Умзч вв: УМЗЧ ВВ Усилитель мощности звуковой частоты высокой верности Сухова.

Усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ ВВ) высокой верности , разработанный в 1989 году Николаем Суховым, уже с полным правом можно назвать легендарным.  При его разработке был применен профессиональный подход, основанный на знаниях и опыте в области аналоговой схемотехники. Как результат, параметры этого усилителя оказались настолько высокими, что и на сегодняшний день данная конструкция не потеряла актуальности.

Исходная схема УМЗЧ ВВ обладает достаточными параметрами для того, чтобы усилитель не являлся доминирующим источником нелинейности звуковоспроизводящего тракта во всем диапазоне выходных мощностей. Поэтому дальнейшее улучшение характеристик заметных преимуществ уже не дает.

По крайней мере, качество звучания разных фонограмм отличается намного больше, чем качество звучания усилителей.

Несмотря на этот факт, любителями Hi-End не прекращаются поиски «правильного» звука, которые затрагивают, в том числе, и УМЗЧ ВВ. На самом деле УМ является примером очень простого линейного тракта. Современный уровень развития схемотехники позволяет обеспечить для такого устройства достаточно высокие параметры, чтобы вносимые искажения стали незаметными.

Сказанное не значит, что спроектировать высококачественный УМ очень просто. Существует множество тонкостей, как схемотехнического, так и конструктивного плана. Но все эти тонкости давно известны серьезным производителям УМ, и грубых ошибок в конструкциях современных УМЗЧ ВВ обычно не встречается. Исключение составляют дорогие усилители класса Hi-End, которые зачастую спроектированы очень неграмотно. Даже если вносимые УМ искажения приятны на слух (что утверждают любители ламповых усилителей), это не имеет ничего общего с высокой верностью звуковоспроизведения.

К высококачественному УМ, кроме традиционных требований широкополосности и хорошей линейности, предъявляется еще ряд дополнительных требований. Иногда можно слышать, что для домашнего использования достаточна мощность усилителя 20-35 Вт. Если речь идет о средней мощности, то такое утверждение справедливо. Но реальный музыкальный сигнал может иметь пиковый уровень мощности, превышающий средний уровень в 10-20 раз. Поэтому, чтобы при средней мощности 20 Вт получить неискаженное воспроизведение такого сигнала, необходимо иметь мощность УМ порядка 200 Вт. Вот, например, вывод экспертной оценки для усилителя, описанного в [4]: «Единственным замечанием была недостаточная громкость звучания больших ударных инструментов, что объясняется недостаточной выходной мощностью усилителя (120 Вт в пике на нагрузке 4 Ома).»

Акустические системы (АС) представляют собой комплексную нагрузку и имеют очень сложный характер зависимости полного сопротивления от частоты. На некоторых частотах оно может быть меньше номинального значения в 3 – 4 раза. УМ должен иметь возможность работать без искажений на такую низкоомную нагрузку. Например, если номинальное сопротивление акустической системы составляет 4 ома, то УМ должен нормально работать на нагрузку сопротивлением 1 ом.

Последнее время довольно часто обсуждается тема оптимального выходного сопротивления усилителя с точки зрения минимизации искажений АС. Однако эта тема актуальна только при проектировании активных АС. Разделительные фильтры пассивных АС разрабатываются исходя из того, что источник сигнала будет иметь пренебрежимо низкое выходное сопротивление. Если УМ будет иметь высокое выходное сопротивление, то АЧХ таких АС будет сильно искажена. Поэтому ничего другого не остается, как обеспечивать для УМ малое выходное сопротивление.

Как уже отмечалось ранее, за основу описываемого усилителя взята схема усилителя Николая Сухова, которая описана в [1]. Основные принципы построения УМ высокой верности изложены в [2]. Принципиальная схема основной платы усилителя приведена на рисунке.

Принципиальная схема основной платы усилителя.

По сравнению с оригинальной конструкцией в усилитель были внесены небольшие изменения. Эти изменения не являются принципиальными и представляют собой в основном переход на более новую элементную базу.

Изменена схема температурной стабилизации тока покоя

Обычно для температурной стабилизации тока покоя выходного каскады УМ используют следующую схему (рис. 6a):

Рис. 6. Схема температурной стабилизации тока покоя.

Напряжение смещения прикладывается к точкам A и B. Оно выделяется на двухполюснике, который состоит из транзистора VT1 и резисторов R1, R2. Начальное напряжение смещения устанавливают резистором R2. Транзистор VT1 обычно закрепляют на общем с VT6, VT7 радиаторе. Стабилизация осуществляется следующим образом: при нагревании транзисторов VT6, VT7 уменьшается падение база-эмиттер, что при фиксированном напряжении смещения приводит к увеличению тока покоя. Но вместе с этими транзисторами нагревается и VT1, что вызывает уменьшение падения напряжения на двухполюснике, т.

Выходные транзисторы УМ заменены транзисторами КТ8101А, КТ8102А, которые имеют более высокую граничную частоту коэффициента передачи тока. У мощных транзисторов довольно ярко выражен эффект падения коэффициента передачи тока при росте тока коллектора. Этот эффект является крайне нежелательным для УМ, так как здесь транзисторам приходится работать при больших выходных токах. Модуляция коэффициента передачи тока приводит к значительному ухудшению линейности выходного каскада усилителя. Для уменьшения влияния этого эффекта в выходном каскаде применено параллельное включение двух транзисторов (и это минимум, который можно себе позволить).

При параллельном включении транзисторов для уменьшения влияния разброса их параметров и выравнивания рабочих токов применены раздельные эмиттерные резисторы. Для нормальной работы системы защиты от перегрузок по току добавлена схема выделения максимального значения напряжения на диодах VD9 – VD12 (рис. 5), так как теперь приходится снимать падение не с двух, а с четырех эмиттерных резисторов.

Другие транзисторы составного эмиттерного повторителя – это КТ850А, КТ851А (корпус TO-220) и КТ940А, КТ9115А (корпус TO-126). В схеме стабилизации тока покоя применен составной транзистор КТ973А (корпус TO-126).

Произведена и замена ОУ на более современные. Основной ОУ U1 заменен AD744, который обладает повышенным быстродействием и хорошей линейностью. ОУ U2,который работает в схеме поддержания нулевого потенциала на выходе УМЗЧ, заменен OP177, обладающим низким смещением нуля (не более 15 мкв). Это позволило отказаться от подстроечного резистора регулировки смещения. Нужно отметить, что из-за особенностей схемотехники AD744 ОУ U2 должен обеспечивать выходное напряжение, близкое к напряжению питания (вывод 8 ОУ AD744 по постоянному напряжению отстоит от вывода 4 всего на два p-n перехода). Поэтому не все типы прецизионных ОУ подойдут. В крайнем случае, можно применить «подтягивающий» резистор с выхода ОУ на –15 В. ОУ U3, который работает в схеме компенсации импеданса соединительных проводов АС, заменен AD711. Параметры этого ОУ не столь критичны, поэтому был выбран дешевый ОУ с достаточным быстродействием и довольно низким смещением нуля.

В результате такой замены понадобилось несколько скорректировать номиналы цепей частотной коррекции. Особо следует обратить внимание на емкость конденсатора C13: она уменьшена до 10 пФ. Параллельно этой емкости включена паразитная емкость [коллектор транзистора VT8] – [корпус]. Эта емкость зависит от примененной изолирующей прокладки и может быть соизмеримой с C13. Поэтому рекомендуется применять для VT8 толстую керамическую прокладку.

В схему добавлены резисторные делители R49 – R51, R52 – R54 и R47, R48, которые служат для снятия сигналов тока и напряжения для схемы измерения мощности.

Изменена реализация земляных цепей. Поскольку теперь каждый канал усилителя полностью собран на одной плате, отпала необходимость во множественных земляных проводах, которые должны соединяться в одной точке на шасси. Специальная топология печатной платы обеспечивает звездообразную разводку земляных цепей. Звезда земли соединяется одним проводником с общим выводом источника питания. Нужно заметить, что такая топология годится лишь при полностью раздельных источниках питания левого и правого каналов.

В оригинальной схеме усилителя петля обратной связи по переменному току охватывает и контакты реле, которые подключают нагрузку. Эта мера принята для уменьшения влияния нелинейности контактов. Однако при этом возможны проблемы с работой защиты по постоянной составляющей. Дело в том, что при включении усилителя питание подается раньше, чем включается реле нагрузки. В это время на входе УМ может присутствовать сигнал, а коэффициент передачи усилителя вследствие разорванной петли обратной связи очень велик. В таком режиме УМ ограничивает сигнал, а схема компенсации напряжения смещения в общем случае неспособна поддержать на выходе УМ нулевое значение постоянной составляющей. Поэтому еще до подключения нагрузки может обнаружиться, что на выходе УМ присутствует постоянная составляющая, и тогда сработает система защиты. Устранить этот эффект очень просто, если использовать реле с переключающими контактами.

Защита от перегрузки по току включает в себя триггер, собранный на транзисторах VT3, VT4 (рис. 5), который включается при открывании транзистора VT13. VT13 принимает сигнал с датчика тока и открывается при достижении током установленного с помощью подстроечного резистора R30 значения. Триггер выключает генераторы тока VT5, VT6, что приводит к запиранию всех транзисторов составного эмиттерного повторителя. Нулевое напряжение на выходе поддерживается в этом режиме при помощи резистора R27 (рис. 5).

Проведенные исследования показали, что слюда, а тем более современные эластичные прокладки, не обладают достаточной теплопроводностью. Лучшим материалом для изолирующих прокладок является керамика на основе BeO. Однако для транзисторов в пластмассовых корпусах такие прокладки почти не встречаются. Довольно хорошие результаты удалось получить, изготовив прокладки из подложек гибридных микросхем. Это керамика розового цвета (к сожалению, материал точно не известен, скорее всего, что-то на основе Al₂O₃). Для сравнения теплопроводности разных прокладокбыл собран стенд, в котором на радиаторе были закреплены два одинаковыхтранзистора в корпусе TO-220: один непосредственно, другой – через исследуемую прокладку. Ток базы у обоих транзисторов был один и тот же. Транзистор на прокладке рассеивал мощность порядка 20Вт, а другой транзистор мощности не рассеивал (на коллектор не подавалось напряжение). Измерялась разность падений Б-Э у двух транзисторов, и по этой разности вычислялась разность температур переходов. Для всех прокладок использовалась теплопроводящая паста, без нее результаты были худшими и нестабильными. Результаты сравнения представлены в таблице:

Тип прокладки	Относительное превышение температуры, °C
без прокладки	0
керамика на основе BeO, 1. 5 мм	+4
керамическая подложка, 1.0 мм	+16
слюда, 0.05 мм	+28
эластичная прокладка, 0.2 мм	+88

Подробнее о доработке этого усилителя, подборе компонентов, вы узнаете здесь>>>.