Вступление

                 В мире сделано уже очень много транзисторных усилителей в классе АВ. Их теория хорошо проработана, а результаты ее применены во множестве конструкций. Однако, это не мешает ежегодно появляться большому количеству новых схем с завидным постоянством. Определенная неудовлетворенность существующими решениями трогала и меня, и проявилась в виде очередной схемы. Хорошим толчком к началу проектирования послужил заказ на разработку высококачественного усилителя для применения в автомобиле, сделанный мне. Удивительным образом подходы к конструкции усилителя заказчика, Феликса Скакуна, не вошли в противоречие с моими, а органично дополняли. В результате был создан усилитель «Канон» [1].

Подходы к проектированию

                 Итак, начну с общих принципов построения усилителя, которые постепенно привели к решению. Первый определяющий параметр – это мощность усилителя. Ели рассмотреть большую часть систем в наших домах и в наших автомобилях, то оказывается, что максимальная пиковая мощность, которая достаточна по жизни – это 40-60Вт. Конечно, если у Вас окажутся акустические системы с очень низкой чувствительностью, порядка 82-86 дБ/Вт/м, большая комната и любовь к громкому прослушиванию, то и усилитель потребуется помощнее, ватт так 200-500. Но это отдельная тема, а мы ограничимся озвученной цифрой.

                 Не секрет, что слух и критерии прослушивания у всех отличаются. Я убежден, что невозможно в одной конструкции удовлетворить запросам всех слушателей, слишком противоречивы подходы у разных людей. В работе над этим усилителем был выбран такой комплекс приоритетов:
                - отсутствие окраски, т.е. нейтральность звучания, граничащая со студийной отвлеченностью, холодностью;
                - слитность звучания, выражающаяся в телесности образов;
                - натуральность передачи, т.е. каждый инструмент должен быть узнаваем ;
                - отсутствие слышимых искажений и артефактов, даже приятных слуху;
                - мягкость подачи, которая со временем приводит к неутомительному прослушиванию;
                - всеядность, у усилителя не должно быть любимых и нелюбимых жанров музыки или исполнителей.                    

                 Комплекс требований оказался, не то что бы, противоречивым, но удовлетворить ему уже не так просто. Можно заметить, что, исполнив его, мы сразу получим ограничения, налагаемые на весь остальной тракт. Особенно явными будут требования к акустическим системам, которые легко могут разрушить достигнутый баланс параметров.

                 Начнем с требования по искажениям. Если перевести их на математический лад, то, в соответствии с современными исследованиями по психоакустике, уровень нелинейных искажений на большой мощности не должен превышать 0.02% в среднечастотном диапазоне и 0.1% в высокочастотном диапазоне. Спектр искажений должен быть быстроспадающий, т.е. уровень каждой последующей гармоники должен быть ниже предыдущей хотя бы на 10 дБ. Относительный уровень искажений должен монотонно расти с увеличением уровня сигнала и достигать указанных значений в максимуме. Я беру уровень искажений без учета шума, поскольку на небольших уровнях сигнала при измерениях комплексным методом THD+Noise автоматически будет наблюдаться рост уровня искажений именно за счет шума. В соответствии с этими требованиями надо применить достаточно глубокую общую ООС.

                 Практика реальных усилителей показывает, что недостаточно иметь глубокую ОООС, очень важно, чтобы все элементы усилителя имели минимальный уровень искажений еще до замыкания петли ООС. При этом на искажения элементов схемы налагаются практически те же требования на скорости спадания гармонических составляющих искажений и на монотонность роста от уровня сигнала, что и на усилитель в целом.

                 Поиск решений по удовлетворению остальных требований теперь ограничен рамками выбранного построения усилителя с общей ООС.

                 Попробую разобраться с параметром по слитности звучания. Феликс имел возможность прослушать большое число реальных усилителей, провести их экспертизу и одновременно познакомиться с общими принципами их построения. Он пришел к статистическому заключению, что более слитно играли усилители, имеющие на выходе только по одному транзистору на выходе в плече. Скорее всего, эта закономерность связана не с собственно числом транзисторов, ведь известно, что современные мощные транзисторы конструктивно состоят из большого числа параллельно включенных транзисторов меньшей мощности на одном кристалле, а с тем, что транзисторы внутри одного корпуса мало отличаются друг от друга по параметрам, а транзисторы в разных экземплярах все же меньше  стыкуются по параметрам. Вторая сторона схемотехническая. При подключении в параллель нескольких мощных транзисторов резко растет их паразитная емкость, которая, к тому же, весьма нелинейна. Что бы ее победить надо ставить дополнительный каскад усиления по току, который вносит дополнительный полюс в фазочастотную характеристику петлевого усиления. А это уже потребует снижение глубины ООС или снижения ее полосы.

                 Что же нам может дать выходной каскад только с одной парой выходных транзисторов? Современные мощные транзисторы могут обеспечить ток до 7 А без заметного снижения полосы усиления. Несмотря на их возможность отдачи по току до 15 А, полоса их усиления падает при этом так сильно, что коррекцию усилителя придётся пересматривать, и уже выгоднее получится ставить по паре транзисторов в параллель и добавлять каскад усиления. Если импеданс нагрузки будет 4 Ома, то 7 А в пике даст уровень синусоидальной мощности I²R/2 = 100 Вт. На нагрузке 8 Ом можно получить даже 200 Вт, но на практике это недостижимо, поскольку нам нельзя превышать мгновенную рассеиваемую мощность на транзисторе. К тому же, как это было хорошо рассказано Сергеем Агеевым [2], при наличии фазового сдвига между током и напряжением в нагрузке резко растет пиковая мощность рассеивания на транзисторе. По результатам моделирования для транзисторов с максимальной мощностью рассеивания 200 Вт было выбрано напряжение питания, позволяющее достигнуть уровня выходной мощности 70 Вт на нагрузку 8 Ом. С учетом просадки это даст мощность до 115-120 Вт на нагрузку 4 Ома. Таким образом, нам удается удовлетворить и требованиям по мощности, и пожеланию использования одной пары транзисторов на выходе усилителя.

                 Для удовлетворения требования по натуральности передачи и по узнаваемости инструментов надо понять, какие технические особенности влияют на это. Узнавание источников звука происходит в мозгу на основании сравнения с эталоном амплитудно-временных параметров спектрального состава на фронте сигнала в течении первых нескольких миллисекунд. При этом матрица сравнения располагается относительно основной форманты звучания. На точность передачи больше всего влияют инерциально-нелинейные искажения. Больше всего они проявляются в усилителях в двух направлениях: тепловые искажения, особенно входного каскада, и система питания. Поскольку инерциально-нелинейные искажения характеризируются двумя параметрами: уровнем и постоянной времени, то и путей решения два. Выбирая транзисторы с постоянной времени тепловых искажений, связанной с массой кристалла и характерными размерами перехода,  меньше влияющими на звуковое восприятие, можно значительно замаскировать тепловые искажения. А можно постараться схемотехнически минимизировать сам уровень таких искажений. Я пошел по второму пути.

                 Практика показывает, что наибольшие окраски в сигнал могут вносить активные и пассивные элементы, находящиеся за рамками ООС, или находящиеся в самой цепи ООС. Что бы избежать этого, я принял решение делать усилитель без конденсаторов в цепи прохождения сигнала, т.е. это будет усилитель постоянного тока (УПТ). Дополнительно мы получаем более точную передачу низкочастотного регистра в связи с отсутствием полюса или полюсов в низкочастотной области.

Выбор решения

                 Что мы имеем по обратной связи. Полюс усиления, связанный с работой выходного каскада, плавает в зависимости от уровня сигнала и нагрузки и попадает в диапазон от 3 до 10 МГц. Если считать, что нам необходим уровень глубины ООС 35-40 дБ (100 Раз ), то первый полюс системы попадет примерно на 30 кГц. Кажется что все хорошо. Однако, на практике в ВЧ области начинают добавляться фазовые сдвиги уже от всех каскадов усиления, включая повторители и каскады с общей базой. Каждый вносит сдвиг от нескольких единиц до десятков градусов, и устойчивость усилителя оказывается под угрозой.

                 С другой стороны, учитывая, что коэффициент усиления готового усилителя необходим порядка 30 дБ, полное петлевое усиление необходимо по уровню 70 дБ. Оно может быть достигнуто всего одним каскадом усиления по напряжению, а реализация высокого первого полюса потребует второго полюса коррекции, реализованного пассивной цепью. Я выбрал индуктивную коррекцию в дифкаскаде, поскольку она позволяет защитить входной каскад от перегрузки от высокочастотных или импульсных сигналов и избежать моментов временного разрыва цепи ООС.

                 В результате я остановился на такой форме петлевого усиления. Первый полюс - на частоте 20 кГц.  Второй полюс - на частоте 200 кГц увеличивает крутизну спада до второго порядка. Третий полюс восстанавливает первый порядок спада на частоте около 1 МГц. Далее - уже плавающий полюс от выходного повторителя.

Построение схемы

                 Поскольку исходный усилитель предназначался для применения в автомобиле, а в таких усилителях не принято устанавливать реле, отключающее АС на время включения-выключения усилителя, я остановился на симметричной схеме, которая позволяет получить минимальные броски напряжения на выходе усилителя на этапе включения или выключения. В симметричных схемах применять полевые транзисторы неудобно, у них уровень комплементарности между транзисторами разной проводимости весьма условен. Поэтому я остановился на входном каскаде с использованием биполярных транзисторов. К тому же в симметричной схеме токи баз входных транзисторов вычитаются, что снижает требования по номиналам резисторов и позволяет повысить начальный ток каскада и получить большее усиление при сохранении линейности. Чтобы избежать подбора транзисторов для дифкаскада и что бы снизить уровень тепловых искажений, я применил сборки из пар транзисторов фирмы NXP (Philips) BCM847/857. К сожалению, их не удалось найти в продаже с покупкой менее 3000 штук, потому пришлось использовать сборки с чуть меньшей гарантией соответствия транзисторов в парах BC847/857. Практика показала достаточность такого компромисса.  Рабочий ток каждого транзистора в дифкаскаде 2 мА.

                 Индуктивности коррекции, находящиеся в эмиттерах входных транзисторов, ловят помехи из эфира, поэтому я их намотал на общем кольцевом сердечнике. Чтобы транзисторы дифкаскада работали с небольшими искажениями, им надо обеспечить щадящий режим по рассеиваемой мощности, для чего применен каскад с ОБ на транзисторах VT4 и VT7. Однако, ни классическое каскодное включение, ни каскодное включение со следящим напряжением на базе второго транзистора не обеспечивают минимизации мгновенного изменения мощности рассеивания на транзисторах дифкаскада под сигналом. Для этого я применил резисторы R19,20,27,28. Вместе с резисторами смещения на базу R17,18,29,30 они обеспечивают режим компенсации роста тока через транзистор снижением напряжения падения на нем. Конденсаторы С8-11 предотвращают появление дополнительного полюса в характеристике петлевого усиления от резисторов.

                 Первый полюс коррекции пассивный, реализован конденсатором С12. Такой способ коррекции интересен тем, что он снижает эффект от нелинейностей выходной емкости УН и входной емкости повторителя.  Драйверные транзисторы УН и первые транзисторы повторителя взяты производства Sanyo и предназначены для применения в видеоусилителях. Они обладают очень низкими уровнями нелинейности и малыми емкостями, что и обусловило мой выбор.

                 Ранее я экспериментировал со схемами параллельного повторителя. Мне понравилась музыкальность такого выходного каскада. Однако, двух транзисторов, как у Агеева старшего [3], мне недостаточно, они перегрузят драйверный каскад УН. Необходимо применения трех последовательных транзисторов в выходном повторителе, чтобы обеспечить необходимое входное сопротивление повторителя. Параллельный повторитель реализуется по схеме один переход вверх, один вниз. Можно было бы реализовать его на четырех транзисторах – два перехода вверх, два вниз. Но у меня три перехода. Вот тут очень кстати подошли транзисторы со встроенным диодом  производства ON-Semi (Motorola). Диод датчика располагается на том же кристалле, что и мощный транзистор, и позволяет скомпенсировать тепловые искажения, возникающие на выходном транзисторе, подверженном очень большому перепаду мгновенной рассеиваемой мощности. Полученная схема выходного повторителя показала высокие музыкальные свойства до замыкания петли ООС при сохранении уровня искажений, достигаемого в классической схеме повторителя – тройки. Чтобы обеспечить ток драйверного каскада, применена вольтдобавка на конденсаторах С13 и С15. Цепь L5-R89 предотвращает возбуждение на ВЧ через цепь ПОС вольтдобавки. Резисторы R87,88 предотвращают возбуждение транзисторов VT11,12 как высокочастотных элементов.

                 Защита выходных транзисторов по области безопасной работы (ОБР) построена на транзисторах VT17-23 и имеет билинейную аппроксимацию кривой ОБР.  Перегиб между двумя аппроксимирующими линиями на уровне падения напряжения на транзисторах в 30 В  обеспечивается стабилитронами VD11,12. При срабатывании защиты защелкивается триггер на транзисторах VT19,20 и транзисторы VT17,23 выключают УН, снимая сигнал с выходного повторителя. Для отключения защиты надо выключить питание или же поставить кнопку, замыкающую резистор R66.

                 На входе усилителя применен широкополосный ультралинейный ОУ AD8066 от фирмы Analog Devices. Он необходим только при универсальном применении усилителя, когда заранее неизвестны параметры источника сигнала по выходному импедансу. Вторая половина ОУ используется в сервосистеме, следящей за нулем на выходе. Сервосистема обычного построения создает на НЧ дополнительный полюс. Чтобы избежать этого, была выбрана сервосистема по сигналу ошибки. Это позволило применить конденсатор небольшой емкости в интеграторе и практически исключить влияние сервосистемы на звучание усилителя.

                 Если в вашей системе нет источников сигнала с большим уровнем ВЧ помех, то индуктивность L1 на входе усилителя можно исключить и заменить ее перемычкой.

                 Назначение остальных элементов схемы. Термоскомпенсированные источники опорного напряжения DA2,3 задают режимы работы усилителя по постоянному току. Резистор R33 фиксирует нулевое напряжение на входе повторителя при срабатывании защиты по ОБР и фиксирует положение первого полюса цепи коррекции при измени нагрузки на усилитель.  Диоды VD3,4 защищают первый каскад повторителя при ограничении сигнала. Диоды VD5-8 предотвращают глубокое насыщение выходного каскада при ограничении. Конденсатор С14 предотвращает отсечку тока драйверных транзисторов при ограничении и вызванное этим возбуждение. Делитель С23 С24, параллельный делителю ООС на резисторах R69, 70, устраняет появление полюса в характеристике петлевого усиления на входной емкости инвертирующего входа. Диоды VD9,10 защищают выходные транзисторы от противо ЭДС  низкочастотных динамиков при ограничении сигнала. Выходной фильтр построен на элементах L6, R71, R72, C25, C26 и особенностей не имеет.

                 Питание предварительной части усилителя стабилизированное  и имеет уровень выше напряжения питания выходного каскада. При его проектировании больше внимание уделено уровню пульсаций, чем статическому коэффициенту стабилизации, поскольку по постоянному току входные каскады хорошо стабилизированы. Диоды VD14, 15 предотвращают подачу силового питания без питания входной части. Диоды VD16, 17, 22, 23 защищают транзисторы стабилизатора на случай неподачи питания на выпрямитель для входных каскадов.

                 Все выпрямители сделаны с применение диодов Шоттки. Обмотки силового трансформатора для всех потребителей раздельные. Но обмотки силового питания образуют среднюю точку, соединенную с землей на плате усилителя. Снаберы по вторичным обмоткам настроены (вместе с индуктивностями рассеяния обмоток трансформатора) на частоты 30-40 кГц и добротность не более 1.

Наладка

                 При монтаже усилителя уделите особое внимание качеству монтажа транзисторов BC847/857, поскольку шаг ног у них очень мал, и в любительских условиях смонтировать их тяжело. Лучше их напаять первыми и проконтролировать их монтаж прозвонкой на наличие p-n переходов тестером по точкам выводов связанных компонентов.

                 После сборки усилителя надо установить движок резистора R36 в среднее положение, а резистора R39 - в нижнее по схеме положение. Правильно собранный усилитель, как правило, начинает работать сразу и не требует схемной наладки. Надо измерить ток выходного каскада по падению напряжения на резисторах R48,49 в рамках 15-25мВ, что соответствует току 150-250 мА. Если максимальный устанавливаемый ток менее 200 мА, то стоит увеличить номинал резистора R40 до 1 кОм, если же минимальный ток оказывается более 200 мА, то уменьшить номинал этого резистора до 200 Ом, а то и закоротить вовсе. Это может произойти при широком разбросе параметров транзисторов в повторителе между партиями или производителями.

                 Поскольку усилитель имеет сервосистему, то ноль на выходе устанавливается автоматически. Однако, для ее лучшей работы подрегулируйте резистор R36 по близкому к нулю напряжению на выходе интегратора (7-я нога DA1 или верхний вывод резистора R12). Учтите, что это напряжение изменяется плавно, с задержкой после поворота движка резистора R36.

                 Изначально номинал конденсатора коррекции С12 для реализации первого полюса в районе 30кГц должен был составить 50 пФ. Однако, было обнаружено, что с таким номиналом усилитель может порождать вспышки возбуждения на пиках сигнала. Если увеличить емкость этого конденсатора до 100-150 пФ, то генерации не возникает. Было проведено исследование о влиянии номинала и типа этого конденсатора на звучание усилителя в целом. К моему удивлению наилучшее звучание усилителя достигается при значении 680-750 пФ при использовании или фольгового полипропиленового конденсатора (указан на схеме), или слюдяного конденсатора КСО, какой использовал я. В этом случае первый полюс опустился до нескольких килогерц и, соответственно, появился небольшой рост гармонических искажений с ростом частоты выше 3-5 кГц. Однако, на слух такой усилитель играет заметно мягче и музыкальней нисколько не проигрывая при этом по остальным параметрам. Дальнейшее увеличение емкости коррекции даже до 1нФ приводит к ухудшению передачи высоких частот несмотря на то, что на АЧХ при этом не возникает завала.

Результат

Созданный усилитель показал следующие объективные параметры:

Диапазон воспроизводимых частот по уровню -3дБ на ВЧ
ограничен сверху входным и выходным фильтрами и составляет - 0 Гц - 250 кГц
Уровень нелинейных искажений на номинальной мощности в полосе до 5 кГц - не более 0,02%
Уровень нелинейных искажений на номинальной мощности в полосе от 5 до 20 кГц - не более 0,1%
Уровень нелинейных искажений указан по самому худшему из экземпляров. Он соответствовал второй гармонике. У остальных экземпляров доминирует третья гармоника и уровень искажений не более 0,005% с ростом до 0,02% на 20 кГц.
Спектральный состав искажений на номинальной мощности и в звуковом диапазоне частот ограничен 5-й гармоникой
Номинальная мощность на нагрузке 4/8 Ом - 100/60 Вт
Максимальная мощность на нагрузке 4/8 Ом - 120/70 Вт

Спектрограмма искажений в звуковом диапазоне частот

Заключение

                 По результатам реальных прослушиваний нескольких экземпляров этого усилителя в разных трактах я пришел к выводу, что задача, поставленная в начале работ, выполнена успешно. Усилитель получился всеядным, точным и музыкальным. Он предъявляет очень большие требования к остальному тракту системы, безжалостно высвечивая любые ее недостатки. Вместе с тем, он играет достаточно мягко и неутомительно, позволяя сосредоточиться именно на прослушивании музыки, а не на выслушивании звуков.                

 _________________________________________________________

1. http://amp.auto-time.ru/

2. С.Агеев. "Сверхлиейный УМЗЧ с глубокой ООС". Журнал "Радио" №10-12 за 1999 г. и №1,2,4-6,9-11 за 2000 г.

3. Агеев А. "Параллельный усилитель в УМЗЧ".  "Радио" 1985, № 8, с. 26 - 29