Часть первая. Лирика.

В последнее время существует тенденция к значительному увеличению выходной мощности усилителей звуковой частоты. 300 Вт уже не является пределом мечтаний, а 100 Вт считается недостаточным, чтобы «плющило и колбасило». А поскольку создание усилителей идёт на поводу запросов любителей что-нибудь пособирать, ощущается явная нехватка качественных разработок в диапазоне мощностей от 20 до 50 Вт. Да, можно возразить, мол сделай мощный усилитель, просто громко не включай, но у этого подхода есть одно неприятное свойство. Называется оно «уровень шумов и искажений». Дело в том, что шумы усилителя – фиксированная величина для каждой реализации, как и искажения (точнее, доля искажений). И вполне логично, что мощность шумов на выходе мощного усилителя пропорционально выше, нежели у усилителя менее мощного. Ограничивая мощность регулятором громкости мы никак не можем влиять на уровень шумов усилителя, но влияем на максимальную амплитуду выходного сигнала, что в итоге ухудшает отношение сигнал-шум. Примерно то же самое происходит и с уровнем искажений. Искажения конечно сами зависят от уровня сигнала, но у большинства реализаций УНЧ наблюдается относительный рост искажений при снижении уровня сигнала ниже некоторого порога. Чисто статистически вполне ожидаемо, что уровень искажений мощного УНЧ при выходной мощности 1 Вт будет выше, чем у, к примеру, пятиваттного (при прочих равных, конечно). Почему статистически? Это потому, что конструкции бывают разные, и всегда можно подобрать пример, идущий вразрез с данным утверждением, однако в общей массе ситуация такова.

На основе этих соображений и возникла мысль, что надо бы собрать нечто, что можно было бы использовать для домашнего использования – качественного воспроизведения на бытовые АС разных мастей. Это «нечто» должно быть традиционным, т.е. из транзисторов и микросхем, иначе можно было бы сразу взять какую-нибудь TDA, некапризным в настройке и не иметь подводных камней в виде подвозбуждений, неприятия ёмкостной составляющей в нагрузке или, что самое неприятное, сквозных токов в выходном каскаде.

Конечно, я не бросился сразу что-то паять, а для начала надолго застрял в симуляторе с целью «загнать» в него популярные схемы усилителей и посмотреть, как они ведут себя в этих искусственных условиях. Позанимавшись так, пришёл к выводу, что в общем-то все усилители очень похожи. Существует несколько базовых вариантов схем (перечислять не буду), а всё остальное – это их усовершенствования. Это не умаляет решений, применяемых в более новых и совершенных вариантах, но вот так сложилось.

Модуль УНЧ-50-8

Были отмоделированы схемы Шушурина, Сухова, Агеева, Солнцева и некоторые другие. Также были изучены решения из усилителя Одиссей-010 и Радиотехника-101.

Что я понял для себя? Самое главное – это иметь только один каскад усиления напряжения. Два каскада, а тем более три будет очень трудно заставить работать в общей петле ООС, при этом проявится сильная зависимость от подключенной нагрузки. Второе: желательно, чтобы схема была симметричной для полуволн сигнала. Несимметричность в лучшем случае ограничится грохотом при включении-выключении питания. В худшем – несимметричное ограничение, подвозбуд одного плеча при его смещении и т.п… приятного мало. Можно добавить третье – избегать выходных каскадов с ОЭ (да и вообще каскадов с ОЭ). Хотя по сути это продолжение главного. Здесь проблема в том, что включение транзистора с ОЭ обладает наихудшими частотными свойствами по сравнению с другими включениями, а в случае, когда транзистор должен работать ещё и с отсечкой (выходной каскад), проявляется ещё одно свойство: оказывается, транзистор не любит выключаться. Конечно, нам это вдалбливают учебники, но пока не прочувствуешь самостоятельно… В общем, ОЭ – долой. ОБ и ОК – наше всё.

Надо, кстати, отдать должное конструкторам модуля УНЧ-50-8, применяемого в своё время в усилителе Радиотехника-101, акустических системах S70, и ещё где-то. Модуль обладает очень неплохими параметрами и при переводе его на современную элементную базу вполне имеет право на вторую жизнь. Но конечным итогом всего этого безобразия, стал выбор усилителя Агеева в качестве прототипа для дальнейшей работы – уже реального макетирования, проб, изменений и т.д. по кругу. А к УНЧ-50-8, возможно, вернёмся позже...

Часть вторая. Схема.

Рис.1   Схема УНЧ из статьи «Усилительный блок любительского аудиокомплекса», А.Агеев, журнал «Радио» 1982г. №8, стр.31-35

По своей сути усилитель Агеева представляет собой каскад усилителя напряжения, выполненный на ОУ, и следующие за ним два каскада усилителя тока, выполненные на транзисторах, включенные эмиттерными повторителями. Первый каскад усилителя тока нагружен на резисторы R7 и R9 (рис.1), которые обеспечивают током базы транзисторов выходного каскада. При этом такое перекрёстное включение транзисторов даёт два очень ценных свойства. Первое – это точное повторение на эмиттерах выходного каскада (V3, V4) напряжения на базах первого (V1, V2). Второе – это отличная термокомпенсация тока покоя при условии хорошего теплового контакта между всеми транзисторами.

У усилителя напряжения также можно заметить особенность – плавающее напряжение питания. Оно обеспечивается соединением средней точки источника питания ОУ (R4, R5, V6, V7) с выходом усилителя через резистор R6. Такой приём позволяет получить от ОУ размах напряжения на выходе вплоть до 30 вольт амплитуды, что даёт возможность в итоге иметь выходную мощность до 60 ватт.

Неприятностью же исходной схемы является низкий коэффициент усиления транзисторов. На небольших мощностях это не является критичным, однако моделирование чётко показало, что при работе на нагрузку 4 Ом при росте мощности выходным транзисторам на пиках сигнала явно не хватает тока базы. Конечно, можно уменьшать R7 и R9, но это ведёт к росту тока покоя и… всё-равно не хватает тока. Именно по этой причине в исходной схеме и появились диод V5 и резистор R8 (как они работают – прекрасно описано в оригинальной статье).

В результате поиска решений этих проблем, получилась вот такая схема.

Рис.3   Область безопасной работы транзисторов типов BDX53 и BDX54

Основа схемы точно такая же, как и в далёких 1980-х годах. Усилитель напряжения выполнен на DA1 типа TL081 (отечественный аналог КР574УД4А), а усилитель тока на транзисторах: первый каскад – это VT7, VT8, а второй – параллельно включенные VT9, VT11, VT13 и VT10, VT12, VT14. Предназначение остальных компонент – обеспечение работоспособности этих основных узлов.

Наверное сразу возникает вопрос: «а зачем столько параллельно включенных транзисторов в выходном каскаде»? На самом деле это необходимость. Для полупроводников есть такое понятие: «область безопасной работы» (кратко ОБР). ОБР – это допустимые сочетания параметров протекающего через транзистор тока и падения напряжения на переходах транзистора. Ключевой момент в том, что даже мощные транзисторы, допускающие многоамперные токи К-Э при минимальном напряжении на этом К-Э, при росте напряжения К-Э не могут обеспечить теплоотвод от зоны переходов в кристалле, из-за чего происходит перегрев и выход транзистора из строя. Для того, чтобы избегать выходов из строя по этой причине, производитель и заявляет ОБР для конкретного типа транзистора.

Если рабочая точка транзистора находится в пределах ОБР, производитель гарантирует, что транзистор ни выйдет из строя, ни деградирует, ни изменится как-то ещё. Вот для того, чтобы транзисторы выходного каскада при работе усилителя на самую разнообразную нагрузку гарантированно не выходили из ОБР, и произведена их параллельная установка.

Рис.4   Внутреннее строение транзисторов типов BDX53 и BDX54

Те, кто уже прикинул режимы транзисторов при работе на 4-омную нагрузку, возможно уже задались вопросом, мол, а не великоват ли запас? Ответ прямой – да, запас более чем достаточен даже при работе усилителя на нагрузку со значительной реактивной составляющей. Но для установки такого количества параллельных транзисторов есть ещё одна причина.

Как уже было упомянуто, у прототипа отмечается нехватка коэффициента усиления транзисторов для нормальной работы выходного каскада. Решить эту проблему не сложно – в выходной каскад мы ставим не простые транзисторы, а транзисторы Дарлингтона (рис.4). Внутри такого транзистора находятся, как видим, не один, а два транзистора включенных особым образом. Но для пользователя «снаружи» такое решение проявляет себя как один транзистор, только имеющий очень высокий коэффициент усиления по току (до нескольких тысяч).

Рис.5   Зависимость коэффициента усиления транзисторов типов BDX53 и BDX54 от протекающего через них тока

Это очень хорошо и удобно, но здесь есть одна проблема, которая отображена на рис.5. Оказывается, что коэффициент усиления такого транзистора значительно зависит от протекающего через него тока. Графики наглядно показывают, что при изменении тока от 0,1 А до 2,0 А коэффициент усиления увеличивается примерно в 6,5 раз, от ~700 до ~4500. Но затем, при дальнейшем росте тока, вновь начинает снижаться.

При работе усилителя на 4-омную активную нагрузку, при напряжении источника питания 24..28 вольт, максимальный ток в нагрузке достигает 6 с небольшим ампер. При установке трёх транзисторов параллельно, этот ток делится между ними поровну (примерно, небольшой разброс всё-равно есть из-за неидеальности их характеристик), и каждому достаётся по 2 ампера тока. Получается очень выгодная для нас картина – при росте тока через транзистор также растёт и коэффициент его усиления, из-за чего необходимый ток базы растёт не так быстро, как это было бы, если бы такой зависимости не было. При этом, даже при наихудших условиях, максимальный ток базы транзистора не потребуется более чем 1 мА, т.е. 3 мА для всех трёх - такой ток с запасом и должен обеспечивать первый каскад эмиттерного повторителя.

Первый каскад эмиттерного повторителя построен на транзисторах этого же типа, т.е. BDX53 и BDX54. Это сделано для того, чтобы без лишних проблем получить достаточную термостабильность усилителя. Если установить другие транзисторы, то у них будут отличаться (немного, но этого вполне достаточно) падения напряжений на их переходах от таковых на BDX53/54, из-за чего возникнут сложности и с установкой тока покоя, и с его термокомпенсацией. Это можно считать недостатком такой схемы, но на мой взгляд это не великая плата за стабильность работы.

Вместо резисторов R7, R9, обеспечивающих ток базы выходного каскада в схеме-прототипе (рис.1), здесь применены генераторы тока, выполненные на транзисторах VT3, VT4 (рис.2) для верхнего плеча и, соответственно, VT5, VT6 для нижнего плеча. Резисторами R11 и R14 задаётся величина этого тока. При сопротивлении резистора 33 Ом ток получается в пределах 14..16 мА. Примечательно то, что VT4 и VT6 можно без значительной переделки схемы заменить на полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET). Только понадобится добавить по одному стабилитрону к каждому транзистору для защиты его затвора. Это позволит на две-три сотни милливольт увеличить амлитуду выходного сигнала каскада. Но в реальности это небольшой выигрыш, поэтому в данной конструкции я решил этого не делать.

Цепочка R15 и R16, установленная параллельно R14, изначально призвана обеспечить регулировку генератора тока нижнего плеча в небольших пределах, чтобы иметь возможность установить ток, равный току в верхнем плече. Однако практика показала, что в этом нет какой-либо, кроме эстетической, необходимости, поэтому устанавливать данную цепочку нет необходимости. Просто установите резисторы R11 и R14 одинакового номинала (33 Ом).

R12 и R13 компенсируют падение напряжения от протекания тока покоя через уравнивающие резисторы. Их изменение также позволяет регулировать ток покоя. Уменьшение сопротивления приводит к снижению тока покоя, увеличение – к росту. Оптимальный диапазон этих сопротивлений от 2,2 до 4,7 Ом. При сопротивлении 4,7 Ом и сопротивлении уравнивающих резисторов 0,22 Ома ток покоя составляет порядка 150..180 мА (50..60 мА на каждый выходной транзистор).

К сожалению, при реальной эксплуатации бывает, что случаются короткие замыкания в нагрузке, или в её цепь попадают посторонние напряжения (токи). Для предотвращения выхода из строя транзисторов выходного каскада в таких случаях в выходной каскад встроена защита от сверхтоков. Она реализована на транзисторах VT15.1 и VT15.2. При коротком замыкании в нагрузке (или значительном снижении её сопротивления), увеличивающийся через выходные транзисторы ток приводит к увеличению падения напряжений на уравнивающих резисторах R29, R30, R33, R34, R36, R37. Поднявшееся выше определённого порога напряжение, открывается VT15, который в свою очередь шентирует переходы Б-Э выходных транзисторов, тем самым ограничивая ток в их базах, что не позволяет неограниченно расти токам, текущим в нагрузку. Сам VT15 – это транзисторная сборка, внутри которой на одном кристалле расположены два отдельных транзистора с N-каналом и P-каналом с достаточно близкими параметрами.

Почему VT15 выбран полевым? Я полагаю, что он неплохо подходит для работы в данном месте. На рис.6 изображены кривые, полученные при моделировании режима при чрезмерно низком сопротивлении нагрузки. На верхних графиках ток через VT9 (ток через другие транзисторы аналогичен), на нижних – ток через VT15. На вход усилителя подана синусоида амплитудой 1,5 вольта. Хорошо видно, что полевые транзисторы имеют более чёткий порог, при котором происходит их открытие. Имея тот же порог ограничения, биполярный транзистор VT15 уже начинает влиять на ток выходных транзисторов, при его величине примерно на 20% меньшей, чем в случае, когда VT15 полевой. Это означает, что при подходе к порогу ограничения в усиливаемый сигнал будут вноситься искажения, тем большие, чем ближе выходной каскад к порогу ограничения. Полевой VT15 позволяет избежать этого. Цена, которую приходится за это платить – более высокое сопротивление уравнивающих резисторов в эмиттерах выходных транзисторов.

Рис.6   Особенности результатов работы на месте VT15 полевого и биполярного транзисторов.

Каскад усилителя напряжения выполнен на ОУ DA1 типа TL081. Это широкораспространённый и достаточно качественный недорогой ОУ. Его включение, аналогично прототипу, выполнено по схеме с плавающим питанием, которое обеспечивается делителем на резисторах R19, R20. Соотношение их сопротивлений выбрано таким, чтобы обеспечить необходимый сдвиг питающих напряжений при максимальной амплитуде выходного сигнала, но не более того. К сожалению, плавающее питание не позволит при такой схеме включения сколь угодно много увеличивать амплитуду выходного сигнала. Происходит это из-за того, что как бы мы ни сдвигали питание, потенциалы входов ОУ всё-равно остаются близки к потенциалу общего провода, а они всегда должны оставаться в пределах потернциалов, присутствующих на шинах питания ОУ. Это означает, что при сдвиге питания ОУ потенциалы шин питания не должны слишком близко приближаться к потенциалу общего провода (*), не говоря уже о том, чтобы менять знак.
* По правде говоря, это не всегда так, потому что возможно включение, позволяющее это делать, но оно также имеет свои ограничения, которые в данной конструкции оказались неприемлемыми.

Для уменьшения бесполезно рассеиваемого тепла на стабилитронах и резисторах, а также для возможности выбрать больший номинал резисторов R19, R20, питание ОУ формируется параметрическими стабилизаторами, выполненными на транзисторах VT1 и VT2.

Входная цепочка R1, R2, R3, R4 включена так, чтобы была возможность использовать как балансное (симметричное) включение входа усилителя, так и обычное несимметричное. Балансное включение имеет преимущество в более низком уровне помех, особенно это заметно при использовании длинных шнуров. Для перевода в несимметричное включение достаточно входной контакт «in-» соединить с контактом «Gnd», но лучше это сделать на выходе источника сигнала (предварительного усилителя), чем непосредственно на входе усилителя мощности.

C1 и C2 снижают уровень ультразвуковых составляющих, способных попасть на вход усилителя, а подстроечный резистор R6 позволяет сбалансировать ОУ, тем самым снизив уровень постоянной составляющей на выходе усилителя.

Цепочка R9, C9 присутствует для предотвращения возбуждения усилителя на высоких частотах. Макетирование показало, что без этой цепочки достаточно часто возникает возбуждение на частотах от 9~10 МГц и амплитудой на выходе усилителя от нескольких десятков до сотни-другой милливольт. Это сопровождается значительным увеличением тока покоя и в некоторых случаях последующему выходу транзисторов выходного каскада из строя.

R17 и R18, а также R1, R3 и R5 образуют цепочку делителей сигнала ООС, которой определяется коэффициент усиления. Для указанных на схеме номиналов он составляет 20,5 дБ (10,5 крат) для несимметричного включения и, соответственно, 41 дБ (21 крат) для симметричного. Возможно некоторое изменение коэффициента усиления – для этого необходимо изменять соотношение R17 и R18. Однако не следует увлекаться значительным увеличением глубины ООС – это грозит потерей устойчивости усилителя,

АЧХ и ФЧХ модели усилителя с замкнутой петлёй ООС представлены на рисунке 7, а графики петлевого усиления и ФЧХ петли ООС – на рисунке 8.

Рис.7   АЧХ и ФЧХ модели УНЧ с замкнутой петлёй ООС.

Рис.8   АЧХ и ФЧХ петли ООС модели УНЧ.

Часть третья. Конструкция и детали.

Конструкция усилителя может быть самой разнообразной. Нет какой-либо единственной формы, отступление от которой грозило бы проблемами. Единственное требование, которое обязательно к обеспечению – хороший тепловой контакт между транзисторами эмиттерного повторителя VT7-VT14. Поэтому располагать их желательно на едином радиаторе и достаточно кучно, чтобы между транзисторами не было сколько-нибудь значительной разницы температур.

Транзисторы VT4 и VT6 рассеивают до полуватта тепла каждый, поэтому их также необходимо разместить на радиаторах. Это может быть либо общий с выходным каскадом радиатор, либо небольшой индивидуальный. Конечно, согласно данным производителей, корпус типа TO-220 способен рассеивать такую мощность и без радиатора, но в этом случае температура транзисторов может подниматься до 60° выше температуры окружающей среды, что снижает надёжность их работы, к тому же значительно нагретые детали обычно вызывают опасения, особенно у начинающих.

В качестве основы конструкции был разработан вариант печатной платы размером 135*60 мм (рис.9). Плата двусторонняя, выполнена промышленным способом с металлизацией отверстий и нанесением паяльной маски.

Все компоненты, кроме выходных транзисторов VT7-VT14 монтируются на верхней стороне платы.

Рис.9   Верхняя и нижняя стороны печатной платы усилителя.

Большинство резисторов SMD исполнения размера 1206. Исключения: резисторы R19, R20 – потому что на них рассеивается относительно большая мощность; резистор R39 – потому что поверх него наматывается катушка, и резисторы в эмиттерах выходных транзисторов – потому что через них течёт значительный ток. Тип этих резисторов BPR56 (рис.10)

Катушка, наматываемая поверх резистора R39, содержит 8-10 витков медного обмоточного провода диаметром 1.0 мм (рис.11)

Разъёмы питания и выхода усилителя – клеммы типа FASTON размера 0,250" (6.3мм), широко применяемые в автомобильной электронике. Такие клеммы достаточно надёжны, выдерживают значительные токи и достаточно оперативно подсоединяются, что важно при наладке или ремонте.

Могут быть установлены клеммы как вертикального типа (рис.12), так и горизонтальные (Г-образные). Можно вообще отказаться от клемм, запаяв провода прямо в плату, но это может оказаться неудобным.

Рис.10   Внешний вид безындукционных резисторов типа BPR56.	Рис.11   Конструкция катушки, размещённой поверх R39.	Рис.12   Клемма FASTON.	Рис.13   Цанговая панелька для микросхем.

Чертёж клеммы FASTON.

Операционный усилитель DA1 типа TL081, но может быть заменён на другие аналогичные ОУ с частотой единичного усиления порядка 3-5 МГц. Хорошей заменой будет OPA134 – у этого ОУ ниже искажения и несколько больший максимальный размах выходного напряжения, что благоприятно скажется на выходной мощности. Однако, если вы будете устанавливать OPA134, то R6 устанавливать не следует, потому что у этого ОУ цепи балансировки отличаются от цепей балансировки TL081. Практика показала, что балансировать усилитель в большинстве случаев нет необходимости – даже при самом плохом стечении обстоятельств постоянная составляющая на выходе не превышала 40 мВ, что вполне безопасно.

Если вы желаете установить для операционного усилителя панельку, чтобы иметь возможность легко менять его при наладке, то рекомендую применять так называемые «цанговые» панельки – они гораздо надёжнее фиксируют выводы, что благоприятно сказывается на надёжности конструкции. Контакты обычных панелек при замене микросхем быстро теряют упругость, из-за чего часто случаются потери контакта.

Желательно, чтобы конденсаторы C1 и C9 были плёночными. С другой стороны, применение керамических конденсаторов с NP0 диэлектриком не показало каких-либо заметных ухудшений в работе.

Рис.14   Рекомендуемый способ изоляции и прижима транзисторов к радиатору.

Транзисторы VT7-VT14 устанавливаются на общий радиатор достаточного размера. На него же, на стойках высотой 6 или 8 мм, крепится и сама плата. При этом корпуса этих транзисторов оказываются частично под платой (см. чертёж платы на рис.9). Однако не исключён их монтаж на верхней стороне, если это позволяет конструкция радиатора.

Вместо указанных на схеме транзисторов BDX53 и BDX54 можно применить близкие по параметрам транзисторы BDX33 и BDX34. Возможно применение TIP131, TIP132 (вместо BDX53) и TIP135, TIP136 (вместо BDX54). По стечению обстоятельств усилитель как раз для этих транзисторов и рассчитывался, но реальность вносит свои коррективы – транзисторы серии ‘TIP’ считаются устаревшими и не производятся.

Поскольку массово применяемые резиновые изолирующие прокладки имеют заметное тепловое сопротивление, для обеспечения его минимальной величины между всеми транзисторами рекомендую изолирующие прокладки устанавливать не под каждый транзистор, а применить конструкцию, изображённую на рис.14. Суть такого «бутерброда» заключается в том, чтобы транзисторы контактировали с радиатором не через прокладку, а напрямую с теплопроводной пластиной, которая в свою очередь отдаёт тепло радиатору через прокладку, но многократно большей площади. Таким образом влияние прокладки на тепловое сопротивление между транзистором и радиатором снижается во столько раз, во сколько раз площадь прокладки больше площади самих транзисторов. Это достаточно заметная величина.

С другой стороны, если вы используете слюдяные прокладки, то для них такая конструкция нерациональна, поскольку во-первых, сам материал гораздо более эфективно проводит тепло, во-вторых, прокладок такого размера ещё поискать... В этом случае удобнее поставить индивидуальные прокладки под каждый транзистор.

Транзисторы VT4 и VT6 также могут быть заменены на другие типы, например BD239 и BD240 (с индексами ‘B’ или ‘C’). Можно использовать широкораспространённые КТ814, КТ815 (с индексами ‘В’ или ‘Г’) или их импорные аналоги BD139 и BD140, но при установке в эту плату их придётся развернуть на 180° из-за зеркальной по отношению к указанным на схеме транзисторам цоколёвки. Также нужно помнить, что они должны быть изолированы от своих радиаторов. Если вы разрабатываете свой вариант платы, это всё легко предусмотреть.

Стабилитроны ZD1 и ZD2 желательно подобрать, чтобы их напряжения стабилизации были достаточно близкими и, желательно, в пределах от 17,0 до 17,5 вольт. Это способствует получению максимального размаха сигнала на выходе ОУ.

К блоку питания особых требований нет. Хорошо подходят простые блоки питания, состоящие из трансформатора, мостового двуполярного выпрямителя и фильтрующих конденсаторов общей ёмкостью 10~15 тыс.мкФ в каждом плече. Оптимальное напряжение на вторичных обмотках трансформатора (переменное) 24~26 вольт. Мощность трансформатора 100~150 Вт на каждый канал, либо 200~250 Вт, если трансформатор один на оба канала.

Применение стабилизированных источников питания всё же предпочтительнее. Во-первых, это связано с облегчением режима работы выходных транзисторов усилителя, а во-вторых, это позволяет получать на выходе усилителя максимальную мощность, на которую он способен. Оптимальная величина стабилизированного напряжения питания 25-28 вольт в каждом плече, а пиковый ток, который обязан обеспечить стабилизатор, 10 ампер на каждый канал усилителя.

Рис.15   Внешний вид готового модуля усилителя.

Рис.16   Расположение компонент на плате.