Усилитель мощности с двухтактным входом

В большинстве широко распространенных бестрансформаторных усилителей мощности звуковой частоты выход предварительного каскада, работающего в режиме класса А , не симметричен по отношению к входу оконечного двухтактного каскада, симметричного по своей природе. Это обстоятельство не позволяет обеспечить оптимальное согласование каскадов усилителя, что приводит к возникновению дополнительных нелинейных искажений.

В предлагаемом усилителе мощности колебаний звуковой частоты, схема которого показана на рис. 1, предварительный каскад, как и оконечный, выполнен двухтактным.

Использование единой принципиальной основы для построения всех каскадов усилителя создает условия для оптимального согласования каскадов и, как следствие этого, для снижения нелинейных искажений усилителя. Кроме того, общеизвестно, что двухтактные каскады обладают такими немаловажными преимуществами, как пониженная чувствительность к пульсациям питающего напряжения и меньший уровень четных гармоник. Симметричность всех каскадов усилителя позволила без принятия специальных мер устранить щелчки, которые слышны в динамических головках громкоговорителя при включении и отключении питания.

Техническая характеристика усилителя

Номинальный диапазон частот, Гц 20...20 000

Номинальная выходная мощность на нагрузке сопротивлением 4 Ом при коэффициенте гармоник не более 0,04 % в номинальном диапазоне частот, Вт 20

Максимальная выходная мощность, Вт 35

Номинальное входное напряжение, В 0,77

Относительный уровень фона и шумов, дБ —90

Входное сопротивление, кОм 20

Скорость нарастания выходного напряжения, В/мкс, не менее 10

Питается усилитель от сети переменного тока напряжением 220 В. Блок питания, в который входят сетевой трансформатор Т 1 , диоды VD7—VD10, включенные по мостовой схеме, и конденсаторы С16—С18, обеспечивает усилитель двуполярным напряжением ±25 В постоянного тока.

Предварительный каскад усилителя выполнен на комплементарных парах транзисторов VT1, VT2 и VT3, VT4. Напряжение питания каскада стабилизировано параметрическими стабилизаторами на стабилитронах VD1, VD2 и VD3, VD4 и на резисторах R19, R21. Конденсаторы СП, С12 уменьшают пульсации питающего напряжения. Напряжение ±12,6В , снимаемое со стабилитронов VD2 и VD3, используется для питания пред-усилителя .

Напряжение смещения на эммитерных переходах транзисторов VT1, VT2 задается делителями напряжения R7R13 и R5R6R14 соответственно. Включение резисторов делителей, определяющих напряжение смещения, в эмит-терные цепи транзисторов, а не в базовые, как это обычно делается, позволило исключить влияние делителей на входное сопротивление каскада. Дело в том, что базовый ток транзистора VT1 примерно равен базовому току транзистора VT2, так как эти транзисторы являются комплементарными . Поэтому через резистор R2 будет протекать разностный базовый ток этих транзисторов сравнительно малой силы, что позволит выбрать резистор R2 с относительно большим сопротивлением и получить повышенное входное сопротивление усилителя.

Кроме того, при включении усилителя, постоянная времени зарядки конденсаторов С 6 и С7, определяемая в основном параметрами цепочек R7C6 и R5R6C7, оказывается довольно большой. Поэтому в начальный момент включения, когда в цепях питания усилителя имеют место переходные процессы, входные транзисторы, а следовательно, и весь усилитель оказываются практически закрытыми. По этой причине обычно слышимый громкий щелчок в головке громкоговорителя при включении усилителя полностью отсутствует. Отсутствуют также какие-либо помехи на выходе усилителя и при отключении источника питания.

Конденсаторы Сб и С7 обеспечивают прохождение через эмиттерные переходы транзисторов VT1 и VT2 переменной составляющей сигнала.

Резисторы R8, R12, R15 в эмиттерных цепях транзисторов предварительного каскада служат для создания местной отрицательной обратной связи по току.

Питание предварительного каскада усилителя стабилизированным напряжением, эмиттерная стабилизация режима транзисторов по постоянному току, использование комплементарных пар транзисторов обеспечивают высокую стабильность работы каскада при изменениях температуры, колебаниях напряжения питания и смене транзисторов.

Оконечный каскад усилителя также выполнен на комплементарных парах транзисторов VT5 и VT6, VT7 и VT8, VT9 и VT10. Кроме симметрии, преимуществом такого каскада является возможность получения от него усиления по напряжению. Это позволило уменьшить амплитуду максимального сигнала на выходе предварительного каскада. В результате облегчился режим работы транзисторов предварительного каскада, появилась возможность ввести в цепи питания этого каскада стабилизаторы напряжения.

Для снижения нелинейных искажений в оконечный каскад введена глубокая местная отрицательная обратная связь. Напряжение ООС поступает с коллекторов выходных транзисторов VT9, VT10 через низкоомные делители напряжения, составленные из резисторов R26, R23 и R27, R24 в цепи эмиттеров транзисторов V T5, VT6 соответственно. Коэффициент усиления по напряжению оконечного каскада, определяемый отношением сопротивлений резистороз делителей, около 2,7. Глубина этой местной ООС около 20 дБ. Напряжение смещения для транзисторов VT5 и VT6 первого каскада оконечного усилителя создается за счет падения напряжения на диодах VD5, VD6 и резисторе R16, включенных в коллекторные цепи транзисторов VT3, VT4 предварительного каскада. Температурная стабилизация тока покоя выходных транзисторов VT9, VT10 обеспечивается диодами VD5, VD6. Один из них (VD6) размещен на теп-лоотводящем радиаторе любого из выходных транзисторов.

Отрицательная обратная связь по постоянному напряжению с выхода усилителя через резисторы R13, R14 в цепи эмиттеров транзисторов VT1, VT2 обеспечивает необходимую стабильность постоянной составляющей выходного напряжения. Смещение нулевого уровня выходного напряжения на всех режимах работы усилителя не превышает ±40 мВ.

Весь усилитель мощности охвачен общей отрицательной обратной связью глубиной около 50 дБ. Напряжение ее подается с выхода усилителя через резистор R11 в эмиттерные цепи входных транзисторов VT1, VT2. Элементы С5, R9, R10, С8, С 9 корректируют амплитудно-частотную характеристику каскадов усилителя для обеспечения устойчивости его работы при введении общей ООС. Резисторы R20, R32, конденсатор С13 и катушка L1 — элементы коррекции АЧХ усилителя в области высших звуковых частот при реактивном характере нагрузки усилителя.

Детали усилителя, обведенные на схеме штрих-пунктирной линией, смонтированы на печатной плате, выполненной из фольгированного гетинакса (рис. 2). Постоянные резисторы — МЛТ, С5-16В (R29, R30) и МОН-0,5 (R33, R34).

Подстроечный резистор R5 — СПЗ-16. Резисторы R33 и R34 припаяны непосредственно к базовым выводам транзисторов VT9 и VT10 соответственно. Катушка Ы намотана на корпусе резистора R32 проводом ПЭВ-2 0,8 в один слой до заполнения его корпуса. Все электролитические конденсаторы, использованные в усилителе,— К50-6; конденсаторы С4, С5, С8, С10, С13— С15 — KM, C18 — МБМ, на номинальное напряжение не менее 400В , С9 — КТ-1.

Выходные транзисторы VT9 и VT10 установлены на ребристых теплоотводящих радиаторах из алюминия, имеющих площадь охлаждения около 300 см ² .

Радиаторы транзисторов VT7 и VT8 представляют собой прямоугольные пластины из алюминия толщиной 2 мм. Они закреплены в специальных отверстиях диаметром 2 мм, сделанных в печатной плате. Размеры этих теплоотводящих радиаторов и крепление их на печатной плате показаны на рис. 3. Диод VD6 приклеивают к радиатору транзистора VT9 в непосредственной близости от его корпуса.

Сетевой трансформатор Т 1 блока питания можно выполнить на магнитопроводе из пластин Ш24, толщина набора 36 мм.

Его первичная (сетевая) обмотка должна содержать 900 витков провода ПЭВ-2 0,35, вторичная — 156 витков провода ПЭВ-2 0,9 с отводом от середины. Между первичной и вторичной обмотками имеется электростатический экран, выполненный в виде одного слоя провода ПЭВ-2 0,35. Можно также использовать сетевой трансформатор от бытовой радиоаппаратуры с габаритной мощностью не менее 60 Вт, заменив лишь его вторичную обмотку. Число витков вторичной обмотки следует рассчитать таким образом, чтобы обеспечить на каждой из ее половин переменное напряжение 18 В.

В описываемом усилителе применены транзисторы без какого-либо подбора по параметрам. Вместо транзисторов КТ3102А (VT1, VT5) можно рекомендовать КТ3102Б, КТ342Г, КТ315В, а вместо КТ3107А (VT2, VT6) — КТ3107Б, КТ361В, КТ361Д. Транзистор КТ814А (VT3) можно заменить транзисторами серий КТ502, КТ814, а КТ815А (VT4) —транзисторами серии КТ503, КТ815 с любым буквенным индексом. Вместо транзистора КТ814Б (VT7) подойдут КТ814В, КТ814Г, а вместо КТ815Б (VT8) — КТ815В, КТ815Г. Выходные транзисторы КТ818А, КТ819А можно заменить на аналогичные им мощные р-п-р и п-р-п транзисторы с любыми буквенными индексами.

Предварительный усилитель, совместно с которым работает усилитель мощности, выполнен на операционном усилителе К140УД1Б (описан в статье О. Шмелева Универсальный предварительный усилитель НЧ в Радио, № 2 за 1978 год). Возможно использование других предусилителей , обеспечивающих выходное напряжение не менее 1В на нагрузке сопротивлением 20 кОм. Одно-полярное напряжение питания на предусилитель в этом случае целесообразно подавать с конденсатора С16 или СП через развязывающий фильтр или стабилизатор. Конденсаторы C1, C2 при этом можно исключить, стабилитроны VD1—VD4 заменить на Д814А, а сопротивления резисторов R19, R21 увеличить до 620 Ом. Пары стабилитронов VD1, VD4 и VD2, VD3 необходимо подобрать с одинаковыми напряжениями стабилизации. Разница их напряжений стабилизации при токе 10... 20 мА не должна превышать 5 %.

Приступая к налаживанию усилителя, движок подстроечного резистора R5 устанавливают в среднее положение. Нагрузку пока не подключают. После включения питания подстроечным резистором R5 устанавливают кулевой потенциал на выходе усилителя. После этого проверяют ток покоя транзисторов VT3, VT4, который должен быть в пределах 4,5...5,5 мА. При необходимости требуемое значение тока покоя устанавливают подбором резистора R7, каждый раз вновь устанавливая нулевой потенциал на выходе резистором R5. Затем подбором резистора R16 устанавливают ток покоя выходных транзисторов VT9, VT10 в пределах 150...200 мА. При этом цепи питания предусилителя должны быть подключены к конденсаторам C1, C2. Если предусилителя пока еще нет, то параллельно стабилитронам VD2 и VD3 следует подключить резисторы сопротивлением 1,5 кОм на мощность рассеяния 0,25 Вт — они будут эквивалентом цепи питания предусилителя . Если этого не сделать, то через стабилитроны VD2, VD3 будет протекать недопустимо большой ток.

Полярность включения конденсатора С3 уточняют после подключения предусилителя . Здесь желательно использовать неполярный электролитический конденсатор К50-6.

В случае самовозбуждения усилителя на ультразвуковых частотах в первую очередь нужно попытаться устранить это явление, увеличив емкость конденсатора С 9 . В ряде случаев, при некоторых сочетаниях примененных транзисторов, для устранения самовозбуждения может потребоваться подключение параллельно резисторам R22, R25 конденсаторов емкостью 500...5000 пФ (припаивают со стороны печатных проводников платы). Емкость подбираемых конденсаторов должна быть минимальной, но такой, чтобы при подключении параллельно резистору R11 резистора сопротивлением 390 Ом самовозбуждение не возникало. Этот дополнительный резистор увеличивает глубину общей ООС на 10 дБ. Оптимальный подбор емкостей дополнительных конденсаторов обеспечивает некоторый запас устойчивости работы усилителя, охваченного ООС. Без такого запаса устойчивости не всегда удается полностью устранить самовозбуждение усилителя на ультразвуковых частотах в моменты пиков амплитуды усиливаемого сигнала, что приводит к заметным на слух искажениям выходного сигнала.

Проверке на наличие запаса устойчивости указанным здесь способом следует подвергнуть вновь смонтированный усилитель и в том случае, когда подбор дополнительных конденсаторов не потребовался.

В заключение подбором резистора R24 симметрируют оконечный каскад, добиваясь минимума четных гармоник на высших звуковых частотах при максимальной выходной мощности или, в крайнем случае, добиваются симметричного ограничения сигнала по изображению на экране осциллографа. Подбор сопротивления этого резистора осуществляют путем припаивания параллельно ему со стороны печатных проводников дополнительного резистора МЛТ-0,25 необходимого номинала.

Для оценки коэффициента гармоник K г налаженного усилителя была использована приставка к осциллографу, предложенная в статье И. Акулиничева Приставка к осциллографу для оценки качества усилителей, опубликованной в журнале Радио, № 4 за 1980 год. По методике, изложенной в статье, сначала определялись так называемые частные коэффициенты гармоник Кг i , выражающие отношение амплитуды какой-либо i-й гармоники выходного сигнала к амплитуде первой гармоники в процентах. После этого рассчитывался общий коэффициент гармоник по формуле

Для выделения сигнала той или иной гармоники между выходом приставки и входом Y осциллографа включался однозвенный LC-фильтр, настроенный на частоту исследуемой гармоники. Так, например, для сигнала частотой 20 кГц, поданного на вход усилителя, определяют частные коэффициенты для 2, 3, 4 и 5-й гармоник. Предварительно производят симметрирование выходного каскада усилителя подбором резистора R24 по минимуму частного коэффициента 2-й гармоники.