Переводим усилитель Дж. Линсли-Худа на полевые транзисторы

Классический УМЗЧ JLH, исполненный Нельсоном Пассом на полевиках

«В 1969 году Джон Линсли Худ опубликовал описание своего усилителя JLH класса А на биполярных транзисторах, конструкция которого по-прежнему восхищает своей элегантной простотой и качеством звука.

Спустя много лет, уже есть возможность оценить простоту и очарование конструкции JLH не только в виде минимализма, но и в качестве звука, который в пределах заявленной мощности необычайно хорош. Он имеет особенно ламповое звучание по сравнению с более сложными транзисторными конструкциями не только той эпохи, но и более поздних времён.
Если у вас есть эффективные динамики, и вы любите слушать двухканальный звук на разумных уровнях, то УМЗЧ Худа по-прежнему занимает лидирующие позиции.

Оригинальный усилитель JLH, приведённый на рисунке, имеет усиление без обратной связи около 55 дБ и усиление 22 дБ с ОС, т. е. глубина ОС составляет около 33 дБ. Выходная мощность усилителя – 10 Вт при гармонических искажениях – не более 0,1%».

Нельсон Пасс, главный идеолог усилителей по технологии Zen, а также руководитель лаборатории "Pass Labs" – человек довольно многословный, но если говорить кратко, то примерно так он охарактеризовал дебютную схему Худа, на которую он положил глаз, перед тем как её хорошенько перелопатить. Продолжим цепь его рассуждений, но уже слегка поподробней:

PLH усилитель класса А на полевых транзисторах (Nelson Pass)

Мой собственный подход к проектированию усилителей состоит в том, чтобы максимально укоротить путь прохождения сигнала и при этом уменьшить искажение базовой схемы без обратной связи, а затем применить минимальную обратную связь (или обойтись без неё), что в значительной степени согласуется с комментариями в исходной статье Линсли-Худа . Результатом не всегда являются лучшие объективные характеристики, но реальный звук зачастую бывает очень хорошим и музыкальным.

Трёхкаскадная топология усилителя JLH обычно использует простую конфигурацию класса A и отрицательную обратную связь около 33 дБ для достижения описанной выше производительности. Это побудило меня подумать, какой усилитель я бы мог получить с ещё более простой схемой и меньшей глубиной обратной связи. Выходной каскад и промежуточный фазоразделитель нельзя обойти, но мы, безусловно, можем удалить входной транзистор. Имея это в виду, я сократил JLH до более простой топологии Mosfet, показанной на рисунке ниже, и (хм) добавил к имени свой инициал.

Я выбрал МОП-транзисторы из-за того, что они имеют высокие входные импедансы, а также обеспечивают более линейную работу УМЗЧ в режиме класса А.
Поскольку JLH выполняет две инверсии фазы в процессе прохождения сигнала, то при удалении из него входного каскада усилитель становится инвертирующим.

По идее, при соответствующем выборе режимов, от этой схемы с полевыми транзисторам, которые мы будем использовать, можно получить усиление разомкнутого контура около 35 дБ. Однако такое усиление мы сможем увидеть только на низких частотах (до нескольких килогерц), а на более высоких будет завал, обусловленный ёмкостями затворов транзисторов.
Поэтому, чтобы обеспечить более равномерное усиление разомкнутого контура во всем звуковом диапазоне, мы будем выбирать наши режимы, более похожими на исходный JLH, что даст нам усиление разомкнутого контура примерно 26 дБ.

Как и в оригинальном JLH, эта схема работает от однополярного источника питания, поэтому нам потребуются входные и выходные разделительные конденсаторы.



На рисунке 8 показана реальная схема. Как и в упрощенной схеме, Q1 является входным транзистором, а обратная связь осуществляется через R1 и R2.

Источник тока I1 и R * упрощенной схемы заменяется цепью из P2, R4 и C2.
C2, соединённый с выходом, создает ПОС, которая делает P2 "похожим" на источник постоянного тока.

P1, R6 и C5 образуют фильтр НЧ для подавления наводок источника питания, а P1 устанавливает ток смещения выходного каскада усилителя.

P2 используется для регулировки относительного вклада в усиление верхнего транзистора Q3 по сравнению с нижним транзистором Q2, но не влияет на ток смещения и на значение выходного напряжения постоянного тока.

Большинство резисторов имеют мощность ¼ Вт, но я рекомендую номинал мощности 3 Вт для R4, R8 и R9. Все конденсаторы рассчитаны на напряжение 50 Вольт. P2 можно вырать с мощностью 2 Вт, но предпочтительнее 5 Вт.

Типы используемых мосфетов довольно произвольны, и в целом их можно заменить их аналогичными полупроводниками.

В качестве ориентира на схеме я указал номинальные напряжения конкретного усилителя при напряжении питания 40 В, токе смещения 2 А и выходном напряжении, установленном на уровне 20 В. Схема будет работать с напряжением питания от 35 до 45 вольт без доработок с использованием потенциометров P1 и P3 для регулировки тока смещения и выходного напряжения. Вам понадобится источник питания, который будет выдавать напряжение от 35 до 45 Вольт при токе 2 А на канал. Лучше использовать стабилизированное питание, хотя мы построили четыре устройства без стабилизированного источника питания, и все они работают нормально. Радиаторы должны рассеивать около 70-90 Вт тепла на канал при повышении температуры примерно на 25 градусов C.

У себя в УНЧ мы использовали трансформатор с вторичной обмоткой на 35 В, выпрямитель и конденсатор ёмкостью 30 000 мкФ. Далее мы дополнительно отфильтровали это напряжение питания через резистор 0,5 Ом @ 25 Вт и подключили к другому конденсатору емкостью 30 000 мкФ, что снизило пульсации шума примерно на 20 дБ. Это напряжение было подано на оба канала.

Не забудьте использовать хорошее заземление – хорошей идеей является заземление звездой на клемме (-) второго конденсатора, и держите входные и заземляющие провода подальше от компонентов источника питания, иначе вы услышите шум. Корпус всегда должен быть заземлен на вилку питания переменного тока, а заземление цепи должно быть подключено к корпусу через силовой термистор на 5 А.

Настройка

Для настройки усилителя вам, как минимум, необходим вольтметр постоянного тока. Я рекомендую использовать регулируемый автотрансформатор для медленного включения переменного тока во время первоначальной проверки.
Прежде чем подать питание на усилитель, установите значение P1 на его максимальное сопротивление, что должно установить смещение на минимальный ток. Установите P2 и P3 в их средние точки.
Я рекомендую настраивать по одному каналу за раз, при этом другой канал отключается от питания. Также рекомендуется подключить быстродействующий предохранитель на 3 А последовательно с положительной шиной каждого канала и держать под рукой несколько запасных предохранителей.

При подаче питания на выходе усилителя напряжение на истоковых резисторах R8 и R9 должно быть менее 1 вольта. Выходное напряжение постоянного тока, как видно на стоке Q2, должно составлять где-то около 20 Вольт.
Если при напряжении на шине питания 40 В напряжение на R8 и R9 ниже 1 В, то сначала отрегулируйте P3 так, чтобы выходное напряжение было примерно на половине напряжения питания (20 В с питанием 40 В), а потом медленно уменьшайте значение P1, пока напряжение на резисторах не приблизится к 1 вольту.

По мере прогрева канала отрегулируйте P1 и P3 небольшими шагами так, чтобы выходное напряжение составляло 20 В, а напряжение на одном из резисторов – 1 В. Наблюдайте за выходным напряжением и потребляемым током в течение получаса или около того, корректируя их по мере необходимости по мере прогрева цепи. Смещение будет иметь тенденцию к увеличению, а выходное напряжение должно быть более-менее постоянным. В конце этой процедуры у вас должен получиться стабильный канал.
Если вы используете два канала от общего источника питания, вам придется еще раз взглянуть на эти настройки позже, поскольку напряжение питания упадет на вольт или более, когда оба канала будут подключены.

Работа и характеристики усилителя

Окончательно настроенная схема имеет коэффициент усиления в разомкнутом контуре около 26 дБ, коэффициент усиления в замкнутом контуре – 16 дБ и глубину ООС – около 10 дБ. Полоса пропускания – около 1 Гц...100 кГц по уровню -3 дБ. (Невзвешенный) шум составляет около 80 мкВ. Входное сопротивление – около 14 кОм, выходное – около 3 Ом (коэффициент демпфирования 2,5).

Верхнее и нижнее плечи выходного каскада имеют одинаковое значение постоянного тока, но, как упоминалось ранее, эту схему можно настроить для изменения вклада усиления переменного тока от каждого. Когда значения установлены равными, достигается классический двухтактный баланс. Регулируя P2, вы можете сместить этот баланс так, чтобы одно плечо занимало большую долю выходного сигнала.
Когда вы поворачиваете P2 по часовой стрелке (обратите внимание на «cw» на схеме), больший процент переменного тока поступает от верхнего устройства Q3, а когда вы поворачиваете его против часовой стрелки, больший процент поступает от нижнего устройства Q2. Полный поворот против часовой стрелки приводит к тому, что верхний блок транзисторов работает как источник постоянного тока, при этом весь коэффициент усиления нижнего плеча работает как чисто несимметричная схема класса А. Вращение P2 на 80% по часовой стрелке дает соотношение между плечами примерно 1:1. Я предлагаю вам установить P2 на переднюю панель усилителя и слушать его при различных значениях.



На рисунке 9 показаны зависимости искажений от мощности при нагрузке 8 Ом и частоте 1 кГц. При этом самая нижняя кривая показывает соотношение 1/1 между плечами (двухтактный режим), а самая верхняя показывает соотношение 0/1, где Q3 работает как источник тока, а схема работает как несимметричный класс А.

И напоследок

Где-то в последних 26 статьях я устал рассказывать читателям, как это чудесно звучит. Поэтому я решил больше этого не делать.
Если вы хотите знать, идите и создавайте!

Нельсон Пасс, 2005 г – www.passdiy.com


Примечание vpayaem.ru:
Нельсон Пасс – дядька, конечно, умный, но, сцуко, хитрый! По мере знакомства с его статьями закралось смутное сомнение, что те лёгкие схемотехнические недочёты, которые поначалу казались рассеянностью могучего старика, на самом деле – не что иное, как обрубание малосведущих "халявщиков" от (опять-таки) халявного приобщения к священному алтарю звукового Хай-Энда.
И вот, скажите мне теперь на милость, как следует воспринимать обозначение резистора – 392? Может это какой-то сверхточный резистор номиналом 392 ома, или это код SMD резистора, обозначающий 3.9 kОм?
Короче, слушайте и не говорите, что не слышали! Резисторы, обозначенные как 221, это резисторы номиналом 220 Ом; R3 должен иметь величину 390 Ом, а вот с R7 – вообще беда. Для того чтобы настроить схему по постоянному току (с учётом разброса параметров транзисторов), его номинал должен составлять 56...62 кОм.