л.

Для уменьшения магнитных наводок на окружающую УМЗЧ аппаратуру (особенно магнитофоны) сетевые трансформаторы целесообразно выполнить на тороидальных магнитопроводах и расположить их один над другим, подключив первичные обмотки трансформаторов к сети противофазно.

Возможная замена элементов усилителя: ОУ DA2 — К140УД7, К140УД12, К140УД14, К140УД17; DA1 — К574УД1Б, DA3 — К544УД2, К544УД1. Стабилитроны VD1, VD2 — любые маломощные на напряжение 12...14 В. Диоды VD3 — VD6 — любые кремниевые маломощные, диоды устройства защиты АС (рис. 3) — кремниевые маломощные с обратным напряжением не менее 50 В. Микросхему DD1 можно заменить на К561ЛЕ5, реле К1 (РЭС-22 РФ4.500.130) — РЭС-6, паспорт РФО.452.110 или РФ0.452.100

Отклонение номиналов ре­зисторов R33 — R36 УМЗЧ от указанных на схеме не должно превышать ±2 %, остальных — ±10 %. Подстроечные резисторы R21, R26, R32 — СП5-3. Конденсаторы могут быть КМ-6, К73-9, К73-17. Автор применил К73-11. Отклонения номиналов конденсаторов С2, С4, С6, С16 и С18 от указанных на схеме не должно превышать ±20 %, остальных —

| 80 ..—20 %.

НАЛАЖИВАНИЕ

Перед налаживанием усилителя отключают нагрузку и временно подключают резистор R36 (ООС по переменному току) к общей точке резисторов R37 и R40. Движок резистора R32 должен при этом находиться в среднем положении, R26 — в крайнем верхнем, R21 — в крайнем правом (по схеме). Вход устройства компенсации на ОУ DA3 (ОС?, см. рис. 1) соединяют с общим проводом.

Подав на УМЗЧ питающие напряжения, резистором R21 по падению напряжения на резисторах R37, R40 (т. е. между эмиттерами VT15 и VT16), которое должно быть равным 0,1(R37+R40) В, т. е. 66 мВ, устанавливают начальный ток транзисторов выходного каскада равным 100 мА. После этого резистором R32 устанавливают постоянный потенциал на выходе УМЗЧ в пределах ±0,5 мВ. Если же достичь балансировки нуля резистором R32 не удается, необходимо заменить ОУ DA1 или соединить его выводы 2 и 8 резистором сопротивлением 150... 300 кОм.

В последнюю очередь устанавливают порог срабатывания токовой защиты. Для этого нагружают усилитель резистором сопротивлением 2 Ом, на вход подают синусоидальный сигнал частотой около 1 кГц и увеличивают его амплитуду до тех пор, пока средний потребляемый усилителем ток не достигнет 4,4 А. После этого резистором R26 добиваются срабатывания триггера защиты (о чем сигнализирует загорание светодиода HL1). Две последние операции во избежание перегрева мощных выходных транзисторов необходимо производить оперативно, не более 1 мин.

Устройство защиты АС налаживания не требует, необходимо лишь проверить его работоспособность, подавая поочередно напряжения +2 В на резисторы R1 или R2 и —U_n„ri — на R10 или R11, а также снимая напряжения ±U_nMTl, ±и_пит2 и сетевое, что должно приводить к прекращению свечения светодиода HL1 и размыканию контактов реле К1. Кроме того, при подаче напряжения—U_nMx1 на резисторы R10 или R11 должны прерывисто светиться светодиоды HL2 или HL3.

Эксплуатация усилителя особенностей не имеет, за исключением устройства компенсации сопротивления проводов на ОУ DA3. Для ее нормальной работы как «горячий», так и «земляной» проводники, соединяющие УМЗЧ с АС, должны быть однотипными и равной длины, а вход устройства компенсации (ОС2) должен быть подключен тонким проводником (например,

ПЭ^1ШО 0,12) к общей точке АС и «земляного» проводника непосредственно на зажиме АС. При необходимости устройство компенсации может быть отключено: для этого до

статочно его вход оставить свободным или заземлить. В этом случае оно не будет оказывать на работу УМЗЧ никакого воздействия.

Параметры, полученные автором при испытаниях его экземпляра УМЗЧ при работе от источников питания напряжением U_nMT= ±45 В, таковы:

Предпагаемый УМЗЧ обладает настолько высокими параметрами, что может быть использован при экспертизе звучания звуковых программ, в том числе воспроизводимых проигрывателями компакт-дисков. О принципах построения таких усилителей рассказывалось в статье автора "К вопросу о природе нелинейных искажений УМЗЧ".

Принципиальная схема приведена на рис.1. При ее разработке использованы отдельные схемные решения усилителя мощности. Отличительная особенность УМЗЧ - отсутствие усилительных каскадов, выполненных по схеме с ОЭ, а также отсутствие оксидных конденсаторов в сигнальных цепях.

Входной сигнал, пройдя через пассивные ФВЧ C1R2 с частотой среза 5 Гц и ФНЧ R1C2 с частотой среза 130 кГц, поступает на ОУ DA1 с входным каскадом на полевых транзисторах. Усиленный сигнал с выхода ОУ через повторитель (VT1) и цепь коррекции на опережение R6C6, компенсирующую создаваемый выходным каскадом полюс АЧХ иа частоте 2,3 МГц, поступает на каскады сдвига уровня (VT2) и усиления напряжения (VT7). Каскад усиления напряжения нагружен на генератор тока на транзисторе VT9 и три последовательно соединенных двухтактных эмиттерных повторителя на транзисторах VT10-VT12, VT14-VT16, выполняющих функции каскада усиления мощности. Размещенный иа теплоотводе транзистора VT15 транзистор VT8 задает напряжение смещения на базе транзисторов выходного каскада в режиме АВ и обеспечивает его термостабилизацию.

На транзисторах VT3, VT4 собран триггер защиты УМЗЧ от токовых перегрузок. Он управляется импульсами коллекторного тока транзистора VT13, являющегося датчиком датчиком тока транзисторов выходного каскада. При срабатывании триггера открываются ключи на транзисторах VT5 и VT6, которые закрывают транзисторы каскада усиления напряжения (VT7) и генератора тока (VT9), вследствие чего оказываются закрытыми и транзисторы VT10-VT12, VT14-VT16. Индикацию аварийного состояния УМЗЧ обеспечивает светодиод HL1. Возврат УМЗЧ в рабочее состояние (сброс триггера) возможен только после устранения причин перегрузки выходного каскада. Для этого с помощью выведенной на переднюю панель УМЗЧ кнопки SB1 следует через цепь R8C5 соединить базу транзистора VT4 с его эмиттером.

На ОУ DA2 выполнено устройство поддержания нулевого потенциала по постоянному току на выходе усилителя. Работает оно следующим образом. Выходной сигнал усилителя через ФНЧ R30C17 с частотой среза 1,5 Гц поступает на активный интегратор С18 R31DA2, а затем через резистор R7 в виде управляющего напряжения в соответствующей полярности подается на вход коррекции нуля основного ОУ DA1. В результате постоянный потенциал на выходе УМЗЧ определяется лишь собственным дрейфом напряжения смещения ОУ D А2 и не превышает +0,5 мВ при нагревании любого из элементов УМЗЧ до температуры 110?С и асимметрии питающих напряжений в диапазоне от +7 В, -45 В до +45 В, -7 В. Кроме того, такое схемотехническое решении позволило избавиться от применения блокировочных и разделительных оксидных конденсаторов в цепи прохождения сигнала и цепи сигнальной ООС, а также разделить точки подключения ООС по постоянному и переменному токам.

Последнее обстоятельство нуждается в особом пояснении. Дело в том, что в УМЗЧ обычно используется совмещенная цепь общей ООС, которая замыкает ее петлю как по постоянному, так и по переменному току (рис.2). При этом сигнал ООС снимают непосредственно с выхода усилителя, в то время как нагрузка Rн подключена к нему через контактную группу K1.1 реле защиты АС от аномального потенциала на выходе УМЗЧ. То есть нелинейный элемент (контактная группа) оказывается вне петли ООС, в результате чего проявление его нелинейности максимально. Подключение петли ООС к общей точке контактной группы К1.1 и нагрузки (т.е. охват ее петлей ООС), как показано штриховой линией, в этом случае невозможно, так как в первый момент после включения УМЗЧ контакты К1.1 будут разомкнуты, цепь ООС по постоянному току не замкнута и усилитель не сможет войти в нормальный режим работы. В рассматриваемом УМЗЧ цель ООС по постоянному току подключена непосредственно к его выходу, а по переменному (резистор R36) - после контактной группы К1.1. В результате нулевой потенциал на выходе УМЗЧ устанавливается независимо от положения контактов, а проявление нелинейности контактной группы К1.1 практически устранено петлей общей ООС по переменному току. На ОУ DA3 выполнено устройство компенсации сопротивления проводов, соединяющих выход УМЗЧ с АС. Работает оно следующим образом. Протекающий по "земляному" соединительному проводу ток нагрузки создает на нем падение напряжения, которое отдельным тонким проводником подводится к инвертирующему входу удвоителя напряжения на ОУ DA3. При этом напряжение на выходе этого ОУ равно падению напряжения на обоих соединительных проводах (как "земляной", так и "горячий" провода имеют практически одно и то же сопротивление и по ним протекает один и тот же ток), но противоположно по фазе. Это напряжение через резистор дополнительной ООС R35 подается в цепь инвертирующего входа ОУ DA1, суммируясь с сигналом основной ООС, в результате чего напряжение на выходе усилителя увеличивается ровно на падение напряжения на обоих соединительных проводах, чем и обеспечивается компенсация их сопротивления. Такое устройство не нуждается в каком-либо налаживании при замене АС или соединительных проводов и компенсирует не только резистивную, но и реактивную составляющие их полного распределенного сопротивления.

Аналогичные схемные решения применены в ряде престижных УМЗЧ японских фирм "Toshiba" (так называемая "Clean Drive System"), "Kenwood" ("Sigma Drive System"), "Akai" ("Zero Drive System").

При включении питания подключение АС к выходу УМЗЧ задерживает интегрирующая цепь R7C4 в цепи базы коммутирующего транзистора VT4. Нормальный режим индицирует зеленый светодиод HL1.

Появившееся на выходе любого канала УМЗЧ аномальное постоянное напряжение положительной полярности через развязывающие диоды VD4, VD5 поступает на базу транзистора VT1, а отрицательной через диоды VD6, VD7 и инвертор VT2 - на базу транзистора VT3. При этом соответствующий транзистор (VT1 или VT3) открывается и база коммутирующего транзистора VT4 оказывается соединенной с общим проводом. В результате последний транзистор закрывается и контакты К1.1 и К1.2 (рис.1) реле К1 отключают АС от УМЗЧ.

При срабатывании триггеров токовой защиты УМЗЧ отрицательное напряжение с их выходов через цепи R10VD8 или R11VD9 и инвертор VT2 поступает на базу транзистора VT3, который открывается и соединяет базу коммутирующего транзистора VT4 с общим проводом, что, как и в предыдущем случае, влечет за собой срабатывание реле К1 и отключение АС от УМЗЧ.

Отрицательное напряжение с выходов триггеров поступает также и на мультивибраторы на микросхеме DD1, которые запускаются, обеспечивая прерывистое свечение светодиодов HL2 или HL3, подключенных к ним через транзисторы VT5, VT6, что и сигнализирует о срабатывании токовой защиты.

При уменьшении (по модулю) напряжения питания -Uпит2 или напряжения сети (пропорциональное ему напряжение вторичной обмотки сетевого трансформатора, выпрямленное диодами VD1 и VD2) изменится (с отрицательного на положительный) потенциал точки соединения резисторов R3, R4. R5. В результате мгновенно откроется транзистор VT1, а вслед за ним закроется транзистор VT4 и реле К1 отключит АС от УМЗЧ. При уменьшении модулей напряжений -Uпит1, и +Uпит1 обесточивается непосредственно обмотка реле К1, по скольку оно питается от источников этих напряжений соответственно через резисторы R8 и R6. И наконец, при уменьшении напряжения +Uпит2 отключение АС от УМЗЧ достигается за счет срабатывания реле К1 в результате падения ниже порогового значения тока базы коммутирующего транзистора VT4, протекающего через соединенную с этим источником питания цепь VD10R7.

Резисторы R37-R40 и конденсатор С21, смонтированы на печатной плате устройства защиты АС.

Отклонение номиналов резисторов R33-R36 УМЗЧ от указанных на схеме не должно превышать ±1 %, остальных ±10 %. Подстроечные резисторы R21, R26, R32 - СП5-3. Конденсаторы могут быть КМ-6, К73-9, К73-17. Автор применил К73-11. Отклонения номиналов конденсаторов С2, С4, С6, С16 и С18 от указанных на схеме не должно превышать 20 %, остальных - +80..-20 %.

Схемотехнические новшества применяемые при создании УМЗЧ ВВ.

Усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) высокой верности (ВВ), разработанный в 1989 году Николаем Суховым, уже с полным правом можно назвать легендарным. При его разработке был применен профессиональный подход, основанный на знаниях и опыте в области аналоговой схемотехники. Как результат, параметры этого усилителя оказались настолько высокими, что и на сегодняшний день данная конструкция не потеряла актуальности.

Усилитель разрабатывался как оконечное звено стенда для субъективной экспертизы звучания CD-плейеров по заданию одной из испытательных лабораторий. Стояла задача выполнить конструкцию на отечественной элементной базе и обеспечить выходную мощность 100 Вт на нагрузке 8 Ом (студийные мониторы фирмы JBL) при уровне искажений и шумов на 10...20 дБ ниже, чем у CD-плейеров.

Отли­чительная особенность УМЗЧ — отсутствие усилитель­ных каскадов, выполненных по схеме с ОЭ, а также отсут­ствие оксидных конденсаторов в сигнальных цепях.

Отрицательные факторы, которые способны ухудшить звучание, в УМЗЧ ВВ устранены наиболее эффективным способом — схемотехнически. Устранения нелинейности соединительных проводов, контактов разъемов и реле при разработке этого усилителя было уделено особое внимание. В частности, в усилитель введен специальный каскад, компенсирующий не только нелинейность, но также активную и реактивную составляющие распределенного сопротивления соединительных проводов, а цепь общей ООС (отрицательной обратной связью) выполнена так, что компенсирует нелинейность "холодных" контактов реле коммутации выхода УМЗЧ и разъемов. При введении в УМЗЧ каскадов компенсации полного импеданса проводов и нелинейности "холодных" контактов, искажения исчезают, причем независимо от качества (и цены!) соединительных проводов и разъемов. Это сделать несложно: потребуются лишь три прецизионных (или точно подобранных) резистора и один ОУ.

На ОУ 0А2 выполнено уст­ройство поддержания нулево­го потенциала по постоянному току на выходе усилителя. Такое схе­мотехническое решение по­зволило избавиться от приме­нения блокировочных и раз­делительных оксидных конден­саторов в цепи прохождения сигнала и цепи сигнальной ООС, а также разделить точки подключения ООС по постоян­ному и переменному токам.

1. История совершенствования и схемотехника доработки УМЗЧ ВВ до наших дней.

Новые разработки УМ идут в основном по пути удешевления, улучшения технологичности конструкции, увеличения выходной мощности, повышения КПД, улучшения потребительских качеств.

Микроконтроллер.

Встроенный микроконтроллер позволяет управлять усилителем с помощью ИК пульта ДУ (общего с предварительным усилителем). Кроме того, микроконтроллер осуществляет измерение и индикацию средней и квазипиковой выходной мощности, температуры радиаторов, реализует отключение по таймеру и обрабатывает аварийные ситуации. Система защиты усилителя, а также управление включением и выключением питания реализованы с участием микроконтроллера.

Выходные транзисторы УМ заменены транзисторами КТ8101А, КТ8102А, которые имеют более высокую граничную частоту коэффициента передачи тока. У мощных транзисторов довольно ярко выражен эффект падения коэффициента передачи тока при росте тока коллектора. Этот эффект является крайне нежелательным для УМ, так как здесь транзисторам приходится работать при больших выходных токах. Модуляция коэффициента передачи тока приводит к значительному ухудшению линейности выходного каскада усилителя. Для уменьшения влияния этого эффекта в выходном каскаде применено параллельное включение двух транзисторов (и это минимум, который можно себе позволить).

При параллельном включении транзисторов для уменьшения влияния разброса их параметров и выравнивания рабочих токов применены раздельные эмиттерные резисторы. Для нормальной работы системы защиты от перегрузок по току добавлена схема выделения максимального значения напряжения на диодах VD9 – VD12 (рис. 5), так как теперь приходится снимать падение не с двух, а с четырех эмиттерных резисторов.

Другие транзисторы составного эмиттерного повторителя - это КТ850А, КТ851А (корпус TO-220) и КТ940А, КТ9115А (корпус TO-126). В схеме стабилизации тока покоя применен составной транзистор КТ973А (корпус TO-126).

Произведена и замена ОУ на более современные. Основной ОУ U1 заменен AD744, который обладает повышенным быстродействием и хорошей линейностью. ОУ U2, который работает в схеме поддержания нулевого потенциала на выходе УМЗЧ, заменен OP177, обладающим низким смещением нуля (не более 15 мкв). Это позволило отказаться от подстроечного резистора регулировки смещения. Нужно отметить, что из-за особенностей схемотехники AD744 ОУ U2 должен обеспечивать выходное напряжение, близкое к напряжению питания (вывод 8 ОУ AD744 по постоянному напряжению отстоит от вывода 4 всего на два p-n перехода). Поэтому не все типы прецизионных ОУ подойдут. В крайнем случае, можно применить «подтягивающий» резистор с выхода ОУ на –15 В. ОУ U3, который работает в схеме компенсации импеданса соединительных проводов АС, заменен AD711. Параметры этого ОУ не столь критичны, поэтому был выбран дешевый ОУ с достаточным быстродействием и довольно низким смещением нуля.

В результате такой замены понадобилось несколько скорректировать номиналы цепей частотной коррекции. Особо следует обратить внимание на емкость конденсатора C13: она уменьшена до 10 пФ. Параллельно этой емкости включена паразитная емкость [коллектор транзистора VT8] – [корпус]. Эта емкость зависит от примененной изолирующей прокладки и может быть соизмеримой с C13. Поэтому рекомендуется применять для VT8 толстую керамическую прокладку.

В схему добавлены резисторные делители R49 – R51, R52 – R54 и R47, R48, которые служат для снятия сигналов тока и напряжения для схемы измерения мощности.

Изменена реализация земляных цепей. Поскольку теперь каждый канал усилителя полностью собран на одной плате, отпала необходимость во множественных земляных проводах, которые должны соединяться в одной точке на шасси. Специальная топология печатной платы обеспечивает звездообразную разводку земляных цепей. Звезда земли соединяется одним проводником с общим выводом источника питания. Нужно заметить, что такая топология годится лишь при полностью раздельных источниках питания левого и правого каналов.

В оригинальной схеме усилителя петля обратной связи по переменному току охватывает и контакты реле, которые подключают нагрузку. Эта мера принята для уменьшения влияния нелинейности контактов. Однако при этом возможны проблемы с работой защиты по постоянной составляющей. Дело в том, что при включении усилителя питание подается раньше, чем включается реле нагрузки. В это время на входе УМ может присутствовать сигнал, а коэффициент передачи усилителя вследствие разорванной петли обратной связи очень велик. В таком режиме УМ ограничивает сигнал, а схема компенсации напряжения смещения в общем случае неспособна поддержать на выходе УМ нулевое значение постоянной составляющей. Поэтому еще до подключения нагрузки может обнаружиться, что на выходе УМ присутствует постоянная составляющая, и тогда сработает система защиты. Устранить этот эффект очень просто, если использовать реле с переключающими контактами.

Устройство поддержания нуля на выходе УМЗЧ

В статье рассмотрены вопросы стабилизации режима в УМЗЧ с интегратором в цепи ООС.

Поддержание нулевого значения постоянного напряжения на выходе УМЗЧ с симметричным двухполярным питанием необходимо для минимизации нелинейных искажений и исключения протекания постоянного тока выходного каскада через нагрузку без разделительного конденсатора. Невыполнение этого условия приводит к асимметрии тока мощных транзисторов и смещению звуковой катушки головки НЧ.

При повторении УМЗЧ [1] обратило на себя внимание устройство поддержания "нуля" на выходе усилителя. При указанных на схеме номиналах деталей и точки приложения получаемого управляющего напряжения обнаруживались небольшие отклонения постоянного напряжения на выходе под действием сигналов низких частот. Анализ устройства стабилизации режима по постоянному напряжению (УСР) показало следующее.

Основной цепью ФНЧ в цепи ООС по постоянному току являются элементы R30 и С17 (рис. 1). Именно они задают частоту среза:

Это частота, на которой коэффици­ент передачи ФНЧ падает на 3 дБ, или на 30 %, по отношению к коэффициенту передачи на постоянном токе. Далее с ростом частоты АЧХ фильтра имеет спад с наклоном 20 дБ на декаду; проще говоря, уменьшение выходного напряжения в 10 раз при увеличении частоты в 10 раз. Что же касается расположенной на рис. 1 правее конденсатора С17 части схемы этого ФНЧ (неинвертирующего интегратора), то на частотах 16...20 Гц ОУ работает практически как повторитель. Как мы увидим в дальнейшем, это важно.

Полоса этого УМЗЧ достаточно далеко расширена вниз: по уровню -0,5 дБ она ограничена частотой 5 Гц и наличие низших частот в указанной полосе в усилителе не ограничено. Тут начинается самое интересное. На частоте 16 Гц (на порядок выше частоты среза 1,59 Гц) коэффициент передачи фильтра примерно равен 0,1. Поэтому при полной амплитуде сигнала (U_caMn = 40 В) на этой частоте напряжение на инвертирующем входе ОУ DA2 достигает 4 В. Это напряжение можно увидеть с помощью осциллографа на выводе 6 ОУ DA2. Через резистор R7 вместе с постоянной составляющей оно прикладывается к выводу 6 ОУ DA1 (см. схему УМЗЧ на рис. 1 в [1]).

В результате возникает интересная коллизия, поясняемая фрагментом схемы ОУ, показанной на рис. 2. Как указано в [2], потенциал точки вывода 6 ОУ DA1 ниже потенциала вывода 5 на два перепада напряжения на р-п переходах. Это эмиттерные переходы интегральных транзисторов VT3, VT4 (нумерация условная).

В то же время выходное напряжение ОУ не способно превысить уровень | U_пит | — 1,2 В, так как в его выходном каскаде применен составной эмиттерный повторитель на VT5, VT6. При неблагоприятном сочетании в УМЗЧ отклонений напряжения U_Бэ VT7, VT9, напряжения смещения ОУ К574УД1 (DA1) и номиналов R17, R18 (см. рис. 1 в [1]) для поддержания нулевого потенциала на выходе УМЗЧ может потребоваться корректирующее напряжение на выходе УСР, равное напряжению на базе интегрального транзистора VT3 (рис. 2). При этом 4 В амплитуды напряжения на выходе УСР будут неизбежно ограничены по отрицательной полуволне и через R7 поданы на базу VT3 микросхемы. В нормальном режиме напряжение сигнала в этой точке не превышает 0.5...1 мВ относительно -15 В. Петлевое усиление не помогает, так как помехи и искажения подавляются тем больше, чем выше усиление каскадов между входом УМЗЧ и точкой возникновения помех. В данном случае с помехой "борются" транзисторы VT1, VT2 дифференциального каскада ОУ. Его возможности при токе стока по 0,4...0,5 мА намного превышают возможности цепи коррекции, создающей ток 0,02 мА. Именно это обусловило применение резистора R44 в [2].

Для уже собранного УМЗЧ В В эффективно увеличение номиналов цепи R30C17 в 10 раз и включение пары кремниевых диодов в прямом включении последовательно с резистором R7 в качестве устройства сдвига уровня.

Для вновь изготавливаемого УМЗЧ целесообразнее применить иную схему УСР, показанную на рис. 3. Здесь элементы DA1, R3, С1, R5 включены по схеме активного интегратора на ОУ. При наихудших условиях — амплитуда сигнала U_саМп = 40 В с частотой f = 16 Гц — на выходе DA1 оказывается не более 9 мВ переменной составляющей. ОУ DA2 сум­мирует падение напряжения на проводе кабеля (от УМЗЧ к громкоговорителю ВА1) и постоянное напряжение с выхода DA1 и передает полученный результат на инвертирующий вход УМЗЧ. Так замыкается петля ООС по постоянному току. Отношение е_см/Д|'_вх для ОУ DA1, равное 50 мВ/0,2 нА, соответствует сопротивлению 250 МОм. Это позволяет увеличить сопротивление резистора R3, уменьшая переменную составляющую на выходе DA1. Диоды VD1—VD4 — защитные.

Налаживание УСР проводят в следующем порядке. Отключают резистор R4 от цепи R1. подстроенным резистором по штатной для операционного усилителя схеме, примененного в УМЗЧ, устанавливают напряжение на выходе УМЗЧ равным нулю; это "грубая" настройка. При точной подстройке следует обратно подключить резистор R4 к R1; по штатной для примененного ОУ схеме (DA1) точно устанавливают нулевой потенциал на выходе УМЗЧ.

Современный УМЗЧ ВВ.