Сверхлинейный усилитель мощности на полевых транзисторах

Взяли за основу усилитель мощности без общей ООС, отбросили все местные ОС – получили сверхлинейный УМЗЧ с глубокой общей отрица­тельной обратной связью и Кг = 0,00045%

Люблю ли я эти сверхлинейные усилители с глубочайшими ООС, трассировкой, радикально минимизирующей паразитные ёмкости, c филигранно обсчитанными цепями коррекции, а также активными компонентами, которые при минимальном отклонении от заложенных параметров лишают УМЗЧ устойчивости?
Отвечу честно – чтоб сильно да, так нет!
Собственно говоря, величина нелинейных искажений, закладываемая в УМЗЧ ведущих мировых производителей, на уровне 0,007...0,01% вполне достаточна для высококачественного воспроизведения, причём дальнейшее её уменьшение не приводит ни к чему эксклюзивно хорошему, кроме сильной боли в голове и геморрою в заднице. Однако пока есть запрос на красивые цифры в "бумажных" характеристиках, а также на максимально чистый (как некоторые считают) звук, лишённый эмоциональной окраски и выразительности, то не вижу повода не погрузиться и нам в эти довольно неоднозначные дебри.

Но прежде чем перейти к мероприятиям, необходимо понять – каким образом достигаются не только красивые цифры в параметрах сверхлинейного УМЗЧ, но и хорошее звучание в реальной конструкции?
1. Как уже было сказано, низкие цифры нелинейных и интермодуляционных искажений обеспечиваются глубокой ООС, а соответственно, крайне высоким усилением схемы с разомкнутой обратной связью.
2. Однако, как бы кое-кому не хотелось зашлёпать меня комментариями, но, по сути, сверхглубокая ООС – это зло, приводящее к ряду побочных эффектов. Поэтому стремиться всегда надо к линеаризации используемых в усилителе каскадов, что в сухом остатке выдаст более низкий процент искажений с разомкнутой ООС и, соответственно, позволит снизить её избыточную глубину при замыкании.
3. Усилитель должен быть достаточно шустрым с частотой единичного усиления свыше 10 МГц (без цепей коррекции) и не менее 4...5 Мгц (с цепями коррекции). Скорость нарастания выходного напряжения – более 50 В/мкС. Только в этом случае можно говорить о быстрой работе цепи обратной связи, не приводящей к заметной "замыленности" звука, присущей многим усилителям со сверхглубокой ООС.
4. При расчёте цепей коррекции УМЗЧ следует придерживаться эмпирического правила – запас по фазе должен составлять 45°. Не 30°, как это утверждается в некоторых рекомендациях (так как в этом случае существует потенциальная возможность неустойчивости системы), и не 60°, как это рекомендуется в других источниках (так как в этом случае неизбежно упадёт быстродействие работы цепи ООС).
5. Схема должна содержать минимальное количество активных элементов, необходимых для достижения заданных целей. Введение дифференциальных каскадов, дополнительных активных цепей для разного рода компенсаций и нейтрализаций, возможно, приведёт к дополнительной оптимизации бумажных характеристик, однако слепое прослушивание всегда отдаст пальму первенства усилителю с наиболее коротким звуковым трактом.

За основу приведённой ниже конструкции была взята схема «УМЗЧ на полевых транзисторах без общей ООС», опубликованная ранее, в которой для получения необходимого высокого петлевого усиления были отброшены местные ОС...
Ну, собственно говоря, и всё, поэтому не создавая кипеша, переходим сразу к делу, а конкретно – схеме электрической принципиальной.

Рис.1 Сверхлинейный усилитель мощности на полевых транзисторах

Здесь (за малым исключением) практически всё идентично донорской схеме, приведённой по ссылке выше.
Полевые транзисторы Т6...Т9 образуют симметричный выходной повторитель с парами Шиклаи, которые обладают рядом преимуществ перед Дарлингтонами, такими как: повышенная линейность и меньшая температурная зависимость.

На транзисторе Т1 выполнен усилительный каскад по схеме с общим эмит­тером. Источник тока на транзисторе T2 задаёт режим каскада по постоянному току, а резисторы R3 и R8 определяют коэффициент усиления при разомкнутой цепи ООС.

Второй каскад усиления представляет собой конфигурацию с общим истоком на транзисторе Т5, у которого в стоковую цепь подключен тока на Т3. Посредством резистора R13 величина этого тока стабилизирована на уровне около 40 мА.
Транзистор Т4 в стоковой цепи Т5 задаёт смещение для выходных транзисторов и, будучи расположенным на одном радиаторе с Т8, Т9, является элементом термостабилизации тока покоя выходного каскада. Поскольку тип транзистора Т4 идентичен выходным, то каких-либо проблем с расхождением температурных коэффициентов не возникает.

В усилителе применена токовая обратная связь (ТОС), которая даёт ряд важных преимуществ перед классической обратной связью по напряжению, особенно в тех случаях, когда критичны скорость и динамические характеристики. На приведённой схеме ООС выполнена на резисторах R3, R25, номиналы которых определяют коэффициент усиления УМЗЧ (Ku = 1 + R25/R3).

Основные технические характеристики усилителя:

Осциллограммы отклика УМЗЧ на последовательность входных прямоугольных импульсов с частотами 10 и 100 кГц приведены на Рис.2.



Рис.2 Отклик УМЗЧ на импульсные сигналы с частотами 10 и 100 кГц

Быстрозатухающий спектр гармонических искажений также имеет весьма симпа­тич­ный вид, что является заслугой схемы-прототипа. К примеру, при мощности усилителя 10 Вт спектрограмма выглядит следующим образом:


Рис.3 Спектр гармонических искажений сверхлинейного УМЗЧ

Рекомендации по настройке усилителя:

Если у вас нет опыта в изготовлении и настройке подобных устройств или начисто отсутствует, как минимум, осциллограф с полосой пропускания не менее 20 МГц, то лучше не надо. Прочитали статью? Отлично! Больше никогда не смотрите в её сторону!

К чему это я так сурово? А к тому, что вероятность того, что схема нормально заработает, как ей положено сразу, то есть без тщательной настройки не сильно велика. При этом она, скорее всего, как-то будет звучать и даже отдельному неискушённому уху сможет показаться, что вполне недурно, но нет, это совсем не то, что в рамках данной статьи имелось в виду.
Пока вы подбором корректирующих элементов не добьётесь чистого синуса (без высокочастотной ряби), а также быстрой реакции (с крутыми фронтами и без выбросов) на входные прямоугольные импульсы (см. картинки на Рис.2), то считайте, что время потрачено зря!

Что же касается настройки усилителя по постоянному току, то здесь всё просто:
1. Перед включением установите ползунок резистора R7 в среднее положение, а R11 – в левое по схеме (соответствует максимальному сопротивлению).
2. Подключите усилитель к питанию и посредством резистора R11 установите ток покоя выходных транзисторов 150 мА.
3. В случае необходимости резистором R7 установите точное значение нулевого уровня на выходе.