Технические характеристики усилителей мощности

Одной из особенностей данного усилителя мощности является его питание от двухполярного источника. Это позволяет включить нагрузку между выходом усилителя и общим проводом без переходного конденсатора. Другая особенность состоит в применении входного балансного дифференциального каскада, обла­дающего хорошей термостабильностью.

Принципиальная схема усилителя приведена на рис. 66. Он состоит из вход­ного каскада (транзисторы VT1, VT2), каскада усиления напряжения (VT3) и выходного (VT4 — VT7) и элементов защиты выходных транзисторов (VD3 — VD6). Входной каскад выполнен по схеме дифференциального каскада е не­симметричным выходом. Входной сигнал поступает на базу транзистора VT1 через разделительный конденсатор С1. Сигнал ООС подается с выхода через резистор R6 на базу транзистора VT2. Дифференциальный каскад сравнивает выходное напряжение с нулевым напряжением общего провода, и еели по ка­ким-либо причинам постоянное напряжение на выходе усилителя станет отлич­ным от нуля, сигнал рассогласования с выхода дифференциального каскада по­ступает на выходной каскад, обеспечивая тем самым нулевое напряжение на выходе усилителя. С выхода дифференциального каскада сигнал поступает на усилитель напряжения и через резистор R7 на выходной каскад. Выходной кас­кад выполнен на составных комплементарных транзисторах VT4, VT6 и VT5, VT7, обладающих большим входным и весьма малым выходным сопротивле­ниями.

Диоды VD1 и VD2 создают начальное смещение выходного каскада и обес­печивают температурную стабилизацию тока покоя выходных транзисторов. Че­рез конденсатор вольтдо-бавки С5 подключается ПОС в цепь коллекторной на­грузки транзистора VT3, обеспечивая тем самым получение максимального размаха выходного напряжения. Диоды VD3, VD4 и VD5, VD6 защищают выход­ные транзисторы, шунтируя в случае перегрузки, переходы транзисторов. Эле­менты СЗ, С6, R14, С7, L1 предотвращают самовозбуждение усилителя на вы­соких частотах.

Конструктивно усилитель мощности смонтирован на печатной плате, пока­занной на рис. 67. Для температурной стабилизации тока покоя выходных транзисторов диоды VD1 и VD2 устанавливают на общий с транзисторами VT6 и УТ7 теплоотвод. Катушка L1 намотана на резисторе R15 (МЛТ-2) и содержит 25 витков провода ПЭВ-2 0,8. Резисторы R12 и R13 изготовлены из высокоом-ного провода (манганин, константан).

Налаживание усилителя заключается в проверке правильности монтажа. При правильном монтаже и использовании исправных элементов дополнитель­ной настройки не требуется. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характе­ристики усилителя приведены на рис. 68. Для питания усилителя необходим двухполярный источник, обеспечивающий при напряжении ±36 В ток не менее 1,2 А.

Рис. 66. Принципиальная схема усилителя мощности с балансным дифференци­альным входным каскадом

Усилитель мощности с полевым транзистором в качестве источника тока для входного каскада и элементами симметрирования выходного каскада. Он имеет следующие основные технические характеристики (см. также табл. 4):

Номинальная выходная мощность....... 75 Вт

Коэффициент гармоник.......... 0,06%

Полоса рабочих частот.......... 20... 40 000 Гц

Отношение сигнал-шум.......... 86 дБ

Напряжение питания........... ±40 В

Ток покоя.......... 20 мА

Улучшение качественных показателей в этом усилителе по сравнению с предыдущим достигнуто рядом схемотехнических решений. В эмиттерную цепь входного дифференциального каскада включен источник тока на полевом тран­зисторе. Это позволяет повысить коэффициент передачи первого каскада и улуч­шить его термсстабильность. Для улучшения симметрии плеч выходного каска­да усилителя и уменьшения нелинейных искажений в эмиттерную цепь одного из транзисторов лредоконечного каскада вводятся корректирующая цепь, со­стоящая из диода, резистора и конденсатора.

Принципиальная схема усилителя приведена на рис. 69. Он содержит диф­ференциальный входной каскад (VT2, VT4), усилители тока (VT3) и напряже­ния (VT6), выходной каскад (VT9 — VT12) и устройство защиты от перегрузок (VT7, VT8). Как уже говорилось, источник тока на транзисторе VT1, включен­ный в эмиттерные цепи транзисторов VT2, VT4, позволяет, не увеличивая тем­пературную нестабильность, повысить коэффициент передачи по напряжению дифференциального каскада. Транзистор VT3 позволяет уменьшить нагрузку на выход дифференциального каскада. Каскад с разделенной нагрузкой на транзис­торе VT6 усиливает сигнал по напряжению, обеспечивая максимальный размах выходного напряжения.

Квазикомплементарный выходной каскад, выполненный на составных тран­зисторах (VT9, VT11 и VT10, VT12), хорошо согласовывается с низкоомной на­грузкой. Корректирующая цепь, состоящая из параллельно соединенных диода VD2, резистора R28 и конденсатора С10, улучшает симметрию плеч усилителя, уменьшая тем самым нелинейные искажения. Начальное смещение на базах вы­ходных транзисторов для работы в режиме АВ определяется падением на­пряжения на участке коллектор — эмиттер транзистора VT5 и регулируется ре­зистором R16. Транзисторы VT7 и VT8 шунтируют при перегрузке эмиттерный переход выходных транзисторов, осуществляя тем самым их защиту. Элементы €3, R5, С4, R31, С12 предотвращают самовозбуждение усилителя на высоких частотах. Цепь R7, С6 служит для выравнивания АЧХ усилителя на высоких ча­стотах звукового диапазона (до 20 кГц).

Рис. 67. Печатная (а) и монтажная (б) платы усилителя мощности с балансным дифференциальным входным каскадом

Рис. 68. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики усилителя мощ­ности с балансным дифференциальным входным каскадом

Конструктивно усилитель собран на печатной .плате, показанной на рис. 70. Температурная стабилизация тока покоя выходных транзисторов осуществляет­ся с помощью транзистора VT5, установленного на общем с VT12 или VT11 радиаторе, в непосредственной близости от них. Для питания усилителя необ­ходим двухполярный источник, обеспечивающий при напряжении ±40 В ток не менее 2,5 А.

Налаживание усилителя, собранного из исправных элементов, заключается в проверке правильности монтажа и установке тока покоя выходных транзисто­ров резистором R16 в пределах 20... 40 мА. Амплитудно-частотная и фазочас-тотная характеристики усилителя приведены на рис. 71.

Рис. 69. Принципиальная схема усилителя мощности с полевым транзистором в качестве источника тока

Усилитель мощности на комплементарных транзисторах с полной симметри­ей плеч для обеих полуволн усиливаемого сигнала и с двойным дифференциальным каскадом на входе. Он имеет следующие основные технические харак­теристики (см. также табл. 4):

Номинальная выходная мощность....... 60 Вт

Коэффициент гармоник.......... 0,04%

Полоса рабочих частот.......... 20... 150000 Гц

Отношение сигнал-шум.......... 88 дБ

Напряжение питания........... ±40 В

Ток покоя.............. 50 мА

Усилитель полностью выполнен на комплементарных транзисторах. Он рабо­тает в режиме АВ. Примененные схемные решения позволили до минимума сни­зить нелинейные искажения. Основная особенность усилителя — симметричность плеч для обеия полуволн усиливаемого сигнала. Это дало возможность снизить нелинейные искажения усилителя без введения ООС. Другая особенность со­стоит в схеме выходного каскада, позволяющей усиливать сигнал не только по току, но и по напряжению. При этом облегчился режим работы транзисторов предварительного каскада, поскольку требуемая амплитуда сигнала существен­но меньше, чем для обычного выходного каскада.

Рис. 70. Печатная (а) и монтажная (б) платы усилителя мощности с полевым транзистором в качестве источника тока

Рис. 71. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики усилителя мощ­ности с полевым транзистором в качестве источника тока

Принципиальная схема усилителя показана на рис. 72. Он содержит диффе­ренциальный каскад на комплементарных транзисторах (VT1, VT4, VT2, VT5), каскад усиления сигнала по напряжению (УТ7, VT8), выходной каскад (VT10 — VT13, VT15, VT16) и устройство защиты от перегрузок по току (VT14, VT17). Дифференциальный входной каскад на комплементарных транзисторах имеет дополнительное преимущество по сравнению с обычным: ери равенстве базовых токов транзисторов VT1 и VT2 (VT4 и VT5) через резисторы R2 и R3 и через резистор R30 ток .может вообще не протекать. Это позволяет, не нарушая балансировки каскада, изменять сопротивление этих резисторов в достаточно боль­ших пределах. Чтобы увеличить коэффициент передачи по напряжению и улуч­шить линейность при высокой термостабильности, в эмиттерные цепи транзис­торов дифференциального каскада включены источники тока на транзисторах VT3 и VT6. Каскад усиления по напряжению выполнен на комплементарной паре транзисторов VT7 и VT8, работающих в режиме А.

Рис. 72. Принципиальная схема усилителя мощности на комплементарных тран­зисторах

Плечи выходного каскада содержат по три транзистора VT10, VT12, VT15 (VT11, VT13, VT16), охваченных местной ООС через резисторы R25 и R29 (и соответственно R26 и R31). При этом коэффициент усиления по напряжению каждой тройки транзисторов приближается к трем. Местная ООС позволяет также уменьшить разброс в коэффициентах усиления плеч выходного каскада, что снижает требование к .идентичности параметров комплементарных транзис­торов. Еще одна особенность выходного каскада состоит в следующем. Напря­жение местной ООС, охватывающей тройку транзисторов, снимается с резисто­ров R34 и R35, напряжение на которых пропорционально любым изменениям тока выходных транзисторов (в том числе и в зависимости от температуры). Это дополнительно стабилизирует ток покоя выходных транзисторов. Напряже­ние смещения транзисторов VT10 и VT11 зависит от падения напряжения на участке эмиттер — коллектор транзистора VT9, задаваемого делителем на эле­ментах VD4, R20 — R22.

Параметрическая ООС через диод VD4, расположенный на общем с выход­ными транзисторами теплоотводе, осуществляет температурную стабилизацию тока покоя транзисторов VT15, VT16. С увеличением температуры уменьшается падение напряжения и на диоде VD4, при этом уменьшается и напряжение эмиттер — коллектор VT9. Все это позволяет поддерживать ток покоя выход­ных транзисторов на постоянном уровне при разных уровнях мощности и коле­баниях температуры окружающей среды. Весь усилитель охвачен общей ООС, напряжение которой с выхода усилителя через делитель R30, R15, СЗ подается на базы транзисторов VT4, VT5.

Элементы С1, С5, С6, С7, С8, С9, R44, L1 предназначены для коррекции час­тотной характеристики на высоких частотах. Они же обеспечивают устойчи­вость усилителя при охвате его общей ООС и при возможных изменениях на­грузки. Транзисторы VT14, VT17 шунтируют при перегрузке эмиттерный пере­ход выходных транзисторов. Питается усилитель от нестабилизированного двух-полярного источника ±40 В.

Усилитель собран на печатной плате, показанной на рис. 73. Диод VD4 размещен на теплоотводе рядом с транзисторами VT15 или VT16. В усилителе использованы резисторы МЛТ, СПЗ-1К (R22), конденсаторы К.50-6, КМ. Ка­тушка Ы намотана на резисторе R45 (МЛТ-2) и содержит 10 витков провода ПЭВ-2 0,8. Для питания усилителя требуется двухтюлярный источник, обеспе­чивающий при напряжении ±40 В ток не менее 2 А.

Регулировка усилителя, собранного из исправных элементов, заключается в проверке правильности монтажа и установке начального тока коллекторов VT15 и VT16 (50 ... 70 мА) резистором R22.

Рис. 73. Печатная (а) и монтажная (б) платы усилителя мощности на компле­ментарных транзисторах

Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики нормально рабо­тающего усилителя приведены на рис. 74.

Рис. 74. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики усилителя мощ­ности на комплементарных транзисторах

Упрощенный вариант схемы усилителя мощности на комплементарных тран­зисторах. Онимеет следующие основные технические характеристики (см. также табл. 4):

Номинальная выходная мощность....... 70 Вт

Коэффициент гармоник.......... 0,05%

Полоса рабочих частот.......... 20 ... 80 000 Гц

Отношение сигнал-шум.......... 87 дБ

Напряжение питания........... ±40 В

Ток покоя.............. 100 мА

Усилитель работает в режиме АВ и выполнен с использованием схемотех­ники предыдущего усилителя (см. рис. 73). Усилитель также обладает полной симметрией для входного синусоидального сигнала (одинаковость входных со­противлений для положительной и отрицательной полуволн сигнала), что позво­ляет снизить нелинейные искажения.

Принципиальная схема усилителя приведена на рис. 75. Он содержит диф­ференциальный каскад на комплементарных транзисторах (VT1 — VT4), каскад усиления напряжения (VT5, VT7). и выходной каскад (VT8 — VT13). Напряже­ние питания входного каскада стабилизировано (с помощью стабилитронов VD1, VD2). Транзисторы выходного каскада включены по схеме с общим кол­лектором. Температурную стабилизацию тока покоя выходных транзисторов обеспечивают диоды VD3 — VD5, установленные на общем с транзисторами VT12, VT13 теплоотводе. Элементы LI, R35, R36, СП, R20, С7 предотвращают самовозбуждение усилителя на высоких частотах.

Рис. 75. Принципиальная схема упрощенного варианта усилителя мощности на комплементарных транзисторах

Рис. 76. Печатная (а) и монтажная (б) платы упрощенного варианта усилителя мощности на комплементарных тран­зисторах

Рис. 77. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики упрощенною варианта усилителя мощности на комплементарных транзисторах

Печатная плата, на которой размещают детали усилителя, показана на рис. 76. Диоды VD3 — VD5 располагают на радиаторе выходных транзисторов. Катушка L1 содержит 10 витков провода ПЭВ-2 0,8, намотанного на резисторе R35 (МЛТ-2).

Как и в предыдущем усилителе, вначале необходимо проверить исправ­ность всех элементов. После монтажа (проверив его (Правильность) усилитель, аналогично предыдущему, подключают к источнику питания. Настройка заклю­чается в установке резистором R29 начального тока выходных транзисторов в пределах 50 ... 70 мА.

Амплитудно- и фазо-частотная характеристики налаженного усилителя при­ведены на рис. 77.

Усилитель мощности класса В с коррекцией искажений из-за использования прямой связи.Он имеет следующие основные технические характеристики (см. также табл. 4):

Номинальная выходная мощность....... 60 Вт

Коэффициент гармоник.......... 0,04%

Полоса рабочих частот.......... 20... 100000 Гц

Отношение сигнал-шум.......... 90 дБ

Напряжение питания........... ±40 В

Ток покоя........ ....... О мА

Основным недостатком усилителя, работающего в режиме В, является до­вольно большой уровень нелинейных искажений, особенно при малых уровнях входного сигнала. Однако недостаток можно устранить, даже если использовать в выходном каскаде экономичный режим В. Такой принцип построения усили­телей получил название feed forward error correction (коррекция искажений с использованием прямой связи). Работу усилителя можно рассмотреть на при­мере рис. 78.

Рис. 78. Схема, поясняю­щая принцип коррекции искажений в результате применения прямой связи

Усилитель состоит из усилителя A1, выходного каскада (на транзисторах VT1, VT2), работающего в режиме В, и элементов моста Rl, Cl, R2 и L1. Условие компенсации нелинейных искажений в таком устройстве совпадает с условием баланса моста: L1 = R1R2C2. Если исключить резистор R2, то устройство на рис. 78 можно рассматривать как обычный усилитель НЧ, где К1 обес­печивает ООС, С1 корректирует АЧХ, L1предотвращает высокочастотную ге­нерацию. В таком усилителе требование стабильности вызывает необходимость уменьшения значения ООС с ростом частоты сигнала, что естественно вызывает рост нелинейных искажений выходного тока i₁. При подключении резистора R2 появляется компенсирующий ток i₂ и происходит эффективная компенсация на средних и высоких частотах сигнала. На низких частотах баланс моста мо­жет нарушаться из-за активной составляющей в полном сопротивлении индук­тивности L1.

Подобный метод впервые был использован в английском усилителе «Quad 405» и позволил получить коэффициент гармоник на средних частотах около 0,01%.

Рис. 79. Принципиальная схема усилителя мощности класса В с коррекцией иска­жений в результате использования прямой связи

Принципиальная схема усилителя на отечественной элементной базе, ис­пользующего аналогичный метод компенсации нелинейных искажений, приведена на рис. 79. Работа в выходном каскаде в режиме В позволила повысить КПД и решить проблему термостабилизации тока покоя. Усилитель состоит из четы-рехкаскадного предварительного усилителя (на элементах DAI, VT1 — VT4, VT7), работающего в режиме А, выходного каскада (VT8 — VT10), работающе­го в режиме В, и узла защиты выходного каскада от перегрузок (VT6, VT5). Весь усилитель охвачен глубокой ООС по постоянному току (через резистор R31), поддерживающей на выходе усилителя нулевое напряжение. Нарушение баланса моста на низких частотах компенсируется глубокой ООС, напряжение которой поступает в эмиттерную цепь транзистора VT2 через делитель R12R11. Для предотвращения самовозбуждения усилителя на высоких частотах служат элементы LI, L3, R25, R29, R30, С10.

Печатная плата усилителя .показана на рис. 80. Катушки LI — L3 намотаны проводом ПЭ:В-2 ,1,0 на каркасах диаметром 7 мм виток к витку в два слоя. Катушка L2 — 30 витков, LI, L3 — 46 витков. Тран­зисторы VT7, VT8, VT9, VT10 установлены на общем теплоотводе через слюдя­ные прокладки.

Усилитель, правильно смонтированный из исправных элементов, практиче­ски не требует настройки. Для получения минимальных нелинейных искаже­ний необходимо подстроить мост подбором конденсатора С8. Амплитудно-час­тотная, фазо-частотная и переходная характеристики усилителя приведены на рис. 81. Для его питания необходим двухполярный источник, обеспечивающий при напряжении ±40 В ток не менее 2 А.

Упрощенный вариант усилителя мощности класса В. Онимеет следующие основные технические характеристики (см. также табл. 4):

Номинальная выходная мощность....... 15 Вт

Коэффициент гармоник . ... . . .. . . . 0,03%

Полоса рабочих частот .......... 20... 80000 Гц

Отношение сигнал-шум.......... 90 дБ

Напряжение питания ............ ±17 В

Ток покоя.............. 0 мА

Рис. 80. Печатная (а) и монтажная (б) платы усилителя мощности класса В

Рис. 81. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики усилителя мощ­ности класса В

Рис. 82. Принципиальная ехема упращенного варианта усилителя мощности клас­са В

В данном усилителе используются те же схемотехнические решения, что и в предыдущем (см. рис. 79). Принципиальная схема усилителя приведена на рис₌ 82. Он состоит из предварительного усилителя (DAI, VT1 — VT4), работающего в режиме А, и выходного каскада (VT5, VT6), работающего в режиме В. Мост образуют детали RIO, Rll, R12, СП, L1. Устройство работает аналогично пре? дыдущему.

Печатная плата усилителя приведена на рис, 83. Транзисторы VT3 — VT6 установлены на общем теплоотводе через слюдяные прокладки.

Катушка L1 намотана проводом ПЭВ-2 1,0 на каркасе диаметром 7 мм ви­ток к витку в два слоя и содержит 40 витков.

Налаживание усилителя, правильно смонтированного из исправных элемен­тов, заключается в подстройке моета подбором конденсатора СИ по минимуму нелинейных искажений. Для литания усилителя можно использовать двухпо-лярный источник, обеспечивающий при напряжении ±17 В ток не менее 1 А„ Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики налаженного усилите­ля приведены на рис. 84,

Рис. 83. Печатная (а) и монтажная (б) платы упрощенного варианта усилителя мощности класса В

Рис. 84. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики упрощенного варианта усилителя мощности класса В

Усилитель мощности, выполненный по мостовой схеме, Он имеет выходную мощность 60 Вт при однополярном источнике питания напряжением +40 В.

Получение большой выходной мощности связано с рядом трудностей, одной из которых является ограничение напряжения источника питания, вызванного тем, что ассортимент высоковольтных мощных транзисторов пока еще довольно неве­лик. Одним из способов увеличения выходной мощности является последова­тельно-параллельное включение однотипных транзисторов, но это вызывает ус­ложнение конструкции усилителя и его настройку. Между тем имеется способ увеличения выходной мощности, позволяющий избежать применение трудно-доступных элементов и не увеличивать напряжение источника питания. Этот способ заключается в использовании двух одинаковых усилителей мощности, включенных так, что входной сигнал подается на их входы в противофазе, э нагрузка включена непосредственно между выходами усилителей (мостовая ехе­ка включения усилителей).

Рис. 85. Принципиальная схема усилителя мощности, выполненнвго по мостовой схеме

Усилитель мощности, выполненный по такой мостовой схеме, имеет следую­щие основные технические характеристики:

Номинальная выходная мощность ....... 60 Вт

Коэффициент гармоник....... 0,5%

Полоса рабочих частот .......... 10... 25000 Гц

Напряжение питания ......... +40 В

Ток покоя....... . 50 мА

Принципиальная схема такого усилителя приведена на рис. 85. Он состоит яз двух однотипных усилителей, аналогичных описанному на рис. 66. Изменение фазы входного сигнала достигается подачей его на инвентирующий вход одного и на иеинвертирующий вход другого усилителей. Нагрузка включена непосред­ственно между выходами усилителей.

Усилитель смонтирован на печатной плате, показанной на рис. 86. Чтобы обеспечить температурную стабилизацию тока покоя выходных транзисторов, на общий с ними тетлоотвод размещены диоды VD1 — VD4.

Рис. 86. Печатная (а, б) и монтажная (в) платы усилителя мощности, выполнен­ной по мостовой схеме

Перед включением проверяют правильность монтажа и соединений усили­теля. После подключения источника питания резистором R14 устанавливают между выходами усилителя напряжение не более 0,5 В. Амплитудно-частот­ная и фазо-частотная характеристики отрегулированного усилителя приведены на рис. 87.

Рис. 87. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики усилителя мощ­ности, выполненной по мостовой схеме