УМЗЧ с комплиментарными полевыми транзисторами

Представляем читателям вариант стоваттного УМЗЧ с полевыми транзисторами. В этой конструкции корпусы мощных транзисторов можно монтировать на общем теплоотводе без изоляционных прокладок, и это существенно улучшает теплопередачу. В качестве второго варианта блока питания предложен мощный импульсный преобразователь, который должен иметь достаточно малый уровень собственных помех.

Применение полевых транзисторов (ПТ) в УМЗЧ до недавних пор сдерживалось скудным ассортиментом комплементарных транзисторов, а также их низким рабочим напряжением. Качество звуковоспроизведения через УМЗЧ на ПТ часто оценивают на уровне ламповых и даже выше за то, что по сравнению с усилителями на биполярных транзисторах они создают меньшие нелинейные и интермодуляционные искажения, а также имеют более плавное нарастание искажений при перегрузках. Они превосходят ламповые усилители как по демпфированию нагрузки, так и по ширине рабочей полосы звуковых частот. Частота среза таких усилителей без ООС значительно выше, чем у УМЗЧ на биполярных транзисторах, что благоприятно сказывается на всех видах искажений.

Нелинейные искажения в УМЗЧ вносит в основном выходной каскад, и для их уменьшения обычно используют общую ООС. Искажения во входном дифференциальном каскаде, используемом как сумматор сигналов от источника и цепи общей ООС, могут быть и невелики, но с помощью общей ООС снизить их невозможно

Перегрузочная способность дифференциального каскада на полевых транзисторах примерно в 100...200 раз выше, чем с биполярными транзисторами.

Применение полевых транзисторов в выходном каскаде УМЗЧ позволяет отказаться от традиционных двух-и трехкаскадных повторителей по схеме Дарлингтона с присущими им недостатками.

Хорошие результаты дает использование в выходном каскаде полевых транзисторов со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). В связи с тем, что управление током в выходной цепи осуществляется входным напряжением (аналогично электровакуумным приборам), то при больших токах быстродействие каскада на полевых МДП-транзисторах в режиме переключения достаточно высокое (τ = 50 нс). Такие каскады обладают хорошими передаточными свойствами на высоких частотах и имеют эффект температурной самостабилизации.

К достоинствам полевых транзисторов относятся:

• малая мощность управления в статическом и динамическом режимах;
• отсутствие теплового пробоя и слабая подверженность вторичному пробою;
• термостабилизация тока стока, обеспечивающая возможность параллельного включения транзисторов;
• передаточная характеристика близка к линейной или квадратичной;
• высокое быстродействие в режиме переключения, благодаря чему снижаются динамические потери;
• отсутствие явления накопления избыточных носителей в структуре;
• малый уровень шумов,
• малые габариты и масса, большой срок службы.

Но кроме достоинств, эти приборы имеют и недостатки:

• выход из строя при электрических перегрузках по напряжению;
• возможно возникновение искажений термического происхождения на низких частотах (ниже 100 Гц). На этих частотах сигнал изменяется так медленно, что за один полупериод температура кристалла успевает измениться и, следовательно, изменяются пороговое напряжение и крутизна транзисторов.

Последний из отмеченных недостатков ограничивает выходную мощность, особенно при низких напряжениях питания; выход из положения - параллельное включение транзисторов и введение ООС.

Следует отметить, что в последнее время зарубежными фирмами (например, Exicon и др.) разработано немало полевых транзисторов, пригодных для аудиоаппаратуры: EC-10N20, 2SK133-2SK135, 2SK175, 2SK176 с каналом п-типа; ЕС-10Р20, 2SJ48- 2SJ50, 2SJ55, 2SJ56 с каналом р-типа. Такие транзисторы отличаются слабой зависимостью крутизны (forward transfer admitance) от тока стока и сглаженными выходными ВАХ

Параметры некоторых полевых транзисторов, в том числе и производства Минского производственного объединения "Интеграл", приведены в табл. 1.

Большинство транзисторных бестрансформаторных УМЗЧ выполнены по полумостовой схеме. При этом нагрузка включается в диагональ моста, образованного двумя источниками питания и двумя выходными транзисторами усилителя (рис. 1).

Когда комплементарных транзисторов не было, выходной каскад УМЗЧ выполняли преимущественно на транзисторах одинаковой структуры с нагрузкой и источником питания, соединенными с общим проводом (рис. 1 ,а) Два возможных варианта управления выходными транзисторами представлены на рис. 2.

В первом из них (рис. 2,а) управление нижним плечом выходного каскада оказывается в более выгодных условиях. Так как изменение напряжения питания мало, эффект Миллера (динамическая входная емкость) и эффект Эрли (зависимость тока коллектора от напряжения эмиттер-коллектор) практически не проявляются. Цепь управления верхним плечом включена здесь последовательно с самой нагрузкой, поэтому без принятия дополнительных мер (например, каскодного включения приборов) указанные эффекты проявляются в значительной степени. По этому принципу был разработан ряд удачных УМЗЧ .

По второму варианту (рис. 2,6 - такой структуре больше соответствуют МДП-транзисторы) также был разработан ряд УМЗЧ, например . Однако и в таких каскадах трудно обеспечить, даже с применением генераторов тока , симметрию управления выходными транзисторами. Другой пример симметрирования по входному сопротивлению - выполнение плеч усилителя по квазикомплементарной схеме или применение комплементарных транзисторов (см. рис. 1 ,б) в .

Стремление к симметрированию плеч выходного каскада усилителей, выполненных на транзисторах одной проводимости, привело к разработке усилителей с незаземленной нагрузкой по схеме рис. 1 ,г . Однако и здесь не удается добиться полной симметрии предыдущих каскадов. Цепи отрицательной ОС с каждого плеча выходного каскада неравнозначны; цепи ООС этих каскадов контролируют напряжение на нагрузке по отношению к выходному напряжению противоположного плеча. Кроме того, такое схемотехническое решение требует изолированных источников питания. Из-за перечисленных недостатков оно не нашло широкого применения.

С появлением комплементарных биполярных и полевых транзисторов выходные каскады УМЗЧ преимущественно строят по схемам рис. 1 ,б, в. Однако и в этих вариантах для раскачки выходного каскада необходимо применять высоковольтные приборы. Транзисторы предвыходного каскада работают с большим коэффициентом усиления по напряжению, а поэтому подвержены эффектам Миллера и Эрли и без общей ООС вносят значительные искажения, что требует от них высоких динамических характеристик. Питание предварительных каскадов повышенным напряжением снижает и КПД усилителя.

Если в рис. 1 ,б, в перенести точку соединения с общим проводом в противоположное плечо диагонали моста, получим варианты на рис. 1,д и 1,е соответственно. В структуре каскада по схеме рис. 1 ,е автоматически решается проблема изоляции выходных транзисторов от корпуса. Усилители, выполненные по таким схемам, свободны от ряда перечисленных недостатков.

Особенности схемотехники усилителя

Вниманию радиолюбителей предлагается инвертирующий УМЗЧ (рис. 3), соответствующий структурной схеме выходного каскада на рис. 1 ,е.

(нажмите для увеличения)

Входной дифференциальный каскад выполнен на полевых транзисторах (VT1, VT2 и DA1) по симметричной схеме. Их преимущества в дифференциальном каскаде общеизвестны: высокие линейность и перегрузочная способность, малые шумы. Применение полевых транзисторов существенно упростило этот каскад, так как отпала необходимость в генераторах тока. Для увеличения коэффициента усиления с разомкнутой петлей ОС сигнал снимается с обоих плеч дифференциального каскада, а перед последующим усилителем напряжения установлен эмиттерный повторитель на транзисторах VT3, VT4.

Второй каскад выполнен на транзисторах VT5-VT10 по комбинированной каскодной схеме со следящим питанием. Такое питание каскада с ОЭ нейтрализует в транзисторе входную динамическую емкость и зависимость тока коллектора от напряжения эмиттер-коллектор. В выходной ступени этого каскада применены высокочастотные БСИТ-транзисторы, которые по сравнению с биполярными (КП959 против КТ940) имеют вдвое большую граничную частоту и вчетверо меньшую емкость стока (коллектора).

Использование выходного каскада с питанием от отдельных изолированных источников позволило обойтись низковольтным питанием (9 В) для предварительного усилителя.

Выходной каскад выполнен на мощных МДП-транзисторах, причем выводы их стока (и теплоот-водящие фланцы корпусов) соединены с общим проводом, что упрощает конструкцию и сборку усилителя.

Мощные МДП-транзисторы, в отличие от биполярных, имеют меньший разброс параметров, что облегчает их параллельное включение. Основной разброс токов между приборами возникает из-за неравенства пороговых напряжений и разброса входных емкостей. Введение дополнительных резисторов сопротивлением 50 200 Ом в цепи затворов обеспечивает практически полное выравнивание задержек включения и выключения и устраняет разброс токов при переключении.

Все каскады усилителя охвачены местной и общей ООС.

Основные технические характеристики

• С разомкнутой ООС (R6 заменен на 22 МОм, С4 исключен)
• Частота среза, кГц......300
• Коэффициент усиления по напряжению, дБ......43
• Коэффициент гармоник в режиме АВ, %, не более......2

С включенной ООС

• Выходная мощность, Вт на нагрузке 4 Ом......100
• на нагрузке 8 Ом......60
• Диапазон воспроизводимых частот, Гц......4...300000
• Коэффициент гармоник, %, не более......0,2
• Номинальное входное напряжение, В......2
• Ток покоя выходного каскада, А......0,15
• Входное сопротивление, кОм.....24

Благодаря тому что частота среза усилителя с разомкнутой цепью ООС относительно высока, глубина обратной связи и коэффициент гармоник во всей полосе воспроизводимых частот практически постоянны.

Снизу полоса рабочих частот УМЗЧ ограничена емкостью конденсатора С1, сверху - С4 (при емкости 1,5 пф частота среза равна 450 кГц).

Конструкция и детали

Усилитель выполнен на плате из двусторонне фольгированного стеклотекстолита (рис.4).

Плата со стороны установки элементов максимально заполнена фольгой, соединенной с общим проводом. Транзисторы VT8, VT9 снабжены небольшими пластинчатыми теплоотводами в виде "флажка". В отверстия для выводов стока мощных полевых транзисторов установлены пистоны; выводы стока транзисторов VT11, VT14 соединены с общим проводом со стороны фольги (на рисунке отмечены крестами).

В отверстия 5 -7 платы для подключения выводов сетевого трансформатора и отверстия для перемычек установлены пистоны. Резисторы R19, R20, R22, R23 выполнены из манганинового провода диаметром 0,5 и длиной 150 мм. Для подавления индуктивности провод складывают пополам и в сложенном виде (бифилярно) наматывают на оправке диаметром 4 мм.

Катушку индуктивности L1 наматывают проводом ПЭВ-2 0,8 виток к витку по всей поверхности резистора мощностью 2 Вт (МЛТ или аналогичный).

Конденсаторы С1, С5, С10, С11 - К73-17, причем С10 и С11 распаяны со стороны печатного монтажа на выводы конденсаторов С8 и С9. Конденсаторы С2, C3 - оксидные К50-35; конденсатор С4 - К10-62 или КД-2; С12 - К10-17 или К73-17.

Полевые транзисторы с каналом n-типа (VT1, VT2) нужно подобрать с примерно таким же начальным током стока, как и у транзисторов в сборке DA1. По напряжению отсечки они не должны отличаться более чем на 20 %. Микросборку DA1 К504НТЗБ можно заменить К504НТ4Б. Возможно применение подобранной пары транзисторов КП10ЗЛ (также с индексами Г, М, Д); КП307В - КП307Б (также А, Е), КП302А либо транзисторной сборки КПC315А, КПC315Б (в этом случае плату придется переработать).

В позициях VT8, VT9 можно также использовать комплементарные транзисторы серий КТ851, КТ850, а также КТ814Г, КТ815Г (с граничной частотой 40 МГц) Минского объединения "Интеграл".

Помимо указанных в таблице, можно использовать, например, следующие пары МДП транзисторов: IRF530 и IRF9530; 2SK216 и 2SJ79; 2SK133- 2SK135 и 2SJ48-2SJ50; 2SK175- 2SK176 и 2SJ55-2SJ56.

Для стереофонического варианта питание на каждый из усилителей подают от отдельного трансформатора, желательно с кольцевым или стержневым (ПЛ) магнитопроводом, мощностью 180...200 Вт. Между первичной и вторичными обмотками размещают слой экранирующей обмотки проводом ПЭВ-2 0,5; один из выводов ее соединяют с общим проводом. Выводы вторичных обмоток подводят к плате усилителя экранированным проводом, а экран соединяют с общим проводом платы. На одном из сетевых трансформаторов размещают обмотки для выпрямителей предварительных усилителей. Стабилизаторы напряжения выполнены на микросхемах IL7809AC (+9 В), IL7909AC (-9 В) - на схеме не показаны. Для подачи на плату питания 2x9 В использован соединитель ОНп-КГ-26-3 (XS1).

При налаживании оптимальный ток дифференциального каскада устанавливают подстроенным резистором R3 по минимуму искажений на максимальной мощности (примерно в середине рабочего участка). Резисторы R4, R5 рассчитаны на ток около 2...3 мА в каждом плече при начальном токе стока около 4...6 мА. При меньшем начальном токе стока сопротивление указанных резисторов необходимо пропорционально увеличить.

Ток покоя выходных транзисторов в интервале 120... 150 мА устанавливают подстроечным резистором R3, а при необходимости подбором резисторов R13, R14.

Импульсный блок питания

Тем радиолюбителям, кто испытывает трудности с приобретением и намоткой больших сетевых трансформаторов, для выходных каскадов УМЗЧ предлагается импульсный блок питания. Питание предварительного усилителя в этом случае можно осуществлять от маломощного стабилизированного БП.

Импульсный БП (его схема показана на рис. 5) представляет собой нерегулируемый автогенераторный полумостовой инвертор. Применение пропорционально-токового управления транзисторами инвертора в сочетании с насыщающимся коммутирующим трансформатором позволяет к моменту переключения автоматически выводить активный транзистор из насыщения. Это уменьшает время рассасывания заряда в базе и исключает сквозной ток, а также снижает потери мощности в цепях управления, повышая надежность и КПД инвертора.

Технические характеристики ИБП

• Выходная мощность, Вт, не более......360
• Выходное напряжение......2x40
• КПД, %, не менее......95
• Частота преобразования, кГц......25

На входе сетевого выпрямителя установлен помехоподавляющии фильтр L1C1C2. Резистор R1 ограничивает бросок тока зарядки конденсатора C3. Последовательно с резистором на плате предусмотрена перемычка Х1, вместо которой можно включить дроссель для улучшения фильтрации и увеличения "жесткости" выходной нагрузочной характеристики.

Инвертор имеет два контура положительной ОС: первый - по напряжению (с помощью обмоток II в трансформаторе Т1 и III - в Т2); второй - по току (с трансформатором тока: виток 2-3 и обмотки 1-2, 4-5 трансформатора Т2).

Устройство запуска выполнено на однопереходном транзисторе VT3. После запуска преобразователя оно отключается благодаря наличию диода VD15, так как постоянная времени цепи R6C8 значительно больше периода преобразования.

Особенность инвертора в том, что при работе низковольтных выпрямителей на большие емкости фильтра он нуждается в плавном запуске. Плавному запуску блока способствуют дроссели L2 и L3 и в некоторой степени резистор R1.

Блок питания выполнен на печатной плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 2 мм. Чертеж платы показан на рис. 6.

(нажмите для увеличения)

Намоточные данные трансформаторов и сведения о магнитопроводах приведены в табл. 2. Все обмотки выполнены проводом ПЭВ-2.

Перед намоткой трансформаторов острые кромки колец необходимо притупить наждачной бумагой или бруском и обмотать лакотканью (для Т1 - сложенные вместе кольца тремя слоями). Если этой предварительной обработки не сделать, то не исключено продавливание лакоткани и замыкание витков провода на магнитопровод. В результате резко возрастет ток холостого хода и разогреется трансформатор. Между обмотками 1-2, 5-6-7 и 8-9-10 наматывают проводом ПЭВ-2 0,31 в один слой виток к витку экранирующие обмотки, один конец которых (Э1, Э2) соединяют с общим проводом УМЗЧ.

Обмотка 2-3 трансформатора Т2 представляет собой виток из провода диаметром 1 мм поверх обмотки 6-7, впаянный концами в печатную плату.

Дроссели L2 и L3 выполнены на броневых магнитопроводах БЗО из феррита 2000НМ. Обмотки дросселей намотаны в два провода до заполнения каркаса проводом ПЭВ-2 0,8. Учитывая, что дроссели работают с подмагничиванием постоянным током, между чашками необходимо вставить прокладки из немагнитного материала толщиной 0,3 мм.

Дроссель L1 - типа Д13-20, его можно выполнить также на броневом магнитопроводе Б30 аналогично дросселям L2, L3, но без прокладки, намотав обмотки в два провода МГТФ-0,14 до заполнения каркаса.

Транзисторы VT1 и VT2 закреплены на теплоотводах из ребристого алюминиевого профиля с размерами 55x50x15 мм через изолирующие прокладки. Вместо указанных на схеме можно использовать транзисторы КТ8126А Минского ПО "Интеграл", а также MJE13007. Между выходами БП +40 В, -40 В и "своей" средней точкой (СТ1 и СТ2) подключены дополнительные оксидные конденсаторы К50-6 (на схеме не показаны) емкостью по 2000 мкФ на 50 В. Эти четыре конденсатора установлены на текстолитовой пластине размерами 140x100 мм, закрепленной винтами на теплоотводах мощных транзисторов.

Конденсаторы С1, С2 - К73-17 на напряжение 630 В, C3 - оксидный К50-35Б на 350 В, С4, С7 - К73-17 на 250 В, С5, С6 - К73-17 на 400 В, С8 - К10-17.

Импульсный БП подключают к плате УМ в непосредственной близости к выводам конденсаторов С6-С11. В этом случае диодный мост VD5-VD8 на плате УМ не монтируют.

Для задержки подключения акустических систем к УМЗЧ на время затухания переходных процессов, возникающих во время включения питания, и отключения АС при появлении на выходе усилителя постоянного напряжения любой полярности можно использовать простейшее или более сложное защитное устройство.

Литература

1. Хлупнов А. Любительские усилители низкой частоты. -М.: Энергия, 1976, с. 22.
2. Акулиничев И. Усилитель НЧ с синфазным стабилизатором режима. - Радио, 1980, № З.с.47.
3. Гаревских И. Широкополосный усилитель мощности. - Радио, 1979, № 6. с. 43.
4. Колосов В. Современный любительский магнитофон. - М.: Энергия, 1974.
5. Борисов С. МДП-транзисторы в усилителях НЧ. - Радио. 1983, № 11, с. 36-39.
6. Дорофеев М. Режим В в усилителях мощности ЗЧ. - Радио, 1991, № 3, с. 53.
7. Сырицо А. Мощный усилитель НЧ. - Радио, 1978. № 8, с. 45-47.
8. Сырицо А. Усилитель мощности на интегральных ОУ. - Радио, 1984, № 8, с. 35-37.
9. Якименко Н. Полевые транзисторы в мостовом УМЗЧ. - Радио. 1986, № 9, с. 38, 39.
10. Виноградов В. Устройство защиты АС. - Радио, 1987, № 8. с. 30.