В условиях реальной эксплуатации УМЗЧ температурный режим транзисторов в выходных каскадах (ВК) изменяется, что вызвано выделяемой в них мощностью, а также изменениями температуры окружающей среды. При этом параметры транзисторов, работающих в режиме класса АВ, в том числе и ток покоя ВК (Iо), значительно изменяются.

УМЗЧ на полевых транзисторах

При отсутствии мер по стабилизации режима это может приводить к резкому росту тока покоя, вплоть до лавинообразного процесса. Для устранения этого недостатка все транзисторные УМЗЧ проектируют с обязательными элементами стабилизации тока покоя ВК. Основные требования к устройству стабилизации тока покоя ВК — обеспечение заданной точности поддержания тока покоя ВК и отсутствие влияния на качественные параметры УМЗЧ при работе с реальной акустической системой.

Методы, применяемые для стабилизации тока покоя в ВК УМЗЧ, могут быть различными по сложности реализации, сочетая конструктивные и схемотехнические решения.
Наиболее часто применяется самый простой принцип — термокомпенсация напряжения смещения для транзисторов ВК за счёт размещения термочувствительных элементов в непосредственной близости к транзисторам ВК.

Такому методу термокомпенсации присущи следующие недостатки:

• задержка (инерционность) термокомпенсации;
• невысокая точность стабилизации;
• необходимость введения дополнительных элементов (подстроечных резисторов) для первоначальной установки нужного тока покоя;
• конструктивные ограничения.

Для устранения большинства из этих недостатков возможно применение в ВК специально разработанных типов биполярных транзисторов, предназначенных для высокоэффективной термокомпенсации и получивших название Thermal Trak, например, комплементарные пары биполярных транзисторов NJL1302D/NJL3281D фирмы ON Semiconductor и SAP15P/SAP15N фирмы Sanken. Внутри корпусов этих приборов на одной подложке с кристаллом установлены дополнительные диоды. Однако малый ассортимент и высокая стоимость таких транзисторов являются основной причиной их ограниченного применения.

Существенное упрощение систем стабилизации тока покоя возможно при отказе от применения в ВК УМЗЧ на биполярных транзисторов, заменяя их полевыми, которые имеют меньшую температурную зависимость параметров. Некоторые типы полевых транзисторов удаётся использовать в ВК УМЗЧ в режиме работы в термостабильной точке, когда ток покоя практически не зависит от изменений температуры транзистора.

При использовании такого режима работы для УМЗЧ [1] точность стабилизации тока покоя определяется только точностью стабилизации напряжения смещения Uсм = const для транзисторов ВК. На практике это возможно подбором соответствующих параметров транзисторов предвыходного каскада.

Для латеральных полевых транзисторов (с боковой структурой) при работе в классе АВ температурной стабилизации рабочей точки не требуется, их термостабильная точка находится в области 100 … 120 мА.

Более совершенные устройства стабилизации тока покоя ВК УМЗЧ основаны на применении электронной системы автоматического регулирования (САР), которая обеспечивает не только стабильность тока покоя, но и его автоматическую установку. Наиболее просто это реализуется в УМЗЧ с ВК, работающим в режиме класса А, однотактным [2] или двухтактным [3]. Попытки применения электронной САР для стабилизации тока покоя транзисторов ВК УМЗЧ, работающих в режиме класса АВ, привели к схемотехническим решениям ВК, при которых ток покоя не только стабилизируется, но сохраняется неизменным даже при закрытии транзисторов неработающего плеча ВК.

Эти высокоэффективные решения получили различные названия: “Super А” фирмы JVC, “Non Swiching” фирмы Pioneer и “New Class” фирмы Technics. Однако и они не получили широкого применения из-за значительной сложности. Оригинальные решения для достижения работы ВК в режиме “Super А” описаны в [4] и [5], но устройство из [4] также требует подбора параметров транзисторов, а устройство в [5] эффективно только для определённой схемотехники ВК.

Вопросы стабилизации тока покоя транзисторов ВК в УМЗЧ наиболее полно изложены в [6], где приведён пример практической реализации, которая, по мнению автора, также несколько переусложнена. Однако в [6] есть ссылка на более простую реализацию электронной САР [7], которая и выбрана мной с целью её упрощения.

Предлагаемый здесь вариант ВК с электронной САР тока покоя приведён на рис. 1. В ВК использована известная схема “параллельного” повторителя напряжения, но на латеральных (с малым пороговым напряжением) полевых транзисторах. Такой вариант схемы ВК, по моему мнению, является наиболее оптимальным, так как позволяет обеспечить высокие качественные параметры, в частности, широкую полосу воспроизводимых частот, относительно малые нелинейные искажения, практически не зависящие от сопротивления нагрузки и частоты.

При этом спектр гармоник не широкий и резко сужается при снижении выходной мощности. Для пояснения процесса работы САР при стабилизации тока покоя транзисторов ВК целесообразно воспользоваться рассмотрением упрощённой схемы ВК, приведённой на рис. 2, без цепей стабилизации нулевого потенциала на выходе и при одной паре транзисторов ВК. В этой схеме резисторы R3 и R4 являются датчиками тока, протекающего через транзисторы ВК.

При этом напряжение на резисторах между точками А и Б вычисляется по формуле Uаб = lo(R3+R4). Это напряжение поступает на вход компаратора (Комп.). Его элементы выбраны таким образом, что обеспечивают включение ключа (Кл.) при Uаб 60 мВ. Процесс входа устройства в режим стабилизации тока покоя транзисторов ВК наиболее удобно рассматривать, начиная с момента включения напряжения от источников питания +/-U и при отсутствии входного сигнала. В первый момент ток покоя Io = 0 и Uаб = 0, компаратор включает ключ. При этом происходит быстрая зарядка конденсатора С1 через низкоомный резистор R5.

При определённом напряжении на конденсаторе С1 происходит открывание транзистора VT7 и соответственно транзисторов VT1, VT4 и VT5, VT6. Ток через резисторы R3 и R4 также начинает увеличиваться. Компаратор контролирует напряжение Uаб, и как только оно превысит 60 мВ, выключает электронный ключ. Зарядка конденсатора С1 прекращается, и напряжение на нём остаётся фиксированным на уровне, соответствующем заданному значению тока Iо = Uаб/(R3+R4) = const. Этот режим поддерживается САР при любых причинах, приводящих к отклонению данного параметра.

Рассмотрим процесс стабилизации тока Iо при наличии звукового сигнала на выходе при подключённой нагрузке. При этом ток через резисторы R3 и R4 будет изменяться в соответствии с сигналом: при положительной полуволне – возрастать через R3 и убывать через R4, а при отрицательной полуволне — наоборот. При этом методе стабилизации тока Iо работа транзисторов ВК в режиме класса А сохраняется до тех пор, пока напряжение Uаб не станет больше 60 мВ, что приведёт к размыканию ключа, но только на время сигнала в нагрузке УМЗЧ, при котором Uаб> 60 мВ.

Пороговое напряжение компаратора определяется в основном отношением номиналов резисторов R27/R26 (см. рис. 1) и при выполнении рекомендаций из [8] составляет 60±1 мВ. Температурная независимость этого значения объясняется конструктивным исполнением компаратора, при котором его элементы располагаются внутри одной интегральной микросхемы. Таким образом, для схемы ВК на рис. 1 при R22 = R23 = = 0,62 Ом расчётное значение lо = Uаб/(R22+R23) = 60/(0,62+0,62) = 48,4 мА.

Для практического применения резисторам R22, R23, R26, R27 достаточно иметь допускаемое отклонение сопротивления ±5 % от номинала. Использование R18 = R19 = R22 = R23 номинальным сопротивлением 0,62 Ом позволяет с достаточной для практики точностью выровнять ток 10 для каждого из параллельно включённых транзисторов ВК (VT5, VT7 и VT6, VT8) и ограничиться контролем напряжения Uаб только для одной пары выходных транзисторов (VT7, VT8).

Характеристики УМЗЧ

[styled_table]

[/styled_table]

Назначение отдельных элементов схемы (см. рис. 1) следующее. Резисторы R3, R4, R9, R10, R14, R15, R20, R21 и конденсаторы С8, С9, С11, С12, С17, С18 обеспечивают устойчивость ВК; резисторы R5, R8, R29 обеспечивают устойчивость САР; элементы R24, С21 — цепь Цобеля. Резисторы R18, R19, R22, R23 задают ток покоя; элементы R16, VD2, VD3 защищают вход ОУ DA1 от проникания большого постоянного напряжения с выхода УМЗЧ при аварийном режиме. Резисторы R6, R7, R9, R10, R12 обеспечивают ток покоя 10±2 мА через транзисторы VT1 – VT4 (с учётом разброса характеристик для VT5—VT8).

Резистор R31 ограничивает интервал регулирования тока 10; элементы R28, VD5 обеспечивают режим работы компаратора на микросхеме DA2. Элементы R17, С10, R1, DA1 стабилизируют нулевое напряжение на выходе. Краткие рекомендации по применяемым элементам, их заменам, монтажу и конструкции изложены ниже. Резисторы R18, R19, R22, R23 должны иметь малую индуктивность, например, MF-200 номиналом 0,62 Ом ±5 % или любые металлоплёночные мощностью не менее 2 Вт. Остальные резисторы — С2-23 или аналогичные с разбросом ±5 %. Оксидные конденсаторы — К50-35 или аналогичные по характеристикам. Конденсаторы СЗ, С10, С21, С22 — плёночные К73-17 или аналогичные по параметрам. Остальные конденсаторы — К10-176 или аналогичные.

Возможна замена активных элементов. Так, микросхема DA1 — любой ОУ с входным сопротивлением Rвx> 1 ГОм; микросхема DA2 – КР198НТ6 – КР198НТ8 (с проверкой цоколёвки). Транзистор VT9 — любой малой мощности структуры p-n-p (Uкэmax> 80 В, lк max> 50 мА, Fт> 5МГц), транзистор VT10 — любой маломощный полевой с изолированным затвором и n-каналом с Uси max> 80 В и током lс max> 10 мА. Транзисторы VT1, VT2 — любые из 2SJ77—2SJ79; VT3, VT4 – любые из 2SK214—2SK216; VT5, VT7 — любые из 2SK1056, 2SK1057; VT6, VT8 – любые из 2SJ160, 2SJ161.

Резисторы R14, R15, R20, R21 надо монтировать как можно ближе к транзисторам VT5—VT8, а конденсаторы С8, С9, С17, С18 монтируют непосредственно на выводах этих транзисторов.
Для повышения надёжности работы в условиях повышенной температуры окружающей среды (выше +30 °С) транзисторы VT1—VT4 следует установить на небольшие теплоотводы, обеспечивающие температуру корпусов транзисторов не выше +70 °С. Выходные транзисторы VT5—VT8 также требуют установки на теплоотводы соответствующих размеров, зависимых от заданной выходной мощности и температуры корпусов транзисторов, не превышающей +70 °С.