Высококачественный УЗЧ на полевых транзисторах с компенсирующей обратной связью

Сегодня уже трудно удивить любителей высококачественного звуковоспроизведения или умеющих держать в руках паяльник конструкторов усилителем на полевых транзисторах. Большинство таких аппаратов, даже лучших мировых образцов, построены по традиционной схеме с дифференциальным входным каскадом и множеством дополнительных элементов, не принимающих участия в усилении сигнала, но обеспечивающих временную и температурную стабильность. Не изменило коренным образом традиционных схемных решений и применение в выходных каскадах мощных комплементарных транзисторов с разными типами проводимости канала.

В результате активных творческих поисков и сознательного ухода от многочисленных доминирующих стереотипных схемных решений мне удалось создать свой собственный оригинальный прототип усилителя, имеющего минимальное количество электронных компонентов и обладающего исключительной стабильностью, надёжностью и высокими техническими характеристиками, способными удовлетворить запросы даже самых искушённых музыкальных гурманов.

Основные параметры усилителя при сопротивлении нагрузки 8 Ом приведены в таблице.

При разработке усилителя особое внимание было обращено на качественные показатели, максимальный КПД и минимальное количество используемых деталей, что дало возможность существенно повысить его надёжность и упростить повторение. Учитывалось также наличие и доступность деталей в торговой сети, что значительно снизило себестоимость усилителя.

Усилитель (смотри схему) состоит из входного каскада на маломощных полевых транзисторах разного типа проводимости VT1 и VT2 включённых по схеме с общим истоком, нагрузкой которых являются резисторы R2 и R3. Резистор R1 соединяет затворы этих транзисторов с землёй и определяет входное сопротивление усилителя, а совместно с ёмкостью входного разделительного конденсатора C1 задаёт его частотную характеристику в низкочастотной области звукового спектра. Транзисторы VT3 и VT4 включены по схеме с общими базами, напряжение на которых задаётся стабилитронами VD1 и VD2, и обеспечивают развязку входных транзисторов от переменной составляющей их выходного сигнала, а также снижают излишнее постоянное питающее напряжение на их стоках. Транзисторы VT5 и VT6 включены по схеме с общим коллектором, их переходы база-эмиттер являются элементами смещения для транзисторов VT1 и VT2, а изменение постоянного напряжения на базах, связанных через резисторы R7 и R10 с выходом усилителя, компенсирует произвольный уход средней точки и рост тока покоя. Падение постоянного напряжения на резисторах R2 и R3 открывает мощные выходные транзисторы VT7 и VT8 на величину начального тока стока (тока покоя), определяющего работу усилителя в классе AB.

Схема усилителя работает следующим образом. Положительная полуволна входного сигнала через конденсатор C1 проходит на затвор транзистора VT1 и вызывает увеличение его тока стока, в результате чего увеличивается падение напряжения на резисторе R2, что приводит к отпиранию транзистора VT7 и появлению положительной полуволны сигнала на выходе усилителя. Через делитель напряжения на элементах R7, C2, R8, задающий коэффициент усиления всего усилителя, и эмиттерный повторитель на транзисторе VT5 часть выходного сигнала подаётся в исток транзистора VT1, действуя как отрицательная обратная связь, компенсирующая нелинейные искажения огибающей сигнала, а снимаемое с резистора R11 постоянное напряжение стабилизирует ток покоя и среднюю точку. Усиление отрицательной полуволны входного сигнала и стабилизация параметров происходит аналогичным образом в нижней, симметричной верхней, половине схемы. Резисторы R4 и R5 вместе с входными ёмкостями транзисторов VT7 и VT8 образуют фильтры нижних частот, ограничивающие полосу пропускания усилителя и устраняющие его самовозбуждение.

Монтаж усилитель производится на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита размером 115 ´ 63 мм и толщиной 2 – 3 мм. Ниже показан рисунок печатной платы со стороны дорожек.

Налаживание усилителя сводится к установке подстроечными резисторами R2 и R3 тока покоя через выходные транзисторы, а также нулевого напряжения на выходе усилителя (средней точки). Для этого резисторы R2 и R3 устанавливают в среднее положение, выход усилителя нагружают на маломощную лампу накаливания напряжением 24В и подают напряжение питания. При этом лампа светиться не должна, что говорит о правильном монтаже и исправных деталях. Попеременно и плавно вращая оба подстроечных резистора в сторону увеличения их номинала, добиваются появления тока через транзисторы VT7 и VT8 который контролируют цифровым милливольтметром по падению напряжения на резисторе R11 или R12. Значение этого напряжения должно быть в пределах 15 – 20 mV, что соответствует току покоя 75 – 100 mA. Если средняя точка на выходе усилителя смещена в сторону плюса, её устанавливают подстроечным резистором R2, если она смещена в сторону минуса, её устанавливают подстроечным резистором R3. Снова контролируют ток покоя выходных транзисторов и при необходимости повторяют операцию ещё раз.

Усилитель сохраняет свою работоспособность при напряжении питания от ±15 до ±30 Вольт. Необходимо лишь применять блок питания на ток не менее 5 Ампер, стабилитроны VD 1 и VD 2 на напряжение равное половине питающих, конденсаторы C5 и C6 на соответствующее рабочее напряжение, а при постоянной работе усилителя на максимальную отдачу следует увеличить мощность резисторов R11 и R12 до 5 Ватт.

Входные транзисторы VT1 и VT2 должны иметь равные или близкие начальные токи стока IDSS . Выходные транзисторы VT7 и VT8 необходимо подобрать с близким напряжением открывания канала VGS(to) которое для этого типа транзисторов может составлять от 3 до 4 Вольт. Это можно сделать непосредственно при покупке, договорившись с продавцом и применив простое самодельное или промышленное устройство. Хорошо паруются типы транзисторов, указанные на схеме, их необходимо устанавливать на радиаторы, имеющие соответствующую мощности площадь, через специальные изоляционные прокладки. Резисторы R2 и R3 многооборотные прецизионные типа СП3-39А, СП5-2 или подобные. Электролитические конденсаторы C2 и C3 применены неполярного типа, при использовании импульсного блока питания конденсаторы C5 и C6 следует зашунтировать безындукционными конденсаторами ёмкостью 0,1 – 1,0 мкФ. Резисторы R11 и R12 непроволочные типа Fuse, обрывающиеся при перегрузке.

Одна из главных особенностей схемы усилителя состоит в том, что выходной сигнал, усиленный мощными транзисторами, снимается с их стоков, которые не являются управляющими электродами. Это позволило значительно снизить специфические искажения, вызываемые воздействием противо-ЭДС звуковой катушки громкоговорителя на выходные транзисторы, если сигнал снимается с их истоков или эмиттеров. Таким образом, данный усилитель по принципу работы приравнивается к ламповому, однако значительно превосходит его по экономичности, ширине полосы воспроизводимых частот, быстродействию и надёжности, не говоря уже о искажениях и затратах на комплектующие.

Важным свойством полевых транзисторов является то, что при перегреве проводимость их канала уменьшается, соответственно падает крутизна характеристики и ток стока, что автоматически защищает их от теплового пробоя. Ещё одно свойство полевых транзисторов, применённых в выходном каскаде усилителя, это их квадратичная переходная характеристика, которая способствует уменьшению нелинейных искажений при больших уровнях выходной мощности. Чем выше ток через транзисторы VT7 и VT8, тем большими становятся их крутизна характеристики и коэффициент усиления, и тем более глубокой оказывается отрицательная обратная связь.

При включении усилителя в сеть, до момента достижения половины питающего напряжения на конденсаторах C5 и C6 стабилитроны VD1 и VD2 оказываются запертыми, а вместе с ними все транзисторы, отпирание которых происходит плавно и одновременно в обеих половинах схемы, что полностью устраняет характерный для многих подобных конструкций неприятный хлопок в громкоговорителе. По этой причине усилителю не страшны аварийные выключения и включения питающего напряжения даже во время работы на полной выходной мощности.

Усилитель был испытан в работе с разными источниками сигнала, при разных температурах окружающей среды, и показал свою высокую надёжность, отличные выходные и динамические характеристики, и рекомендуется для повторения любителям высококачественного домашнего или профессионального звуковоспроизведения. Блок регулировки громкости, тембров и баланса можно выполнить по схеме, приведённой на сайте http://cxem.net/sound/tembrs/tembr14.php с использованием специализированной микросхемы TDA1524A. При необходимости в схему можно добавить также усилитель микрофонного сигнала, выполненного по любой известной схеме. Расположение деталей на плате усилителя показано на рисунке ниже.

Увеличить линейность усилителя и ещё больше снизить коэффициент нелинейных искажений можно параллельным включением в каждое плечо двух выходных транзисторов и юстировкой (подгонкой номинала) одного из резисторов R 8 или R 9 в цепи обратной связи. Если удалить переходной конденсатор C 1 схему можно превратить в мощный линейный усилитель постоянного тока для систем автоматики, телемеханики и управления.

Юрко Стрелков-Серга
а/я 5000 Винница-18
[email protected]

Данное устройство позволяет подключить динамический микрофон, электрогитару и прочие источники сигнала с высоким выходным сопротивлением к звуковой карте компьютера. Устройство не вносит частотных искажений в звуковом диапазоне частот, а также искажений, связанных с нелинейностью усилительного прибора, поскольку построена по схеме истокового повторителя.

Иными словами, если вас хоть немного заботит качество записываемого звука, у вас неплохая звуковая карта и дорогой микрофон, то это устройство – то, что вам необходимо.

Немного о схеме. Устройство начинает работать, если в разъем J1 вставляется моно-джэк, или, если по-научному, штекер диаметром 6,35 мм (1/4 дюйма). При этом через джек минусовой контакт батареи питания замыкается на минус питания и устройство начинает работу. Также вторым контактом этого штекера входной сигнал подается на резистор R1, обеспечивающий высокое входное сопротивление устройства. Конденсатор C2 производит частотную корректировку, обрезая частоты выше звукового диапазона. Резисторы R2-R4 обеспечивают необходимое смещение на затворе полевого транзистора.

Диод VD1 в схеме выполняет функцию защиты от дурака от случайной переполюсовки, поскольку конструктивные особенности разъема батареи «Крона» не исключают такой возможности. Диод лучше применить германиевый, поскольку падение напряжения на нем будет меньше. Но это совершенно не критично, его можно заменить любым маломощным кремниевым диодом, например КД521, КД522, 1N4148 и т.п.

Устройство собирается на плате из однослойнофольгированного текстолита размерами 47х26мм. Трассировка платы в программе Dip Trace будет приведена ниже. Но можно обойтись и без изготовления платы, а собрать все на универсальной монтажной плате (это та, которая с кучей дырочек) такого же размера.

Размеры его деталей следующие:
- боковые стенки 60х50 мм – 2 штуки
- передняя стенка 50х30 мм – 1 штука
- задняя стенка 46х30 мм – 1 штука. Размер 46 миллиметров не критичен, может варьироваться от 50 мм до 35 мм. Все зависит от того, как вы хотите устанавливать батарею питания.
- нижняя и промежуточная стенки 55х30 мм

Стенки корпуса спаиваются между собой припоем. Фольга на всех стенках должна оказаться внутри корпуса. Старайтесь не перегревать текстолит, поскольку фольга может легко отслоиться.

Первым делом спаиваются между собой все стенки, кроме задней. Затем просверливаются отверстия для разъема джэка диаметром 10 мм, отверстие для проводов питания, где-то 3 мм в диаметре и такое же в задней стенке для экранированного провода с миниджэком.

Также в месте крепления задней стенки припаивается скоба из толстой медной проволоки, в которую будет вставляться низ задней стенки.

После этого нужно будет приклеить разъем для «Кроны». Кстати, его можно взять из уже отработавшей кроны, как я всегда и делаю. Клеится этот разъем термоклеем к задней стороне передней стенки. Важно чтобы ни один из контактов разъема не касался фольги корпуса.

Усилители на полевых транзисторах (ПТ) обладают большим входным сопротивлением. Обычно такие усилители используются как первые каскады предварительных усилителей, усилителей постоянного тока измерительной и другой радиоэлектронной аппаратуры.
Применение в первых каскадах усилителей с большим входным сопротивлением позволяет согласовывать источники сигнала с большим внутренним сопротивлением с последующими более мощными усилительными каскадами, имеющими небольшое входное сопротивление. Усилительные каскады на полевых транзисторах чаще всего выполняются по схеме с общим истоком.

Так как напряжение смещения между затвором и истоком равно нулю, то режим покоя транзистора VT характеризуется положением точки А на сток-затворной характеристике при U ЗИ =0 (рис. 15,б).
В этом случае при поступлении на вход усилителя переменного гармонического (то есть синусоидального) напряжения U ЗИ с амплитудой U mЗИ положительный и отрицательный полупериоды этого напряжения будут усиливаться неодинаково: при отрицательном полупериоде входного напряжения U ЗИ амплитуда переменной составляющей тока стока I" mc будет больше, чем при положительном полупериоде (I"" mc), так как крутизна сток-затворной характеристики на участке АВ больше по сравнению с крутизной на участке АС: Вследствие этого форма переменной составляющей тока стока и создаваемого им переменного напряжения на нагрузке U ВЫХ будет отличаться от формы входного напряжения, то есть возникнут искажения усиливаемого сигнала.
Для уменьшения искажений сигнала при его усилении необходимо обеспечить работу полевого транзистора при постоянной крутизне его сток-затворной характеристики, то есть на линейном участке этой характеристики.
С этой целью в цепь истока включают резистор Rи (рис.16,а).

Протекающий через резистор ток стока I С0 создает на нем напряжение
U Rи =I С0 Rи, которое прикладывается между истоком и затвором, включая ЭДП, образованный между областями затвора и истока, в обратном направлении. Это приводит к уменьшению тока стока и режим работы будет характеризоваться в этом случае точкой А" (рис.16,б).

Чтобы не происходило уменьшения коэффициента усиления, параллельно резистору Rи подключают конденсатор Си большой емкости, который устраняет отрицательную обратную связь по переменному току, образуемую переменным напряжением на резисторе Rи. В режиме, характеризуемом точкой А", крутизна сток-затворной характеристики при усилении переменного напряжения остается примерно одинаковой при усилении положительных и отрицательных полупериодов входного напряжения, вследствие чего искажения усиливаемых сигналов будут незначительны
(участки A"В" и А"С" примерно равны).
Если в режиме покоя напряжение между затвором и истоком обозначить U ЗИО, а протекающий через ПТ ток стока I С0 , то сопротивление резистора Rи (в омах) можно рассчитать по формуле:
Rи =1000 U ЗИО /I С0 ,
в которую ток стока I С0 подставляется в миллиамперах.
В схеме усилителя, приведенной на рис.15, используется ПТ с управляющим p-n-переходом и каналом р-типа. Если в качестве ПТ применяется аналогичный транзистор, но с каналом n-типа, схема остается прежней, а изменяется лишь полярность подключения источника питания.
Еще большее входное сопротивление имеют усилители, выполненные на полевых МДП-транзисторах с индуцированным, или встроенным каналом. При постоянном токе входное сопротивление таких усилителей может превышать 100 МОм. Так как напряжения их затвора и стока имеют одинаковую полярность, для обеспечения необходимого напряжения смещения в цепи затвора можно использовать напряжение источника питания G C подключив его к делителю напряжения, включенному на входе транзистора таким образом, как показано на рис.17.

Усилители с общим стоком

Схема усилителя на ПТ с общим стоком аналогична схеме усилителя с общим коллектором. На рис.18,а приведена схема усилители с общим стоком на ПТ с управляющим р-n-переходом и каналом р-типа.

Резистор Rи включен в цепь истока, а сток прямо подключен к отрицательному полюсу источника питания. Поэтому ток стока, зависящий от входного напряжения, создает падение напряжения только на резисторе Rи. Работа каскада поясняется графиками, приведенными на рис.18,б для случая, когда входное напряжение имеет синусоидальную форму. В исходном состоянии через транзистор протекает ток стока I С0 , который на резисторе Rи создает напряжение U И0 (U ВЫХ0). В течение положительного полупериода входного напряжения обратное смещение между затвором и истоком увеличивается, что приводит к уменьшению тока стока и абсолютной величины напряжения на резисторе Rи. В отрицательный полупериод входного напряжения, наоборот, напряжение смещения затвора уменьшается, ток стока и абсолютная величина напряжения на резисторе Rи увеличиваются. Вследствие этого выходное напряжение, снимаемое с резистора Rи, т. е. с истока ПТ (рис.18,б), имеет такую же форму, что и входное напряжение.
В связи с этим усилители с общим стоком получили название истоковых повторителей (напряжение истока по форме и значению повторяет входное напряжение).

В предлагаемых вариантах усилителей используются JFET-ы или латеральные мосфеты так как они имеют передаточные и выходные характеристики практически идентичные пентодным, что позволяет максимально приблизиться к ламповому звучанию. Также они имеют отрицательную зависимость тока стока от температуры, что исключает необходимость термостабилизации. Усилитель построен по классической "ламповой" схеме – фазоинвертор на дифференциальном каскаде и далее двухтактный выходной каскад, нагруженный на выходной трансформатор. Трансформатор позволяет решить две задачи – защита динамиков при выходе из строя выходных транзисторов и согласование с разным сопротивлением динамиков (используя отводы вторичной обмотки)

Также есть еще два немаловажных момента применительно именно к гитарному использованию оконечника.

Первый момент - достаточно высокое выходное сопротивление, соизмеримое с импедансом динамика, что дает возможность гитарному кабинету "дышать" на резонансах. На картинке приведены графики зависимости напряжения на выходе оконечника от частоты сигнала при нагрузке на балластное сопротивление и гитарный кабинет.

Добиться аналогичного эффекта можно на "классическом каменном" оконечнике путем введения токовой ООС. При этом оконечник должен иметь запас по выходному напряжению (мощности), чтобы не влетать в ограничение на пиковых значениях выходного напряжения на резонансах динамика.

Второй момент - подгруз оконечника. Это не очень важно для современного хайгейнового "модернового" звука, так как в нем почти не используется подгруз оконечника. Для винтажных стилей подгруз оконечника составляет чуть ли не половину звука. Например звук маршалловского суперлида невозможно получить без подгруза оконечника.

Предлагаемые варианты полевых оконечников учитывают оба этих момента и высокое выходное сопротивление и "мягкий ламповый" подгруз.

250 мВт, идеально подходит для "ночных" репетиций

Монтаж верхней стороны (pdf)

Монтаж нижней стороны (pdf)

Вид собранной платы

Сравнительный тест с Randal RG75 (live). Цепь записи - Charvel Model 6, Chris Custom Screamer, ENGL Tubetoner e430, Shure SM58 (without cap), Digilab SPM-100.

Comparative test with Randal RG75 (mix).

5 Вт (приведенное сопротивление первичной обмотки транформатора Ra-a = 360 Ом)

Монтаж верхней стороны (pdf)

Монтаж нижней стороны (pdf)

Вид собранной платы

Подключение разъемов и регуляторов (pdf)

Вид в корпусе

Сэмплы оконечника с ламповым преампом УЭНГО-1. Записаны Константином Долотовым (dks) с GtLab. Presence и Depth посередине (версия оконечника без регулятора Cut).

Два сэмпла оконечника с ламповыми преампами. Presence, Depth and Cut по часовой до упора.

Цепь записи: Ibanez RG3120TW -> Ламповый преамп (JCM800/SLO-100) -> полевой оконечник -> Celestion G10 Vintage 25HR -> конденсаторный микрофон (Октава MK105 2 метра от кабинета) -> микрофонный преамп -> DELTA-44 -> Samplitude v8.

15 Вт (приведенное сопротивление первичной обмотки транформатора Ra-a = 600 Ом, P1,P5 питание 80В, P2-P4 подключение выходного трансформатора)

Монтаж верхней стороны (pdf)

Монтаж нижней стороны (pdf)

Вид собранной платы

2x15W вид в корпусе

Если громкость звука не самое важное, а предпочтение отдается качеству звучания, то этот УМЗЧ будет как раз кстати. Выходной каскад, выполненный по двухтактной схеме на комплементарной паре мощных полевых транзисторов с изолированным затвором обеспечивает качество звучания субъективно сродни «ламповому».

Да объективные характеристики весьма не плохи:

Усилитель звука на полевых транзисторах

Предварительная часть низкой частоты выполнена на А1. Сигнал с его выхода поступает на выходной двухтактный каскад на противоположных полевых транзисторах с изолированным затвором — 2SK1530 (n-канал) и 2SJ201 (р-канал). На затворах транзисторов создается необходимое напряжение смещения с помощью резисторов R8, R9 и диодов VD3 и VD4.

Диоды устраняют искажения «ступенька», создавая исходную разность потенциалов между затворами полевых транзисторов.Стабилизирующее напряжение ООС снимается с выхода выходного каскада и через цепь R4-C6 поступает на инверсный вход операционного усилителя А1, который является так же и входом УМЗЧ.

Коэффициент усиления по напряжению зависит от соотношения сопротивлений резисторов R1 и R4. Изменяя сопротивление R1 можно в достаточно широких пределах регулировать чувствительность этого УМЗЧ, приспособляя его под выходные параметры имеющегося предварительного УЗЧ. При этом следует знать, что, как обычно, увеличение чувствительности ведет в увеличению искажений. Так что здесь должен быть разумный компромисс.

Напряжение питания ±25В, можно использовать нестабилизированный источник, но обязательно хорошо отфильтрованный от пульсаций фона переменного тока. питается двуполярным напряжением ±18V от двух параметрических стабилизаторов на основе стабилитронов VD1 и VD2. Вместо транзистора 2SK1530 можно использовать более старые 2SK135, 2SK134, Вместо транзистора 2SJ201 можно использовать 2SJ49, 2SJ50.

Транзисторы должны быть установлены на теплоотвод. Транзисторы 2SK1530 и 2SJ201 имеют такую конструкцию корпуса, что радиаторной пластины, контактирующей с кристаллом у них нет, их корпус выполнен из керамо-пластика, хорошо проводящего тепло, но не проводящего электричества. Поэтому транзисторы можно установить на общий радиатор. Если же будут использованы транзисторы с радиаторными пластинами, имеющими электрический контакт с кристаллом, то необходимо их установить на разные радиаторы, изолированные друг от друга или использовать тщательное изолирование с помощью слюдяных прокладок.

В любом случае, между теплоотводящей поверхностью корпуса транзистора и радиатором должна быть теплопроводная паста, она закрывает неровности в соприкосновении корпуса транзистора и радиатора и так образом увеличивает реальную площадь соприкосновения, что способствует лучшему теплоотводу. Операционный NE5534 можно заменить практически любым ОУ, например, КР140УД608 или каким-то другим вариантом.Диоды 1N4148 можно заменить на КД522 или КД521.

Стабилитроны 1N4705 можно заменить любыми другими стабилитронами, рассчитанными на напряжение стабилизации 18В, либо каждый из них заменить двумя последовательно включенными стабилитронами, дающими в сумму 18В (например, 9В и 9В). Конденсаторы С1 и С4 должны быть на напряжение не ниже 35В, конденсаторы С7 и С8 на напряжение не ниже 50В. Несмотря на наличие электролитических конденсаторов С7 и С8 по питанию, на выходе источника питания должны быть конденсаторы значительно большей емкости чтобы обеспечить качественное подавление пульсаций переменного тока на выходе источника питания.

Монтаж выполнен на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита с односторонним расположением печатных дорожек (рис.2). Способ изготовления печатной платы может быть любым доступным. Печатные дорожки не обязательно должны точно повторять форму показанных на рисунке, — важно чтобы обеспечивались необходимые соединения.

Последние сообщения

Популярные сообщения