Как работает усилитель класса D, или Не такой как все • Stereo.ru
При всем разнообразии схемотехнических решений, применяемых в усилителях звука, между ними можно без труда проследить преемственность и постепенное, эволюционное развитие. Сначала был класс А, потом В, потом АВ и все следующие за ним, которые по сути своей являются дальнейшим развитием класса АВ или А со всеми прилагающимися к этому достоинствами и недостатками. Но как же хорошо, что среди производителей Hi-Fi есть настоящие новаторы, которые не боятся внедрять смелые технологические решения! Иначе мы с вами никогда бы и не узнали о существовании усилителей класса D.
История
В мире Hi-Fi класс D имеет самую тяжелую судьбу, и его развитие происходило не благодаря объективным преимуществам, а скорее вопреки сложившемуся мнению. Началось все с того, что классу D буквально сразу повесили обидный, по мнению некоторых аудиофилов, ярлык «цифровой усилитель». И хотя некоторые принципы его работы действительно напоминают работу цифровых схем, по своей сути это абсолютно аналоговое устройство.
Еще одно заблуждение сопровождающее класс D — возраст. Есть мнение, что класс D был разработан совсем недавно и является побочным продуктом современных цифровых технологий. На самом деле, класс D имеет богатую историю, и его первые реализации проектировались еще в эпоху радиоламп. Использовать схемотехнику такого типа для усиления звука (класс D в ламповом исполнении) предложил наш соотечественник Дмитрий Агеев, и произошло это в 1951 году. Примерно в это же время над практической реализацией подобного устройства работал английский ученый Алекс Ривз, а в 1955 году их коллега Роже Шарбонье из Франции, создавая аналогичную схему, впервые применил термин «класс D».
В самом начале, когда велись главным образом теоретические изыскания, судьба класса D казалась безоблачной. Его расчетные характеристики в буквальном смысле достигали предела совершенства. Однако, первая коммерческая реализация 1964 года выявила массу слабых мест, главное из которых — невозможность добиться по-настоящему достойного качества звучания на элементной базе того времени.
Производители не оставляли надежд, и в семидесятых годах попытки вывести усилители класса D на рынок предпринимали такие гиганты Hi-Fi-индустрии, как Infinity и Sony. Обе затеи провалились по той же самой причине, что и в первый раз. Подходящие по быстродействию и классу точности транзисторы стали производиться серийно лишь в восьмидесятых годах, после чего качественная реализация усилителей класса D и стала реальностью. В наше время усилители класса D можно встретить в совершенно различных устройствах: от смартфонов и бытовой аппаратуры до студийного оборудования и High End-систем.
Принцип работы
В основе принципа работы усилителей класса D и любых его модификаций, в том числе имеющих самостоятельные буквенные обозначения (классы T, J, Z, TD и другие), лежит принцип Широтно-Импульсной Модуляции или, сокращенно, ШИМ. Модуляция сигнала как метод существует довольно давно и используется как способ хранения и передачи информации. Суть ее заключается в том, чтобы модулировать полезным сигналом некую несущую частоту.
Частота выбирается таким образом, чтобы ее было удобно передавать или записывать на носитель. Процесс воспроизведения подразумевает обратную последовательность: выделение полезного сигнала из модулированной несущей частоты. По такому принципу работает и цифровая техника, и радиосвязь, и теле-радиовещание. Тонкость состоит в том, что в случае с ШИМ преследуется совершенно иная цель. Модуляция позволяет привести сигнал в такой вид, чтобы его усиление было максимально простым и эффективным процессом.
В основе схемотехники класса D лежит генератор СВЧ-импульсов (исчисляемых сотнями МГц) несущей частоты и компаратор — устройство, модулирующие эти импульсы, соответственно форме входящего аналогового сигнала. Далее все просто. Модулированный сигнал имеет форму импульсов равной амплитуды, но разной продолжительности, которые усиливаются с помощью пары симметрично включенных быстродействующих транзисторов типа MOSFET. Далее в схеме используется простейший LC-фильтр, демодулирующий усиленный сигнал, а также отсекающий несущую частоту и сопутствующий высокочастотный шум.
Упоминание транзисторов, используемых для усиления порождает резонный вопрос: «а не проще было бы сразу усилить аналоговый сигнал без всяких модуляций?». И именно этот вопрос раскрывает суть усилителей класса D. В обычных усилителях классов A, B, G и прочих их производных транзистор работает с широкополосным сигналом, постоянно меняющимся и по амплитуде, и по частоте. Поведение даже самого лучшего транзистора на разных амплитудах и частотах не 100% одинаково, что неизбежно приводит к искажениям, которые мы знаем как окрашенность или «характер» усилителя. Модулированный сигнал в усилителях класса D меняется дискретно и на полную амплитуду. Таким образом, режим работы транзисторов существенно упрощается и становится куда более прогнозируемым. По сути, они выступают в роли ключа, находясь либо в закрытом, либо в открытом состоянии без промежуточных значений.
Все, что требуется в таком режиме от транзистора — максимально быстро реагировать на изменение уровня сигнала, а поведение его на промежуточных значениях амплитуды не имеет значения.
Кроме того, данный режим работы транзистора крайне положительно сказывается на энергоэффективности усилителя, доводя его теоретический КПД до 100%.
Второй наиболее очевидный вопрос касается сходства модулированного аналогового и цифрового сигналов. Обычно это даже не вопрос, а утверждение: «Усилитель класса D — цифровой, а значит правильно подавать на его вход цифровой сигнал, а не аналоговый». Процесс модуляции аналогового сигнала на входе усилителя класса D, действительно, очень напоминает то, что происходит в АЦП при оцифровке звука, однако принцип модуляции принципиально отличается от того, что используется в формате PCM.
Именно по этой причине цифровые входы интегрированных усилителей, работающих в классе D, используют вполне традиционную схему ЦАПа, с аналогового выхода которой сигнал и поступает на вход платы усилителя мощности. Таким образом, аналоговый сигнал является основным и естественным входящим сигналом для усилителей класса D.
Впрочем, существуют и исключения, которые, если разобраться более детально, ничего не меняют в общей картине, а лишь дополняют типовую схемотехнику класса D.
Небезызвестный Питер Лингдорф, еще будучи разработчиком в компании NAD, успешно реализовал схему прямого преобразования PCM-потока напрямую в формат ШИМ без традиционной процедуры цифроаналогового преобразования. Эта технология получила название Direct Digital, или говоря по-русски: прямое усиление цифрового сигнала.
Таким образом удалось сократить протяженность и понизить сложность звукового тракта, а единственное цифроаналоговое преобразование в подобной схеме производится непосредственно перед акустическими клеммами. Однако стоит заметить, что для работы такого усилителя с аналоговым сигналом он должен также иметь и классический входной каскад, использующийся в традиционных усилителях класса D.
На текущий момент технология прямого усиления «цифры» еще не стала массовым явлением, вероятно, потому что г-н Лингдорф грамотно оформил патентные права на технологию или просто предпочитает не раскрывать коллегам всех секретов. Но не так давно подобная схема была успешно реализована в портативной технике, что позволяет надеяться на более широкое распространение технологии в будущем.
Не исключено, что спустя некоторое время класс D действительно станет цифровым усилителем.
Плюсы
Главный плюс усилителей класса D, ради которого и затевалась история с модуляцией сигнала — энергоэффективность. Причем и в теоретических выкладках, и в реальных цифрах это дает такой прирост КПД, с которым хоть как-то может сравниться разве что переход от класса А к классам В и АВ, а все достижения класса G и прочих на его фоне кажутся довольно слабой попыткой.
Работая в импульсном режиме, половину времени транзистор проводит в полностью закрытом состоянии, а значит имеет нулевой ток покоя и не потребляет энергии. При этом в момент включения транзистор работает на полную мощность, перенаправляя всю энергию, поступающую от блока питания, на выход усилителя.
В итоге, эти самые теоретические 100% КПД при практической реализации дают действительно превосходные значения порядка 90–95%. А поскольку лишь единицы процента энергии расходуются на нагрев транзисторов, радиаторы можно использовать исчезающе малого размера.
Для получения на выходе 100–200 Вт на канал усилитель класса АВ должен иметь радиаторы, занимающие одну или обе боковых стенки корпуса, а усилитель класса D обойдется кусочком алюминия размером в один-два спичечных коробка.
Кстати, то же самое можно сказать о размере платы усилителя мощности: в классе D она получается в разы компактнее, даже если собирается не на микросхемах, а на дискретных элементах. Ну и в завершение всего, усилители класса D имеют меньшую себестоимость, нежели сопоставимые по мощности модели других классов. Впрочем, последнее касается скорее DIY-проектов — производители же предпочитают вкладывать сэкономленные деньги в повышение качества звучания и прочие усовершенствования, тем более что в классе D и вправду есть что улучшать.
Минусы
Обладая совершенно убийственными преимуществами, класс D не завоевал рынок Hi-Fi целиком и полностью лишь потому, что имеет свои слабые места, которые для многих ценителей качественного звука выглядят куда более значительными, нежели энергоэффективность.
Наличие в схеме высокочастотного генератора само по себе является потенциальным источником электромагнитных помех, негативно влияющих на звучание самого усилителя и на работу соседствующих с ним компонентов звукового тракта.
Неподготовленный слушатель, возможно, не заметит данного эффекта или не придаст ему значения, но в индустрии Hi-Fi и High End, когда всякая мелочь имеет значение, такое соседство не приветствуется и вынуждает инженеров совершенствовать фильтрующие схемы и идти на прочие ухищрения, чтобы исключить влияние вредоносного СВЧ-генератора несущей частоты на воспроизводимый аудиосигнал.
Высокий КПД усилителей класса D стал причиной одной специфической особенности: высокой зависимости качества и характера звучания от блока питания. Если производитель решит использовать импульсный источник питания и не озаботится достаточным количеством фильтрующих схем, часть шумов обязательно проникнет в колонки и подпортит впечатление от звучания. Плохой блок питания, конечно, и классу АВ на пользу не пойдет, но именно в классе D эта проблема проявляется наиболее остро.
Особенности
Описание плюсов и минусов схемотехники класса D дают совершенно недвусмысленные намеки на то, чем в первую очередь должны заниматься разработчики, которые стремятся добиться от усилителей максимального качественного звука.
Проблему питания усилителей класса D разработчики решают двумя способами. Одни идут проверенным путем, используя классические линейные блоки питания с огромными тороидальными трансформаторами и прочими классическими решениями. Но есть и другой путь, которым идет меньшая часть разработчиков. При должном умении вполне можно создать малошумящий импульсный блок питания, пригодный для установки в усилителях высшего класса качества. И именно они способны дать фору самым мощным и солидным линейным блокам питания за счет лучшего КПД и быстродействия, а как следствие — лучшей динамики звучания и мгновенной реакции усилителя на большие перепады уровней сигнала.
Что же касается специфики работы самого усилителя класса D, его схемотехника обеспечивает существенно более высокий коэффициент демпфирования в сравнении с классом АВ и другими схемотехническими решениями.
Это гарантирует не только стабильную работу со сложной нагрузкой, быстрый, четкий бас и большой динамический диапазон, но также обеспечивает меньший уровень искажений, отсутствие каши, вялой атаки или смазывания фронтов и самое главное — способность усилителя одинаково справляться с совершенно разноплановой музыкой.
Практика
Почетная обязанность отстаивать честь усилителей класса D в нашем исследовании выпала усилителю Marantz PM-KI RUBY. Этот аппарат имеет образцово-показательную компоновку, демонстрирующую, как нужно создавать современные усилители. Два модуля Hypex NCore 500, работающие в классе D, питаются от специального малошумящего импульсного блока питания. При этом в конструкции усилителя присутствует классический предварительный каскад, выстроенный на дискретных элементах, согласно фирменной технологии HDAM от Marantz, которая использовалась и в традиционных усилителях класса АВ.
Предварительный каскад питается от линейного блока питания, тороидальный трансформатор которого, судя по размерам, имеет многократный запас мощности, чтобы никоим образом не повлиять на динамику и чистоту звучания.
Другими словами, в одном корпусе сочетаются два подхода: классический для предварительного усилителя и современный для усилителя мощности.
Все это обильно приправлено типичным для High End-моделей вниманием к мелочам вроде омедненного шасси, улучшенной виброразвязки, сокращения путей сигнала, симметричной топологии плат, строгого отбора деталей по параметрам и т.п.
В результате, мы имеем едва ли не самый совершенный с технической точки зрения аппарат с коэффициентом демпфирования 500, искажениями менее 0,005% и энергопотреблением 130 Вт при выходной мощности до 200 Вт на канал при 4 Ом нагрузки. Впрочем, всякую претензию на совершенство в мире звука надлежит проверить практикой.
Звук
Усилитель выдает очень свободное красивое звучание с превосходной детализацией, богатыми тембрами и длинными естественными послезвучиями живых инструментов. Сцена выстраивается максимально точно и масштабно, с достоверной передачей пропорций и местоположения виртуальных источников звука в пространстве.
Все вполне соответствует представлениям о том, как должен играть хороший усилитель категории High End. Никакой синтетики, жесткости или «дискретности», которую в звучании класса D обнаруживают некоторые адепты старой школы, не наблюдается. Напротив, Marantz PM-KI RUBY успешно сочетает лучшие объективные характеристики с фирменной утонченной и легкой подачей музыкального материала.
Это типично «марантцовское» звучание проявляется, в первую очередь, в излишней интеллигентности при воспроизведении металла и тяжелого рока. В то же время классика любых составов, джаз и вокал звучат очень живо и натурально. Весьма похожий, возможно, даже чуть более красивый и приторный характер звучания проявляли усилители Marantz прошлых лет, работающие в классе АВ, что позволяет сделать вывод о нейтральном характере звучания усилителей мощности класса D.
Подключение к усилителю Marantz PM-KI RUBY акустики разной мощности, с разной чувствительностью и разным импедансом дало вполне ожидаемый результат: отсутствие какой либо выраженной реакции на изменение этих параметров.
С любой стереопарой усилитель справлялся одинаково уверенно.
Даже на самой сложной нагрузке и на высокой громкости на удивление стабильно воспроизводились нижние ноты контрабаса — они звучали абсолютно четко, без гула, с натуральной передачей ощущения вибрирующей струны и откликающейся на эту вибрацию деки инструмента. Одним словом, все происходило ровно так, как и должно происходить с усилителем, имеющим заявленное сочетание мощности и коэффициента демпфирования.
Выводы
Все основные преимущества класса D вполне подтверждаются практикой. Но если с точки зрения энергопотребления и других измеряемых характеристик ситуация абсолютно очевидная и бесспорная, звучание по-прежнему остается вопросом дискуссионным. Класс D в чистом виде дает максимально качественный и, как следствие, — нейтральный, не окрашенный звук. Такое придется по вкусу далеко не всем и с наименьшей степенью вероятности порадует тех, чьи предпочтения формировались через прослушивание ламповой и прочей ретро-техники.
С этой точки зрения разработчики Marantz продемонстрировали житейскую мудрость, придав своему усилителю фирменный характер звучания путем установки оригинальных модулей предварительного усиления. Одновременно с этим существуют другие производители, в том числе адепты максимально точного и нейтрального звучания, которые используют потенциал класса D, согласно своим представлениям о прекрасном.
В целом же, вывод такой: если производитель не экономил на ключевых элементах схемы, в результате мы получаем усилитель максимально близкий к совершенству. Остальное — дело вкуса.
Статья подготовлена при поддержке компании «Аудиомания», тестирование усилителей проходило в залах прослушивания салона.
Полезные материалы в разделе «Мир Hi-Fi» на сайте «Аудиомании» и Youtube-канале компании:
• Слушаем музыку с компьютера правильно. Три основных способа
• Что за музыка была «зашита» в популярных ОС
• Что такое Roon? [видео]
Третье поколение микросхем УМЗЧ класса D от Texas Instruments
Усилители мощности звуковой частоты (УМЗЧ) класса D постоянно совершенствуются.
Компания Texas Instruments занимается разработкой и производством микросхем для УМЗЧ класса D более 20 лет и выпускает уже третье поколение этих микросхем. Настоящая статья посвящена особенностям и принципам работы микросхем УМЗЧ класса D третьего поколения от Texas Instruments (TI).
Если проследить историю развития схемотехники микросхем УМЗЧ класса D, то можно заметить следующую тенденцию. Первые микросхемы для УМЗЧ класса D были, собственно, не усилителями мощности, а драйверами для управления выходным двухтактным УМ. Они содержали ШИМ (широтно-импульсный модулятор) и предоконечные каскады усиления. Современные микросхемы имеют такую структуру только для очень мощных усилителей, но и из этого правила тоже есть исключения. Примером тому может служить микросхема MP7781 [2], которая производится американской фирмой MPS (Monolithic Power Systems). Эта микросхема представляет собой монофонический УМЗЧ класса D с мостовым выходом и выходной мощностью 80 Вт.
После этого мощные биполярные и полевые транзисторы начали встраивать в микросхемы УМЗЧ и широко использовать мостовое включение этих транзисторов.
В англоязычной литературе такое включение сокращенно обозначают аббревиатурой BTL (Bridge Tied Load — мостовое подключение нагрузки, то есть громкоговорителя). Использование BTL и некоторых ноу-хау, патентованных компанией Texas Instruments, о которых мы будем говорить ниже, позволило в ряде УМЗЧ класса D отказаться от одной из самых дорогих и громоздких деталей—дросселя выходного фильтра. Точнее — от всего выходного фильтра. Отсутствие фильтра низких частот (ФНЧ) на выходе — не единственное достоинство технологии и схемотехники мостовых УМЗЧ класса D третьего поколения от Texas Instruments. Чтобы разобраться в этих усилителях, рассмотрим вкратце те особенности традиционных УМЗЧ класса D с мостовым выходом, на которые не всегда обращают внимание как производители микросхем, так и разработчики устройств на этих микросхемах.
Особенности традиционных УМЗЧ класса D с мостовым выходом
Основные принципы работы УМЗЧ класса D, а также УМЗЧ класса A, B и AB с мостовым выходом относительно подробно рассмотрены автором ранее [1–2].
Кратко повторим основные моменты. В режиме работы класса D происходит преобразование входного сигнала в импульсы прямоугольной формы одинаковой амплитуды, длительность которых пропорциональна мгновенной амплитуде сигнала в каждый заданный момент времени (ШИМ — широтно-импульсная модуляция). Активные элементы выходного каскада при этом работают в ключевом режиме и имеют два состояния. Транзистор заперт или открыт до насыщения. Усилители класса D имеют большой КПД, так как основные потери энергии на выходных мощных ключах происходят только в момент переключения, при насыщении потери энергии минимальны и будут тем меньше, чем меньше сопротивление насыщенного ключа. Обычные усилители класса D имеют КПД более 90% и достаточно большой коэффициент нелинейных искажений (около 10%), но применение новых технологий (ноу-хау производителей) позволяет снизить коэффициент нелинейных искажений до долей процента. УМЗЧ класса D содержит генератор пилообразного напряжения, частота которого лежит значительно выше звукового диапазона, и широтно-импульсный модулятор (ШИМ).
ШИМ преобразует «пилу» от генератора в прямоугольные импульсы, длительность которых зависит от мгновенного значения напряжения НЧ-сигнала (сигнала звука). Эти импульсы управляют двухтактными выходными ключами, которые нагружены на громкоговоритель через ФНЧ. ФНЧ пропускает на громкоговоритель звуковую составляющую выходного сигнала и подавляет импульсные составляющие, имеющие более высокие частоты [1–2].
УМЗЧ с мостовым выходом имеет два одинаковых комплементарных или квазикомплементарных выходных усилителя (канала), которые работают в противофазе. Нагрузка (громкоговоритель) включается между выходами этих каналов [1–2].
Упрощенная схема традиционного УМЗЧ класса D с мостовым выходом показана на рис. 1.
Упрощенная схема традиционного УМЗЧ класса D с мостовым выходом (Рис. 1)
Рис. 1. Упрощенная схема традиционного УМЗЧ класса D с мостовым выходом
Этот УМЗЧ состоит из генератора пилообразного напряжения, каскада ШИМ и двух одинаковых инвертирующих усилителей (каналы 1 и 2).
На выходах каждого из каналов перед громкоговорителем установлены ФНЧ: L1, C5 и L2, C6. Конденсаторы C1–C4 — разделительные. R1, R2 — делитель напряжения сигнала на входе канала 2.
Рассмотрим работу этого УМЗЧ в режиме покоя, то есть при отсутствии сигнала на входе.
Это именно тот режим, которому уделено мало внимания в различной радиотехнической литературе и технической документации.
Эпюры напряжений в некоторых узловых точках и выходного тока этой схемы в режиме покоя изображены на рис. 2.
Эпюры напряжений и выходного тока традиционного УМЗЧ класса D с мостовым выходом в режиме покоя (Рис. 2)
Рис. 2. Эпюры напряжений и выходного тока традиционного УМЗЧ класса D с мостовым выходом в режиме покоя
Пилообразное напряжение от генератора поступает на ШИМ, где преобразуется в симметричные прямоугольные импульсы, так как на схему в режиме покоя не подан НЧ-сигнал звука. На выходах OUTN (е) и OUTР (г) эти импульсы будут противофазны (см.
рис. 2) и будут иметь размах, близкий к напряжению питания (в данном примере 5 В). Между этими выходами размах сигнала увеличится вдвое (от –5 до +5 В). Это приводит к тому, что через ФНЧ и частично через громкоговоритель в режиме покоя будет протекать заметный высокочастотный ток. Он будет иметь пилообразную форму, так как в ФНЧ происходит интегрирование сигнала. Некоторые потери энергии в режиме покоя неизбежны.
Ноу-хау компании Texas Instruments позволяют не только уменьшить эти потери, но и отказаться от самого ФНЧ, установив вместо него шунтирующий нагрузку по ВЧ конденсатор небольшой емкости.
Основные принципы работы УМЗЧ класса D с мостовым выходом без ФНЧ
Упрощенная схема этого УМЗЧ показана на рис. 3. Он также содержит два выходных усилителя (канала), НЧ-сигналы на выходах которых имеют одинаковый размах, но противоположные фазы.
Упрощенная схема УМЗЧ класса D с мостовым выходом без ФНЧ (Рис. 3)
Рис. 3. Упрощенная схема УМЗЧ класса D с мостовым выходом без ФНЧ
В каждом канале имеется свой ШИМ.
Причем прямоугольные сигналы в режиме покоя на выходе схемы вовсе не противофазны, как в предыдущей схеме, а синфазны или имеют небольшой фазовый сдвиг (см. рис. 4).
Эпюры напряжений и выходного тока УМЗЧ класса D с мостовым выходом без фильтра в режиме покоя (вверху) и при положительном мгновенном значении НЧ-сигнала (внизу) (Рис. 4)
Рис. 4. Эпюры напряжений и выходного тока УМЗЧ класса D с мостовым выходом без фильтра в режиме покоя (вверху) и при положительном мгновенном значении НЧ-сигнала (внизу)
Это достигается с помощью инвертора (рис. 3) с коэффициентом усиления по напряжению равным 1 (KU = 1). В результате на громкоговоритель в режиме покоя в худшем случае поступают противофазные симметричные импульсы малой длительности (рис. 4). Для их сглаживания используется небольшая емкость и индуктивность громкоговорителя. Сравнив рис. 4 и рис. 2, легко заметить, что ток нагрузки в режиме покоя заметно ниже в схеме рис. 3, чем в схеме рис.
1. В режиме усиления входного НЧ-сигнала звука ШИМы работают в противофазе, то есть если длительность импульсов на выходе одного ШИМ увеличивается, то на выходе другого— уменьшается, и наоборот (рис. 4). Это приводит к асимметрии импульсов, прикладываемых к нагрузке, а значит, к появлению в токе громкоговорителя составляющей, величина которой зависит от разности длительности импульсов ШИМ 1 и ШИМ2. Эта составляющая меняется по закону входного НЧ-сигнала звука и будет преобразовываться громкоговорителем в акустические колебания.
Обзор микросхем УМЗЧ класса D фирмы Texas Instruments
Корпорация Texas Instruments производит множество микросхем для УМЗЧ класса D. До сих пор в изделиях и в продаже можно встретить микросхемы первого поколения, такие как TL1451, TL1453 и другие, которые были разработаны еще в начале 80-х годов. Но на много интереснее более поздние микросхемы УМЗЧ класса D. В одном из последних релизов представлено 19 таких микросхем. Их основные параметры и характеристики приведены в таблице 1.
Таблица 1. Параметры микросхем УМЗЧ класса D фирмы Texas Instruments
Рассмотрим подробнее две микросхемы УМЗЧ класса D из этой таблицы, одна из которых — монофонический усилитель, а другая — стереофонический.
Микросхема TPA2000D1 фирмы Texas Instruments
Микросхема TPA2000D1 фирмы Texas Instruments представляет собой монофонический УМЗЧ класса D с мостовым выходом без ФНЧ и плавным (без щелчка) включением и выключением. Микросхема способна развивать мощность 2 Вт на нагрузке сопротивлением 4 Ом и нелинейных искажениях менее 1%. Диапазон рабочих температур составляет –40…+85 °C. Коэффициент усиления микросхемы можно устанавливать равным 6 дБ (2 раза), 12 дБ (4 раза), 18 дБ (8 раз) и 23,5 дБ (15 раз), задавая логические уровни на входах установки усиления GAIN0 и GAIN1. Она питается от одиночного источника питания +2,7…+5,5 В. Микросхема УМЗЧ TPA2000D1 изготавливается в одном из двух корпусов для поверхностного монтажа: TSSOP с 16 выводами (TPA2000D1PW) или MicroStar Junior BGA с 48 выводами (TPA2000D1GQC).
Эти корпуса в фирменной документации называют и обозначают по-разному. Так, первый из них может обозначаться как 16TSSOP, PW или R-PDSO-G16, а второй — 48VFBGA, GQC или S-PBGA-N48.
Корпус 16TSSOP достаточно распространен. Поэтому его внешний вид и расположение выводов мы не приводим. Его размеры 5×4,5мм (без выводов). Он имеет двустороннее расположение выводов с шагом 0,65 мм. Корпус 48VFBGA (рис. 5) встречается заметно реже. Он имеет 48 выводов каплеобразной формы, которые расположены снизу корпуса в виде матрицы 7×7 с шагом 0,5 мм. Вывод С3 отсутствует. Размер корпуса 4×4 мм.
Размеры и расположение выводов корпуса 48VFBGA (MicroStar Junior BGA) (Рис. 5)
Рис. 5. Размеры и расположение выводов корпуса 48VFBGA (MicroStar Junior BGA)
Функциональная схема TPA2000D1 показана на рис. 6, а назначение выводов микросхемы сведено в таблицу 2. В таблице 3 показана зависимость коэффициента усиления и входного сопротивления микросхемы TPA2000D1 от логических уровней на входах GAIN0 и GAIN1.
Функциональная схема микросхемы TPA2000D1 (Рис. 6)
Рис. 6. Функциональная схема микросхемы TPA2000D1
Таблица 2. Назначение выводов микросхемы TPA2000D1 фирмы Texas Instruments в разных корпусах
Таблица 3. Зависимость коэффициента усиления и входного сопротивления микросхемы TPA2000D1 от логических уровней на входах GAIN0 и GAIN1
Из рис. 6 и таблицы 2 видно, что в микросхема TPA2000D1 имеет дифференциальный вход, мостовой выход и вход SHUTDOWN. При подаче низкого потенциала на вход SHUTDOWN выходные каскады обоих каналов плавно запираются, и потребление микросхемы значительно снижается. При высоком уровне управляющего напряжения на этом выводе схема запуска и защиты (Start-Up Protection Logic) поддерживает микросхему во включенном состояниии отключает ее только при перегрузке.
Типовая схема включения микросхемы TPA2000D1 показана на рис. 7.
Типовое включение микросхемы TPA2000D1 (Рис. 7)
Рис.
7. Типовое включение микросхемы TPA2000D1
Конденсаторы C4, C5, C6, C8 блокируют источник питания по переменной составляющей тока микросхемы. Конденсаторы C2, C3 — разделительные, а C7 блокирует неинвертирующие входы обоих каналов усиления напряжения, создавая заземленную среднюю точку. R1, C1 — времязадающая цепь генератора пилообразного напряжения (Ramp Generator). Для обеспечения устойчивой работы ШИМ и всей схемы частота этого генератора должна быть в пределах 200–300 кГц. Эту частоту можно посчитать по формуле: fs = 6,6/R1×C1.
Указанные на схеме рис. 7 номиналы R1 и C1 обеспечивают рабочую частоту 250 кГц. Резистор времязадающей цепи должен иметь допуск не более 10%, а конденсатор — 5%.
Особенности микросхемы УМЗЧ TPA2012D2 фирмы Texas Instruments
Микросхема TPA2012D2 фирмы Texas Instruments представляет собой стереофонический УМЗЧ класса D с мостовым выходом без ФНЧ и плавным (без щелчка) включением и выключением. Она имеет дифференциальные входы и раздельные входы плавного выключения (SHUTDOWN) для каждого из стереоканалов, а также общий генератор пилообразного напряжения без внешних времязадающих цепей.
Условно можно говорить, что УМЗЧ TPA2012D2 — это два усовершенствованных УМЗЧ TPA2000D1 в одном корпусе. Это видно из функциональной схемы микросхемы TPA2012D2 (рис. 8).
Функциональная схема микросхемы TPA2012D2 фирмы Texas Instruments (Рис. 8)
Рис. 8. Функциональная схема микросхемы TPA2012D2 фирмы Texas Instruments
Напряжение питания микросхемы 2,5–5,5 В. При напряжении питания 5 В на нагрузке 4 Ом она обеспечивает выходную мощность до 2,1 Вт, а на нагрузке 8 Ом — 1,4 Вт в каждом канале. При питании от источника 3,6 В и нагрузке 8 Ом — 720 мВт в каждом канале.
Микросхема изготавливается в корпусе QFN размером 4×4 мм, который имеет 20 выводов (рис. 10). Кроме того, планируется «упаковка» микросхем в корпус WCSP еще меньших размеров (2×2 мм), с 16 каплеобразными выводами. Назначение выводов микросхемы TPA2012D2 в обоих корпусах сведено в таблицу 4.
Типовое включение микросхемы TPA2012D2 (Рис. 9)
Рис.
9. Типовое включение микросхемы TPA2012D2
Расположение выводов корпуса 20QFN (Рис. 10)
Рис. 10. Расположение выводов корпуса 20QFN
Таблица 4. Назначение выводов микросхемы TPA2012D2 фирмы Texas Instruments в разных корпусах
Литература
- Безверхний И. Микросхемы УМЗЧ для переносных компьютеров и игрушек // Компоненты и технологии. 2005. № 1.
- Безверхний И. Современные микросхемы для УМЗЧ класса D фирмы MPS // Современная электроника. 2004. № 1.
- www.ti.com.
- 2 W filterless mono class-D audio power amplifier. Texas Instruments.
- 2.1 W/ch stereo filter-free class-D audio power amplifier. Texas Instruments.
|
Схемотехника УЗЧ 
Просмотр перед вставкой: 
Цельсия
..]
IMS STK082 предназначен для использования в магнитофонах, электрофонах, телевизионных и радиоприемниках и другой аудиоаппаратуре высокого класса с двухполярным питанием. Микросхемы не имеют выходной защиты от короткого замыкания в нагрузке. Основные технические характеристики: Максимальное напряжение питания ± 43 […]
..]
Цельсия
..
Ссылка на TDA7265 (DataSheet) |
Особенности использования микросборки:
Широкий диапазон питающих напряжений (до ±25 В)
Двухполярный блок питания
Достаточно большая выходная мощность 2х25Вт
Отсутствие шума при выключении и включении
Есть режим отключения звука (MUTE)
Режим ожидания (STAND-BY) присутствует
Низкое потребление тока в режиме STAND-BY
Защита от короткого замыкания и защита от перегрева
Предельные параметры микросборки и основные технические характеристики представлены в справочнике по ссылке выше.
Распиновка выводов TDA7265 там же и на рисунке чуть выше.
УНЧ на TDA7265 |
Схема УНЧ принципиальная:
Расположение радиодеталей на печатной плате в сборе показано на фото ниже:
Чертеж печатной платы, выполненный в радиолюбительской утилите Sprint-LayOut, добавлен в папку с даташитом на микросборку и забрать весь этот архив можно по ссылке выше.
Вариант сборки с альтернативной разводкой печатной платы Собран из тех компонентов, которые оказались в нужное время в нужном месте. Конденсаторы были еще в СССР, спаяны из старых разных плат. Мы работали 30 лет и будем работать дальше, но на всякий случай я их проверил. Блок питания обеспечивает питание TDA7265, а также формирует двухполярное напряжение +/- 15В для питания операционных усилителей (обычных повторителей). Размеры платы конечно впечатляют. она собиралась на строго определенные места. Также я добавил схему гасителя импульсов самоиндукции (в момент отключения обмотки трансформатора от сети в ней возникает импульс самоиндукции, между контактами выключателя возникает дуговой разряд, и в сеть поступает шум.
Схема ниже, плата на фото выше).
Плата в том же архиве, что и выше.
Силовой транзистор на схеме лампы. Двухтактный ламповый усилитель на ЕСС85 и EL34
При проектировании ламповых усилителей мощности звука (УМЗЧ) многие авторы используют выходные каскады, работающие в классе А. Они аргументируют свое решение минимальным коэффициентом нелинейных искажений таких каскадов. Однако каскады, работающие в классе А, имеют довольно приличный начальный ток анода (рабочая точка лежит в середине линейного участка характеристики лампы). Следовательно, эффективность лампы будет очень низкой. Постоянный ток, протекающий через лампу, нагревает ее электроды. Если не предусмотреть принудительное охлаждение ламп, их электроды будут интенсивно разрушаться. Следует отметить, что при построении усилителей класса А с выходной мощностью 10…20 Вт еще можно создать компактную систему охлаждения. Но если пересчитать усилитель, например, на 100 Вт, то придется соорудить весьма громоздкий «кулер».
Поэтому выгоднее использовать более экономичный режим работы ламп класса В. Недостатком этого режима является повышенный уровень нелинейных искажений. Это связано с тем, что в этом режиме рабочая точка лампы лежит на более нелинейном начальном участке характеристики лампы. При двухтактной схеме включения ламп это вызывает искажения в виде «ступеньки». Есть очень простой способ компенсировать такие искажения. Для этого усилитель должен быть охвачен глубокой отрицательной обратной связью.
Предлагаемый усилитель питается от двухтрансформаторного блока питания (рис. 1). Трансформатор ТЗ обеспечивает питание анодных цепей всей схемы и сеточных цепей выходных ламп усилителя, Т4 формирует напряжения накала, напряжения смещения на сетках выходных ламп и напряжения для питания усилительного вентилятора. Для снижения уровня фона накала лампы предварительный усилитель осуществляется от источника постоянного тока.
Рис. 1. Двухтрансформаторный блок питания
Принципиальная схема усилителя показана на рис.
2. На компактном двойном триоде VL1 собран предварительный усилитель. Входные уровни регулируются переменными резисторами R1 и R2. Сигналы левого и правого каналов подаются на трехполосные регуляторы тембра. Далее сигналы через усилитель на двойном триоде VL2 поступают на фазоинверторы на двойном триоде VL3. Корректирующие RC-цепи, подключенные к катодам триодов ВЛ2, уменьшают нелинейные искажения усилителя и предотвращают его возбуждение на инфранизких частотах. На анодах ВЛ3 получаются противофазные сигналы, необходимые для работы двухтактных выходных каскадов. Противофазные сигналы «раскачиваются» предусилителями на двойных триодах VL4, VL5 до уровней, необходимых для возбуждения выходных ламп VL6…VL9. Оба тетрода в каждой лампе соединены параллельно для увеличения выходной мощности. Ламповой нагрузкой служат выходные трансформаторы Т1, Т2.
Рис. 2. Принципиальная схема усилителя (нажмите, чтобы увеличить)
Трансформаторы согласовывают высокое сопротивление ламп с сопротивлением динамиков.
Усилитель собран в дюралюминиевом корпусе. Вентиляторы M1 и M2 расположены так, что они обдувают выходные лампы. XS1 — разъем «ДЖЕК» или «миниДЖЕК». Р1, Р2, Р11, Р13, Р15, Р17, Р19, R21 – любые переменные резисторы подходящего типа. SA1 должен выдерживать ток до 6 А при напряжении питания 220 В. Для Т1 и Т2 используются Ш-образные сердечники сечением 32х64 мм. Обмотки I, III содержат по 600 витков провода ПЭВТЛ-2 диаметром d0,4 мм, а обмотки IIа и IIб содержат по 100 витков того же провода. Обмотка IV содержит 70 витков провода ПЭВ-2 d1,2 мм. ТЗ и Т4 намотаны на тороидальных сердечниках сечением 65х25 мм (Т3) и 40х25 мм (Т4). Т3 имеет первичную обмотку, состоящую из 600 витков провода ПЭВТЛ-2 d0,8 мм, и вторичную обмотку, состоящую из двух обмоток по 570 витков того же провода. Первичная обмотка Т4 состоит из 1600 витков провода ПЭВТЛ-2 d0,31 мм, обмотка II – 500 витков того же провода, III и IV – 52 и 104 витка провода ПЭВТЛ-2 d0,8 мм. Порядок намотки обмоток для Т1 и Т2 показан на рис.
3
Рис. 3. Порядок намотки Т1 и Т2
Сборку усилителя начнем с источника питания. Снимают лампы ВЛ6…ВЛ9 с малых панелей и включают питание. При этом HL1 должен загореться, а М1 и М2 сработать. Измеряют постоянные выходные напряжения, которые должны отличаться от указанных на схеме не более чем на ±10%. Ручки регулировки громкости установлены в крайнее правое положение, а регуляторы тембра в среднее положение. Цепи ООС временно отключены (R52, C46, C47, R75, C38, C51). На входы ЛК и ПК подаются синусоидальные сигналы частотой 1 кГц и амплитудой 250 мВ. Двухканальным осциллографом контролируются противофазные сигналы на анодах ламп ВЛ4, ВЛ5 (их амплитуды должны быть одинаковыми, а форма не должна искажаться). Установить ВЛ6…ВЛ9на место, а к выходам подключить либо акустические системы, либо (лучше) эквиваленты нагрузки (резисторы 8 Ом х 150 Вт). На выходе также должен наблюдаться неискаженный сигнал. Восстановить цепочку охраны окружающей среды. Если усилитель будет с самовозбуждением, следует подобрать емкости С38, С47 или резисторы R52, R75. При этом сильно уменьшить ООС нельзя, так как соответственно увеличится коэффициент нелинейных искажений. На этом настройка усилителя завершена.
Для корректной работы усилителя следует помнить, что включение усилителя без нагрузки категорически запрещено. Несоблюдение этого требования приведет к выходу из строя выходных ламп и трансформаторов.
См. другие статьи. раздел.
Раньше я предвзято относился к звучанию двухтактных ламповых усилителей, считая, что одноактность даст им «на сто очков вперед».
Почему? Был у меня когда-то двухтактный ламповый усилитель, собранный «по какой схеме не знаю» на лампах EL34. Он не прозвучал.
Но тогда я не собирал усилители. И решил для себя закрыть этот вопрос, собрав ПП на EL34. Более того, у меня в запаснике была пара выходных трансформаторов, подаренных одним очень хорошим человеком! Вот такие:
Схема усилителя
Выбрал схему «по Манакову»:
Начал как всегда со сборки корпуса. Не буду останавливаться на технологии его изготовления; Я подробно все описал. Как всегда собрал усилитель на отдельном металлическом шасси, укрепленном внутри корпуса на стойках. Это минимизирует количество отверстий в верхней крышке усилителя. Для изготовления корпуса использовал алюминиевый уголок 20×20х2,0, листы алюминия толщиной 1,5 мм (для верхней крышки) и 1 мм (для нижней крышки и шасси). Обшивка выполнена из древесины бука, окрашена морилкой и лаком в несколько слоев. Дюралюминий крашенный из баллончика. В этот раз колпаки для трансформаторов использовали в готовом виде, заказав их заранее.
На балконе выполнены все механические работы. Я использовал складной верстак, дрель, электролобзик, дисково-шлифовальную машинку, ручной фрезер, дремель и профессиональные бочки. За годы радиолюбительской деятельности я основательно “оброс” хорошими инструментами. Это позволяет мне выполнять многие сложные работы гораздо быстрее и точнее. Но большинство этих работ можно выполнить вручную. С большим количеством времени и усилий, конечно.
Радиодетали, как правило, самые распространенные. В качестве разделителей использованы конденсаторы К78-2 и К71-7, все остальные – “сборная солянка”.
Лампы EL34 куплены уже подобранные в “четвёрку”.
Трансформатор силовой: тор, 270Вх0,6А – анодная вторичка, 50Вх0,1А – вторичка смещения, 2×6,3×4А – для питания накала.
Я внес некоторые изменения в схему.
Вместо лампы 6Н9С я сначала самоуверенно попробовал 6х3П (ЭБ). В итоге получил… “мертвый” звук. Не то! Нисколько. И отверстия под панели просверлены, и шасси уже установлено. Что делать? Начал искать замену этой лампе. Оказалось, что лампа ECC85 (по отзывам коллег на форумах) “очень ровная”. Получил пару. Изменены номиналы резисторов “обвязки”. Аноды 36 кОм (2Вт), катодные резисторы 180 Ом, а смещение около 1,5 В. Сразу скажу, звук очень хороший!
Электронный дроссель
Вместо обычных дросселей использовал «электронный дроссель», собранный по такой схеме:
Замечу, что реальное падение напряжения на дросселе порядка 20-25 В. V. Учитывайте это в своем дизайне!
Также прилагается печатная плата дроссельной заслонки.
Селектор входов
Селектор входов организовал на трех реле TAKAMISAWA (по количеству входов), коммутирующих слаботочный сигнал. Плату для коммутатора не делал, все собрал на макетной плате.
Схема примерно такая:
Для красоты поставил стрелочные индикаторы. Индикаторы управляются отечественной микросхемой К157ДА1. Схема переделана под однополярное питание, печатная плата прилагается.
Выключатель, микросхема К157ДА1 и диоды подсветки индикатора питаются от одного источника стабилизированного напряжения.
Из особенностей сборки
Наиболее важным является расчет земли. Хорошо видно, что я организовал две точки заземления, собрал на них земли левого и правого каналов и подключил их к «минусу» фильтрующего конденсатора анодного напряжения. В итоге вкупе с «электронным дросселем» это дало очень хороший эффект. Я вообще не слышу фон. Ни 10, ни 5, ни 2 сантиметра от динамика.
Настройка усилителя
Здесь полностью цитирую Манакова:
Первый каскад настраивается на постоянное напряжение 1,8–2 В в контрольной точке на катодном резисторе подбором номинала этого резистора.
Второй каскад настраивается по падению постоянного напряжения в контрольных точках на катодных резисторах 1 Ом ламп выходного каскада, регулировкой напряжения смещения на управляющих сетках этих ламп. Падение напряжения на них должно быть 0,035-0,04 В, что соответствует анодному току каждой лампы 35-40 мА. Самые «экономные» могут уменьшить токи выходных ламп до 25-30 мА. Думаю излишне напоминать, что все эти настройки нужно производить в тихом режиме.
По переменному напряжению фазоинверторный каскад настраивается при подаче на сетку левого триода лампы 6Н9С переменного напряжения около 0,5 В частотой 3 кГц, а подстроечного резистора в сетке правого Триод лампы проявляет такое же переменное напряжение на анодах лампы. В этом случае необходимо использовать вольтметр с входным сопротивлением не менее 1 МОм.
Добавлю только, что при использовании ламп EL34 токи покоя можно (и нужно) безопасно поднять примерно до 56 – 60 мА, при анодном напряжении около 350 В.
Файлы
Чертежи печатных плат электронная почта дроссель и уровнемер:
▼
) в усилителе мощности звука применены лампы выходного каскада, работающие в классе «А», сверхлинейная коммутация, и собранный в виде моноблочно-лампового усилителя. В схеме можно использовать несколько разных ламп, в том числе КТ77 / 6L6GC / КТ88 с драйвером на 12SL7 . Вне зависимости от того, для каких типов ламп используются выходы — звук получается бархатным и изысканным.
В драйвере (звук предусилителя) лампа находится в режиме динамической нагрузки – SRPP. Альтернативный драйвер можно сделать с помощью 5751 . Не исключены и другие варианты, такие как 12AU7 , 12AT7 и 12AX7 . Выходная мощность этой схемы может достигать 50 Вт.
Схема довольно простая, как и для лампы УМЗЧ, но если вы не знакомы с ламповой техникой или не имеете опыта работы с высоковольтными установками, то это точно не подходящий проект для дебюта . Для полного исключения взаимного влияния отдельных каналов (левого и правого) конструктивно все выполнено в виде моноблоков — каждый со своим блоком питания. С одной стороны, этот вариант более сложный и дорогой, но и имеет свои преимущества.
На нижнем изображении показано самое простое. В блоке питания можно использовать обычный трансформатор, выпрямитель, фильтр. Обмотка накала 6 вольт и 4 ампера. При использовании только 6,3-вольтовых ламп напряжение соответственно снижается до вышеуказанного уровня.
Более чувствительные цепи расположены как можно дальше от силовых трансформаторов. Конденсаторы фильтра были приклеены к шасси. Использование земли в виде толстого большого оголенного медного провода Зарекомендовало себя для минимизации шума, шума и возможности оптимизации контуров заземления. При правильном соединении всех элементов схемы ток равен 1,25 деленному на номинал резисторов. Таким образом, 10 Ом дадут протекающий ток 0,125 ампер (при использовании ламп КТ88 требуется 180 мА).
Настройка и тестирование усилителя
Сразу предупреждаю, что в этой цепи есть смертельно опасные напряжения, будьте предельно осторожны при любых измерениях. Сначала включите питание и проверьте напряжения. Должно быть 12 вольт постоянного тока между нитью накала 12SL7 и около 475 вольт на блоке конденсаторов фильтра. Вставьте лампу. Остерегайтесь возможных проблем (внутри тарелок светящиеся красным тарелки, искры, дым, шум и другие интересные вещи, указывающие на плохие новости). Еще раз проверьте напряжение. Они должны быть в соответствующих пределах. Если они сильно отличаются, значит что-то подключено неправильно.
Если все в порядке, отключите питание и прикрутите динамики к выходу. Включите питание снова. Звука любого рода (шума или шума) должно быть мало или вообще не быть. Если из динамика слышно легкое гудение см в 10-20, то скорее всего проблема с установкой (экран, вес…).
Подайте сигнал на вход усилителя и посмотрите, что произойдет. Звук должен быть теплым и мягким, без заметных искажений. Теперь самое время сделать баланс токов на выходных лампах – подстроечный резистор на 25 Ом. Дайте усилителю поработать не менее 20 минут и снова проверьте настройки. Они, наверное, немного изменились – приспосабливайтесь. После окончательной сборки горячие и опасные лампы лучше накрыть защитной сеткой (особенно если у вас есть домашние животные или дети). Наслаждайтесь прослушиванием!
Сразу оговорюсь – эта антология никоим образом не претендует на звание пособия по ламповой схемотехнике. Схемы (в том числе и исторические) подбирались по сочетанию технических решений, по возможности с «прожекторами». А вкусы у всех разные, так что не проси ничего, если не угадаешь… В старых схемах стандартизирован ряд номиналов.
Для увеличения выходной мощности усилителей, кроме «запараллеливания» ламп, еще в 30-х годах использовались двухтактные каскады (двухтактный) . Для возбуждения двухтактного каскада необходимы два противофазных напряжения, которые проще всего получить с помощью трансформатора. Пока делают в самых бескомпромиссных конструкциях, но степень влияния межлампового трансформатора на качество сигнала чуть ли не больше выходного. Поэтому в подавляющем большинстве двухтактных усилителей для получения противофазных напряжений используется специальный фазоинверторный каскад.
- Основные типы фазоинверсных каскадов
- отдельный инвертирующий каскад в одном из плеч усилителя
- фазоинвертор с автобалансом
- фазоинвертор с катодной связью
- фазоинвертор с разделенной нагрузкой
Каждое решение имеет свои преимущества и недостатки. В период расцвета качественных ламповых усилителей наибольшее распространение получили фазоинверторы с раздельной нагрузкой и катодной связью.
Фазоинвертор с катодной связью дает некоторое усиление, но идентичность выходных сигналов зависит от степени связи. Глубокое соединение можно получить только при использовании соединения с большим сопротивлением (для этой схемы, называемой длинный хвост — «Длинный хвост» или источники тока в катодной цепи (а это тогда вообще не приветствовалось). Кроме того, выходные сопротивления плеч такого фазоинвертора существенно различаются (один триод включен в цепь с общим катодом, второй – с общей сеткой).
Фазоинвертор с раздельной нагрузкой позволяет принимать идентичные сигналы, но несколько их ослаблять. Поэтому приходится увеличивать коэффициент усиления фазоинвертора (что чревато его перегрузкой) или использовать двухтактный предоконечный каскад. Однако именно этот тип фазоинверторов получил наибольшее распространение в промышленных конструкциях, так как обеспечивает хорошую повторяемость при серийном производстве.
Вопрос экономии в те годы был в приоритете. И радиолюбителей, и конструкторов очень смущала дополнительная лампа. Поэтому неудивительно, что в начале 50-х годов на страницах радиотехнических изданий появились схемы двухтактных усилителей, не содержащих отдельного фазоинвертора. Выходной каскад таких усилителей был выполнен по схеме с катодной связью и работал в «чистом» классе А. Предлагались как новые схемы, так и преобразование существующих однотактных усилителей в двухтактные. По нашу сторону «железного занавеса» этот тип усилителей не прижился из-за низкого КПД, а по другую сторону они еще долго использовались.
Предельно простая схема такого усилителя, предназначенная для повторения любителями, показана ниже (спасибо Клаусу, приславшему схему – без нее картина была неполной). Обратите внимание на дату…
рис.1. Простой двухтактный усилитель Pвых = 6 Вт. Выходной каскад выполнен по схеме с катодной связью. Приведенное сопротивление нагрузки составляет 8 кОм. Конструктивные данные трансформатора неизвестны. В качестве источника питания использовался двухполупериодный выпрямитель на кенотроне прямого накала 5Я3ГТ и LC-фильтр. / Melvin Leibovitz Hi-Fi Power Amplifier (Электронный мир, 19 июня)61)
Интересно включить регулятор громкости на входе оконечного каскада и всего один переходной конденсатор. Степень катодной связи невелика, так что характер звука, скорее всего, будет как у однотонального (с четными гармониками). Общего ВП нет, так как запас усиления мал.
Однако введение ООС в пентодном усилителе крайне желательно – без него выходное сопротивление очень велико. Это хорошо только для СЧ-диапазона (ибо уменьшает интермодуляционные искажения в динамике), а для всех остальных применений противопоказано. Глубокую ООС в усилителе можно ввести только при прямом соединении каскадов.
рис.2. Двухтактный усилитель класса А. Усилитель выполнен по схеме с прямым подключением каскадов и имеет глубокую защиту от воздействия окружающей среды (~30 дБ). Двухтактный выходной каскад работает в классе А. Он выполнен по схеме катодной связи и не требует отдельного фазоинверсного каскада. Сеть VL3 заземлена по переменному току. Часть напряжения с катодов выходных ламп подается на экранирующую сетку VL1, стабилизирующую режим постоянного тока.
Налаживание сводится к подбору R1…R3 таким образом, чтобы напряжение на управляющих сетках ламп было -12 В относительно их катодов.
Выходной трансформатор выполнен на сердечнике Ш-22х50. Первичная обмотка содержит 2х1000 витков провода d=0,18 мм, вторичная обмотка содержит 42 витка провода d=1,25. Обмотки секционированы, вторичная обмотка размещена между первичными слоями. (В.Павлов. Высококачественный усилитель НЧ (Радио, №10/1956, стр.44)
9Усилители 0003 Mode A обеспечивают высокое качество звука, однако переход в режим AB при той же мощности рассеяния на аноде позволяет получить в два-три раза большую выходную мощность. Выходной каскад в режиме АВ уже не может работать с катодной связью, поэтому без отдельного каскада инверсии фаз не обойтись.Стремление уменьшить если не количество ламп, то хотя бы количество цилиндров, привело к появлению схемы усилителя на двух триодах-пентодах. Низкочастотные триодные пентоды когда-то были специально разработаны для однотактных приемных усилителей и телевизоров (триодная часть использовалась в драйвере, пентодная — в выходном каскаде). Впрочем, в двухтактном применении они тоже не подкачали. Опубликованная ниже схема имела немало воплощений. Ультралинейный вариант, например, был в самом первом издании книги Гендина “Качественное любительское УНЧ” (1968)
рис.3 Двухтактный усилитель на триодах-пентодах. Pвых = 10 Вт. Фазоинвертор по схеме раздельной нагрузки, связь с первым каскадом прямая. Выходной пентодный каскад с фиксированным смещением. Существуют также варианты этой схемы со сверхлинейным включением выходных ламп, с комбинированным и автоматическим смещением. Конструктивные данные трансформатора неизвестны. Цепь R3C2 обеспечивает стабильность работы усилителя с замкнутым контуром защиты от воздействия окружающей среды.
Кстати, о сверхлинейном включении выходных пентодов. В двухтактном исполнении у них есть еще один плюс — дополнительная компенсация гармоник, возникающих в выходном каскаде. Поэтому подавляющее большинство любительских конструкций выполнено по варианту ультралайн. В промышленных конструкциях отечественного производства ультралинейные усилители опять же не прижились из-за сложности выходного трансформатора. Для получения высоких характеристик необходима полная симметрия конструкции, секционирование обмоток, сложная коммутация. При использовании трансформаторов массового производства выигрыш от применения сверхлинейной схемы не заметен.
Следующая схема стала классической и послужила основой для бесчисленного множества дизайнов.
рис.4. Ультралинейный усилитель Pвых = 12 Вт, кг
Несмотря на свои высокие характеристики, как обычные пентодные, так и ультралинейные усилители редко используются без общей защиты от окружающей среды. Применение ООС снижает выходное сопротивление усилителя и улучшает условия работы низкочастотных головок. А вот для уменьшения выходного сопротивления усилителя можно использовать не только отрицательную, но и положительную ОС. В схеме следующего усилителя используется комбинированная обратная связь.
рис.5. Ультра линейный усилитель Главной особенностью усилителя является сочетание напряжения ООС и тока ПОС, что улучшает согласование усилителя с динамической головкой в области основного механического резонанса. Сигнал ПОС снимается с датчика тока (R19), включенного в «земляной» вывод выходного трансформатора. Глубина обеих обратных связей регулируется синхронно, что исключает самовозбуждение усилителя.
Первый каскадный усилитель напряжения. Фазоинвертор выполнен по схеме с катодной связью. Выходной каскад выполнен по типовой ультралинейной схеме и дополнен балансировочным регулятором РП1. Второй усилитель VL1 имеет микрофонный усилитель. Выходной трансформатор выполнен на сердечнике W25x40. Первичная обмотка содержит 2х (1100+400) витков провода d=0 18мм, вторичная – 82 витка провода d=0 86мм (60м) В.
