Мощный УНЧ на полевых транзисторах

Схема простого высококачественного усилителя мощности звуковых частот с выходной мощностью 200Вт

"Простота – залог успеха!". Древняя и мудрая мысль, которая в технических областях приобретает следующий смысл – "Чем решение проще, тем оно работоспособнее".
А каким, интересно, боком это имеет отношение к звуковым усилителям? Отвечу – нормальным боком, самым непосредственным. Чем проще схема УМЗЧ – тем музыкальнее этот усилитель будет звучать!
"Лжёшь, собака! Аз есмь сторонник усилителей мощности высокой верности звучания с длинными и глубокими ООС и сверхнизкими значениями нелинейных искажений", – негодуя, возразит "продвинутый" схемотехник, проштудировавший подшивку журналов "Радио" 80...90-ых годов выпуска.

Спорить не буду, предположу лишь, что сторонники этой точки зрения вряд ли знакомы со звучанием четырёхтранзисторного усилителя мощности JLH Джона Линсли Худа 1969 года разработки, да и простые, как ситцевые трусы, но очень музыкальные усилители на германиевых транзисторах, вероятно, прошли стороной мимо их просвещённых ушей. Про однотактные усилители на полевиках Нельсона Пасса даже не буду упоминать – не слышали, не видели, а если бы увидели, так и слушать бы не стали.

А с интересующимися мы подробно порассуждали "Как построить хороший УНЧ на транзисторах" в одноимённой статье на странице (ссылка на страницу).
Понятное дело, что при 200-ваттной мощности загонять выходные транзисторы УНЧ в режим А, являющийся идеальным с позиции минимизации тепловых искажений и возможности обойтись местными обратными связями – дело нерациональное как с точки зрения значения КПД, так и с точки зрения массогабаритных характеристик.
Поэтому наша цель – усилитель, работающий в режиме АВ, с максимально неглубокой и короткой межкаскадной ООС, позволяющей уложиться в приемлемые значения коэффициента нелинейных искажений.

Рис.1 Схема 200-ваттного УМЗЧ на полевых транзисторах

Схема целиком реализована на распространённых и недорогих полевых МОП-транзисторах без использования каскадов дифференциальных усилителей, что в совокупности позволило максимально снизить в спектре нелинейных искажений уровень 3-ей гармоники, вносящей наибольший диссонанс в звучание транзисторных усилителей.

Выходные транзисторы Т4 и Т5 включены по схеме с ОИ, позволяющей, в отличии от схемы с ОС, получить усиление не только по току, но и по напряжению. Это, с одной стороны, снизило требования к каскадам предварительного усиления, с другой - обеспечило размах максимальной амплитуды выходного сигнала, близкий к напряжению источника питания.

Усилительный каскад на транзисторе Т2 работает в режиме общий-исток для входного сигнала, поступающего на затвор транзистора, и в режиме общий-затвор для сигнала отрицательной обратной связи, идущего с выхода усилителя на исток транзистора Т2.
Нагрузкой этого каскада служит источник тока, выполненный на транзисторе Т3, что позволило (по сравнению с резистивной нагрузкой) добиться значительного снижения уровня нелинейных искажений.
Достаточно высокий ток покоя этих транзисторов обеспечивает низкое выходное сопротивление каскада и возможность дополнительного увеличения выходной мощности УМЗЧ путём включения нескольких выходных транзисторов в параллель.
На транзисторе Т2 рассеивается около 2Вт в виде тепла, поэтому его будет совсем не лишним посадить на небольшой радиатор.

Токи покоя выходных транзисторов определяются величиной стабилизированного напряжения на затворе транзистора Т5. Это напряжение, а соответственно, и токи покоя на уровне 120...150 мА выставляются посредством многооборотного подстроечного резистора R20.

Точное значение нулевого напряжение на выходе УМЗЧ устанавливается при настройке усилителя таким же многооборотным подстроечником R7. Поскольку связка транзисторов Т2-Т4 охвачена ООС по постоянному току, то она по совместительству является ещё и цепью, стабилизирующей уровень выходного напряжения.

Применение мощных выходных MOSFET транзисторов, а также истоковых резисторов относительно высокого номинала в совокупности обеспечивают довольно приличный уровень температурной стабильности УМЗЧ. Однако, если вы, по каким-то причинам, сочтёте её недостаточной, то для дополнительной температурной стабилизации следует один из стабилитронов D3, D4 (или сразу оба) закрепить на радиаторе охлаждения выходных транзисторов. Данные элементы были выбраны с уровнем стабилизации 3.3 В, так как именно низковольтные приборы отличаются отрицательным температурным коэффициентом (ТКН).
Опять же, подобная связка (MOSFET-ов и истоковых резисторов) довольно гуманно отнесётся и к кратковременному КЗ на выходе, поэтому электронная токовая защита не является необходимым атрибутом данного усилителя. Вполне достаточно (а при настройке остро необходимо) ограничиться 5А плавкими предохранителями.

Прежде чем приступать к настройке УНЧ, построечные резисторы R7 и R20 следует выкрутить в нижнее по схеме положение, в результате чего при включении питания на затворе Т2 установится нулевое значение напряжения, а на затворе Т5 – минус Еп, т. е. оба выходных транзистора окажутся закрытыми.
Далее, включив амперметр между выходом усилителя и землёй, резистором R20 следует добиться показаний прибора: 120...150 мА. После этого вместо амперметра можно подключить вольтметр и резистором R7 установить нулевое значение напряжения на выходе усилителя.

Итак, цель достигнута! Короче получившейся ООС, охватывающей два каскада, может быть только местная внутрикаскадная связь. Коэффициент усиления цепи по напряжению составляет 18 дБ, полоса пропускания по уровню 3дБ – 5Гц....500кГц, а реакция на входные импульсные сигналы частотами 1 и 10 кГц наглядно продемонстрирована на рисунке, приведённом ниже.





Рис.2 Реакция усилителя на импульсные сигналы частотами 1кГц (сверху) и 10кГц (снизу)

Для получения приемлемой чувствительности усилителя (около 1В) необходим драйвер, т. е. каскад, обладающий некоторым коэффициентом усиления (в нашем случае – около 5).
С этой функцией замечательно справился мощный полевик Т1, включённый по схеме с ОИ и работающий при значительном токе покоя. Не один менее мощный транзистор на его месте не смог обеспечить уровень нелинейных искажений, сопоставимый с IRFP140. Поскольку этот каскад не охвачен общей с усилителем ООС, то параметр Кг является для него основополагающим.
Конденсатор С4, подключённый параллельно резистору R8, ограничивает сверху полосу излишних частот, поступающих на основные каскады усиления мощности, на уровне 40кГц.

Ввиду значительной ёмкости Сзи IRFP140 – выходное сопротивление каскада предварительного усиления, работающего совместно с данным УМЗЧ, не должно превышать величину 1...2 кОм.
Я бы предложил в качестве такого каскада – темброблок на полевых транзисторах, схему которого мы подробно рассмотрели на странице (ссылка на страницу).

Итак, что же мы получили в чистом остатке? А получили мы следующее:

1.  Полоса пропускания усилителя по уровню -3дБ, ограниченная сверху фильтром 1-го порядка R7С4: 10Гц – 40кГц.

2.  Практически не зависящий от выходной мощности (вплоть до заявленных 200Вт) Кг<0,015% (1кГц).

3. Уровень 3-ей гармоники в спектре нелинейных искажений – на 8дБ ниже уровня 2-ой, что делает субъективное звучание усилителя более "мягким" и близким к ламповым устройствам.

4. Ограничение глубины и длины межкаскадной отрицательной обратной связи обуславливает пропорциональное снижение переходных искажений, вызванных запаздыванием сигналов в ООС, а следовательно, и гарантирует отсутствие пресловутого "эффекта транзисторного звучания".