Усилитель на дискретных элементах что это

Простой операционный усилитель на дискретных элементах

Данная схема совершенствует схему дифференциального усилителя, показанную в предыдущей статье. Вместо резисторов для организации падений напряжений в дифференциальной паре, в данной схеме используется набор токовых зеркал, в результате чего достигается более высокий коэффициент усиления по напряжению и более предсказуемые характеристики. При более высоком коэффициенте усиления по напряжению эта схема может функционировать как рабочий операционный усилитель.

Операционные усилители составляют основу многих современных аналоговых полупроводниковых схем, поэтому важно понимать их внутреннюю работу. PNP транзисторы Q₁ и Q₂ образуют токовое зеркало, которое пытается равномерно разделить ток между двумя транзисторами дифференциальной пары Q₃ и Q₄. NPN транзисторы Q₅ и Q₆ образуют еще одно токовое зеркало, устанавливающее суммарный ток дифференциальный пары на уровне, заданном резистором R_прогр.

Измерьте выходное напряжение (напряжение на коллекторе Q₄ относительно земли) при изменении входных напряжений. Обратите внимание на то, как два потенциометра по-разному влияют на выходное напряжение: один вход направляет выходное напряжение в том же направлении, в котором изменяется сам, (неинвертирующий вход), а другой направляет выходное напряжение в противоположное направление (инвертирующий вход).

Вы заметите, что выходное напряжение наиболее чувствительно к изменениям на входах, когда два входных сигнала почти равны друг другу.

После того как дифференциальное поведение схемы было доказано (выходное напряжение резко переходит от одного крайнего уровня к другому, когда одно входное напряжение настраивается выше и ниже уровня напряжения на другом входе), вы готовы использовать эту схему в качестве реального операционного усилителя.

Для начала можно проверить простую схему на операционном усилителе под названием повторитель напряжения. Чтобы создать схему повторителя напряжения, соедините напрямую выход усилителя с его инвертирующим входом. Это означает соединение выводов коллектора и базы транзистора Q₄ и отказ от «инвертирующего» потенциометра:

Обратите внимание на треугольное условное обозначение операционного усилителя, показанное на нижней схеме. Инвертирующий и неинвертирующий входы обозначены символами (-) и (+), соответственно, выход находится на правой вершине треугольника. Провод обратной связи, соединяющий выход с инвертирующим входом, показан на схемах выше красным цветом.

Как предполагает название «повторитель напряжения», выходное напряжение должно очень близко «повторять» входное напряжение, отклоняясь не более чем на несколько сотых долей вольта. Эта схема является гораздо более точным повторителем, чем схема на отдельном транзисторе с общим коллектором, описанная в одном из предыдущих экспериментов!

Более сложная схема на операционном усилителе называется неинвертирующим усилителем, и она использует пару резисторов в петле обратной связи для «подачи обратно» части выходного напряжения на инвертирующий вход, в результате чего усилитель выдает напряжение, равное напряжению на неинвертирующем входе, умноженному на некоторое значение.

Если мы используем два резистора с равными номиналами, напряжение обратной связи будет равно 1/2 выходного напряжения, в результате чего выходное напряжение станет вдвое больше, чем напряжение, подаваемое на неинвертирующий вход. Таким образом, у нас есть усилитель напряжения с точным коэффициентом усиления 2:

При тестировании схемы неинвертирующего усилителя вы можете заметить небольшие расхождения между выходным и входным напряжениями. Согласно номиналам резисторов обратной связи, коэффициент усиления по напряжению должен быть равен точно 2. Однако вы можете заметить отклонения порядка нескольких сотых долей вольта между тем, чему равно выходное напряжение и каким оно должно быть. Эти отклонения происходят из-за несовершенства схемы дифференциального усилителя и могут быть значительно уменьшены, если мы добавим больше усилительных каскадов для увеличения коэффициента усиления дифференциального напряжения.

Однако одним из способов достижения максимальной точности данной схемы является изменение сопротивления R_прогр. Этот резистор устанавливает контрольную точку нижнего токового зеркала и, тем самым, влияет на многие рабочие характеристики операционного усилителя. Попробуйте заменить этот резистор на другой в диапазоне от 10 кОм до 1 МОм. Не используйте сопротивление менее 10 кОм, иначе транзисторы токового зеркала могут начать перегреваться, и может начаться «тепловой разгон».

Некоторые операционные усилители, доступные в виде микросхем, позволяют пользователю аналогичным образом «программировать» токовое зеркало дифференциальной пары и называются программируемыми операционными усилителями. Большинство операционных усилителей не являются программируемыми, и контрольные точки их внутренних токовых зеркал тока фиксируются внутренним сопротивлением, подгоняемым до точного значения на заводе.

Усилитель на дискретных элементах 200 Вт

Усилитель на дискретных элементах 200 Вт схема которого выполнена полностью на дискретных элементах. Благодаря этому его очень легко настроить и настроить в соответствии с вашими требованиями. Усилитель на дискретных элементах 200 Вт подойдет всем, кто любит надежные и простые схемные решения. Это классика с полностью симметричной передачей сигнала от входа до выхода. Усилитель мощности использует две пары силовых транзисторов.

выходная мощность: 200 Вт (4 Ом / ± 55 В)

защита силового транзистора: предохранители

схема восприимчива ко всем видам модификаций

источник питания: ± 55 В • размеры платы: 110 × 78 мм

Реализация транзисторного усилителя мощностью более 100 Вт вызывает много проблем. Одной из проблем являются высокие токи, протекающие в усилителе, и часто также высокое напряжение, используемое для питания усилителя мощности. Надлежащая конструкция печатной платы и выбор соответствующих силовых транзисторов также очень важны. Представленный усилитель на дискретных элементах 200 Вт характеризуется полной симметрией передачи сигнала от входа до выхода. Усилитель современная классика. Он имеет двухступенчатый дифференциальный входной предварительный усилитель и симметричный выходной усилитель мощности, в котором используются две пары дополнительных транзисторов мощности HEXFET: IRF640 и IRF9640. Его принципиальная схема показана на рисунке. А еще можно воспользоваться предложением и рассмотреть лестничные марши

Транзисторы T1 и T2 работают в схеме дифференциального усилителя, а транзистор T10 — в цепи источника тока. Напряжение на основе этого транзистора стабилизируется стабилитроном D2. На входе используются фильтры нижних частот R8 и C1, задачей которых является ограничение верхней полосы передаваемых частот. Элементы C3, R8 и R7 образуют фильтр верхних частот, который удаляет постоянную составляющую входного сигнала и ограничивает нижнюю полосу частот. Нагрузка входного каскада транзисторы T3 и T4 c общей базой. Их основная задача согласование сопротивлений. Стабилитрон D1 устанавливает нужные рабочие точки T3 и T4, устанавливая базовое напряжение 15В. Транзисторы T13 и T14 работающие как следующий каскад усиления, нагрузка которого транзисторы, поляризующие усилитель мощности T12, T5 и T11. Для предотвращения возбуждения усилителя между базами и коллекторами транзисторов Т13 и Т14 были включены конденсаторы емкостью 10 пФ.

Конденсатор C10, подключенный параллельно с R28, улучшает качество импульсной характеристики усилителя, что особенно важно для входных сигналов с крутым наклоном. Транзистор T12 вместе с элементами R14, R15, R17, P1 и C9 используется для правильной поляризации конечных ступеней в состоянии покоя. Потенциометр P1 позволяет регулировать ток покоя усилителя. Этот ток должен быть установлен на 200 мА (100 мА для каждой пары силовых транзисторов). Компонентами, составляющими выходной блок, являются силовые транзисторы T6 / T7 и T8 / T9, соединенные параллельно. Эта комбинация транзисторов увеличивает выходной ток до 10А в импульсе с амплитудой напряжения до 45В. Резисторы R21 … R24, включенные в источники транзисторов, предназначены для предотвращения повреждения силовых транзисторов из-за различий в сопротивлении канала и коэффициентов усиления T6 … T9. Резисторы R9, R18, R19 и R20, соединенные последовательно с затворами транзисторов, ограничивают мощность зарядки скоростью затвора емкости.

Это немного ограничивает частотную характеристику, но далеко за пределами слышимого диапазона, и в то же время защищает транзисторы от слишком быстрого нарастания выходных токов. Для защиты силовых транзисторов от короткого замыкания использовались плавкие предохранители. Источник питания управляющих каскадов выходного каскада отделен от основного источника питания последовательно соединенными диодами D3 и D4. Это решение улучшает работу входных каскадов, устраняя изменения напряжения питания в громких музыкальных частях, которые влияют на положение рабочей точки усилителя. Они действуют как односторонние клапаны, через которые энергия накапливается в конденсаторах C7 и C8.

Сборка и настройка усилитель на дискретных элементах 200 Вт, силовые транзисторы установите на радиатор с помощью изолирующих шайб и изолирующих винтов втулок от корпусов транзисторов. Убедитесь в отсутствии короткого замыкания между радиатором и одним из силовых транзисторов. Транзисторы T5, T10 … T11 устанавливаются «лежа», привинчивая их к плате. Для работы усилителя вам понадобится трансформатор с минимальной мощностью 250 Вт и напряжением на вторичной обмотки 2 × 38В. Напряжение питания не должно превышать ± 55В. Установите 1A (быстрые) предохранители в держатели предохранителей и амперметр в положительной или отрицательной цепи питания, что позволит вам установить ток покоя. Перед включением питания полностью выверните потенциометр P1 против часовой стрелки. После включения питания с помощью потенциометра P1 устанавливаем ток покоя на 220 мА (клемма + ток питания для остальной части схемы).

Чтобы быть уверенным, стоит измерять ток в положительном и отрицательном источнике питания. Последним шагом является измерение напряжения постоянного тока на выходе усилителя, которое не должно превышать 100 мВ. Усилитель, выпрямитель и трансформатор должны быть подключены с использованием коротких кабелей с допустимым сечением, чтобы минимизировать падение напряжения на силовых проводах. Радиатор с принудительным охлаждением, используемый в усилителе, хорошо справляется с отводом тепла, благодаря чему размеры устройства с радиатором составляют всего (77x170x62) мм. Да и еще маленькое замечание настройку тока покоя следует выполнять на холодном радиаторе, т. е. при комнатной температуре, в то время как вход усилителя рекомендуется замкнуть на корпус, а выход не подключать.

Усилитель на дискретных элементах что это

По способу работы с входным сигналом и принципу построения усилительных каскадов усилители мощности звуковой частоты разделяются на:

1. Аналоговые, класс А
2. Аналоговые, класс В
3. Аналоговые, класс АВ
4. Аналоговые, класс H
5. Импульсные и цифровые, класс D
6. Аналоговые, класс G

Необходимо отметить, что существует еще множество классов усилителей, таких как C, A+, SuperA, G, DLD и др. Некоторые из них, такие как C (угол отсечки менее 90 градусов) в УМЗЧ не применяются. Другие же оказались слишком сложными и дорогостоящими, поэтому «сошли со сцены» или были вытеснены более перспективными.

Аналоговые усилители, по сути, отличаются только углом отсечки входного сигнала, т.е. выбором так называемой «рабочей точки».

Класс А

Углы отсечки для усилительных каскадов классов А, В, АВ и С.

Усилители класса А работают без отсечки сигнала на наиболее линейном участке вольтамперной характеристики усилительных элементов. Это обеспечивает минимум нелинейных искажений (THD и IMD), причем как на номинальной мощности, так и на малых мощностях.

За этот минимум приходится расплачиваться внушительными потребляемой мощностью, размерами и массой. В среднем КПД усилителя класса А составляет 15-30%, а потребляемая мощность не зависит от величины выходной мощности. Мощность рассеяния максимальна при малых сигналах на выходе.

Интересными представителями усилителей класса А являются транзисторный Pass Labs XA 200.5 и ламповый Unison Research Sinfonia, сравнительные характеристики которых приведены в таблице:

Характеристики	Pass Labs XA 200.5	Unison Research Sinfonia
Номинальная мощность	200 Вт	25Вт
Коэффициент гармонических искажений	1% (400Вт)	не указывается
Диапазон воспроизводимых частот	1.5 – 100000 Гц	20 – 30000 Гц
Потребляемая мощность	700 Вт	500 Вт
Масса	81 кг	25 кг

Представитель усилителей класса А – Unison Research Sinfonia

Класс В

Принцип работы усилителей, классов А, В и С.

Усилительные элементы работают с отсечкой 90 градусов. Для обеспечения такого режима работы усилителя используется двухтактная схема, когда каждая часть схемы усиливает свою «половинку» сигнала. Основная проблема усилителей в классе В — это наличие искажений из-за ступенчатого перехода от одной полуволны к другой. Поэтому, при малых уровнях входного сигнала нелинейные искажения достигают своего максимума.

Искажения типа ступенька в усилителях класса В.

Достоинством усилителя класса В можно считать высокий КПД, который теоретически может достигнуть 78%. Потребляемая мощность усилителя пропорциональна выходной мощности, и при отсутствии сигнала на входе она вообще равна нулю. Несмотря на высокий КПД, обнаружить среди современных моделей усилители класса В вряд ли кому-то удастся.

Класс АВ

Как следует из названия усилители класса АВ – это попытка объединить достоинства усилителей А и В класса, т.е. добиться высокого КПД и приемлемого уровня нелинейных искажений. Для того чтобы избавиться от ступенчатого перехода при переключении усилительных элементов используется угол отсечки более 90 градусов, т.е. рабочая точка выбирается в начале линейного участка вольтамперной характеристики. За счет этого при отсутствии сигнала на входе усилительные элементы не запираются, и через них протекает некоторый ток покоя, иногда значительный. Из-за этого уменьшается коэффициент полезного действия и возникает незначительная проблема стабилизации тока покоя, но зато существенно уменьшаются нелинейные искажения.

Среди аналоговых усилителей данный режим работы встречается чаще всего.

Графики зависимости коэффициентов нелинейных искажений от выходной мощности усилителя для классов А, В и АВ.

Минимизация искажения типа «ступенька» в усилителях класса АВ.

Сравнительная таблица усилителей, работающих в режимах А, В, АВ:

Характеристики	A	B	AB
Теоретический КПД	50%	78%	Зависит от режима
Реальный КПД	15-30%	50-60%	40-50%
Нелинейные искажения	малые	Высокие	средние)
Потребляемая мощность	постоянная	зависит от выходной	зависит от выходной
Термостабильность	низкая	высокая	средняя

Представитель усилителей класса АВ – AudioLab 6000A

Класс H

Данный класс усилителей был разработан специально для автомобилей, в которых имеется ограничение напряжения, питающего выходные каскады. Стимулом к созданию усилителей класса Н послужило то, что реальный звуковой сигнал имеет импульсный характер и его средняя мощность намного ниже пиковой. В основе схемы лежит обычный усилитель класса AB, включенный по мостовой схеме. Изюминка — применение специальной схемы удвоения напряжения питания. Основной элемент схемы удвоения — накопительный конденсатор большой емкости, который постоянно подзаряжается от основного источника питания. На пиках мощности этот конденсатор подключается схемой управления последовательно с основным источником питания. Напряжение питания выходного каскада усилителя на доли секунды удваивается, позволяя ему справиться с передачей пиков сигнала. Однако накопительный конденсатор должен быть достаточной емкости, иначе заявленная выходная мощность будет обеспечиваться только на средних и высоких частотах.

Идея коммутирования напряжения питания нашла применение не только в автомобильных усилителях мощности. Усилитель с двух- трехуровневым питанием фактически представляет собой импульсный усилитель с последовательным аналоговым каналом, который лишнюю энергию импульсов переводит в тепло. Чем больше ступенек у напряжения питания, тем более приближенная к синусоиде получается лестница на выходе импульсной части усилителя и тем меньше выделяется тепла на аналоговом канале.

Усилители, построенные по подобной схемотехнике, сочетают в себе дискретные методы усиления с аналоговыми и, соответственно, занимают промежуточное положение между аналоговыми и импульсными усилителями по КПД и тепловыделению. В данном усилителе для повышения КПД, и соответственно, снижения тепловыделения применено дискретное приближение уровня напряжения питания аналогового канала к его выходному напряжению. Повышение КПД происходит за счет уменьшения падения напряжения на активном плече по сравнению с усилителями с одноуровневым питанием. Отличительная особенность подобных усилителей состоит в том, что коммутация ключевых элементов происходит с частотой сигнала. Фильтрация высших гармоник осуществляется аналоговой частью усилителя путем преобразования энергии гармоник в тепло в усилителями с высокой тактовой частотой, когда частота коммутации ключевых элементов многократно выше верхней граничной частоты сигнала, а фильтрация осуществляется LC фильтром. Тепловые потери аналоговой части усилителя получаются довольно низкими, но их в достаточной мере восполняют коммутационные потери и потери в фильтре при высокой тактовой частоте. Существует оптимальное количество ступенек напряжения питания, при котором усложнение схемы оправдывается повышением КПД и удешевлением мощных транзисторов аналоговой части усилителя. КПД усилителей класса H достигает 83% при коэффициенте гармонических искажений 0,1%.

Класс D

Строго говоря, класс D — это не только схема построения или режим работы выходного каскада — это отдельный класс усилителей. Более логично было бы назвать их импульсными, но историческое название «цифровой» за ними уже прочно закрепилось. Рассмотрим общую структурную схему усилителя.

Блок схема цифрового усилителя

Оцифрованный сигнал поступает на аудио процессор, который в свою очередь с помощью широтно-импульсной модуляции (PWM — Pulse Width Modulation) управляет силовыми полупроводниковыми ключами. Можно добавить, что ШИМ-сигнал можно получить и без аналого-цифрового преобразования с помощью компаратора и генератора, например, пилообразного сигнала. Такой метод в усилителях класса D также широко применяется, но благодаря развитию цифровой техники постепенно уходит в прошлое. Аналого-цифровое преобразование обеспечивает дополнительные возможности по обработке звука: от регулировки уровня громкости и тембра до реализации цифровых эффектов, таких как реверберация, шумоподавление, подавление акустической обратной связи и др.

В отличие от аналоговых усилителей, выходной сигнал усилителей класса D представляет собой импульсы прямоугольной формы. Их амплитуда постоянна, а длительность («ширина») изменяется в зависимости от амплитуды аналогового сигнала, поступающего на вход усилителя. Частота импульсов (частота дискретизации) постоянна и в зависимости от требований, предъявляемых к усилителю, составляет от нескольких десятков до сотен килогерц. После формирования импульсы усиливаются оконечными транзисторами, работающими в ключевом режиме. Преобразование импульсного сигнала в аналоговый происходит в фильтре низких частот на выходе усилителя или непосредственно в нагрузке.

График зависимости КПД аналоговых и цифровых усилителей от выходной мощности.

В целом, принцип работы усилителя класса D очень напоминает принцип работы импульсного блока питания, но в отличие от него, на выходе, за счет широтно-импульсной модуляции, формируется не постоянное напряжение, а переменное, по форме соответствующее входному сигналу.

Теоретически, КПД подобных усилителей должен достигать 100%, но, к сожалению, сопротивление канала транзистора хоть и маленькое, но все же ненулевое. Но, тем не менее, в зависимости от сопротивления нагрузки, КПД усилителей этого типа может достигать 90%-95%. Разумеется, при такой эффективности нагрев выходных транзисторов практически отсутствует, что позволяет создавать очень маленькие и экономичные усилители. Коэффициент гармонических искажений при грамотном построении выходного фильтра можно довести до 0,01%, что является прекрасным результатом. Искажения возрастают при увеличении частоты сигнала и снижении частоты дискретизации. Косвенным образом от частоты дискретизации зависит и выходная мощность — с ростом частоты уменьшаются индуктивность катушек и снижаются потери в выходном фильтре.

Подобно аналоговым усилителям, импульсные усилители разделяются на подклассы AD и BD, причем их достоинства и недостатки тоже подобны. В усилителях класса AD в отсутствие входного сигнала выходной каскад продолжает работу, выдавая в нагрузку разнополярные импульсы одинаковой длительности. Это позволяет улучшить качество передачи слабых сигналов, но значительно снижает экономичность и порождает ряд технических проблем. В частности, приходится бороться с так называемым сквозным током, который возникает при одновременном переключении выходных транзисторов. Для устранения сквозного тока в выходном каскаде вводится мертвое время между закрыванием одного транзистора и открыванием другого.

Практическое применение находят более простые по конструкции: усилители класса BD, выходной каскад которых в отсутствие сигнала генерирует импульсы очень малой длительности или находится в состоянии покоя. Однако в усилителях этого типа наиболее сильно проявляется основной недостаток — зависимость уровня нелинейных искажений от частоты дискретизации и частоты сигнала. Кроме того, искажения возрастают при малых входных сигналах. Чаще всего, усилители класса D, как и класса АВ, выпускаются в интегральном исполнении.

Такие усилители применяются в системах оповещения и трансляции, в которых, как известно, не уделяется большого внимания вопросам достижения особенного качества звучания. В профессиональных системах звуковоспроизведения в классе D реализуются в основном усилители для сабвуферов, так как на низких частотах ухо наименее чувствительно к нелинейным искажениям сигнала.

Если раньше от усилителя требовалась просто надежная работа и гарантированное качество звука, то современные модели дополняются рядом сервисных функций, таких как компьютерное управление усилителем, программирование встроенного лимитера, а также наличие цифрового входа. С удешевлением цифровых интерфейсов для передачи аудиосигналов можно ожидать рост рынка усилителей с дистанционно управляемыми параметрами и автоматической диагностикой, что, безусловно, расширит возможности в создании звукоусилительных комплексов. Учитывая стремительное развитие цифровой техники и элементной базы сложно даже предположить, к каким вершинам приведет нас дальнейшее совершенствование принципов построения усилителей мощности.

Представитель усилителей класса D – Cambridge Audio EVO75

Класс G

Подобно гибридному автомобильному двигателю, класс G использует несколько источников напряжения питания, а не один. Если получен динамический сигнал, выходящий за пределы возможностей этого первого источника питания, вторичный источник постепенно доводится до полной номинальной выходной мощности по мере необходимости. Это дает очень эффективную конструкцию в качестве дополнительной мощности и используется только при необходимости. Такой тип усиления спокойно относится к акустике с низкой чувствительностью или если необходимость в высокой подводимой мощности. Это позволяет расширить выбор колонок и избежать нагромождения усилителей мощности в системе.

Первый блок питания имеет меньшую мощность, и в этом диапазоне мы работаем в чистом классе A, в котором нет кроссоверных искажений. Поскольку вторичный источник используется только при необходимости, возможны экстремальные уровни мощности, потому что очень мало энергии теряется в усилителе в виде тепла, когда он не используется.

Плюсы:
высокая эффективность;
низкая теплоотдача;
компактность.

Минусы:
стоимость.

Представитель усилителей класса G — ARCAM HDA SA30

Основы аналоговой электроники: усилитель Лина

Привет, Хабр! Сегодня мы познакомимся с топологией Лина, на основе которой построено множество аналоговых микросхем и транзисторных усилителей звуковой частоты. И, разумеется, соберём действующий усилитель на семи транзисторах.

В 1980-1990-е годы именно с аудиоусилителей для многих из нас начался путь в электронику. Одним требовался более адекватный усилитель для гитары, чем магнитофон, проигрыватель грампластинок или подставка от телевизора «Горизонт». Именно с таких вариантов многие начинали.

Для громкого воспроизведения аудиозаписей на дискотеке бытовой аппаратурой уже не обойтись, а раздобыть трансляционный усилитель, например, от школьного радиоузла, могли не все. Приходилось браться за паяльник и идти в библиотеку за литературой по электронике.

А для тех, кто хотел иметь у себя дома высококачественную стереосистему, собранную своими руками, даже выпускались специальные радиоконструкторы и готовые модули «Старт» .

В предыдущих статьях мы встречались со множеством усилителей низкой частоты (УНЧ), но почти все они предназначены скорее для искажения аудиосигнала, чем для его воспроизведения. Потому что это предусилители в составе гитарных эффектов.

▍ КР1438УН2 — микросхема УМЗЧ

Зато для УКВ ЧМ радиоприёмника в корпусе радиоконструктора «Юность» мы использовали усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) на микросхеме КР1438УН2 (LM386) .

Вы не поверите, но этой микросхеме уже исполнилось 54 года! Её разработал инженер компании Motorola Эрни Лерой Лонг , и предназначалась она не для усиления звука, а для ЭБУ (электронного блока управления) системы впрыска топлива Conelec , применявшейся во флагманских автомобилях компании Форд.

Это очень простая микросхема, эквивалентная схема которой содержит всего 10 транзисторов, не считая стабилизатора тока I1. Для сравнения, в составе одного из первых интегральных операционных усилителей (ОУ) uA741 , он же К140УД7 , насчитывается 22 транзистора.

Зато у дискретного ОУ SK99 от компании Sound Scupltor тоже 10 транзисторов. И что особенно интересно, между схемами копеечной LM386 и бутикового SK99 имеется много общего.

▍ Источник стабилизированного тока

Прежде чем перейти к вопросу топологии транзисторных усилителей, обратим внимание на символ источника стабилизированного тока. Мы видим его на эквивалентных схемах множества аналоговых микросхем. Что это за секретный источник, схема которого не раскрывается?

На схеме Sound Scupltor SK99 имеются два источника тока, построенных на биполярных транзисторах структуры p-n-p Q1 и Q7, которые включены по схеме с общим коллектором.

Все мы знаем эту схему как транзисторный повторитель напряжения. Напряжение на резисторе R1 будет равняться напряжению на базе Q1 минус напряжение база-эмиттер транзистора BC560C . А на резисторе R7 то же самое, но транзистор там другой — BC556C . Хотя типичное напряжение база-эмиттер при токе в единицы миллиампер одно и то же — 0.62 вольта.

Напряжение на базах Q1 и Q7 задаётся параметрическим стабилизатором напряжения, в котором красный светодиод D3 использован в качестве стабистора — двухполюсника, представляющего собой прямосмещённый диод, в отличие от обратносмещённого стабилитрона . Будем считать, что прямое падение на D3 составляет 1.7 вольта.

Тогда напряжение на резисторах R1 и R7 составит 1.08 вольта. Согласно закону Ома, можно рассчитать токи через эти резисторы: 2.3 мА для R1 и 5 мА для R7. Таким образом, ток эмиттерного резистора определяется стабилизированным напряжением на базе транзистора и соответственно стабилизирован.

Эмиттерный ток складывается из токов коллектора и базы, причём коллекторный ток в активном режиме работы транзистора равен произведению тока базы на коэффициент усиления по току h21э .

Для BC556C при коллекторном токе в единицы миллиампер этот коэффициент находится в пределах от 420 до 800, а для BC560C — от 380 до 800. Иными словами, в среднем одна пятисотая часть тока, задаваемого эмиттерным резистором, приходится на ток базы. Весь остальной ток проходит через коллектор.

Вы спросите, зачем Sound Scupltor использовали два разных транзистора в двух одинаковых узлах? Затем, что BC560C малошумящий, и именно через него питаются входные цепи, наиболее чувствительные к шумам.

Почему бы в таком случае не воспользоваться BC560C в обоих стабилизаторах тока? Неужели производители операционных усилителей на дискретных компонентах, которые представляют собой предметы роскоши, экономят на спичках? Разница в цене транзисторов пренебрежимо мала в сравнении с ценой продукта.

При разработке промышленных образцов для массового производства обычно стараются уменьшить номенклатуру компонентов, а тут поступили наоборот. Возможно, как раз потому, что схема, в которой присутствует большее разнообразие деталей, выглядит сложнее и совершеннее.

По этой же самой причине люди, позиционирующиеся как эксперты, фотографируются и снимаются на видео на фоне книжных стеллажей и рабочих мест, где много разного оборудования.

Либо в производство просто пошла схема того прототипа, что показал наилучшие характеристики в работе. Как бы то ни было, операционные усилители на дискретных компонентах — это не шарлатанство.

Они действительно имеют более высокую скорость нарастания и спада напряжения на выходе, чем интегральные ОУ. А этот параметр важен для адекватного воспроизведения высокочастотных составляющих спектра.

Другое дело, что недорогого интегрального NE5532 на самом деле вполне достаточно для воспроизведения и обработки любого аудиосигнала в самом наивысшем качестве. Что подтверждается широчайшим применением этих ОУ в профессиональной аудиоаппаратуре и домашних стереосистемах, в том числе самых дорогих.

По словам корифея обработки сигналов Дугласа Селфа, «вероятно, не существует музыкальной записи, не прошедшей на пути к потребителю через хотя бы сотню 5532». При том, что Селф не только не отрицает ОУ на дискретных компонентах, но и разрабатывает их. Вот пример схемы из его книги.

Здесь транзисторных источников стабилизированного тока целых три. И если у Sound Scupltor SK99 функцию стабистора для получения опорных напряжений источников тока выполняет красный светодиод, то в дискретном операционном усилителе Селфа вместо него используется два последовательно соединённых универсальных импульсных диода 1N4148.

В большинстве современных аналоговых микросхем роль стабилизированного источника тока выполняет полупроводниковый прибор, называемый токоограничительным диодом . Это не что иное, как полевой транзистор с управляющим p-n переходом (JFET), затвор которого соединён с истоком. В предыдущей статье мы его как раз упоминали.

И, наконец, самое интересное. Все эти схемы построены на основе топологии, разработанной в 1956 году сотрудником лабораторий RCA, доктором Хун-Чан (Джимми) Лином . На фото он первый слева.

Основной целью доктора Лина было избавиться от дорогого и тяжёлого выходного трансформатора, подключив низкоомную катушку динамического громкоговорителя прямо к выходному каскаду.

До его разработки экономичные и хорошо звучащие двухтактные транзисторные УМЗЧ делать уже умели, но с применением двух трансформаторов: согласующего, он же фазоинвертор, и выходного.

Когда речь шла про переносной радиоприёмник, например, культовый Альпинист-407, это не составляло абсолютно никакой проблемы. И даже в карманном корпусе «Мальчиша» эти два трансформатора прекрасно помещались и никого не огорчали.

Но при повышении выходной мощности оконечный трансформатор УМЗЧ практически сводил на нет преимущества транзисторных усилителей перед ламповыми. В 1956 году спас положение доктор Лин.

Две обязательных составляющих топологии Лина — усилитель напряжения и двухтактный бестрансформаторный выходной каскад .

Оригинальная схема Лина из патента US2896029A от 21 июля 1959 года «Схемы полупроводниковых усилителей» предусматривает двуполярное питание.

Числом 52 обозначен не оконечный трансформатор УМЗЧ, а сетевой трансформатор, вторичная обмотка 53 которого питает удвоитель напряжения на диодах 50, 60 и конденсаторах 58, 62.

Такая схема питания со вторичной обмоткой без средней точки до сих пор часто применяется в активных акустических системах aka компьютерных колонках. Встречалась она и в музыкальных центрах, когда они были аналоговыми.

Мощные выходные транзисторы в оригинальной схеме Лина не комплементарные, а одного типа проводимости. Верхние транзисторы 136 и 116 образуют пару Дарлингтона , а нижние — 130 и 110 — пару Шиклаи .

Усилителем напряжения служит единственный транзистор 76, включённый по схеме с общим эмиттером. Усилитель охвачен общей отрицательной обратной связью (ООС) через резистор 90. А 92 — это конденсатор вольтодобавки, благодаря которому повышается напряжение питания каскада усиления напряжения и соответственно его коэффициент усиления.

Дальнейшее развитие схемы Лина шло в нескольких направлениях.

• Во-первых, нужно было решить проблему теплового дрейфа выходного каскада. Для этого вместо резистора 66, регулирующего ток покоя выходных транзисторов, применялся сначала терморезистор, затем германиевые, а потом кремниевые диоды, после чего перешли к использованию умножителей напряжения база-эмиттер , которые мы рассмотрим далее.
• Во-вторых, для повышения коэффициента усиления стали использовать стабилизированные источники питания вместо резистора 82 в коллекторной нагрузке каскада усиления напряжения. Именно поэтому мы остановились на этих стабилизаторах тока подробно.
• В-третьих, отказались от схемы со связью каскадов по переменному току через разделительные конденсаторы и перешли к непосредственной связью между транзисторами. Получился усилитель постоянного тока — УПТ .
• В-четвёртых, развитие технологий производства полупроводниковых приборов позволило создавать комплементарные пары транзисторов, в том числе мощных. В двухтактных (пушпульных) выходных каскадах стали применять именно такие пары.
• И, наконец, в-пятых, перед каскадом усиления напряжения добавили дифференциальный входной каскад , который имеется у всех рассмотренных сегодня схем: КР1438УН2 (LM386), Sound Scupltor SK99 и дискретного ОУ Дугласа Селфа.

▍ Практическая схема

Усилитель, который я сегодня соберу, содержит все упомянутые модернизации топологии Лина, кроме дифкаскада на входе. Печатная плата с комплектом радиодеталей продаётся на Aliexpress и предназначена для китайского экзамена по электронике.

Перед нами усилитель постоянного тока. Его регулятор громкости W на входе и громкоговоритель LS на выходе подключены через разделительные электролитические конденсаторы C1 и С7 соответственно. А внутри усилителя все транзисторы связаны между собой по постоянному току.

В этой схеме усилитель напряжения является двухкаскадным. Он собран на транзисторах VT1 и VT2. Смещение базы первого транзистора регулируется подстроечным резистором RP1. Соответственно он регулирует и напряжение смещения на выходе УПТ, то есть на коллекторах выходных транзисторов VT5 и VT7.

Сопротивление RP1 следует отрегулировать так, чтобы при отсутствии входного сигнала напряжение на выходе УПТ равнялось половине напряжения питания. В данном случае усилитель питается от шестивольтовой батареи из 4 элементов АА.

Транзистор VT3 с резисторами R8, R9 и RP2 образуют умножитель напряжения база-эмиттер — двухполюсный стабилизатор напряжения с отрицательным температурным коэффициентом.

С помощью RP2 настраиваем ток покоя выходных транзисторов, измеряя общий ток, потребляемый схемой в разрыве цепи питания.

▍ Сборка, настройка, испытания

На видео можно посмотреть и послушать, как регулировки влияют на искажения аудиосигнала. Для измерения потребляемого тока используется ампервольтомметр, собранный из радиоконструктора. И генератор тестового синусоидального сигнала у нас тоже самодельный.

Благодаря отрицательным обратным связям регулировка тока смещения входного транзистора переменным резистором RP1 изменяет выходное напряжение при отсутствии входного сигнала в очень узких пределах от 2.74 до 2.80 В и практически ни на что не влияет. Это показывает прекрасную температурную стабильность схемы.

Изменение тока покоя подстроечным резистором RP2 от 4 до 100 миллиампер практически не влияет на громкость звучания, зато качественное воспроизведение звука обеспечивается при токе покоя не ниже 40 мА.

После сборки платы получается неплохой УМЗЧ, который можно использовать в составе комнатного гитарного усилителя, радиоприёмника или электронной игрушки. Напишите в комментариях, для каких ещё целей он может пригодиться.

С эмоциональной точки зрения, самоделка на дискретных элементах греет душу гораздо больше, чем на одной-двух микросхемах с минимумом обвязки. Но если посмотреть рационально, 40 миллиампер — это огромный ток, неприемлемый для автономного карманного устройства.

Однако усилитель начинает звучать уже при токе покоя 500 микроампер. Потому можно настроить единицы миллиампер, а высокочастотные переходные процессы на выходе подавить цепочкой Зобеля. Для переносного устройства лучше просто взять нормальную микросхему, а эту плату использовать в чём-нибудь стационарном.

• ruvds_статьи
• аналоговая схемотехника
• транзистор
• усилитель звуковой частоты
• усилитель нч
• усилитель мощности
• операционный усилитель
• операционные усилители