Симметричный усилитель мощности на полевых транзисторах

Переделываем простой УМЗЧ на MOSFET-ах (ссылка на страницу) под двухполярное питание

Написать эту статью меня в основном побудили два обстоятельства:
1. Пополняющаяся кучка писем, приходящих мне на почту, с не очень мне понятной, но настойчивой просьбой перевести конструкцию, приведённую в ссылке заголовка, на двухполярное питание.
2. Желание поэкспериментировать с указанной схемой симметричного усилителя, а также слегонца поразмяться на поприще схемотехнических искусств.

Скажу сразу, несмотря на некоторое усложнение схемы усилителя, результат меня не то чтобы впечатлил, но весьма порадовал.
Во-первых, удалось избавиться от необходимости точного подбора резисторов в цепи обратной связи, а сами резисторы использовать "человеческой" мощности.
Во-вторых, любые конденсаторы в тракте прохождения звукового сигнала устранены как класс, что должно пролить бальзам на сердца разного рода "мыслителей" о радикальном вреде этих конденсаторов на звук.
И наконец, в третьих, нашёлся повод поэкспериментировать с режимами работы выходных транзисторов и выбрать, как мне видится, оптимальный.

Однако пора переходить к делу, т. е. схеме электрической принципиальной:

Рис.1 Схема симметричного усилителя мощности на полевых транзисторах

Так же как в прототипе, транзисторы выходного каскада Т7...Т10 включены по схеме с общим истоком, позволяющей получить усиление не только по току, но и по напряжению. Такое построение снизило требования к каскадам предварительного усиления и обеспечило работу Rail-to-rail, то есть с размахом выходных сигналов, равным напряжению источника питания.
С целью увеличения линейности в каждом плече усилителя было использовано по паре выходных транзисторов. Естественно, что эти параллельно включённые полевики (входящие в пары) необходимо подобрать по идентичности величины напряжения Uзи при заданном токе стока. О том, как это можно сделать, подробно написано на странице – (ссылка на страницу).

Резисторы в истоках выходных MOSFET-ов повышают термостабильность каскада, что, как показывает практика, обеспечивает довольно стабильный режим его работы при изменении температуры и не требует дополнительных цепей термостабилизации.
Разница в номиналах верхних и нижних резисторов способствует некоторому выравниванию передаточных характеристик N-канальных и P-канальных полевиков.

Каскады на полевых транзисторах Т3, Т4 и Т5, Т6 – это два зеркально разнополярных дифференциальных каскада с источниками стабильного (к изменениям напряжений питания) тока. Источники тока выполнены на биполярных транзисторах Т1 и Т2 и, учитывая их высокое выходное сопротивление, практически никакого влияния на звук не оказывают.

Стабилитроны с низким напряжением пробоя, в большинстве случаев, имеет отрицательный температурный коэффициент, поэтому, при желании дополнительно повысить термостабильность усилителя, D1 и D2 можно разместить на радиаторе выходных транзисторов.

Поскольку полевые транзисторы обладают приличным разбросом параметров, то дифкаскады на них желательно строить на сдвоенных полупроводниках (сборках) с идентичными характеристиками. Среди распространённых сборок транзисторов с Vds>60V сходу не нашлось, поэтому напряжения питания пришлось ограничить на уровне ±30 вольт. Данное ограничение, конечно, можно обойти, однако это приведёт к некоторому усложнению схемы, которое в рамках данной статьи рассматриваться не будет. Да и мощность усилителя в 100 Вт на 4-омной нагрузке и 50 Вт – на 8-омной вполне адекватна и в большинстве случаев с запасом достаточна для домашнего использования.

Указанные на схеме сборки MOSFET транзисторов NDS9959 и NDS9948 можно заменить на любые другие с допустимым напряжением сток-исток 55...60 вольт.

Налаживание усилителя сводится к установке подстроечными резисторами R2 и R6 тока покоя через выходные транзисторы, а также нулевого напряжения на выходе. Делать это надо аккуратно, постепенно и синхронно, подкручивая подстроечники поочерёдно и понемногу. Начальное положение ползунков должно находиться в положении максимального номинала резисторов, т. е. соответствовать значению 200 Ом. Ток через выходные транзисторы можно контролировать по падению напряжения на резисторах R26, R28.

Теперь что касается величины самого этого тока покоя.
Если ток покоя через каждый из 4 транзисторов установить в пределах 70...100 мА, то усилитель будет обладать характеристиками, мало отличающимся от более простого прототипа, приведённого на странице в заголовке. Искажения будут процентов на 50 ниже, но спектральный состав окажется чуть менее красивым.

Другое дело, если ток через каждый полевик выставить на уровне 500 мА.
В этом случае до 15-ти ватт усилитель будет работать практически в чистом классе А, от 15 до 20 ватт – в режиме близком к А, ну а дальше – в АВ, но с относительно высоким током покоя. А это, в свою очередь, приведёт не только к существенному повышению линейности, особенно от самых низких мощностей до 20 Вт, но и (самое главное!) – к "правильному" спектральному составу выходного сигнала, присущего большинству усилителей пресловутого Хай-Энда.
Давайте для наглядности приведём эти графики спектрального распределения для диапазона 1...20 кГц в зависимости от выходной мощности (на 8-омной нагрузке при Fвх = 1 кГц).





Что дают нам эти диаграммы?
А дают они нам понимание того, что подключать данный усилитель лучше всего к качественной и при этом высокочувствительной акустике, которая при 15...20 ваттах подводимой мощности выдаст высококлассный мощный звук, способный озвучить достаточно большое помещение. Оставшиеся 30...35 ватт – это необходимый запас, дающий возможность качественно отыграть максимальные пики на записях.

Размеры радиаторов усилителя следует рассчитывать исходя из рассеивания около 70 ватт тепла на канал, т. е. они должны быть в 2 раза больше, чем у 10-ваттного усилителя JLH Джона Линсли Худа, но приблизительно такими же, как у, опять-таки, 10-ваттного однотактника Нельсона Пасса.

Ну и под занавес – Основные параметры усилителя: