Мощный УНЧ на полевых транзисторах
Схема простого высококачественного усилителя мощности звуковых частот с выходной мощностью 200Вт
Довелось мне давеча у одного гарна хлопца послушать серийный образец Hi-End стерео усилителя NHB-108 от швейцарской фирмы
DarTZeel с далеко недетским ценником в 18000$, гордо озвученным хозяином изделия.
На поверку швейцарский товар оказался китайским клоном NHB-108, а цена, как выяснилось – раз в 20 более гуманной.
Однако, будучи подключённым к колонкам Пионер С-910, усилитель проявил себя на удивление достойно
и звучал, если и не 18000$, то на ценник, более высокого уровня, чем потраченные 800 американских денег – уж точно. И всё это при
заявленном коэффициенте гармоник – 1%!!!
Информация по NHB-108 представлена в сети, да и схема отыскалась довольно просто. Поэтому результатом прослушивания и проделанной работы
явилась статья, посвящённая схеме Дартзила и особенностям его конструкции, расположенная на странице
(ссылка на страницу).
Здесь же мы попытаемся несколько улучшить параметры NHB-108, переведя схему, построенную на биполярных транзисторах, на более "правильные",
с точки зрения звукотехники, полевики, а так же избавимся от единственной межкаскадной отрицательной ОС, присутствующей у швейцарцев в
предварительном каскаде усиления.
Итак, плодотворной дебютной идеей нашего мероприятия является снижение Кг усилителя ниже уровня NHB-108, а
это – 1% при мощности на нагрузке 8 Ом – 100 Вт.
Конечно же, если мы задумали делать экстремальный Hi-End, то MOSFET-ы для усилителя желательно выбирать из числа транзисторов, специально
разработанных для аудиоаппаратуры. Перечень и справочные характеристики таких полупроводников мы подробно рассмотрели на странице
(ссылка на страницу).
Однако, учитывая дороговизну и сложность приобретения ОРИГИНАЛЬНЫХ приборов, я в своих разработках не гнушаюсь и массовыми
Fast Switching MOSFET-ами и могу отметить, что звучат они ненамного хуже специализированных полевиков, как бы занимая между ними и
биполярниками некоторое промежуточное положение.
Главной особенностью предлагаемого усилителя, определяющей его звуковые свойства, является то, что не только выход
данного УМЗЧ не охвачен обратной связью с предварительными цепями усиления, но и вообще – любые межкаскадные ООС
отсутствуют в нём как класс. Поскольку при таком подходе главным источником нелинейности являются мощные выходные транзисторы, то и мы
начнём со схемы выходного каскада.
1. Выходной каскад.
![Схема мощного УНЧ на полевых транзисторах](images/amp_AB_nofeedback2.gif)
Рис.1 Схема выходного каскада УМЗЧ на полевых транзисторах
Менять построение выходного каскада, выполненного швейцарцами по схеме так называемого "линейного параллельного усилителя",
я не нашёл ни причины, ни повода. Каскад хорошо известен как у нас в стране, так и за её пределами и успешно использовался
в "Комбинированном УМЗЧ без общей ООС" на биполярных транзисторах, описанном С. Лачиняном в журнале Радио 2001, №4.
Переделанная под полевые транзисторы схема параллельного выходного каскада изображена на Рис.1.
Тут всё стандартно. Повторители напряжения на транзисторах Т2 и Т3 с источниками тока в истоках задают необходимое смещение
для выходных комплементарных транзисторов Т5 и Т6. Источники тока, выполненные на биполярных транзисторах Т1, Т4, обеспечивают более высокую
линейность каскада (по сравнению с резисторным эквивалентом), причём замена их на полевики в данном случае никаких видимых преимуществ не
даёт.
Для достижения высокого параметра термостабильности каскада необходимо выполнить попарную установку полевых транзисторов каждого плеча
на общий радиатор в непосредственной близости друг от друга (Т5 – рядом с Т2, Т6 – с Т3).
Транзисторы Т1 и Т4 также необходимо снабдить своими небольшими радиаторами, либо посадить на общий.
Главным недостатком любых полевиков, прилично ограничивающим их использование в аналоговых устройствах, является значительный разброс
параметров! Если напряжение Uбэ у биполярного транзистора довольно предсказуемо и составляет величину 0,6...0,7В, то напряжение между
затвором и истоком MOSFET-а может отличаться в разы и колебаться в диапазоне 2...5В.
Схема, представленная на Рис.1, не критична к разбросу параметров транзисторов, однако для её корректной работы необходимы
определённые танцы с бубнами. Исполнение должно сопровождаться следующими хореографическими фигурами:
1. Измерить напряжение затвор-исток транзисторов при определённом токе, не сильно важно каком, скажем – любом из диапазона: 10...100мА.
Если сумма этих напряжений у транзисторов Т2 и Т3 меньше, чем у Т5, Т6, то схему следует оставить без изменений.
Если больше (у меня, кстати, так и вышло) –
поменять местами подсоединения левых выводов R7 и R8 к точкам А и Б, обозначенным на схеме красным цветом.
2. Если нет желания возиться с манипуляциями, описанными выше, то можно собрать всё как есть и, установив R4 в состояние, соответствующее
нулевому значению, измерить ток выходных транзисторов. Если он меньше 100мА – оставить как есть, если больше, то всё-таки перекинуть
левые концы R7 и R8.
В этом случае при разработке печатной платы необходимо предусмотреть возможность манипуляций с дорожками, идущими к выводам резисторов.
Подстроечный резистор R4 отвечает за ток покоя выходных транзисторов, R3 – за нулевой уровень напряжения на выходе усилителя.
Итак, что мы получили в сухом остатке?
Коэффициент передачи выходного каскада Кu = 0,95;
Максимальная выходная мощность на 8-омной нагрузке Р = 100Вт при Кг = 0,3%.
Основной вклад в показатель Кг вносят вторая и третья гармоники, причём уровень третьей – на 8дБ ниже, чем второй, что весьма хорошо
сказывается на субъективном звучании усилителя. Однако можно ещё сильнее улучшить показатель «фактора спектра», подняв ток покоя
выходных транзисторов со 100 до 300мА. В этом случае, при незначительном снижении общего уровня Кг, уровень третьей гармоники
становится на 23дБ ниже уровня второй – а это уже уровень спектрального состава, присущий очень качественным и дорогим
ламповым агрегатам.
Хотя вполне справедливо считается, что для выходных каскадов без общей ООС более оптимальной является высокоомная акустика, это вовсе не
означает, что данный каскад будет плохо работать на 4-омную нагрузку.
Работать будет нормально, обеспечивая выходную мощность около 200 Вт, правда, при несколько большем значении коэффициента нелинейных
искажений Кг ≈ 0,45%.
Переходим к следующему этапу – драйверу, то есть устройству, которое обеспечит нам усиление входного
сигнала до уровня, при котором выходной каскад отдаёт в нагрузку максимальную мощность.
Если задаться чувствительностью усилителя 1В, то усиление драйвера должно составлять 32,5 дБ или 42 раза по напряжению.
Повторять схему, используемую в цепях усиления напряжения NHB-108, не вижу большого смысла, т. к. она отводит нас в сторону от
замечательной идеологии "УМЗЧ без межкаскадных ООС". К тому же, если следовать наследию классика однотактных транзисторных усилителей –
Нельсона Пасса, то и без межкаскадных обратных связей никаких сложностей не возникает.
Итак:
2. Входной каскад усиления напряжения.
![Схема предварительного усилителя на полевых транзисторах](images/amp_AB_nofeedback1.gif)
Рис.2 Схема драйвера для вых. каскада УМЗЧ на полевых транзисторах
Схема усилителя напряжения (драйвера) состоит из двух каскадов.
Первый каскад на транзисторе Т1 представляет собой простейший каскад с общим истоком.
Второй, выполненный по схеме Пасса – это также каскад ОИ (Т3), но нагруженный на источник тока (Т4) в стоковой цепи.
Узел на транзисторе T2 служит для автоматической установки значения тока покоя транзистора Т3 на уровне ≈ 650/R15 (мА).
Резисторы R11 и R13 создают цепь обратной связи по постоянному току, которая управляет затвором T3, поддерживая напряжение на нём около 4В
и позволяя установить нулевое напряжение на выходе драйвера. Для точной установки выходного напряжения может потребоваться подбор
номинала R13, поэтому при желании его можно заменить подстроечным резистором.
На каждом из транзисторов Т3 и Т4 рассеивается в виде тепла около 3Вт, поэтом их следует снабдить небольшими радиаторами.
Коэффициент нелинейных искажений драйвера при размахе выходного напряжения ±40В – 0,1%;
Коэффициент усиления – 33дБ;
Входное напряжение, при котором усилитель развивает максимальную мощность – 1В;
Входное сопротивление – 4,3кОм.
|