Конечный каскад для усилителя нч. Особенности каскадов предварительного усиления. Принципиальная схема умзч

Такие достоинства полевых транзисторов, как малые нелинейные искажения, высокое входное сопротивление и низкий уровень шумов, делают их весьма привлекательными для использования в каскадах предварительного усиления УМЗЧ. Однако широкое применение этих транзисторов в таких устройствах сдерживается из-за сравнительно малого предельно-допустимого напряжения сток-исток.

Избавиться от этого недостатка позволяет включение транзисторов предварительного усилителя по каскодной схеме ОИ-ОБ (общий исток— общая база). В публикуемой статье предлагается один из вариантов УМЗЧ с входным каскадом, построенным по схеме ОИ-ОБ.

Принципиальная схема УМЗЧ

Принципиальная схема УМЗЧ показана на рисунке. Симметричный входной каскад усилителя выполнен на транзисторах ѴТ1—ѴТ4, включенных по схеме ОИ-ОБ. Предоконечный каскад УМЗЧ собран на транзисторах ѴТ5, ѴТ6, а выходной — на транзисторах ѴТ8—ѴТ13 по стандартной схеме.

Усилитель охвачен цепью ООС, глубина которой по переменному току составляет 32 дБ. Все его каскады работают в симметричном режиме, что позволило получить коэффициент гармоник при выходной мощности 40 Вт без ООС около 1%.

Для питания усилителя необходимо иметь два источника: стабилизированный напряжением +34 В и нестабилизированный +32 В. При питании от указанных источников усилитель обеспечивает получение следующих технических характеристик:

• номинальное входное напряжение — 0,8 В;
• входное сопротивление — 440 кОм;
• номинальная выходная мощность при коэффициенте гармоник 0,5% и сопротивлении нагрузки 4 Ома — 50 Вт;
• коэффициент гармоник при выходной мощности 0,1...35 Вт на частоте 1000 Гц — 0,07%, 20 000 Гц— 1%,
• скорость нарастания выходного напряжения (без цепи R1C2)—40 В/мкс;
• отношение сигнал/шум — 86 дБ.

В усилителе использованы постоянные резисторы МЛТ-0,5 (R3, R22, R25) и МЛТ-0,25 (остальные); подстроечные (R5, R14) -СПЗ-16; R26, R27 — проволочные. Конденсаторы С1 и С7 — МБМ; С2, С4—С6 — КТ-1, СЗ — оксидный К50-6.

Транзисторы КПЗОЗД заменят КП303Г и КП303Е; КП103М — КП103Л; КТ3102А — КТ3102Б; КТ3107А— КТ3107Б; КТ502Е — КТ502Д; КТ503Е — КТ503Д; КТ814Г — КТ814В, КТ816В и КТ816Г; КТ815Г — КТ815В, КТ817В и КТ817Г; КТ818Г — КТ818В; КТ819Г — КТ819В.

Транзисторы ѴТ2 и ѴТЗ необходимо подобрать по токам стока. При напряжении стока Uc = =8,5 В и нулевом напряжении на затворе они должны находиться в пределах 5,5...6,5 мА.

Транзисторы VT12, VT13 размещают на теплоотводах площадью 1000 см2 каждый. К одному из теплоотводов следует приклеить транзистор VT7.

Налаживание

Налаживание усилителя начинают с установки нулевого напряжения на выходе усилителя с помощью резистора R5. Затем резистором R14 устанавливают ток покоя выходных транзисторов равным 200 мА. В заключение, подавая на вход усилителя прямоугольные импульсы амп-
литудой 0,5 В и частотой 1 кГц, подбором конденсатора С4 добиваются отсутствия выбросов на переходной характеристике усилителя.

В. Орлов, г. Москва.

Оконечные каскады усилителей НЧ

Однотактные усилители

Однотактные усилители в ламповых приемниках применяются при выходной мощности не более 4...5 Вт. При больших выходных мощностях, как правило, используются двухтактные усилители.
Наиболее простая схема оконечного каскада - схема с непосредственным включением нагрузки - приведена на рис.1 .

Рис.1

Для того чтобы головные телефоны не находились под высоким напряжением, их часто включают так, как это показано на рис.1 пунктиром, а в анодную цепь ставят сопротивление 4,7...10 кОм.
Наиболее распостраненной нагрузкой оконечных каскадов радиовещательных приемников является электродинамический громкоговоритель с сопротивлением звуковой катушки 3...10 Ом. Такие громкоговорители включают в анодные цепи оконечных каскадов через выходной трансформатор. В настоящее время разработаны электродинамические громкоговорители с сопротивленим 200...800 Ом, которые могут подключаться к усилителю без выходных трансформаторов.

Трансформатор позволяет преобразовывать не только переменное напряжение или ток, но и величину сопротивления между выводами его обмоток. Именно этим объясняется такое широкое применение трансформаторов в усилителях низкой частоты.

Предположим, для простоты рассуждений, что коэффициент полезного действия трансформатора равен 100%. Подключим обмотку w1 понижающего трансформатора Тр к генератору переменного тока, а к обмотке w2 подключим сопротивление нагрузки равное 100 Ом (рис.2) .

Рис.2

Если напряжение генератора равно 100 В, а коэффициент трансформации n, равный отношению числа витков обмоток n = w1/w2 = 2, то ток I2 через сопротивление нагрузки R2 и мощность P2 в нагрузке будут равны:

I2 = U2/R2 = 50 В/100 Ом = 0,5 А
P2 = U2 I2 = 50 В х 0,5 А = 25 Вт.

Поскольку коэффициент полезного действия трансформатора равен 100%, то мощность в нагрузке равна мощности, которую трансформатор потребляет от генератора, то есть P1 = 25 Вт. Ток же в цепи генератора и обмотки w1 равен:

I1 = P1/U1 = 25 Вт/100 В = 0,25 А.

Сопротивление обмотки w1 для генераторов равно:

R1 = U1/I1 = 100 В/ 0,25 А = 400 Ом.

Следовательно, сопротивление R1 получилось в 4 раза больше, чем R2. Если мы повторим расчет для n = 3, то получим, что R1 будет в 9 раз больше R2 и т.д. Поэтому можно написать:

(1)

Таким образом, если к одной из обмоток трансформатора подключено сопротивление R2, то сопротивление другой обмотки для генератора переменного тока оказывается в n в квадрате раз больше.

Если трансформатор понижающий, то n больше единицы и сопротивление R1 получается больше сопротивления R2. Для повышающего трансформатора n меньше единицы и как видно из формулы (1) сопротивление R1 получается меньше сопротивления R2. Так как сопротивление R1 зависит только от величины сопротивления R2, то принято говорить, что R1 это - сопротивление, приведенное или пересчитанное к первичной обмотке.

Используя трансформаторы с различными коэффициентами трансформации можно получить приведенное сопротивление как больше, так и меньше R2.

На рис.3 показана наиболее распостраненная схема однотактного оконечного каскада на лучевом тетроде (или пентоде).

Рис.3

Нагрузкой лампы является сопротивление громкоговорителя Гр, пересчитанное в первичную обмотку w1 (но не сопротивление обмотки w1!). Как мы уже указывали, сопротивление звуковой катушки электродинамических громкоговорителей не превышает 5...10 Ом. Большинство электронных ламп, предназначенных для работы в оконечных каскадах усилителей низкой частоты, отдает максимальную мощность при величинах нагрузочного сопротивления Ra 2,5...10 кОм.

Преобразование низкоомного сопротивления громкоговорителя R2p в высокоомное сопротивление нагрузки Ra и осуществляется с помощью выходного трансформатора.

Нетрудно убедиться в том, что трансформатор должен быть понижающим, а коэффициент трансформации его может быть найден из формулы (1). Для реальных трансформаторов коэффициент полезного действия меньше 100%.

(2)

Необходимое число витков вторичной обмотки w2 в зависимости от сопротивления звуковой катушки громкоговорителя находим по формуле:

где w1 - число витков первичной обмотки, указанное в табл.1.

Таблица 1

Тип ламп	6П1П	6П6С	6П14П		6П18П	6Ф1П*	6Ф3П*
Режимы
Напряжение источника, В
Выходная мощность, Вт **
Приведенное сопр. нагрузки, кОм
Сопротивление автом.смещения, Ом
Анодный ток в режиме покоя, мА
Сечение сердечника вых. транс., см2
Число витков первичной обмотки
Диаметр провода I обмотки, мм
Диаметр провода II обмотки, мм

* Пентодная часть лампы.
** Величина выходной мощности указана с учетом потерь в выходном трансформаторе.

В большинстве схем оконечных каскадов на лучевых тетродах или пентодах параллельно первичной обмотке включают конденсатор Сш. Иногда конденсатор Сш включают между анодом лампы и землей. Как известно, сопротивление звуковой катушки электродинамического громкоговорителя в значительной степени зависит от частоты и изменяется с частотой так, как это показано на рис.4.

Рис.4

Примерно по такому же закону изменяется с частотой и приведенное к первичной обмотке сопротивление, то есть сопротивление нагрузки оконечной лампы. Изменение сопротивления нагрузки лампы, приводит к увеличению коэффициента нелинейных искажений.

Сопротивление конденсатора, как известно, уменьшается с увеличением частоты. Поэтому параллельно первичной обмотке выходного трансформатора включают конденсатор Сш для того, чтобы сопротивление нагрузки лампы в пределах усиливаемой полосы частот оставалось постоянным. Емкость конденсатора Сш выбирают в пределах от 3000 пФ до 10000 пФ. Рабочее напряжение конденсатора Сш должно быть в 2...3 раза больше напряжения источника анодного питания.

Типовые значения сопротивлений в цепи катодов для оконечных ламп и рекомендуемые режимы оконечных ламп приведены в табл. 1 . Для ламп 6П1П, 6П6С номинальная мощность этого сопротивления должна быть не менее 1 Вт, а для ламп 6П14П и 6П18П - не менее 0,5 Вт. Желательно применять сопротивления с допуском +/- 5%. Конденсатор Ск, блокирующий сопротивление автоматического смещения, должен иметь емкость не менее 10 мкФ для лампы 6П14П и не менее 5 мкФ для остальных ламп.

Для устойчивой работы оконечных ламп сопротивление Rc в цепи управляющей сетки не должно превышать 1 МОм.

Ультралинейный усилитель

Основное отличие ультралинейного усилителя (рис.5 ) от обычного состоит в том, что экранирующая сетка лампы присоединяется не к плюсу источника питания, а к части витков первичной обмотки выходного трансформатора.

Рис.5

Постоянное напряжение на экранирующих сетках для схем рис.3 и рис.5 примерно одинаково. Однако в схеме ультралинейного усилителя на экранирующую сетку лампы поступает и переменное выходное напряжение, снимаемое с части первичной обмотки между выводами 1-2. При правильном выборе режима лампы нелинейные искажения в оконечном каскаде резко снижаются, а выходная мощность и усиление уменьшаются незначительно.

Частотная характеристика усилителя с трансформатором определяется в основном индуктивностью первичной обмотки L1 и индуктивностью рассеяния между первичной и вторичной обмотками трансформатора.
Индуктивность первичной обмотки выходного трансформатора выбирают такой, чтобы индуктивное сопротивление этой обмотки было больше пересчитанного в первичную обмотку сопротивления громкоговорителя. Это легко выполняется на средних звуковых частотах, на которых частотная характеристика каскада получается равномерной (рис.6 ).

Рис.6

Как известно, с понижением частоты индуктивное сопротивление обмотки уменьшается, и поэтому оно будет шунтировать сопротивление нагрузки. А уменьшение сопротивления нагрузки снижает усиление на низших частотах. Чем меньше индуктивность первичной обмотки L1 выходного трансформатора, тем на более высоких частотах начинается завал частотной характеристики усилителя (пунктирная кривая на рис.6 ).

У реальных выходных трансформаторов вследствие рассеяния часть магнитных силовых линий, создаваемых переменным током, проходящим через первичную обмотку, замыкается, минуя витки вторичной обмотки. Это так называемый поток рассеяния, который не создает переменного напряжения на вторичной обмотке. На низших и средних частотах это уменьшение незначительно, но на самых высших частотах напряжение на нагрузке резко уменьшается.

Условно действие потока рассеяния можно представить себе как некоторую небольшую индуктивность, так называемую индуктивность рассеяния Ls, включенную последовательно с первичной обмоткой выходного трансформатора. На низших и средних частотах величина сопротивления индуктивности рассеяния много меньше значения пересчитанного сопротивления нагрузки. На самых высших частотах это сопротивление возрастает и уменьшает переменное напряжение на первичной, а следовательно и на вторичной обмотке. Чем больше поток рассеяния, тем больше индуктивность рассеяния и тем хуже частотная характеристика усилителя на высших частотах (пунктирная линия на рис.6 ).

Уменьшение индуктивности рассеяния достигается тщательным изготовлением выходного трансформатора и специальным выполнением обмоток. В простейшем случае сначала наматывается половина витков первичной обмотки, затем вторичная и поверх нее остальные витки первичной обмотки. Части первичной обмотки соединяются последовательно, то есть конец первой половины с началом второй.

В однотактных выходных каскадах на лампах через первичную обмотку выходного трансформатора всегда протекает постоянный ток, который намагничивает сердечник трансформатора. Это приводит к двум неприятным явлениям.

Во-первых, уменьшается выходная неискаженная мощность усилителя. Поэтому при одной и той же неискаженной мощности трансформатор, работающий с постоянным подмагничиванием, должен иметь большие размеры, чем трансформатор без подмагничивания.

Во-вторых, намагничивание сердечника постоянным током вызывает уменьшение магнитной проницаемости материала сердечника. Это снижает индуктивность первичной обмотки выходного трансформатора, что в свою очередь приводит к уменьшению усиления каскада на самых низших частотах, то есть к появлению частотных искажений.

Для ослабления влияния постоянного подмагничивания сердечник следует собирать с зазором 0,1...0,2 мм между Ш-образными пластинами и перемычками. В этот зазор укладывается бумажная прокладка толщиной 0,1...0,15 мм.

Двухтактные усилители

Принципиальная схема двухтактного усилителя на триодах приведена на рис.7 .

Рис.7

Из схемы видно, что постоянная составляющая анодного тока каждой лампы протекает через половину первичной обмотки выходного трансформатора. Направление тока в половинах обмоток противоположно и поэтому результирующее магнитное поле в сердечнике оказывается равным разности полей, создаваемых током каждой лампы. При равенстве числа витков половин обмотки и анодных токов ламп магнитные поля компенсируют друг друга и результирующее магнитное поле в сердечнике оказывается равным нулю. Это является одним из важных преимуществ двухтактной схемы.

Отсутствие намагничивания сердечника постоянным током - постоянного подмагничивания - позволяет выбирать сердечник меньших размеров, чем для однотактной в усилителях с одинаковой выходной мощностью. Кроме того, отпадает необходимость в зазоре в сердечнике.

На сетки ламп Л1 и Л2 подаются (обычно с фазоинвертора) два одинаковых по амплитуде, но противоположных по фазе напряжения. Поэтому анодные токи ламп также изменяются в противофазе, то есть когда анодный ток одной лампы увеличивается, анодный ток второй лампы уменьшается (рис.8 ).

Рис.8

Но поскольку половины первичной обмотки выходного трансформатора включены встречно, то переменное магнитное поле в сердечнике оказывается пропорциональным арифметической сумме анодных токов (рис.8 в ). Поэтому напряжение на вторичной обмотке выходного трансформатора будет вдвое больше напряжения, которое было бы при работе одной лампы.

Если каждая из ламп двухтактной схемы развивает выходную мощность Рвых, то общая выходная мощность двухтактной схемы будет равна 2Рвых. Такую же мощность мы могли бы получить, если бы включили две лампы параллельно в однотактной схеме, однако двухтактная схема имеет целый ряд достоинств, важнейшими из которых являются отсутствие постоянного подмагничивания сердечника выходного трансформатора; меньшие нелинейные искажения за счет отсутствия четных гармоник.

Усилительные каскады могут работать в нескольких режимах, из которых в усилителях НЧ используются режимы класса А, В, АВ, АВ1, АВ2.

Режим класса А. Напряжение смещения на управляющих сетках ламп - рабочая точка - усилителя класса А выбирается так, чтобы переменное напряжение сигнала на сетках ламп не выходило за пределы прямолинейного участка сеточной характеристики лампы (рис.9а ).

Рис.9а

Показатели усилителей в режиме класса А: малые нелинейные искажения; анодный ток покоя лампы больше переменной составляющей анодного тока, в силу чего коэффициент полезного действия невелик и составляет 30...40%.

Режим класса В. В режиме класса В рабочая точка выбирается на нижнем сгибе сеточной характеристики ламп (рис.9б ). При этом анодный ток покоя лампы близок к нулю, поэтому через лампу протекает анодный ток только при положительных полуволнах входного напряжения. Режим класса В применим лишь в двухтактных схемах. В этих схемах лампы в плечах работают поочередно: во время одного полупериода входного напряжения анодный ток проходит через одну лампу, а во время другого полупериода - через другую лампу.
Достоинством режима класса В является его высокий к.п.д. - до 60...75%. Следует иметь ввиду, что для усилителей режима В нельзя создавать смещение на сетки ламп с помощью сопротивлений в цепи катода.

Рис.9б

Режим класса АВ. Режим класса АВ занимает промежуточное положение между режимами А и В. Напряжение смещения на управляющей сетке выбирают меньше, чем в усилителе класса В, но больше, чем в усилителе класса А (рис.9в ). Вследствие этого усиление слабых сигналов в этом режиме происходит в классе А, а сильных - в классе В. Нелинейные искажения в усилителе режима АВ незначительно выше искажений в режиме А, а к.п.д. значительно больше, особенно при больших амплитудах усиливаемого сигнала. Режим АВ используется только в двухтактных усилителях.

Рис.9в

Усилители режима АВ подразделяются на две группы: АВ1, при котором сеточные токи отсутствуют, и АВ2, в котором работа происходит с сеточными токами. Выше мы говорили о различных режимах для усилителей на электронных лампах, однако все сказанное целиком относится и к транзисторным усилителям.

При реализации транзисторных усилителей приходится решать ряд специфических задач. Прежде всего требуется обеспечить . Виды рабочих режимов транзистора, таких как режим линейного усиления A, режимы B, C, ключевые режимы D и F, мы уже рассматривали ранее. Чаще всего схемы усилительных каскадов на транзисторах рассматриваются применительно к режиму A. Наиболее распространенными схемами усилительных каскадов являются:

• Схема эмиттерной стабилизации
• Дифференциальный усилитель
• Двухтактный усилитель

Схема с фиксированным током базы

Схема с фиксированным напряжением на базе

Схема коллекторной стабилизации

Схема эмиттерной стабилизации

Дифференциальный усилитель

Еще одной распространенной схемой усилительного каскада является . Схема дифференциального усилителя получила распространение благодаря высокой помехоустойчивости входного дифференциального сигнала. Еще одним преимуществом данной схемы усилительного каскада является возможность применения низковольтных источников питания. Дифференциальный усилитель образуется при соединении эмиттеров двух транзисторов на едином сопротивлении или генераторе тока. Один из вариантом усилительного каскада, реализованного в виде дифференциального усилителя приведен на рисунке 6.

Рисунок 6 Схема дифференциального усилителя

Усилительные каскады, построенные по схеме дифференциального усилителя широко применяются в современных интегральных схемах, таких как операционные усилители, усилители промежуточной частоты и даже полностью функциональные узлы, такие как приемник ЧМ синалов, радиотракт сотовых телефонов, высококачественные смесители частоты и т.д.

Двухтактный усилитель

В двухтактном усилителе может быть использован любой из режимов работы транзистора, однако чаще всего в этой схеме каскада усилителя используется режим работы B. Это связано с тем, что двухтактные каскады применяются на выходе усилителя, где требуется повышенная экономичность работы (высокий к.п.д. усилительного каскада). реализуются как на транзисторах с одинаковой проводимостью, так и с разной проводимостью транзисторов. Схема одного из самых распространенных видах двухтактных усилителей приведена на рисунке 7.

Рисунок 7 Схема двухтактного усилителя

Схемы двухтактных усилителей позволяют значительно уменьшать уровень четных гармоник входного сигнала, поэтому данная схема усилительного каскада получила значительное распространение, однако схема двухтактного усилителя широко применяется и в цифровой техники. В качестве примера можно привести КМОП-микросхемы.

Литература:

Вместе со статьей "Cхемы усилительных каскадов на транзисторах" читают:

Выходные каскады на базе " двоек "

В качестве источника сигнала будем использовать генератор переменного тока с перестраиваемым выходным сопротивлением (от 100 Ом до 10,1 кОм) с шагом 2 кОм (рис. 3). Таким образом, при испытаниях ВК при максимальном выходном сопротивлении генератора (10,1 кОм) мы в какой - то степени приблизим режим работы испытуемых ВК к схеме с разомкнутой ООС, а в другом (100 Ом) - к схеме с замкнутой ООС.

Основные типы составных биполярных транзисторов (БТ) показаны на рис. 4. Наиболее часто в ВК используется со ставной транзистор Дарлингтона (рис. 4 а) на базе двух транзисторов одной проводимости (" двойка " Дарлингтона), реже - составной транзистор Шиклаи (рис. 4б) из двух транзисторов разной проводимости с токовой отрицательной ОС, и еще реже - составной транзистор Брайстона (Bryston , рис. 4 в).
" Алмазный " транзистор - разновидность составного транзистора Шиклаи - показан на рис. 4 г. В отличие от транзистора Шиклаи, в этом транзисторе благодаря " токовому зеркалу " ток коллекторов обоих транзисторов VT 2 и VT 3 практически одинаков. Иногда транзистор Шиклаи используют с коэффициентом передачи больше 1 (рис. 4 д). В этом случае K П =1+ R 2/ R 1. Аналогичные схемы можно получить и на полевых транзисторах (ПТ).

1.1. Выходные каскады на базе " двоек ". " Двойка " - это двухтактный выходной каскад с транзисторами, включенными по схеме Дарлингтона, Шиклаи или их комбинации (квазикомлементарный каскад, Bryston и др.). Типовой двухтактный выходной каскад на " двойке " Дарлингтона показан на рис. 5. Если эмиттерные резисторы R3, R4 (рис. 10) входных транзисторов VT 1, VT 2 подключить к противоположным шинам питания, то эти транзисторы будут работать без отсечки тока, т. е. в режиме класса А.

Посмотрим, что даст спаривание выходных транзисторов для двойки " Дарлингт она (рис. 13).

На рис. 15 приведена схема ВК, использованная в одном из професс и ональных усилителей.

Менее популярна в ВК схема Шиклаи (рис. 18) . На первых порах развития схемотехники транзисторных УМЗЧ были популярны квазикомплементарные выходные каскады, когда верхнее плечо выполнялось по схеме Дарлингтона, а нижнее - по схеме Шиклаи. Однако в первоначальной версии входное сопротивление плеч ВК несимметрично, что приводит к дополнительным искажениям. Модифицированный вариант такого ВК с диодом Баксандалла, в качестве которого использован базо - эмиттерный переход транзистора VT 3, показан на рис. 20.

Кроме рассмотренных " двоек ", есть модификация ВК Bryston , в которой входные транзисторы эмиттерным током управляют транзисторами одной проводимости, а коллекторным током - транзисторами другой проводимости (рис. 22). Аналогичный каскад может быть реализован и на полевых транзисторах, например, Lateral MOSFET (рис. 24) .

Гибридный выходной каскад по схеме Шиклаи с полевыми транзисторами в качестве выходных показан на рис. 28 . Рассмотрим схему параллельного усилителя на полевых транзисторах (рис. 30).

В качестве эффективного способа повышения и стабилизации входного сопротивления " двойки " предлагается использовать на ее входе буфер, например, эмиттерный повторитель с генератором тока в цепи эмиттера (рис. 32).

Из рассмотренных " двоек " наихудшим по девиации фазы и полосе пропускания оказался ВК Шиклаи. Посмотрим, что может дать для такого каскада применение буфера. Если вместо одного буфера использовать два на транзисторах разной проводимости, включенных параллельно (рис. 35) , то можно ожидать дальнейшего улучшения пара метров и повышения входного сопротивления. Из всех рассмотренных двухкаскадных схем наилучшим образом по нелинейным искажениям показала себя схема Шиклаи с полевыми транзисторами. Посмотрим, что даст установка параллельного буфера на ее входе (рис. 37).

Параметры исследованных вы ходных каскадов сведены в табл. 1 .

Анализ таблицы позволяет сделать следующие выводы:
- любой ВК из " двоек " на БТ как нагрузка УН плохо подходит для работы в УМЗЧ высокой верности;
- характеристики ВК с ПТ на вы ходе мало зависят от сопротивления источника сигнала;
- буферный каскад на входе любой из " двоек " на БТ повышает входное сопротивление, снижает индуктивную составляющую выхода, расширяет полосу пропускания и делает параметры независимыми от выходного сопротивления источника сигнала;
- ВК Шиклаи с ПТ на выходе и параллельным буфером на входе (рис. 37) имеет самые высокие характеристики (минимальные искажения, максимальную полосу пропускания, нулевую девиацию фазы в звуковом диапазоне).

Выходные каскады на базе " троек "

В высококачественных УМЗЧ чаще используются трехкаскадные структуры: " тройки " Дарлингтона, Шиклаи с выходными транзисторами Дарлинг тона, Шиклаи с выходными транзис торами Bryston и другие комбинации. Одним из самых популярных вы ходных каскадов в настоящее вре мя является ВК на базе составно го транзис тора Дарлингтона из трех транзисторов (рис. 39). На рис. 41 показан ВК с разветвлением каскадов: входные повторители одновременно работают на два каскада, которые, в свою очередь, также работают на два каскада каждый, а третья ступень включена на общий выход. В результате, на выходе такого ВК работают счетверенные транзисторы.

Схема ВК, в которой в качестве выходных транзисторов использованы составные транзисторы Дарлингтона, изображена на рис. 43. Параметры ВК на рис.43 можно существенно улучшить, если включить на его входе хорошо зарекомендовавший себя с " двойками " параллельный буферный каскад (рис. 44).

Вариант ВК Шиклаи по схеме на рис. 4 г с применением составных транзисторов Bryston показан на рис. 46 . На рис. 48 показан вариан т ВК на транзисторах Шиклаи (рис.4 д) с коэффициентом передачи около 5, в котором входные транзисторы работают в классе А (цепи термоста билизации не показаны).

На рис. 51 показан ВК по структуре предыдущей схемы только с единичным коэффициентом передачи. Обзор будет неполным, если не остановиться на схеме выходного каскада с коррекцией нелинейности Хауксфорда (Hawksford), приведенной на рис. 53 . Транзисторы VT 5 и VT 6 - составные транзисторы Дарлингтона.

Заменим выходные транзисторы на полевые транзисторы типа Lateral (рис. 57

По вышению надежности усилите лей за счет исключения сквозных то ков, которые особенно опасны при кли пировании высокочастотных сиг налов, способствуют схемы антинасыщения выходных транзисторов. Варианты таких решений показаны на рис. 58. Через верхние диоды происходит сброс лишнего тока базы в коллектор транзистора при прибли жении к напряжению насы щен ия. На пряжение насыщения мощных транзисторов обычно находится в пределах 0,5...1,5 В, что примерно совпадает с падением напряжения на базо-эмиттерном переходе. В первом варианте (рис. 58 а) за счет дополнительного диода в цепи базы напряжение эмитте р - коллектор не доходит до напряжения насыщения пример но на 0,6 В (падение напряжения на диоде). Вторая схема (рис. 58б) требует подбора резисторов R 1 и R 2. Нижние диоды в схемах предназначены для быстрого выключения транзисторов при импульсных сигналах. Аналогичные решения применяются и в силовых ключах.

Часто для повышения качества в УМЗЧ делают раздельное питание, повышенное, на 10...15 В для входного каскада и усилителя на пряжения и пониженное для вы ходного каскада. В этом случае во избежание выхода из строя выходных транзисторов и снижения перегрузки предвыходных необходимо использовать защитные диоды. Рассмотрим этот вариант на примере модификации схемы на рис. 39. В случае повышения входного напряжения выше на пряжения питания выходных транзисторов открываются дополнительные диоды VD 1, VD 2 (рис. 59), и лишний ток базы транзисторов VT 1, VT 2 сбрасывается на шины питания оконечных транзисторов. При этом не допускается повышения входного на пряжения выше уровней питания для выходной ступени ВК и снижается ток коллектора транзисторов VT 1, VT 2.

Схемы смещения

Ранее, с целью упрощения, вместо схемы смещения в УМЗЧ использовался отдельный источник напряжения. Многие из рассмотренных схем, в частности, выходные каскады с параллельным повторителем на входе, не нуждаются в схемах смещения, что является их дополнительным достоинством. Теперь рассмотрим типовые схе мы смещения, которые представлены на рис. 60 , 61 .

Генераторы стабильного тока. В современных УМЗЧ широко используется ряд типовых схем: диф ференциальный каскад (ДК), отражатель тока (" токовое зеркало "), схема сдвига уровня, каскод (с последова тельным и параллельным питанием, последний также называют " лома ным каскодом "), генератор стабильного тока (ГСТ) и др. Их правильное применение позволяет значительно повысить технические характеристики УМЗЧ. Оценку параметров основных схем ГСТ (рис. 62 - 6 6) сделаем с помощью моделирования. Будем исходить из того, что ГСТ является нагрузкой УН и включенпараллельно ВК. Исследуем его свойства с помощью методики, аналогичной исследованиям ВК.

Отражатели тока

Рассмотренные схемы ГСТ - , это вариант динамической нагрузки для однотактного УН. В УМЗЧ с одним дифференциальным каскадом (ДК) для организации встречной динамической нагрузки в УН используют структуру " токового зеркала " или, как его еще называют, " отражателя тока " (ОТ). Эта структура УМЗЧ была характерна для усилителей Холтона, Хафлера и др. Основные схемы отражателей тока приведены на рис. 67 . Они могут быть как с единичным коэффициентом передачи (точнее, близким к 1), так и с большим или меньшим единицы (масштабные отражатели тока). В усилителе напряжения ток ОТ находится в пределах 3...20 мА: Поэтому испытаем все ОТ при токе, например, около 10 мА по схеме рис. 68.

Результаты испытаний приве дены в табл. 3 .

В качестве примера реального усилителя предлагается схема усилителя мощности S. BOCK , опубликованная в журнале Радиомир, 201 1 , № 1, с. 5 - 7; № 2, с. 5 - 7 Radiotechnika №№ 11, 12/06

Целью автора было построение усилителя мощности, пригодного как для озвучивания " пространства " во время прадничных мероприятий, так и для дискотек. Конечно, хотелось, чтобы он умещался в корпусе сравнительно небольших габаритов и легко транспортировался. Еще одно требование к нему - легкодоступность комплектующих. Стремясь достичь качества Hi - Fi , я выбрал комплементарно - симметричную схему выходного каскада. Максимальная выходная мощность усилителя была задана на уровне 300 Вт (на нагрузке 4 Ом). При таком мощности выходное напряжение составляет примерно 35 В. Следовательно для УМЗЧ необходимо двухполярное питающее напряжение в пределах 2x60 В. Схема усилителя приведена на рис. 1 . УМЗЧ имеет асимметричный вход. Входной каскад образуют два дифференциальных усилителя.

А. ПЕТРОВ, Радиомир, 201 1 , №№ 4 - 12

Рис. 1 Двухкаскадный усилитель на транзисторах.

Действие усилителя в целом заключается в следующем. Электрический сигнал, поданный через конденсатор С1 на вход первого каскада и усиленный транзистором V1, с нагрузочного резистора R2 через разделительный конденсатор С2 поступает на вход второго каскада. Здесь он усиливается транзистором V2 и телефонами В1, включенными в коллекторную цепь транзистора, преобразуется в звук. Какова роль конденсатора С1 на входе усилителя? Он выполняет две задачи: свободно пропускает к транзистору переменное напряжение сигнала и предупреждает замыкание базы на эмиттер через источник сигнала. Представьте себе, что этого конденсатора во входной цепи нет, а источником усиливаемого сигнала служит электродинамический микрофон с малым внутренним сопротивлением. Что получится? Через малое сопротивление микрофона база транзистора окажется соединенной с эмиттером. Транзистор закроется, так как будет работать без начального напряжения смещения. Он будет открываться только при отрицательных полупериодах напряжения сигнала. А положительные полупериоды, еще больше закрывающие транзистор, будут им «срезаны». В результате транзистор станет искажать усиливаемый сигнал. Конденсатор С2 связывает каскады усилителя по переменному току. Он должен хорошо пропускать переменную составляющую усиливаемого сигнала и задерживать постоянную составляющую коллекторной цепи транзистора первого каскада. Если вместе с переменной составляющей конденсатор будет проводить и постоянный ток, режим работы транзистора выходного каскада нарушится и звук станет искаженным или совсем пропадет. Конденсаторы, выполняющие такие функции, называют конденсаторами связи, переходными или разделительными . Входные и переходные конденсаторы должны хорошо пропускать всю полосу частот усиливаемого сигнала - от самых низких до самых высоких. Этому требованию отвечают конденсаторы емкостью не менее 5 мкФ. Использование в транзисторных усилителях конденсаторов связи больших емкостей объясняется относительно малыми входными сопротивлениями транзисторов. Конденсатор связи оказывает переменному току емкостное сопротивление, которое будет тем меньшим, чем больше его емкость. И если оно окажется больше входного сопротивления транзистора, на нем будет падать часть напряжения переменного тока, большая, чем на входном сопротивлении транзистора, отчего будет проигрыш в усилении. Емкостное сопротивление конденсатора связи должно быть по крайней мере в 3 - 5 раз меньше входного сопротивления транзистора. Поэтому - то на входе, а также для связи между транзисторными каскадами ставят конденсаторы больших емкостей. Здесь используют обычно малогабаритные электролитические конденсаторы с обязательным соблюдением полярности их включения. Таковы наиболее характерные особенности элементов двухкаскадного транзисторного усилителя НЧ. Для закрепления в памяти принципа работы транзисторного двухкаскадного усилителя НЧ предлагаю собрать, наладить и проверить в действии нижеприведенные простейшие варианты схем усилителей. (В конце статьи будут предложенны варианты практической работы, сейчас нужно собрать макет простейшего двухкаскадного усилителя для того чтобы оперативно можно было отслеживать на практике теоритические утверждения).

Простые, двухкаскадные усилители

Принципиальные схемы двух вариантов такого усилителя изображены на (рис. 2). Они, по существу, являются повторением схемы разобранного сейчас транзисторного усилителя. Только на них указаны данные деталей и введены три дополнительных элемента: R1, СЗ и S1. Резистор R1 - нагрузка источника колебаний звуковой частоты (детекторного приемника или звукоснимателя); СЗ - конденсатор, блокирующий головку В1 громкоговорителя по высшим звуковым частотам; S1 - выключатель питания. В усилителе на (рис. 2, а) работают транзисторы структуры р - n - р, в усилителе на (рис. 2, б) - структуры n - p - n. В связи с этим полярность включения питающих их батарей разная: на коллекторы транзисторов первого варианта усилителя подается отрицательное, а на коллекторы транзисторов второго варианта - положительное напряжение. Полярность включения электролитических конденсаторов также разная. В остальном усилители совершенно одинаковые.

Рис. 2 Двухкаскадные усилители НЧ на транзисторах структуры p - n - p (a) и на транзисторах структуры n - p - n (б).

В любом из этих вариантов усилителя могут работать транзисторы со статическим коэффициентом передачи тока h21э 20 - 30 и больше. В каскад предварительного усиления (первый) надо поставить транзистор с большим коэффициентом h21э - Роль нагрузки В1 выходного каскада могут выполнять головные телефоны, телефонный капсюль ДЭМ-4м. Для питания усилителя используте батарею 3336Л (в народе называют - квадратная батарея) илисетевой блок питания (который предлагалось изготовить в 9 - ом уроке). Предварительно усилитель соберите намакетной плате , после чего перенесете его детали на печатную плату, если возникнет такое желание. Сначала на макетной плате смонтируйте детали только первого каскада и конденсатор С2. Между правым (по схеме) выводом этого конденсатора и заземленным проводником источника питания включите головные телефоны. Если теперь вход усилителя соединить с выходными гнездами например: детекторного приемника, настроенного на какую - либо радиостанцию, или подключить к нему любой другой источник слабого сигнала, в телефонах появится звук радиопередачи или сигнал подключенного источника. Подбирая сопротивление резистора R2 (так же, как при подгонке режима работы однотранзисторного усилителя, о чем я рассказывал в 8 - ом уроке ), добейтесь наибольшей громкости. При этом миллиамперметр, включенный в коллекторную цепь транзистора, должен показывать ток, равный 0,4 - 0,6 мА. При напряжении источника питания 4,5 В это наивыгоднейший режим работы для данного транзистора. Затем смонтируйте детали второго (выходного) каскада усилителя, телефоны включите в коллекторную цепь его транзистора. Теперь телефоны должны звучать значительно громче. Еще громче, возможно, они будут звучать после того, как подбором резистора R4 будет установлен коллекторный ток транзистора 0,4 - 0,6 мА. Можно, поступить иначе: смонтировать все детали усилителя, подбором резисторов R2 и R4 установить рекомендуемые режимы транзисторов (по токам коллекторных цепей или напряжениям на коллекторах транзисторов) и только после этого проверять его работу на звуковоспроизведение. Такой путь более техничный. А для более сложного усилителя, а вам придется иметь дело в основном именно с такими усилителями, он единственно правильный. Надеюсь, вы поняли, что мои советы по налаживанию двухкаскадного усилителя в равной степени относятся к обоим его вариантам. И если коэффициенты передачи тока их транзисторов будут примерно одинаковыми, то и громкость звучания телефонов - нагрузок усилителей должна быть одинаковой. С капсюлем ДЭМ-4м, сопротивление которого 60 Ом, ток покоя транзистора каскада надо увеличить (уменьшением сопротивления резистора R4) до 4 - 6 мА. Принципиальная схема третьего варианта двухкаскадного усилителя показана на (рис. 3). Особенностью этого усилителя является то, что в первом его каскаде работает транзистор структуры p - n - р, а во втором - структуры n - p - n. Причем база второго транзистора соединена с коллектором первого не через переходной конденсатор, как в усилителе первых двух вариантов, а непосредственно или, как еще говорят, гальванически. При такой связи расширяется диапазон частот усиливаемых колебаний, а режим работы второго транзистора определяется в основном режимом работы первого, который устанавливают подбором резистора R2. В таком усилителе нагрузкой транзистора первого каскада служит не резистор R3, а эмиттерный р - n переход второго транзистора. Резистор же нужен лишь как элемент смещения: создающееся на нем падение напряжения открывает второй транзистор. Если этот транзистор германиевый (МП35 - МП38), сопротивление резистора R3 может быть 680 - 750 Ом, а если кремниевый (МП111 - МП116, КТ315, КТ3102) - около 3 кОм. К сожалению, стабильность работы такого усилителя при изменении напряжения питания или температуры невысока. В остальном все то, что сказано применительно к усилителям первых двух вариантов, относится и к этому усилителю. Можно ли усилители питать от источника постоянного тока напряжением 9 В, например от двух батарей 3336Л или "Крона", или, наоборот, от источника напряжением 1,5 - 3 В - от одного - двух элементов 332 или 316? Разумеется, можно: при более высоком напряжении источника питания нагрузка усилителя - головка громкоговорителя - должна звучать громче, при более низком - тише. Но при этом несколько иными должны быть и режимы работы транзисторов. Кроме того, при напряжении источника питания 9 В номинальные напряжения электролитических конденсаторов С2 первых двух вариантов усилителя должны быть не менее 10 В. Пока детали усилителя смонтированы на макетной панели, все это нетрудно проверить опытным путем и сделать соответствующие выводы.

Рис. 3 Усилитель на транзисторах разной структуры.

Смонтировать детали налаженного усилителя на постоянной плате - дело несложное. Для примера на (рис. 4) показана монтажная плата усилителя первого варианта (по схеме на рис. 2, а). Плату выпилите из листового гетинакса или стеклотекстолита толщиной 1,5 - 2 мм. Ее размеры, указанные на рисунке, примерные и зависят от габаритов имеющихся у вас деталей. Например, на схеме мощность резисторов обозначена 0,125 Вт, емкости электролитических конденсаторов - по 10 мкФ. Но это не значит, что только такие детали надо ставить в усилитель. Мощности рассеяния резисторов могут быть любыми. Вместо электролитических конденсаторов К5О - 3 или К52 - 1, показанных на монтажной плате, могут быть конденсаторы К50 - 6 или импортные аналоги, к тому же на большие номинальные напряжения. В зависимости от имеющихся у вас деталей может измениться и печатная плата усилителя. О приемах монтажа радиоэлеметов, в том числе и печатном монтаже можно прочитать в разделе"радиолюбительские технологии" .

Рис. 4 Монтажная плата двухкаскадного усилителя НЧ.

Любой из усилителей, о которых я рассказал в этой статье, пригодится вам в будущем, например для портативного транзисторного приемника. Аналогичные усилители можно использовать и для проводной телефонной связи с живущим неподалеку приятелем.