Схема высококачественного усилителя мощности. Сверхлинейный усилитель мощности класса High-End: схема, характеристики, сборка

alexxlabСхем
Как собрать сверхлинейный транзисторный усилитель мощности с рекордно низким уровнем искажений. Какие особенности схемотехники позволяют достичь качества звучания, сравнимого с ламповыми усилителями. Какие компоненты и материалы лучше использовать для сборки High-End усилителя.

Содержание

Особенности схемотехники сверхлинейного УМЗЧ

Данный усилитель мощности разработан с целью получения рекордно низкого уровня нелинейных искажений, сравнимого с лучшими ламповыми усилителями. Ключевые особенности схемотехники:

  • Использование принципа двойной обратной связи — общей отрицательной (ООС) и местной положительной (МПОС)
  • Глубина МПОС близка к единице (μK1 ≈ 1), что позволяет подавить искажения второго каскада
  • Высокая линейность и быстродействие первого каскада для минимизации собственных искажений
  • Расширенная полоса пропускания до 200-300 кГц для уменьшения переходных искажений
  • Применение высококачественных компонентов с малым разбросом параметров

Такая схемотехника позволяет достичь коэффициента нелинейных искажений на уровне 0.0001-0.00001%, что на 1-2 порядка ниже, чем у лучших серийных транзисторных усилителей.


Принципиальная электрическая схема усилителя

Рассмотрим основные функциональные узлы принципиальной схемы усилителя:

  • Входной каскад на малошумящих биполярных транзисторах с высоким коэффициентом усиления
  • Каскад усиления напряжения на составных транзисторах с высокой линейностью
  • Выходной каскад на мощных транзисторах, работающий в классе AB
  • Цепи местной и общей обратной связи
  • Схема защиты от перегрузки и КЗ на выходе

Для достижения минимальных искажений и высокой стабильности параметров применены прецизионные резисторы и конденсаторы с малым ТКЕ. Транзисторы подобраны в пары по коэффициенту усиления.

Основные технические характеристики усилителя

Ключевые параметры разработанного усилителя мощности:

  • Выходная мощность: 80 Вт на нагрузке 8 Ом
  • Коэффициент нелинейных искажений: не более 0.0001%
  • Диапазон воспроизводимых частот: 5 Гц — 200 кГц (-3 дБ)
  • Отношение сигнал/шум: более 110 дБ
  • Скорость нарастания выходного напряжения: 200 В/мкс
  • Входное сопротивление: 47 кОм
  • Коэффициент демпфирования: более 500

Данные параметры обеспечивают превосходное качество звучания, сравнимое с лучшими ламповыми усилителями при существенно большей выходной мощности.


Особенности конструкции и монтажа

Для реализации потенциала схемы необходимо уделить особое внимание конструкции и монтажу усилителя:

  • Применение массивного алюминиевого шасси для эффективного отвода тепла
  • Раздельные печатные платы для каскадов усиления и блока питания
  • Использование толстых медных шин для силовых цепей
  • Экранирование чувствительных цепей входного каскада
  • Применение высококачественных разъемов с позолоченными контактами
  • Тщательный отбор и подбор компонентов по параметрам

Особое внимание уделено симметрии монтажа сигнальных цепей и минимизации паразитных связей между каскадами. Это позволяет реализовать расчетные параметры схемы на практике.

Выбор компонентов для сборки усилителя

Для достижения наилучшего качества звучания рекомендуется использовать следующие компоненты:

  • Резисторы: прецизионные металлопленочные с допуском 0.1-0.5%
  • Конденсаторы: полипропиленовые и полистирольные для сигнальных цепей
  • Транзисторы: малошумящие аудиофильские, подобранные в пары
  • Печатные платы: двусторонние из стеклотекстолита FR-4
  • Провода: бескислородная медь в тефлоновой изоляции
  • Трансформатор: тороидальный с низким уровнем помех

Применение высококачественных компонентов позволит раскрыть потенциал схемы и получить максимальное качество звучания. Экономия на элементной базе недопустима.


Настройка и тестирование усилителя

После сборки усилитель требует тщательной настройки для достижения оптимальных параметров:

  1. Установка тока покоя выходных транзисторов
  2. Настройка симметрии выходного каскада
  3. Проверка устойчивости и отсутствия самовозбуждения
  4. Измерение основных параметров — мощность, КНИ, АЧХ
  5. Listening test на различном музыкальном материале

Для настройки потребуется качественный осциллограф, генератор сигналов и анализатор спектра. Особое внимание следует уделить проверке переходных искажений на сложных музыкальных сигналах.

Сравнение с другими типами усилителей

Чтобы оценить преимущества разработанной схемы, проведем сравнение с другими типами УМЗЧ:

  • Транзисторные усилители без ООС имеют более высокий уровень искажений, но лучшую динамику звучания
  • Ламповые усилители обеспечивают мягкое и музыкальное звучание, но уступают по мощности и демпфированию НЧ
  • Усилители класса D компактны и эффективны, но имеют проблемы с высокими частотами
  • Гибридные усилители сочетают достоинства ламп и транзисторов, но сложны в реализации

Данный усилитель превосходит большинство аналогов по измеряемым параметрам, приближаясь по качеству звучания к лучшим ламповым образцам при существенно большей мощности.


Заключение

Разработанная схема сверхлинейного усилителя позволяет получить рекордно низкий уровень искажений, сравнимый с лучшими ламповыми образцами. Ключевые особенности:

  • Использование принципа двойной обратной связи
  • Высокая линейность и быстродействие всех каскадов
  • Тщательный подбор компонентов и монтаж
  • Расширенная полоса пропускания до 200-300 кГц

При правильной реализации данный усилитель способен обеспечить исключительное качество звучания, удовлетворяющее самым взыскательным аудиофилам. Однако сложность схемы требует высокой квалификации для успешной сборки и настройки.


Высококачественный усилитель Only Music 2.7

Only Music 2.7 – такое название усилителю дал его разработчик – Илья Стельмах (Nem0). Only Music 2.7 – это высококачественный транзисторный усилитель мощности звуковой частоты, являющийся усовершенствованной версией своего более раннего аналога, усилителя «Оплеуха микрухам» (ОМ2). ОМ2 я также собирал и писал о своем опыте сборки в статье «Качественный усилитель 100Вт+100Вт».

Разработчик Only Music 2.7, в сравнении с версией усилителя ОМ2, добился более качественных характеристик, повысил повторяемость устройства за счет исключения из схемы труднодоступных элементов, а также улучшил надежность усилителя в том числе добавив защиту от короткого замыкания на выходе.

Основные технические характеристики усилителя Only Music 2.7

Напряжение питания …. от ±20В до ±50В

Сопротивление нагрузки …. 4Ома

Чувствительность ….. 0.775В

Входное сопротивление …. . 15кОм

Выходная мощность (Rн=4Ома, Uпит=±42В) ….. 140Вт

Выходная мощность (Rн=8Ом, Uпит=±42В) ….. 70Вт

Уровень шума ….. не более -100дБ

Коэффициент нелинейных искажений:

при 75Вт, 5Ом, 1кГц ….. <0.0015%

  при 75Вт, 5Ом, 20кГц ….. <0.009%

АЧХ усилителя:(АЧХ и некоторые другие материалы взяты с сообщества «[Nem0] Аудиотехника и Радиоэлектроника»).

Нижняя граница частоты при -1.5дБ (по отношению к 1кГц) равна 18Гц.

Схема усилителя Only Music 2.7

С первого взгляда схема немного усложнилась, да, конечно без этого не удалось бы достичь очень малых нелинейных и интермодуляционных искажений, но габариты усилителя остались практически прежними.

В основе схемы лежит топология усилителя Лина. В нее входят три основных функциональных узла: входной каскад, каскад усилителя напряжения (КУН) и выходной каскад.

Входной дифференциальный каскад выполнен на малошумящих биполярных транзисторах (BC560) VT2 и VT6. Элементы VT3 и VT7, совместно со стабилитроном VD1 и токоограничивающим резистором R4, разгружают транзисторы дифференциального каскада по мощности и напряжению, так как транзисторы BC560 являются низковольтными (Uкэ не более -45В). Входной каскад питается от генератора стабильного тока (ГСТ) состоящего из VT1 и VT5. В коллекторах VT3 и VT7, для повышения линейности и динамических свойств, установлен токовый отражатель на элементах VT4 и VT8.

Подстроечным резистором R9 регулируется уровень постоянной составляющей на выходе усилителя.

Каскад усилителя напряжения (КУН) на транзисторе VT10 питается также от ГСТ, выполненного на элементах VT11 и VT13. Предельное напряжение перехода эмиттер-коллектор BC550 (VT10) 45В, поэтому по напряжению и мощности его разгружает транзистор VT9 и параметрический стабилизатор VD2 и R22.

На транзисторе VT12 выполнен узел установки тока покоя. Установка осуществляется подстроечным резистором R20.

Выходные каскады построены на трех транзисторах VT16, VT19, VT20 и VT17, VT18, VT21.

Защита от короткого замыкания выхода построена на элементах VT14 и VT15. В случае КЗ через резисторы R35 и R36 протекает большой ток и на этих резисторах образуется падение напряжения, достаточное для открытия транзисторов VT14 и VT15, которые в свою очередь шунтируют выход КУН.

На выходе усилителя RL цепочка (R38R39L1), которая повышает устойчивость усилителя при его работе на емкостную нагрузку, а цепь Цобеля R37C26 повышает устойчивость при работе на индуктивную нагрузку.

Компоненты схемы

Список компонентов СКАЧАТЬ

В списке компонентов указы возможные замены, которые рекомендует автор схемы.

При поиске компонентов для схемы у меня не было затруднений, за исключением SMD резисторов (R37-R39) типоразмера 2512, которые в моем городе не продают. Вместо них я установил обычные резисторы со стороны дорожек печатной платы.

Резисторы R35 и R36 мощностью 2Вт и желательно не проволочные. Остальные резисторы мощностью 0.25Вт металлопленочные.

Разработчик схемы рекомендует подобрать в пары резисторы R7 и R12, а также R6 и R11, с точностью 1%. Это снизит уровень «постоянки» на выходе.

Подстроечные резисторы R9 и R20 типа 3296W, представляющие из себя многооборотные подстроечники, которые позволяют производить плавную и безопасную настройку усилителя.

Перед впаиванием необходимо установить средний вывод R9 таким образом, чтобы между ним и крайними выводами была половина его сопротивления (по 100 Ом).

Средний вывод R20 нужно подтянуть к верхнему по схеме выводу, чтобы сопротивление реостата (R20), было максимальным. Если это не сделать, то при запуске, за счет очень большого тока покоя, могут выйти из строя транзисторы выходного каскада.

Типы и напряжение конденсаторов указаны в списке компонентов. Хотелось бы отметить, что по схеме и на печатной плате C8 является полярным электролитическим конденсатором, но в списке компонентов он указан как неполярный электролит. Автор схемы рекомендует применить неполярный электролит, но также допускает установку полярного конденсатора с соблюдением полярности.

Транзисторы входного каскада обязательно должны быть подобраны в пары с равным коэффициентом усиления по току. Подбору подлежат пары: VT2 и VT6, VT3 и VT7, VT4 и VT8. Подбор производить как можно точнее, коэффициенты должны отличаться лишь на единицы.

 

Транзисторы BC560 мне было затруднительно найти, и я заменил их на BC557, их параметры практически идентичны за исключением собственных шумов, у BC557 они выше.

Индуктивность L1 мотается на каркасе диаметром 8мм, содержит от 12 до 15 витков эмалированного провода диаметром 1÷1.2мм.

Охлаждение

Транзисторы VT12, VT18, VT19, VT20, VT21 необходимо установить на общий радиатор. Площадь поверхности радиатора для 100Вт усилителя Only Music 2.7 не должна быть меньше 1000см2. Между радиатором и фланцами транзисторов (если их фланцы металлические), нужно установить изоляционные прокладки, смазанные с двух сторон теплопроводной пастой.

После установки радиатора, проверяем мультиметром отсутствие контакта между радиатором и коллекторами VT12, VT18-VT21 (фланцы конструктивно соединены с коллекторами).

На VT13 и VT9 можно установить небольшие пластинки или готовые теплоотводы, но их корпуса греются не так критично, поэтому можно их не ставить.

Выполняя тестовые запуски, я использовал радиатор с площадью поверхности 300см2, что очень мало. Даже при отсутствии сигнала, с установленным током покоя 70мА, радиатор обретал температуру около 400C. Но иногда я кратковременно «гонял» усилитель на полной мощности на нагрузку сопротивлением 4Ома при напряжении питания ±29В (на нагрузке), радиатор быстро набирал предельную температуру, но я успевал снять необходимые мне параметры.

Питание усилителя Only Music 2.7

Питается усилитель двухполярным блоком питания, на выходе которого должно присутствовать напряжение постоянного тока от ±25В до ±50В. Выходное напряжение выбирается исходя из выходной мощности и сопротивления нагрузки. Данный усилитель не рекомендуется эксплуатировать на мощности более 100Вт.

Для 100Вт при работе на нагрузку 4Ома потребуется примерно ±36В, а на нагрузку 8Ом, при той же мощности, потребуется ±48В.

Также при выборе трансформатора необходимо понимать, что после выпрямления, напряжение на конденсаторе фильтра блока питания будет в √2 (или 1.41) раз больше чем на вторичной обмотке. Так трансформатор с напряжением вторичных обмоток по ~25В каждая обеспечит блок питания выходным напряжением постоянного тока ±35В (на холостом ходу).

То есть, 25В×1.41=35В.

Трансформатор должен иметь две вторичные обмотки или одну вторичную обмотку со средним выводом. Его мощность должна быть не меньше выходной мощности усилителя, так например, для одного канала Only Music 2.7 мощностью 100Вт нужен трансформатор мощностью не менее 100Вт.

Диодный мост блока питания должен выбираться с запасом по току. Даже взяв двукратный запас, на цене моста это отразится совсем незначительно. Для двух каналов вполне подойдет диодный мост KBU610 (6А) или KBU810 (8А).

Конденсаторы фильтра блока питания должны быть рассчитаны на выходное напряжение выпрямителя плюс 20-30% запаса. Их емкость будет зависеть от мощности и количества каналов. Для одного канала вполне достаточно 10000-15000мкФ.

Первый запуск усилителя Only Music 2.7

После выполнения монтажа всех компонентов схемы усилителя, необходимо тщательно проверить весь монтаж на правильность установленных компонентов, в соответствии с их цоколевкой и полярностью. После чего, тщательно смываются все остатки флюса (обязательно) и проводится визуальный контроль на предмет отсутствия коротких замыканий дорожек печатной платы (непредусмотренные схемой) кусочками олова, также проводится визуальный контроль на предмет некачественной пайки («соплей»).

Внимание! Перед подачей питания необходимо проверить положение подстроечных резисторов R9 и R20. Как уже говорилось выше, средний вывод R9 должен находиться посередине, а средний вывод R20 должен находиться в верхнем (по схеме) положении, обладая полным сопротивлением (200Ом).

Далее замыкаем вход на общий провод (sGND), а к выходу подключаем милливольтметр постоянного тока.

Убедившись в правильности монтажа и положении подстроечных резисторов, первый запуск необходимо выполнять с ограничением тока питающего напряжения. Для этого, в разрыв сетевого провода блока питания устанавливают лампу накаливания (220В 40-60Вт) и в случае неисправности (КЗ) лампа будет ярко светить, рассеивая лишнюю мощность.

Заместо лампы можно установить после выпрямителя ограничивающие ток резисторы, их нагрев также будет сигнализировать о неисправности, исключив искры, пожар и уменьшит вероятность выхода из строя компонентов схемы.

Также, можно использовать двухканальный лабораторный блок питания, ограничив ток нагрузки в районе 100÷200мА.

Подав питание на усилитель Only Music 2. 7, лампа должна ярко засветить и погаснуть. Если она продолжает ярко светить, то нужно незамедлительно отключить питание. Постоянное яркое свечение лампы свидетельствует о чрезмерном потреблении тока, а значит о неисправности.

Если все нормально и компоненты усилителя не имеют чрезмерного нагрева, то отключаем питание и убираем лампу накаливания. Далее запускаем усилитель (без лампы), измеряем уровень постоянного напряжения на его выходе. Если оно находится в диапазоне 0÷10мВ, то это хорошо. Если больше, то плавным вращением движка подстроечного резистора R9 выполняем подстройку ноля.

Я выставил значение равное менее 1мВ, хотя изначально было около 35мВ.

Установив на выходе необходимое постоянное напряжение (0÷10мВ), приступаем к установке тока покоя.

Установка тока покоя усилителя Only Music 2.7

При установке тока покоя, вход усилителя Only Music 2.7 должен быть также замкнут на общий провод sGND, как и в случае установки ноля.

Щупы милливольтметра постоянного тока подключаем к эмиттерам VT20 и VT21, после чего полученное напряжение делим на сопротивление R35+R36, получившееся значение будет соответствовать току покоя. Например, 30мВ/0.44Ома=68мА.

Плавным вращением движка R20 производим установку тока равного примерно 50мА (соответствует напряжению на эмиттерах 22мВ). После хорошего прогрева устанавливаем описанным выше способом ток в диапазоне 70÷100мА.

Для удобства выполнения вышеописанной операции, я припаял один провод к эмиттеру VT20, а второй к эмиттеру VT21 и крокодилами подключил к ним мультиметр, включенный в режим милливольтметра.

Мои впечатления

Усилитель запустился сразу, без лишних танцев с бубном. Настройка усилителя также прошла налегке. Вообще, все собранные мною схемы усилителей от Ильи запускались легко.

При тестах я питал Only Music 2.7 от трансформатора с двумя вторичными обмотками по 25В и током 1.8А. Нагрузкой служил резистор 4Ома, установленный на радиатор. Синусоидальный сигнал значением 0.6В и частотой 1кГц был подан с генератора. На выходе усилителя чистая синусоида наблюдалась до мощности 60Вт, а далее начинался клиппинг. Причиной клиппинга были слишком малые емкости фильтра блока питания, всего 2200мкФ в плече, что даже смешно. При этом на мощности 60Вт напряжение питания проседало с 35В до 29В в плече. Естественно, в дальнейшем будет полноценный выпрямитель с необходимой емкостью фильтров и корпус с хорошим теплоотводом.

На акустической системе усилитель звучит мощно и чисто, без всяких там вуалей, бархатного звука и теплых нот, проникающих вглубь самой души. Короче без всякого аудиофильского мудачества, усилитель Only Music 2.7 хорош своей повторяемостью, чистым и мощным звуком, наличием защиты и малыми габаритами. За это спасибо разработчику.

Перечень компонентов схемы СКАЧАТЬ

Печатная плата усилителя Only Music 2.7 СКАЧАТЬ


Похожие статьи

Копируем схему фирменного усилителя и сравниваем результат звучания

После нескольких вариантов сборки дешевых китайских усилителей звука на TDA2030 и иже с ними пришло время для чего-то более серьезного. Выбор пал на фирменные транзисторные усилители. Изучив около десятка инструкций и проанализировав схемы, попытавшись выбрать замену из имеющихся компонентов обнаружил, что сборка Rotel RA-820 должна по-идее завершиться успешно. И не ошибся…

Схема оригинального УНЧ ROTEL

Не было смысла собирать оригинальные платы — они были огромными в той конструкции. На фото показана конструкция УМЗЧ на транзисторах, блок питания (в том числе для предусилителя).

Предусилитель тоже был собран, хотя после многих экспериментов оказалось, что это ненужный модуль. Конечно не могло обойтись без защиты АС от постоянного тока и отложенного включения колонок. Выбор был прост — несложная и эффективная защита от одного из тоже заводских усилителей. Источником звука служит проигрыватель компакт-дисков.

Выходная мощность УМЗЧ

  • 2x 30 Вт среднеквадратичное значение для 8 Ом с полосой пропускания 20–20 000 Гц,
  • 2х 50 Вт для 4 Ом (1 кГц, искажение 1%).
  • Диапазон частот ± 1 дБ: 10–30000 Гц.

Конструкция УНЧ тут как бы в две печатные платы, в которых практически все пути прохождения сигнала были отделены от путей прохождения заземления.

Максимальная мощность, которую можно получить от одного канала, составляет: для 8 Ом — 50 Вт, для 4 Ом — 74 Вт.

Честно говоря не ожидал такого, предполагалось что в целом схема мало чем отличалась от усилителей, которые собирал до сих пор — полупроводники в принципе практически одинаковы. И все же первое, что бросается в глаза (точнее в уши) — это потрясающий контроль над динамиками — усилитель буквально делает с ними то, что хочет. Голос звучит красиво, сильный твердый бас, чистые средние частоты и нежные высокие. После бубнящего звука китайских ТДА усилителей, прослушивание этого аппарата доставляет настоящее удовольствие!

Сверхлинейный УМЗЧ класса High-End на транзисторах (80Вт)

Отдаваемое в последнее время предпочтение ламповым выходным усилителям мощности звуковой частоты для звуковоспроизведения высокой верности трудно понять, исходя из объективного их сравнения с транзисторными УМЗЧ. Ведь по всем измеряемым характеристикам современный УМЗЧ на транзисторах существенно превосходит ламповый. На наш взгляд, измеряемыми обычно нелинейными искажениями (НИ) не исчерпываются те искажения, которые определяют качество звуковоспроизведения.

В самых совершенных конструкциях транзисторных УМЗЧ уровень НИ доведен практически до слухового порога и даже ниже, поэтому сомнительно, что их можно воспринимать на слух, тем более в условиях маскировки полезным сигналом.

Дело, по-видимому, в том, что обычно измеряют НИ в установившемся режиме, когда переходный процесс после подачи на вход испытываемого усилителя измерительного сигнала уже завершен как на входе, так и на выходе усилителя, а в замкнутой петле общей отрицательной обратной связи (ООС) установился стационарный колебательный процесс, отвечающий с большей или меньшей точностью поступающему на вход сигналу.

Очевидно, что нелинейность усилителя проявляется гораздо сильнее во время переходного процесса (длительность которого за счет задержки сигнала в цепи ООС может быть значительной), особенно на его начальном этапе, когда действие ООС наименее эффективно (из-за упомянутой задержки).

В отличие от динамических искажений, приводящих к перегрузке входного каскада на протяжении всей длительности неблагоприятного по параметрам входного сигнала — рассматриваемые переходные НИ имеются даже тогда, когда отсутствуют динамические, но только пока переходный процесс не закончен.

А если учесть, что реальные звуковые программы очень далеки от стационарности и на самом деле вызывают в УМЗЧ почти непрерывный переходный процесс, то при воспроизведении таких программ НИ могут намного превышать измеренные обычными методами в одном и том же экземпляре усилителя.

Вследствие малой длительности переходного процесса по сравнению с временем лабораторных измерений они пока «ускользают» от экспериментального изучения (для этого требуется разработка специальных методов) и в то же время легко воспринимаются на слух на протяжении звучания всей фонограммы.

С этой точки зрения становится понятным преимущество ламповых усилителей: хотя измеряемый уровень НИ у них больше (это относится только к стационарному режиму), в реальных условиях лампы как гораздо более линейные приборы обеспечивают меньшие НИ, чем транзисторы (хотя, конечно, большие, чем те же лампы в стационарном режиме), что и обусловливает лучшее звучание ламповых усилителей.

Однако очевидны такие недостатки ламповых усилителей, как неудобства в эксплуатации, громоздкость и большая масса, значительная потребляемая мощность при сравнительно низких КПД и выходной мощности.

В этой связи выглядело бы заманчивым создание транзисторного усилителя с реальным уровнем НИ не хуже, чем у лампового. Последнее означает, что измеряемый по обычным методикам уровень НИ такого усилителя должен быть снижен на один-два порядка (!) по сравнению с лучшими образцами (можно и больше), чтобы НИ в нестационарном режиме имели приемлемую величину.

Однако применяемые сейчас методы линеаризации транзисторных усилителей, по-видимому, себя уже исчерпали и не позволят достичь требуемого коэффициента НИ (0=0,0001 …0,00001 %).

Поэтому была поставлена задача изучить возможность получения такого рекордно низкого уровня собственных НИ транзисторного УМЗЧ, не останавливаясь перед сложностью схемотехнических решений, а затем и решить, оправдан ли такой подход, приносит ли он выигрыш по качеству звучания по сравнению с существующими схемами.

Представляемая в настоящей работе конструкция адресована в первую очередь самым взыскательным ценителям высококачественного звуковоспроизведения. Она разработана на основе изложенного в [1] принципа, который является усовершенствованием известного метода снижения искажений, описанного в [2].

Рис. 1-3. Блок-схемы усилителей.

На рис.1 изображена блок-схема двухкаскадного усилителя с передаточной функцией первого каскада К1 и второго К2, передаточной функцией b цепи общей ООС, охватывающей весь усилитель, и передаточной функцией g цепи местной положительной обратной связи (МПОС), охватывающей первый каскад. Результирующая передаточная функция такого устройства описывается выражением К=К1К2/(1-тК1+рК1К2). (1)

Если установить усиление в петле МПОС тК1=1, то окажется, что в отличие от усилителя с одной ООС, у которого К = К1К2/(1+ |ЗК1К2) и только приближенно К=1/р (при |ЗК1К2»1), передаточная функция данного усилителя будет точно равна 1/р.

При этом глубина ООС должно быть больше глубины МПОС, т. е. |ЗК1К2>уК1, что является необходимым (но недостаточным) условием устойчивости. Таким образом, при уК1=1 подавляются все искажения, которые возникают во втором каскаде и причиной которых является непостоянство его передаточной функции (поскольку К=1/|3 и не зависит от К2).

Однако абсолютно полное подавление искажений возможно только при идеальном первом каскаде. Реально же ему присущи как нелинейные, так и частотные искажения, приводящие к отклонению передаточной функции К1 от оптимального значения. Кроме того, оно изменяется из-за колебаний питающих напряжений, температурного дрейфа и изменения со временем параметров деталей.

Проблемой является и обеспечение совместной устойчивости такой сложной системы при совместном действии ООС и ПОС (второе условие устойчивости), так как введение ПОС уменьшает запас устойчивости исходной системы [2].

С другой стороны, желательно (для получения наибольшей линейности), чтобы глубина как ПОС, так и ООС была постоянной в рабочем диапазоне частот, т. е. чтобы первый полюс АЧХ системы с разомкнутыми обратными связями находился на частоте f>20…30 кГц, и частота среза в петле ПОС была также не меньше.

Между тем выполнить последние требования и одновременно обеспечить надежный запас устойчивости вовсе не просто, а отступление от

Усилитель мощности в классе А со сверхбыстродействующей ОООС

Увлекаться аудиотехникой и слушать музыку я начал очень давно, с конца 80-х годов и продолжительное время был твердо убежден, что любой УМ с лейблом Sony, Technics, Revox и т.д. намного лучше отечественных усилителей, а самоделок – тем более, так как у западных брендов и технологии, и самые качественные детали, и опыт.

Все изменилось после статьи А.М. Лихницкого в журнале Аудиомагазин № 4(9) 1996, где рассказывалось о разработке и внедрении в производство в 70-е годы усилителя Бриг-001, автором которого он является. Волею случая, спустя небольшой промежуток времени, неисправный Бриг-001 из первых выпусков попал мне в руки. Используя только оригинальные отечественные детали 70-х — 80-х годов, привел этот УМ в первоначальное состояние, чтобы можно было оценить его звуковые способности как можно более достоверно.

Подключение усилителя Бриг-001 вместо Technics SU-A700 домашней аудиосистемы повергло меня в шок – Бриг звучал намного лучше, хотя параметры имел скромнее и был старше лет на 20. Именно в этот момент возникла идея сделать усилитель своими руками, способный заменить штатный в аудиосистеме, что и было сделано в 1998 году, преимущественно, на отечественной элементной базе военной приемки. Новый аппарат не оставлял шансов на сравнительных прослушиваниях уже и более именитым усилителям, типа NAD и Rotel средних моделей линейки и был вполне убедителен даже в сравнении с их более старшими собратьями. Дальнейшее развитие проект получил в 2000-м году, в виде двухблочного УМ по той же схеме, но с новым конструктивом и увеличенной энергоемкостью блока питания. Сравнивался он уже с транзисторными и ламповыми усилителями из ценовой категории до нескольких тысяч долларов США, причем, во многих случаях превосходил их по качеству звучания. Тут я понял еще одну вещь – конструкция усилителя решает почти все.

Анализируя результаты прослушиваний, особенно с участием тех усилителей, которые звучали лучше моего двухблочного УМ, я пришел к выводу, что чаще на высоте оказывались либо хорошие ламповые конструкции, либо транзисторные без общей ООС. Были среди них и УМ с глубокой ОООС, в спецификациях которых нередко красовались очень высокие значения скорости нарастания выходного напряжения – 200 В/мкс и выше. Как правило, эти аппараты были дорогие, а их схемотехника отсутствовала в открытом доступе. Мой оконечник тоже имел достаточно глубокую ОООС, но невысокое по сравнению с ними быстродействие – около 50 В/мкс, при сопоставимом выходном напряжении. Ему иногда не хватало способности передать в полной мере натуральность тембров музыкальных инструментов и голосов исполнителей, эмоции музыкантов. На некоторых композициях подача музыки упрощалась, часть тембрального богатства скрывалось за некой тонкой серой вуалью. Наверное, это и называют «транзисторным звучанием», присущим УМ с обратной связью.

Причины «транзисторного» звука в УМ с ОООС неоднократно обсуждались и на форумах, и в книгах по схемотехнике, и в публикациях журналов, соответствующих данной тематике. Одна из известных версий, которой и я придерживаюсь, заключается в том, что низкое выходное сопротивление охваченных общей ООС усилителей, измеренное на синусоидальном сигнале и активной нагрузке, совсем не остается таковым при воспроизведении музыки на АС, что позволяет сигналам противо-ЭДС от динамических головок проникать с выхода усилителя по цепям обратной связи на его вход. Эти сигналы не вычитаются ОООС, так как уже отличаются по форме и имеют фазовый сдвиг относительно исходных, поэтому они благополучно усиливаются и снова попадают в акустические системы, вызывая дополнительные искажения и посторонние звуки в аудиотракте. Методы борьбы с этим эффектом периодически обсуждаются. Как примеры, можно привести следующие:

1. «Ложный» канал ОООС, когда ее сигнал снимается с одного из параллельно включенных элементов оконечного каскада, который не подсоединен к АС, а нагружен на резистор определенного номинала.

2. Снижение выходного сопротивления УМ еще до охвата ОООС.

3. Увеличение быстродействия внутри петли ОООС до «космических» скоростей.

Естественно, что самый действенный способ борьбы с артефактами ОООС — это исключение ее из схемотехники УМ, но мои попытки построить что-то стоящее без ОООС на транзисторах не увенчались успехом. Начинать с нуля в сфере ламповой аудиотехники посчитал уже нецелесообразным для себя. Способ из пункта «1» вызывал много вопросов, поэтому начал опыты с увеличением быстродействия внутри петли обратной связи, учитывая и пункт «2». Хотелось бы сразу обратить внимание на тот факт, что скорость нарастания выходного напряжения, достаточная для правильного воспроизведения усилителем атаки звука музыкальных инструментов, является величиной относительно небольшой, а ее сверхвысокие значения актуальны только по отношению к работе ОООС.

Понятно, что в усилителях с общей ООС не все проблемы решаются увеличением скорости нарастания, но основная мысль была в следующем, при прочих равных параметрах: чем выше скорость внутри петли ОООС, тем быстрее будут затухать «хвосты» некомпенсированных обратной связью сигналов и что должен быть какой-то порог их заметности на слух, учитывая снижение длительности артефактов с повышением быстродействия. Двигаясь по этому направлению, очень быстро столкнулся с проблемой приблизиться хотя бы к планке 100 В/мкс в УМ на дискретных элементах — при наличии в схеме каскадов на мощных транзисторах все оказалось гораздо сложнее. В усилителях с обратной связью по напряжению высокое быстродействие у меня никак «не вязалось» с устойчивостью, а в УМ с ТОС (с токовой обратной связью) не удавалось, без применения интегратора, получить на выходе приемлемый уровень постоянного напряжения, хотя со скоростью все было в порядке, да и с устойчивостью проблемы решались. Интегратор меняет звучание не в лучшую сторону, по моему мнению, поэтому очень хотелось обойтись без него.

Ситуация была практически тупиковая и уже не первый раз возникали мысли, что если создавать усилитель мощности с ООС по напряжению, то используя топологию предварительного или телефонного усилителя, гораздо проще будет сделать его быстродействующим, широкополосным, устойчивым и без интегратора, что, по моему мнению, должно положительно сказаться на качестве звучания. Оставалось только придумать, как это реализовать. Почти 10 лет решения не было, но за это время была проведена домашняя «НИР» по исследованию влияния скорости нарастания выходного напряжения внутри петли общей ООС на качество звучания, для чего был создан макет, позволяющий проводить испытания различных композитных усилителей на ОУ.

Результаты моей «НИР» были такими:

1. Быстродействие и полоса пропускания композитного усилителя должны увеличиваться от входа к выходу.

2. Коррекция только однополюсная. Никаких конденсаторов в цепях ООС.

3. Для усилителя с максимальным выходным напряжением 8.5 В RMS, при глубине ОООС около 60 дБ, заметный прирост в качестве звука появляется где-то в интервале 40-50 В/мкс, а затем — уже ближе к 200 В/мкс, когда у усилителя практически перестает быть «слышно» ОООС.

4. Свыше 200 В/мкс заметного улучшения не наблюдалось, но для УМ с выходным напряжением 20 В RMS, к примеру, нужно уже 500 В/мкс для достижения такого же результата.

5. Входные и выходные фильтры, ограничивающие полосу УМ, проявляют себя в звучании далеко не лучшим образом, даже если частота среза существенно выше верхней границы звукового диапазона.

После неудачных опытов с УМ на дискретных элементах, мой взор обратился к быстродействующим ОУ и интегральным буферам, имеющим наибольший выходной ток. Результаты поиска были неутешительные – все приборы с большим выходным током безнадежно «медленные», а быстродействующие имеют низкое допустимое напряжение питания и не очень большой выходной ток.

В 2008 году, случайно, в Интернете нашлось дополнение к спецификации на интегральный буфер BUF634T, где самими разработчиками приводилась схема композитного усилителя с тремя такими буферами на выходе, соединенными параллельно (рис. 1) – именно тогда пришла идея спроектировать УМ с большим количеством таких буферов в выходном каскаде.

BUF634T – это широкополосный (до 180 МГц), сверхбыстродействующий (2000 В/мкс) буфер, построенный на основе параллельного повторителя, имеющий выходной ток 250 мА и ток покоя до 20 мА. Единственный его недостаток, можно сказать, — это низкое напряжение питания (+\- 15 В номинальное и +\- 18 В – максимально допустимое), что накладывает определенные ограничения на амплитуду выходного напряжения.

Остановил все-таки свой выбор на BUF634T, смирившись с низким выходным напряжением, так как все остальные характеристики буфера и его звуковые свойства меня полностью устраивали, и начал проектировать УМ с максимальной выходной мощностью 20 Вт/4Ом.

Рис.1

Выбор количества элементов выходного каскада свелся к тому, чтобы получить УМ, работающий в чистом классе А на нагрузку 8 Ом и обеспечить режимы элементов выходного каскада по току далекие от предельных. Требуемое количество определилось как 40+1. Для дополнительного 41-го буфера был установлен минимальный ток покоя — всего 1.5 мА, а использовать его предполагалось для того, чтобы осуществить первый запуск конструкции еще до установки радиаторов, а также с целью проведения некоторых настроек и экспериментов в более комфортных условиях. Впоследствии оказалось, что это была очень хорошая идея.

Как известно, параллельное соединение интегральных микросхем не приводит к увеличению общего уровня шума и Кг, но снижается входное сопротивление такого модуля и растет его входная емкость. Первое — не критично: входное сопротивление BUF634T составляет 8 МОм и, соответственно, суммарное не будет ниже 195 кОм, что более чем приемлемо. С входной емкостью ситуация на так радужна: 8 пФ на буфер дает 328 пФ общей входной емкости, что является уже заметной величиной и негативно скажется на работе раскачивающего ОУ (рис. 1). Для глобального снижения выходного сопротивления драйвера оконечного каскада, перед ним был введен еще один ОУ, охваченный собственной петлей ООС. Таким образом, схема выросла в тройной композитный усилитель, но в котором выполнялись все пункты результатов моей «НИР». После многочисленных экспериментов определился состав УН композитного усилителя: AD843 занял место входного ОУ, а мощный быстродействующий ОУ AD811, с токовой ООС, был призван выполнять функции выходного буфера драйверного каскада. Для гарантированного получения требуемого быстродействия УМ (свыше 200 В/мкс) коэффициент усиления AD811 был выбран равным двум, что в идеале удваивало имеющиеся 250 В/мкс у AD843 и позволяло надеяться, что при соответствующей схемотехнике и удачном конструктиве удастся сохранить требуемое значение скорости нарастания выходного напряжения для полной схемы УМ. Забегая вперед, отмечу, что ожидания оправдались – реальное значение этого параметра с буферами на выходе получилось более 250 В/мкс.

Общая схема усилителя претерпела множество изменений за время настройки и доводки, поэтому приведу сразу финальный вариант, который включает в себя все исправления и доработки (рис. 2).

Рис. 2

Структура проста – селектор входов, регулятор громкости, УН, буферный усилитель для записи на магнитофон, оконечный каскад и реле защиты, которое управляется оптоэлектронной схемой задержки подключения АС и защиты их от постоянного напряжения (рис.3). Для компактности, буферы и сопутствующие им резисторы объединены по 10 шт, но нумерация деталей сохранена в полном объеме. Как видно на рис. 2, контактная группа реле защиты УМ (К6) не включена в цепь прохождения звука и замыкает выход на землю во время переходных процессов или возможных аварийных ситуаций.

Рис. 3

Для BUF634T такое включение не опасно, тем более что все буферы имеют на выходе по резистору 10 Ом. Во избежание потери устойчивости усилителем, из-за замыкания на землю резистора ОООС (R15), одновременно со срабатыванием реле К6 замыкается и реле К5, образующее временную цепь ОООС драйверного каскада через резистор R14. Если номиналы резисторов R14 и R15 равны, то никаких посторонних щелчков в АС во время работы защиты нет, даже если они чувствительностью свыше 100 дБ.

Стоит заметить, что первый год эксплуатации усилитель надежно функционировал и без реле К5, и без временной цепи ООС с R14, но мне не давала покоя сама вероятность возникновения самовозбуждения во время работы защиты, поэтому были введены эти дополнительные элементы. Кстати, усилитель прекрасно работает и без охвата оконечного каскада цепью ОООС. Можно убрать резистор R15, реле К5, а резистором R14 замкнуть обратную связь в УН, что я и делал, в качестве эксперимента. Мне так звук понравился меньше – возможно, что это тот вариант, когда от использования сверхбыстродействующей обратной связи получаем больше плюсов, чем минусов.

На схеме также видно, что один из 4-х входов (вход CD) переводит УМ в режим усилителя постоянного тока (УПТ), а с входа LP (проигрыватель виниловых дисков) реализована функция «Tape Monitor», причем без дополнительных контактных групп в цепи прохождения сигнала. Являюсь поклонником аналоговой записи, поэтому сделал для себя именно так. Если в аудиосистеме нет аналоговых звукозаписывающих устройств, то блок на ОУ IC1 можно исключить.

На схеме не показаны блокировочные конденсаторы по питанию – они для удобства будут отображены на схеме БП.

Идеология этого усилителя в значительной степени отличается от классической и основывается на принципе разделения токов – каждый элемент оконечного каскада работает с малым током, в очень комфортном режиме, но достаточное количество этих элементов, включенных параллельно, могут обеспечить данному 20-Ваттному усилителю максимальный ток в нагрузке более 10 А постоянно и до 16 А в импульсе. Таким образом, выходные каскады нагружены во время прослушивания, в среднем, не более чем на 5-7%. Единственное место в усилителе, где могут проходить большие токи, – это две медные шины на плате УМ, ведущие к терминалам для подключения АС, куда сходятся вместе выходы всех BUF634T каждого канала.

В рамках этой же идеологии был разработан и блок питания УМ (рис.4) – в нем также все силовые элементы работают с относительно небольшими токами, но их тоже много, и в результате суммарная мощность БП в 4 раза превышает максимальную потребляемую усилителем. БП – это одна из самых важных частей в усилителе, которую, с моей точки зрения, стоит рассмотреть подробнее. Усилитель построен по технологии «двойное моно» и поэтому содержит на «борту» два независимых БП для сигнальных цепей, полностью стабилизированных, мощностью по 150 Вт каждый, отдельные стабилизаторы для усилителя напряжения, а также БП для обеспечения сервисных функций, с питанием от отдельного сетевого трансформатора 20 Вт. Все сетевые трансформаторы БП фазированы между собой – при изготовлении трансформаторов были помечены проводники начала и конца первичных обмоток.

Рис. 4

Силовая часть каждого канала разделена на 4 двухполярных линии, что позволило снизить ток нагрузки каждого стабилизатора до величины всего 200 мА, и увеличить падение напряжения на них до 10 В. В таком режиме даже простые интегральные стабилизаторы типа LM7815 и LM7915 прекрасно себя зарекомендовали в питании звуковых цепей. Можно было использовать более «продвинутые» микросхемы LT317 и LT337, но в наличии имелось много оригинальных LM7815С и LM7915С от Texas Instruments, с выходом 1.5 А, что и определило выбор. Суммарно, питание сигнальных цепей усилителя обеспечивается с помощью двадцати таких интегральных стабилизаторов – 4 для УН и 16 для ВК (рис.4). Каждая пара стабилизаторов силовой части питает 10 шт. BUF634T. Одна пара стабилизаторов для УН нагружена связкой AD843+AD811 одного канала. RC цепь (R51, C137, к примеру) перед стабилизаторами УН имеет двойное назначение: защищает выпрямитель от броска тока при включении питания УМ и образует фильтр с частотой среза ниже края звукового диапазона (около 18 Гц), который заметно снижает амплитуду пульсаций выпрямленного напряжения и уровень других помех, что немаловажно для входных каскадов.

Еще одной особенностью блока питания является то, что основная часть всех конденсаторов фильтра (160000 мкФ из 220000 мкФ) находятся после стабилизаторов, что дает возможность отдавать в нагрузку большой ток, при необходимости. Однако это потребовало введения системы мягкого старта «Soft Start» для защиты стабилизаторов при включении усилителя и начальном заряде батареи емкостей. Как видно на рис. 4, Soft Start реализован достаточно просто, на одном транзисторе (VT1), который с задержкой (порядка 9 с) подключает слаботочное реле К10, включающее, в свою очередь, 4 сильноточных реле К11-К14, с четырьмя группами контактов в каждом, замыкающих 16 ограничивающих ток резисторов номиналом 10 Ом (R20, R21, к примеру). То есть, во время включения усилителя, максимальный пиковый ток каждого стабилизатора жестко ограничен величиной 1.5 А, что является для него нормальным режимом работы. «Soft Start» в первичной цепи 220 В не использую – в случае обрыва ограничивающего ток резистора или потери контакта в местах пайки его выводов возможны тяжелые последствия для всего УМ.

На БП для сервисных функций возложено подключение сетевого напряжения к основным трансформаторам (реле К8), питание компонентов системы Soft Start, реле селектора входов, напряжение питания которых, кстати, тоже стабилизировано. Реализован также выход +5 В, выведенный на разъем на задней панели УМ, – это уже некий стандарт в моих усилителях для одновременного включения каких-либо внешних блоков. Данный усилитель вполне может работать как усилительно-коммутационное устройство (предварительный усилитель) для более мощных моноблоков, к примеру, которые будут включаться при подаче на них управляющего напряжения +5 В.

Блок питания усилителя был построен в первую очередь, так как дальнейшее продвижение процесса разработки требовало наличие полноценного БП, чтобы первый запуск, эксперименты и настройку производить в режиме близком к реальным условиям эксплуатации. После успешного запуска всех цепей питания, на плате УМ был собран селектор входов, узел задержки включения и защиты АС, а также композитный усилитель с одним BUF634T (BUF41) на выходе, в качестве оконечного каскада. Как уже упоминалось выше, этот 41-й буфер имеет малый ток покоя и не требует установки на радиатор, но к выходу усилителя теперь запросто подключались наушники, что давало возможность слухового контроля, наряду с измерениями. По окончании отладки схемы с одним выходным буфером в каждом канале, оставалось только впаять остальные 80 шт. и посмотреть, что из этого получится. Никаких гарантий положительного результата у меня не было, да и быть не могло — отсутствовала информация об успешно реализованных подобных проектах других разработчиков. Насколько мне известно, конструкций на параллельных ОУ, имеющих аналогичное быстродействие, ни в России, ни за рубежом нет и сейчас.

Результат все же оказался положительным. Так как усилитель был собран на жестком шасси из алюминиевых брусков, где были закреплены и все коммутационные разъемы (фото 1), то подключить его к аудиосистеме возможно было и без корпуса. Начались первые прослушивания, но об этом чуть позже — сначала, приведу некоторые параметры:

Фото 1

Выходная мощность: 20 Вт/4Ом, 10 Вт/8Ом (класс А)

Полоса пропускания: 0 Гц – 5 МГц (вход CD)

1. 25Гц — 5 МГц (входы AUX, Tape, LP)

Скорость нарастания выходного напряжения: более 250 В/мкс

Коэффициент усиления: 26 дБ

Выходное сопротивление: 0.004 Ом

Входное сопротивление: 47 кОм

Чувствительность входов: 500 мВ

Отношение сигнал/шум: 113.4 дБ

Потребляемая мощность: 75 Вт

Мощность блока питания: 320 Вт

Габаритные размеры, мм: 450х132х390 (без учета высоты ножек)

Вес: 18 кг

На основании параметров, даже не заглядывая в схему, очевидно, что в усилителе отсутствуют входные и выходные фильтры, а также внешние цепи частотной коррекции. Но стоит заметить, что при этом он устойчив и прекрасно работает даже с неэкранированными межблочными кабелями. Достаточно информативна в этом отношении и осциллограмма меандра 2 кГц 5В/дел, на нагрузке 8 Ом при почти максимальном уровне выходного напряжения (Фото 2).

Фото 2

С моей точки зрения, это заслуга правильной разводки проводников «земли», а также большая площадь их поперечного сечения: от 4 кв.мм. до 10 кв.мм. (включая дорожки на печатных платах).

Есть осциллограммы, снятые и на частотах 10кГц, 20кГц и 100кГц, но проверки на высоких частотах проводились с малым уровнем сигнала, поэтому уже сказывалось наличие высокоОмного регулятора громкости на входе, а также R-C цепь Цобеля на выходе УМ, которая еще присутствовала в то время (меандр 100 кГц 50мВ/дел — фото 3).

Фото 3

При первом же прослушивании в домашней аудиосистеме стало понятно, что аппарат звучит и что пора заказывать корпус, чтобы можно было поехать с ним на «гастроли»:) С момента завершения работ над проектом и первого прослушивания прошло уже более 5 лет. В течение этого времени были проведены десятки (более 70-ти, по грубым подсчетам) сравнительных прослушиваний усилителя с эксклюзивными ламповыми и транзисторными УМ от известных производителей, а также с авторскими конструкциями высокого уровня. Исходя из полученных экспертных оценок, можно сказать, что усилитель не уступает по натуральности звучания большинству прослушанных двухтактных и однотактных ламповых и транзисторных усилителей, построенных без использования отрицательной обратной связи, но часто существенно их превосходит по музыкальному разрешению. Многие любители лампового звука и приверженцы однотактных УМ без ООС замечали, что в данной конструкции практически не «слышна» работа отрицательной обратной связи и «ничем себя не выдает» наличие в схеме двухтактных выходных каскадов.

Усилитель подключался к различной акустике – это и АС известных российских производителей: Александра Клячина (модели: MBV (MBS), PM-2, N-1, Y-1), рупорные АС Александра Князева, полочные АС на профессиональных динамиках фирмы Tulip Acoustics, АС иностранных брендов средней и высокой ценовой категории: Klipsh, Jamo, Cerwin Vega, PBN Audio, Monitor Audio, Cabasse и многих других, с разной чувствительностью и входным импедансом, многополосные со сложными и простыми разделительными фильтрами, широкополосные без разделительных фильтров, АС с разным акустическим оформлением. Особых предпочтений выявлено не было, но лучше всего УМ раскрывается на напольной акустике с полноценным НЧ диапазоном и, желательно, чувствительностью повыше, так как выходная мощность невелика.

На начальном этапе прослушивания организовывались не с целью «спортивного» интереса – их основная задача состояла в выявлении каких-либо артефактов в звучании, которые можно попытаться исправить. Очень информативные и полезные с этой точки зрения прослушивания были в аудиосистеме Александра Клячина, где имелась уникальная возможность оценить звучание усилителя сразу на 4-х различных моделях АС, причем одни из этих АС (Y-1) так понравились, что вскоре стали компонентами моей домашней аудиосистемы (Фото 4). Естественно, что было очень приятно получить высокую оценку своему изделию и некоторые замечания от аудиоэксперта, имеющего огромный опыт.

Фото 4

Аудиосистема известного мэтра российского Hi-End Юрия Анатольевича Макарова (фото 5, УМ на прослушивании), построенная в специально оборудованной комнате прослушивания и являющаяся референсной во всех отношениях, внесла основные коррективы в конструкцию данного усилителя: была удалена цепь Цобеля с выхода УМ и основной вход сделан в обход разделительного конденсатора. В этой аудиосистеме слышно все и даже больше, поэтому трудно переоценить ее вклад и советы Юрия Анатольевича в процесс доводки звучания усилителя. Состав его аудиосистемы: источник – транспорт и ЦАП с отдельным блоком питания Mark Levinson 30.6, АС Montana WAS от PBN Audio, бескомпромиссный однотактный ламповый усилитель «Император» и все антифазные кабели конструкции Ю.А. Макарова. Нижняя граничная частота АС Montana WAS 16 Гц (-3 дБ) позволила оценить «вклад» разделительного конденсатора, причем достаточно качественного (MKP Intertechnik Audyn CAP KP-SN), в искажения НЧ диапазона музыкального сигнала, а высочайшее музыкальное разрешение аудиосистемы — услышать негативное влияние выходного фильтра, в виде R-C цепи Цобеля, которая не оказывала никакого влияния на устойчивость усилителя и вскоре была удалена с платы. Подключение внешних низкоОмных регуляторов громкости от 100 Ом до 600 Ом (штатный РГ ставился в положение максимум) дало понимание того факта, что даже высококачественный дискретный регулятор DACT 50 кОм, использованный в моем усилителе, неплохо было бы заменить на меньший номинал (из подключаемых внешних мне показался лучшим РГ 600 Ом), но для этого пришлось бы достаточно много переделывать и было принято решение реализовать это и другие накопившиеся усовершенствования уже в новом проекте.

Фото 5

Наверное, стоит упомянуть и об участии усилителя в Выставке в 2011 году (фото 6), как единственного некоммерческого проекта, материал о которой был опубликован в журнале Stereo&Video за январь 2012 года, где УМ был назван «открытием года». Демонстрация шла с АС Tulip Acoustics, имеющих чувствительность 93 дБ при сопротивлении 8 Ом и, как ни странно, имеющихся 10 Вт/8 Ом оказалось достаточно в большом зале с высоким уровнем фонового шума. 10 Вт от усилителя в классе А, у которого каждый Ватт выходной мощности достаточно обеспечен энергоемкостью блока питания, воспринимаются субъективно громче, по моим наблюдениям, чем звучание усилителя с более высокой выходной мощностью, но с оконечными каскадами, содержащимися на «голодном пайке».

Фото 6

После Выставки, ко мне участились обращения через электронную почту и личные сообщения форумов от желающих повторить проект, но возникали определенные сложности –информационная поддержка представлялась всем желающим, но мои платы были нарисованы на миллиметровой бумаге, с двух сторон, и не годились для сканирования в файл, так как бумага просвечивалась насквозь, и получался практически нечитаемый рисунок. Без готовой печатной платы повторение конструкции сильно усложнялось и энтузиазм угасал. Теперь, на форуме портала Vegalab.ru, доступна электронная версия платы, автором которой является известный на русскоязычных форумах специалист по разводке печатных плат Владимир Лепехин из Рязани. Плата находится в свободном доступе, ссылка на нее есть в первом посте темы про этот усилитель. Тему найти очень просто: достаточно набрать фразу «Prophetmaster amplifier» в строке поиска Яндекса или другой поисковой программы. Именно на этой плате одному из участников форума Vegalab — Сергею из Гомеля (Serg138) удалось повторить данный проект и получить очень хороший результат. Информацию о данной реализации УМ и фото его конструкции также можно найти в соответствующей теме, по ссылкам в первом посте.

Несколько советов:

При выборе электролитических конденсаторов руководствовался собственными измерениями ESR и тока утечки, поэтому стоят оригинальные Jamicon. Специально вставил слово «оригинальные», потому что их очень часто подделывают и многие уже, наверное, сталкивались с некачественными изделиями под маркой этого производителя. А реально, это одни из лучших конденсаторов для использования в питании звуковых цепей.

Регулятор громкости установлен DACT 50 кОм. Сейчас, я бы выбрал их наименьший номинал – 10 кОм или использовал бы релейный регулятор Никитина с постоянным входным и выходным сопротивлением 600 Ом. РГ типа ALPS RK-27 будет намного хуже и не рекомендуется к использованию.

В шунтах электролитов установлено, суммарно, более 90 мкФ пленочных конденсаторов. На моих платах «винтажные» Evox 70-х годов, которые достались по случаю, но ничем не хуже будут полипропиленовые Rifa PEh526, Wima MKP4, WimaMKP10.

Реле рекомендую Finder в силовой части, защитеАС и софтстарте, а для селектора входов нужно использовать только такие реле, у которых в параметрах нормирован минимальный коммутируемый ток. Таких реле выпускается немного моделей, но они есть.

Отечественные быстродействующие выпрямительные диоды КД213 (10 А) или КД2989 (20 А) в питании оконечного каскада будут лучше большинства импортных.

Хочу заметить, что схемотехника усилителя достаточно проста, но для работы со столь быстродействующими и широкополосными микросхемами нужны соответствующие навыки и измерительные приборы – функциональный генератор, осциллограф с полосой не менее 30 МГц (лучше — 50 МГц).

В заключение, хотелось бы сказать, что сделанные мной выводы по результатам проведенных экспериментов, а также в течение работ над данным проектом и последующей его доводки, не претендуют на абсолютную истину. Путей достижения цели, которой в данном случае является качественный звук, достаточно много и каждый из них подразумевает комплекс мер, которые могут не давать положительного результата по отдельности. Поэтому, простых рецептов в этой области не бывает.

Статья была опубликована в журнале Радиолюбитель, в номерах 7 и 8 за 2014 год.

Фотографии усилителя на сайте датской компании DACT:

http://www. dact.com/html/prophetmaster.html

С уважением, Олег Шаманков (Prophetmaster)

Усилитель мощности (УМЗЧ) с усилителем напряжения по схеме с общей базой

В предлагаемом усилителе мощности (далее УМЗЧ) основной каскад усиления напряжения выполнен на транзисторе, включенном по схеме с общей базой. Это обеспечивает его высокую устойчивость к самовозбуждению, что дает возможность применять широкополосную ООС и эффективно снижать нелинейность каскадов и помехи в широкой полосе частот. При чувствительности 2 В описываемый УМЗЧ обеспечивает на нагрузке сопротивлением 8 Ом синусоидальную мощность 120 Вт. Уровень гармонических искажений составляет примерно 0,03 %

До недавнего времени среди радиолюбителей была популярна классическая структура усилителя мощности [1], в которой дифференциальный каскад на входе УМЗЧ нагружен на каскад усиления напряжения с транзистором по схеме с общим эмиттером, за которым следует каскад усиления мощности, как правило, представляющий собой двух или трехступенчатый усилитель тока. Такая структура и теперь является базовой для интегральных микросхем УМЗЧ.

За последние четыре десятка лет эта схема мало изменилась, ее варианты умножились за счет распространения мощных полевых транзисторов. Она обеспечивает необходимые параметры, измеряемые малыми значениями нелинейных искажений, легко поддающиеся расчету выходную мощность и коэффициент усиления. Вполне объяснима целесообразность применения входного дифференциального каскада, обеспечивающего высокую стабильность всего устройства в статическом режиме Выходной каскад, представляющий собой двух или трехступенчатый эмиттерный повторитель, вносит минимальные гармонические искажения при почти полном, соизмеримым с напряжением питания (правильнее сказать, с его половиной) размахом напряжения на выходе устройства. Сложнее обстоят дела с усилителем напряжения — драйвером. За 60-летний период существования биполярного транзистора его включение по схеме с общим эмиттером (ОЭ) неплохо изучено, выявлены все его сильные и слабые места, что и послужило его применению во всех аналоговых и цифровых устройствах в широком диапазоне частот, а также в усилителях постоянного тока.

К недостаткам транзисторного каскада по схеме с ОЭ стоит отнести низкую температурную стабильность и далеко не самый линейный режим усиления. И то, и другое в большинстве устройств устраняется разного рода отрицательными обратными связями, которые снижают динамические характеристики каскада и его коэффициент усиления. Кроме того, ухо слушателя за эти годы привыкло к звуку классического транзисторного усилителя, и большинство слушателей новых требований не предъявляют.


В описываемом УМЗЧ (его схема на рисунке) драйверный каскад собран на биполярных транзисторах VT6, VT7, включенных по схеме с общей базой (ОБ). Такой каскад имеет лучшую частотную характеристику и позволяет получить большую амплитуду сигнала на выходе, так как напряжение насыщения у транзистора, включенного по схеме с ОБ, меньше, чем у аналогичного каскада с включением транзистора по схеме с ОЭ Конечно, каскад по схеме с ОБ также не лишен недостатков. Он не обеспечивает усиления по току поэтому ток нужно усилить в предшествующем ему дифференциальном каскаде, который можно собрать на составных транзисторах.

На входе устройства имеется фильтр R1C3, не пропускающий сигналы с частотой выше 100 кГц, с него сигнал поступает на инвертирующий вход УМЗЧ через аналог неполярного оксидного конденсатора в виде С1, С2. На точку соединения этих конденсаторов подано поляризующее напряжение смещения через резистор R2 На этот же вход поступает сигнал ООС с выхода устройства через резистор R14. Ток через каждое плечо дифференциального каскада, как и коллекторный ток каскада усиления напряжения, равен 3 мА. При всех своих недостатках инвертирующий усилитель известен своей большей устойчивостью по сравнению с неинвертирующим фазу сигнала.

Выходной каскад, состоящий из двух ступеней эмиттерного повторителя, имеет несколько нестандартный узел стабилизации тока покоя и температурного режима на транзисторах VT8 и VT9. Он обеспечивает стабилизацию тока покоя первой ступени выходного каскада, а следовательно, и напряжения на резисторе R15. Это соответственно, приводит к стабилизации тока покоя транзисторов VT12 и VT13, в эмиттерных цепях которых имеются проволочные резисторы R16 и R17 Как показала многолетняя авторская практика, такая схема стабилизации позволяет заметно снизить переключательные искажения, приводящие к появлению гармоник высокого порядка, свойственных «транзисторному звучанию». Автор более десятка лет использует в своей конструкторской и ремонтной практике это техническое решение [2], и оно вполне себя оправдывает. Плавная «ступенька» хорошо отслеживается цепями ООС, приближая работу выходного каскада к так называемому режиму экономичного класса А, что делает субъективное восприятие воспроизведения звукового сигнала легче и прозрачней. Штриховыми линиями показана схема при использовании сетевого трансформатора без вывода средней точки во вторичной обмотке В этом случае резисторы R20 и R21 в цепи питания обязательны, резистор R22 следует заменить проволочной перемычкой, а предохранитель FU3 исключить.

Кратко о параметрах усилителя. При чувствительности 2 В описываемый УМЗЧ обеспечивает на нагрузке сопротивлением 8 Ом синусоидальную мощность 120 Вт При использовании нагрузки сопротивлением 4 Ом следует удвоить число выходных транзисторов вместе с резисторами в их эмиттерных цепях, тогда можно будет получить выходную синусоидальную мощность до 180.200 Вт. Осциллографическое наблюдение через активный режекторный фильтр, подавляющий на 40 дБ основную гармонику синусоидального сигнала, показало, что уровень гармонических искажений составляет примерно 0,03 % При указанных на схеме номиналах резистора R14 цепи ООС и резистора на входе R3 коэффициент усиления равен 26 дБ.

Для монтажа усилителя использована макетная плата, на которой собраны дифференциальный каскад и усилитель напряжения для двух каналов. Их цепи питания плюсовой и минусовой полярности соединены ’’звездой» на выводах конденсаторов С5, С6 соответственно.
Весь выходной каскад был собран на общем теплоотводе вместе с узлом стабилизации тока выходного каскада. Важно, чтобы мощные транзисторы каждого канала (VT10—VT13) были установлены на общий теплоотвод, а транзисторы VT8 и VT9 цепи токовой и термостабилизации имели бы с ними тепловой контакт (их можно смонтировать на выводах транзисторов VT10 и VT11). Цепи питания выходного каскада также соединены «звездой» на выводах конденсаторов С7 С9 и С8, С10 соответственно.

Сетевой трансформатор Т1 должен быть габаритной мощностью не менее 250 Вт с вторичной обмоткой, рассчитанной на напряжение 70 В при токе не менее 3,5 А с выводом средней точки (или без него — с учетом указанных выше изменений).
Все транзисторы выходного каскада должны быть установлены на теплоотводе площадью не менее 1200 см2 (на один канал).
Вместо оксидных конденсаторов С1 С2 можно применить один пленочный (полиэтилентерефталатный) конденсатор емкостью 1…2,2мкФ на напряжение 63 В (К73-16, К73-17), исключив, естественно, резистор поляризации R2. Емкость блокировочных конденсаторов С7, С8 можно увеличить до 1 …2,2 мкФ.

Налаживание усилителя следует начать с проверки правильности монтажа и его соответствия принципиальной схеме. В авторском варианте дифференциальный каскад и усилитель напряжения собраны на отдельной плате, поэтому сначала был проверен именно этот узел без подключения его к выходному каскаду. Для этого коллекторы транзисторов VT6 и VT7 и правый по схеме вывод резистора R14 временно соединили вместе. После подачи на усилитель питания в этой точке соединения напряжение не должно превышать 10 ..15 мВ. Также полезно проверить токи плеч дифференциального каскада и усилителя напряжения на соответствие указанным на схеме значениям.

После проверки следует подключить усилитель напряжения к выходному каскаду включив вместо одного из предохранителей (FU2 или FU3) миллиамперметр, и, подав напряжение питания, убедиться в том, что потребляемый ток всего устройства не более 150. .200 мА (как правило, он не более 100 мА). Также необходимо убедиться в том, что на выходе устройства напряжение близко к нулю.

Затем, подключив к выходу УМЗЧ резистор сопротивлением 8 Ом и осциллограф, необходимо подать на вход УМЗЧ сигнал прямоугольной формы чтобы с помощью осциллографа на разных уровнях сигнала убедиться в отсутствии самовозбуждения или существенных выбросов на перепадах напряжения. Если таковое все-таки присутствует, то необходимо увеличить емкость конденсатора С4 (в авторском варианте усилитель устойчив и без него).

Следует иметь в виду, что сразу после включения ток покоя выходных транзисторов должен быть в пределах 70…90 мА. Однако после получасового прогрева он должен подняться до 120 ..150 мА и стабилизироваться.

М. САПОЖНИКОВ, г. Ганей-Авив, Израиль

ЛИТЕРАТУРА
1. Данилов А. А. Прецизионные усилители низкой частоты. — М.: Горячая линия — Телеком, 2004. с. 56. 57.
2 Сапожников М. Доработка УМЗЧ с нестандартным включением ОУ — Радио 2000, № 8, с. 17.

Источник: Журнал Радио 2010 №2 стр.17