Электрическая схема усилителя.

Электрическая схема усилителя состоит из трех основных подсхем:

- Непосредственно схемы усиления аудио сигнала

- Подсистемы питания

- Сервисных схем

Сервисные схемы осуществляют следующие функции: (a) Мягкий запуск; (b) Задержка подключения АС после включения; (с) Защита АС от постоянного напряжения на выходе усилителя; (d) Регулировка температурного режима системы; (e) Переход системы в спящий режим и обратно; (f) Защита выхода от короткого замыкания в нагрузке; (g) Индикация режимов.

Так как ВСЯ схема усилителя собрана на одной плате, то компоновка элементов на плате весьма важна с точки зрения уменьшения взаимовлияния цепей и т.п. Ниже привожу упрощенную схему направления развития цепей аудио сигнала и силового питания на плате.

Синие стрелки указывают путь распространения силовых цепей питания от выхода трансформатора до транзисторов мощных стабилизаторов и рядом стоящих выходных транзисторов. Красным и желтым цветами показан путь аудио сигнала от входа до выхода. Цвет различает стороны платы: красным указан сигнал на видимой стороне платы, желтым – на обратной. Не надо забывать, что один из внутренних слоев полностью отдан под экран.

Схема усилителя мощности.

Основная идея усилителя – создать максимально симметричную двухтактную схему НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ. Выбор полевых в качестве усилительных элементов не случаен. Это электронный прибор, у которого ток сигнала управления от источника не поступает на выход, как это происходит у биполярных транзисторов. У биполярных, кроме всего прочего, высока нелинейность этого тока – ток базы сильно зависит от тока через коллектор, да к тому же проявляется это на всех частотах, начиная от постоянного тока. Полевик тоже не идеален с точки зрения попадания тока из цепи управления на выход. Здесь свою отрицательную роль играют паразитные емкости полевого транзистора, также нелинейные величины. Но влияние их частотно зависимо и вследствие их малости (при правильном выборе транзистора) в звуковом диапазоне их влияние очень незначительно. Т.е. полевой транзистор в аудио диапазоне более близок к идеальному усилительному элементу, чем биполярный.

В реализованной схеме присутствуют и биполярные транзисторы. Но на них собраны исключительно источники тока (ИТ), присутствующие также в виде нагрузок для усилительных каскадов. Здесь нет противоречия сказанному выше, т.к. управляющие Б-Э напряжения и токи базы не принимают участия в передаче/усилении сигнала, а как ИТ, стабильность такого решения обычно выше.

Схема усилителя мощности для удобства ее чтения представлена в формате симулятора, поэтому нумерация и обозначения элементов расходятся с тем, что можно увидеть на плате (PCAD'овское изображение схемы меня почему-то не привлекает). Схема дана несколько в упрощенном виде – резисторы, помеченные звездочкой, представляют собой или просто переменный резистор, или комбинацию постоянного резистора и переменного.

Первый дифкаскад J1, J2 на хорошо известной Toshiba'вской сборке 2SJ109 дает достаточно малые шумы. Но здесь присутствует не совсем идеальный выбор транзисторов, т.к. входные емкости немного великоваты, но реальную альтернативу обнаружить не удалось. Да и эти сборки уже давно недоступны, на самом деле. Более того, заменить эти транзисторы можно только на 2SJ74 ввиду высоких требований к крутизне характеристики, с обязательным подбором по параметрам в пары. Все доступные ныне p-канальные транзисторы не обладают такими параметрами и их использование приводит к необходимости существенного изменения частотной коррекции усилителя вследствие потери им устойчивости.

Ток покоя транзисторов входной дифпары около 2mA. Схема из 3-х резисторов с одним подстроечным в истоковых цепях реального усилителя позволяет компенсировать до 20mV смещения напряжения на дифференциальном выходе УМ и удерживать его в пределах 2mV в широком диапазоне температур.

Второй дифкаскад усиления J3, J4, J5, J6 собран по каскодной схеме. В основе ее использована сборка SST441 от Vishay Siliconix с низкими паразитными емкостями и шумами. Сейчас она уже тоже не выпускается. Замену ей подобрать очень сложно, т.к. ток покоя транзисторов составляет 5mA. Но есть еще варианты, например у NXP. Верхняя пара собрана на дискретных SST4392 (или типа 2N5486). Их желательно подбирать до получения минимума искажений. Каждое плечо каскада нагружено на ИТ Q1, Q2, а рабочая точка задается переменным резистором R23 так, чтобы балансный выход УМ был в диапазоне +100…+500mV. Следящая связь осуществляется через р-канальный J7 2N5462. На самом деле там стоят SST5462 в SMD (SOT23) исполнении.

Выходные транзисторы HUF76639P3 имеют все же слишком большую входную емкость, чтобы служить нагрузкой каскада c током 5mA в плече, да еще с активной нагрузкой. Правда, ИТ шунтируются высокоомными резисторами R7, R8, но развязывающие повторители просто необходимы. Их роль играет сборка (!) Fairchild Semiconductor FDS3601, которую питают ИТ Q6, Q7 на 2SD1898 с рабочими токами 10mA. FDS3601 выбрана по причине достаточно высокой крутизны характеристик транзисторов, малой емкости и идентичности параметров. Рабочие токи ее транзисторов около 13.5mA.

На выходе с током покоя до 2А стоят HUF76639P3, обладающие весьма сбалансированными характеристиками - высокая крутизна, низкий Rds, умеренные емкости, достаточная мощность. Умеренные требования к выходной мощности УМ позволили применить довольно невысокие значения напряжений питания, что заметно снизило также требование на размер области безопасной работы (ОБР) выходных транзисторов, особенно учитывая комплексность нагрузки. Есть более мощные транзисторы, мощность их избыточна и у них резко растут паразитные емкости, есть менее мощные, но там недостаточна крутизна, сопротивление канала и ОБР. Немаловажным фактором выбора полевиков данной серии является то, что они имеют т.н. логический уровень управления, т.е. напряжение З-И чуть больше всего 2V. Ток покоя выходной пары задается источником на Q8, Q9 и регулируется подстроечным резистором R30. Транзистор Q8, кроме всего прочего, приклеен к фланцу одного из выходных транзисторов (см. Часть2) и играет роль термодатчика.

Часть элементов, показанных на схеме как один элемент, на самом деле, составные. Резисторы R13 и R40 состоят из двух одноваттных по 4.75ohm. R21 и R22 также должны быть одноваттными, а R25 не менее 1/3 ватта.

В истоках силовых транзисторов стоят резисторы 0.1ohm по 2W, модель WSL2816 от Vishay. Остальные резисторы в основном RK73H от KOA Speer.

Емкости С4 и С5 применены Nichicon 100uF 63V c ESR=0.12ohm и тангенсом угла потерь ниже 0.08 (UPM1J101MPD).

АЧХ и ФЧХ усилителя с обратной связью и без, без входного и выходного фильтров выглядят следующим образом:

Первый полюс на АЧХ находится около 35KHz, поэтому глубина ООС во всем звуковом диапазоне постоянна и составляет более 60Db. Полоса пропускания по уровню -3Db простирается от 0.34Hz до 410 000Hz. Использование высокочастотных комплектующих с низкими значениями паразитных емкостей позволило получить высокоскоростной усилитель с помощью простой коррекции. «Основа» усилителя без фильтров и цепей обратной связи способна развивать более 100V/uS, что ограничивается возможностями каcкада на FDS3601. Тем не менее, это существенно выше требуемой величины 43V/uS (определяется максимальной частотой и амплитудой сигнала) для исключения динамических искажений и говорит о хорошем потенциале усилителя в динамике.

Описание усилителя (Часть 5)

Последнее обновление страницы: 13:20 21.2.2009