РадиоКот :: Первый транзисторный. Часть 2
Например TDA7294

РадиоКот >Схемы >Аудио >Усилители >

Теги статьи: Добавить тег

Первый транзисторный. Часть 2

Автор: Sobiratel_sxem
Опубликовано 01.09.2022
Создано при помощи КотоРед.

     Добрый день, уважаемые радиолюбители.

     В предыдущей части данной статьи мы начали рассказывать Вам о цикле экспериментов, проведённых со схемотехникой усилителей. Сегодня мы хотели бы закончить описание данных экспериментов и подвести итоги. Ну что же, пожалуй начнём.

     После прослушивания последнего варианта усилителя, описанного в предыдущей части статьи, мы вновь приступили к его модернизации. Так родился вариант усилителя, показанный на схеме ниже.

     Основные изменения, которые были внесены в данный вариант усилителя касаются схемотехники первого каскада усиления.

     Итак, в предварительном усилителе, построенном по схеме дифференциального усилителя, биполярные транзисторы были заменены на составные транзисторы (первый составной транзистор VT18-VT3, второй составной транзистор VT19-VT4) [11]. Данные составные транзисторы включены по схеме Дарлингтона, но составлены из полевого и биполярного транзисторов. Физически (электрически), каждый такой транзистор эквивалентно представляет из себя полевой транзистор с параметрами, определяемыми комбинацией параметров биполярного и полевого транзисторов. Подробнее о таком включении и его параметрах можно почитать в [10].

     Кроме того, претерпел изменение источник тока дифференциального каскада. В данном варианте токового зеркала ток через токозадающее плечо задаётся источником тока, реализованным на полевом транзисторе VT20. Для повышения же внутреннего сопротивления источника тока применено каскодное включение полевого и биполярного транзисторов VT17-VT2. О результирующих параметрах подобного включения так же можно подробно прочесть в [10].

     Настройка данного варианта усилителя полностью аналогична предыдущему. Ток покоя транзисторов выходного каскада задаётся резистором R18, а половина напряжения питания на выходе усилителя (в точке соединения резисторов R33, R34) – резистором R1. Ток покоя транзисторов выходного каскада составляет 600 мА.

     После внесения необходимых изменений и настройки усилителя было проведено измерение его основных параметров.

     На скрине далее показана АЧХ данного варианта усилителя.

     По скрину видно, что полоса пропускания усилителя по уровню -3 дБ простирается от 20-25 герц до 35-40 кГц. Если сравнить с предыдущим вариантом усилителя, то можно заметить, что полоса сверху стала несколько уже при тех же параметрах корректирующих цепочек. Это связано с более худшими частотными характеристиками составных транзисторов на входе усилителя. АЧХ данного усилителя примерно соответствует АЧХ второго варианта усилителя (без симметричной раскачки).

     На скрине ниже показан спектр сигнала на выходе усилителя при номинальной выходной мощности, равной 4 Вт.

     По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 0.08%, а уровень самой высокой гармоники, 2-й, грубо равен -60 дБ. Уровень 3-й гармоники грубо равен -68 дБ, а все остальные гармоники подавлены более чем на 80 дБ. Следует отметить, что форма распределения гармоник данного варианта усилителя примерно соответствует однотактному ламповому усилителю – достаточно быстро спадающий спектр гармоник с доминированием 2-й гармоники.

     На спектре ниже показан спектр сигнала на выходе усилителя при половинной выходной мощности равной 2 Вт.

     По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 0.057%, а уровень самой высокой гармоники, 2-й, грубо равен -65 дБ. Все остальные гармоники подавлены не менее чем на 80 дБ. Форма распределения гармоник при изменении выходной мощности сохраняется.

     После превышения номинальной выходной мощности равной 4 Вт усилитель начинает входить в ограничение сигнала. Максимальная мощность, которую способен развивать усилитель в клипинге равна 7 Вт. При этом суммарный коэффициент гармоник равен 10%.

     После измерения всех основных параметров усилителя было проведено контрольное прослушивание. На видео ниже показана работа макета усилителя при проведении испытаний. Ещё раз предупрежу – не судите о качестве звучания усилителя по представленному видео – оно предназначено для демонстрационных целей.

     В реальности, звучание данного варианта усилителя, действительно, напоминает чем-то звучание однотактного лампового усилителя (настроенного как положено). Если сравнить с предыдущим вариантом усилителя, то в звуке за счет распределения гармоник на низких частотах появляется своеобразный оттенок – звук становится более глухим и гулким. Но при этом в среднем всё же качество воспроизведения низких частот значительно выше, чем у большинства среднестатистических однотактных ламповых усилителей – сказывается достаточно низкое выходное сопротивление и, как следствие, хороший контроль диффузора динамика НЧ канала акустической системы. Подробнее о выходном сопротивлении усилителя и коэффициенте демпфирования я рассказывал в статье, посвящённой измерительному комплексу на базе ПК [13].

     Как и для предыдущих вариантов усилителя для этого усилителя так же справедливы все рекомендации, данные выше для расширения полосы пропускания усилителя, повышения выходной мощности, а также уменьшения уровня искажений.

     После прослушивания усилителя мы внесли в него ещё некоторые изменения. Получившийся вариант усилителя показан на схеме ниже.

     Основные изменения в данном варианте усилителя по сравнению с предыдущим коснулись цепочки задания режима работы предвыходного и выходного каскадов, которая по совместительству выполняет роль термостабилизации этих же каскадов. В данном усилителе мы заменили цепочку из пары диодов и терморезистора на биполярный транзистор VT21.

     Таким образом, ток покоя выходного каскада при настройке задаётся переменным резистором R42, а половина напряжения питания на выходе усилителя всё так же устанавливается резистором R1. Транзистор VT21 при этом необходимо установить на один из радиаторов выходного каскада усилителя, обеспечив хороший тепловой контакт между корпусом транзистора и радиатором.

     При настройке усилителя необходимо проконтролировать степень температурной компенсации. Для этого нужно установить необходимый ток покоя транзисторов выходного каскада, после этого подключить на выход усилителя эквивалент нагрузки и подавая синусоидальный сигнал на вход усилителя установить номинальную выходную мощность усилителя. Контролируя потребляемый ток необходимо дождаться наступления теплового равновесия (т.е. того момента, когда радиатор выходного транзистора перестанет нагреваться сильнее). После этого необходимо прекратить подачу на вход синусоидального сигнала и проконтролировать величину тока покоя, который не должен отличаться от изначально выставленного более чем на 10% в любую из сторон (лучше небольшая лишняя температурная компенсация, чем недостаточная). Если же происходит излишняя температурная компенсация, то в эмиттер транзистора VT21 необходимо установить резистор небольшого сопротивления и подобрать его величину так, чтобы ток покоя при максимальной выходной мощности не отличался от изначально установленного тока покоя не более чем на 10%. Скорее всего процедуру придется повторить несколько раз, начиная с небольших промежутков времени работы усилителя на номинальной выходной мощности, прежде чем будет достигнут необходимый результат.

     Кроме того, в выходной каскад усилителя была введена локальная отрицательная обратная связь небольшой глубины (конденсаторы С17, С18, резисторы R14, R17).

     После настройки усилителя были измерены основные его параметры.

     На скрине ниже показана АЧХ данного варианта усилителя.

     Если сравнить АЧХ данного усилителя с предыдущим вариантом усилителя, то можно заметить, что они практически не отличаются, что в общем-то, логично т.к. в усилитель не вносилось каких-либо глобальных изменений, которые повлияли бы на форму АЧХ.

     На скрине ниже показан спектр сигнала на выходе усилителя при номинальной выходной мощности равной 4 Вт.

     По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 0.036%, а уровень самой высокой гармоники, 2-й, грубо равен -68 дБ. При этом уровень 3-й и 4-й гармоник составляет -70 дБ. Все остальные гармоники подавлены не хуже, чем на 80 дБ.

     На скрине далее показан спектр сигнала на выходе усилителя при половинной выходной мощности, равной 2 Вт.

     По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 0.028%, а уровень самой высокой гармоники, 2-й, грубо равен -69 дБ. Все остальные гармоники подавлены не хуже, чем на 80 дБ. Таким образом, можно сделать вывод о том, что введение симметричной отрицательной обратной связи наиболее сильно уменьшило уровень 2-й гармоники при номинальной выходной мощности, но при этом несколько увеличился уровень 4-й гармоники. Кроме того, уменьшился суммарный коэффициент гармоник во всём диапазоне выходных мощностей усилителя.

     После проведения всех измерений было произведено контрольное прослушивание усилителя. На видео ниже показана работа макета усилителя при проведении испытаний.

     Если сравнить звучание данного варианта усилителя с предыдущим, то мы не услышали на своей акустической системе каких-либо изменений в звучании по сравнению с предыдущим вариантом усилителя несмотря на то, что объективно параметры усилителя улучшились. Наиболее вероятно это связано с порогами чувствительности наших ушей – произошедшие изменения уже лежат ниже порога слышимости. Вторая причина – это собственные искажения акустической системы, которые во много раз больше, чем искажения усилителя. Получается так, что при таких уровнях искажения усилителя могут вполне маскироваться искажениями акустической системы.

     После превышения номинальной мощности равной 4 Вт усилитель начинает входить в ограничение сигнала. Максимальная мощность, развиваемая усилителем в клипинге равна 7 Вт. При этом суммарный коэффициент гармоник равен 10%.

     После прослушивания усилителя мы перешли ещё к одной модернизации, последней. Итоговый усилитель, который мы испытали показан на схеме ниже. Основная модернизация, по сравнению с предыдущими вариантами усилителя, снова коснулась предварительного усилителя.

     У нас в наличии имелась радиолампа 6Н27П (Ла1), предназначенная для работы в схемах с низким анодным напряжением. Мы подумали: почему бы и нет? – было интересно что получится в итоге. Таким образом, на входе усилителя появился дифференциальный ламповый каскад вместо транзисторного. Раскачка предвыходного и выходного каскада так же осталась симметричной, но претерпела небольшие изменения, на которых мы не будем останавливаться – они все отображены на электрической принципиальной схеме. Настройка усилителя полностью аналогична предыдущему варианту усилителя.

     После налаживания усилителя были измерены основные его параметры.

     На скрине далее показана АЧХ конечного варианта усилителя.

     По скрину видно, что АЧХ данного варианта усилителя практически идентична предыдущему за исключением низкочастотной области. В данном варианте усилителя срез по уровню -3 дБ лежит в области 30 Гц. Это связано с недостаточной ёмкостью конденсаторов С1, С3. Для понижения частоты среза необходимо ёмкость данных конденсаторов увеличить до 20-47 мкФ.

     На скрине далее показан спектр искажений на выходе усилителя при номинальной выходной мощности, равной 12 Вт.

     По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 0.34%, а уровень самой высокой гармоники, 2-й, грубо равен -49 дБ. Уровень 3-й гармоники грубо равен -52 дБ. Все остальные гармоники подавлены не менее чем на 70 дБ.

     На скрине ниже показан спектр искажений на выходе усилителя при выходной мощности равной 6 Вт.

     По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 0.23%, а уровень самой высокой гармоники, 2-й, грубо равен -51 дБ. Уровень третьей гармоники грубо равен -58 дБ.

     На скрине ниже представлен спектр сигнала на выходе усилителя при выходной мощности равной 4 Вт.

     Данный спектр был снят для возможности сравнения усилителя с предыдущими вариантами усилителя. По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 0.18%, а уровень самой высокой гармоники, 2-й, грубо равен -55 дБ. Уровень третьей гармоники грубо равен -63 дБ. Все остальные гармоники подавлены не менее чем на 70 дБ.

     Если сравнить спектры на выходе усилителя данного варианта усилителя с предыдущими, то можно заметить, что в некоторых случаях спектр конечного усилителя короче, гармоник высокого порядка меньше, а их затухание с повышением номера гармоники происходит сильнее (особенно если сравнивать при одинаковой выходной мощности), несмотря на более высокий уровень суммарного коэффициента гармоник.

     Суммарный коэффициент гармоник в основном определяется уровнем 2-й и 3-й гармоник, которые при применении лампового предварительного усилителя несколько выше по уровню. Но тем не менее на этом варианте усилителя хороши видно, что при более высоком напряжении питания выходного каскада его режим оказался более линеен. Рост гармоник высших порядков (выше 3-й) с ростом выходной мощности происходит более плавно, а так как выходная мощность усилителя выше, то при более низкой выходной мощности уровень гармоник оказывается ниже.

     Если бы мы питали таким напряжением питания любой из предыдущих вариантов усилителя, то обнаружили бы уменьшение суммарного коэффициента гармоник, о чём мы писали в самом начале данной статьи.

     В качестве транзисторов выходного каскада для указанного на схеме напряжения питания всё же лучше применить более высоковольтные транзисторы, например КТ818/КТ819 т.к. указанные на схеме транзисторы при работе на максимальной выходной мощности будут работать с перегрузкой по напряжению, что в большинстве случаев недопустимо в транзисторной технике.

     Кроме того, неплохо в качестве лампы предварительного усилителя себя показала радиолампа 6Н23П [16].

     После настройки усилителя было проведено контрольное прослушивание. На видео далее показана работа макета усилителя при проведении испытаний.

     Если оценивать звучание данного варианта усилителя, то оно достаточно сильно похоже на вариант усилителя с составными транзисторами в дифференциальном каскаде, но при этом отличия в низкочастотной области более заметны – звук становится ещё более глухим и гулким – влияние чётных гармоник становится более заметно.

     В подборке фото ниже представлены фото макета пятого и шестого вариантов усилителя при проведении испытаний. Конечно, макеты получились достаточно корявыми, но от них какой-то красоты и эстетики не требовалось ввиду проведения множества промежуточных экспериментов и переделок.

     Таким образом, мы начинали свои эксперименты практически с классической схемы простейшего транзисторного усилителя, а закончили гибридным усилителем.

     По результатам множества экспериментов и измерений можно сделать вывод о том, что в усилителях с дифференциальным каскадом на входе и симметричной раскачкой (с каскадом на чисто биполярных и составных транзисторах) при выборе соответствующего тока покоя, повышении напряжения питания, а так же подборе в пары транзисторов можно достаточно просто получить коэффициент гармоник ниже 0.01% при выходной мощности равной 12 Вт. При этом полоса пропускания усилителя сверху будет не менее 45-50 кГц (а при уменьшении ёмкости конденсаторов частотной коррекции возможно расширение полосы до 150-200 кГц).

     Эксперименты с различными гибридными усилителями, скорее всего, будут продолжены в будущем (в данный момент мы как раз занимаемся сборкой двухполярного универсального источника питания, который позволит провести множество интересных экспериментов).

     Применение отдельного полноценного источника питания для ламповой части гибридного усилителя позволит получить характеристики значительно лучше, по сравнению с представленной схемой усилителя (хотя, для усилителей с выходной мощностью Ватт 100 результат для ламп 6Н27П/6Н23П на входе был бы и так значительно лучше т.к. запас по питанию был бы выше, а это позволило бы использовать более линейный режим работы).

     На этом на сегодня всё, с уважением, Андрей Савченко, Кулаковский Максим.

 

P.S.

     Уже после того, как вся статья была написана стали закрадываться небольшие сомнения относительно того, а не запутали ли мы в статье читателей, описывая классы усиления и подход к выбору тока покоя? Что же, придётся сделать небольшое отступление и немного пояснить дополнительно.

     Итак, если подходить строго, то под классом «А» подразумевается такой режим работы активных элементов (ламп, транзисторов) выходного каскада, когда при любых допустимых мгновенных значениях входного сигнала ток, протекающий через активный элемент (АЭ) не прерывается (т.е. не наступает ни отсечки тока, ни насыщения АЭ. Рабочая точка всегда находится на «прямолинейном» участке динамической характеристики).

     Если рассматривать однотактный выходной каскад, то для достижения класса «А» ток покоя должен быть не менее амплитуды тока, протекающего через нагрузку при максимальной выходной мощности (обычно выбирают на 10-20% выше). Таким образом, все критерии выбора транзисторов выходного каскада и тока покоя, описанные в статье полностью справедливы для однотактного выходного каскада, работающего в классе «А» (это классический подход). Но, у нас в статье описан двухтактный выходной каскад.

     При использовании двухтактного выходного каскада токи плеч складываются на нагрузке. Таким образом, фактически, ток покоя транзисторов выходного каскада можно выбрать в 2 раза меньше (и при этом сэкономить на рассеиваемой мощности и повысить КПД усилителя – это тоже классический подход). Нами же предложено выбрать ток покоя в двухтактном выходном каскаде, работающем в классе «А» как для однотактного. В реальности мы имеем при таком подходе двукратный запас по току покоя (по сравнению, опять же, с классическим подходом). В связи с этим, чтобы не вносить путаницы, правильнее было бы назвать такой режим работы «Модернизированный класс А».

С другой стороны, выражение «не менее» и определение сути класса «А», в общем-то, не ограничивает нас в выборе тока покоя в большую сторону (главное правильно выбрать АЭ выходного каскада, в соответствии сформулированным требованиям). Такой подход даёт определённые преимущества в плане значительного снижения динамических искажений различного типа (связанных с мгновенным изменением температуры кристалла транзисторов, нестабильностью коэффициента усиления по току транзисторов при низком токе покоя и пр.), хотя при этом мы проигрываем в КПД и рассеиваемой мощности.

     В случае с классом «АВ» так же справедливее для описанного подхода было бы его назвать «Модернизированным классом АВ». По сравнению с классическим подходом мы так же выбираем ток покоя с двукратным запасом (хотя в описанных вариантах усилителя даже в этом случае класс АВ всё же остаётся классом АВ – просто с более высоким током покоя).

     Таким образом, изучая различную техническую литературу вас не должен смущать тот факт, что в разных источниках для классов А/АВ предлагается несколько по-разному выбирать ток покоя – это зависит от предъявляемых к усилителю требований по соотношению уровня искажений различного типа, КПД, рассеиваемой мощности и пр.

     Будем надеяться, что данным дополнением мы ещё больше вас не запутали.

     С уважением, Андрей Савченко, Кулаковский Максим.

 

Список использованной литературы:

  1. Галкин В.И. Полупроводниковые приборы / В.И. Галкин, А.Л. Булычев, В.А. Прохоренко. – 2-е изд. – Минск.: Беларусь, 1987. – 285 с.
  2. Хоровиц П. Искусство схемотехники. Том 1. / П. Хоровиц, У. Хилл. – 4-е изд. – М.: Мир, 1993. – 413 с.
  3. Параметры транзистора S8050
  4. Параметры транзистора S8550
  5. Петухов В.М. Зарубежные транзисторы и их аналоги. Том 1. / В.М. Петухов. – М.: ИП РадиоСофт, 1998. – 832 с.
  6. Рогов И.Е. Конструирование источников питания звуковых усилителей / И.Е. Рогов. – М.: Инфра-Инженерия, 2011. – 160 с.
  7. Ежков Ю.А. Справочник по схемотехнике усилителей / Ю.А. Ежков. — 2-е изд. – М.: ИП РадиоСофт, 2002. – 272 с.
  8. Параметры транзистора 2SJ103 (j103)
  9. Visual Analyser. Практическое измерение параметров. Часть 5
  10. Параметры радиолампы 6Н27П
  11. Параметры радиолампы 6Н23П

 

P.P.S.

     Дополнительно повысить выходную мощность описанных транзисторных усилителей и снизить уровень нелинейных искажений можно, если реализовать раздельное питание предварительного усилителя, предвыходного каскада и оконечного (выходного) каскада усилителя.

     При этом выходной каскад необходимо запитать от выпрямленного и хорошо сглаженного источника питания напряжением 90-100 Вольт (Либо любого другого в зависимости от выбранных транзисторов выходного каскада. К сожалению, во время проведения серии экспериментов у меня не было под рукой подобного источника питания… …поэтому запитывал от того, что было в наличии на тот момент), выбрав подходящие по току, напряжению и рассеиваемой мощности выходные транзисторы. В таком варианте все остальные каскады можно запитать через стабилизатор напряжения (лучше компенсационный) с выходным напряжением 32-35 Вольт (в последнем варианте усилителя с ламповым предварительным усилителем от источника питания выходного каскада так же можно запитать первый каскад усилителя, но в этом случае необходимо реализовать задержку подачи напряжения питания до полного прогрева катода ламп — около 20-30 секунд).

     После подобной модернизации возможно получение выходной мощности вплоть до 80-100 Вт. При этом применение дополнительного стабилизатора напряжения для питания предварительного усилителя позволит значительно уменьшить уровень фона переменного тока на выходе усилителя. Рассеиваемая на стабилизаторе мощность при работе не будет превышать 3-4 Вт.

     Для подобных усилителей достаточно будет тока покоя транзисторов выходного каскада в 500 мА. При этом, конечно же, можно реализовать рекомендации, описанные в данной статье, но нужно быть готовым к ощутимой рассеиваемой на транзисторах мощности.

 

 



Все вопросы в Форум.




Как вам эта статья?

Заработало ли это устройство у вас?

7 2 7