О записываемый усилитель имеет довольно высококачественные параметры, способствующие хорошему звучанию, и может быть рекомендован для построения высококачественных звуко-воспроизводящих систем. Возможность регулировки выходного сопротивления усилителя в интервале от нуля до нескольких десятков ом позволяет улучшить качество звучания акустической системы.

Усилитель мощности с низким коэффициентом нелинейных искажений

Это делает УМЗЧ идеальным для работы с сабвуфером, выполненным в закрытом корпусе (без фазоинвертора). Повышение выходного сопротивления позволяет поднять уровень нижних частот и уменьшить нижнюю граничную частоту сабвуфера.

Иногда повышенное выходное сопротивление УМЗЧ способствует восприятию звучания системы УМЗЧ АС, близкого к “мягкому ламповому звуку” [3].

Коэффициент интермодуляционных искажений измерен двумя методами: по методу SMPTE на частотах 60 Гц и 7 кГц при соотношении амплитуд 4:1, а также на частотах 18 и 19 кГц при соотношении амплитуд 1:1. Принципиальная схема усилителя показана на рис. 1. Она построена по структуре, близкой к структуре УМЗЧ Лина [4].

Входной дифференциальный каскад на транзисторах VT3 и VT4 для получения максимального усиления, симметрии и скорости нарастания выходного напряжения нагружен на токовое зеркало на транзисторах VT1 и VT2. Резисторы R5 и R6 в эмиттерах увеличивают линейность каскада и его перегрузочную способность, а также

снижают влияние разброса параметров транзисторов. Источник тока на транзисторах VT5, VT6 (по сравнению с резистором, который иногда применяют в этом месте) снижает уровень интермодуляционных искажений. Эмиттерный повторитель на транзисторе VT7 повышает усиление драйверного каскада по току. Транзистор VT9 служит для термостабилизации тока покоя выходных транзисторов VT11, VT12 при повышении их температуры.

Повышенное выходное сопротивление достигается с помощью комбинированной отрицательной обратной связи (ООС) — по напряжению и по току [5]. Сигнал ООС по напряжению снимается с выхода усилителя и через резистор R20 подаётся на базу транзистора VT4. Сигнал ООС по току снимается с резистора — датчика тока R27 и подаётся на базу транзистора VT4 через резистор R21.

Несколько необычное включение цепи R9C4 используется для устранения заметного постоянного напряжения на нагрузке из-за ООС по току. Экспериментальный образец усилителя был подвергнут испытаниям для оценки реальных характеристик. Для измерения искажений использовались звуковая карта EMU0404 и программа Spectra PLUS-SC [6]. Поэтому измеренные уровни искажений на самом деле соответствуют системе звуковая карта плюс усилитель.

На рис. 2 показана частотная характеристика суммарного коэффициента гармоник усилителя. По горизонтали на ней откладывается значение частоты тестового тона, на которой измерялся уровень искажений. При измерениях использовался режим с разрядностью ЦАП/АЦП 24 бита и частотой дискретизации 192 кГц.

Возникающие при измерениях гармоники учитывались в полосе до 90 кГц, что очень важно для правильного определения величины Кг на высоких частотах. Рост искажений на высоких частотах обусловлен в основном снижением глубины ООС с ростом частоты. Вторая из основных причин — рост искажений входного каскада из-за повышения его выходного напряжения, которое вызвано снижением усиления каскада на транзисторе VT8 [4]. Как видно, коэффициент гармоник даже на высоких частотах невелик.

На рис. 3 показан спектр искажений на частоте 1 кГц. Как видно, в нем присутствуют только первые три гармоники, остальные — ниже порога измерений. Такой узкий спектр искажений хорошо сказывается на качестве звучания, в результате в усилителе полностью отсутствует транзисторный звук.

На рис. 4 показан спектр интермодуляционных искажений, измеренных на частотах 18 и 19 кГц при соотношении амплитуд 1:1. Это — один из наиболее жёстких тестов, позволяющих оценить линейность усилителя на высоких частотах, где глубина ООС существенно снижается. Тест позволяет выявить нелинейность и/или плохие высокочастотные свойства усилителя. Как видно из рис. 4, амплитуда разностной частоты 1 кГц очень мала, что говорит о высокой линейности усилителя.

Число боковых частот, отличающихся от тестовых на величину 1 кГц, также невелико. Это говорит о том, что спектр искажений остаётся узким (“мягким”) даже на высоких частотах. Все измерения искажений проводились при выходной мощности 60 Вт на нагрузке 6 Ом при питании усилителя от штатного блока питания. Результаты измерений показывают, что по уровню искажений данный усилитель не только не уступает многим дорогим и именитым промышленным моделям, но и превосходит их [7, 8].

Для более наглядного сравнения описываемого усилителя с представленными в [7, 8] на рис. 5 показана зависимость коэффициента гармоник на частоте 1 кГц и нагрузке 4 Ом от выходной мощности УМЗЧ с блоком питания, рассчитанным на мощность 80 Вт в нагрузке. Выходное сопротивление (RBMX) усилителя при указанных номиналах элементов цепей ООС можно изменять не только выбором резистора R21, но и R27.

Регулировочная зависимость от сопротивления R21 показана на рис. 6. Для получения большего выходного сопротивления следует воспользоваться программой расчёта комбинированной ООС на FTP-сервере редакции [9J. Если повышения этого параметра не требуется, то резистор R21 следует исключить, а резистор R27 заменить проволочной перемычкой.

Конструкция и детали. Усилитель собран на печатной плате, показанной со стороны печатных проводников на рис. 7. На этой стороне припаян резистор R12, предназначенный для поверхностного монтажа типоразмера 1208, но можно установить и резистор с аксиальными выводами. Серым цветом на рис. 7 показаны отрезки медного провода сечением 2,5 мм2, припаянные на печатный проводник для уменьшения его сопротивления.

На рис. 8 показано расположение корпусных элементов. Конденсатор С12 припаян к выводам резистора R20. Если усилитель используется в стерео или многоканальном варианте, то желательно использовать резисторы, входящие в цепь ООС (R9, R20, R21), высокой точности (отклонение не более ±1 %) либо подобрать их с одинаковым сопротивлением для всех каналов. Резисторы R24, R25, R27 — проволочные SQP-5 (SQP500JBR15, SQP-5W-R15-J) от YAGEO или китайского производства.

Конденсаторы С2, СЗ, С12 — керамические с ТКЕ группы NP0, а С1, С7, С9, СЮ — плёночные на напряжение не менее 63 В. Номиналы всех оксидных конденсаторов соответствуют применению усилителя совместно с сабвуфером. Если же доступны малогабаритные плёночные конденсаторы, например, фирмы Epcos, то ёмкость конденсаторов С7 и СЮ желательно увеличить до 1 мкФ.

Оксидные конденсаторы С5, С6, С8, С11 — любые качественные (с малым эквивалентным последовательным сопротивлением). В позиции С4 можно использовать и полярный оксидный конденсатор, но при этом нужно измерить полярность постоянной составляющей на выходе усилителя после сборки и перепаять конденсатор С4 в соответствии с этой полярностью. В процессе работы конденсаторы не нагреваются, так что выгоднее использовать конденсаторы с допустимой температурой 85 °С — их свойства немного лучше.

Комплементарные транзисторы 2N5551 и 2N5401 можно заменить на 2CS2240 и 2SA970, a 2SA1930 и 2SC5171 — на 2SA1358 и 2SC3421 либо (что несколько хуже) на 2SB649 и 2SD669. Транзистор VT9 — любой структуры п-р-п в изолированном корпусе ТО-126. В качестве выходных можно использовать пару транзисторов IRFP240/IRFP9240.

Мощные транзисторы размещают на теплоотводах с эффективной площадью не менее 700 см^ на каждый. Их изолируют слюдяными прокладками или специальными теплопроводящими плёнками. Для улучшения теплоотвода необходимо использовать теплопроводную пасту.
Усилитель — достаточно высокочастотное устройство, поэтому для снижения возможных помех от средств мобильной связи рекомендуется использовать на всех кабелях (входных, акустических и питания) ферритовые кольца.

Напряжение питания усилителя ограничивается в основном допустимым напряжением его полупроводниковых приборов и конденсаторов и не должно превышать +/-55 В. При установке конденсаторов в цепи питания (С5—С8, СЮ, С11) на рабочее напряжение 80 В напряжение питания можно увеличить до +/-65 В. Однако подобное повышение напряжения питания не рекомендуется для работы с низкоомной нагрузкой (4 Ом).

Налаживание правильно собранного усилителя заключается в установке резистором R16 тока покоя выходных транзисторов в пределах 230…250 мА. После прогрева на холостом ходу ток покоя необходимо подкорректировать. Ток покоя определяется по величине напряжения между истоками выходных транзисторов.

Важную роль в работе усилителя играет его источник питания. Он же определяет такие параметры усилителя, как максимальная выходная мощность, перегрузочная способность, уровень фона и даже величина искажений. Схема блока питания усилителя приведена на рис. 9.

Конденсатор С1 подавляет импульсные помехи, проникающие из сети. Резисторы R1 и R2 служат для разрядки конденсаторов фильтра при выключении питания. В выпрямителе можно применить интегральный диодный мост либо отдельные диоды. Хорошие результаты даёт применение диодов Шотки.

Максимальное обратное напряжение диодов должно быть не менее 150…200 В, максимальный прямой ток зависит от выходной мощности усилителя и числа его каналов. Для сабвуфера и стереоусилителя с выходной мощностью не более 80 Вт максимальный прямой ток диодов не должен быть меньше 10 А (например, диодные мосты RS1003—RS1007 или КВРС1002— КВРС1010). При большей выходной мощности и/или большем числе каналов усиления выпрямительные диоды должны быть рассчитаны на прямой ток не менее 20 А, например, диодные мосты КВРС4002—КВРС4010, КВРС5002-КВРС5010 или диоды Шотки 20CPQ150, 30CPQ150 с параллельным включением обоих диодов в корпусе.

В этом случае рекомендуется увеличить суммарную ёмкость конденсаторов фильтра до 30000 мкФ на плечо. Для дальнейшего уменьшения импульсных помех, приходящих из сети, можно каждый из диодов зашунтировать конденсатором 0,01 мкФ на напряжение не менее 100 В.
Для выбора необходимой габаритной мощности трансформатора и напряжения на его вторичных обмотках, в зависимости от требуемой максимальной выходной мощности усилителя, можно воспользоваться графиками на рис. 10. Чёрными линиями показаны графики минимальной мощности трансформатора. Сплошная линия соответствует стереоусилителю, штриховая — сабвуферу. Цветные линии — напряжение на каждой из вторичных обмоток.

Может показаться странным тот факт, что мощность трансформатора стереоусилителя меньше его удвоенной выходной мощности. Здесь имеется в виду минимальная мощность трансформатора. достаточная для нормальной работы усилителя: пикфактор звуковых сигналов составляет 12… 16 дБ, поэтому максимальная выходная мощность усилителя достигается сравнительно редко и на короткое время. Значит, средняя выходная мощность и потребляемый от блока питания ток получаются в несколько раз меньше максимальной.

Поэтому и средняя мощность, потребляемая от трансформатора, в несколько раз меньше максимальной. Трансформатор рассчитан на эту среднюю выходную мощность плюс кратковременные пики максимальной мощности, причём с некоторым запасом. Можно использовать трансформатор с габаритной мощностью, большей, чем показано на рис. 10, но превышать эту мощность более чем в два раза смысла уже нет. Усилитель не содержит узла защиты акустической системы, поэтому для защиты её от постоянного напряжения можно использовать любой из описанных в журнале конструкций или упоминаемых на аудиофорумах в Интернете.

Автор