УМ3Ч с плавной амплитудной характеристикой

В транзисторных усилителях искажения низки только в рабочей области амплитуд и резко возрастают при достижении и переходе ее границ. Характерной особенностью транзисторных усилителей является четкое ограничение выходного сигнала при перегрузке по напряжению в результате насыщения транзисторов предвыходного каскада (усилителя ОЭ или ОБ и его нагрузки - генератора тока), причем не всегда симметричное, что приводит к резкому возрастанию высших гармонических составляющих (до 10...20% и более) и жесткому, "металлическому" звучанию. Как известно, "меандр" содержит немногим более 30% нечетных гармоник. При этом полезная информация на вершинах сигнала на время перегрузки полностью заменяется продуктами искажений в чистом виде. О демпфировании не может быть и речи, т.к. ООС в эти моменты не действует. В этом смысле вполне оправдано раздельное 2-х или 3-х полосное усиление сигналов. Так как уровень ВЧ-составляющих на 10-15 дБ ниже - их компрессирования и полного пропадания не будет.



Амплитудная модуляция частот вблизи 50, 100 и 200 Гц на максимальной мощности УМЗЧ, питающегося от нестабилизированного источника также вносит дополнительные искажения, придающие "басам" жесткость. Устранить этот вид искажений можно питанием УМЗЧ от стабилизированного источника напряжения с током нагрузки в импульсе 20 А и более или увеличением глубины ООС на несколько порядков в области нижних частот с помощью интегратора [1]. Дополнительные призвуки может вносить и самовозбуждение УМЗЧ во время переходных процессов и при работе на комплексную нагрузку.

При разработке усилителя были взяты на вооружение следующие соображения:
- усилитель должен быть симметричным;
- съем сигнала с дифкаскада должен быть симметричным;
- в усилителе должны быть приняты меры для снижения эффекта Миллера и эффекта Эрли (зависимость выходного тока от напряжения эмиттер-коллектор;
- усилитель должен иметь защиту от короткого замыкания в нагрузке;
- защита от короткого замыкания в нагрузке не должна "подрабатывать" при нормальной работе усилителя на комплексную нагрузку;
- усилитель должен иметь высокий коэффициент демпфирования на инфранизких частотах.

Исходя из перечисленных требований и разработан предлагаемый для повторения усилитель (см.рис.). Усилитель охвачен двумя петлями общей ООС: по переменному току через R6, С6 и по постоянному напряжению с помощью интегратора на DA1.



Применение интегратора автоматически исключает постоянную составляющую на выходе усилителя даже при ее наличии на входе, например, из-за утечки переходного конденсатора на выходе темброблока или линейного усилителя. Такое решение благоприятно сказывается и на демпфировании АС, т.к. усилитель имеет практически нулевое сопротивление на постоянном токе, что эквивалентно демпфированию громкоговорителя выходной обмоткой трансформатора лампового усилителя. Кроме того, значительно снижается эффект модуляции частот вблизи 50,100 и 200 Гц при питании усилителя от нестабилизированного источника. Частота среза интегратора должна лежать в диапазоне 2...5 Гц, поскольку он соответствует наименьшей чувствительности слуха к восприятию амплитудной модуляции [1]: fи = 1/(2П R10C14) = 2,0 Гц. С другой стороны, заметные на слух задержки сигнала соизмеримы с временем задержки прохождения звукового сигнала между органами слуха: tз = 0,2 м/(340 м/с) = 0,6 мс

Для усилителя с частотой среза 2 Гц опережение сигналов изменяется от 0,8 мс на частоте 20 Гц до 0 на высоких частотах. Поэтому с точки зрения психоакустики частота среза усилителя должна быть ниже или равна 2 Гц [2]. При емкости конденсатора С 14 =1 мкф она равна 0,6 Гц (имеется в виду схема из [1], а в рассматриваемом усилителе 1/(2П R39C16) еще втрое меньше). У дифференциальных усилителей, работающих в режиме большого сигнала, время нарастания и спада переходных процессов различно из-за более медленного разряда емкости в момент отключения. В двухтактной схеме этот недостаток исключается. Как известно, искажения в коллекторах транзисторов дифференциального каскада (ДК) взаимнопротивоположны. Поэтому симметричный съем сигнала с ДК позволяет в значительной степени скомпенсировать эти искажения и получить вдвое большее усиление с одновременным уменьшением искажений.

Транзисторы VT7, VT8 работают синфазно, а значит их ток коллектора постоянен. На диодах VD5-VD10 выполнена схема сдвига уровня. Суммирование сигналов повторителей на транзисторах VT7, VT9 (VT8, VT13) происходит на транзисторе VT10 (VT12). Резисторы R22, R23 являются, с одной стороны, местной ОС для транзисторов VT10, VT12, включенных по схеме ОЭ, с другой - нагрузкой эмиттерных повторителей на транзисторах VT9, VT13. Применение эмиттерных повторителей в значительной степени ослабляет эффект Миллера, а применение Б-СИТ - транзисторов сводит практически на нет эффект Эрли. Резисторы R24, R28 включены параллельно входу выходного каскада и предназначены для стабилизации его входного сопротивления.

Ограничение сигнала на выходе второго каскада, а соответственно и усилителя в целом происходит раньше примерно на 3,0 В (за счет падения напряжения на транзисторах VT10, VT12), чем в обычных усилителях. При дальнейшем росте входного напряжения не происходит жесткого ограничения сигнала, т.к. транзисторы VT9, VT13 переходят в режим плавного донасыщения. Происходит это следующим образом. Предположим, на выходе усилителя положительная полуволна. Напряжение на базе транзистора VT9 растет, на базе VT10 падает. Как только напряжение эмиттер-коллектор транзистора VT10 приблизится к нулю, начнут призакрываться диоды VD5, VD6 и транзистор VT7 и максимально открываться транзистор VT9, плавно подключая верхний вывод резистора R22 к шине питания. Таким образом, амплитудное значение сигнала на выходе усилителя такое же, как и при стандартной схеме, но без жесткого ограничения. Такое схемотехническое решение позволяет получить "монотонные" искажения при перегрузке, подобно ламповым усилителям. Выходной каскад выполнен на спаренных Б-СИТ транзисторах.

Защита усилителя от короткого замыкания в нагрузке выполнена по традиционной схеме на транзисторах VT15, VT16. Для исключения подработки в нормальном режиме введены диоды VD13, VD14 и резистор R32, с помощью которых транзисторы VT15, VT16 переводятся в режим отсечки при нормальной нагрузке.

Усилитель имеет низкое входное сопротивление (около 5 кОм), поэтому выходное сопротивление источника сигнала (темброблока или линейного усилителя) должно быть не более 200 Ом, т.е. регулятор громкости должен стоять до линейного усилителя (темброблока).

Усилитель выполнен по схеме "двойное моно", т.е. с отдельными блоками питания на тороидальных трансформаторах. Такая конструкция обеспечивает более высокие динамические характеристики и позволяет более верно обрабатывать пиковые сигналы и избежать возникновения перекрестных помех между каналами, что существенно улучшает пространственную характеристику звукопередачи. Емкости конденсаторов на выходе источников питания должны быть не менее 10 000 мкф. Индуктивность L1 наматывают на резисторе R41 проводом ПЭВ-2 0,69 виток к витку до заполнения. Конденсаторы С2...С5 типа К50-35. Резисторы R35...R38 изготовлены из манганинового провода диаметром 0,33. Транзисторы VT17, VT18 установлены на небольшом радиаторе. Выходные транзисторы подключают к плате свитыми проводниками сечением 1 мм2 как можно меньшей и одинаковой длины для каждого плеча усилителя. Провода, идущие к источнику ±35 В и к громокоговорителю должны быть попарно свиты. Транзисторы желательно предварительно подобрать по парам с разбросом h21э не более 20%. В интеграторе применен операционный усилитель типа КР544УД1. При исправных деталях и правильном монтаже налаживание усилителя сводится к установке тока покоя выходных транзисторов в пределах 60...100 мА с помощью резистора R26.

Литература:
1. В.Костич "Психоакустические критерии качества звучания и выбор параметров УМЗЧ". Радио 12/87. с.40...43
2. С. Кризе. Ю.Черных "Современные высококачественные усилители звуковой частоты". М.Знание. 1987

А.Петров
г. Могилев
"Радиохобби" №3, 1999