Усилитель с двухпетлевой ООС

Автор: Vladimir.N
Опубликовано 14.03.2022
Создано при помощи КотоРед.

УМЗЧ с двухпетлевой ООС.

Основная идея построения описанных в этой статье трёх схем усилителей основана на конструкции усилителя (УМЗЧ) автора П. Зуева, которая была опубликована в 1984 году под названием «Усилитель с многопетлевой ООС» [1].

Первая ( 2 Вт ) и вторая ( 15 Вт ) схемы – являются как бы прототипом третьего усилителя класса «Hi-Fi», с номинальной мощностью 70 Вт.(при напряжении питания +/-36в)

Эти усилители состоят в основном из двух частей. Первая часть – «внутренний» усилитель, охваченный «своей» цепью общей отрицательной обратной связью (ООС). Вторая часть – усилитель с внешней общей ООС в виде операционного усилителя (ОУ).

Итак, рассмотрим по порядку:

1. Усилитель 2 Вт на основе К140УД1А (К140УД101А).

Здесь такой тип ОУ выбран для того чтобы показать, насколько эффективно работает двойная ООС даже с таким «простеньким» ОУ, который когда-то назывался МА702, хотя положительным в нём является то, что выходной каскад этого ОУ работает в режиме «А». Первая (внутренняя) ООС в этой схеме образована резисторами R11 и R9, а вторая – R8 и R6.

Убедиться в эффективности работы усилителей с двойной ООС можно довольно легко. Для начала надо конечно собрать и настроить одну из схем описанного здесь усилителя на К140УД1. Затем, достаточно на время превратить первую схему с питанием 12В (или вторую с питанием 25В) в «обычный усилитель», разомкнув внешнюю общую ООС и создать последовательную схему двух усилителей с ООС. Для этого надо отсоединить правый вывод резистора R8 от выхода усилителя и подсоединить его к выходу микросхемы (вывод 5). (Надо ещё уменьшить R8 в два раза для уравнивания усиления). После такой доработки мы будем иметь обычный предварительный усилитель на ОУ и усилитель мощности, связанные между собой гальванически. Послушаем, как они будут работать, скажем, на широкополосный динамик в корпусе или на АС. Можно подключить 5ГДШ-4 для 1-й схемы или что-нибудь аналогичное.

Разницу в звучании заметят многие, особенно после возврата в первоначальное состояние. Выражено это будет в лучшей детализации ВЧ и «прозрачности» СЧ звукового диапазона. В-общем звук станет другим. Это объясняется тем, что эффект действия ООС, направленный на уменьшение нелинейных искажений, как бы перемножается, и искажения уменьшаются в этом случае примерно в 50 – 100 раз по сравнению с исходным «внутренним» УМЗЧ [1]. Причём это зависит как от глубины общей ООС, так и от коэффициента нелинейных искажений первоначального усилителя, когда он ещё не был охвачен цепью ООС. Чем этот коэффициент был меньше, тем эффективнее работа общей ООС.

Это давно известно из теории усилительных устройств. Так, если изначально, скажем, три соединённых усилительных каскада с нагрузкой имели общий Кг=10%, то общая ООС с глубиной 40дБ (100 раз) уменьшит эти искажения только в 15-20 раз. А если, в том же случае, начальный Кг был всего 0.5% и менее, то уменьшение искажений с помощью общей ООС глубиной 40дБ составит примерно те же 40 дБ т. е. почти в 100 раз, но реально чуть меньше, по причине сложности сигналов при возникновении интермодуляционных искажений (то есть искажений, связанных с эффектом преобразования частоты, подобно смесителю приёмника).

Таким образом общая ООС, которой охвачен усилительный каскад, с определённой глубиной, уменьшает нелинейность в нем на величину этой глубины только тогда, когда без этой ООС этот каскад был изначально «почти линеен». В обычных схемах стремятся увеличить линейность транзисторных усилителей с помощью местных ООС. А в нашем случае исходный усилитель уже имеет малые искажения, так как он охвачен «внутренней» общей ООС, что существенно меняет ситуацию [1].

Первая и вторая схемы усилителей на серии К140 имеют ещё одну особенность. Она заключается в применении в них так называемой коррекции на опережение [3], с помощью конденсатора С5 -100 пФ, включённого параллельно внутреннему резистору 10кОм микросхемы. Это удалось осуществить благодаря тому, что в ней есть отводы в виде ножек с номерами 2 и 3. Конденсатор компенсирует запаздывание сигнала из-за RC цепи внутри ОУ, образованной упомянутым резистором и входной ёмкостью последующего транзистора микросхемы. Осциллограф, подключённый к выходу, показывает, что без С5 схема возбуждается на частоте примерно 500 кГц. Покаскадное запаздывание сигнала влияет на усилитель с общей ООС, так как на высоких частотах из за смещения фазы (ФЧХ) отрицательная обратная связь может превратиться в положительную [2]. Тем более, когда речь идёт об усилителе с двойной ООС. Здесь внутренняя схема с «первичной» ООС должна быть как можно «короче», а ОУ должен быть по возможности быстродействующим. Но даже такая схема, построенная на серии К140, имеет высокую стабильность и отлично работает уже несколько лет в виде активной АС для компьютера.

Характеристики усилителя по первой схеме на К140УД1А:

-Номинальная выходная мощность - 2 Вт

-Номинальный диапазон частот 30...20 000 Гц. –

-Коэффициент гармоник в полосе частот 30…15 000, не более 0.03% при мощности 2 Вт.

-Входное сопротивление 7.0 кОм -

-Номинальное входное напряжение 450 мВ.

Настройка первого / второго усилителя на ОУ К140УД1А(Б):

1) Установить ток покоя выходных транзисторов на уровне 4 – 6 мА (с помощью R10), измеряя милливольтметром постоянное напряжение на резисторах R15, R16.

2) Измерить и при необходимости отрегулировать напряжение на выходе усилителя (половина напряжения питания) с помощью делителя R3/R4.

3) Проконтролировать выходное напряжение с помощью осциллографа на выходе усилителя при подключенной нагрузке. На экране прибора не должны быть видны ВЧ возбуждения, - только шумы несколько милливольт. Как правило, это выполняется.

***Исправления, выявленные при повторной сборке: исключён конденсатор С10,  (только в первой и второй схеме), VT3, VT4 - КТ815Б и КТ814Б (во второй схеме). 

2. Усилитель 15 Вт на основе К140УД1Б (К140УД101Б).

Этот усилитель практически ничем не отличается от предыдущего. Здесь также первая ООС образована резисторами R11 и R9, а вторая – R8 и R6. Разница лишь в напряжении питания и выходной мощности, для обеспечения которой необходимо следующее:

1) Источник питания должен выдавать ток в расчёте 0.9 А на канал.

2) Радиаторы выходных транзисторов должны иметь площадь охлаждающей поверхности не менее 150 см2 на каждый транзистор.

3) Если усилитель будет работать на ёмкостную нагрузку (АС с фильтрами) и с длинными проводами, то необходимо на выходе установить катушку с индуктивностью 2.5 мкГн (20 витков провода ПЭВ-0.62).

4) Если не нашлось ОУ типа К140УД1Б, то во второй схеме можно применить К544УД2 или КР544УД2 с внутренней коррекцией (выводы 1 и 8 замкнуты, резистор R5 – можно увеличить до 24 кОм, а параллельно С4 поставить конденсатор ёмкостью 0.47мкФ). Коэффициент гармоник при этом на высоких частотах уменьшится в несколько раз.

Характеристики усилителя по второй схеме на К140УД1Б:

-Номинальная выходная мощность - 15 Вт на 4 Ом

-Номинальный диапазон частот 30...20 000 Гц.

-Коэффициент гармоник в полосе частот 30…16 000, не более 0.01% при мощности 12 Вт.

-Входное сопротивление 7.0 кОм.

-Номинальное входное напряжение 400 мВ.

- - - - - - - -

3. Усилитель 70 Вт на основе К574УД1А (Б, В).

Этот усилитель состоит в основном из четырёх каскадов. Первый каскад - это быстродействующий ОУ, нагруженный на второй симметричный каскад с высоким входным сопротивлением (свыше 30 кОм), позволяющий ОУ работать практически без нагрузки. Это даёт возможность работы ОУ с малыми нелинейными искажениями, даже с выходным каскадом в ОУ, работающим в режиме АВ.

Такие каскады как здесь на VT1 и VT2, были описаны ранее. Соединённые в нём базы позволяют создать баланс постоянных токов, при условии, что транзисторы подобраны по параметрам, что создаёт большое входное сопротивление каскада. Питание эмиттеров VT1 и VT2 осуществляется стабилизированным током, что создаёт возможность стабильности токов третьего каскада на VT3 и VT4 – основного усилителя напряжения.

Третий каскад так же симметричен, что позволяет существенно уменьшить вторую и последующие чётные гармоники. Кроме этого местная обратная связь, образованная резисторами R18 и R19 в эмиттерных цепях VT3, VT4 так же уменьшает нелинейность и одновременно превращает VT3 и VT4 в генераторы тока, работающие друг на друга, создавая режим «А», повышая усиление по напряжению, быстродействие и стабильность режимов. Это дало возможность стабилизировать токовый режим всего усилителя.

Четвёртый каскад образован двумя двухтактными эмиттерными повторителями – стандартный вариант. Двух транзисторов достаточно для выходной мощности до 100 Вт, так как перед ними стоит двухтактный усилитель напряжения.

Для получения большей мощности необходимо три транзистора, как это было сделано в [1] или [3]. Можно конечно обойтись двумя транзисторами и для большей мощности (150-200 Вт), но в этом случае возрастут нелинейные искажения, т. к. третий каскад (VT3, VT4) будет переходить в режим АВ. Конечно, речь идёт о повышении напряжения питания и незначительных изменениях в схеме, что часто не имеет необходимости.

Цепь первой (местной) ООС образована резисторами R13 и R15, включенных по переменному току параллельно, конденсаторами С5 С6 и резистором R14. Цепь второй (общей) ООС снимается с выхода усилителя на делитель напряжения, образованный резисторами R4, R3 с конденсатором С3, и подаётся на инвертирующий вход ОУ. Частотная коррекция обеспечивается конденсаторами С7, С8.

Ток покоя выходных транзисторов равен 50- 60 мА. Этого достаточно для уменьшения искажений типа ступенька, так как в переходной нулевой зоне ток обеспечивают одновременно и транзисторы предвыходного каскада через резисторы 39 Ом [1].

Ток покоя стабилизирован с помощью вспомогательного каскада на транзисторах VT5 VT6. Один из них германиевый (VT6). Это желательно выполнить для того чтобы был запас по напряжению для регулировки тока покоя в достаточном диапазоне [2]. Здесь датчиками тока выходных транзисторов являются резисторы в их эмиттерных цепях (0.2 Ома). Эта схема работает как дополнительный усилитель напряжения, создающий отрицательную обратную связь по току для выходного каскада, поддерживая постоянный сквозной ток VT9 VT10 на частотах вплоть до 100 кГц. Это требуется для исключения коммутационных искажений (они же – искажения типа ступенька), а так же для исключения превышения сквозного тока выходных транзисторов.

Наличие германиевого транзистора VT6 даёт возможность иметь более чувствительную температурную компенсацию нагрева выходных транзисторов, позволяющую не ставить какие либо термодатчики на радиаторы VT9, VT10. Так, при длительной работе усилителя на средней мощности 70 Вт, ток покоя выходных транзисторов увеличивается с 60 мА до значения не более чем 150 - 180 мА.

При желании можно поставить VT6 на радиатор с VT9, VT10, но не напрямую, а через текстолитовую прокладку (1мм). Этого будет достаточно, чтобы не получить перекомпенсацию. Конечно, в этом случае, необходимо обеспечить надёжное крепление транзистора VT6 на радиаторе, а самое главное – надёжное электрическое соединение проводов, идущих к ножкам VT6. Ведь при случайном обрыве любого из этих проводов, сквозной ток покоя возрастёт до максимума. Это вызовет плавление предохранителей и срабатывание устройства релейной защиты от постоянного напряжения на выходе, которое, кстати, необходимо предусмотреть в усилителе заранее. Схему такой защиты можно позаимствовать от усилителя В. Шушурина (Радио №11, 1980 г.) либо от усилителя «Бриг-У-001».

Особенности конструкции: Для нормальной работы и температурной стабильности необходимо, чтобы к VT3, VT4 были прикручены маленькие радиаторы в виде пластинок из алюминия размерами 15х20 и толщиной 1-2 мм. А транзисторы VT7, VT8 установлены на п-образные радиаторы из алюминия или крашенной тёмной меди, толщиной 1.5-2 мм размерами 22х40 мм. Резистор R22 для надёжности лучше заменить на постоянный (после настройки). Конденсаторы С1 и С3 - неполярные. С10 и С11 – желательно танталовые (можно номиналом вдвое меньшим, но если они оксидные, то не менее 10 – 20 мкФ). Конденсаторы С5 и С6 можно ставить в пределах 100 – 200 мкФ. Их незначительная нелинейность компенсируется цепью ООС. Конденсаторы С10, С11, C12, С14 и С15 – должны быть хорошего качества, так как они подвержены токовым нагрузкам.

Для усилителя необходим источник питания, который при токе нагрузки 2.4 А на канал, выдавал бы напряжение не менее +/- 30 Вольт. Ёмкость электролитических конденсаторов должна быть не менее 10 000 мкФ на плечо из расчёта на каждый канал УМЗЧ. «Общий провод» должен быть раздельным в цепи предварительного усилителя – входа УМЗЧ, по отношению к цепи выхода и питания (пред. усилитель должен как бы питаться по общему проводу от входа УМЗЧ – тогда не будет фона). В-общем всё как обычно.

Характеристики усилителя по третьей схеме на К574УД1А-В:

-Номинальная выходная мощность - 70 Вт/ 38 Вт (Сопротивление нагрузки - 4 Ом / 8 Ом).

-Номинальный диапазон частот 10...50 000 Гц.

-Коэффициент нелинейных искажений в полосе частот 20…20 000 Гц, не более 0.008% (при Pвых. = 60 Вт).

-Коэффициент гармоник на частоте 1 кГц, не более 0.001% при Pвых. = 70 Вт.

-Входное сопротивление не менее 40 кОм в диапазоне частот 20…20 000 Гц.

-Номинальное входное напряжение 1.15 В.

-Отношение сигнал / шум не менее 100 дБ.

Характеристики показаны для элементной базы, обозначенной на схеме, после подборки комплементарных пар транзисторов по параметрам (+/- 20%). Ниже описана возможная замена активных элементов на другие. Современные импортные транзисторы обладают лучшими частотными свойствами, благодаря меньшим внутренним ёмкостям, большими допустимыми предельными параметрами, а также лучшей линейностью H21э. Можно заметить, что транзисторы VT1 и VT2, обозначенные на схеме, работают на пределе Uкэ max, а VT3, VT4 - на пределе их максимальных коллекторных ёмкостей.

Настройка УМЗЧ по схеме на К574УД1А-В:

1. Проверить монтаж платы. Выставить R22 (номинал 220 Ом) в положение минимального сопротивления   (0 Ом). Закоротить вход. Подключить на выход контрольную АС.

2. Подать питание на усилитель через резисторы 15 - 20 Ом мощностью 10 Вт.

3. Выставить ток покоя выходных транзисторов с помощью R22 на уровне 50 - 60 мА, измеряя напряжения на резисторах R25 и R24 (напряжение должно быть 10 - 12 мВ, постоянное).

4. Параллельно входу поставить резистор 10 кОм, а параллельно АС подключить осциллограф. На экране ничего не должно быть. Только шумы - несколько милливольт. При наличии возбуждений (что маловероятно - схема очень стабильная) параллельно R4 поставить конденсатор ёмкостью 10 - 15 пФ. Если это не помогает - проверить монтаж (можно попробовать заменить транзисторы VT3 VT4 на более согласованные, особенно по коллекторным ёмкостям). Проверить цепи коррекции ОУ. Устранить паразитные связи. Провода, идущие к выходным транзисторам должны быть как можно короче. В крайнем случае можно увеличить С4 до величины 24 пФ.

5. После успешного запуска и контроля с помощью осциллографа, можно проверить, как изменяется ток покоя выходных транзисторов, в зависимости от температуры. Обычно он не превышает 180 мА в самом худшем случае, это когда VT6 установлен на плате. Но для этого нужны радиаторы с площадью не менее 600 см2 на каждый выходной транзистор. Для улучшения компенсации по температуре, часто достаточно просто приблизить VT6 к выходному радиатору.

При положительном результате можно подключить питание усилителя напрямую и ещё раз проконтролировать “ток покоя” и "ноль" на выходе. Обычно схема работает сразу. Если ноль на выходе не точен, то можно подобрать один из резисторы R16 и R17, временно заменив один из них на переменный, номиналом 1,2 Мом.

Хотелось бы отметить, что этот усилитель был проверен в «экстремальном» режиме, на предельных мощностях в течение длительного времени. Усилитель работал одно время даже при плохом, искрящемся на большой мощности, контакте в цепи предохранителей. После устранения этой неисправности никаких изменений не произошло.

Недостатком этого усилителя можно считать отсутствие триггерной защиты от короткого замыкания на выходе (а так же необходимость установки мини-радиаторов на VT3 и VT4). Это оправдывается простотой схемы. Роль защиты выполняют плавкие предохранители. Но, нужно предусмотреть и надёжное, изолированное соединение выходного разъёма каждого канала усилителя, чтобы не допускать коротких замыканий. Эксплуатировать такой усилитель без предохранителей нельзя. Можно установить предохранители номиналом 4А каждый, но не более. При желании, можно ввести в схему и триггерную защиту, аналогичную [1].

Список замены транзисторов для схемы УМЗЧ -70 Вт:

VT1 - 2N5401, VT2 - 2N5551, VT3 - 2SC3421, VT4 - 2SA1358

VT5 - 2N3904, VT6 - ГТ308Б(В), ГТ320, ГТ321 - с любым буквенным индексом.

VT7-2SC4793, VT8-2SA1837, VT9-2SC5200, VT10-2SA1943. (VT7-VT10 можно оставить и отечественные, если они имеются, так как в этом случае это не существенно).

Стабилитроны VD1 и VD2 можно заменить на зарубежные аналоги, с напряжением стабилизации 15В. Диоды VD3 и VD4 – любые импульсные, с максимальным прямым током не менее 50 мА, например КД521А, КД522Б или их зарубежные аналоги.

Микросхему ОУ DA1 можно заменить на КР574УД1А(В) или её зарубежный аналог, КР544УД2Б, TL051 а также на ОУ: 3507J с коррекцией в соответствии с datasheet.

При такой замене можно ожидать уменьшения нелинейных искажений, не считая замены ОУ.

Литература:

1. Зуев П. «Усилитель с многопетлевой ООС». – Радио №11, 1984 г.

2. Акулиничев И. Т. «УМЗЧ с глубокой ООС». – Радио №10, 1989 г.

3. Сухов Н. «УМЗЧ высокой верности». – Радио №6, 1989 г.

---------------------------------

Файлы:
Плата УМЗЧ 70 Вт на основе К574УД1А-В
Плата УМЗЧ 2 Вт на основе К140УД1А

Все вопросы в Форум.