Для качественного звуковоспроизведения необходимо, чтобы усилитель звука (при наличии в нем нелинейных усилительных элементов — транзисторов) обеспечивал не только линейное усиление переднего фронта каждого из компонентов входного сигнала, но также без искажений передавал и задний фронт (спад) сигнала, когда все усилительные каскады должны быстро снижать токовые режимы, строго следуя за кривой спада входного сигнала.

Высококачественный широкополосный усилитель звука

Это обеспечивает эмиттерно-базовая стабилизация — отдельная отрицательная обратная связь у каждого транзистора. При постоянном напряжении базы рост тока покоя Io и напряжения на сопротивлении эмиттера Rэ уменьшает напряжение база-эмиттер, прикрывая транзистор. В результате, ток покоя возрастает гораздо меньше, чем без стабилизации. Сопротивление Rэ определяется из выражений:

в каскадах предварительного усиления,

в каскадах предварительного усиления [1,С31].

Если принять R6= (5…15) Rэ, то коэффициент усиления каскада по постоянному току будет

Чтобы увеличить коэффициент усиления каскада по переменному току (при сохранении стабилизации тока покоя), в цепь эмиттера вводят конденсатор большой емкости [1.C.30].
Для снижения искажений каскадов с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК) предлагаю дополнительно вводить в цепь базы нелинейный элемент—диод (кроме дифференциальных каскадов, где нелинейность входа для сигнала скомпенсирована встречным включением входа второго транзистора). Диод создает постоянную пропорцию токов изменяющегося сигнала через эквивалентное сопротивление базы Rбэ=Rб+Rvd и эмиттера Rэ+Rвх, где Rvd — нелинейное сопротивление диода, a Rвх — нелинейное входное сопротивление транзистора.

Без диода малый входной ток протекает, в основном, через резистор Rб (вход БЭ заперт), большой ток сигнала, наоборот, через открытый вход БЭ, искажая форму сигнала. Такое схемное решение использовано при разработке высококачественного транзисторного УМЗЧ, схема которого показана на рис.1. Здесь в базовых цепях оконечных транзисторов VT7, VT8 включены диодные цепочки VD11…VD14 и VD15…VD18 последовательно с резисторами R26 и R25. В предоконечных каскадах на VT5, VT6 в их базовых цепях установлены диоды VD5 и VD9 с резисторами R17, R18.

Стабилизация токов транзисторов и диоды в базовых цепях снижают искажения сигналов, но не полностью. Для наглядности искажения синусоиды сигнала в каскадах на VT5 и VT6 (в увеличенном масштабе) приведены на рис.2а. Чтобы еще снизить искажения и повысить качество звучания, входной сигнал (рис.1) делится на две одинаковые и симметричные части, проходящие через конденсаторы СЗ и С4 и усиливающиеся в дифференциальных каскадах на комплементарных транзисторах. В выходном каскаде эти сигналы складываются, а их искажения взаимно компенсируются (рис.26).

Для этого выходной каскад должен работать в режиме класса “А” без отсечки тока. Дополнительный эффект стабилизации выходного каскада достигается за счет сопротивлений R26 и R25, через которые на базы VT7 и VT8 подводятся запирающие напряжения. Диоды VD19 и VD20 ограничивают напряжения на базах VT7, VT8 на безопасном уровне (около 1 В, по справочнику допускается до 5 В). Подача токов покоя и сигнала с предыдущих каскадов отпирает транзисторы, а снижение сигнала принудительно прикрывает транзисторы и более качественно “оформляет” спад заднего фронта сигнала. Завершающий штрих в снижение искажений в предлагаемом УМЗЧ вносят две цепи общей ООС с эмиттеров выходных транзисторов на соответствующие им (по цепям усиления) базы дифференциальных каскадов.

Детали и конструкция УМЗЧ. Выходные и предоконечные транзисторы установлены на радиаторы, выполненные из алюминия. Размеры радиаторов для VT7, VT8 — 120x85x30 мм (с двух сторон прорезано по 9 ребер глубиной 13 мм). Радиаторы для VT5, VT6 — 43x36x28 мм (с двух сторон прорезано 9 ребер глубиной 12 мм). Силовой трансформатор выполнен на Ш-образном сердечнике, набранном из пластин толщиной 0,35 мм. Размеры керна—16×32 мм, размеры окна—16×40 мм. Первичная обмотка содержит 3000 витков провода ПЭЛ диаметром 0,2 мм, вторичная — 2×120 витков ПЭЛ диаметром 0,64 мм. Конденсаторы СЗ, С4, С5, С7, — керамические, малогабаритные.

Электролитические конденсаторы — типа К50 (герметичные, без резиновых уплотнителей, с заливкой эпоксидным компаундом). Их нужно устанавливать подальше от радиаторов и греющихся резисторов. Акустическая система. Помимо УМЗЧ, немалую долю искажений вносит громкоговоритель. Для их снижения разработана 3-полосная акустическая система (рис.3).

В ней применено следующее разделение частот:

1. “НЧ” — 20…200Гц, средняя частота fcp=63Гц;
2. “СЧ” — 200…2000Гц, fcp=630Гц;
3. “ВЧ”—2000…20000Гц, fcp =6300Гц.

Сужение полосы воспроизводимых частот каждым динамиком (например, на НЧ с 20…20000 Гц до 20…200 Гц) в 100 раз снижает интермодуляционные искажения. Кроме того, в АС за счет шунтирования звуковых катушек головок LC-фильтрами и торможения колебаний их диффузоров устраняются искажения звука, не соответствующие форме сигнала. Колебания катушки в магнитном поле зазора наводят в ней противо ЭДС, а через шунт (LC-фильтр) в это время протекает ток, который тормозит движение катушки.

Последовательный LC-фильтр снижает эквивалентное сопротивление головки на резонансной частоте. При построении акустики разделительные фильтры ставятся в УМЗЧ, а шунтирующие — непосредствено у клемм динамиков. Так, СЧ-динамик ВА2 шунтируется фильтрами ФНЧ-2 и ФВЧ-2, не затрагивающими рабочую полосу фильтра ФСЧ-1, а только соседние, где и “вылавливаются” все искажения и гармоники, выпадающие из рабочей полосы частот этой головки. В полосе нижних частот оказывается и частота резонанса среднечастотной головки, что увеличивает торможение механической системы СЧ-динамика.

Все проделанное практически не уменьшает мощность на динамиках, но заметно повышает верность воспроизведения даже при увеличении громкости звука (вплоть до максимальной). В канале НЧ использованы катушки фильтров L1, L5 индуктивностью 12,8мГн. Они выполнены на Ш-образных сердечниках с пластинами толщиной 0,35 мм, размерами керна 16×17 мм и окна 16×40 мм. Немагнитный зазор толщиной 1,4 мм образуется за счет прокладки из гетинакса или текстолита. Катушки намотаны проводом ПЭВ-1 диаметром 1,2 мм и содержат 290 витков. Катушки СЧ-фильтров L2, L4, L7 имеют индуктивность 1,28мГн.

Они также выполнены на Ш-образных сердечниках с размерами керна 16×24 мм и окна 10×28 мм. Немагнитный зазор — 1,4 мм. Провод для намотки — ПЭВ-1 диаметром 0,8 мм, количество витков — 67. Катушки ВЧ-фильтров L3 и L6 — идуктивностью 0,064 и 0,128мГн соответственно. Сердечник — ферритовый, бронированный, М2000НМ1. Размеры катушки: D=30 мм, d=16 мм, h=15 мм. Немагнитные зазоры — 2 и 1 мм соответственно. Провод — ПЭВ-1 диаметром 0,64 мм, количество витков — 80. У фильтра ФУЗЧ-1 катушка L8 — индуктивностью 0,0128мГн. Сердечник и провод — те же, немагнитный зазор — 1 мм, количество витков — 26. В качестве корпусов к динамикам НЧ (ЗГД-45,4 Ом) и СЧ (ЗГДШ-1,8 Ом) использованы отрезки полиэтиленовой трубы “Водополимер” (ПЭ-63 SDR-41 диаметром 160×3,9 мм).

Длина трубы — 3 м. Из нее для НЧ-бокса отпилено 2,2 м. На СЧ-бокс пошел остаток трубы — 0,8 м. Сетчатые колпаки (“грили”) держат внутри динамик и плату с индуктивностями и емкостями. Они одеваются на верхние концы труб, установленных вертикально в углу комнаты и почти не занимающих места на полу. Снизу труб закрепляется ажурная подпорка высотой 150 мм для выхода звука (получается своеобразный фазоинвертор). Для эстетичности черные трубы можно обклеить самоклеящейся пленкой или обоями под цвет стен. Такие трубы создают эффект звучания органа. ВЧ-динамик (2ГД-36-2500, 8 Ом) имеет закрытый корпус, и вместо трубы можно взять подходящий ящик небольших размеров.

Главное, чтобы в него поместились фильтры шунты. Наладка. В УМЗЧ в первую очередь производится симметрирование токов покоя плеч VT1 и VT2, VT3 и VT4 (контролируются в разрыве цепей их коллекторов, коллекторы VT5, VT6 временно отключаются от схемы). Подгонка токов производится подбором резисторов в цепях эмиттеров. Далее подключаются коллекторы VT5, VT6 и устанавливается “0” на выходе подбором резисторов в их базах. Токи коллекторов VT7, VT8 (120… 130 мА) также устанавливаются путем подгонки соответствующих базовых резисторов. Для ограничения бросков тока при регулировках цепи баз VT7, VT8 временно закорачиваются цепочкой диодов VD7, VD8 (обозначены пунктиром). Громкоговорители на основе труб имеют более жесткую конструкцию корпуса, чем “коробчатые” АС типа “тумбочка”, меньше подвержены вибрациям и сохраняют качество звука.

Длина труб играет первостепенную роль и требует экспериментального подбора по наилучшему звуку. На ВЧ-динамик имеет смысл установить рупор с углом раскрыва 30…40° и длиной 200 мм для акустического согласования диффузора с пространством. При прослушивании изготовленной системы (УМЗЧ и АС) в комнате площадью 20 м² мощность усилителя (около 1 Вт) оказалась избыточной для слуха. Вполне достаточной оказалась мощность 0,1 Вт при четкой работе трех динамиков. Для выравнивания громкости громкоговорителей НЧ-динамик (4 Ом) был зашунтирован резистором сопротивлением 4 Ом. При необходимости отдачу ВЧ- и СЧ-головок уравнивают подбором толщины немагнитного зазора L3.